微生物免疫學 - 免疫系統細胞與發育

微生物免疫學免疫系統細胞與發育更新於 2026/3/10

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

特徵中性球 (Neutrophils)嗜伊紅性白血球 (Eosinophils)
數量數量最多 (most numerous)較少
主要功能吞噬 細菌 和 真菌,急性炎症反應 先鋒對抗 寄生蟲感染 (尤其 蠕蟲)、過敏反應
殺菌機制呼吸爆發 (respiratory burst)釋放顆粒內容物 (如 主要鹼性蛋白、嗜伊紅性陽離子蛋白)
關鍵酶含有 髓過氧化酶 (MPO)含有 嗜伊紅性過氧化酶 (EPO),通常 不含 MPO
趨化因子受體較少表達 CCR3高度表達 CCR3,介導向發炎部位趨化
活化細胞素IL-5 (由 Th2 細胞 分泌)

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。
特徵初級淋巴器官 (Primary Lymphoid Organs)次級淋巴器官 (Secondary Lymphoid Organs)
功能淋巴細胞 成熟 和 分化 的場所。淋巴細胞 遇到抗原 並 啟動免疫反應 的場所。
主要器官骨髓 (Bone Marrow):B 細胞成熟、所有血球細胞生成。淋巴結 (Lymph Node):過濾淋巴液,聚集抗原與淋巴細胞。
胸腺 (Thymus):T 細胞成熟。脾臟 (Spleen):過濾血液,清除老化血球,聚集抗原與淋巴細胞。
其他器官扁桃腺 (Tonsils)、派亞氏斑 (Peyer's Patches) 等黏膜相關淋巴組織。

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。
特徵膜結合型 B 細胞受體 (BCR)分泌型抗體 (Secreted Antibodies)
Fab 區功能結合 抗原結合 抗原
Fc 區功能錨定於細胞膜、參與 B 細胞活化訊號傳導活化 補體、調理作用 (opsonization)、ADCC 等多種 效用功能 (effector functions)
主要作用抗原辨識、B 細胞活化清除病原體、免疫調節
代表類型膜結合型 IgM、IgDIgG、IgM、IgA、IgE
  • 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。
亞群關鍵轉錄因子主要分泌細胞素主要功能
Th1T-betIFN-γ, IL-2, TNF-β清除 細胞內病原體、細胞免疫
Th2GATA3IL-4, IL-5, IL-6, IL-10, IL-13對抗 寄生蟲感染、過敏反應;IL-5 促進 嗜伊紅性白血球 生成與活化
Th17RORγT (RORγ)IL-17, IL-22對抗 細胞外細菌、真菌感染;與 自體免疫疾病 有關
TregFoxp3TGF-β, IL-10免疫抑制、維持 免疫耐受

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。

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