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科普:病毒是怎样被人体免疫系统识别并消灭的?

 林小霖 2020-02-08

病毒是细胞的“寄生虫”,它们从诞生的那一刻起就渴望占领细胞,然后“大展身手”。

就像所有物种间的竞争关系一样,如果某物种没有“独门秘籍”应对可能到来的威胁,那么它们将迎来冰冷的后果。

看惯了狮子捕食羚羊的场景,就天真的以为羚羊不堪一击。

实际上不是的,被狮子捕食到的羚羊少之又少,羚羊的机警和善于奔跑的特性,使得狮子们往往要饿上好几周才能饱餐一顿。

即便是“站着不动”的树,它们也发展出拥有剧毒的汁液,以抵御动物的啃食。

细胞和病毒也是这样一种竞争关系,病毒想尽办法占领细胞,而细胞们则想尽方法应对病毒入侵。

免疫细胞的由来

人体所有的细胞都是由一枚受精卵复制、分化而来。

所谓复制,就是细胞们以自己为模板,生产出源源不断和自我相同的个体。

人要由一枚受精卵变成庞然大物,显然要经历不断的复制。一变二、二变四、四变八.....

细胞复制增殖

但是,简单如一的反复复制,并不能满足细胞功能的庞杂需求。

就好比,一个社会中所有成员如果只会生产粮食,那么人们将无法穿上美丽的衣裳、温暖的鞋子以及飞奔的汽车等。

细胞们也选择了这样一种策略:分化。

分化,其实和社会分工是一回事。有的细胞经由受精卵变成血液中的红细胞,有的则变成可以收缩运动的肌纤维,而有的则变成负责感觉及认知的神经细胞。

细胞的分化

免疫细胞们也一样,它们是一个庞大的家族,以满足机体应对多如牛毛的病原体威胁。

但是,免疫细胞们都来自于一个始祖:造血干细胞。

免疫细胞大家庭的由来

在造血干细胞之后,分成两大支,其中一支分化成具有普遍杀伤能力的髓样免疫细胞系,另一支分化成具有特异性杀伤能力的淋巴免疫细胞系。

简单来讲,就是由造血干细胞在特定环境和时间下,分化出淋巴样祖细胞和髓样祖细胞。

髓样祖细胞的“后代“,不挑食,只要是身体异物,都会去帮忙杀灭。

但是,可能是因为太过于广泛,它们的杀灭作用有时候“流于表面”,很难对付那些狡猾的病原体。

而淋巴样祖细胞的诞生则弥补这样一个缺陷。

淋巴样祖细胞可以分化出B细胞、T细胞等,这些细胞可以特异性的识别病菌、病毒等病原体。

所以特异性,指的是一一对应的关系。

当人体感染了某种特定细菌、病毒,这些细胞只会识别该特定病原体或被感染的细胞。

通过一定机制将其暴露在髓样细胞系的免疫细胞视野之中,比如巨噬细胞等。

如此就可以将其杀灭了。

此外,B细胞和T细胞是一种具有“学习”能力的细胞。

当它们接触到某种病原体之后,它们就会以记忆细胞的形式记录下对该病原体的“战斗记录”,如此下一次它们再次来犯之时,就可以快速的反应应对了。

细胞毒性T细胞是对抗病毒的主力军

不同于细菌的应对机制,病毒是寄生在细胞内的。

换句话说,巨噬细胞可以很快的识别“细菌”(异物)和正常细胞,但是,却无法识别正常的细胞和被感染的细胞。

但是,细胞毒性T细胞则可以弥补这种缺陷。

它们可以通过一种叫做MHC-1类分子的物质,来敏锐地察觉到正常细胞和被病毒感染细胞的差别。

正常的细胞会源源不断地生产属于自己的MHC-1类分子,并将其排出细胞外。

但是,当病毒入侵细胞之后,病毒的蛋白外壳等结构也会进入到细胞内。

病毒的蛋白外壳之所以能进入细胞,是因为病毒欺骗了细胞,它让细胞相信这是一种蛋白原材料。

病毒入侵细胞

病毒需要细胞内的溶酶体,来将其蛋白外壳溶解掉,如此才能释放出病毒的RNA等。

但是,细胞在生成的MHC-1类分子时,也会不可避免会带有病毒的相关片段。

MHC-1类分子等与病毒蛋白结合

然后,这份带有病毒信息的MHC-1类分子,就会被排出细胞外。

MHC-1类分子携带病毒蛋白信息被释放

而此时,我们的主角——细胞毒性T细胞就登场了。

它们很快会察觉到这份MHC分子信息的异常,然后从周边赶过来。最终,将其触角伸向被病毒感染的细胞。

T细胞“找到”问题细胞

细胞膜上都存在各式各样的蛋白质分子,它们是细胞进行“交流”的基石。

细胞们可以通过它起到细胞间的信号交流的目的。

这些蛋白,一般贯穿着细胞膜,暴露在细胞膜的外侧和内侧。

而在T细胞的细胞膜表面上自然也存在着各种功能蛋白。

而此时,T细胞会将伸出自己的TCR受体,这是一种启动细胞自行凋亡的受体。

TCR受体(红色部分)可与被病毒感染的细胞膜表面上的特定蛋白(绿色部分)相结合。

TCR受体被识别

当位于细胞膜外侧的蛋白部分被激活之后,细胞膜内侧的部分也相应要发生活性改变。

如此,细胞内的一些分子就会与该结构相结合。

细胞内开启一系列生化反应

这是一条链式反应,好比多米诺骨牌。只需要细胞膜外的蛋白受到了激活,细胞内就可以发生一系列相对应的生化反应。

最终,一种叫做半胱天冬酶原-8的物质被激活,变成了半胱天冬酶-8。

半胱天冬酶原-8被激活成为半胱天冬酶-8,并脱落

脱落后的半胱天冬酶-8,在细胞内游走,只要碰到目标物质,最终可将其转变成更具活动的蛋白水解酶——半胱天冬酶-3。

半胱天冬酶-8激活半胱天冬酶-3

而位于线粒体内的细胞色素C则会被激活释放出来,这是一种极具活性的物质。

它们来到细胞质后,会导致凋亡小体的形成,而凋亡小体可以更快更多地导致半胱天冬酶-3的产生。

凋亡小体激活产生更多半胱天冬酶-3

而半胱天冬酶-3是细胞骨架肌动蛋白的水解酶,当它数量变得巨大之时,细胞骨架就不复存在,最终细胞无法维持原来的形态,而破裂水解。

细胞水解

然而,这正是T细胞所想要的结果。

通过让被病毒感染的细胞提前破裂,一方面病毒无法继续在宿主细胞内产生更多后代,另一方面病毒等异物就暴露巨噬细胞等面前。

如此,巨噬细胞等就可以将病毒吞进肚子,用自己强大的溶解酶系统,将病毒消灭。

巨噬细胞试图吞下“异物”

B细胞及抗体

病毒当然也可以被抗体所清除。当T细胞将被病毒感染的细胞启动自行水解死亡机制之后,病毒们则会被巨噬细胞等所吞噬。

吞噬细胞不仅会将病毒的结构进行水解,还会将病毒的蛋白外壳(抗原)呈现给B细胞,如此B细胞就可以识别这种抗原。

然后B细胞就会立即自我增殖,产生浆细胞(效应B细胞)。效应B细胞,根据抗原的信息,产生可与该病毒蛋白外壳特异性结合的抗体。

当抗体会被源源不断地释放出来之后,抗体可将病毒用“铰链”的形式,将其捆绑起来。

抗体(绿色)与病毒抗原(蓝色)结合

如此,病毒就无法去感染新的健康细胞了。

而巨噬细胞上存在的受体,则可识别这是一种“异物”,进而可以轻而易举地将其吞进“肚子”,最终将其消灭。

抗体-抗原复合物被巨噬细胞吞噬

NK细胞和干扰素的抗病毒作用

经过上述的过程描述,眼尖的朋友似乎意识到MHC在免疫系统识别病毒上的重要性。

他们可能就会问,如果病毒感染细胞之后,不让细胞释放MHC分子,是不是免疫细胞就无法找到它们了。

确实,有一些病毒很“狡猾”,它们明显知道了这条途径,所以它们就不产生MHC分子。

但是,人体还存在着一种叫做自然杀伤细胞(NK细胞)的免疫细胞。

它可以专门检测细胞产生MHC分子的数量。

当细胞不产生、或产生的MHC分子明显低于正常水平,它就意识到这里面有猫腻。

于是,不管三七二十一,先让这个“问题细胞”死了再说。

NK细胞杀灭“问题细胞”

最终,它此时会扮演起细胞毒性T细胞的作用,将问题细胞启动自我死亡水解机制。

如此,狡猾的病毒又被暴露出来了。

除了免疫细胞对病毒的抵御,正常的组织细胞也有一定的抗病毒方法。

比如,干扰素就是细胞们用来对抗病毒的一种物质。

当细胞被病毒入侵之后,该细胞会在细胞内产生干扰素,来抑制病毒在其体内的繁殖。

而且,该细胞还会将这份信息传递给临近的细胞们,于是细胞们也开始加紧马力,生产出干扰素,以应对病毒可能的繁殖。

结语

通过对人体抗病毒的流程,我们其实可以清晰地看到病毒和细胞之间的“斗智斗勇”。

病毒是矛、细胞则是盾。

只是这世间没有“无坚不摧”的矛,也没有“坚不可摧”的盾。

这是一场“针锋相对”的相互学习、相互了解、相互抗争的斗争史。

只不过病毒们似乎总会掌握着先机,它们以“新病毒”的形式,入侵着细胞。

而免疫系统对于陌生事物,需要一段时间来了解它,但是病毒就可以利用这段时间来扩充自己。

新型冠状病毒,就是这样一种例子,当它入侵人体之后,我们的免疫系统还丝毫不曾察觉。

而一旦察觉之后,却早已在肺部留下了一大片一大片被破坏的肺组织。

我们有充足的理由相信,我们的机体最终还是会战胜它,只不过为此,我们付出了沉重代价。

致敬那些奋斗在抗击疫情的大众,缺少了任何一环的努力,胜利将无法得到保障。

尤其要致敬那些奋斗在一线的医疗工作者,他们即便遇到重重困难,也丝毫不曾退却!

现在网络上也充斥着抱怨,这是毫无意义的,因为它已经发生了!

不管怎样,我们这一次会学习到很多,成长很多!

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