Mikrobiologi (Norsk)

Ikke-spesifikk medfødt immunitet kan karakteriseres som et mangesidig forsvarssystem som er rettet mot invaderende patogener i en ikke-spesifikk måte. I dette kapittelet har vi delt de mange forsvarene som utgjør dette systemet i tre kategorier: fysiske forsvar, kjemiske forsvar og mobilforsvar. Det er imidlertid viktig å huske at disse forsvarene ikke fungerer uavhengig, og kategoriene overlapper ofte. Tabell 1 gir en oversikt over de uspesifikke forsvarene som er diskutert i dette kapitlet.

Fysisk forsvar gir kroppens mest grunnleggende form for ikke-spesifikt forsvar. De inkluderer fysiske barrierer for mikrober, slik som hud og slimhinner, samt mekaniske forsvar som fysisk fjerner mikrober og rusk fra områder av kroppen der de kan forårsake skade eller infeksjon. I tillegg gir mikrobiomet et mål på fysisk beskyttelse mot sykdom, ettersom mikrober i normal mikrobiota konkurrerer med patogener om næringsstoffer og cellulære bindingssteder som er nødvendige for å forårsake infeksjon.

Fysiske barrierer

Fysiske barrierer spiller en viktig rolle for å forhindre at mikrober når vev som er utsatt for infeksjon. På mobilnivå består barrierer av celler som er tett sammenføyde for å forhindre at inntrengere krysser gjennom til dypere vev. For eksempel har endotelcellene som strekker blodkar veldig tette celle-til-celle-kryss, og blokkerer mikrober fra å få tilgang til blodstrømmen. Cellekryss er generelt sammensatt av cellemembranproteiner som kan forbinde seg med den ekstracellulære matrisen eller med komplementære proteiner fra naboceller. Vev i forskjellige deler av kroppen har forskjellige typer cellekryss. Disse inkluderer tette kryss, desmosomer og gapkryss, som illustrert i figur 1. Invaderende mikroorganismer kan forsøke å bryte ned disse stoffene kjemisk ved å bruke enzymer som proteaser som kan forårsake strukturell skade for å skape et inngangspunkt for patogener.

Figur 1. Det er flere typer cellekryss i menneskelig vev, hvorav tre er vist her. Tette kryss knytter to tilstøtende celler sammen, forhindrer eller begrenser materialutveksling gjennom mellomrommene mellom dem. Desmosomer har mellomfibre som fungerer som skolisser, og binder to celler sammen, slik at små materialer kan passere gjennom de resulterende områdene. Gap-veikryss er kanaler mellom to celler som tillater kommunikasjon via signaler. (kreditt: modifikasjon av arbeid av Mariana Ruiz Villareal)

The Skin Barrier

Figur 2. Klikk for større bilde. Menneskelig hud har tre lag, epidermis, dermis og hypodermis, som gir en tykk barriere mellom mikrober utenfor kroppen og dypere vev. Døde hudceller på overflaten av epidermis kaster kontinuerlig, og tar med seg mikrober på hudens overflate. (kreditt: modifikasjon av arbeid av National Institutes of Health)

En av kroppens viktigste fysiske barrierer er hudbarrieren, som består av tre lag med tett pakket celler. Det tynne øvre laget kalles epidermis. Et andre, tykkere lag, kalt dermis, inneholder hårsekkene, svettekjertlene, nerver og blodkar. Et lag fettvev kalt hypodermis ligger under dermis og inneholder blod og lymfekar (figur 2).

Det øverste hudlaget, epidermis, består av celler som er pakket med keratin. Disse døde cellene forblir som et tett sammenkoblet, tett lag med proteinfylte celleskall på overflaten av huden. Keratinet gjør hudens overflate mekanisk tøff og motstandsdyktig mot nedbrytning av bakterielle enzymer.Fettsyrer på hudoverflaten skaper et tørt, salt og surt miljø som hemmer veksten av noen mikrober og er svært motstandsdyktig mot nedbrytning av bakterielle enzymer. I tillegg blir de døde cellene i epidermis ofte kastet sammen med mikrober som kan feste seg til dem. Skjulte hudceller erstattes kontinuerlig med nye celler nedenfra, og gir en ny barriere som snart vil bli kastet på samme måte.

Infeksjoner kan oppstå når hudbarrieren er kompromittert eller ødelagt. Et sår kan tjene som inngangspunkt for opportunistiske patogener, som kan infisere hudvevet som omgir såret og muligens spre seg til dypere vev.

Under de fleste forhold kan sopp ikke produsere hudinfeksjoner hos friske individer. Sopp vokser filamenter kjent som hyfer, som ikke er spesielt invasive og lett kan holdes i sjakk av de fysiske barrierer i hud og slimhinner. Imidlertid kan små sår i huden, som de som er forårsaket av torner, gi en åpning for opportunistiske patogener som Sporothrix schenkii, en sopp i jorda og det forårsakende middel til rosegartners sykdom. Når den bryter hudbarrieren, kan S. schenkii infisere huden og underliggende vev og produsere sårdannede lesjoner som Mike. Forbindelse betyr noe, andre patogener kan komme inn i det infiserte vevet og forårsake sekundære bakterieinfeksjoner.

Heldigvis kan rosegartners sykdom behandles. Mike’s lege skrev til ham en resept på noen soppdrepende medisiner samt et antibiotikakur for å bekjempe sekundære bakterieinfeksjoner. Hans lesjoner ble til slutt helbredet, og Mike kom tilbake til arbeidet med en ny takknemlighet for hansker og beskyttende klær.

Slimhinner

Slimhinnene som fôrer nese, munn, lunger , og urinveiene og fordøyelseskanalene gir en annen uspesifikk barriere mot potensielle patogener. Slimhinner består av et lag av epitelceller bundet av tette kryss. Epitelcellene skiller ut et fuktig, klebrig stoff som kalles slim, som dekker og beskytter de mer skjøre cellelagene under det og fanger rusk og partikler, inkludert mikrober. Slimutskillelser inneholder også antimikrobielle peptider.

Figur 4. Dette skanneelektronmikrografiet viser ciliated og nonciliated epitel celler fra den menneskelige luftrøret. Slimhinnen rulletrapp skyver slim fra lungene, sammen med rusk eller mikroorganismer som kan bli fanget i det klebrig slimet, og slimet beveger seg opp til spiserøret hvor det kan fjernes ved å svelge.

I mange områder av kroppen tjener mekaniske handlinger til å skylle slim (sammen med fangede eller døde mikrober) ut av kroppen eller bort fra potensielle infeksjonssteder. For eksempel i luftveiene kan innånding føre mikrober, støv, muggsporer og annet lite luftbåren avfall inn i kroppen. Dette søppel blir fanget i slimhinnen i luftveiene, et lag kjent som slimhinneteppet. Epitelcellene langs de øvre delene av luftveiene kalles ciliated epitelceller fordi de har hårlignende vedheng kjent som cilia. Bevegelse av flimmerhårene driver skrotbelagt slim ut og bort fra lungene. Det utviste slimet svelges og ødelegges i magen, eller hostes opp eller nyses ut (figur 4). Dette systemet for fjerning kalles ofte den mucociliary escalator.

The mucociliary escalator er en så effektiv barriere mot mikrober at lungene, den nederste (og mest følsomme) delen av luftveiene, lenge ble ansett å være et sterilt miljø hos sunne individer. Bare nylig har forskning antydet at sunne lunger kan ha en liten normal mikrobiota.Forstyrrelse av slimhinnen fra de røykende skadevirkningene eller sykdommer som cystisk fibrose kan føre til økt kolonisering av bakterier i nedre luftveier og hyppige infeksjoner, noe som fremhever viktigheten av denne fysiske barrieren for vertsforsvar.

I likhet med luftveiene er fordøyelseskanalen en inngangsportal der mikrober kommer inn i kroppen, og slimhinnene i fordøyelseskanalen gir en ikke-spesifikk fysisk barriere mot inntatt mikrober. Tarmkanalen er foret med epitelceller, ispedd slim-utskillende begerceller (figur 5). Dette slimet blandes med materiale som er mottatt fra magen, som fanger matbårne mikrober og rusk. Den mekaniske virkningen av peristaltikken, en serie av muskelsammentrekninger i fordøyelseskanalen, beveger sløvet slim og annet materiale gjennom tarmene, endetarmen og anus, og utskiller materialet i avføring.

Figur 5. Pokaler produserer og utskiller slim. Pilene i dette mikrofotografiet peker mot slimutskillende begerceller (forstørrelse 1600⨯) i tarmepitelet. (kredittmikrografi: Mikrografi levert av Regents of University of Michigan Medical School © 2012)

Endothelia

Epitelcellene i urogenitalkanalen, blodkar, lymfekar , og visse andre vev er kjent som endotelia. Disse tettpakket cellene gir en spesielt effektiv frontlinjesperre mot inntrengere. Endotelene i blod-hjerne-barrieren beskytter for eksempel sentralnervesystemet (CNS), som består av hjernen og ryggmargen. CNS er et av de mest følsomme og viktige områdene i kroppen, da mikrobiell infeksjon i CNS raskt kan føre til alvorlig og ofte dødelig betennelse. Cellekryssene i blodkarene som går gjennom CNS er noen av de tetteste og tøffeste i kroppen, og forhindrer at forbigående mikrober i blodet kommer inn i CNS. Dette holder cerebrospinalvæsken som omgir og bader hjernen og ryggmargen steril under normale forhold.

Mekaniske forsvar

I tillegg til fysiske barrierer som holder mikrober ute, er kroppen har en rekke mekaniske forsvar som fysisk fjerner patogener fra kroppen, og hindrer dem i å ta bolig. Vi har allerede diskutert flere eksempler på mekanisk forsvar, inkludert utstøting av hudceller, utvisning av slim via slimhinnen, og utskillelse av avføring gjennom tarmperistaltikk. Andre viktige eksempler på mekanisk forsvar inkluderer spyling av urin og tårer, som begge tjener til å føre mikrober vekk fra kroppen. Spyling av urin er i stor grad ansvarlig for det normalt sterile miljøet i urinveiene, som inkluderer nyrene, urinlederne og urinblæren. Urin som passerer ut av kroppen skyller ut forbigående mikroorganismer og hindrer dem i å ta bolig. Øynene har også fysiske barrierer og mekaniske mekanismer for å forhindre infeksjoner. Øyevippene og øyelokkene hindrer støv og luftbårne mikroorganismer i å komme seg opp til øyets overflate. Eventuelle mikrober eller rusk som kommer forbi disse fysiske barrierer kan skylles ut av den mekaniske virkningen av å blinke, som bader øynene i tårer og vasker rusk bort (figur 6).

Figur 6. Tårene skyller mikrober vekk fra overflaten av øyet. Urin vasker mikrober ut av urinveiene når den passerer gjennom; som et resultat er urinsystemet normalt sterilt.

Mikrobiom

I forskjellige regioner i kroppen fungerer bosatt mikrobiota som et viktig førstelinjeforsvar mot invaderende patogener. Gjennom okkupasjonen av cellulære bindingssteder og konkurranse om tilgjengelige næringsstoffer forhindrer den bosatte mikrobiota de kritiske tidlige trinnene for patogenfesting og spredning som kreves for å etablere en infeksjon. For eksempel i skjeden konkurrerer medlemmer av den mikrobiota som er bosatt med opportunistiske patogener som gjæren Candida. Denne konkurransen forhindrer infeksjoner ved å begrense tilgjengeligheten av næringsstoffer, og dermed hemme veksten av Candida, og holde befolkningen i sjakk. Lignende konkurranser forekommer mellom mikrobiota og potensielle patogener på huden, i øvre luftveier og i mage-tarmkanalen. Som det vil bli diskutert senere i dette kapittelet, bidrar den beboende mikrobiota også til det kjemiske forsvaret av det medfødte ikke-spesifikke vertsforsvaret.

Betydningen av den normale mikrobiotaen i vertsforsvaret blir fremhevet av den økte følsomheten for smittsomme sykdommer når mikrobiota forstyrres eller elimineres. Behandling med antibiotika kan redusere den normale mikrobiota i mage-tarmkanalen betydelig, noe som gir en fordel for patogene bakterier å kolonisere og forårsake diaréinfeksjon. I tilfelle diaré forårsaket av Clostridium difficile, kan infeksjonen være alvorlig og potensielt dødelig. En strategi for behandling av C. difficile-infeksjoner er fekal transplantasjon, som innebærer overføring av fekalt materiale fra en donor (screenet for potensielle patogener) til tarmene til mottakerpasienten som en metode for å gjenopprette normal mikrobiota og bekjempe C. difficile-infeksjoner.

Tabell 2 gir et sammendrag av det fysiske forsvaret som er diskutert i denne delen.