Врожденная иммунная система или неспецифическая иммунная система [1] является одной из двух основных стратегий иммунитета (другая — адаптивная иммунная система ) у позвоночных . Врожденная иммунная система является альтернативной стратегией защиты и является доминирующим ответом иммунной системы, обнаруженным у растений , грибов , прокариот и беспозвоночных (см. За пределами позвоночных). [2]
Основными функциями врожденной иммунной системы являются:
Анатомические барьеры включают физические, химические и биологические барьеры. Эпителиальные поверхности образуют физический барьер, непроницаемый для большинства инфекционных агентов, выступая в качестве первой линии защиты от вторгающихся организмов. [3] Десквамация (слущивание) эпителия кожи также помогает удалить бактерии и другие инфекционные агенты, которые прилипли к эпителиальной поверхности. Отсутствие кровеносных сосудов, неспособность эпидермиса удерживать влагу и наличие сальных желез в дерме создают среду, непригодную для выживания микробов . [3] В желудочно- кишечном тракте и дыхательных путях движение, вызванное перистальтикой или ресничками, помогает удалить инфекционных агентов. [3] Кроме того, слизь улавливает инфекционных агентов. [3] Кишечная флора может предотвратить колонизацию патогенных бактерий, выделяя токсичные вещества или конкурируя с патогенными бактериями за питательные вещества или места прикрепления к поверхности клеток. [3] Промывающее действие слез и слюны помогает предотвратить инфекцию глаз и рта. [3]
Воспаление является одним из первых ответов иммунной системы на инфекцию или раздражение. Воспаление стимулируется химическими факторами, выделяемыми поврежденными клетками. Оно устанавливает физический барьер против распространения инфекции и способствует заживлению любой поврежденной ткани после устранения патогена. [5]
Процесс острого воспаления инициируется клетками, уже присутствующими во всех тканях, в основном 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 широко распространены среди патогенов , но отличаются от молекул хозяина, в совокупности называемые патоген-ассоциированными молекулярными образцами (PAMP). В начале инфекции, ожога или других травм эти клетки подвергаются активации (один из их PRR распознает PAMP) и высвобождают воспалительные медиаторы , такие как цитокины и хемокины, которые отвечают за клинические признаки воспаления. Активация PRR и ее клеточные последствия были хорошо охарактеризованы как методы воспалительной гибели клеток, которые включают пироптоз , некроптоз и ПАНоптоз . Эти пути гибели клеток помогают очистить инфицированные или аберрантные клетки и высвободить клеточное содержимое и воспалительные медиаторы.
Химические факторы, вырабатываемые во время воспаления ( гистамин , брадикинин , серотонин , лейкотриены и простагландины ), сенсибилизируют болевые рецепторы , вызывают местную вазодилатацию кровеносных сосудов и привлекают фагоциты, особенно нейтрофилы. [5] Затем нейтрофилы запускают другие части иммунной системы, высвобождая факторы, которые вызывают дополнительные лейкоциты и лимфоциты. Цитокины, вырабатываемые 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 очищать патогены или помечать их для уничтожения другими клетками. Каскад состоит из множества плазменных белков, синтезируемых в печени , в первую очередь гепатоцитами . Белки работают вместе, чтобы:
Три различные системы комплемента — классическая, альтернативная и лектиновая.
Элементы каскада комплемента можно обнаружить у многих видов не млекопитающих, включая растения , птиц , рыб и некоторые виды беспозвоночных . [7]
Белые кровяные клетки (WBC) также известны как лейкоциты . Большинство лейкоцитов отличаются от других клеток организма тем, что они не связаны тесно с определенным органом или тканью; таким образом, их функция аналогична функции независимых одноклеточных организмов. Большинство лейкоцитов способны свободно перемещаться и взаимодействовать с клеточным мусором, чужеродными частицами и вторгающимися микроорганизмами и захватывать их (хотя макрофаги , тучные клетки и дендритные клетки менее подвижны). В отличие от многих других клеток, большинство врожденных иммунных лейкоцитов не могут делиться или размножаться самостоятельно, а являются продуктами мультипотентных гемопоэтических стволовых клеток, присутствующих в костном мозге . [8] [9]
Врожденные лейкоциты включают: естественные клетки-киллеры , тучные клетки, эозинофилы , базофилы ; а фагоцитарные 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 высвобождают характерные гранулы, богатые гистамином и гепарином , а также различные гормональные медиаторы и хемокины , или хемотаксические цитокины в окружающую среду. Гистамин расширяет кровеносные сосуды , вызывая характерные признаки воспаления, и привлекает нейтрофилы и макрофаги. [5]
Слово «фагоцит» буквально означает «поедающая 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 находится внутри клетки). Оказавшись внутри 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 высокоспециализированных молекулярных сигналов, вырабатываемых другими клетками, называемых цитокинами . Фагоцитарные клетки иммунной системы включают макрофаги, нейтрофилы и дендритные клетки.
Фагоцитоз собственных клеток хозяина является обычным явлением в рамках обычного развития и поддержания тканей. Когда клетки хозяина умирают, либо в результате апоптоза , либо в результате повреждения клеток из-за инфекции, фагоцитарные клетки отвечают за их удаление из пораженного участка. [9] Помогая удалять мертвые клетки, предшествующие росту и развитию новых здоровых клеток, фагоцитоз является важной частью процесса заживления после повреждения тканей.
Макрофаги, от греческого слова, означающего «большие пожиратели», являются крупными фагоцитарными лейкоцитами, которые способны перемещаться за пределы сосудистой системы, мигрируя через стенки капиллярных сосудов и проникая в области между клетками в поисках вторгающихся патогенов. В тканях органоспецифические макрофаги отличаются от фагоцитарных 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 запускает его поглощение и уничтожение бактерий посредством генерации « дыхательного взрыва », вызывающего высвобождение активных форм кислорода . Патогены также стимулируют макрофаги вырабатывать хемокины, которые призывают другие клетки к месту инфекции. [2]
Нейтрофилы, наряду с эозинофилами и базофилами , известны как гранулоциты из-за наличия гранул в их цитоплазме, или как полиморфноядерные клетки (ПМЯ) из-за их отличительных дольчатых ядер . Гранулы нейтрофилов содержат множество токсичных веществ, которые убивают или подавляют рост бактерий и грибков. Подобно макрофагам, нейтрофилы атакуют патогены, активируя респираторный взрыв . Основными продуктами респираторного взрыва нейтрофилов являются сильные окислители, включая перекись водорода , свободные радикалы кислорода и гипохлорит . Нейтрофилы являются наиболее распространенным типом фагоцитов, обычно представляющим 50–60% от общего числа циркулирующих лейкоцитов, и обычно являются первыми клетками, которые прибывают к месту инфекции. [5] Костный мозг нормального здорового взрослого человека производит более 100 миллиардов нейтрофилов в день и более чем в 10 раз больше в день во время острого воспаления. [5]
Дендритные клетки (ДК) — это фагоцитарные клетки, присутствующие в тканях, которые контактируют с внешней средой, в основном в коже (где их часто называют клетками Лангерганса ), а также во внутренней слизистой оболочке носа , легких , желудка и кишечника . [ 9] Они получили свое название из-за своего сходства с нейрональными дендритами , но дендритные клетки не связаны с нервной системой . Дендритные клетки очень важны в процессе презентации антигена и служат связующим звеном между врожденной и адаптивной иммунной системой .
Базофилы и эозинофилы — это клетки, родственные нейтрофилам. При активации при столкновении с патогеном гистамин -высвобождающие базофилы играют важную роль в защите от паразитов и играют роль в аллергических реакциях , таких как астма . [2] После активации эозинофилы выделяют ряд высокотоксичных белков и свободных радикалов, которые очень эффективны в уничтожении паразитов, но также могут повреждать ткани во время аллергической реакции. Активация и высвобождение токсинов эозинофилами, таким образом, строго регулируются, чтобы предотвратить любое ненадлежащее разрушение тканей. [5]
Естественные клетки-киллеры (NK-клетки) не атакуют напрямую вторгающиеся микробы. Вместо этого NK-клетки уничтожают скомпрометированные клетки хозяина, такие как опухолевые клетки или инфицированные вирусом клетки, распознавая такие клетки по состоянию, известному как «отсутствующее свое». Этот термин описывает клетки с аномально низким уровнем маркера клеточной поверхности, называемого MHC I ( главный комплекс гистосовместимости ) — ситуация, которая может возникнуть при вирусных инфекциях клеток хозяина. [10] Они были названы «естественными киллерами» из-за первоначального представления о том, что им не требуется активация для того, чтобы убить клетки, которые «отсутствуют свое». Состав MHC на поверхности поврежденных клеток изменяется, и NK-клетки активируются, распознавая это. Нормальные клетки организма не распознаются и не атакуются NK-клетками, потому что они экспрессируют неповрежденные собственные антигены MHC. Эти антигены MHC распознаются рецепторами иммуноглобулинов клеток-киллеров (KIR), которые замедляют реакцию NK-клеток. Линия клеток NK-92 не экспрессирует KIR и разработана для терапии опухолей. [11] [12] [13] [14]
Как и другие «нетрадиционные» подмножества Т-клеток, несущие инвариантные рецепторы Т-клеток (TCR), такие как ограниченные CD1d естественные клетки-киллеры Т , γδ Т-клетки проявляют характеристики, которые помещают их на границу между врожденным и адаптивным иммунитетом. γδ Т-клетки можно считать компонентом адаптивного иммунитета , поскольку они перестраивают гены TCR для создания межклеточного разнообразия и развития фенотипа памяти . Различные подмножества можно считать частью врожденной иммунной системы, где ограниченные рецепторы TCR или NK могут использоваться в качестве рецептора распознавания образов . Например, согласно этой парадигме, большое количество Vγ9/Vδ2 Т-клеток реагируют в течение нескольких часов на обычные молекулы, продуцируемые микробами, а сильно ограниченные интраэпителиальные Vδ1 Т-клетки будут реагировать на стрессированные эпителиальные клетки.
Система коагуляции пересекается с иммунной системой. Некоторые продукты системы коагуляции могут способствовать неспецифической защите посредством своей способности увеличивать проницаемость сосудов и действовать как хемотаксические агенты для фагоцитарных клеток . Кроме того, некоторые продукты системы коагуляции являются непосредственно антимикробными . 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 коагуляции.
Повышенные уровни лактоферрина и трансферрина подавляют рост бактерий, связывая железо, необходимое бактериальное питательное вещество. [3]
Врожденный иммунный ответ на инфекционное и стерильное повреждение модулируется нейронными цепями, которые контролируют период продукции цитокинов. Воспалительный рефлекс является прототипическим нейронным контуром, который контролирует продукцию цитокинов в селезенке . [15] Потенциалы действия, передаваемые через блуждающий нерв в селезенку, опосредуют высвобождение ацетилхолина , нейромедиатора , который ингибирует высвобождение цитокинов путем взаимодействия с альфа7 никотиновыми ацетилхолиновыми рецепторами ( 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 им избегать 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 подавляют фагоцитоз, влияя на рецепторы фагоцитов, используемые для поглощения бактерий. Они также могут имитировать клетки хозяина, поэтому иммунная система не распознает их как чужеродные. Staphylococcus aureus подавляет способность фагоцита реагировать на сигналы хемокинов. M. tuberculosis , Streptococcus pyogenes и Bacillus anthracis используют механизмы, которые напрямую убивают фагоцит. [ необходима цитата ]
Бактерии и грибки 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 типа I (IFN), секретируемые в основном дендритными клетками , [26] играют центральную роль в противовирусной защите хозяина и противовирусном состоянии клетки. [27] Вирусные компоненты распознаются различными рецепторами: Toll-подобные рецепторы расположены в эндосомальной мембране и распознают двухцепочечную РНК (dsRNA), рецепторы MDA5 и RIG-I расположены в цитоплазме и распознают длинную dsRNA и фосфатсодержащую dsRNA соответственно. [28] Когда цитоплазматические рецепторы MDA5 и RIG-I распознают вирус, конформация между доменом набора каспазы (CARD) и адаптером MAVS, содержащим CARD, изменяется. Параллельно, когда TLR в эндоцитарных отсеках распознают вирус, индуцируется активация адаптерного белка TRIF . Оба пути сходятся в наборе и активации комплекса IKKε/TBK-1, вызывая димеризацию факторов транскрипции IRF3 и IRF7 , которые транслоцируются в ядро, где они вызывают выработку IFN при наличии определенного фактора транскрипции и активируют фактор транскрипции 2. IFN секретируется через секреторные пузырьки , где он может активировать рецепторы как на клетке, из которой он был высвобожден ( аутокринно ), так и на близлежащих клетках (паракрино). Это вызывает экспрессию сотен генов, стимулируемых интерфероном. Это приводит к выработке противовирусных белков, таких как протеинкиназа R , которая ингибирует синтез вирусного белка, или семейство 2′,5′-олигоаденилатсинтетазы , которое разрушает вирусную РНК. [27]
Некоторые вирусы обходят это, производя молекулы, которые мешают производству IFN. Например, вирус гриппа A производит белок NS1 , который может связываться с хозяином и вирусной РНК, взаимодействовать с иммунными сигнальными белками или блокировать их активацию путем убиквитинирования , тем самым подавляя производство IFN типа I. [29] Грипп A также блокирует активацию протеинкиназы R и установление противовирусного состояния. [30] Вирус денге также подавляет производство 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 вырабатывают ферменты , называемые эндонуклеазами рестрикции , которые атакуют и разрушают определенные области вирусной ДНК вторгшихся бактериофагов. Метилирование собственной ДНК хозяина отмечает ее как «свою» и предотвращает ее атаку эндонуклеазами. [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 вместе с первыми позвоночными. [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 — это основной класс рецепторов распознавания образов, который существует у всех целоматов (животных с полостью тела), включая людей. [35] Система комплемента существует у большинства форм жизни. Некоторые беспозвоночные, включая различных насекомых, крабов и червей, используют модифицированную форму ответа комплемента, известную как система профенолоксидазы (proPO). [34]
Антимикробные пептиды являются эволюционно консервативным компонентом врожденного иммунного ответа, обнаруженного во всех классах жизни, и представляют собой основную форму системного иммунитета беспозвоночных . Несколько видов насекомых вырабатывают 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 включаются быстрее, чем другие врожденные иммунные реакции, поскольку они не зависят от изменений генов. Протеолитические каскады функционируют как у позвоночных, так и у беспозвоночных, хотя в каскадах используются разные белки. [36]
В гемолимфе, составляющей жидкость в кровеносной системе членистоногих , гелеобразная жидкость окружает захватчиков патогенов, подобно тому, как это делает кровь у других животных. Различные белки и механизмы участвуют в свертывании крови у беспозвоночных. У ракообразных трансглутаминаза из клеток крови и мобильные белки плазмы составляют систему свертывания, где трансглутаминаза полимеризует субъединицы 210 кДа белка свертывания плазмы. С другой стороны, в системе свертывания крови мечехвоста компоненты протеолитических каскадов хранятся в виде неактивных форм в гранулах гемоцитов, которые высвобождаются при попадании чужеродных молекул, таких как липополисахариды . [36]
Члены каждого класса патогенов, которые заражают людей, также заражают растения. Хотя точные патогенные виды различаются в зависимости от зараженного вида, бактерии, грибки, вирусы, нематоды и насекомые могут вызывать заболевания растений . Как и в случае с животными, 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 вырабатывают антитела или Т-клеточные реакции и не обладают мобильными клетками, которые обнаруживают и атакуют патогены. Кроме того, в случае заражения части некоторых растений рассматриваются как одноразовые и заменяемые, что мало кто из животных может сделать. Ограждение или выбрасывание части растения помогает остановить распространение инфекции. [37]
Большинство иммунных реакций растений включают системные химические сигналы, посылаемые по всему растению. Растения используют PRR для распознавания сохраненных микробных сигнатур. Это распознавание запускает иммунный ответ. Первые растительные рецепторы сохраненных микробных сигнатур были идентифицированы у риса (XA21, 1995) [38] [39] и у Arabidopsis ( FLS2 , 2000). [40] Растения также несут иммунные рецепторы, которые распознают различные эффекторы патогенов. К ним относится класс белков NBS-LRR. Когда часть растения заражается микробным или вирусным патогеном, в случае несовместимого взаимодействия, вызванного специфическими элиситорами , растение вырабатывает локализованный гиперчувствительный ответ (HR), при котором клетки в месте заражения подвергаются быстрому апоптозу, чтобы предотвратить распространение на другие части растения. HR имеет некоторые сходства с пироптозом животных , например, необходимость в протеолитической активности VPEγ, подобной каспазе -1, цистеиновой протеазы , которая регулирует разборку клеток во время их гибели. [41]
Белки «резистентности» (R), кодируемые генами R , широко представлены в растениях и обнаруживают патогены. Эти белки содержат домены, похожие на NOD-подобные рецепторы и TLR. Системная приобретенная резистентность (SAR) — это тип защитной реакции, которая делает все растение устойчивым к широкому спектру инфекционных агентов. [42] SAR включает в себя выработку химических мессенджеров , таких как салициловая кислота или жасмоновая кислота . Некоторые из них перемещаются по растению и сигнализируют другим клеткам о необходимости выработки защитных соединений для защиты незараженных частей, например, листьев. [43] Сама салициловая кислота, хотя и необходима для экспрессии SAR, не является транслоцированным сигналом, ответственным за системную реакцию. Последние данные указывают на роль жасмонатов в передаче сигнала в дистальные части растения. Механизмы подавления РНК важны в системной реакции растений, поскольку они могут блокировать репликацию вируса. [44] Реакция жасмоновой кислоты стимулируется в листьях, поврежденных насекомыми, и включает в себя выработку метилжасмоната . [37]
База данных белков и их взаимодействий в врожденном иммунитете.система