免疫系统的构成

一、免疫系统的构成

免疫系统(immune system)是机体执行免疫功能的组织系统和物质基础。经典解剖学所指的免疫系统主要指淋巴系统、骨髓和胸腺;生理学意义上,免疫系统则分为免疫器官和组织、免疫细胞和免疫分子。这些不同层次的组分,有些专司其职,有些则兼顾其他生理功能(表1-1)。

(一)免疫器官和组织

免疫器官(immune organ),又称为淋巴器官(lymphoid organ),依据功能的不同分为中枢免疫器官(central immune organ)和外周免疫器官(peripheral immune organ)两类,中枢免疫器官又称为初级淋巴器官(primary lymphoid organ),是免疫细胞发生、发育、分化和成熟的场所,包括人和其他哺乳类动物的骨髓(胚胎期的卵黄囊、肝和脾)、胸腺以及禽类特有的腔上囊/法氏囊;外周免疫器官又称为次级淋巴器官(secondary lymphoid organ),是发育成熟的淋巴细胞(T细胞和B细胞)定居并接受抗原刺激产生免疫应答的场所,包括淋巴结、脾脏和皮肤/黏膜相关淋巴组织(cutaneous/mucosal-associated lymphoid tissue,CALT/MALT)等。中枢免疫器官和外周免疫器官通过血液循环和淋巴循环相联系,构成一个完整的免疫系统网络(图1-1)。

表1-1 免疫系统的组成

图示

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图1-1 人体免疫系统

免疫组织(immune tissue),又称为淋巴组织(lymphoid tissue),广泛分布于机体各个部位,是构成胸腺、脾脏、淋巴结等包膜化淋巴器官的主要成分。在皮肤及消化道、呼吸道和泌尿生殖道等的黏膜部位存在大量非包膜化的弥散性淋巴组织,构成重要的皮肤/黏膜相关淋巴组织。

1.中枢免疫器官

(1)骨髓 骨髓(bone marrow)是各类血细胞(包括免疫细胞)的发源地,也是人类和其他哺乳动物B细胞发育成熟的场所。骨髓位于骨髓腔中,包括红骨髓(red marrow)和黄骨髓(yellow marrow)。红骨髓具有活跃的造血功能,位于骨松质腔隙中,在结构上是一种主要由造血干细胞、基质细胞和毛细血管网络构成的海绵状组织。红骨髓基质细胞包括网状细胞、成纤维细胞、巨噬细胞、脂肪细胞和血窦内皮细胞等。基质细胞可分泌多种造血生长因子(IL-3、IL-4、IL-6、IL-7和GM-CSF等),连同基质细胞共同构成了造血细胞赖以生长、分化、发育和成熟的环境,称为造血诱导微环境(hematopoiesis inductive microenvironment,HIM)。黄骨髓主要由结缔组织构成,富含血管和脂肪细胞。红骨髓在人5岁左右时转变为黄骨髓,一旦造血需求增加,可转变为红骨髓,恢复造血功能。

骨髓多能造血干细胞简称造血干细胞(hematopoietic stem cell,HSC),具有自我更新和向多谱系血细胞分化的潜能,是体内血细胞的前体细胞。血细胞在骨髓中生长、分裂及分化的过程称为造血(hematopoiesis)。HSC在人体胚胎2~3周时可出现于卵黄囊,第2~3个月开始转移至胚肝,继而入脾,肝和脾是胚胎第3~7个月的主要造血器官。随后,HSC又迁移至骨髓,使骨髓成为胚胎末期以及出生后的造血场所。HSC除了自我更新能力和多向分化潜能外,还具有相对静止性和高度异质性的生物学特征。生理情况下,90%~95%的HSC处于G0期,不进行DNA合成和有丝分裂,这表明少数HSC即可保证机体造血恒定。即使完全纯化的HSC,其功能、生物物理学特征和表面标志并非完全一致,存在高度异质性(heterogenicity)和等级性(hierarchy)。HSC在造血组织中所占比例极低,形态学上难以与其他单个核细胞区别,人HSC的主要表面标志为CD34和CD117,还会表达CD38、血管内皮生长因子受体2(VEGFR-2)、CD45和HLA-DR等。

骨髓是重要的造血器官,是几乎所有免疫细胞的发源地。在造血诱导微环境中,造血干细胞首先定向分化为髓样干细胞(myeloid stem cell)和淋巴样干细胞(lymphoid stem cell),髓样干细胞最终分化为多种分叶核粒细胞、红细胞、单核细胞以及产生血小板的巨核细胞等;淋巴样干细胞最终分化发育为T细胞、B细胞和NK细胞等。

骨髓是人类和哺乳动物B细胞分化、发育和成熟的场所(禽类B细胞在腔上囊中发育成熟)。胚胎期B细胞分化部位是胚肝。出生后到成年期,B细胞仅在骨髓内发育成熟。祖B细胞在骨髓内经过B细胞、未成熟B细胞等阶段最终发育为成熟B细胞。B细胞前体与骨髓基质的网状细胞密切接触,后者通过分泌重要的细胞因子IL-7促进B细胞的发育成熟。B细胞在发育过程中,将经历严格的选择,阳性选择使发生免疫球蛋白基因重排的B细胞得以存活,继续发育;阴性选择则清除掉自身反应性B细胞,最终有将近75%的前体B细胞发生凋亡而被淘汰,成熟B细胞仅占25%。

骨髓是再次体液免疫应答发生的场所,也是体内抗体产生的重要器官。记忆B细胞在外周免疫器官接受抗原再次刺激而活化,经淋巴液和血液迁移至骨髓,在此分化为成熟浆细胞,并产生大量抗体(主要是IgG,其次为IgA)。抗原再次免疫后,外周免疫器官可快速应答,但产生抗体的持续时间短;骨髓可缓慢、持久地产生大量抗体,是血清抗体的主要来源。

(2)胸腺 胸腺(thymus)是T细胞分化、发育和成熟的场所。人类胸腺位于胸腔纵隔上部、胸骨后方、心脏上方,于胚胎第9周出现,由第Ⅲ、Ⅳ对咽囊的内胚层分化而来,20周发育成熟,是发育最早的免疫器官。出生后胸腺体积迅速增大,至青春期达到顶峰,此后随年龄增长而逐渐萎缩退化,至老年期被脂肪组织取代。胸腺微环境改变,T 细胞发育成熟减少,与老年人免疫功能衰退有关。

胸腺分左右两叶,表面覆盖有结缔组织被膜,被膜深入实质部成为小梁,并将实质部分成若干小叶,小叶的外层为皮质区(cortex),分为浅、深两层。内层为髓质区(medulla),相邻小叶的髓质彼此相通。胸腺实质部的细胞成分主要为胸腺细胞和胸腺基质细胞(thymus stromal cells,TSC),胸腺细胞包括正在发育中的未成熟和已成熟的T细胞,胸腺基质细胞包括胸腺上皮细胞(thymus epithelial cells,TEC)、巨噬细胞(macrophage,Mφ)、树突状细胞(dendritic cells,DC)和成纤维细胞等(图1-2)。

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图1-2 胸腺

胸腺皮质区内的上皮细胞高度特化,其胞质突起,形成口袋样结构,包裹着胸腺细胞,此种上皮细胞被称为胸腺抚育细胞(thymus nursing cell),是胸腺细胞赖以发育成熟的重要基质细胞,可产生促进胸腺细胞分化发育成熟的激素和细胞因子。髓质区内有大量胸腺髓质上皮细胞和较成熟的胸腺细胞、Mφ和DC。髓质区有胸腺小体(thymic corpuscle),也被称为哈索尔小体(Hassall corpuscle),为胸腺特征性结构,由聚集的上皮细胞呈同心圆状包绕排列而成。

胸腺基质细胞连同其所分泌的细胞因子、胸腺肽类分子以及细胞外基质共同构成胸腺微环境(thymic microenvironment),是决定T细胞分化、增殖和选择性发育的重要条件。胸腺上皮细胞主要通过两种方式促进胸腺细胞发育:其一,分泌细胞因子和胸腺肽类分子,包括SCF、IL-1、IL-2、IL-6、IL-7、TNF-α、GM-CSF、趋化因子、胸腺素(thymosin)、胸腺肽(thymulin)和胸腺生成素(thymopoietin)等,促进和调节胸腺细胞分化、发育和增殖。其二,通过胸腺上皮细胞-胸腺细胞间的受体-配体相互作用,诱导和促进胸腺细胞分化、发育和成熟。

胸腺是T细胞分化、发育和成熟的场所。皮质-髓质交界处富含血管,由骨髓迁移到胸腺的祖T细胞(pro-T)由此处进入胸腺,首先移行到皮质区,随着发育成熟,逐渐向髓质区迁移。在此过程中,胸腺细胞经历阳性选择和阴性选择,90%以上的细胞发生凋亡,仅有少数细胞最终发育为成熟的初始T细胞(naïve T cell),获得识别抗原的自身MHC限制性和自身免疫耐受。成熟T细胞仅识别位于抗原提呈细胞(APC)表面的、与自身MHC分子结合的抗原肽,这被称为T细胞抗原识别的MHC限制性。阳性选择主要由上皮细胞介导,胸腺细胞表达的TCR若与上皮细胞表面的自身MHC分子具有过高或过低亲和力,则导致该胸腺细胞凋亡,只有表达与自身MHC分子具有中等亲和力的TCR的胸腺细胞才能进一步发育,阳性选择的意义是使T细胞获得了识别抗原的自身MHC限制性。阴性选择是指清除胸腺内自身抗原应答性胸腺细胞的过程,其生物学意义在于使T细胞获得自身免疫耐受性和对外来抗原的应答能力。早期成熟的T细胞主要是γσT细胞,经血液循环到达皮肤、黏膜,参与固有免疫应答(innate immunity)。胚胎晚期至终生则以αβT细胞为主,它们定居在外周免疫器官和组织,参与适应性免疫应答(adaptive immunity)。

胸腺发育不全,可导致成熟T细胞缺乏和细胞免疫缺陷,裸鼠就是因为胸腺上皮细胞发育障碍导致胸腺发育不全,致使其外周淋巴组织缺乏T细胞。人类胸腺上皮细胞缺失可导致迪格奥尔格综合征(DiGeorge syndrom),患儿先天性胸腺发育不全,缺乏T细胞,易反复发生病毒性和真菌性感染。

胸腺还具有免疫调节和自身耐受的建立两大功能。胸腺上皮细胞产生的细胞因子和胸腺肽,不仅能调控胸腺细胞的分化和发育,还能对外周免疫器官和免疫细胞产生调节作用。另外,T细胞在发育过程中,会通过T细胞受体(TCR)与胸腺基质细胞表面上的自身抗原-MHC复合物发生高亲和力结合,引发阴性选择,启动细胞程序性死亡,消除自身反应性T细胞,建立自身耐受。若胸腺基质细胞缺陷,则阴性选择机制发生障碍,无法消除自身反应性T细胞,出生后易患自身免疫病。

2.外周免疫器官和组织

(1)淋巴结 淋巴结(lymph node)是最完备的外周免疫器官,形态为圆形或肾形或豆形,大小为1~25毫米,广泛分布于全身非黏膜部位的淋巴管道汇集处,身体浅表部位的淋巴结常位于颈部、腋窝和腹股沟等凹陷隐蔽处,内脏的淋巴结常位于纵隔和腹腔以及内脏的器官门附近,组织或器官的淋巴液均引流至局部淋巴结。淋巴结是淋巴系统重要的组成部分。

淋巴结表面由结缔组织被膜包被,被膜深入实质成为小梁,构成淋巴结的主要支架结构,淋巴结实质分为位于外层区域的皮质和中心区域的髓质两部分。皮质又分为浅皮质区和深皮质区,紧靠被膜下为浅皮质区,是B细胞定居部位,称为B细胞区,又称为非胸腺依赖区(thymus-independent area)。大量B 细胞在该区域聚集形成初级淋巴滤泡(primary lymphoid follicle),或称淋巴小结(lymph nodule)。初级淋巴滤泡为未受抗原刺激的状态,主要含成熟的初始B 细胞。接受抗原刺激后,初级淋巴滤泡内出现生发中心(germinal center,GC),又称为次级淋巴滤泡(secondary lymphoid follicle),由活化增殖的B细胞、记忆B细胞、滤泡树突状细胞和Mφ组成。滤泡树突状细胞(follicular dendritic cell,FDC),与B细胞接受抗原刺激活化密切相关。深皮质区又称副皮质区(paracortex),位于浅皮质区与髓质之间,是T细胞的定居场所,故又称为胸腺依赖区(thymus-dependent area)。副皮质区富含并指状树突状细胞(IDC),是由皮肤的朗格汉斯细胞和黏膜等部位的DC迁移而来,高表达MHCⅡ类分子,是非常重要的专职抗原提呈细胞,可将来自机体内外表面所处理的抗原传递到淋巴结内。副皮质区有许多结构特化的毛细血管后微静脉(post-capillary venule,PCV),由单层立方状不连续的内皮细胞所组成,又称为高内皮微静脉(high endothelial venule,HEV),血液中的淋巴细胞由此进入淋巴结,是淋巴细胞再循环的一个重要门户通道。髓质由髓索和髓窦组成,髓索由B细胞、浆细胞、T细胞和Mφ组成;髓窦为淋巴窦,窦内富含Mφ,可捕捉、吞噬和清除抗原异物,发挥过滤作用(图1-3)。

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图1-3 淋巴结

淋巴结有四大功能:第一,淋巴结是成熟T细胞(占75%)和B细胞(占25%)的主要定居部位;第二,淋巴结是免疫应答发生的场所,是淋巴细胞接受抗原刺激、发生适应性免疫应答的主要部位之一。T细胞、B细胞在淋巴结中接受抗原刺激,增殖、分化并产生免疫应答效应;第三,淋巴结是淋巴液的有效过滤器,侵入机体的病原微生物、毒素或其他有害异物,随淋巴液进入局部引流淋巴结,窦内的Mφ吞噬、杀伤病原微生物,具有净化淋巴液、防止病原体扩散的作用;第四,淋巴结参与淋巴细胞再循环,通过淋巴细胞再循环与整体免疫系统发生功能联系。随血流而来的T细胞和B细胞穿过HEV,分别进入深皮质区和浅皮质区,再迁移至髓窦,经输出淋巴管汇入胸导管,最终经左锁骨下静脉返回血液循环,这一过程体现了淋巴细胞在不同部位间的移动,称为淋巴细胞再循环(图1-4)。参与再循环的淋巴细胞主要是T细胞,占80%以上。

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图1-4 淋巴细胞再循环

淋巴细胞再循环的生物学意义在于淋巴细胞得以合理的在体内分布;淋巴组织内的淋巴细胞得到不断的补充;增加淋巴细胞与抗原接触的机会,并使淋巴细胞间及时传递抗原信息,产生有效的免疫应答。淋巴细胞再循环过程中,某些淋巴细胞亚群可选择性迁移并定居在外周淋巴组织和器官的特定区域,称为淋巴细胞归巢(lymphocyte homing)。进入淋巴结的T细胞和B细胞分别进入深皮质区和浅皮质区。

三级淋巴组织(Tertiary lymphoid tissues,TLTs),也被称为三级淋巴器官(Tertiary Lymphoid Organs,TLOs),是出生后在非淋巴组织中诱导产生的淋巴器官组织,可被慢性感染、自身免疫疾病、慢性排斥反应和肿瘤等因素诱导。TLTs能够为细胞免疫和体液免疫提供重要的淋巴细胞行使功能所需的环境,包括T细胞区、B细胞区和HEV,类似于淋巴结或派尔集合淋巴结的结构。

(2)脾脏 脾脏(spleen)是胚胎时期的造血器官,骨髓开始造血后,脾脏成为机体最大的外周免疫器官和血液循环的滤过器官。脾脏不与淋巴管相连,无淋巴窦,有大量血窦。脾脏位于左上腹,胃后方,邻近膈膜。脾脏外层为结缔组织被膜。被膜伸入脾实质形成小梁,小梁反复分支形成网状结构对实质部起到支撑作用。脾脏实质分为白髓和红髓,红髓部分居多。

白髓(white pulp)为密集淋巴组织,由动脉周围淋巴鞘(periarteriolar lymphoid sheath,PALS)、脾小结(splenic nodule)和边缘区(marginal zone)组成,相当于淋巴结的皮质,是成熟淋巴细胞定居并接受抗原刺激而活化的地方。脾动脉经脾门进入脾脏后,分支并随小梁走行,称为小梁动脉。小梁动脉的分支进入脾实质,称为中央动脉。中央动脉周围包绕着厚层弥散性淋巴组织,内含密集的T细胞、少量DC和Mφ,为T细胞区,称为中央动脉周围淋巴鞘。PALS的旁侧有淋巴滤泡,又称为脾小结,为B细胞区,含有大量B细胞以及少量的Mφ和FDC。与淋巴结相似,淋巴滤泡可分为初级滤泡和次级滤泡。(https://www.daowen.com)

红髓(red pulp)由脾索(splenic cord)和脾血窦(splenic sinus)组成。脾索为索条状组织,由大量的红细胞、Mφ、DC、血小板、粒细胞、少量的淋巴细胞以及浆细胞构成。脾索之间为脾血窦,其内充满血液。脾血窦汇入小梁静脉,再于脾门汇合为脾静脉出脾。

白髓和红髓交界的狭窄区域称为边缘区,内含T 细胞、B细胞和较多的Mφ,识别Ⅱ型胸腺非依赖性抗原(如多糖)的B细胞在边缘区内。中央动脉的侧支末端在此处膨大形成边缘窦(marginal sinus),边缘窦内皮细胞之间存在间隙,是淋巴细胞由血液进入淋巴组织的重要通道。T细胞经边缘窦迁入PALS,而B细胞则迁入脾小结和脾索。白髓内的淋巴细胞也可进入边缘窦,参与淋巴细胞再循环(图1-5)。

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图1-5 脾脏

脾脏具有四大功能:第一,脾脏是成熟淋巴细胞的定居地,尤其是B细胞(占脾淋巴细胞总数的60%,T细胞占40%);第二,脾脏是免疫应答发生场所,负责对血源性抗原(blood born antigen)产生免疫应答;第三,脾脏具有过滤功能。微生物进入血液循环流经脾脏,刺激T细胞和B细胞活化,产生效应T 细胞和抗体,经效应机制清除微生物。脾脏中的Mφ可吞噬被抗体包被的微生物(调理作用),脾脏切除的个体易患荚膜细菌(如肺炎球菌和脑膜炎球菌)的感染,并普遍对菌血症和败血症易感。除了执行免疫功能外,脾脏还是血小板、红细胞和粒细胞的储藏器,并具有过滤血液的作用,衰老的血小板和红细胞在脾脏红髓中得到处理与清除。第四,脾脏还可合成并分泌某些重要的生物活性物质,如补体、细胞因子和干扰素等。

(3)黏膜相关淋巴组织 黏膜相关淋巴组织(mucosal-associated lymphoid tissue,MALT),也称为黏膜免疫系统(mucosal immune system,MIS),主要指位于呼吸道、胃肠道及泌尿生殖道黏膜上皮、固有层以及黏膜下层弥散性淋巴组织,以及含有淋巴滤泡的半器官化淋巴组织,如扁桃体、小肠派尔集合淋巴结(Peyer patches,PP)及阑尾等,主要包括肠相关淋巴组织、鼻相关淋巴组织、支气管相关淋巴组织等。该系统针对经黏膜侵入机体的病原微生物产生免疫应答,是黏膜局部免疫应答发生的主要部位,是人体重要的防御屏障。

肠相关淋巴组织(gut-associated lymphoid tissue,GALT)的研究比较深入。在胃肠道黏膜,大量淋巴细胞集中在上皮层、固有层和半器官化的派尔集合淋巴结三个区域。在上皮层的淋巴细胞称为上皮细胞内淋巴细胞(intraepithelial lymphocyte,IEL),主要是T细胞。人类IEL中的T细胞主要表达CD8分子,90%表达αβTCR,10%表达γδTCR,小鼠IEL则有50%表达γδTCR。γδT细胞对抗原的识别为有限多样性,即有限的抗原特异性。γδT细胞属于固有免疫细胞,具有较强细胞毒作用,并能分泌多种细胞因子。IEL在免疫监视和细胞介导的黏膜免疫中发挥重要作用。黏膜固有层含有大量的CD4+T细胞,并有活化标志,这提示在肠系膜淋巴结内活化的T细胞又返回到了黏膜固有层。黏膜固有层还含有大量活化的B细胞(浆细胞)和Mφ、DC、嗜酸性粒细胞和肥大细胞。派尔集合淋巴结属小肠黏膜淋巴滤泡组织,中心区域为B细胞聚集区,形成淋巴滤泡,伴有生发中心。派尔集合淋巴结处的肠上皮组织称为滤泡相关上皮(follicle-associated epithelium,FAE),其中某些肠上皮细胞特化成抗原转运细胞,称为皱褶细胞(microfold cell,M 细胞)。M 细胞肠腔侧无微绒毛,不能分泌消化酶和黏液,容易与小肠腔内的微生物等抗原接触,另一侧向胞内凹陷形成口袋,内有Mφ和DC等。M 细胞可摄取肠腔内的抗原性异物,并转运给口袋内的Mφ或DC,后者携带抗原信息进入派尔集合淋巴结激活T细胞、B细胞,启动肠道黏膜免疫应答。激活的T细胞、B细胞也可进入肠系膜淋巴结并最终进入血液循环。因此,GALT不仅参与肠道局部免疫,而且与全身免疫系统密切相关(图1-6)。

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图1-6 小肠黏膜免疫

鼻相关淋巴组织(nasal-associated lymphoid tissue,NALT)由咽、腭、舌等处的扁桃体和鼻后部的淋巴组织组成,主要抵御通过空气传播的病原微生物的感染。抗原经NALT到达淋巴小结,刺激B细胞增殖,形成生发中心。

支气管相关淋巴组织(bronchus-associated lymphoid tissue,BALT)分布于支气管上皮下,具有与派尔集合淋巴结类似的结构。滤泡中的B细胞接受抗原刺激后增殖,形成生发中心。

黏膜是机体的重要屏障结构,也是病原体等抗原异物入侵机体的主要途径,机体近50%的淋巴组织分布于黏膜系统,故MALT构成了人体重要的防御屏障,在黏膜局部抗感染免疫防御中发挥重要作用。表达Ig A的B细胞可趋向定居于派尔集合淋巴结和肠黏膜固有层淋巴组织,派尔集合淋巴结内的Th2细胞分泌大量的IL-5促进B细胞分化并产生Ig A,经黏膜上皮细胞分泌至肠黏膜表面形成sIg A,成为肠道局部黏膜免疫的主要效应分子,抵御病原微生物的入侵。

皮肤相关淋巴组织(cutaneous-associated lymphoid tissue,CALT/skin-associated lymphoid tissue,SALT)包括角质形成细胞、朗格汉斯细胞、表皮内T 细胞、血管内皮细胞和皮肤引流淋巴结。CALT/SALT与真皮DC、肥大细胞、细胞因子、趋化因子和抗体等共同构成了皮肤免疫系统(skin immune system,SIS)。

皮肤的外层主要由角质细胞构成,可分泌诱导局部炎症反应的细胞因子。角质细胞还可被诱导表达MHCⅡ类分子,作为抗原提呈细胞发挥作用。分散在表皮中的上皮细胞基质中的朗格汉斯细胞是一种树突状细胞,通过吞噬作用和内吞作用内化抗原,然后从表皮迁移到局部淋巴结,分化为并指状树突状细胞。此类细胞高表达MHCⅡ类分子,是初始Th细胞的有效激活剂。

表皮内含有表皮内T细胞,与MALT中的上皮淋巴细胞类似,主要是表达γδT细胞受体的CD8+T细胞,能识别的抗原种类有限。真皮下包含有分散的CD4+、CD8+T细胞和Mφ,这些T细胞中的大多数是之前的活化细胞或记忆细胞。

(二)免疫细胞

参与免疫应答或与免疫应答有关的细胞及其前体统称为免疫细胞,是免疫系统的功能单元,包括各类血细胞和少数非血源性细胞(如内皮细胞、上皮细胞)等。绝大多数免疫细胞由骨髓HSC分化而来,HSC在骨髓造血微环境影响下,分化为定向干细胞,包括淋巴样干细胞(lymphoid stem cell)和髓样干细胞(myeloid stem cell)。淋巴样干细胞最终分化为T细胞、B细胞、淋巴系树突状细胞、NK 细胞和其他固有淋巴样细胞(innate lymphoid cell,ILC)等。髓样干细胞最终分化为中性粒细胞、嗜酸性粒细胞、嗜碱性粒细胞、肥大细胞、单核/巨噬细胞、髓系树突状细胞、红细胞和血小板等。

根据功能免疫细胞可分为固有免疫细胞和适应性免疫细胞。固有免疫细胞包括单核/巨噬细胞、DC、NK细胞和其他ILC、中性粒细胞、嗜酸性粒细胞、嗜碱性粒细胞、肥大细胞、NK T细胞、γδT细胞、B1细胞和边缘区B细胞等。适应性免疫细胞包括αβT细胞与B2细胞。其中能够向T 细胞提呈抗原的细胞被称为抗原提呈细胞(antigen-presenting cell,APC),主要包括DC、单核/巨噬细胞与B细胞(图1-7)。

1.固有免疫细胞 固有免疫细胞不表达特异性抗原识别受体,主要通过模式识别受体(pattern recognition receptor,PRR)或有限多样性的抗原识别受体对病原体、受感染细胞、肿瘤细胞,以及衰老损伤细胞来源的特定分子模式(如病原相关模式分子,pathogen associated molecular pattern,PAMP)进行模式识别并启动应答。固有免疫细胞还参与适应性免疫应答的启动和效应过程,如某些固有免疫细胞作为抗原提呈细胞,参与激活和调节适应性免疫应答。

(1)树突状细胞(dendritic cell,DC) 是体内最重要的APC,为目前所知功能最强的APC。负责对抗原的摄取、加工、处理,并将抗原信息提呈给T细胞,启动抗原特异性T细胞免疫应答。DC具有六大生物学功能:抗原提呈;激活初始T 细胞;参与T 细胞分化、发育;诱导免疫耐受;参与免疫调节;参与B细胞发育、分化和激活。

(2)单核/巨噬细胞 是同一发育谱系细胞的两个不同发育阶段的合称,也称为单核吞噬细胞系统(mononuclear phagocyte system,MPS),包括骨髓前单核细胞(pre-monocyte)、血液循环中的单核细胞(monocyte,Mon)和各组织器官内的Mφ。单核细胞和巨噬细胞的功能包括吞噬、抗感染、抗肿瘤、免疫应答和免疫调节等。

(3)自然杀伤细胞(natural killer cell,NK) 来源于骨髓淋巴样定向干细胞,不表达特异性抗原识别受体TCR或BCR,但可表达一系列与其活化和抑制相关的调节性受体,并通过此类受体识别“自己”与“非己”成分,选择性地杀伤病毒感染靶细胞和肿瘤细胞。NK 细胞具有直接杀伤靶细胞的效应,其杀伤作用无须预先致敏,表现为一种速发效应。另外,其以“丧失自我”识别模式识别病毒感染和突变细胞,杀伤靶细胞无MHC限制性。NK细胞是抗感染和抗肿瘤免疫的第一道天然防线。

(4)固有样淋巴细胞(innate-like lymphocyte,ILL) 来源于骨髓淋巴样定向干细胞,存在于机体某些特殊部位,主要包括NK T细胞、γδT细胞和B1细胞,其表面受体TCR或BCR表现为有限多样性抗原识别受体,可直接识别靶细胞或病原体表面某些共有特定分子,通过释放细胞毒性介质裂解、破坏靶细胞,或通过合成和分泌IgM 发挥早期抗感染免疫作用。固有样淋巴细胞严格来讲是适应性免疫系统的组分,但是它们的功能更接近于固有免疫细胞。

(5)固有淋巴样细胞(innate lymphoid cell,ILC) 固有淋巴样细胞没有特异性的表面标志,但是可以表达如IL-7Rα等淋巴样前体标志。ILC包括三类:第一类以NK细胞和ILC1为代表,能够产生IFN-γ等Th1型细胞因子;第二类以ILC2为代表,是自然辅助细胞(natural helper cell),其分化需要IL-7的帮助。在IL-25和TSLP(thymic stromal lymphopoietin)的刺激下,可以产生Th2型细胞因子;第三类ILC包括ILC3和LTi,是可以产生IL-17A和/或IL-22的细胞,它们的分化和功能依赖RORγt和IL-17Rα。淋巴样组织诱导细胞(lymphoid tissue inducer,LTi),在胚胎发育时期刺激淋巴器官的形成过程中发挥重要作用。

(6)边缘区B细胞(marginal zone B,MZB) 存在于小鼠和人脾脏白髓边缘窦以及人淋巴结生发中心边缘区的一类静息状态的B细胞亚群,属于固有样B淋巴细胞。不参与淋巴细胞再循环,可对TI-2抗原快速应答,是机体抗感染的第一道防线,也是机体内预存的天然抗体的主要来源。

(7)其他免疫相关细胞 ①中性粒细胞(neutrophil),是外周血含量最高的有核细胞,属小吞噬细胞,处于机体抵御病原体的第一线。中性粒细胞的集聚与浸润被视为急性炎症与急性坏死的一种典型的病理表现,炎症发生时,大量中性粒细胞趋化至炎症部位。②嗜酸性粒细胞(eosnophil),在抗寄生虫感染和过敏性炎症反应中有重要作用,故也被认为是一种与免疫应答关系密切的细胞。③嗜碱性粒细胞(basophil),细胞内颗粒中含肝素、组胺、血清素、前列腺素和白三烯的可代谢前体以及一系列水解酶类,释放后可引起一系列血管变化与炎症反应,与肥大细胞共同参与Ⅰ型超敏反应的发生。④肥大细胞(mast cell),与嗜碱性粒细胞生物学作用相近,具有与嗜碱性粒细胞相同的颗粒,主要分布于皮肤、呼吸道和消化道等黏膜组织,是介导Ⅰ型超敏反应的主要效应细胞。⑤红细胞(red blood cell,RBC),表达补体受体(CR),借此与抗原-抗体-C3b复合物结合,发挥免疫黏附作用,在清除循环免疫复合物、增强吞噬细胞对病原体的吞噬等方面发挥重要作用。⑥血小板(platelet),除凝血作用外,还参与免疫应答和炎症反应。血小板可黏附于受损的血管内皮细胞表面,通过释放含血清素和纤维蛋白原的颗粒,增强毛细血管通透性、激活补体并吸引白细胞。

2.适应性免疫细胞 适应性免疫细胞负责对抗原进行特异性识别和介导适应性免疫应答,主要包括T淋巴细胞和B淋巴细胞。

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图1-7 免疫细胞分化

(1)T 淋巴细胞(T lymphocyte) 全称为胸腺依赖性淋巴细胞(thymus-dependent lymphocyte),简称T细胞(T cell)。T细胞表面表达抗原识别受体——T细胞受体(T cell receptor,TCR),根据TCR不同分成αβT细胞和γδT细胞。αβT细胞为介导适应性免疫应答发生的适应性免疫细胞,γδT细胞属于固有免疫细胞。αβT细胞识别抗原具有自身MHC限制性特点,即只能识别并结合由APC加工、并由自身MHC分子提呈的抗原肽,活化后经克隆扩增,最终分化为效应T细胞。αβT细胞分为CD4+T细胞和CD8+T细胞两类。大多数CD4+T细胞功能上属于辅助性T细胞(T helper cell,Th),通过合成和分泌细胞因子,对免疫应答起辅助和调节作用。当Th活化后,可以分化为不同的功能性细胞亚群,介导不同的免疫效应。大多数CD8+T细胞功能上属于细胞毒性T细胞(cytotoxic T lymphocyte,CTL),通过细胞毒(cytotoxicity)作用特异性杀伤病毒感染细胞和体内突变的肿瘤细胞。通常把T细胞介导的免疫应答过程称为细胞免疫。

(2)B 淋巴细胞(B lymphocyte) 全称为骨髓依赖性淋巴细胞(bone marrowdependent lymphocyte)或囊依赖性淋巴细胞(bursa-dependent lymphocyte),简称B细胞(B cell),分为B1和B2两类。其中,B1细胞属于固有免疫细胞,B2细胞则为传统意义上的经典B细胞,是适应性免疫细胞,介导适应性免疫应答。B细胞表面表达的抗原识别受体称为B细胞受体(B cell receptor,BCR),实质是膜型IgD或IgM 分子,可直接识别未经APC加工处理的天然抗原表位(epitope),其抗原识别不具有MHC限制性。B细胞接受抗原激活后,经克隆扩增最终分化为浆细胞,合成并分泌抗体,在体液中发挥结合和清除抗原的作用。故B细胞介导的免疫应答通常被称为体液免疫。此外,B细胞还是重要的抗原提呈细胞,参与抗原提呈、T细胞活化。

(三)免疫分子

参与免疫应答或与免疫应答有关的分子统称为免疫分子,其种类众多,结构各异,功能多样,参与介导免疫细胞对抗原的识别、清除以及免疫细胞间相互作用和信息传递。

根据其存在形式,可分为膜型免疫分子与分泌型免疫分子。膜型免疫分子依所处部位不同又可分为细胞膜分子与细胞质内膜分子,包括抗原受体(TCR、BCR)、模式识别受体(pattern recognition receptor,PRR);提呈抗原的MHC分子;介导细胞间相互作用的黏附分子(adhesion molecule,AM)和细胞因子受体,以及与部分效应分子结合的抗体受体与补体受体等。

分泌型免疫分子主要为由B细胞产生的作为抗体的免疫球蛋白,由多种体细胞产生的补体系统血浆蛋白,各类固有免疫细胞分泌的抗微生物肽,以及被称为细胞因子的各类繁复多样的小分子信号蛋白与多肽等。各类重要的免疫分子生物学意义将在后续相应章节中详述。