微生物免疫學 - 免疫系統細胞與發育

免疫系統概述與分類

• 免疫系統分為 先天免疫 (Innate immunity) 和 後天免疫 (Adaptive immunity)。

先天免疫 (Innate Immunity)

• 特點：身體的 第一道防線，反應快速，對病原體 非特異性辨識，無記憶功能。
• 主要細胞：巨噬細胞 (macrophage)、中性球 (neutrophil)、嗜伊紅性白血球 (eosinophil)、樹突細胞 (dendritic cell)、自然殺手細胞 (natural killer cell, NK cell)、肥大細胞 (mast cell)。

顆粒球功能比較

後天免疫 (Adaptive Immunity)

• 特點：具有 特異性辨識能力 和 記憶功能，反應較慢但 更精準。
• 主要細胞：B 細胞 (B cell) 和 T 細胞 (T cell)。

免疫細胞起源與分化

• 造血作用 (hematopoiesis) 是所有血球細胞（包括免疫細胞）的生成過程。
• 所有免疫細胞皆源自於 造血幹細胞 (hematopoietic stem cells)。
• 造血幹細胞 分化為：
  • 共同骨髓前驅細胞 (common myeloid progenitor)：可分化為傳統樹突細胞 (cDC)、巨噬細胞、顆粒球 (如 中性球、嗜伊紅性白血球) 等 先天免疫細胞。
  • 共同淋巴前驅細胞 (common lymphoid progenitor, CLP)：是所有淋巴細胞的祖先，可分化為：
    • B 淋巴細胞 (B lymphocytes)
    • T 淋巴細胞 (T lymphocytes)
    • 自然殺手細胞 (natural killer cells, NK cells) (屬於 先天免疫細胞)
    • 漿細胞樣樹突細胞 (plasmacytoid DC, pDC)
• B 細胞 和 T 細胞 是 後天性免疫系統 (adaptive immune system) 的關鍵組成，負責 特異性辨識病原體、產生 免疫記憶 及 清除感染。
• 臨床意義：共同淋巴前驅細胞 (CLP) 缺陷會導致 B 細胞 和 T 細胞 嚴重不足，對 後天性免疫系統 造成最大影響。

造血作用的發育場所轉移

• 在胚胎發育的不同階段，造血的主要場所會轉移：
  • 卵黃囊 (yolk sac)：胚胎早期（約懷孕第3週）最早的造血部位。
  • 胎兒肝臟 (fetal liver)：胚胎中期（約懷孕第6週至第6個月）成為主要的造血器官。
  • 骨髓 (bone marrow)：胎兒晚期（約懷孕第7個月後）逐漸取代肝臟，成為主要的造血器官，並在出生後持續終生。
  • 脾臟 和 淋巴結 在胎兒時期可能參與部分造血，但在成人主要負責免疫反應和血球清除。

免疫器官分類

• 免疫器官分為 初級 (primary) 和 次級 (secondary) 淋巴器官。
• 周邊免疫組織/器官 通常指 次級淋巴器官。

黏膜相關免疫細胞：M 細胞 (Microfold Cells)

• M 細胞 是一種特殊的 上皮細胞，位於 腸道淋巴組織 表面，例如 派亞氏斑塊 (Peyer's Patches)。
• 主要功能：
  • 從 腸腔 捕捉 抗原 (包括病原體和食物抗原)。
  • 將抗原轉運至其下方的 淋巴組織。
  • 呈遞給 抗原呈獻細胞 (APCs) (如 巨噬細胞 和 樹突細胞)，進而啟動 後天性免疫反應。
• 結構特徵：
  • 細胞膜具有 微皺褶 (microfolds)，而非微絨毛 (microvilli)。
  • 細胞質內含 囊泡，有助於吞噬和轉運抗原。

免疫細胞發育

抗原受體 (BCR/TCR) 多樣性生成機制

• 抗體多樣性 (antibody diversity) 指 B 細胞 能夠產生數十億種不同抗原特異性的抗體的能力，主要發生在 B 細胞發育的早期階段，抗原接觸之前。
• B 細胞抗原受體 (BCR) 和 T 細胞抗原受體 (TCR) 的多樣性是其識別廣泛抗原的基礎，主要透過 V(D)J 重組 產生。
• V(D)J 基因片段組成：
  • BCR 基因（重鏈）和 TCR 基因（β 鏈）由多個可變區 (V)、多樣區 (D)、連接區 (J) 和恆定區 (C) 基因片段組成。
  • BCR 基因（輕鏈）和 TCR 基因（α 鏈）由 V、J 和 C 基因片段組成（無 D 片段）。
• V(D)J DNA 重組順序：
  • 重鏈 (BCR) 和 β 鏈 (TCR)：先進行 D-J 片段重組，然後再進行 V-DJ 片段重組。
  • 輕鏈 (BCR) 和 α 鏈 (TCR)：直接進行 V-J 片段重組。
• 重組機制：
  • 由 重組訊號序列 (recombination signal sequences, RSS) 引導。
  • RAG1 和 RAG2 (Recombination-activating genes 1 and 2) 酶複合體：辨識 RSS，並產生 DNA雙股斷裂。
  • Artemis (核酸酶)：打開 DNA斷裂後形成的髮夾結構 (hairpin structure)，可能切除核苷酸，產生 P-nucleotide。
  • TdT (Terminal deoxynucleotidyl Transferase) (DNA聚合酶)：在 DNA斷裂點 隨機添加 非模板核苷酸 (N-nucleotide)，增加多樣性。TdT 不與 Ku蛋白 結合。
  • DNA ligase IV 和 XRCC4 複合體：負責將 DNA斷裂點重新連接，完成重組。
• 抗原受體多樣性 的主要來源：
  • V(D)J 基因片段的隨機組合 (Combinatorial Diversity)：形成獨特的 VDJ 或 VJ 組合，是產生廣泛抗原特異性的基礎。
  • 連接多樣性 (Junctional Diversity)：
    • 由 TdT 酶隨機添加 非模板核苷酸 (N-nucleotide)。
    • 由 Artemis 酶打開髮夾結構時產生 P-nucleotide。
    • 核苷酸刪除。
  • 這些機制極大地增加了 互補決定區 3 (CDR3) 的多樣性，此區域是抗原結合位點中 變異性最大的區域。
  • 輕重鏈的隨機組合 (Combinatorial Association of Light and Heavy Chains)：不同輕鏈和重鏈的組合進一步擴展了抗體多樣性。
  • 體細胞超突變 (Somatic Hypermutation)：抗原刺激後，B 細胞的 V 區基因發生高頻率點突變，進一步提高抗體對抗原的 親和力 (affinity maturation)。
• CDR1 和 CDR2 的多樣性主要由 V 基因片段 本身的選擇決定。
• 易混淆概念：
  • AIRE 基因表現：用於 T 細胞 的 負向選擇，與 抗原受體多樣性 生成無關。
  • 類型轉換重組 (class switch recombination)：是 B 細胞 產生不同類型抗體的機制，改變抗體效應功能 (Fc 區)，但不改變抗原結合特異性 (Fab 區)，因此與 抗原受體多樣性 生成無關。

B 細胞發育檢查點與機制：等位基因排除 (Allelic Exclusion)

• 定義與目的：等位基因排除 (Allelic exclusion) 是一種關鍵的遺傳機制，確保每個 B 細胞 (及 T 細胞) 只表達一種功能性的 抗原受體，保證每個 B 細胞只對 單一抗原 具有 專一性。此機制確保細胞只使用 一個染色體上的重鏈基因 和 一個染色體上的輕鏈基因 進行重組。
• 免疫球蛋白基因重組順序：先重鏈 (heavy chain)，再輕鏈 (light chain)。
• Pre-B 細胞階段：
  • 在骨髓中，B 細胞首先成功重組免疫球蛋白重鏈 (heavy chain) 基因，產生 μ重鏈。
  • 表達 pre-B 細胞受體 (pre-BCR)，此為 B 細胞發育的重要檢查點。
  • Pre-BCR 由成功重組的 μ重鏈 與一對「替代輕鏈 (surrogate light chain)」（包含 VpreB 和 λ5 蛋白）結合而成。
  • Pre-BCR 的功能：
    1. 檢測重鏈是否成功重組並能與輕鏈結合。
    2. 傳遞訊號：
       • 誘導 pre-B 細胞快速增殖 (proliferation)，擴增成功的重鏈基因重組細胞群。
       • 抑制重鏈基因的進一步重組 (等位基因排除)。
       • 停止細胞分裂，隨後啟動輕鏈基因的重組。
    3. 訊號傳遞：Pre-BCR 偶聯 Igα 和 Igβ 兩個訊號傳遞蛋白。
  • 臨床意義：Bruton's tyrosine kinase (Btk) 是 BCR 訊號傳導 的關鍵分子。Btk 缺乏 會導致 X-linked agammaglobulinemia (XLA)，造成 B 細胞發育受阻。
  • 檢查點：若重鏈組裝失敗或無法形成功能性 pre-BCR，細胞將 凋亡 (apoptosis)。
  • 輕鏈重組：一旦一個等位基因成功重組並產生功能性輕鏈，即會抑制另一個等位基因的重組。
• 未成熟 B 細胞 (Immature B cell) 階段：
  • 已成功組裝並在細胞表面同時表現完整的 IgM 和 IgD 抗體。
  • 這兩種免疫球蛋白具有 相同的抗原結合位點 (antigen-binding site)，但其 重鏈恆定區 (heavy chain constant regions) 不同。
  • 機制：透過 RNA 多樣裁接 (alternative splicing) 實現。初級 RNA 轉錄本包含編碼 IgM 和 IgD 重鏈恆定區的基因片段，經選擇性剪接產生兩種 mRNA 分子。
  • 目的：在未被抗原活化前，提高對抗原的識別能力。
  • 主要進行 負向篩選 (Negative selection)，清除會辨識 自體抗原 (self-antigens) 的 B 細胞。
  • 負向篩選機制包括：受體編輯 (receptor editing)、細胞凋亡 (apoptosis) 或 失能 (anergy)。
  • 此階段的 B 細胞 不會進行細胞分裂。
• 最終結果：確保細胞只表達來自一個親本的重鏈和輕鏈，避免同時表達兩種不同特異性的抗體。

T 細胞發育檢查點：Pre-TCR 形成與等位基因排除

• T 細胞 在 胸腺 (thymus) 中發育。
• 前T細胞 (pro-T cell) 首先重組 TCR β鏈基因。
• 若 β鏈 成功表達，會與 替代α鏈 (pre-Tα) 及 CD3分子 結合，形成 pre-T細胞受體 (pre-TCR)。
• Pre-TCR 檢查點功能：
  • 觸發細胞 增殖 (proliferation)。
  • 抑制 β鏈 的進一步重組 (等位基因排除)。
  • 啟動 α鏈 的重組。
  • 不辨識外來抗原，主要功能是促進 T 細胞的發育與增殖。

T 細胞發育檢查點：正向與負向選擇 (Positive and Negative Selection)

• T 細胞 在 胸腺 (thymus) 中發育時，會經歷兩個關鍵的選擇過程：正向選擇 (positive selection) 和 負向選擇 (negative selection)。

• 正向選擇 (Positive Selection)

  • 場所：胸腺皮質 (thymic cortex)。
  • 目的：篩選出能夠「適度辨識」自身MHC分子 (self-MHC) 的 T 細胞。
  • 機制：
    • 胸腺細胞 (thymocyte) 的 T 細胞受體 (TCR) 若能與 胸腺皮質上皮細胞 (cortical thymic epithelial cell) 呈遞的 自身MHC-peptide複合體 產生「中等強度」的結合訊號，則該細胞被 正向選擇 而存活並繼續發育。
    • 若 TCR 完全無法辨識 自身MHC，則細胞因缺乏生存訊號而 凋亡 (death by neglect)。
  • 與耐受性關係：與 自我耐受性 無直接關係，主要確保 T 細胞 的 功能性。

• 負向選擇 (Negative Selection)

  • 場所：胸腺髓質 (thymic medulla)。
  • 目的：清除對 自身抗原 具有 高親和力 的 T 細胞，防止 自體免疫反應。這是 中樞耐受性 (central tolerance) 的核心機制。
  • 機制：
    • 胸腺髓質上皮細胞 (medullary thymic epithelial cells, mTECs) 和 樹突細胞 (dendritic cells) 呈遞 自身抗原。
    • AIRE 基因 (Autoimmune Regulator gene)：在 mTECs 中表達，誘導多種 組織特異性自身抗原 的表達，讓發育中的 T 細胞 能接觸並被 負向選擇。
    • 若 TCR 對 自身抗原 產生 高親和力 結合，則細胞會被誘導 凋亡 (apoptosis) 或分化為 調節性 T 細胞 (Tregs)。
    • Fas 基因 (Fas gene)：參與細胞凋亡的信號通路，對於清除自身反應性淋巴球至關重要。

B 細胞受體 (BCR) 與分泌型抗體功能比較

• B 細胞受體 (BCR) 確實是膜結合型抗體，其 Fab 區 能結合 抗原。
• 然而，BCR 的 Fc 區 與分泌型抗體的功能有顯著差異。

• 成熟 B 細胞 (Mature B cell) 階段：
  • 當成熟 B 細胞辨識到 外來抗原 (foreign antigen)，並獲得 輔助 T 細胞 (T helper cell) 的協助後，才會進行 細胞分裂 (clonal expansion) 和 分化，產生漿細胞 (plasma cells) 和記憶 B 細胞 (memory B cells)。

免疫耐受性 (Immune Tolerance)

• 自我耐受性 (self-tolerance)：免疫系統能夠區分自身和非自身抗原，避免攻擊自身組織，是免疫系統正常運作的基礎。

中樞耐受性 (Central Tolerance)

• 定義：發生在 初級淋巴器官 (胸腺 和 骨髓)，主要透過 負向選擇 清除自身反應性淋巴球。
• T 細胞中樞耐受：詳細機制見「T 細胞發育檢查點：正向與負向選擇」中的 負向選擇。
• B 細胞中樞耐受：未成熟 B 細胞在骨髓中進行 負向篩選，清除會辨識 自體抗原 的 B 細胞，機制包括 受體編輯、細胞凋亡 或 失能 (anergy)。

周邊耐受性 (Peripheral Tolerance)

• 定義：發生在 周邊淋巴器官，處理在中樞耐受性中未能清除的自身反應性淋巴球。
• 關鍵機制與分子：
  • T 細胞失能 (Anergy)：T 細胞在缺乏 共刺激訊號 (如 B7-CD28 結合) 下遇到抗原，導致其無法被活化。
  • 調節性 T 細胞 (Tregs)：透過分泌 TGF-β 和 IL-10 等細胞素，或直接細胞接觸，抑制其他 T 細胞的活性。
  • CTLA-4 基因 (Cytotoxic T-Lymphocyte-Associated protein 4 gene)：是一種 抑制性受體，表達在 T 細胞 上，與 B7 分子 結合後，競爭性抑制 CD28 結合，從而抑制 T 細胞活化，誘導 T 細胞失能 或促進 Tregs 的功能。
  • 活化誘導細胞凋亡 (Activation-induced cell death, AICD)：活化的淋巴球透過 Fas/FasL 途徑進行凋亡，清除過度活化的自身反應性細胞。

免疫細胞功能與互動

CD4 輔助性 T 細胞亞群分化 (CD4 T cell Subsets Differentiation)

• CD4 T 細胞 活化後，會根據細胞激素環境分化成不同的輔助性 T 細胞亞群 (effector T cells)。每個亞群都有其特定的 轉錄因子 和 細胞激素分泌模式。

濾泡輔助性 T 細胞 (Follicular Helper T cells, TFH cells)

• TFH cells 也是一種 CD4 T 細胞 亞群，主要存在於 淋巴結濾泡區 (follicular zone of lymph nodes)。
• 功能：
  • 協助 B 細胞活化、增殖。
  • 促進 B 細胞分化 成 漿細胞 (plasma cells)。
  • 誘導 抗體類別轉換 (class switch recombination)。
  • 促進 親和力成熟 (affinity maturation)。
• 關鍵細胞素：
  • IL-21：TFH cells 分泌最重要的細胞素，直接作用於 B 細胞，促進其增殖、分化和抗體分泌，對產生 高效價抗體 至關重要。
  • 其他：亦分泌 IL-4 和 IL-10。

細胞激素在 T 細胞分化中的角色

• IL-5：由 Th2 細胞 產生，對 嗜伊紅性白血球 的生成、分化、成熟和活化具有特異性的促進作用。
• IL-12：
  • 主要由 抗原呈獻細胞 (APCs)，如 巨噬細胞 和 樹突細胞 分泌。
  • 關鍵功能：誘導 Th1 細胞分化，並增強 細胞免疫反應。

抗原呈獻細胞 (Antigen-Presenting Cells, APCs)

• 定義：能攝取、處理並呈獻抗原給 T 細胞 的細胞。
• 專業型 APCs：
  • 主要包括：樹突細胞 (dendritic cells, DCs)、巨噬細胞 (macrophages)、B 細胞 (B cells)。
  • 樹突細胞 (DCs)：在啟動 後天性免疫反應 中扮演 關鍵角色。
  • 共同特徵：
    • 表現 MHC class II 分子：用於呈獻 外源性抗原 給 CD4 輔助 T 細胞。
    • 表現 共刺激分子 (co-stimulatory molecules)：如 B7 家族 (CD80 和 CD86)，它們與 T 細胞 上的 CD28 結合，提供活化 T 細胞 所需的 第二個訊號。
• 所有有核細胞：
  • 表現 MHC class I 分子：幾乎在所有有核細胞表面都會表現。主要功能是呈獻 細胞內來源的抗原 (如 病毒感染 或 腫瘤細胞 的抗原) 給 CD8 毒殺 T 細胞，以監測細胞內部狀況。
  • 例外：紅血球 因 無細胞核，故 不表現 MHC class I。