Вродена имунна система: определение, функции и механизми
Научете как вродената имунна система разпознава и бързо неутрализира патогените — функции, механизми и значение за здравето при растения и животни.
Вродената имунна система защитава гостоприемника от инфекции. Тя включва клетки, които разпознават и реагират веднага на патогените (микробите). Реакцията на вродената имунна система не е специфична: тя реагира по един и същи начин на всички патогени, които разпознава.
За разлика от адаптивната имунна система, вродената имунна система не осигурява дълготраен имунитет срещу специфични инфекции.
Вродените имунни системи бързо се защитават от инфекции при всички растителни и животински видове. Вродената система е еволюционно по-старата защитна стратегия. Тя е основната имунна система, която се среща при растенията, гъбите, насекомите и при примитивните многоклетъчни организми. Системата не е адаптивна и не се променя през целия живот на индивида.
Вродената имунна система на гръбначните животни:
Основни компоненти
- Физически и химични бариери — кожа, лигавици, мукус, реснички в дихателните пътища, киселинност в стомаха, ензими като лизозим. Тези бариери предотвратяват навлизането и размножаването на микроорганизми.
- Клетки — включително неутрофили, макрофаги, дендритни клетки, NK-клетки, мастоцити, еозинофили и базофили. Повечето от тях участват в фагоцитоза, производство на цитокини и директно убиване на заразени клетки.
- Разтворими фактори — комплемент, интерферони, цитокини (напр. TNF, IL-1, IL-6), антимикробни пептиди и остропреходни (acute-phase) протеини, които подпомагат опсонизация, лизис на микроби и сигнализация към други клетки.
- Рецептори за разпознаване на моделите (PRRs) — като Toll-like рецептори (TLR), NOD-подобни рецептори, RIG-I-подобни рецептори и cGAS-STING. Те разпознават PAMPs (патоген-асоциирани молекулярни модели) и DAMPs (молекули, сигнализиращи за увреда).
Ключови механизми на действие
- Фагоцитоза и убиване на микроби — неутрофилите и макрофагите поглъщат патогени в стомаси (phagosomes), които се сливат с лизозоми; кислород-зависими и -независими механизми убиват микробите.
- Възпаление — локална реакция, характеризираща се с подуване, зачервяване, болка и повишен кръвоток. Възпалението привлича имунни клетки и увеличава пропускливостта на съдовете за борба с инфекцията.
- Комплементна система — активира се по класически, лектиен или алтернативен път; води до опсонизация (по-лесно фагоцитиране), привличане на възпалителни клетки и образуване на мембранно-атакуващ комплекс (MAC), който може да лизира бактерии.
- Интерферони и антивирусна защита — клетки, заразени с вирус, отделят тип I интерферони, които инхибират репликацията на вируси в съседни клетки и активират NK клетки.
- NK-клетки — разпознават и убиват клетки с намалено експресиране на MHC I (често вирусно инфицирани или туморни клетки) чрез екзоцитоза на перфорин и гранзими.
- Обръщане към адаптивната имунна система — дендритните клетки представят антигени и отделят сигнални молекули, които активират Т- и В-клетките, осигурявайки връзката между вродения и адаптивния имунитет.
Специфични примери и допълнителни явления
- Нейтрофилни мрежи (NETs) — мрежи от ДНК и антибактериални протеини, изхвърляни от неутрофилите за заграждане и убиване на микроби.
- Поляризация на макрофагите — M1 (продуцират възпалителни цитокини, борят се с микроби) и M2 (подпомагат ремонт и разрешаване на възпалението).
- Роля на микробиотата — нормалната флора на кожата и червата конкурира патогените и поддържа имунния баланс.
- Тренирoван имунитет — наскоро описано свойство, при което понякога вродените клетки проявяват по-дълготрайно повишена реактивност след първично стимулиране (епигенетични промени); пример — BCG ваксината може да усили общата имунна защита.
Ограничения и клинично значение
- Вродената система няма висока специфичност и обикновено не образува антитела с памет като адаптивния имунитет; това обяснява нуждата от ваксини, които стимулират адаптивния отговор.
- Дисфункции могат да причинят повишена податливост към инфекции (напр. вродени дефекти в комплемента) или хиперреакция — сепсис и системно възпаление.
- Хронична активност на вродените механизми допринася за възпалителни заболявания, атеросклероза и автоимунни/автоинфламаторни състояния.
- Терапевтични приложения: имуномодулиращи лекарства (кортикостероиди, анти-TNF), инхибитори на комплемента (напр. eculizumab), терапевтични интерферони и агенти, насочени към TLR.
Роля при различните организми
- При растенията вроденият имунитет включва разпознаване на патогенни молекули и локални/системни защитни отговори (напр. PTI и ETI).
- При безгръбначни животни (насекоми и др.) вродените механизми осигуряват основна защита чрез антимикробни пептиди, фагоцитоза и системни възпалителни отговори.
Кратко резюме
Вродената имунна система е бърз, нефракциониран и еволюционно стар механизъм за защита срещу инфекции и увреждане. Тя използва бариери, клетки и молекулярни системи за разпознаване и отстраняване на заплахите, като същевременно координира и активира адаптивния имунитет. Разбирането на нейните механизми е ключово за диагностика и лечение на инфекции, възпалителни и автоимунни заболявания.
Анатомични бариери
Вродената имунна система включва и кожата. Външните слоеве на кожата се наричат "епителни". Епителните клетки образуват восъчна физическа бариера, която не позволява проникването на повечето инфекциозни агенти. Тези клетки са първата линия на защита на вродената имунна система срещу нахлуващите организми.
Старите кожни клетки отпадат и това помага за премахването на бактериите, които са полепнали по кожата.
Кожата продължава във вътрешността като обвивка на червата и белия дроб. В червата и белите дробове движението чрез перисталтика или реснички помага за отстраняване на инфекциозните агенти. Освен това слузта задържа инфекциозните агенти. В червата чревната флора може да предотврати появата на патогенни бактерии, като отделя токсични вещества или като се конкурира с патогенните бактерии за хранителни вещества или за прикрепване към клетъчните повърхности.
Промивното действие на сълзите и слюнката помага за предотвратяване на инфекции на очите и устата.
Възпаление
Възпалението е една от първите реакции на имунната система към патогени или чужди вещества, които преминават през анатомичните бариери.
Възпалението се стимулира от химични фактори, освободени от увредените клетки. То създава физическа бариера срещу разпространението на инфекцията и подпомага заздравяването на увредената тъкан след изчистването на патогените.
Химичните фактори, които се образуват по време на възпаление, привличат фагоцитите, особено неутрофилите. След това неутрофилите задействат други части на имунната система.
Система за допълване
Системата на комплемента е биохимична каскада на имунната система, която помага на антителата да изчистят патогените или да ги маркират за унищожаване от други клетки.
Каскадата е съставена от много плазмени протеини, които се произвеждат в черния дроб. Протеините работят заедно, за да:
- предизвикват набирането на възпалителни клетки.
- маркират патогени за унищожаване чрез покриване на повърхността им.
- нарушават плазмената мембрана на заразена клетка, като предизвикват цитолиза на заразената клетка и смърт на патогена.
- освобождаване на организма от неутрализираните комплекси антиген-антитяло.
Елементи на каскадата на комплемента се срещат при много видове, различни от бозайниците, включително растения, птици, риби и някои видове безгръбначни животни.
Клетки на вродения имунен отговор
Всички бели кръвни клетки (БКК) се наричат левкоцити. Левкоцитите се различават от другите клетки на тялото: те работят като независими, едноклетъчни организми. Могат да се движат свободно и да улавят клетъчни остатъци, чужди частици или нахлуващи микроорганизми. Произвеждат се от кръвотворни стволови клетки в костния мозък.
Вродените левкоцити включват: естествените клетки убийци, мастоцитите, еозинофилите, базофилите; и фагоцитните клетки, включително макрофаги, неутрофили и дендритни клетки. Те идентифицират и елиминират патогените, които причиняват инфекция.
Мастни клетки
Мастоцитите са вид вродени имунни клетки в съединителната тъкан и лигавиците. Те са тясно свързани със защитата срещу патогени и заздравяването на рани. Често се свързват и с алергии и анафилаксия. Когато се активират, мастоцитите бързо освобождават в околната среда характерни гранули, богати на хистамин и хепарин, заедно с различни хормонални медиатори и хемотактични цитокини. Хистаминът разширява кръвоносните съдове, предизвиквайки признаците на възпаление, и набира неутрофили и макрофаги.
Фагоцити
Думата "фагоцит" буквално означава "хранеща се клетка". Това са имунни клетки, които поглъщат, т.е. фагоцитират, патогени или частици. За да погълне частица или патоген, фагоцитът разширява части от плазмената си мембрана, като я обвива около частицата, докато я обгърне (т.е. частицата вече е вътре в клетката). След като влезе в клетката, нахлулият патоген се съдържа в ендозома, която се слива с лизозома. Лизозомата съдържа ензими и киселини, които убиват и разграждат частицата или организма. Фагоцитите обикновено патрулират в тялото в търсене на патогени, но също така са в състояние да реагират на група високоспециализирани молекулярни сигнали, произвеждани от други клетки, наречени цитокини. Фагоцитните клетки на имунната система включват макрофаги], неутрофили и дендритни клетки.
Фагоцитозата на собствените клетки на гостоприемника е често срещана като част от редовното развитие и поддържане на тъканите. Когато клетките на гостоприемника умрат, фагоцитните клетки ги отстраняват от засегнатото място. Като отстранява мъртвите клетки, фагоцитозата е важна част от оздравителния процес.
Макрофаги
Макрофагите са големи фагоцитни левкоцити. Те могат да се движат през клетъчната мембрана на капилярните съдове и да преминават между клетките, за да ловят нахлуващи патогени. Макрофагите са най-ефективните фагоцити и могат да фагоцитират значителен брой бактерии или други клетки или микроби. Свързването на бактериални молекули с рецептори на повърхността на макрофага го кара да погълне и унищожи бактериите. Патогените също така стимулират макрофага да произвежда хемокини, които призовават други клетки към мястото на инфекцията.
Неутрофили
Неутрофилите и два други типа клетки (еозинофили и базофили) са известни като гранулоцити (защото имат гранули в цитоплазмата си) или полиморфонуклеарни клетки (PMNs) поради характерните им лобовидни ядра.
Гранулите на неутрофилите съдържат различни токсични вещества, които убиват или потискат растежа на бактериите и гъбичките. Основните продукти на неутрофилите са силни окислители. Те включват водороден пероксид, свободни кислородни радикали и хипохлорит. Неутрофилите са най-разпространеният тип фагоцити, като те съставляват 50 до 60 % от общия брой циркулиращи левкоцити. Те обикновено са първите клетки, които пристигат на мястото на инфекцията. Костният мозък на нормален здрав възрастен човек произвежда повече от 100 милиарда неутрофили на ден, а по време на остро възпаление - над 10 пъти повече на ден.
Дендритни клетки
Дендритните клетки (ДК) са фагоцитни клетки, които се намират в тъканите, които са в контакт с външната среда, най-вече в кожата (където често се наричат клетки на Лангерханс), както и във вътрешната лигавица на носа, белите дробове, стомаха и червата. Дендритните клетки са много важни в процеса на представяне на антигени и служат като връзка между вродената и адаптивната имунна система.
Базофили и еозинофили
Базофилите и еозинофилите са клетки, свързани с неутрофилите (вж. по-горе). Когато се активират при среща с патоген, базофилите, отделящи хистамин, са важни за защитата срещу паразити и играят роля в алергичните реакции (като астма). Когато са активирани, еозинофилите отделят редица силно токсични протеини и свободни радикали, които убиват бактериите и паразитите. Същите химикали причиняват и увреждане на тъканите по време на алергични реакции. Поради това активирането и отделянето на токсини от еозинофилите се регулира строго, за да се предотврати неправомерно разрушаване на тъканите.
Естествени клетки убийци
Естествените клетки-убийци или NK-клетките са част от вродената имунна система, която не атакува директно нахлуващите микроби. Вместо това NK клетките унищожават компрометирани клетки на гостоприемника, като например туморни клетки или заразени с вируси клетки. Тя разпознава такива клетки по състояние, известно като "липсваща същност". Този термин описва клетки с ниски нива на маркер на клетъчната повърхност, наречен MHC I (основен комплекс за хистосъвместимост). Това може да се случи при вирусни инфекции на клетки на гостоприемника. Те са наречени "естествени убийци", тъй като не изискват активиране, за да убиват клетки, на които "липсва аз".
Еозинофил
Неутрофил
Макрофаг
Изображение от сканиращ електронен микроскоп на нормална циркулираща човешка кръв. Виждат се червени кръвни телца, няколко бели кръвни телца, включително лимфоцити, моноцит, неутрофил и много малки тромбоцити с форма на диск.
Имунни системи на безгръбначните
Антимикробни пептиди
Антимикробните пептиди, или пептидите за защита на гостоприемника, са част от вродения имунен отговор. Те се срещат сред всички класове живи същества. Тези пептиди са мощни антибиотици с широк спектър на действие. Те убиват както грам отрицателни, така и грам положителни бактерии, микобактерии (включително Mycobacterium tuberculosis), обвити вируси, гъбички и дори трансформирани или ракови клетки.
Морските рибни източници имат високи нива на антимикробни съединения. Тестовете с живи риби показват, че рибните пептиди, използвани в хранителните съставки, работят добре.
Различни структури на антимикробни пептиди
Въпроси и отговори
В: Какво представлява вродената имунна система?
О: Вродената имунна система е защитен механизъм, който предпазва гостоприемника от инфекции. Тя включва клетки, които разпознават и реагират веднага на патогени (микроби), без да са специфични за конкретен патоген.
Въпрос: Вродената имунна система осигурява ли дълготраен имунитет срещу специфични инфекции?
О: Не, за разлика от адаптивната имунна система, вродената имунна система не осигурява дълготраен имунитет срещу специфични инфекции.
В: Къде можем да намерим вродената имунна система?
О: Вродената имунна система може да се открие във всички растителни и животински организми, както и в примитивните многоклетъчни организми. Тя присъства и в растенията, гъбите, насекомите и гръбначните животни.
В: Адаптивна ли е вродената имунна система?
О: Не, тя не е адаптивна и не се променя през целия живот на индивида.
В: Как вродената имунна система се защитава от инфекции?
О: Вродената имунна система реагира бързо на разпознатите от нея патогени, като се защитава бързо от тях.
В: Колко стара е тази защитна стратегия в сравнение с други стратегии?
О: Тази защитна стратегия е еволюционно по-стара от другите стратегии, използвани за защита от инфекции.
В: Кой вид организъм разчита най-вече на вродения си имунитет за защита от инфекции?
О: Примитивните многоклетъчни организми разчитат предимно на вродения си имунитет за защита от инфекции.
обискирам