身體的守護者-免疫生物學介紹 I



這一週來,板主深受感冒侵襲之苦,也因為如此除了發文量減少外,特別對於身體如何抵禦外來病菌的入侵有感受,因此藉著這個機會稍微向大家介紹一下這一、二十年來新興的一門科學-免疫生物學-裡面的一些簡單概念,希望讓大家對於身體的免疫系統都有更進一步的瞭解。今天我們先介紹免疫學的基本概念,接著再向大家介紹免疫系統的組成成分,日後有機會再繼續為大家說明免疫細胞們是如何將他所遇到的病原呈獻給身體的免疫系統進行認知、清除與記憶的動作。




免疫生物學(Immunobiology)是一門比較新的科學,其起源歸功於 Edward Jenner(圖 1)


圖1. 透過接種牛痘而預防天花的 Edward Jenner(Source: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?rid=imm.figgrp.36


他在 1796 年發現接種牛痘(cowpox 或 vaccinia)的人可以對於天花這種在當時讓群醫束手無策的疾病產生不被感染的狀況,同時使人體受到保護,因此 Jenner 將這個過程稱為疫苗接種(vaccination)。如今這個名詞已經變成我們耳熟能詳的詞語,他意味著透過將弱感染性的病毒,或是經過減低毒性處理後的病毒引進生物體而使該生物體對致病的疾病產生自我保護的能力。當然,Jenner 的大膽嘗試終於獲得成功,而使日後天花疫苗接種變得非常普及,促成了世界衛生組織(WHO)在 1979 年宣布天花完全被根除(圖2),無可厚非地成為近代醫學史上最偉大的成就。


圖2. WHO 於 1979 年宣布天花完全自地球上根除(Source: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?rid=imm.figgrp.37


其實當年 Jenner 提出疫苗接種時並沒有所謂「病原體」或「免疫學」的相關知識,一直到了 19 世紀才由 Robert Koch 證實一般的傳染病(infectious disease)均是由微生物(microorganisms)所引起,每一種反應引起一種特定的疾病(稱為病理學,Pathology)。

當然,現在我們將致病的微生物或病原體(pathogen)區分為四大類:
1. 病毒(virus);
2. 細菌(bacteria);
3. 病原性真菌(fungi);
4.寄生蟲(parasites)。


圖3. 四種病原體(pathogen):圖 A 為 B 型肝炎病毒;圖 B 為大腸桿菌(Escherichia coli);圖 C 為 Penicillium fungus(真菌);圖 D 為線蟲


進一步的,諸如 Koch 及其他偉大的 19 世紀微生物學家發現,若是將刺激 Jenner 的疫苗策略延伸至其他疾病,是否也有相同的功效?

在 1880 年時,Louis Pasteur 就發現了一種疫苗可以使雞隻抵抗霍亂(cholera),並研究出狂犬病疫苗,後來將這個試驗用於被狗咬傷而得狂犬病的一名小孩即獲得成功。這些種種試驗的成功促使大家開始思考與研究身體保護的機制到底為何?重要的事也促進了免疫學的未來發展。

當在 1890 年,Emil von Behring 以及北里柴三郎(Shibasaburo Kitasato)發現免疫個體血清中含有一種特定的物質可以只對相關的病原體產生一種特定的反應,「抗體」這一名詞即被創造出來。



圖4. 四位偉大的免疫學家:A. Robert Koch ; B. Louis Pasteur ; C. Emil von Behring ; D. 北里柴三郎


對特定病原體產生抗體的免疫反應(immune response),就是一種「適應性免疫反應(adaptive immune response)」,因為發生在個體仍然存活的時期,感覺就好像我們對於病原體的感染產生了 "適應" 一樣。其實在許多場合中,適應性免疫反應對再次感染同一種病原體時提供了永久性的保護性免疫(protective immunity),這種反應與 Behring 以及北里柴三郎發現抗體的同時,由蘇聯免疫學家 Elie Metchnikoff 所發現的先天性免疫反應(innate immunity)是有所區別地。



圖5. Elie Metchnikoff


當時 Metchnikoff 發現許多的微生物會被身體內的一種吞噬性細胞(phagocytic cells),又稱為「巨噬細胞」(macrophages)所吞食並分解,讓人感到驚奇的是,這些細胞竟然不需要事先對於這些病原體進行確認的動作即可立即與廣泛的病原體發生對抗與戰鬥。由於其在正常的生物個體內也會進行相同的動作,因此就被稱為 "先天性免疫"。相反的,抗體的產生只發生在我們感染一般病原體(如有些人感冒之後短時間內不會再感染相同的感冒病毒)或是特殊的病毒(例如感染了 AIDS 病毒),換句話說這也意味著該生物體曾經暴露在這個病原體之下。



圖6. 巨噬細胞(箭頭標示處)。圖片來源:http://altmed.creighton.edu/pelvic2/images/monocyte.jpg


的確,經過科學家們的努力研究之後,很快的就清楚地知道許多物質均可誘導產生特定抗體。這些物質稱為抗原(antigens),因為抗原可以刺激產生抗體。然而我可以發現並非所有的適應性免疫反應均可以產生抗體。而抗原這個名詞現在也被廣泛地用於描述可以被適應性免疫反應系統辨識的任何物質(如特殊的巨醣分子、寡醣分子、蛋白質或是短胜肽)。

先天性免疫主要包含「顆粒細胞」(granulocyte)及巨噬細胞。顆粒細胞又稱為「多形核白血球」(polymorphonuclear leukocyte),是各種白血球中的一種,經過染色後有明顯的顆粒是其主要特徵;例如屬於巨噬細胞的「嗜中性球」(neutrophil)就是其中之一。



圖7. 在血液中的嗜中性球(Neutrophil)、淋巴細胞(Lymphocyte)以及血小板(Platelet)。圖片來源:http://www.sacs.ucsf.edu/home/cooper/blood97/neutrophil.jpg


而適應性免疫反應依賴「淋巴細胞」(lymphocyte),其提供經曝露在疾病或疫苗接種後可以產生與生命等長的免疫力。

總之無論是先天性免疫或是適應性免疫系統,他們一起提供了我們生物體最顯著且有效的防禦系統,雖然環境中仍潛伏許多病原性微生物,但我們仍然只因少數病原體而生病。在我們成長的過長當中有許多感染疾病已經因為先天性免疫系統的存在而成功的被控制,因此對我們來說並不會引發疾病。至於其他無法藉由先天性免疫所解決的病原體,則可透過引發適應性免疫反應而加以成功地克服,然後最終發展成為免疫學記憶。

事實上,大部分適應性免疫系統可有效地消滅入侵微生物的作用細胞都是依賴抗原專一性的認識作用以活化作用機制,它也被使用在宿主的先天性防衛上。因此透過對於免疫系統的細胞及其組織分化、循環或遷移途徑的瞭解可以讓我們對免疫學有更成熟的認知。


原始資料出處:C. A. Janeway, P. Travers, M. Walport, M. Shlomchik, Immunobiology, 5/e, 2001