Врожденная , или неспецифическая, иммунная система [1] является одной из двух основных стратегий иммунитета (вторая — адаптивная иммунная система ) у позвоночных . Врожденная иммунная система представляет собой альтернативную защитную стратегию и является доминирующей реакцией иммунной системы, обнаруженной у растений , грибов , прокариот и беспозвоночных (см. «За пределами позвоночных»). [2]
К основным функциям врожденной иммунной системы относятся:
Анатомические барьеры включают физические, химические и биологические барьеры. Эпителиальные поверхности образуют физический барьер, непроницаемый для большинства инфекционных агентов, действуя как первая линия защиты от вторгающихся организмов. [3] Десквамация (отторжение) эпителия кожи также помогает удалить бактерии и другие инфекционные агенты, прикрепившиеся к поверхности эпителия. Отсутствие кровеносных сосудов, неспособность эпидермиса удерживать влагу, наличие в дерме сальных желез создают среду, непригодную для выживания микробов . [3] В желудочно-кишечном и дыхательном путях движение за счет перистальтики или ресничек соответственно помогает удалить инфекционные агенты. [3] Кроме того, слизь задерживает инфекционные агенты. [3] Кишечная флора может предотвращать колонизацию патогенных бактерий, выделяя токсичные вещества или конкурируя с патогенными бактериями за питательные вещества или места прикрепления к поверхности клеток. [3] Промывание слез и слюны помогает предотвратить заражение глаз и рта. [3]
Воспаление является одной из первых реакций иммунной системы на инфекцию или раздражение. Воспаление стимулируется химическими факторами, выделяемыми поврежденными клетками. Он создает физический барьер против распространения инфекции и способствует заживлению любых поврежденных тканей после устранения патогена. [5]
Процесс острого воспаления инициируется клетками, уже присутствующими во всех тканях, главным образом резидентными макрофагами , дендритными клетками , гистиоцитами , клетками Купфера и тучными клетками . Эти клетки представляют рецепторы, содержащиеся на поверхности или внутри клетки, называемые рецепторами распознавания образов (PRR), которые распознают молекулы, которые в целом являются общими для патогенов , но отличаются от молекул хозяина, которые в совокупности называются молекулярными паттернами, связанными с патогенами (PAMP). В начале инфекции, ожога или других повреждений эти клетки подвергаются активации (один из их PRR распознает PAMP) и выделяют медиаторы воспаления , такие как цитокины и хемокины, которые ответственны за клинические признаки воспаления. Активация PRR и ее клеточные последствия хорошо охарактеризованы как методы воспалительной гибели клеток, которые включают пироптоз , некроптоз и PANоптоз . Эти пути гибели клеток помогают очистить инфицированные или аберрантные клетки и высвободить клеточное содержимое и медиаторы воспаления.
Химические факторы, образующиеся при воспалении ( гистамин , брадикинин , серотонин , лейкотриены и простагландины ), сенсибилизируют болевые рецепторы , вызывают местное расширение кровеносных сосудов и привлекают фагоциты, особенно нейтрофилы. [5] Нейтрофилы затем запускают другие части иммунной системы, высвобождая факторы, которые вызывают дополнительные лейкоциты и лимфоциты. Цитокины , продуцируемые макрофагами и другими клетками врожденной иммунной системы, опосредуют воспалительную реакцию. Эти цитокины включают TNF , HMGB1 и IL-1 . [6]
Воспалительная реакция характеризуется следующими симптомами:
Система комплемента — это биохимический каскад иммунной системы, который помогает или «дополняет» способность антител уничтожать патогены или маркировать их для уничтожения другими клетками. Каскад состоит из множества белков плазмы, синтезируемых в печени , преимущественно гепатоцитами . Белки работают вместе, чтобы:
Три различные системы комплемента — классическая, альтернативная и лектиновая.
Элементы каскада комплемента можно обнаружить у многих видов немлекопитающих, включая растения , птиц , рыб и некоторые виды беспозвоночных . [7]
Белые кровяные тельца (лейкоциты) также известны как лейкоциты . Большинство лейкоцитов отличаются от других клеток организма тем, что они не связаны прочно с тем или иным органом или тканью; таким образом, их функция аналогична функции независимых одноклеточных организмов. Большинство лейкоцитов способны свободно передвигаться, взаимодействовать и захватывать клеточный мусор, инородные частицы и вторгающиеся микроорганизмы (хотя макрофаги , тучные клетки и дендритные клетки менее подвижны). В отличие от многих других клеток, большинство лейкоцитов врожденного иммунитета не могут делиться или размножаться самостоятельно, а являются продуктами мультипотентных гемопоэтических стволовых клеток , присутствующих в костном мозге . [8] [9]
К врожденным лейкоцитам относятся: естественные клетки-киллеры , тучные клетки, эозинофилы , базофилы ; Фагоцитирующие клетки включают макрофаги , нейтрофилы и дендритные клетки и функционируют в иммунной системе, выявляя и устраняя патогены, которые могут вызвать инфекцию. [2]
Тучные клетки — это тип врожденных иммунных клеток, которые находятся в соединительной ткани и слизистых оболочках. Они тесно связаны с заживлением ран и защитой от патогенов, но также часто связаны с аллергией и анафилаксией . [5] При активации тучные клетки быстро выделяют в окружающую среду характерные гранулы, богатые гистамином и гепарином , а также различными гормональными медиаторами и хемокинами или хемотаксическими цитокинами . Гистамин расширяет кровеносные сосуды , вызывая характерные признаки воспаления, и привлекает нейтрофилы и макрофаги. [5]
Слово «фагоцит» буквально означает «пожирающая клетка». Это иммунные клетки, которые поглощают или « фагоцитируют » патогены или частицы. Чтобы поглотить частицу или патоген, фагоцит расширяет части своей плазматической мембраны , оборачивая мембрану вокруг частицы до тех пор, пока она не будет окутана (т. е. частица теперь не окажется внутри клетки). Попав внутрь клетки, вторгшийся патоген содержится внутри фагосомы , которая сливается с лизосомой . [2] Лизосома содержит ферменты и кислоты, которые убивают и переваривают частицу или организм. В целом фагоциты патрулируют организм в поисках патогенов, но также способны реагировать на группу узкоспециализированных молекулярных сигналов, вырабатываемых другими клетками, называемых цитокинами . Фагоцитирующие клетки иммунной системы включают макрофаги, нейтрофилы и дендритные клетки.
Фагоцитоз собственных клеток хозяина является обычным явлением как часть регулярного развития и поддержания тканей. Когда клетки-хозяева умирают либо в результате апоптоза , либо в результате повреждения клеток вследствие инфекции, фагоцитарные клетки несут ответственность за их удаление из пораженного участка. [9] Помогая удалить мертвые клетки, предшествующие росту и развитию новых здоровых клеток, фагоцитоз является важной частью процесса заживления после повреждения тканей.
Макрофаги, от греческого слова, означающего «крупные едоки», представляют собой крупные фагоцитирующие лейкоциты, которые способны выходить за пределы сосудистой системы, мигрируя через стенки капиллярных сосудов и проникая в области между клетками в поисках вторгшихся патогенов. В тканях органоспецифические макрофаги дифференцируются от фагоцитирующих клеток, присутствующих в крови, называемых моноцитами . Макрофаги являются наиболее эффективными фагоцитами и могут фагоцитировать значительное количество бактерий или других клеток или микробов. [2] Связывание бактериальных молекул с рецепторами на поверхности макрофага заставляет его поглощать и уничтожать бактерии посредством генерации « дыхательного взрыва », вызывающего высвобождение активных форм кислорода . Патогены также стимулируют макрофаги вырабатывать хемокины, которые привлекают другие клетки к месту инфекции. [2]
Нейтрофилы, наряду с эозинофилами и базофилами , известны как гранулоциты из-за наличия гранул в их цитоплазме или как полиморфно-ядерные клетки (ПМЯ) из-за их характерных дольчатых ядер . Гранулы нейтрофилов содержат множество токсичных веществ, которые убивают или подавляют рост бактерий и грибов. Подобно макрофагам, нейтрофилы атакуют патогены, активируя дыхательный взрыв . Основными продуктами респираторного взрыва нейтрофилов являются сильные окислители, в том числе перекись водорода , свободные радикалы кислорода и гипохлорит . Нейтрофилы представляют собой наиболее распространенный тип фагоцитов, обычно составляющие 50–60% от общего числа циркулирующих лейкоцитов, и обычно являются первыми клетками, прибывающими в место инфекции. [5] Костный мозг здорового взрослого человека производит более 100 миллиардов нейтрофилов в день, а во время острого воспаления — более чем в 10 раз больше в день. [5]
Дендритные клетки (ДК) — это фагоцитирующие клетки, присутствующие в тканях, контактирующих с внешней средой, главным образом в коже (где их часто называют клетками Лангерганса ), а также во внутренней слизистой оболочке носа , легких , желудка и кишечника . [9] Они названы в честь сходства с дендритами нейронов , но дендритные клетки не связаны с нервной системой . Дендритные клетки играют очень важную роль в процессе презентации антигена и служат связующим звеном между врожденной и адаптивной иммунной системой .
Базофилы и эозинофилы – это клетки, родственные нейтрофилам. Активируемые при встрече с патогеном базофилы, высвобождающие гистамин , играют важную роль в защите от паразитов и играют роль в аллергических реакциях , таких как астма . [2] При активации эозинофилы выделяют ряд высокотоксичных белков и свободных радикалов, которые очень эффективны в уничтожении паразитов, но могут также повредить ткани во время аллергической реакции. Таким образом, активация и высвобождение токсинов эозинофилами жестко регулируются, чтобы предотвратить любое нежелательное разрушение тканей. [5]
Естественные клетки-киллеры (NK-клетки) не атакуют напрямую вторгшиеся микробы. Скорее, NK-клетки уничтожают поврежденные клетки-хозяева, такие как опухолевые клетки или инфицированные вирусом клетки, распознавая такие клетки по состоянию, известному как «отсутствие себя». Этот термин описывает клетки с аномально низким уровнем маркера клеточной поверхности под названием MHC I ( главный комплекс гистосовместимости ) – ситуация, которая может возникнуть при вирусных инфекциях клеток-хозяев. [10] Их назвали «естественными убийцами» из-за первоначального представления о том, что им не требуется активация, чтобы убить клетки, которые «отсутствуют». Состав MHC на поверхности поврежденных клеток изменяется, и NK-клетки активируются, распознавая это. Нормальные клетки организма не распознаются и не подвергаются атаке NK-клеток, поскольку они экспрессируют интактные собственные антигены MHC. Эти антигены MHC распознаются рецепторами иммуноглобулинов киллеров (KIR), которые замедляют реакцию NK-клеток. Клеточная линия NK-92 не экспрессирует KIR и разработана для терапии опухолей. [11] [12] [13] [14]
Подобно другим «нетрадиционным» подмножествам Т-клеток, несущим инвариантные Т-клеточные рецепторы (TCR), таким как CD1d -рестриктированные Т-клетки естественных киллеров , γδ Т-клетки обладают характеристиками, которые ставят их на границу между врожденным и адаптивным иммунитетом. γδ Т-клетки можно рассматривать как компонент адаптивного иммунитета , поскольку они перестраивают гены TCR для создания разнообразия соединений и развития фенотипа памяти . Различные подмножества можно рассматривать как часть врожденной иммунной системы, где ограниченные рецепторы TCR или NK могут использоваться в качестве рецепторов распознавания образов . Например, согласно этой парадигме, большое количество Т-клеток Vγ9/Vδ2 в течение нескольких часов реагируют на обычные молекулы, продуцируемые микробами, а сильно ограниченные внутриэпителиальные Т-клетки Vδ1 будут реагировать на стрессированные эпителиальные клетки.
Система свертывания крови пересекается с иммунной системой. Некоторые продукты свертывающей системы могут способствовать неспецифической защите благодаря своей способности увеличивать проницаемость сосудов и действовать как хемотаксические агенты для фагоцитирующих клеток . Кроме того, некоторые продукты свертывающей системы обладают непосредственным противомикробным действием . Например, бета-лизин , белок, вырабатываемый тромбоцитами во время коагуляции , может вызывать лизис многих грамположительных бактерий , действуя как катионный детергент. [3] Многие белки острой фазы воспаления участвуют в системе свертывания крови.
Повышенные уровни лактоферрина и трансферрина подавляют рост бактерий, связывая железо, важное питательное вещество для бактерий. [3]
Врожденный иммунный ответ на инфекционное и стерильное повреждение модулируется нервными цепями, которые контролируют период продукции цитокинов. Воспалительный рефлекс представляет собой прототип нейронной цепи, которая контролирует выработку цитокинов в селезенке . [15] Потенциалы действия, передаваемые через блуждающий нерв в селезенку, опосредуют высвобождение ацетилхолина , нейротрансмиттера , который ингибирует высвобождение цитокинов путем взаимодействия с никотиновыми рецепторами ацетилхолина альфа7 ( CHRNA7 ), экспрессируемыми на клетках, продуцирующих цитокины. [16] Двигательная дуга воспалительного рефлекса называется холинергическим противовоспалительным путем .
Части врожденной иммунной системы проявляют специфичность к различным патогенам.
Клетки врожденной иммунной системы предотвращают свободный рост микроорганизмов в организме, но многие патогены выработали механизмы, позволяющие уклоняться от этого. [21] [22]
Одной из стратегий является внутриклеточная репликация, как это практикуется Mycobacterium Tuberculosis , или ношение защитной капсулы, которая предотвращает лизис комплементом и фагоцитами, как у Salmonella . [23] Виды Bacteroides обычно являются мутуалистическими бактериями, составляющими значительную часть желудочно-кишечной флоры млекопитающих . [24] Такие виды, как B. fragilis , являются условно-патогенными микроорганизмами , вызывающими инфекции брюшной полости . Они ингибируют фагоцитоз, воздействуя на рецепторы фагоцитов, используемые для поглощения бактерий. Они также могут имитировать клетки-хозяева, поэтому иммунная система не распознает их как чужеродные. Staphylococcus aureus подавляет способность фагоцитов реагировать на сигналы хемокинов. M. Tuberculosis , Streptococcus pyogenes и Bacillus anthracis используют механизмы, которые непосредственно убивают фагоциты. [ нужна цитата ]
Бактерии и грибы могут образовывать сложные биопленки , защищающие их от иммунных клеток и белков; Биопленки присутствуют при хронических инфекциях Pseudomonas aeruginosa и Burkholderia cenocepacia , характерных для муковисцидоза . [25]
Интерфероны I типа (IFN), секретируемые в основном дендритными клетками , [26] играют центральную роль в противовирусной защите хозяина и противовирусном состоянии клетки. [27] Вирусные компоненты распознаются разными рецепторами: Toll-подобные рецепторы расположены в эндосомальной мембране и распознают двухцепочечную РНК (дцРНК), рецепторы MDA5 и RIG-I расположены в цитоплазме и распознают длинные дсРНК и фосфатсодержащие дсРНК соответственно. [28] Когда цитоплазматические рецепторы MDA5 и RIG-I распознают вирус, конформация между доменом рекрутирования каспазы (CARD) и CARD-содержащим адаптером MAVS изменяется. Параллельно, когда TLR в эндоцитарных компартментах распознают вирус , индуцируется активация адаптерного белка TRIF . Оба пути сходятся в рекрутировании и активации комплекса IKKε/TBK-1, индуцируя димеризацию транскрипционных факторов IRF3 и IRF7 , которые транслоцируются в ядре, где они индуцируют продукцию IFN в присутствии определенного фактора транскрипции и активируют фактор транскрипции. 2. ИФН секретируется через секреторные пузырьки , где он может активировать рецепторы как на клетке, из которой он был высвобожден ( аутокринный ), так и на близлежащих клетках (паракринный). Это вызывает экспрессию сотен стимулируемых интерфероном генов. Это приводит к выработке противовирусных белков, таких как протеинкиназа R , которая ингибирует синтез вирусного белка, или семейство 2',5'-олигоаденилатсинтетаз , которые разрушают вирусную РНК. [27]
Некоторые вирусы уклоняются от этого, производя молекулы, которые мешают выработке интерферона. Например, вирус гриппа А продуцирует белок NS1 , который может связываться с РНК хозяина и вируса, взаимодействовать с иммунными сигнальными белками или блокировать их активацию путем убиквитинирования , ингибируя тем самым выработку IFN типа I. [29] Грипп А также блокирует активацию протеинкиназы R и установление противовирусного состояния. [30] Вирус денге также ингибирует выработку IFN типа I, блокируя фосфорилирование IRF-3 с помощью протеазного комплекса NS2B3 . [31]
Бактерии (и, возможно, другие прокариотические организмы) используют уникальный защитный механизм, называемый системой модификации рестрикции , чтобы защитить себя от патогенов, таких как бактериофаги . В этой системе бактерии производят ферменты , называемые эндонуклеазами рестрикции , которые атакуют и разрушают определенные области вирусной ДНК вторгшихся бактериофагов. Метилирование собственной ДНК хозяина помечает ее как «собственную» и предотвращает атаку эндонуклеаз. [32] Эндонуклеазы рестрикции и система модификации рестрикции существуют исключительно у прокариот. [33]
Беспозвоночные не обладают лимфоцитами или гуморальной иммунной системой на основе антител, и вполне вероятно, что многокомпонентная адаптивная иммунная система возникла у первых позвоночных. [34] Тем не менее, беспозвоночные обладают механизмами, которые, по-видимому, являются предшественниками этих аспектов иммунитета позвоночных. Рецепторы распознавания образов (PRR) — это белки, используемые почти всеми организмами для идентификации молекул, связанных с микробными патогенами. TLR представляют собой основной класс рецепторов распознавания образов, который существует у всех целоматов (животных с полостью тела), включая человека. [35] Система комплемента существует у большинства форм жизни. Некоторые беспозвоночные, в том числе различные насекомые, крабы и черви, используют модифицированную форму ответа комплемента, известную как система профенолоксидазы (проПО). [34]
Антимикробные пептиды являются эволюционно консервативным компонентом врожденного иммунного ответа, обнаруженного у всех классов жизни, и представляют собой основную форму системного иммунитета беспозвоночных . Некоторые виды насекомых производят антимикробные пептиды, известные как дефензины и цекропины .
У беспозвоночных PRR запускают протеолитические каскады, которые разрушают белки и контролируют многие механизмы врожденной иммунной системы беспозвоночных, включая коагуляцию гемолимфы и меланизацию . Протеолитические каскады являются важными компонентами иммунной системы беспозвоночных, поскольку они запускаются быстрее, чем другие реакции врожденного иммунитета, поскольку не зависят от генных изменений. Протеолитические каскады функционируют как у позвоночных, так и у беспозвоночных, хотя в каскадах используются разные белки. [36]
В гемолимфе, составляющей жидкость кровеносной системы членистоногих , гелеобразная жидкость окружает захватчиков патогенов, подобно тому, как это происходит в крови у других животных. В свертывании крови у беспозвоночных участвуют различные белки и механизмы. У ракообразных трансглутаминаза из клеток крови и подвижные белки плазмы составляют систему свертывания крови, где трансглутаминаза полимеризует субъединицы белка свертывания плазмы массой 210 кДа. С другой стороны, в системе свертывания мечехвоста компоненты протеолитических каскадов сохраняются в виде неактивных форм в гранулах гемоцитов, которые высвобождаются при попадании чужеродных молекул, таких как липополисахариды . [36]
Представители каждого класса патогенов, поражающих человека, также заражают растения. Хотя точные патогенные виды различаются в зависимости от зараженного вида, бактерии, грибы, вирусы, нематоды и насекомые могут вызывать заболевания растений . Как и животные, растения, атакованные насекомыми или другими патогенами, используют набор сложных метаболических реакций, которые приводят к образованию защитных химических соединений, которые борются с инфекцией или делают растение менее привлекательным для насекомых и других травоядных животных . [37] (см.: Защита растений от травоядных ).
Как и беспозвоночные, растения не генерируют реакции антител или Т-клеток и не обладают мобильными клетками, которые обнаруживают и атакуют патогены. Кроме того, в случае заражения с частями некоторых растений обращаются как с одноразовыми и заменяемыми, что умеют немногие животные. Ограждение или выброс части растения помогает остановить распространение инфекции. [37]
Большинство иммунных реакций растений включают системные химические сигналы, посылаемые по всему растению. Растения используют PRR для распознавания консервативных микробных сигнатур. Это узнавание запускает иммунный ответ. Первые растительные рецепторы с консервативными микробными сигнатурами были идентифицированы у риса (XA21, 1995) [38] [39] и арабидопсиса ( FLS2 , 2000). [40] Растения также несут иммунные рецепторы, которые распознают различные эффекторы патогенов. К ним относятся белки класса NBS-LRR. Когда часть растения заражается микробным или вирусным патогеном, в случае несовместимого взаимодействия, запускаемого специфическими элиситорами , растение вырабатывает локализованную гиперчувствительную реакцию (ЛР), при которой клетки в месте заражения подвергаются быстрому апоптозу для предотвращения распространиться на другие части растения. HR имеет некоторые сходства с пироптозом животных , например, потребность в протеолитической активности VPEγ, подобной каспазе -1, цистеиновой протеазе , которая регулирует разборку клеток во время клеточной гибели. [41]
Белки «резистентности» (R), кодируемые генами R , широко присутствуют в растениях и обнаруживают патогены. Эти белки содержат домены, аналогичные NOD-подобным рецепторам и TLR. Системная приобретенная устойчивость (SAR) — это тип защитной реакции, которая делает все растение устойчивым к широкому спектру инфекционных агентов. [42] САР включает производство химических медиаторов , таких как салициловая кислота или жасмоновая кислота . Некоторые из них проходят через растение и сигнализируют другим клеткам о необходимости вырабатывать защитные соединения для защиты неинфицированных частей, например, листьев. [43] Сама по себе салициловая кислота, хотя и необходима для экспрессии SAR, не является транслоцированным сигналом, ответственным за системный ответ. Недавние данные указывают на роль жасмоната в передаче сигнала к дистальным частям растения. Механизмы молчания РНК важны для системного ответа растений, поскольку они могут блокировать репликацию вируса. [44] Реакция жасмоновой кислоты стимулируется в листьях, поврежденных насекомыми, и включает выработку метилжасмоната . [37]
база данных белков и их взаимодействий во врожденном иммунитете.система