Mikrobiologi (Svenska)

Ospecifik medfödd immunitet kan karakteriseras som ett mångfacetterat försvarssystem som riktar sig mot invaderande patogener i en icke-specifik sätt. I detta kapitel har vi delat upp de många försvaren som utgör detta system i tre kategorier: fysiska försvar, kemiska försvar och cellulära försvar. Det är dock viktigt att komma ihåg att dessa försvar inte fungerar oberoende och att kategorierna ofta överlappar varandra. Tabell 1 ger en översikt av de icke-specifika försvar som diskuteras i detta kapitel.

Fysiska försvar ger kroppens mest grundläggande form av ospecifikt försvar. De inkluderar fysiska barriärer för mikrober, såsom hud och slemhinnor, samt mekaniska försvar som fysiskt tar bort mikrober och skräp från delar av kroppen där de kan orsaka skada eller infektion. Dessutom ger mikrobiomen ett mått på fysiskt skydd mot sjukdomar, eftersom mikrober i normal mikrobiota konkurrerar med patogener om näringsämnen och cellulära bindningsställen som är nödvändiga för att orsaka infektion.

Fysiska barriärer

Fysiska barriärer spelar en viktig roll för att förhindra att mikrober når vävnader som är mottagliga för infektion. På mobilnivå består barriärer av celler som är tätt sammanfogade för att förhindra att inkräktare går igenom till djupare vävnad. Till exempel har endotelcellerna som leder blodkärl mycket täta cell-till-cell-korsningar, vilket blockerar mikrober från att få tillgång till blodomloppet. Cellövergångar består vanligtvis av cellmembranproteiner som kan ansluta till den extracellulära matrisen eller med komplementära proteiner från angränsande celler. Vävnader i olika delar av kroppen har olika typer av cellkorsningar. Dessa inkluderar täta korsningar, desmosomer och klyftor, som illustreras i figur 1. Invaderande mikroorganismer kan försöka bryta ner dessa ämnen kemiskt med hjälp av enzymer såsom proteaser som kan orsaka strukturell skada för att skapa en ingångspunkt för patogener.

Figur 1. Det finns flera typer av cellkorsningar i mänsklig vävnad, varav tre visas här. Täta korsningar nitar två intilliggande celler tillsammans, vilket förhindrar eller begränsar materialutbyte genom mellanrummen mellan dem. Desmosomer har mellanliggande fibrer som fungerar som skosnören och binder ihop två celler, så att små material kan passera genom de resulterande utrymmena. Gap-korsningar är kanaler mellan två celler som tillåter kommunikation via signaler. (kredit: modifiering av arbete av Mariana Ruiz Villareal)

Skin Barrier

Figur 2. Klicka för större bild. Människans hud har tre lager, epidermis, dermis och hypodermis, som ger en tjock barriär mellan mikrober utanför kroppen och djupare vävnader. Döda hudceller på epidermisytan kastas kontinuerligt och tar med sig mikrober på hudens yta. (kredit: modifiering av arbete av National Institutes of Health)

En av kroppens viktigaste fysiska barriärer är hudbarriären, som består av tre lager av tätt packade celler. Det tunna övre lagret kallas epidermis. Ett andra, tjockare lager, som kallas dermis, innehåller hårsäckar, svettkörtlar, nerver och blodkärl. Ett lager av fettvävnad som kallas hypodermis ligger under dermis och innehåller blod och lymfkärl (figur 2).

Det översta hudskiktet, epidermis, består av celler som är packade med keratin. Dessa döda celler förblir som ett tätt förbundet, tätt lager av proteinfyllda cellskal på hudytan. Keratinet gör hudens yta mekaniskt tålig och motståndskraftig mot nedbrytning av bakterieenzymer.Fettsyror på hudens yta skapar en torr, salt och sur miljö som hämmar tillväxten av vissa mikrober och är mycket resistent mot nedbrytning av bakterieenzymer. Dessutom kasta de döda cellerna i epidermis ofta, tillsammans med alla mikrober som kan hålla fast vid dem. Hudceller ersätts kontinuerligt med nya celler underifrån, vilket ger en ny barriär som snart kommer att kasta på samma sätt.

Infektioner kan uppstå när hudbarriären äventyras eller bryts. Ett sår kan tjäna som inträde för opportunistiska patogener, som kan infektera hudvävnaden som omger såret och eventuellt sprida sig till djupare vävnader.

Varje ros har sin tagg

Mike, en trädgårdsmästare från södra Kalifornien, märkte nyligen en liten röd stöta på vänster underarm. Inledningsvis tänkte han inte mycket på det, men snart blev det större och sedan sårade (öppnade sig) och blev en smärtsam lesion som sträckte sig över en stor del av underarmen (figur 3). Han gick till en akutvårdsanläggning, där en läkare frågade om hans yrke. När han sa att han var en trädgårdsmästare misstänkte läkaren omedelbart ett fall av sporotrichosis, en typ av svampinfektion som kallas rosenträdgårdssjukdom eftersom den ofta drabbar landskapsarkitekt och trädgårdsmästare.

Figur 3. Rosenträdgårdssjukdom kan uppstå när svampen Sporothrix schenkii bryter igenom huden genom små snitt, som kan orsakas av taggar. (kredit vänster: modifiering av arbete av Elisa Self; kredit höger: modifiering av arbete från Centers for Disease Control and Prevention)

Under de flesta förhållanden kan svampar inte producera hudinfektioner hos friska individer. Svampar odlar filament som kallas hyfer, som inte är särskilt invasiva och lätt kan hållas i schack av de fysiska barriärerna i huden och slemhinnorna. Små sår i huden, såsom de som orsakas av taggar, kan emellertid ge en öppning för opportunistiska patogener som Sporothrix schenkii, en jordboende svamp och det orsakande medlet för rosenträdgårdssjukdom. När det väl har brutit mot hudbarriären kan S. schenkii infektera huden och underliggande vävnader och producera sårskador som Mike. Sammanfattande saker kan andra patogener komma in i den infekterade vävnaden och orsaka sekundära bakterieinfektioner.

Lyckligtvis kan rosenträdgårdssjukdom behandlas. Mike’s läkare skrev honom ett recept på vissa svampdödande läkemedel samt en antibiotikakur för att bekämpa sekundära bakterieinfektioner. Hans skador läktes så småningom och Mike återvände till jobbet med en ny uppskattning av handskar och skyddskläder.

Slemhinnor

Slemhinnorna som foder näsan, munnen, lungorna och urinvägar och matsmältningsorgan ger en annan ospecifik barriär mot potentiella patogener. Slemhinnor består av ett lager av epitelceller bundna av täta korsningar. Epitelcellerna utsöndrar en fuktig, klibbig substans som kallas slem, som täcker och skyddar de mer ömtåliga cellskikten under det och fångar upp skräp och partiklar, inklusive mikrober. Slamsekretioner innehåller också antimikrobiella peptider.

Figur 4. Denna svepelektronmikrograf visar ciliated och nonciliated epitelial celler från den mänskliga luftstrupen. Slemhinnan rulltrappan skjuter bort slem från lungorna, tillsammans med eventuellt skräp eller mikroorganismer som kan fastna i det klibbiga slem och slem rör sig upp till matstrupen där det kan avlägsnas genom att svälja.

I många delar av kroppen tjänar mekaniska åtgärder till att spola slem (tillsammans med fångade eller döda mikrober) ut ur kroppen eller bort från potentiella infektionsställen. Till exempel i andningsorganen kan inandning föra mikrober, damm, mögelsporer och andra små luftburna skräp in i kroppen. Detta skräp fastnar i slemhinnan i luftvägarna, ett skikt som kallas slemhinnan. Epitelcellerna som foder de övre delarna av luftvägarna kallas ciliated epitelceller eftersom de har hårliknande bilagor som kallas cilia. Förflyttning av cilia driver skräpbelastat slem ut och bort från lungorna. Det utvisade slem sväljs sedan och förstörs i magen, eller hostas upp eller nysas ut (figur 4). Detta system för avlägsnande kallas ofta för slemhinnan.

Den mukociliära rulltrappan är en så effektiv barriär mot mikrober att lungorna, den nedre (och mest känsliga) delen av andningsorganen, länge ansågs vara en steril miljö hos friska individer. Först nyligen har forskning antytt att friska lungor kan ha en liten normal mikrobiota.Störning av slemhinnan genom de skadliga effekterna av rökning eller sjukdomar som cystisk fibros kan leda till ökad kolonisering av bakterier i nedre luftvägarna och frekventa infektioner, vilket belyser vikten av denna fysiska barriär för värdförsvar.

Liksom andningsorganen är matsmältningskanalen en port för inträde genom vilken mikrober tränger in i kroppen, och slemhinnorna som ligger i matsmältningskanalen ger en ospecifik fysisk barriär mot intagna mikrober. Tarmkanalen är fodrad med epitelceller, blandat med slemutsöndrande bägceller (figur 5). Detta slem blandas med material som tas emot från magen, fångar matburna mikrober och skräp. Den mekaniska verkan av peristaltik, en serie muskelsammandragningar i matsmältningskanalen, förflyttar det släta slem och annat material genom tarmarna, ändtarmen och anus, och utsöndrar materialet i avföring.

Figur 5. Bägceller producerar och utsöndrar slem. Pilarna i detta mikrofotografi pekar på slemutsöndrande bägge celler (förstoring 1600⨯) i tarmepitel. (kreditmikrografi: Mikrografi tillhandahållen av Regents of University of Michigan Medical School © 2012)

Endothelia

Epitelcellerna i urogenitalkanalen, blodkärl, lymfkärl och vissa andra vävnader är kända som endotel. Dessa tätt packade celler ger en särskilt effektiv frontlinjebarriär mot inkräktare. Endotelerna i blod-hjärnbarriären skyddar till exempel det centrala nervsystemet (CNS), som består av hjärnan och ryggmärgen. CNS är ett av de mest känsliga och viktiga områdena i kroppen, eftersom mikrobiell infektion i CNS snabbt kan leda till allvarlig och ofta dödlig inflammation. Cellkorsningarna i blodkärlen som går genom CNS är några av de tätaste och tuffaste i kroppen, vilket förhindrar att övergående mikrober i blodomloppet kommer in i CNS. Detta håller hjärnvätskan som omger och badar hjärnan och ryggmärgen steril under normala förhållanden.

Mekaniska försvar

Förutom fysiska barriärer som håller mikrober ute, kommer kroppen har ett antal mekaniska försvar som fysiskt avlägsnar patogener från kroppen, vilket förhindrar dem från att bosätta sig. Vi har redan diskuterat flera exempel på mekaniska försvar, inklusive utgjutning av hudceller, utdrivning av slem via slemhinnan, och utsöndring av avföring genom tarmperistaltik. Andra viktiga exempel på mekaniska försvar inkluderar spolning av urin och tårar, som båda tjänar till att bära mikrober bort från kroppen. Urinspolningsverkan är till stor del ansvarig för urinvägarnas normalt sterila miljö, som inkluderar njurar, urinledare och urinblåsan. Urin som passerar ut ur kroppen tvättar bort övergående mikroorganismer och förhindrar dem från att bosätta sig. Ögonen har också fysiska barriärer och mekaniska mekanismer för att förhindra infektioner. Ögonfransarna och ögonlocken förhindrar att damm och luftburna mikroorganismer når ytan på ögat. Alla mikrober eller skräp som kommer förbi dessa fysiska barriärer kan spolas ut genom att blinka mekaniskt, vilket badar ögat i tårar och tvättar skräp bort (Figur 6).

Figur 6. Tårar spolar mikrober bort från ögat. Urin tvättar mikrober ur urinvägarna när det passerar genom; som ett resultat är urinvägarna normalt sterila.

Mikrobiom

I olika regioner i kroppen fungerar bosatta mikrobioter som ett viktigt första linjens försvar mot invaderande patogener. Genom sin ockupation av cellulära bindningsställen och konkurrens om tillgängliga näringsämnen förhindrar den inhemska mikrobioten de kritiska tidiga stegen för patogenbindning och proliferation som krävs för att upprätta en infektion. Till exempel i slidan konkurrerar medlemmar av den mikrobiota som finns kvar med opportunistiska patogener som jäst Candida. Denna tävling förhindrar infektioner genom att begränsa tillgången på näringsämnen, vilket förhindrar tillväxten av Candida och håller befolkningen i kontroll. Liknande tävlingar förekommer mellan mikrobiota och potentiella patogener på huden, i övre luftvägarna och i mag-tarmkanalen. Som kommer att diskuteras senare i detta kapitel, bidrar den bosatta mikrobioten också till det kemiska försvaret av det medfödda ospecifika värdförsvaret.

Betydelsen av den normala mikrobioten i värdförsvaret framhävs av den ökade mottagligheten för infektionssjukdomar när mikrobiota störs eller elimineras. Behandling med antibiotika kan avsevärt tömma den normala mikrobioten i mag-tarmkanalen, vilket ger en fördel för patogena bakterier att kolonisera och orsaka diarréinfektion. Vid diarré orsakad av Clostridium difficile kan infektionen vara allvarlig och potentiellt dödlig. En strategi för behandling av C. difficile-infektioner är fekaltransplantation, vilket innebär överföring av fekalt material från en donator (screenad för potentiella patogener) till tarmarna hos den mottagande patienten som en metod för att återställa den normala mikrobioten och bekämpa C. difficile-infektioner.

Tabell 2 ger en sammanfattning av de fysiska försvar som diskuteras i detta avsnitt.