Mikrobiologia (Polski)

Nieswoistą wrodzoną odporność można scharakteryzować jako wielopłaszczyznowy system obronny, który jest ukierunkowany na atakujące patogeny w niespecyficznym sposób. W tym rozdziale podzieliliśmy liczne mechanizmy obronne składające się na ten system na trzy kategorie: obronę fizyczną, obronę chemiczną i obronę komórkową. Należy jednak pamiętać, że te mechanizmy obronne nie działają niezależnie, a kategorie często się pokrywają. Tabela 1 zawiera przegląd niespecyficznych zabezpieczeń omówionych w tym rozdziale.

Fizyczne mechanizmy obronne zapewniają najbardziej podstawową formę niespecyficznej obrony organizmu. Obejmują one fizyczne bariery dla drobnoustrojów, takie jak skóra i błony śluzowe, a także mechaniczną obronę, która fizycznie usuwa drobnoustroje i szczątki z obszarów ciała, z których mogą powodować uszkodzenia lub infekcje. Ponadto mikrobiom zapewnia fizyczną ochronę przed chorobami, ponieważ drobnoustroje normalnej mikroflory konkurują z patogenami o składniki odżywcze i miejsca wiązania komórek niezbędne do wywołania infekcji.

Bariery fizyczne

Bariery fizyczne odgrywają ważną rolę w zapobieganiu przedostawaniu się drobnoustrojów do tkanek podatnych na infekcję. Na poziomie komórkowym bariery składają się z komórek, które są ściśle połączone, aby uniemożliwić najeźdźcom przedostanie się do głębszych tkanek. Na przykład komórki śródbłonka, które wyściełają naczynia krwionośne, mają bardzo ścisłe połączenia komórkowe, co uniemożliwia drobnoustrojom dostęp do krwiobiegu. Połączenia komórkowe na ogół składają się z białek błony komórkowej, które mogą łączyć się z macierzą zewnątrzkomórkową lub z komplementarnymi białkami z sąsiednich komórek. Tkanki w różnych częściach ciała mają różne typy połączeń komórkowych. Obejmują one połączenia ścisłe, desmosomy i połączenia szczelinowe, jak pokazano na rysunku 1. Atakujące mikroorganizmy mogą próbować rozkładać te substancje chemicznie przy użyciu enzymów, takich jak proteazy, które mogą powodować uszkodzenie strukturalne, aby stworzyć punkt wejścia dla patogenów. >

Rysunek 1. Istnieje wiele typów połączeń komórkowych w tkance ludzkiej, z których trzy pokazano tutaj. Ciasne połączenia łączą ze sobą dwie sąsiednie komórki, zapobiegając lub ograniczając wymianę materiału w przestrzeniach między nimi. Desmosomy mają włókna pośrednie, które działają jak sznurowadła, wiążąc ze sobą dwie komórki, umożliwiając małym materiałom przejście przez powstałe przestrzenie. Połączenia szczelinowe to kanały między dwiema komórkami, które umożliwiają ich komunikację za pomocą sygnałów. (źródło: modyfikacja pracy Mariana Ruiz Villareal)

The Skin Barrier

Rysunek 2. Kliknij, aby powiększyć. Ludzka skóra składa się z trzech warstw: naskórka, skóry właściwej i tkanki podskórnej, które stanowią grubą barierę między drobnoustrojami znajdującymi się na zewnątrz ciała a tkankami głębszymi. Martwe komórki naskórka na powierzchni naskórka są nieustannie złuszczane, zabierając ze sobą mikroby na powierzchni skóry. (źródło: modyfikacja pracy National Institutes of Health)

Jedną z najważniejszych barier fizycznych organizmu jest bariera skórna, która składa się z trzech warstw ściśle upakowanych komórek. Cienka górna warstwa nazywana jest naskórkiem. Druga, grubsza warstwa, zwana skórą właściwą, zawiera mieszki włosowe, gruczoły potowe, nerwy i naczynia krwionośne. Warstwa tkanki tłuszczowej zwana tkanką podskórną znajduje się pod skórą właściwą i zawiera naczynia krwionośne i limfatyczne (ryc. 2).

Najwyższa warstwa skóry, naskórek, składa się z komórek wypełnionych keratyną. Te martwe komórki pozostają w postaci ściśle połączonej, gęstej warstwy wypełnionych białkami łusek komórkowych na powierzchni skóry. Keratyna sprawia, że powierzchnia skóry jest twarda mechanicznie i odporna na degradację przez enzymy bakteryjne.Kwasy tłuszczowe na powierzchni skóry tworzą suche, słone i kwaśne środowisko, które hamuje rozwój niektórych drobnoustrojów i jest wysoce odporne na rozkład przez enzymy bakteryjne. Ponadto często złuszczają się martwe komórki naskórka wraz z wszelkimi drobnoustrojami, które mogą do nich przylgnąć. Zrzucone komórki skóry są stale zastępowane nowymi komórkami od spodu, zapewniając nową barierę, która wkrótce zostanie zlikwidowana w ten sam sposób.

Infekcje mogą wystąpić, gdy bariera skórna zostanie naruszona lub złamana. Rana może służyć jako punkt wejścia dla oportunistycznych patogenów, które mogą zakażać tkankę skórną otaczającą ranę i prawdopodobnie rozprzestrzeniać się do głębszych tkanek.

Każda róża ma kolec

Mike, ogrodnik z południowej Kalifornii, niedawno zauważył mały czerwony guzek na swoim lewym przedramieniu. Początkowo nie myślał o tym zbyt wiele, ale wkrótce urosło, a następnie owrzodziło (otworzyło się), stając się bolesną zmianą obejmującą dużą część jego przedramienia (ryc. 3). Udał się do placówki pilnej, gdzie lekarz zapytał o zawód. Kiedy powiedział, że jest ogrodnikiem, lekarz od razu podejrzewał przypadek sporotrychozy, rodzaju infekcji grzybiczej zwanej chorobą ogrodnika róż, ponieważ często dotyka ona architektów krajobrazu i entuzjastów ogrodnictwa.

Rysunek 3. Choroba ogrodnika róży może wystąpić, gdy grzyb Sporothrix schenkii przebije skórę przez niewielkie skaleczenia, które mogą być zadane przez ciernie. (po lewej: modyfikacja pracy Elisy Self; prawa: modyfikacja pracy Centers for Disease Control and Prevention)

W większości przypadków grzyby nie mogą powodować infekcji skóry u zdrowych osób. Grzyby wytwarzają włókna zwane strzępkami, które nie są szczególnie inwazyjne i mogą być łatwo powstrzymywane przez fizyczne bariery skóry i błon śluzowych. Jednak małe rany na skórze, takie jak te spowodowane przez ciernie, mogą stanowić otwór dla oportunistycznych patogenów, takich jak Sporothrix schenkii, grzyb żyjący w glebie i czynnik wywołujący chorobę ogrodnika róż. Po przekroczeniu bariery skórnej S. schenkii może zakażać skórę i leżące pod nią tkanki, powodując owrzodzenia, takie jak u Mike’a. Sytuacja się komplikuje, inne patogeny mogą dostać się do zakażonej tkanki, powodując wtórne infekcje bakteryjne.

Na szczęście chorobę ogrodnika róż można leczyć. Lekarz Mike’a wypisał mu receptę na niektóre leki przeciwgrzybicze, a także kurs antybiotyków w celu zwalczania wtórnych infekcji bakteryjnych. Jego rany w końcu się zagoiły, a Mike wrócił do pracy z nowym uznaniem dla rękawiczek i odzieży ochronnej.

Błony śluzowe

Błony śluzowe nosa, ust i płuc , a układ moczowy i pokarmowy stanowią kolejną niespecyficzną barierę przed potencjalnymi patogenami. Błony śluzowe składają się z warstwy komórek nabłonka połączonych ciasnymi połączeniami. Komórki nabłonkowe wydzielają wilgotną, lepką substancję zwaną śluzem, która przykrywa i chroni delikatniejsze warstwy komórek pod sobą oraz zatrzymuje zanieczyszczenia i cząstki stałe, w tym drobnoustroje. Wydzieliny śluzu zawierają również peptydy przeciwdrobnoustrojowe.

Rycina 4. Ta skaningowa mikrografia elektronowa przedstawia urzęsiony i niewrzęsiony nabłonek komórki z ludzkiej tchawicy. Śluzowo-rzęskowe schody ruchome wypychają śluz z płuc wraz z wszelkimi szczątkami lub mikroorganizmami, które mogą zostać uwięzione w lepkim śluzie, a śluz przesuwa się do przełyku, skąd można go usunąć przez połknięcie.

W wielu obszarach ciała działania mechaniczne służą do wypłukiwania śluzu (wraz z uwięzionymi lub martwymi drobnoustrojami) z organizmu lub z dala od potencjalnych miejsc infekcji. Na przykład w układzie oddechowym wdychanie może spowodować dostanie się do organizmu drobnoustrojów, kurzu, zarodników pleśni i innych drobnych zanieczyszczeń unoszących się w powietrzu. Te szczątki zostają uwięzione w śluzie wyściełającym drogi oddechowe, warstwie znanej jako koc śluzowo-rzęskowy. Komórki nabłonkowe wyściełające górne części dróg oddechowych nazywane są komórkami nabłonka rzęskowego, ponieważ mają podobne do włosów wyrostki zwane rzęskami. Ruch rzęsek powoduje wypychanie śluzu zawierającego szczątki na zewnątrz i z płuc. Wydalony śluz jest następnie połykany i niszczony w żołądku, kaszlany lub kichany (ryc. 4). Ten system usuwania jest często nazywany ruchomymi schodami śluzowo-rzęskowymi.

Schody śluzowo-rzęskowe są tak skuteczną barierą dla drobnoustrojów, że płuca, najniżej położona (i najbardziej wrażliwa) część dróg oddechowych, były długo sterylne środowisko u zdrowych osób. Dopiero niedawno badania sugerowały, że zdrowe płuca mogą mieć małą normalną mikroflorę.Zakłócenie schodów śluzowo-rzęskowych przez szkodliwe skutki palenia lub chorób, takich jak mukowiscydoza, może prowadzić do zwiększonej kolonizacji bakterii w dolnych drogach oddechowych i częstych infekcji, co podkreśla znaczenie tej fizycznej bariery dla obrony gospodarza.

Podobnie jak drogi oddechowe, przewód pokarmowy jest wrotem, przez który drobnoustroje dostają się do organizmu, a błony śluzowe wyściełające przewód pokarmowy zapewniają niespecyficzną barierę fizyczną przed połkniętymi mikroorganizmami. Przewód pokarmowy jest wyłożony komórkami nabłonkowymi, przeplatanymi komórkami kubkowymi wydzielającymi śluz (ryc. 5). Śluz ten miesza się z materiałem pobranym z żołądka, zatrzymując mikroby i resztki pokarmu. Mechaniczne działanie perystaltyki jelit, seria skurczów mięśni w przewodzie pokarmowym, powoduje przemieszczanie złuszczonego śluzu i innego materiału przez jelita, odbyt i odbyt, wydalając go z kałem.

Rysunek 5. Komórki kubkowe wytwarzają i wydzielają śluz. Strzałki na tej mikrofotografii wskazują na komórki kubkowe wydzielające śluz (powiększenie 1600⨯) w nabłonku jelitowym. (zdjęcie kredytowe: zdjęcie udostępnione przez Regents of University of Michigan Medical School © 2012)

Śródbłonek

Komórki nabłonkowe wyściełające układ moczowo-płciowy, naczynia krwionośne, naczynia limfatyczne i niektóre inne tkanki są znane jako śródbłonki. Te ciasno upakowane komórki stanowią szczególnie skuteczną barierę frontu przed najeźdźcami. Na przykład śródbłonki bariery krew-mózg chronią ośrodkowy układ nerwowy (OUN), który składa się z mózgu i rdzenia kręgowego. OUN jest jednym z najbardziej wrażliwych i najważniejszych obszarów ciała, ponieważ zakażenie mikrobiologiczne OUN może szybko prowadzić do poważnego i często śmiertelnego zapalenia. Połączenia komórkowe w naczyniach krwionośnych przechodzące przez OUN są jednymi z najściślejszych i najtrudniejszych w organizmie, zapobiegając przedostawaniu się do OUN przejściowych drobnoustrojów we krwi. Dzięki temu płyn mózgowo-rdzeniowy, który otacza i kąpie mózg i rdzeń kręgowy, jest sterylny w normalnych warunkach.

Mechaniczne mechanizmy obronne

Oprócz fizycznych barier, które powstrzymują mikroby, posiada szereg mechanicznych mechanizmów obronnych, które fizycznie usuwają patogeny z organizmu, zapobiegając ich osiedlaniu się. Omówiliśmy już kilka przykładów mechanicznych mechanizmów obronnych, w tym złuszczanie komórek skóry, wydalanie śluzu przez ruchome schody śluzowo-rzęskowe oraz wydalanie kału przez perystaltykę jelit. Inne ważne przykłady mechanicznej obrony obejmują spłukiwanie moczu i łez, które służą do usuwania drobnoustrojów z organizmu. Płukanie moczu jest w dużej mierze odpowiedzialne za normalnie sterylne środowisko dróg moczowych, które obejmuje nerki, moczowody i pęcherz moczowy. Mocz wydostający się z organizmu wypłukuje przejściowe mikroorganizmy, uniemożliwiając im zamieszkanie. Oczy mają również fizyczne bariery i mechaniczne mechanizmy zapobiegania infekcjom. Rzęsy i powieki zapobiegają przedostawaniu się kurzu i drobnoustrojów unoszących się w powietrzu do powierzchni oka. Wszelkie drobnoustroje lub zanieczyszczenia, które przedostaną się przez te fizyczne bariery, mogą zostać wypłukane mechanicznym działaniem mrugania, które oblewa oczy łzami i zmywa zanieczyszczenia (rysunek 6).

Rysunek 6. Łzy wypłukują drobnoustroje z powierzchni oka. Mocz wypłukuje drobnoustroje z dróg moczowych podczas przechodzenia; w rezultacie układ moczowy jest normalnie sterylny.

Mikrobiom

W różnych obszarach ciała rezydentna mikroflora służy jako ważna pierwsza linia obrony przed atakującymi patogenami. Poprzez zajęcie miejsc wiązania komórek i konkurowanie o dostępne składniki odżywcze, rezydentna mikroflora zapobiega krytycznym wczesnym etapom przyczepiania się patogenu i proliferacji, które są niezbędne do powstania infekcji. Na przykład w pochwie członkowie rezydentnej mikroflory konkurują z oportunistycznymi patogenami, takimi jak drożdżaki Candida. Ta konkurencja zapobiega infekcjom, ograniczając dostępność składników odżywczych, hamując w ten sposób wzrost Candida, utrzymując populację w ryzach. Podobne współzawodnictwo zachodzi między mikrobiotą a potencjalnymi patogenami na skórze, w górnych drogach oddechowych oraz w przewodzie pokarmowym. Jak zostanie omówione w dalszej części tego rozdziału, rezydentna mikroflora również przyczynia się do chemicznej obrony wrodzonej, niespecyficznej obrony żywiciela.

Znaczenie normalnej mikroflory w obronie gospodarza jest podkreślone przez zwiększoną podatność na choroby zakaźne, gdy mikrobiota jest niszczona lub eliminowana. Leczenie antybiotykami może znacznie uszczuplić prawidłową mikroflorę przewodu żołądkowo-jelitowego, zapewniając bakteriom chorobotwórczym przewagę w kolonizacji i wywoływaniu biegunki. W przypadku biegunki wywołanej przez Clostridium difficile infekcja może być ciężka i potencjalnie śmiertelna. Jedną ze strategii leczenia zakażeń C. difficile jest przeszczep kału, który polega na przeniesieniu materiału kałowego od dawcy (przebadanego pod kątem potencjalnych patogenów) do jelit pacjenta biorcy jako metoda przywracania prawidłowej mikroflory i zwalczania zakażeń C. difficile.

Tabela 2 zawiera podsumowanie fizycznych zabezpieczeń omówionych w tej sekcji.