免疫系統

免疫系統是生物體內一個能辨識出「非自體物質」(通常是外來的病菌)、從而將之消滅或排除的整體工程之統稱。它能從自身的細胞或組織辨識出非自體物質(小從病毒,大至寄生蟲)。所有植物與動物都具有先天免疫系統。免疫系統並非完全有效,因為病菌或寄生蟲能不斷演化來感染宿主。

免疫機制

為了解決這困難,宿主演化出能辨識並有效中和病菌的機轉。

原始免疫機制

即使單細胞生物如細菌也有特別的酵素來對抗病毒的感染。基本免疫機制還保留在如植物、魚類、爬行類及昆蟲的後代;其演化自古代真核生物,該機制包含抗微生物肽的防禦素、模式識別受體,及補體系統。

脊椎動物免疫機制

而最複雜精巧及近晚演化的免疫機制,則為脊椎動物所擁有。像人體這般的脊椎動物,其免疫系統包含許多種類的蛋白質、細胞,器官及組織,形成一繁複互動的系統。這系統的其中一部分則隨時間的演進能對特定的病菌產生更有效率的辨識能力。這對病菌的適應過程能產生免疫記憶,從而對將來重複感染的病菌有著更強的保護能力。這後天免疫的產生過程即是疫苗的基本原理。

人體的免疫

免疫系統利用隨著層級上升而增加特異性的能力,保護人體免於感染。最直接的保護,來自整個人體體表對外界的致病源(如:細菌與病毒)的物理隔離。若致病源破壞體表,則先天免疫系統會作出立即、但不具特異性的反應。倘若致病源躲過先天免疫反應,脊椎動物會出現第三層保護,即後天免疫系統。在其中,免疫系統會適應感染時的反應而後改善它對致病源的辨識能力。此改善過的反應會在致病源清除後以免疫記憶的方式被保留起來,使以後同一致病源若再度感染時,人體能有更快,更有效地攻擊方式清除之。

免疫不全

免疫失常會導致疾病的發生。免疫系統的功能降低時會發生免疫不全疾病,導致病菌的重複感染而危及個體的生存。免疫不全可能肇因於基因的缺陷,比如多因型免疫不全疾病,也可能是因為所服用的藥物或所感染的病毒,比如由反轉錄病毒HIV所產生的後天免疫不全疾病。

過敏反應

相反地,免疫系統功能過於強烈也能導致疾病,這是因為過度反應的免疫會將自身組織當成外來的病菌而攻擊所產生,此即為自體免疫性疾病。常見的自體免疫疾病包含類風濕性關節炎,第一型糖尿病及紅斑性狼瘡。人體免疫對疾病所扮演的重要角色是目前科學研究的重點。

免疫系統的組成 先天免疫 後天免疫
非專一性反應 致病源與抗原專一性反應
病源曝露後立即有強烈反應 病源曝露後須過一段時間才有強烈反應
細胞性和體液性物質 細胞性和體液性物質
無免疫記憶 具免疫記憶
可在所有生物體內發現 僅可在具有下額之脊椎動物體內發現

無論先天免疫或後天免疫都必須懂得如何分辨自體及非自體分子。在免疫學裡,自體物質是指那些免疫系統能在陌生物質中辨識出的自體分子。相反地,非自體分子是指被辨識為外來物的物質。部分的非自體分子被稱作抗原(刺激人體產生抗體的物質),被認為能夠與特異的免疫受體產生鍵結,從而刺激免疫反應的發生.

體表屏障

人體為避免感染所提供的保護包括:物理屏障、化學屏障及生物性屏障。葉子的臘狀角質層、昆蟲的外骨骼、蛋的殼膜與皮膚等都屬於物理屏障,這是第一層抵禦。然而,人體不可能與外界百分百隔離,所以我們需要其它方式來保護像肺、腸子及泌尿生殖道等人體的「漏洞」。以肺為例,咳嗽與打噴嚏就能將致病源與刺激物排出呼吸道。眼淚與尿液可以將致病源沖洗出去,而由呼吸道與泌尿生殖道所分泌的黏液則能將微生物給黏附起來。

化學屏障同樣也能防止感染。皮膚與呼吸道能分必抗生素胜肽,如β-defensins。唾液、眼淚與乳汁中的酵素,如溶解酶與A型脂質酶具有抗菌的效果。月事後的女性靠著微酸性的陰道分必物提供化學屏障,男性精液則靠防禦素與鋅離子來殺死致病菌。致病源隨食物下肚後,胃中的胃酸與蛋白酶能提供強力的保護作用。

在泌尿生殖道與腸胃道內,共生菌會和入侵的致病菌爭搶食物與生存空間,有時它們也會改變所處環境的pH值或鐵含量以增加自己的優勢——那就是生物性屏障。藉此,致病菌無法達到足夠數量來造成疾病。然而,大部分抗生素只能(非特異地)消滅細菌,而對黴菌完全無效,所以口服抗生素可能反而使黴菌「過度滋長」,造成所謂的陰道念珠菌感染症(酵母菌感染)。證據指出,將益生菌(如優格中常見的純種培養乳酸菌)引入小孩體內,受感染的腸道能很快再次恢復得健康而平衡。近期對細菌性腸胃炎、發炎性腸疾病、尿道感染及手術後感染的研究更指出,同樣的方法應用在這些疾病上也有異曲同工之效。

先天免疫

更多資料:先天免疫系統

成功進入人體的微生物將會面對先天免疫系統的細胞與隔膜。先天免疫不具專一性,意指這系統辨識致病源的能力是與生俱來的。此免疫系統不被認為能長期的對抗致病源。但它仍是宿主對抗大部分病菌的主要系統。

體液性與化學性屏障

發炎

主條目:炎症

發炎是對抗感染的最早反應之一。發炎部位的表面症狀包括紅與腫。

補體反應

更多資料:補體系統

補體系統是用來攻擊外來細胞表面的生化連鎖反應。它包含逾二十種不同的蛋白質,並以其能「補足」抗體消滅致病源的能力而命名。補體為先天免疫反應裡主要的體液性分子。許多物種擁有補體系統,包括非哺乳動物如植物、魚類及部分無脊動物。

在人體內,當補體蛋白與微生物表面的碳水化合物結合、或與先行黏附其上的抗體結合時,反應便被啟動。這信號的確認會很快地促成毒殺反應。這樣的快速反應源自於補體分子(本身即為蛋白酶)行一系列蛋白裂解活化反應所造成的訊息發大效果。反應程序如下:當最初的補體蛋白黏附至微生物上,它們便活化自身分解蛋白質的能力,接著活化之後的補體蛋白酶,後者再繼續活化其後者——這便是催化性連鎖反應,最初的訊息因為正向迴鐀而持續增強。連鎖反應所產生的勝肽蛋白能吸引免疫細胞、增加血管的通透性、並能調理(包覆)致病源的表面,使之遭受摧毀。補體在細胞表面的堆積也能因破壞其細胞膜而直接導致致病源的死亡。

先天免疫的細胞性屏障

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掃描電子顯微鏡下流動的人體血液。我們可以看見紅血球、一些長像「突出」的白血球(包含淋巴球)、一個單核球、一個中球性以及許多盤狀的血小板。

白血球看似獨立的單細胞生物,卻是先天免疫的第二個守護員。先天白血球成員包括吞噬細胞(巨噬細胞)、中性球與棘狀細胞、肥大細胞、酸性球、鹼性球,以及自然殺手細胞。它們能辨認並消滅致病源,較大的用接觸(contact)的方式來消滅、較小的則直接吞噬掉。先天細胞對後天免疫系統的活化十分重要。

細胞的吞噬(胞噬作用)是細胞性先天免疫的重要特徵,由吞噬細胞所執行,它能吞或吃下致病源與微粒子。平時吞噬細胞周遊人體搜尋致病源,並在細胞激素的趨使下移至特定的部位。致病源一旦被吞噬細胞給吞下,它便包覆在稱為吞噬體的胞內顆粒中,接著吞噬體與溶小體融合為噬溶體。致病源將會被酶分解,或被之後進行的過氧呼吸所釋出的自由基殺死。胞噬作用是細胞為了獲得營養而演化出來的行為,但在防禦機制中被吞噬細胞用來吞噬致病源。胞噬作用可能是宿主最早的防禦方式,因它可在脊椎動物與無脊動物中發現。