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淳心淳意

免疫系統是如何幫我們戰勝病毒和細菌的?

2020一場新冠病毒引起的疫情蔓延了整個地球,對人們的日常生活和經濟活動產生了極大的影響。僅僅半年的時間,全球已經有幾千萬人感染新冠病毒,馬來西亞、越南等地還出現了傳播速度更快的變異病毒。新冠病毒屬於一種病原體。所謂病原體,是導致人體感染疾病的微生物的統稱,包括病毒、細菌、真菌、寄生蟲等。漫長的人類歷史上,沙門氏菌、狂犬病毒、流感病毒等病原體都曾威脅到人類的生存。在14世紀的歐洲,鼠疫杆菌引起的黑死病奪走了2500萬人的性命,佔全歐洲的1/3人口,病原體如此兇殘,但人類並沒有因此滅絕,多數人都幸存了下來,而且還活得健健康康的。這是爲什麼呢?我們爲什麼還沒有死掉?

一本專門為了免疫力而寫的書,書名很有趣「我們為什麼沒有死掉」是由澳大利亞悉尼大學科學、歷史與哲學博士-伊丹本巴拉克所著,我本來想要不是這個書名,應該很少人願意啃這麼硬的書,好在他的內容科普的非常有趣,把人體整條精密的作戰系統描寫的有如一個訓練精良的部隊。而且在人類漫長的進化過程中,逐步演化出一道防線,也就是”免疫系統”,它會幫助人體抵御病原體的入侵。作者用漫遊人體免疫系統的方式,讓我們彷彿帶著顯微鏡跟著免疫系統來場戰鬥之旅。

免疫系統是如何工作的?

人類在數百萬年時間的演化進程中,與周圍的自然環境不斷進行着互動,逐漸形成了精密。高效的免疫系統阻擋外來敵人,也就是病原體對人體的入侵。

免疫系統一共有三道防線,分別是物理屏障、先天免疫系統以及適應性免疫系統

第一道防線,物理屏障

我們身處的世界裏充斥着各種病原體,公車的把手,公廁的馬桶圈,甚至空氣中都包含着很多病原体。病原体可以從任何地方侵入人體,但是絕大多數病原體都無法突破由皮膚、黏膜以及各種分泌物組成的物理屏障。首先,皮膚就是一道由多層細胞組成的物理屏障,它把病原體擋在人體之外。這樣一來,我們在洗手或者洗澡的時候,熱水洗手液和沐浴液就能將附着在皮膚上的病原體消滅,用洗手液配合科學的洗手方法。可以減少大約90%的手部細菌。其次,我們人體的呼吸道、胃腸道、尿道等器官的黏膜也可以有效的抵擋病原體的入侵。就算有些病原體進入人體,也會死於胃裏的強酸環境,或者死於腸道內其他寄生細菌的攻擊,或者直接被尿液衝走。有些病原體因爲外傷等各種因素僥幸通過物理屏障突破了第一道防線了,

第二道防線,人體的先天免疫系統。

先天免疫系統像是一套預設好的程序,它可以區分人體自身細胞与外來物質,一旦識別出病原體,就會發出危險信號,用預設的程序消滅入侵者。先天免疫系統的主力軍是免疫細胞,如果入侵,病原體是細菌,免疫細胞表面的補體蛋白分子。會快速精準的識別病原體並與之結合,確認感染位置,同時發送信號給另外兩個小夥伴,也就是吞噬細胞和自然殺傷細胞,召集他們一起來殲滅病原體。殲滅的方式是多種多樣的,比如有些酶和小的抗菌肽分子會蠶食細菌的外膜,某些蛋白質會吸附在細菌表面穿孔,破壞細菌細胞

會粘附在細菌表面,並將其標記出來,再召集吞噬細胞來吞噬掉細菌。如果入侵病原體是病毒,病毒會入侵人體細胞內部,這樣就能避免免疫系統的識別和攻擊的嘛。也就是,一旦細胞遭受病毒的感染,無法自我修復,它會選擇自殺,並釋放出危險信號通知免疫系統,這樣尚未被感染的細胞會提高警惕。防止被病毒感染。你可以想象有一羣細胞犧牲了,就會給其他細胞送上小心病毒的警告信號,這都是人體先天免疫系統賦予細胞的使命。物理屏障和先天免疫系統兩道防線,可以消滅絕大多數病原體,但是病原體也在不斷進化,入侵策略變得越來越多樣化,越來越狡猾,比如有些病原體帶有。

免疫系統擾亂人體細胞間的交流信號,這時候先天免疫系統應付不過來,適應性免疫系統就要登場了。

第三道防線,適應性免疫系統,也是最後一道防線。

適應性免疫系統只針對特定病原體,這類病原體叫做抗原。有一種專門的抗原呈遞細胞會把抗原送回系統進行分析,你也可以把適應性免疫系統想象爲一支部隊,他們要抵御病原體大軍入侵,抗原呈遞細胞是前線的小兵。他抓回來一個俘虜審查,這個俘虜就是抗原。當部隊從俘虜這裏了解的情報,就能排兵布陣,對病原體大軍進行精準打擊。

與快速還擊的先天免疫系統相比,適應性免疫系統更爲沉着冷靜,他需要對多個渠道獲得的完整狀態,保證在合適的時間啓動免疫應答,避免小題大做去應對簡單的感染。因此,適應性免疫系統需要時間反應相對更慢。適應性免疫系統的軍營裏有兩個精銳部隊,是兩種類型的白細胞,B細胞和T細胞,統稱爲淋巴細胞。它們主要分布在淋巴組織和淋巴器官裏。這兩種細胞都是高度特異的,也就是說,每一個T細胞或B細胞的細胞膜表面都有獨特的受體分子來專門識別某種抗原,並與之匹配結合,進而調動免疫系統消滅病原體。那這兩種細胞有什麼不同呢?

我們先來了解一下T細胞。T細胞在日常中一般處於尚未完全成熟的初始狀態,當抗原呈遞細胞,將抗原交給T細胞初始細胞會針對抗原轉化成不同類型的成熟T細胞,有的負責定位,有的負責攻擊,有的負責調控殺傷過程以避免失控,有的負責記錄病原體特徵,爲下次感染做好準備。

再來了解一下B細胞,B細胞不會跟病原體近距離搏鬥,而是產生大量叫做抗體的大分子蛋白抗體,被分泌到血液或者受感染的組織。當抗體遇到特定的抗原,便會迅速結合,阻斷它們的活性,並最終消滅他們。另外,抗體還有一個更重要的功能,就是在病原體上留下標記,以便先天免疫系統來消滅他們。當與病原體的戰鬥結束之後,T細胞和B細胞會啓動程序性的自殺,只留下對病原體具有識別作用的記憶細胞當病原體

細胞將快速調用免疫系統進行高效防控。比如常見的流感,人們在患病之後,由於人體內留下了具有識別作用的記憶細胞,下次再面對同樣的流感病毒入侵,身體的免疫系統會快速響應,將病毒消滅。

免疫系統不僅可以實現對入侵病原體的防控識別和精準打擊,還能夠合理調整殺傷力度,那麼如此智能的一套系統。是如何誕生的呢?

從一個人還是受精卵的那一刻起,免疫系統就開始緩慢的發育。隨着胎兒的發育,胸腺,脾臟,淋巴結等免疫器官中的部分細胞逐步轉化成爲免疫細胞,形成一套復雜而精密的防禦系統。嬰兒出生後接觸到外界環境中的各種病原體,接種疫苗等,一旦與免疫系統對戰過,都會在體內留下對病原體具有識別作用的記憶細胞,從而使得免疫系統越來越強大。

現在我們了解到免疫系統是如何工作的,精準識別病原體是免疫系統的關鍵。通過物理屏障和先天免疫系統,人體可以有效消滅絕大多數病原體。

對於一些狡猾的或者未知的病原體,人體還演化出了復雜的適應性免疫系統。隨時應對新型病原體的入侵,如此復雜精細的系統會不會有出錯的時候呢?如果出錯了會怎樣呢?

一旦免疫系統出現差錯將會引發哪些病症?

第一類病症是免疫缺陷疾病,

當免疫功能出現缺陷,某個環節缺失或者不正常工作了,人體就會出現免疫缺陷。可能是由於基因突變,也可能由環境因素引起。一旦患有免疫缺陷疾病,人體對外界病原體的抵抗能力將急劇下降,會導致反復感染或嚴重的感染性疾病。最典型的例子就是艾滋病,艾滋病的全稱是獲得性免疫缺陷綜合症,由HIV病毒引起,是一種危害性極大的免疫缺陷疾病。

HIV病毒能夠攻擊人體內的T細胞,並大量破壞T細胞,使人體免疫功能喪失,從而引發其他的感染。

第二類病症是炎症

我們在日常生活中經常會遇到炎症,比如做菜切到手,菜刀上的細菌趁虛而入,如果不及時消毒,傷口感染會感到疼痛,還會發紅發熱,這就是炎症反應。之所以有這些症狀,是因爲當身體受到感染時,免疫系統召集的白細胞和抗菌物質到達感染位置,引起附近的血液和淋巴液,加速流動。炎症反應是正常免疫反應的一部分,免疫系統根據病原體的危險程度做出反應。並且威脅越大,免疫反應越強。隨着免疫過程的結束,炎症反應會自然消退。

然而,炎症是把雙刃劍,在有些情況下,炎症有着潛在的危害。在大腦等特殊部位或器官發生的炎症可能造成嚴重的後果。比如:大腦炎症會壓迫中樞神經系統;如果聲帶出現炎症,可能阻塞喉部心肌炎會影響到心臟的功能,這個時候就需要使用抗炎症藥物來抑制炎症反應。

第三類是戰鬥力爆表的過敏症

有些人對花粉過敏,每到春天容易呼吸困難,有些人對海鮮過敏,吃了海鮮後皮膚上出現紅色斑點,這都是過敏症。過敏症是由於人體免疫系統對外來物質,過度反應。

過敏症狀,正常情況下,免疫系統是能分清敵我的,但現在有些小朋友特別容易過敏,往往是因爲生活的環境過於乾淨,或者濫用抗生素,破壞了身體裏正常的菌羣比例,讓免疫系統過度敏感,所以適當接觸無害的微生物可以防止形成過敏體質。如果已經形成了過敏體質,那就需要盡量避免接觸過敏物質。

第四類是自體免疫疾病

免疫系統失控而攻擊人體組織,理論上,免疫系統可以對任何東西發起攻擊,因此,他就有可能攻擊身體內的正常分子和細胞。當然,人體內也有一種機制,避免免疫系統攻擊自身,但是他一旦出錯,人體就會患上自體免疫疾病。如果免疫系統攻擊的是胰腺中分泌胰島素的細胞,人體就會患上第一型糖尿病。如果是其他的細胞,人體就可能患上類風溼性關節炎、紅斑狼瘡、自體免疫性肝炎、重症肌無力症等等。免疫系統是一個精妙復雜的體系,幫助人體應對外界病原體的侵害。但是免疫系統一旦出錯,也會引發很多復雜的問題。科學家們不斷的探索人體免疫的機制,希望通過控制免疫系統。

歷史上人們如何利用免疫系統來應對疾病

隨着基因組學、蛋白組學等學科的發展,人類對於免疫系統的認知越來越深刻,能夠更好地利用免疫學來干預和治療疾病。

第一個接種疫苗,刺激人體產生抗體,預防疾病

類最早利用的疫苗是天花,天花曾經困擾人類,長達數千年之久,人們慢慢觀察到,曾經罹患過天花的人就不會再得了。不同地方、不同時代的人都曾想到過進行人痘接種,也就是從天花患者身上的膿包裏取一點出來,接種到健康人的皮膚下。雖然接種者接下來會表現出輕微的疾病症狀,但從此以後就不會再得天花了。

人痘接種法從土耳其傳到英國,並且對抵御天花相當有效,人們逐漸接受了人痘接種法。但是,人痘接種比較痛苦,安全性也比較低。此時,英國醫生詹納發現,得過牛痘的擠奶女工不會染上天花病。他從中受到啓發,發明了安全有效的牛痘接種法,也就是用牛痘膿胞給健康人接種,和人痘接種相比。這種方法極少引起水泡,不會在被接種者身上留下麻點。

19世紀末,法國微生物學家巴斯德提出可以給人體注射弱化的病毒,讓免疫系統產生抗體,從此人類開始利用疫苗來預防疾病。那麼,利用疫苗預防疾病的原理又是什麼呢?在前面講,適應性免疫系統部分,我們了解到適應性免疫系統,遇到病原體會做出適當的反應,並且留下記憶細胞。當病原體再次入侵的時候,免疫系統就可以更快速高效地應對。疫苗就是利用這種機制。將改造後的病原體注入體內,利用免疫系統的記憶效應預防病原體入侵。

疫苗有許多類型,最常見最好用的兩種類型是活的弱化病毒和滅活的病毒。它們的毒性不至於引發疾病,但可以激活人體的免疫系統,讓他們產生免疫並留下記憶細胞,當人體遇到同種病毒,便可快速響應,擊退病毒。

第二個是體外制備抗體

還記得適應性免疫系統中的B細胞嗎?B細胞被抗原激活後。將會分泌大量針對某種抗原的抗體,抗體分子是高度專一的,只跟特定的抗原結合。所謂體外制備抗體,就是利用基因技術人工合成抗體成分,而不是由人體的免疫系統直接產生。英國生物化學家塞薩米爾斯坦就發明了單克隆抗體技術,他們將感染後產生抗體的脾臟細胞和可以無限增殖的骨髓瘤細胞結合,形成雜合體。這種雜合體可以在實驗室條件下無限繁殖,並產生某一類型的抗體。

利用這項抗體技術,科學家就可以使用不同的抗原快速、高效的制備不同的抗體,比如用蛇毒少量多次注射動物後動物體內。會產生蛇毒抗體,將蛇毒抗體提純,可以用來給人體消解蛇毒。

第三個是癌症治療中的免疫療法

癌症的特點是癌細胞在身體裏瘋狂繁殖,導致部分組織功能受損,破壞了身體的正常功能。如何治療癌症一直是個棘手的問題,因爲癌細胞跟身體其他細胞的。

手術和疫苗對癌症無能爲力,單純的部分器官發生癌變,可以通過外科手術進行切除,但是癌細胞一旦擴散,治療將面臨巨大的挑戰,只能通過放射療法,化學療法來治療。但是這兩種方法可謂殺敵1000,自損800,在消滅癌細胞的同時,身體的正常細胞也承受巨大的傷害。對於那些不聽話的癌細胞,我們能不能讓人體的保衛隊,免疫系統的細胞去消滅它們?於是,科學家們發明了免疫治療,利用患者自身的免疫系統或者實驗室制備的免疫成分來對抗癌細胞,將癌細胞當作入侵病原體消滅掉。

目前免疫療法的臨床應用主要有三種:

第一,強化人體有的免疫功能

因爲人體有相應的抑制功能,如果免疫系統對抗癌細胞的活力不夠強,科學家可以定向對一些免疫功能鬆綁,解除一些抑制功能,讓免疫系統在與癌細胞的抗爭中全力以赴。患者可以通過服用免疫增強劑來強化免疫系統。

第二,過繼性T細胞免疫療法

是指從患者體內取出有抗癌能力的體細胞,在體外進行增值,複製出數百萬克隆T細胞,然後再注射回患者體內。

第三,CAR-T療法

首先把患者的免疫細胞抽出體外,然後用基因工程的方法把能夠識別癌細胞的瞄準器,也就是一個特殊的基因加入免疫細胞,增強他們識別攻擊癌細胞的能力,CART細胞治療法是一種結合基因治療及細胞治療的免疫治療法,這是超越一般傳統的治療模式,而達到一種個人化的治療(Personalized Medicine)

這種方法目前可以對患有白血病,也就是血癌的患者進行有效治療。2012年,美國一位患有白血病的小女孩兒艾米麗接受了CAR-T療法,當時所有藥物治療都沒有明顯效果,在接受了CAR-T療法之後,他體內的癌細胞被特種部隊細胞完全消滅了。我們正在見證免疫療法走進臨床成爲一種可行的治療手段,這可能會開啓癌症治療的一個新時代,但是它仍然處於初級階段,存在一定的局限性,比如治療費用高昂,CAR-T療法的費用高達50萬美元,療法不能通用,有些藥物只適用於某類癌症的某些患者,還會引起皮疹、腹瀉等副作用。算不上是完美解決方案,同時科學家不斷在嘗試各種方式治療癌症,利用基因工程研制出的靶向藥也逐漸成爲一種有效的治療癌症的方案。

免疫系統不但能保護我們不生病,還能幫助人體治病。現在我們能回答書名的問題了,我們爲什麼還沒有死掉?是由於人體在漫長的演化過程中。逐步形成了穩定、復雜且精密的免疫系統,保證人體免受病原體的入侵。人體的免疫系統在不斷進化,病毒、細菌等病原體也在不斷演化出新的生存策略。比如讓我們措手不及的新冠病毒就是一種全新的病毒,它可以打開人體粘膜細胞的大門,在人體內爲所欲爲。人類只有不斷探索免疫的機制,才能擁有更多對付病原體的武器。

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