先天免疫系統

先天免疫系統（innate immune system）又稱固有免疫系統系統、非特異性免疫系統（nonspecific immune system）、非專一性防禦系統，是生物體非特異性、無記憶性，具免疫應答和免疫功能，或病原體防禦功能的組織系統，含蓋免疫器官和組織、固有免疫細胞和固有免疫分子，以及一系列的物理屏障系統。

先天免疫系統常作為抵禦病原體入侵的第一道防線，其細胞或分子會非特異地識別並作用於病原體。與後天免疫系統不同，先天免疫系統不會提供持久的保護性免疫，即不產生免疫記憶，且不歷經克隆擴增，而是作為一種迅速的抗感染作用，存在於所有的動物、植物及真菌中。

## 功能

在進化上，先天免疫系統是一種較早產生的機體防禦機制。它在植物、真菌、昆蟲和比較原始的多細胞生物中占有主要的地位。（參見其他形式的先天免疫系統）

脊椎動物的先天免疫系統的主要功能包括：

- 通過產生包括細胞因子在內的多種化學因子將免疫細胞召集到感染或炎症區域。
- 通過激活補體系統來促進清除死亡細胞或抗體-抗原複合物。
- 利用特化的白細胞來識別和消除在器官、組織、血液和淋巴中出現的外來物質。
- 通過抗原呈現過程來激活後天免疫系統。
- 作為對傳染性病原體物理和化學屏障

## 炎症反應

炎症反應(發炎)是免疫系統對感染或刺激的第一個回應。它在由受損細胞所釋放的化學因子的刺激下產生，並形成一種防止感染擴散的物理屏障。此外，在清除病原後，炎症反應還可以促進損傷組織的癒合。

在炎症反應中產生多種化學因子，包括組織胺、前列腺素、5-羥色胺、白三烯和緩激肽。這些化學因子可以增強痛覺感受器的敏感度、引發血管舒張、召集吞噬細胞和中性粒細胞。隨後，中性粒細胞則通過釋放細胞因子來召集其他的白細胞和淋巴細胞。

炎症反應會表現出紅、腫、發熱、疼痛以及可能發生的相關組織器官的功能失常。相應的拉丁文為rubor, tumor, calor, dolor, funtio laesa。

## 補體系統

補體系統是免疫系統中的一種生化級聯反應 (生物化學)。它可以幫助或者「補足」抗體本身清除抗原物質或標記抗原物質以待清除的作用。這種級聯反應由多種血漿蛋白的相互作用所完成，這些蛋白由肝臟中的肝細胞所合成。這些蛋白完成的工作包括：

- 觸發炎症反應相關細胞的召集。
- 通過調理素或者包被抗原表面來標記抗原，以待其他細胞來消滅。
- 干擾感染細胞的細胞膜，導致細胞溶解。
- 清除抗體-抗原複合物。

補體系統中的各個組成部分具有進化上的保守性，在比哺乳類動物更原始的物種諸如鳥類、魚類、植物以及部分種類的無脊椎動物都有存在。

## 先天免疫系統的組成

### 皮膚

#### 機械作用

- 皮膚的角化鱗狀上皮提供了阻止各種病原體、寄生蟲入侵的機械屏障。
- 上皮的自我更新能力也清除了依附其上的微生物。
- 毛囊是相對薄弱的地方，容易招致金黃色葡萄球菌感染，出現癤或癰。

#### 化學作用

- 汗腺分泌的乳酸、脂肪酸營造了一種酸性環境，抑制細菌的生長。

此外，皮膚在特異性免疫中也起重要作用。

由於皮膚是重要的免疫屏障，因此，燒傷、剝脫性皮炎等原因導致大面積皮膚缺失後，患者將面臨嚴重感染的威脅。

### 黏膜

#### 機械作用

- 管腔（如消化道、泌尿道）里流動的體液可以將微生物沖刷到體外。因此，一定程度的腹瀉、尿頻或咳嗽具有自我保護意義。
- 黏膜分泌黏液，可以黏附各種微生物，阻止它們黏附到上皮細胞。然後藉助纖毛擺動、管腔蠕動以及咳嗽等的機械作用，將微生物清除。
- 黏膜的上皮組織也提供一定的機械屏障作用。但黏膜的上皮組織多為單層結構，缺乏角化，機械屏障作用比皮膚弱。

#### 化學作用

- 某些管腔含有的體液具有殺菌物質，如胃腔含有的胃酸可以殺死傷寒桿菌等。
- 黏液含有溶菌酶等多種殺菌物質。

#### 生物拮抗作用

- 有些黏膜表面寄生著正常菌群，可以拮抗病原體的入侵。其機制有：
- 產生代謝廢物：如，陰道乳酸桿菌分解陰道上皮細胞里的糖原，產生乳酸抑制白假絲酵母菌的生長。因此清潔陰道方法不當、長期使用抗生素可導致陰道炎；老年女性陰道上皮萎縮，糖原生成不足，可出現老年性陰道炎。
- 產生細菌素：如，大腸埃希菌產生大腸桿菌素，可在敏感菌的細胞膜上形成孔洞，破壞細菌的能量代謝。

### 細胞

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白細胞，又稱白細胞，是游離於特定的組織器官之外的獨立的細胞。它們的功能更類似於獨立的單細胞生物，白細胞可以自由地移動並捕捉細胞碎片、外源顆粒或入侵微生物。與許多其他體細胞不同，白細胞沒有自行分裂來達到增殖的能力，而是由骨髓中的多能造血幹細胞產生。

先天免疫相關的白細胞包括：自然殺傷細胞(NK細胞)、肥大細胞、嗜酸性球、嗜鹼性球、涵蓋單核-巨噬細胞與嗜中性球吞噬細胞、樹突細胞，以及少部分淋巴細胞（γδ T細胞、B1細胞）。這些細胞的作用在於識別和消滅可能導致感染的病原體。

#### 肥大細胞

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肥大細胞（mast cells）實際上是存在於結締組織和黏膜中的先天免疫細胞，它們與抵禦抗原和傷口癒合的作用直接相關，同時也和過敏反應有關。當肥大細胞被激活後，會迅速向細胞外釋放其含有的特徵性的顆粒（富含組織胺和肝素），以及多種體液調節因子、趨化因子、細胞因子。組織胺會擴張血管，導致炎症的特徵性反應，並召集中性粒細胞和巨噬細胞。

#### 吞噬細胞

吞噬細胞（phagocytic cells）可以利用胞吞作用吞噬抗原體或其他顆粒。發生作用時，吞噬細胞的細胞膜的局部不斷地發生延展和捲曲直到完全裹住胞外的病原體，從而將其轉移到胞內。入侵病原體此時被包含在包涵體之中，隨後包涵體與溶酶體結合。溶酶體中包含多種的酶和酸性物質，可以殺死並消化病原微生物或顆粒。吞噬細胞通常在體內「巡邏」以搜索抗原，並能夠和由其他細胞產生的高度特化的分子信號——細胞因子發生反應。免疫系統中提到的吞噬細胞包括單核-巨噬細胞、中性粒細胞和樹突細胞。

在機體正常發育和代謝過程中，這種吞噬作用是很常見的。無論是正常誘導的宿主細胞程序性死亡（也叫做細胞凋亡），抑或由細菌或病毒導致的細胞損傷引起的宿主細胞死亡，吞噬細胞都會負責清除這些死亡的細胞，來保證新的健康細胞的發育和組織的修復。

##### 巨噬細胞

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巨噬細胞（macrophages）是一種大型白細胞，存在於血管系統中參與循環，也有能力穿過毛細血管的管壁進入到組織間隙中追逐入侵抗原。遊走在組織中的巨噬細胞與在血液中的有所不同，稱為單核細胞。巨噬細胞作為最有效率的吞噬細胞，可以吞噬相當數量的微生物或其他細胞。

細菌物質分子與巨噬細胞表面的受體的結合會觸發巨噬細胞對細菌的包裹作用和殺傷作用。這個過程是通過產生「（呼吸爆發）」的作用，引發活性氧（大多為NO）的釋放而發揮作用的。抗原還會刺激巨噬細胞產生趨化因子，使之召喚更多的細胞到感染處來。

##### 嗜中性球

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因為在細胞質中存在很多顆粒，嗜中性球（neutrophils），全稱嗜中性粒細胞，與嗜鹼性球、嗜酸性球一起並稱粒性白細胞，也稱作多形核白細胞（polymorphnuclear cells, PMNs）。中性粒細胞的顆粒中含有多種毒素，可以殺死或抑制細菌、真菌的生長。與巨噬細胞類似，中性粒細胞對抗原的攻擊也是由「呼吸爆發」所引發的。嗜中性粒細胞是數量最多的一類吞噬細胞，通常占總循環白細胞的50%到60%，並且通常是最先趕到感染區域的淋巴細胞。正常的成人骨髓一天可以產生超過1000億個中性粒細胞，急性感染時一天的產量可以超過1兆個。

##### 樹突細胞

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樹突細胞（dendritic cells, DC）是存在於組織中並與外界環境相接觸的吞噬細胞，通常存在於皮膚（通常稱為郎格罕細胞）、鼻黏膜內側、肺臟、胃臟和腸道之中。樹突細胞的命名是因為它很像神經細胞的樹突，但二者沒有聯繫。樹突細胞是抗原呈現過程中的重要場所，因此也是連接先天和後天免疫系統的紐帶.

#### 嗜酸性球和嗜鹼性球

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嗜鹼性球（basophils）激活後，釋放的組織胺在清除寄生蟲的過程中發揮重要作用，並在過敏反應中發揮作用；激活後的嗜酸性球（eosinophils）會分泌多種毒素蛋白和自由基，以有效殺滅細菌和寄生蟲，但也在過敏反應中造成嚴重的組織損傷。因此，二者的激活過程十分複雜，以防止不必要的組織損毀。

#### 自然殺傷細胞

自然殺傷細胞（Natural killer cells），也簡稱為NK細胞，主要功能為攻擊那些被識別為已感染的宿主細胞，但也同時直接攻擊入侵的微生物，例如，NK細胞會攻擊並摧毀腫瘤細胞和感染病毒的細胞。這種作用是通過所謂的「自失（missing-self）效應」而發生的，這個效是指被病毒感染的宿主細胞會在細胞表面表現出低水平的MHC I。「天然殺傷」體現在其殺傷那些出現「自失效應」的細胞時無需激活。

#### γδ T細胞

γδ T細胞是處在先天和後天免疫之間的細胞。一方面，γδ T細胞因為具有產生T細胞受體時的VDJ重排作用而被認為是後天免疫的一部分；而同時γδ T細胞因為具有通過限定TCR受體或NK受體而產生的模式識別受體而被認為是先天免疫的一部分。它可能與非肽抗原的識別有關。

## 病原特異性

先天免疫系統的不同部分對不同的病原有不同的特異性。

病原｜主要例子｜吞噬作用｜補體系統｜自然殺傷細胞

胞內和胞質病毒｜、流感、腮腺炎、麻疹、鼻病毒｜有｜無｜有

胞內細菌｜、李斯特菌、軍團菌屬，軍團病、分枝桿菌屬，結核、立克次體，傷寒｜有 （特別是中性粒細胞，立克次體無作用）｜無｜有 （立克次體無作用）

胞外細菌｜、葡萄球菌、鏈球菌、奈瑟菌屬、腸道沙門氏菌｜有｜有｜無

胞內原生動物｜、三日瘧原蟲、利什曼原蟲｜無｜無｜無

胞外原生動物｜、溶組織內阿米巴、籃氏賈第鞭毛蟲｜有｜有｜無

胞外真菌｜、假絲酵母屬、組織胞漿菌屬、隱球菌屬｜無｜有｜無

## 先天免疫逃避

雖然先天免疫系統的細胞可以有效地阻止細菌在機體內的生長，但是仍有部分病原體成功地進化出了逃避先天免疫反應的機制。

繞過先天免疫系統的逃避策略包括細菌在宿主細胞內完成增殖（如沙門氏菌屬），以及在表面產生保護性的莢膜來阻止補體和吞噬細胞的裂解作用（如結核桿菌）桿菌屬的物種大多是片利共生菌，構成了哺乳動物腸道菌落的大部分。有的物種（如B. fragilis）是條件致病抗原，會導致腹膜腔的感染。這些物種是通過影響吞噬細胞上誘導包被的抗體或者通過模擬宿主細胞來抑制吞噬作用，使得宿主無法將它們識別為外源物質，從而逃避了先天性免疫的。金黃色葡萄球菌可以抑制吞噬細胞對趨化因子的反應能力；而有的物種諸如結核桿菌、化膿葡萄球菌和Bacillus anthracis則可以直接殺滅吞噬細胞來逃避先天性免疫。

細菌和真菌也可以通過形成複合生物薄膜來保護自己；最近的研究表明這種生物薄膜是多種感染的關鍵所在，比如以囊腫性纖維化為特徵的慢性綠膿桿菌感染。

## 其他形式的先天免疫系統

### 原核生物的宿主防衛系統

細菌（可能還包括其他的原核生物），利用一種叫做限制修飾系統的防衛機制來抵禦來自諸如噬菌體等病原的攻擊。在此系統中，細菌通過產生限制酶來攻擊並摧毀入侵噬菌體的敵對DNA的特定區域。而自身DNA由於甲基化的作用，得以免除遭到限制酶的攻擊。值得注意的是，限制酶和限制修飾系統是僅存在於原核生物中的。

### 無脊椎動物的宿主防衛機制

無脊椎動物沒有淋巴細胞或基於抗體的體液免疫系統。多能的、後天免疫系統很可能是隨著脊椎動物而產生的。然而，無脊椎動物的一些免疫機制卻可以看做相應的脊椎動物免疫機制的前身。模式識別受體幾乎是被所有生物使用的用來識別與微生物抗原相關的分子的一種受體蛋白。Toll樣受體是存在於所有體腔動物（包括人）中的一類主要的模式識別受體。補體系統也是存在於大部分生物體內的級聯反應系統。只有少數生物如某些昆蟲、蟹和蠕蟲會使用一種利用prophenoloxidase的補體系統的類似反應系統。

抗微生物肽是先天免疫反應進化過程中相對保守的成分，在所有生物類別都有抗微生物肽。它起到了無脊椎動物的系統免疫功能，如一些昆蟲可以產生防禦素和天蠶素。

### 植物的宿主防衛機制

能感染人類的病原生物在分類上處於的綱的很多其他成員都可以感染植物。植物可以通過一系列的複雜代謝反應來形成防禦性的化學合成物來抵抗感染或者降低植物對昆蟲或食草動物的吸引力。

與無脊椎動物類似，植物既不能產生抗體，也沒有T細胞反應，更沒有可以通過遊走來檢測和攻擊抗原的細胞。但是，植物卻能夠做到一些動物罕有的行為來防止感染的擴散，比如隔離或者拋棄那些被感染的部分。

很多植物的免疫反應都包含有遍布植物全身的全身性化學信號。植物通過模式識別受體來檢測抗原，並產生基底反應。這個反應產生出的化學信號可以幫助感染隔離作用的產生。當植物的一部分被微生物或者病毒感染後，由特定因子導致的「不兼容反應」使得植物發生局部的超敏反應。並使該處的細胞發生程序性死亡。

「抵抗」蛋白（Resistance proteins, R proteins）是由R基因編碼的，廣泛存在於植物之中。這種蛋白含有類似於動物先天免疫中模式識別受體和Toll樣受體的結構域。植物的系統獲得性抵抗（systemic acquired resistance, SAR）通過釋放多種化學信使，可以使整個植株獲得廣譜的抵抗能力。有些化學信使會傳遍整個植株，從而使未感染區域產生防衛性的複合物。另外利用RNA干擾機制，植物可以抑制病毒的增殖。

## 外部連結

- InnateDB, database of proteins and their interactions in innate immune system