Mikrobiologia (Suomi)

Epäspesifistä luontaista immuniteettia voidaan luonnehtia monipuoliseksi suojajärjestelmäksi, joka kohdistaa hyökkäävät patogeenit epäspesifisessä tavalla. Tässä luvussa olemme jakaneet lukuisat puolustukset, jotka muodostavat tämän järjestelmän, kolmeen ryhmään: fyysiset puolustukset, kemialliset puolustukset ja solujen puolustukset. On kuitenkin tärkeää pitää mielessä, että nämä puolustukset eivät toimi itsenäisesti, ja kategoriat ovat usein päällekkäisiä. Taulukossa 1 on yleiskatsaus tässä luvussa käsitellyistä epäspesifisistä puolustuksista.

Fyysinen puolustuskyky tarjoaa kehon epäspesifisen puolustuksen perusmuodon. Ne sisältävät mikrobien, kuten ihon ja limakalvojen, fyysiset esteet sekä mekaanisen puolustuksen, joka poistaa fyysisesti mikrobit ja roskat kehon alueilta, joilla ne voivat aiheuttaa haittaa tai infektioita. Lisäksi mikrobiomi tarjoaa fyysisen suojan tauteja vastaan, koska normaalin mikrobin mikrobit kilpailevat taudinaiheuttajien kanssa ravinteista ja solujen sitoutumiskohdista, jotka ovat välttämättömiä infektion aiheuttamiseksi.

Fyysiset esteet

Fyysisillä esteillä on tärkeä rooli estettäessä mikrobeja pääsemästä infektioille alttiisiin kudoksiin. Solutasolla esteet koostuvat soluista, jotka on liitetty tiukasti estämään hyökkääjiä kulkemasta syvempään kudokseen. Esimerkiksi verisuonia ympäröivillä endoteelisoluilla on erittäin tiukat solujen väliset liitokset, jotka estävät mikrobeja pääsemästä verenkiertoon. Soluliitokset koostuvat yleensä solukalvoproteiineista, jotka voivat liittyä solunulkoiseen matriisiin tai naapurisolujen komplementaarisiin proteiineihin. Kehon eri osissa olevilla kudoksilla on erityyppisiä solujen liitoksia. Näitä ovat tiukat liitoskohdat, desmosomit ja aukkoyhteydet, kuten kuvassa 1 on esitetty. Tunkeutuvat mikro-organismit voivat yrittää hajottaa näitä aineita kemiallisesti käyttämällä entsyymejä, kuten proteaaseja, jotka voivat aiheuttaa rakenteellisia vaurioita, jotta voidaan luoda taudinaiheuttajille pääsy.

Kuva 1. Ihmiskudoksessa on monenlaisia soluliitoksia, joista kolme on esitetty tässä. Tiukat liitokset niittaavat kaksi vierekkäistä solua yhteen estäen tai rajoittamalla materiaalinvaihtoa niiden välisten tilojen läpi. Desmosomeilla on välikuituja, jotka toimivat kuten kengännauhat, sitomalla kaksi solua yhteen, jolloin pienet materiaalit kulkevat tuloksena olevien tilojen läpi. Ristiliitännät ovat kahden solun välisiä kanavia, jotka mahdollistavat niiden viestinnän signaalien kautta. (luotto: muokkaus Mariana Ruiz Villarealin työhön)

Ihon este

Kuva 2. Napsauta saadaksesi suuremman kuvan. Ihmisen iholla on kolme kerrosta, iho, dermis ja hypodermis, jotka muodostavat paksun esteen kehon ulkopuolisten mikrobien ja syvempien kudosten välille. Epidermiksen pinnalla olevat kuolleet ihosolut irtoavat jatkuvasti ottamalla mikrobeja ihon pinnalle. (luotto: Kansallisten terveyslaitosten tekemä muutos työhön)

Yksi kehon tärkeimmistä fyysisistä esteistä on ihon este, joka koostuu kolmesta tiiviisti pakattujen solujen kerroksesta. Ohutta ylempää kerrosta kutsutaan orvaskedeksi. Toinen, paksumpi kerros, jota kutsutaan dermikseksi, sisältää karvatupet, hikirauhaset, hermot ja verisuonet. Hypodermikseksi kutsuttu rasvakudoskerros on dermiksen alla ja sisältää veri- ja imusoluja (kuva 2).

Ihon ylin kerros, orvaskesi, koostuu keratiinipakattuista soluista. Nämä kuolleet solut pysyvät tiiviisti yhdistettynä, tiheänä proteiinilla täytettyjen solun kuorikerroksena ihon pinnalla. Keratiini tekee ihon pinnasta mekaanisesti sitkeän ja vastustuskykyisen bakteerientsyymien hajoamiselle.Rasvahapot ihon pinnalle luovat kuivan, suolaisen ja happaman ympäristön, joka estää joidenkin mikrobien kasvua ja on erittäin vastustuskykyinen bakteerientsyymien hajoamiselle. Lisäksi epidermiksen kuolleet solut irtoavat usein yhdessä niiden kanssa mahdollisesti tarttuvien mikrobien kanssa. Irtoavat ihosolut korvataan jatkuvasti uusilla soluilla alhaalta, mikä tarjoaa uuden esteen, joka pian irtoaa samalla tavalla.

Infektioita voi ilmetä, kun ihoeste vaarantuu tai rikkoutuu. Haava voi toimia lähtökohtana opportunistisille patogeeneille, jotka voivat tartuttaa haavaa ympäröivän ihokudoksen ja mahdollisesti levitä syvempiin kudoksiin.

Jokaisella ruusulla on piikki

Mike, puutarhuri Etelä-Kaliforniasta, huomasi äskettäin pienen punoksen vasemmassa kyynärvarressaan. Aluksi hän ei ajatellut paljoa siitä, mutta pian se kasvoi suuremmaksi ja sitten haavautui (avautui), josta tuli tuskallinen vaurio, joka ulottui suurelle osalle kyynärvarrensa (kuva 3). Hän meni kiireelliseen hoitolaitokseen, jossa lääkäri kysyi hänen ammatistaan. Kun hän sanoi olevansa maisemanhoitaja, lääkäri epäili välittömästi sporotrichoosin tapausta, joka on eräänlainen sieni-infektio, joka tunnetaan nimellä ruusupuutarhurin tauti, koska se vaivaa usein maisemanhoitajia ja puutarhanhoitoharrastajia.

Kuva 3. Ruusupuutarhurin tauti voi ilmetä, kun Sporothrix schenkii-sieni rikkoo ihoa pienillä leikkauksilla, kuten piikkeillä. (luotto vasemmalla: työn muokkaus Elisa Selfin toimesta; hyvitysoikeus: työn muutos tautien torjunta- ja ennaltaehkäisykeskusten toimesta)

Useimmissa olosuhteissa sienet eivät voi aiheuttaa ihoinfektioita terveillä ihmisillä. Sienet kasvavat hifana tunnettuja filamentteja, jotka eivät ole erityisen invasiivisia ja jotka voidaan helposti pitää loitolla ihon ja limakalvojen fyysisten esteiden avulla. Pienet ihon haavat, kuten piikkien aiheuttamat haavat, voivat kuitenkin tarjota aukon opportunistisille patogeeneille, kuten Sporothrix schenkii, maaperässä oleva sieni ja ruusupuutarhurin taudin aiheuttaja. Kun se rikkoo ihoesteen, S. schenkii voi tartuttaa ihon ja taustalla olevat kudokset aiheuttaen haavaisia vaurioita, kuten Mike. Muita taudinaiheuttajia voi päästä tartunnan saaneeseen kudokseen aiheuttaen sekundaarisia bakteeri-infektioita.

Onneksi ruusupuutarhurin tauti on hoidettavissa. Miken lääkäri kirjoitti hänelle reseptin joillekin sienilääkkeille sekä antibioottikuurin sekundaaristen bakteeri-infektioiden torjumiseksi. Hänen vaurionsa paranivat lopulta, ja Mike palasi töihin arvostamalla käsineitä ja suojavaatteita.

limakalvot

nenän, suun, keuhkojen limakalvot ja virtsa- ja ruoansulatuskanavat tarjoavat toisen epäspesifisen esteen mahdollisia patogeenejä vastaan. Limakalvot koostuvat epiteelisolujen kerroksesta, joka on sidottu tiiviisiin liitoksiin. Epiteelisolut erittävät kosteaa, tahmeaa ainetta, jota kutsutaan limaksi, joka peittää ja suojaa sen alla olevat hauraammat solukerrokset ja vangitsee roskat ja hiukkaset, mukaan lukien mikrobit. Liman eritykset sisältävät myös antimikrobisia peptidejä.

Kuva 4. Tässä pyyhkäisyelektronimikrokuvassa näkyy sädehoitoinen ja silloittamaton epiteeli. solut ihmisen henkitorvesta. Mukosiliaarinen liukuportaat työntävät liman pois keuhkoista sekä mahdolliset roskat tai mikro-organismit, jotka saattavat jäädä tahmeaan limaan, ja limaa siirtyy ruokatorveen, josta se voidaan poistaa nielemällä.

Monilla kehon alueilla mekaaniset toimet huuhtelevat liman (yhdessä loukkuun jääneiden tai kuolleiden mikrobien kanssa) kehosta tai pois mahdollisista infektiokohdista. Esimerkiksi hengityselimissä hengittäminen voi tuoda kehoon mikrobeja, pölyä, home itiöitä ja muita pieniä ilmassa olevia roskia. Tämä roska jää loukkuun hengitysteiden limakalvoon, kerrokseen, joka tunnetaan nimellä limakalvohuopa. Hengitysteiden yläosaa reunustavia epiteelisoluja kutsutaan ripustetuiksi epiteelisoluiksi, koska niillä on hiusten kaltaisia liitoksia, jotka tunnetaan nimellä silmä. Silkkien liike ajaa roskilla täynnä olevaa limaa ulos ja pois keuhkoista. Karkotettu lima niellään ja tuhotaan mahassa tai yskitetään tai aivastetaan ulos (kuva 4). Tätä poistojärjestelmää kutsutaan usein mukosiliaariseksi liukuportaaksi.

Mukosiliaarinen liukuportaat ovat niin tehokkaita esteitä mikrobeille, että keuhkoja, hengitysteiden alinta (ja herkintä) osaa, pidettiin pitkään steriili ympäristö terveillä henkilöillä. Vasta äskettäin on tutkittu, että terveillä keuhkoilla voi olla pieni normaali mikrobiota.Mukosiliaarisen liukuportaiden häiriöt tupakoinnin tai sellaisten sairauksien kuten kystisen fibroosin vahingollisilla vaikutuksilla voivat johtaa bakteerien lisääntyneeseen kolonisaatioon alahengitysteissä ja usein infektioihin, mikä korostaa tämän fyysisen esteen merkitystä isännän puolustukselle.

Hengitysteiden tavoin ruoansulatuskanava on sisäänkäynnin portaali, jonka läpi mikrobit pääsevät elimistöön, ja ruoansulatuskanavan limakalvot tarjoavat epäspesifisen fyysisen esteen nieltyjä mikrobeja vastaan. Suolisto on vuorattu epiteelisoluilla, jotka ovat limaasi erittävien pikarisolujen välissä (kuva 5). Tämä lima sekoittuu mahasta saatuun materiaaliin, joka vangitsee ruokaa sisältäviä mikrobeja ja roskia. Ruuansulatuskanavan lihassupistusten sarja, peristaltiikan mekaaninen vaikutus, liikuttaa limaa ja muuta materiaalia suoliston, peräsuolen ja peräaukon läpi erittäen materiaalin ulosteisiin.

Kuva 5. Pikarisolut tuottavat ja erittävät limaa. Tämän mikrokuvion nuolet osoittavat suolen epiteelin limaa erittäviä pikarisoluja (suurennus 1600 ⨯). (luottomikrografi: Mikrografi, jonka tarjoaa Regents of Michigan University Medical School © 2012)

Endoteelia

Epiteelisolut, jotka reunustavat virtsa- ja verisuonia, verisuonia, imusolmukkeita ja tiettyjä muita kudoksia kutsutaan endoteeliksi. Nämä tiiviisti pakatut solut tarjoavat erityisen tehokkaan etulinjan esteen hyökkääjiä vastaan. Esimerkiksi veri-aivoesteen endoteelia suojaa keskushermostoa (CNS), joka koostuu aivoista ja selkäytimestä. Keskushermosto on yksi herkimmistä ja tärkeimmistä kehon alueista, koska keskushermoston mikrobi-infektio voi nopeasti johtaa vakavaan ja usein kuolemaan johtavaan tulehdukseen. Keskushermoston läpi kulkevien verisuonten soluliittymät ovat eräitä kehon tiukimmista ja vaikeimmista, mikä estää verenkierrossa olevia ohimeneviä mikrobeja pääsemästä keskushermostoon. Tämä pitää aivot ja selkäydin ympäröivän ja kylvävän aivo-selkäydinnesteen steriilinä normaaleissa olosuhteissa.

Mekaaniset puolustukset

Fyysisten esteiden lisäksi, jotka pitävät mikrobit poissa, keho sillä on useita mekaanisia suojaimia, jotka poistavat patogeenit kehosta estäen heitä asumasta. Olemme jo keskustelleet useista esimerkeistä mekaanisesta puolustuksesta, mukaan lukien ihosolujen irtoaminen, liman karkottaminen mukosiliaarisen liukuportaiden kautta ja ulosteiden erittyminen suoliston peristaltiikan kautta. Muita tärkeitä esimerkkejä mekaanisesta puolustuksesta ovat virtsan ja kyyneleiden huuhtelu, jotka molemmat palvelevat mikrobien kuljettamista pois kehosta. Virtsan huuhteleva vaikutus on suurelta osin vastuussa virtsateiden normaalisti steriilistä ympäristöstä, joka sisältää munuaiset, virtsajohtimet ja virtsarakon. Elimistöstä ulos virtaava virtsa pesee ohimenevät mikro-organismit estäen niitä asumasta. Silmissä on myös fyysisiä esteitä ja mekaanisia mekanismeja infektioiden estämiseksi. Ripset ja silmäluomet estävät pölyn ja ilmassa olevien mikro-organismien pääsyn silmän pinnalle. Kaikki mikrobit tai roskat, jotka pääsevät näiden fyysisten esteiden ohitse, voidaan huuhdella mekaanisella vilkkumisen vaikutuksella, joka kylpee silmän kyynelissä ja pese roskat pois (kuva 6).

Kuva 6. Kyyneleet huuhtelevat mikrobit pois silmän pinnasta. Virtsa pesee mikrobit virtsateistä, kun se kulkee; seurauksena virtsajärjestelmä on normaalisti steriili.

Mikrobiomi

Kehon eri alueilla asuva mikrobiota toimii tärkeänä ensilinjan suojana hyökkääviä patogeenejä vastaan. Asukas mikrobiota estää solujen sitoutumiskohdat ja kilpailee käytettävissä olevista ravintoaineista estäen taudinaiheuttajan kiinnittymisen ja lisääntymisen kriittiset varhaiset vaiheet infektion muodostamiseksi. Esimerkiksi emättimessä asuvan mikrobiotan jäsenet kilpailevat opportunististen patogeenien kanssa, kuten hiiva Candida. Tämä kilpailu estää infektioita rajoittamalla ravinteiden saatavuutta ja estäen siten Candidan kasvua pitämällä sen populaation kurissa. Vastaavia kilpailuja esiintyy mikrobiotan ja mahdollisten patogeenien välillä iholla, ylähengitysteissä ja maha-suolikanavassa. Kuten myöhemmin käsitellään tässä luvussa, asukas mikrobiota myös myötävaikuttaa synnynnäisten epäspesifisten isäntäsuojainten kemiallisiin puolustuksiin.

Normaalin mikrobiotan merkitys isäntäsuojauksessa korostuu lisääntyneellä alttiudella tartuntatauteille, kun mikrobiota hajoaa tai häviää. Antibioottihoito voi merkittävästi heikentää ruoansulatuskanavan normaalia mikrobiota, mikä tarjoaa edun patogeenisille bakteereille kolonisoimaan ja aiheuttamaan ripulitartunnan. Clostridium difficile -bakteerin aiheuttaman ripulin tapauksessa infektio voi olla vakava ja mahdollisesti tappava. Yksi strategia C. difficile -infektioiden hoidossa on ulosteensiirto, johon sisältyy ulostemateriaalin siirtäminen luovuttajalta (seulotaan mahdollisten patogeenien varalta) vastaanottajapotilaan suolistoon menetelmänä normaalin mikrobiotan palauttamiseksi ja C. difficile -infektioiden torjumiseksi.

Taulukossa 2 on yhteenveto tässä osassa käsitellyistä fyysisistä puolustuksista.