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生命的法则(之六) 人体免疫的智慧

 爱游泳的黑熊 2020-03-26

导读:2015年,比尔盖茨在TED演讲中,对未来的预言一语成谶 —— 在未来几十年里,如果有样东西能杀掉上千万人,最有可能的,不是战争,而是种具有高传染性的病毒;不是导弹,而是微生物

免疫力——是最好的医生


文 | 立峰

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虽说人类早在几千年前就有了医学,但无论东方还是西方,传统医学不过是经验主义+主观臆断,时不时还参杂些巫术作为私货。在今天看来,当初那些奇葩的医学,实在有些自欺欺人、聊胜于无,甚至更像是职业杀手。

而建立在实证科学基础上的现代医学,经过一代代的植物学家、化学家、生物学家、遗传学家的努力,终于与传统医学分道扬镳,成为了一门独立的科学。但现代医学从诞生起,至今也不过百年。

正如本系列上篇《现代医学——有多管用》所说的,现代医学看似高大精深,但却绝非万能。对于大部分疾病,医学并不能根本解决问题,抑或,根本解决不了问题。

但生命又如此脆弱,无处不在的微生物,虽然细微到无从感知,一旦侵入人体,却往往致命。事实上,在漫长的演化史上,人类根本没有医学的保护,却依然在充斥着微生物、病原体的世界里,繁衍生息、发展壮大,所仰赖的,只有人体经亿万年演化而来的、精妙绝伦的免疫系统。

血管里的红细胞和白细胞

如果我们把身体想象成一个王国,那么王国时刻都必须面对细菌、病毒寄生虫等等外部敌人,即病原体。免疫系统,就是王国用来抵御病原体、打击外敌的防御体系。其中,不但要有冲锋陷阵的军队,还得有情报传输和武器制造部门。而人体的健康,全都得依靠免疫系统各部门高度警觉、分工明确、勤恳敬业、夜以继日的工作。

人体免疫,是我们健康的底层逻辑,所有的疾病都与免疫有关,如果丧失了免疫力,那么人连几天都活不了,即便有再高明的医学,都将无济于事。

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于是,有人总爱拿提高免疫力说事,没事就乱吃所谓“提高免疫力”的保健品,且不说这些保健品是否真的有用,随便提高免疫力的强度和阈值,不但会引起意想不到的麻烦,甚至还可能是致命的。

英国著名演化生物学家理查德·道金斯,用盲眼钟表匠,来隐喻自然演化的神奇和巧妙。而人体的免疫系统也同样如此,亿万年来,它被演化这只巧手设计、雕琢得精妙绝伦。而它所要展现的,并非简单的力量强弱的对比,而是一种精准平衡。免疫系统无论是过度强势、或是过分灵敏,都未必是一件好事。

人体免疫 既要求精准 又需要平衡

1、若免疫系统一发现坏人,便不分青红皂白、立刻打足鸡血、火力全开,则往往容易误伤自己人,会在无意间杀死大量正常的体细胞,往往杀敌一千、自损八百。

就像很多Coronavirus感染者中的重症病例,免疫系统没能清除病毒,却因免疫细胞被过分激活,而形成细胞因子风暴,在清除病毒的同时,对正常的体细胞发起疯狂攻击,而导致了人体多器官的衰竭,并危及到病人的生命。

细胞因子风暴,即一种过度免疫现象。

2、免疫系统通常有自己的识别机制,以防止误伤自己人。但如果识别机制出错,也可能把“好人”当成“坏人”。

过敏,即对无害的外来物质,做出了错误的免疫应答,发起无原则的胡乱攻击,进而损伤了正常机体组织。过敏是典型的自身免疫疾病,往往很难治愈,比如: 

1、红斑狼疮,就是一种非常凶险的、因免疫力过分提高引起的疾病。最初,病人脸部两侧出现大片红斑;随后,不但眼睛、皮肤处创伤愈演愈烈,身体的大部分内脏,也都受到了自身免疫系统的攻击;最后所有器官逐渐衰竭、直至死亡。就好像大水冲了龙王庙。

2、风湿性关节炎,即免疫系统攻击关节的结缔组织,出现类似发炎的症状;Ⅰ型糖尿病,因免疫系统攻击胰岛细胞,而使胰腺无法正常分泌胰岛素。重症肌无力,也是免疫系统攻击了肌肉细胞上的神经,致使肌肉无法正常收缩。

肥大细胞释放组织胺(Histamines右下角绿色物质)

3、哮喘荨麻疹,是最常见的过敏病症,其共同病因是:组织中的肥大细胞被不明物质刺激而过度反应,释放出一种叫组织胺的化学传导介质,使血管壁通透性增加、组织液外溢,致使皮肤或粘膜水肿并隆起

当隆起部位是气管,那就是哮喘;若是皮肤,则会产生剧烈瘙痒;而鼻粘膜的隆起,就是过敏性鼻炎;如果脑部血管隆起,而挤压神经,那就是偏头疼。有过敏体质的人,特别容易头疼,就是这原因。

这么多表现各异的疾病症状,并无细菌感染。究其原因,大多是花粉、柳絮、绒毛等的蛋白质;还有牛奶、花生、海鲜等食物蛋白,都是些生活中常见的无害物质引起的。

而当引起过敏的物质消失,过敏部位会很快恢复如初,就好像什么都有没发生过。但讨厌的是,引起过敏的物质千奇百怪,而大多数情况下,我们都难以找到过敏源。

目前所知的人体自身免疫病有一百多种,机理相似,都是免疫系统不断地攻击自身细胞造成的。但几乎所有的自体免疫病,都属于疑难杂症,没有病因、无法治愈,唯一的办法,是用服用免疫抑制剂进行缓解

既然现代医学已经宣布,对于免疫系统疾病至今都无能为力,所以,凡宣传能治好上述疾病的,那就一定是骗子。

一个巨噬细胞(一种专门吞噬病原体的白细胞) 遇上一群有害细菌

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而免疫系统的精妙之处,正在于它的中庸平衡、恰到好处。 

其实,免疫系统并没有打算清除掉所有的细菌和病毒,它的第一要务,就是分清楚谁是敌人、谁是朋友。

1、人体内本就存在大量对人体有益、与人体共生的细菌,始终与免疫系统和平相处、并获得豁免。而免疫系统也绝非简单粗暴,它只负责清除对人体有害的病原体微生物。

免疫系统与微生物之间,既斗争、又妥协,既彼此塑造、又保持平衡。(具体参见《 细菌—到底有多强大》)

2、事实上,健康人体内也有病毒,与免疫系统同样相安无事。但当人的免疫力大幅下降,病毒也会趁机大量繁殖,使人体出现疾病症状。

比如,95%中国人体内都有巨细胞病毒,这是一种疱疹病毒,绝大部分人感染后没有症状,只有化验才能发现。

再如,很多人感染一种叫弓形虫的寄生虫,这一般与养宠物有关。各国感染弓形虫的比例都很高,英国有40%,法国更达到90%,中国也有25%,但大部分人与弓形虫一生相安无事。

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但总有些致病病原体,会夸越千山万水、克服重重困难,来到我们身边、侵入我们身体。这时,免疫系统就会立刻行动起来,并总能明确识别、精准打击、并定点清除所有的敌人。

首先,病原体要进入人体、安营扎寨,就得突破人体的第一道防线——皮肤+粘膜+肺。

(1)人体表面的皮肤,是阻隔病原体的第一道天然物理屏障。皮肤由死去的细胞堆积而成,表皮下的汗腺、皮脂腺会分泌具有抗菌成分的物质,所以只要皮肤上没有破损,几乎没有什么微生物能穿过皮肤、进入我们体内。

事实上,病原体进入人体的概率真的很低。它们绝大多数都死在了入侵的途中,死于地板、桌面、纸巾,死于皮肤分泌的化学物质,或死于不适合的环境与温度。

(2)但粘膜,同样与外界直接接触。比如呼吸过程中,肺部会吸入各种杂质、微生物,而游走于肺泡的尘细胞,则会吞噬掉这些异物。细菌等生物能够被分解,而PM2.5等无法分解的物质,便被存储于尘细胞,顺着气管上纤毛的摆动方向,被向上送达咽喉,痰就是它们与唾液的混合物。

其实大部分痰会进入胃,由胃酸作杀菌处理。因此,胃酸是人体防线重要的杀伤性武器。

呼吸道黏膜上有纤毛 可清除异物

但是,一旦皮肤出现伤口,细菌等微生物便会突破第一道防线,趁虚而入、进入体内,并发生炎症反应

这时伤口附近的肥大细胞会释放组织胺,使血管膨大、血管壁变薄,于是淡黄色的血浆便从血管细胞缝隙中涌出,而血浆里夹杂的武器,就是各种各样的白细胞

因为伤口附近一下涌入许多液体,所以会明显肿胀起来。受伤后伤口的水肿,就意味着身体的免疫机制,正通过改变血液运输特性,带来了杀灭微生物的军队。

白血球即白细胞 括血浆里的白细胞、以及淋巴细胞

巨噬细胞

所谓白细胞,其实是个统称,是相对于红细胞而言的。白细胞其实是无色的,包含许多种类,职责是消灭入侵的微生物,比如嗜中性粒细胞、嗜酸性粒细胞、单核细胞等等。

比如单核细胞。一旦遭遇敌人,单核细胞的体积会一下增加几十倍,变成巨噬细胞,吞噬细菌等微生物。

 吞噬细胞吞噬细菌过程

趁着白细胞陆续赶来的功夫,侵入人体的细菌也在争分夺秒、繁殖自己,它们之间,将是场数量速度的较量和对决。

白细胞固然勇武,但它吞噬细菌的数量是有限的,在大约吞掉15个细菌后,白细胞自己也会死亡。

虽然吞噬细菌一旦开始工作,就相当于开启了自杀程序,但它们依旧敬业本分、争分夺秒、拼命工作;边吞还边往外吐些东西,如分解蛋白的酶、氧化氢、一氧化氮等。这些都有助于杀灭细菌,虽然对人体细胞同样有害,但战斗之初期、当细菌数量占优时,这也不失为一种有效的策略。

当后续大队白细胞陆续赶来,越聚越多、一同奋勇杀敌,伤口处就会流出淡黄色的脓液,这是由白细胞的尸体汇聚而成的。当细菌被全部歼灭,皮肤红肿的伤口,才慢慢恢复平静。等破损的皮肤长出新的细胞,伤口就愈合了。

T淋巴细胞

但是,当我们的身体遇到一种从没见到过的细菌或病毒,免疫系统通常反应较慢;但只要一种病菌第二次出现,免疫系统便会立刻认出坏人、迅速反应。

一场战斗中,冲锋陷阵的主力显然是巨噬细胞。但巨噬细胞除了吞噬细菌,还会把细菌表面的蛋白质嵌在自己细胞膜上,到处向同伴展示,让大伙儿都看到入侵者的特征。

这些入侵者表面的蛋白质碎片,就是抗原,带着抗原的巨噬细胞,还会把信息输送给辅助T细胞,但这些蛋白质碎片所标志的抗原特征并不精确。

而辅助T细胞的特长,就是精准标识抗原信息,并把这信息广泛传递出去,以激活同伴T细胞、以及B淋巴细胞。

适应性免疫的过程

树突状细胞抗原信息传递给T细胞

其实这工作很多白细胞都能做

但树突状细胞是一种功能最强的抗原呈递细胞

T淋巴细胞,大致分为辅助性T细胞、细胞毒性T细胞,它们产生于骨髓,在胸腺thymus中分化、成熟,再通过淋巴循环与血液循环,分布全身、发挥免疫作用。所谓T细胞,正是取了thymus的首字母。

我们所熟知的艾滋病毒,其感染目标就是辅助T细胞——这个免疫系统中专门分析敌情、传递信息的关键角色。艾滋病病毒专爱入侵辅助T细胞,把自己的基因片段接入其基因,将其劫持为病毒工厂,从而从根本上摧毁了人体的免疫功能。

艾滋病人失去了辅助T细胞,侵入人体内的坏人特征便无法被准确标记,巨噬细胞失去了攻击方向,人体便从此失去了保护。

B淋巴细胞

上面我们提到了抗原。抗原是指进入人体的外来物质,如细菌、病毒、花粉等,每种物质都以特定蛋白质表示,抗原能够诱发机体发生免疫应答。

B淋巴细胞,是专门产生抗体的。抗体的形状像Y,下端连接于细胞膜,而斜上方分出来的两个分叉,就是用来与千奇百怪的抗原分子精准结合、一一对应的。

 B细胞横截面与抗体的形态

人体可能合成的抗体种类有上百万种之多。理论上,人一生中无论遭遇多少外来入侵者,它们所携带的抗原特征,抗体都足以清楚辨别。抗体只有能变化无穷,才可能够标记每一个侵者的体貌特征。

每个B细胞只携带一种抗体,外来的抗原有多少种类,人体就能产生多少种类的对应抗体。抗体就是免疫球蛋白,因此人体能够合成的B细胞蛋白质种类,同样不计其数。

B细胞来源于骨髓,存储于淋巴。当不同种类的B细胞在体液中飘荡、遇到某种外来抗原时,就会纷纷上前与之匹配,一旦抗体与抗原匹配成功,B细胞就被立刻激活,开始了疯狂的有丝分裂,复制出许许多多相同的抗体。

而一场防御战一旦开打,B细胞也会一刻不停、日夜兼程,拼命制造抗体。也因为工作太过拼命,所以B细胞的寿命一般都只有2天。

而这些被大量制造出来的抗体,就像一张张通缉令,在第一时间四处寻找、锁定相应细菌,而在倾巢而出的嗜中性粒细胞眼里,身上挂着抗体蛋白质的细菌,都是极其美味的大餐。

上排依次:嗜中性粒细胞 嗜酸性粒细胞 嗜碱性粒细胞 单核细胞

下排依次:T细胞 B细胞 自然杀伤细胞 巨噬细胞

相比于细菌感染,病毒感染又是另外一种情况。

细菌一旦进入人体,就能疯狂繁殖。相比之下,病毒就实在可怜了。病毒只有进入人体细胞,才能表现出生命的特征,否则它们与非生命没啥两样。

(1)当一个病毒千辛万苦进入人体,事实上依然十分脆弱,如果被抗体盯上,病毒身上的蛋白质刺突(即病毒与细胞结合的点位),便会被抗体覆盖。这样,病毒不但失去了入侵细胞的机会,还因为身上挂着抗体,会很快被路过的白细胞吃掉。

所以病毒必须乔装打扮、伪装自己,才可能骗过细胞、偷偷潜入细胞内部,利用细胞内的资源进行疯狂复制,直至细胞资源耗尽、死亡破裂,成千上万的病毒就能倾巢而出,再去祸害别的细胞。

 每种病毒上的独特刺突 是它欺骗细胞 蒙混过关的工具

(2)但即便病毒成功侵入了细胞,也并不表示它的胜利,免疫系统依然可能把被病毒劫持的细胞杀死。因为病毒在细胞里忙着复制自己时,细胞膜就会挂上许多病毒外壳的蛋白质。而人体内的杀伤性T细胞,则能够通过识别蛋白质,而能找到被病毒感染的细胞。

杀伤性T细胞,还有个吓人的名字叫细胞毒性T细胞,专门用来杀死被感染或变异的细胞,包括癌细胞。它首先分泌一种“穿孔蛋白”,将被感染的细胞打开、并注入毒素,让细胞开启自杀程序;当细胞内部溶酶体的膜破裂,释放出水解酶时,细胞内所有细胞器、包括病毒,便会被消化殆尽、一网打击。

细胞毒性T细胞 简称杀手T细胞

杀死被感染的人体细胞的过程

当伤害来自于外部,免疫系统当然当仁不让;但有的时候,伤害也可能来自内部,比如癌细胞,清除癌细胞同样是免疫系统份内的工作。

癌细胞本来也是体内的正常细胞,但在几次变异出错后,就成了分裂不受控制的坏分子。一旦体内出现癌细胞,就会被一种叫自然杀伤细胞的淋巴细胞清除掉。自然杀伤细胞是癌细胞的天敌,能够识别、清除绝大部分的癌细胞。

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对免疫系统来说,需要时刻保持警惕、保障自己王国的安全;但面对千变万化的病原体,又必须提高效率、节约资源、精准打击。于是,在漫长的演化中,在先天性免疫(即非特异性免疫)的基础上,脊椎动物又获得了一种针对特定病原体的特异性免疫。

无论你感染过细菌、还是病毒,只要被某种病原体感染过一次,血液中就会带有针对相应抗原的抗体,寿命长的在血液里存在几十年都不会消失。

所以人的免疫系统是有记忆性的,吃过一次亏,那么下次再遇上同样的病原体,免疫系统就能迅速识别、很快再组织起有效的防守反击。常常还没等你察觉到有什么情况发生,入侵者就已经被全部消灭了。

这就是我们上文中描述的,在免疫系统与外来病原体的战斗中,T细胞、B细胞,用抗体来辨别、检测病原体所携带抗原的过程。

但问题是病原体千变万化,人体可能接触到自然界中的蛋白质,至少有几百万种,而免疫系统却总是能准确识别每种抗原,并生产与之精准匹配的抗体。

那么问题来了,抗体是蛋白质,而且每种蛋白质的合成都需要基因资源,可人类的基因总共只有2.5万个,两者竟然相差了好几个数量级。

其实,在人的基因组里,只有几百个基因是专门用来合成抗体的。它们合成的,只是一些抗体的基础片段。而免疫系统的聪明之处,正是能利用这些片段的排列组合,拼凑出无数种真正的抗体。是这些排列组合的多样性,决定了抗体的多样性。

左:免疫球蛋白与抗原(红色)匹配

右:在T细胞抗体上嵌入片段的免疫疗法

1、体液中的B细胞,带着随机产生的抗体,偶遇一种新的抗原;

2、要是运气好,两者可能大致匹配上,于是B细胞便被在一定程度上激活,而加速复制自己;

3、但又因抗原与抗体并非完全匹配,B细胞在复制时,就会有所调整;

4、直至两者完美匹配,B细胞才被真正激活,开始疯狂地有丝分裂、复制抗体。

这就是B细胞制造新抗体的大致过程。只要免疫系统与病原体有过一次交手,体内就会留存相应的抗体,当类似病原体再次出现,抗体便会被很快激活

这样,免疫系统就能取得时间上的优势,从容不迫、兵来将挡;趁着细菌病毒还没大量繁殖,在短时间内,就能制造足够的抗体,将体内的病原体悉数标记出来,好让赶过来的白细胞大军,迅速将危机扼杀于摇篮之中。

所以,当病原体相同,人体被一种细菌感染过,往往就能获得终身免疫,即异性免疫。而疫苗的研发制作,同样是依据这个原理。

流感病毒表面红色的是H蛋白

但有些狡猾的RNA病毒,如流感病毒。为逃避人体免疫,会不断变换病毒表面的H蛋白。H蛋白就是抗原的标记,H蛋白变了,就好像旧病毒换上了新马甲,让免疫系就一下就认不出来。

而最近的新·冠Virus,正是一种蝙蝠携带的冠状病毒表面,被接入了一段S蛋白,因而能与人体细胞表面ACE2蛋白准确结合,而感染人类。但对于人的免疫系统来说,这种全新病毒是完全陌生的。当免疫系统还正在懵圈、没能回过神来,病毒就已经在人体的心肺和肾脏等器官处大量繁殖,长驱直入了。

当免疫系统遇上全新的抗原,就需要一定时间,来发生应答、产生抗体。而负责杀灭病原体的吞噬细胞、嗜中性粒细胞等白细胞大军,必须在T细胞、B细胞等情报部门提供信息后,才能大举进攻、剿灭敌军。如果时间不帮忙,战斗便难以获得主动。因此,在免疫战争中,能否及时获得抗体,是至关重要的一步。

 显微镜下美丽的白细胞

有些病原体所以凶险,因为它们不按套路出牌,而逃过了免疫系统的追杀。

1、比如引起肺结核结核分枝杆菌,它被吞噬细胞一口吞掉后,不但未被分解,还竟然在细胞内部获取营养、繁殖自己。当吞噬细胞被消耗殆尽、壮烈牺牲,结核杆菌则蜂拥而出、再度作恶。

捕食对象反戈一击,把捕猎者当成了猎物,免疫系统就跟着失灵了。

2、天花之所以顽劣,情况也颇为类似。天花通过呼吸道传播。病毒从呼吸道上皮细胞进入,专门感染白细胞中的核细胞,而单核细胞,正是专门吞噬病原体的巨噬细胞的雏形。可见天花病毒攻击的,也正是免疫细胞本身,因而很难被遏制。

3、无独有偶,艾滋病毒所攻击的辅助性T细胞,同样是一种免疫细胞。

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当历史上每次出现新型疫病,通常都来势汹汹、收割大量人命。但随时间流逝,群体中的大多数人,终会获得相应的特异性免疫

当适应期过后,虽然致病的病原体还在,但大多数人都在此过程中获得了抗体。健康的成年人便不再被感染,而受感染的,多半只剩下儿童,而且症状也会轻得多。

这并非因为儿童的免疫力低下,而是在他们短暂的生命里,免疫系统遇到过的病原体太少,而没足够的历练;儿童体内已有的抗体,也少得可怜。

于是,许多烈性传染病都成了儿童病,如天花、麻疹、流行性腮腺炎等。而这些病原体与人类相识已久,也变得越来越温和,即便感染,只要精心护理就能痊愈。

只要我们活着,免疫系统就在一刻不停地忙碌和战斗着。它忙着识别、剿灭致病病原体时,会经常把外来的花粉、尘埃,甚至食物蛋白都一概误认为是坏人,而胡乱攻击一番。

现代人之所以动不动就过敏,也许是人类社会在飞速发展的同时,过于剧烈地改变了地球环境,所造成的后果。在漫长的古代,可能几百上千年,自然环境都不会有多少变化;但现在,短短的几十年,就让人感觉沧海桑田了。

而近几十年来,原本悄无声息地存在于动物体内的病毒,如HIV、Ebola、H1N1、Sars、Mers等,屡屡大规模感染人类。这些来自动物的病毒,之所以频繁地到人类世界兴风作浪,是否同样源于人类对大自然的过度侵占和开发?

而这些病毒所以凶险,恰恰因为它们对我们是全然陌生的。人体的免疫系统,对其闻所未闻、也毫无防备。通过体液传播的病毒,尚能在一定范围得到控制;而直接通过空气、接触就能相互传染的病毒,则非常容易引起大规模的爆发。然而,人类对此,却至今无所作为、毫无办法。

人的免疫系统,在亿万年的演化中,经自然选择之手打磨雕琢,而变得精妙无比、令人惊叹,但却依然经不住无知、贪婪的人类,毫无节制地跨越禁忌、惹祸上身。

2015年,比尔盖茨在题为The Next Outbreak? We're Not Ready的TED演讲中说: 

在未来几十年里,如果有样东西能杀掉上千万人,最有可能的,不是战争,而是具有高传染性的病毒;不是导弹,而是微生物。

If anything kills over 10 million people in the nextfew decades, it's most likely to be a highly infectious virus rather than a war.Not missiles, but microbes.

但是,人们依旧沉浸在追名逐利、争王争霸的妄念之中,并未对比尔盖茨的忠告丝毫有所警觉,直到疫情爆发、不可收拾。而这,也不过是再次证明了墨菲定律。

人类一思考,上帝就发笑。而人类所有的愚蠢,有一种最为突出:即自以为是、忘乎所以。

相信人定胜天,所付出的,往往是生命的代价;做梦争霸全球,到头来,却把瘟疫传遍世界。敬畏自然、尊重生命者,方能得到和谐与安宁;而无知傲慢、狂妄自大者,只能是一败涂地、万劫不复。

1、《我们为什么还没死掉》,作者:伊丹·本-巴拉克Idan Ben-Barak,耶路撒冷希伯来大学医学学士、微生物硕士,悉尼大学科学历史与哲学博士。

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