Miễn dịch bẩm sinh

Hàng rào biểu mô

Ba vị trí tiếp giáp giữa cơ thể và môi trường bên ngoài là da, đường tiêu hoá và đường hô hấp. Vi sinh vật có thể xâm nhập vào cơ thể từ môi trường bên ngoài qua những chỗ tiếp giáp đó thông qua tiếp xúc trực tiếp, do nuốt hoặc hít vào. Cả ba cửa ngõ này đều được che phủ bởi các biểu mô nối liền với nhau có tác dụng như những hàng rào sinh lý ngăn cản không cho vi sinh vật xâm nhập ([link]). Các tế bào biểu mô còn tạo ra các chất kháng sinh có bản chất là các peptide có tác dụng tiêu diệt vi khuẩn. Ngoài ra biểu mô còn có một loại tế bào lympho có tên là các tế bào lympho trong biểu mô (intraepithelial lymphocyte). Các tế bào này về bản chất là các tế bào thuộc dòng lympho T nhưng lại có các thụ thể dành cho kháng nguyên khá thuần nhất. Một số tế bào loại này có các thụ thể có cấu trúc gồm hai chuỗi g và d tương tự nhau nhưng không hoàn toàn giống hệt nhau thay vì là các thụ thể có cấu trúc từ các chuỗi a và b như trên hầu hết các tế bào lympho T . Các tế bào lympho trong biểu mô, bao gồm các tế bào có thụ thể cấu trúc từ các chuỗi g và d, thường nhận diện các lipid của vi sinh vật và các cấu trúc khác mà các vi sinh vật cùng loại thường có giống nhau. Các tế bào lympho trong biểu mô được coi như người gác cổng ngăn không cho các tác nhân nhiễm trùng xâm nhập qua các biểu mô. Tuy nhiên chúng ta còn hiểu biết rất ít về tính đặc hiệu cũng như chức năng của các tế bào này. Một quần thể các tế bào lympho B có tên gọi là lympho B-1, tương tự như các tế bào lympho T trong biểu mô, các tế bào này cũng có các thụ thể dành cho kháng nguyên có cấu trúc tương đối thuần nhất. Các tế bào lympho B-1 không chỉ có ở biểu mô mà hầu hết thường thấy ở trong ổ bụng. Các tế bào lympho B-1 ở ổ bụng có thể đáp ứng chống lại các vi sinh vật và độc tố của chúng khi chúng chui qua thành ruột. Hầu hết các kháng thể IgM trong máu ở những người bình thường, còn gọi là các kháng thể tự nhiên, là sản phẩm do các tế bào lympho B-1 tạo ra. Rất nhiều trong số các kháng thể này đặc hiệu với các carbohydrade có trên vách của nhiều loại vi khuẩn.

Các chức năng của biểu mô trong miễn dịch bẩm sinh

Các tế bào làm nhiệm vụ thực bào

Hai loại tế bào là nhiệm vụ thực bào (gọi tắt là các thực bào) trong máu là các bạch cầu trung tính và các tế bào mono. Đây chính là các tế bào máu được điều động đến các vị trí có nhiễm trùng để nhận diện rồi nuốt các vi sinh vật và giết các vi sinh vật đó. Các bạch cầu trung tính (còn gọi là các tế bào bạch cầu nhân đa hình – polymorphonuclear leukocyte, viết tắt là PMN) là các tế bào bạch cầu có tỷ lệ cao nhất trong máu, khoảng 4.000 đến 10.000 tế bào/ 1 mm3 máu. Khi có nhiễm trùng thì tuỷ xương nhanh chóng tăng cường sản xuất các bạch cầu trung tính và có thể đạt tới số lượng 20.000 tế bào/ 1 mm3 máu. Quá trình sản xuất các bạch cầu trung tính ở tuỷ xương được kích thích bởi các cytokine có tên gọi là các yếu tố kích thích tạo bào lạc (colony-stimulating factor – viết tắt là CSF). Các yếu tố này do rất nhiều loại tế bào tạo ra khi có nhiễm trùng và tác động lên các tế bào gốc ở tuỷ xương, kích thích chúng tăng sinh và kích thích quá trình chín của các tế bào tiền thân của các bạch cầu trung tính làm cho chúng nhanh chóng trở thành các bạch cầu trung tính. Các bạch cầu trung tính là các tế bào đầu tiên đáp ứng lại hầu hết các loại nhiễm trùng, đặc biệt là nhiễm vi khuẩn và nhiễm nấm. Chúng nuốt các vi sinh vật ở trong máu sau đó chúng nhanh chóng chui qua thành mạch máu vào các mô tại những vị trí đang xẩy ra nhiễm trùng. Tại đây chúng cũng nuốt các vi sinh vật và sau đó chết tại đó sau vài giờ.

Các tế bào mono thì chiếm tỷ lệ thấp hơn so với các bạch cầu trung tính trong máu. Tỷ lệ các tế bào mono trong máu vào khoảng 500 đến 1.000 tế bào/ 1 mm3 máu. Các tế bào này cũng nuốt các vi sinh vật trong máu và ở các mô. Khác với các bạch cầu trung tính, các tế bào mono sau khi thoát mạch vào các mô thì tồn tại ở đó lâu hơn. Tại các mô, các tế bào mono biệt hoá thành các tế bào có tên gọi là đại thực bào. Các tế bào mono trong máu và các đại thực bào ở các mô là hai giai đoạn của cùng một dòng tế bào và vì thế chúng thường được gọi là hệ thống các tế bào đơn nhân làm nhiệm vụ thực bào. Các đại thực bào cư trú trong các mô liên kết và trong tất cả các cơ quan của cơ thể, tại đó chúng có cùng chức năng như những tế bào đơn nhân làm nhiệm vụ thực bào vừa mới được điều động từ máu vào mô.

Các giai đoạn chín của các tế bào đơn nhân làm nhiệm vụ thực bào

Cách thức mà các bạch cầu trung tính và tế bào mono thoát mạch để vào mô nơi đang diễn ra nhiễm trùng đó là chúng bám vào các phân tử kết dính trên các tế bào nội mô của mạch máu dưới tác động của những chất hoá hướng động được tạo ra khi vi sinh vật xâm nhập vào cơ thể. Cụ thể là khi vi sinh vật lây nhiễm vượt qua được lớp biểu mô vào lớp mô bên dưới thì các đại thực bào cư trú ở đó sẽ nhận diện các vi sinh vật đó và đáp ứng lại bằng cách tạo ra các protein hoà tan được gọi là các cytokine (sẽ được mô tả chi tiết trong phần sau). Hai trong số các cytokine này là yếu tố hoại tử u (tumor necrosis factor – viết tắt là TNF) và interleukin-1 (viết tắt là IL-1) tác động lên các tế bào nội mô của các mạch máu nhỏ tại vị trí nhiễm trùng. Các cytokine này sẽ kích thích các tế bào nội mô của mạch máu nhanh chóng bộc lộ hai phân tử kết dính có tên gọi là E-selectin và P-selectin (tên gọi “selectin” ám chỉ đặc tính của các phân tử này là gắn vào các carbohydrate, một thuộc tính giống như của lectin). Các bạch cầu trung tính và các tế bào mono trong máu lại có các phân tử carbohydrate trên bề mặt của chúng nên chúng sẽ bám nhẹ vào các phân tử selectin và vì thế các bạch cầu trung tính giống như được “buộc” vào lớp nội mô của mạch máu. Do chúng chỉ được buộc nhẹ nên khi dòng máu chảy qua mạch máu đó sẽ làm đứt mối buộc ấy nhưng sau đó mối buộc khác lại được thiết lập vì trên mỗi bạch cầu trung tính có nhiều phân tử carbohydrate và trên nội mô cũng có nhiều phân tử selectin để cho chúng bám vào. Cứ như vậy tế bào bạch cầu giống như là “lăn” trên bề mặt của nội mô. Trong khi đó các tế bào bạch cầu lại còn có các phân tử kết dính khác có tên là các integrin do các phân tử này có vai trò “hội nhập” (Tiếng Anh là “integrate”) các tín hiệu ngoại lai vào bộ khung của tế bào. Bình thường ở các tế bào bạch cầu chưa được hoạt hoá thì các integrin tồn tại ở trạng thái có ái lực thấp. Khi các bạch cầu đang lăn trên bề mặt nội mô đồng thời các đại thực bào ở mô sau khi tiếp xúc với vi sinh vật thì tiết ra các yếu tố TNF và IL-1, các yếu tố này sẽ kích thích các tế bào nội mô sinh ra các cytokine khác có tên gọi là các chemokine (chữ chemokine để chỉ các cytokine có hoạt tính hoá hướng động – chemoattractant cytokine). Các chemokine bám vào bề mặt ở phía lòng mạch máu của các tế bào nội mô do đó chúng có nồng độ cao ở chỗ đang có các bạch cầu lăn tròn. Các chemokine này sẽ kích thích làm cho các phân tử integrin trên bề mặt của bạch cầu tăng mạnh ái lực của chúng với các phối tử của chúng trên bề mặt nội mô. Đồng thời với việc kích thích sinh ra các chemokine, TNF và IL-1 tác động lên các tế bào nội mô kích thích chúng bộc lộ các phối tử của integrin. Sự gắn kết chặt chẽ của các phân tử integrin với các phối tử của chúng giữ các tế bào lympho đang lăn tròn dừng lại. Bộ khung của tế bào bạch cầu tái sắp xếp lại làm cho hình dạng của tế bào uyển chuyển hơn, tế bào dẹt lại và trải rộng ra trên bề mặt nội mô mạch máu. Ngoài ra, các chemokine còn kích thích các bạch cầu chuyển động, kết quả là các bạch cầu bắt đầu “lách” qua thành mạch máu và di chuyển theo chiều gradient nồng độ của các chemokine tới vị trí nhiễm trùng. Kết quả của quá trình lăn tròn của các bạch cầu trên bề mặt nội mô nhờ các phân tử selectin rồi bám chặt và nội mô nhờ các phân tử integrin sau đó chuyển động dưới tác dụng của chemokine đã làm cho các bạch cầu từ máu thoát mạch ra mô nơi đang bị nhiễm trùng chỉ trong vòng vài phút sau khi nhiễm trùng bắt đầu. (Chúng ta cũng sẽ thấy trong chương 6 các tế bào lympho hoạt hoá di chuyển theo những cơ chế tương tự như vậy đến các mô nhiễm trùng). Các biểu hiện thâm nhiễm bạch cầu tại chỗ nhiễm trùng cùng với giãn mạch cục bộ và tăng tính thấm thành mạch tạo ra hình ảnh của phản ứng viêm mà chúng ta thấy trên lâm sàng. Các dị tật di truyền gây thiếu hụt số lượng các phân tử integrin và các phối tử của selectin trên bề mặt bạch cầu sẽ làm cho bạch cầu không có khả năng di chuyển đến nơi bị nhiễm trùng và các cá thể đó dễ bị nhiễm trùng hơn. Các trạng thái rối loạn này được gọi là các thiếu hụt tính kết dính của bạch cầu (leukocyte adhesion deficiencies).

Chuỗi các sự kiện diễn ra trong quá trình di chuyển của các bạch cầu từ máu tới những nơi có nhiễm trùng

Các bạch cầu trung tính và đại thực bào nhận diện các vi sinh vật trong máu và trong các mô nhờ các thụ thể trên bề mặt của chúng đặc hiệu với các sản phẩm do vi sinh vật tạo ra (hình 2.6). Có một số loại thụ thể khác nhau, mỗi loại đặc hiệu với các cấu trúc hoặc các “mẫu” khác nhau thường có ở các vi sinh vật. Các thụ thể giống Toll (Toll-like receptor – viết tắt là TLR) là các thụ thể có cấu trúc giống như một protein có ở ruồi Drosophila có tên là Toll. Protein này có vai trò thiết yếu giúp ruồi đề kháng chống lại nhiễm trùng. Các thụ thể TLR đặc hiệu với các thành phần khác nhau của vi sinh vật. Ví dụ như TLR-2 có vai trò thiết yếu giúp các đại thực bào đáp ứng chống lại một số lipoglycan của vi khuẩn, TLR-4 đặc hiệu với các lipopolysaccharide (viết tắt là LPS, còn có tên gọi khác là các nội độc tố) của vi khuẩn, TLR-5 đặc hiệu với flagellin (một thành phần cấu trúc nên các lông roi của vi khuẩn), và TLR-9 đặc hiệu với với các nucleotide CpG không methyl hoá là các nucleotide cũng thấy có ở các vi khuẩn. Các tín hiệu được tạo ra khi các thụ thể TLR gắn với các phối tử của chúng sẽ hoạt hoá một yếu tố phiên mã gene có tên NF-kB (viết tắt của chữ nuclear factor kB – yếu tố nhân kB), yếu tố này kích thích sản xuất các cytokine, các enzyme, và các protein khác tham gia vào các chức năng chống vi sinh vật của các tế bào làm nhiệm vụ thực bào hoạt hoá (sẽ đề cập đến ở phần sau). Các bạch cầu trung tính và các đại thực bào có các thụ thể có khả năng nhận diện các cấu trúc khác của vi sinh vật và điều này làm tăng cường khả năng thực bào và giết các vi sinh vật của chúng. Các thụ thể này bao gồm thụ thể nhận diện các peptide có chứa N-formylmethionine (loại peptide này chỉ có ở các vi sinh vật mà không có ở các tế bào của túc chủ), các thụ thể đặc hiệu với đường mannose (đã trình bầy ở phần trên), các phân tử integrin (chủ yếu là loại có ký hiệu Mac-1), và các thụ thể “lao công” (scavenger receptor, các thụ thể này đặc hiệu với một số phân tử có ở các vi sinh vật gây bệnh và cả ở cơ thể túc chủ). Các đại thực bào cũng có các thụ thể dành cho các cytokine như thụ thể dành cho interferon-g (viết tắt là IFN-g), một cytokine được tạo ra trong các đáp ứng miễn dịch bẩm sinh và thích ứng. IFN-g là một chất hoạt hoá rất mạnh các chức năng diệt vi sinh vật của đại thực bào. Ngoài ra các đại thực bào còn có các thụ thể dành cho các sản phẩm của quá trình hoạt hoá bổ thể và các kháng thể. Các thụ thể này bám rất “phàm” vào các vi sinh vật đã bị phủ bởi các protein bổ thể hoặc các kháng thể (các vi sinh vật phủ bởi kháng thể gặp trong đáp ứng miễn dịch thích ứng). Quá trình phủ lên các vi sinh vật bằng các protein bổ thể hoặc bằng các kháng thể để cho các tế bào làm nhiệm vụ thực bào dễ “ăn” các vi sinh vật hơn được gọi là opsonin hoá (bắt nguồn từ chữ opsoniun trong Tiếng Latin có nghĩa là làm cho ngon miệng).

Các thụ thể và các đáp ứng của các tế bào làm nhiệm vụ thực bào

Thực bào và giết các vi sinh vật bên trong tế bào

Sau khi nhận diện các vi sinh vật thì các bạch cầu trung tính và các đại thực bào sẽ “ăn” (chữ Hán Nôm là “thực”) các vi sinh vật. Đồng thời việc nhận diện vi sinh vật còn có tác dụng là hoạt hoá các tế bào làm nhiệm vụ thực bào giết các vi sinh vật mà chúng đã nuốt vào (hình 2.7). Quá trình thực bào diễn ra bằng cách các tế bào làm nhiệm vụ thực bào mở rộng màng nguyên sinh chất của chúng ra “ôm” lấy các vi sinh vật hoặc vật lạ mà nó đã nhận diện sau đó màng này đóng lại và đoạn màng đó bứt ra khỏi màng nguyên sinh chất của tế bào làm nhiệm vụ thực bào tạo thành một bọng bên trong có chứa vi sinh vật hoặc vật lạ. Bọng này được gọi là phagosome. Các phagosome sẽ hoà màng vào với các lysosome (tiêu thể) để tạo thành các phagolysosome. Cùng lúc với việc các các thụ thể của tế bào làm nhiệm vụ thực bào bám vào vi sinh vật để nuốt chúng thì các thụ thể ấy cũng gửi các tín hiệu hoạt hoá một số enzyme trong các phagolysosome. Một trong số các enzyme này là oxidase của tế bào làm nhiệm vụ thực bào có tác dụng chuyển phân tử ô-xy thành anion superoxide và các gốc tự do. Các chất này được gọi là các chất trung gian ô-xy phản ứng (reactive oxygen intermediate – viết tắt là ROI) có tác dụng độc đối với các vi sinh vật đã bị tế bào làm nhiệm vụ thực bào nuốt vào. Enzyme thứ hai là inducible nitric oxide synthase (viết tắt là iNOS) xúc tác quá trình chuyển đổi arginine thành nitric oxide (ô-xít ni-tơ, viết tắt là NO) cũng là một chất có tác dụng diệt vi sinh vật. Nhóm các enzyme thứ ba là các protease của lysosome có tác dụng phân cắt các protein của vi sinh vật. Tất cả các chất kháng vi sinh vật này được tạo ra chủ yếu ở trong các lysosome và các phagolysosome và chúng tác động lên các vi sinh vật đã được nuốt vào ở bên trong các bọng đó nên không hề gây tổn thương gì cho các tế bào thực bào. Trong những trường hợp phản ứng quá mạnh thì các enzyme kể trên có thể được giải phóng ra khoang gian bào và có thể gây tổn thương cho các mô của cơ thể. Đó là lý do tại sao các phản ứng viêm thường là phản ứng bảo vệ cơ thể chống lại nhiễm trùng nhưng đôi khi cũng có thể gây ra cả các tổn thương cho cơ thể. Trạng thái thiếu hụt enzyme oxidase của các tế bào làm nhiệm vụ thực bào do di truyền sẽ gây ra bệnh u hạt mạn tính (chronic granulomatous disease). Trong bệnh này các tế bào làm nhiệm vụ thực bào không có khả năng loại bỏ được các vi sinh vật sống bên trong tế bào của túc chủ và vì thế cơ thể túc chủ phải tìm cách khư trú ổ nhiễm trùng lại bằng cách huy động nhiều đại thực bào và các tế bào lympho đến chỗ nhiễm trùng hơn để bao bọc lấy vi sinh vật dẫn đến hình thành các u hạt.

Các chức năng của đại thực bào hoạt hoá

Ngoài chức năng giết các vi sinh vật đã được nuốt vào, các đại thực bào còn thực hiện một số chức năng khác có vai trò quan trọng trong đề kháng chống nhiễm trùng ([link]). Các đại thực bào sản xuất các cytokine là các chất trung gian quan trọng trong đề kháng của cơ thể (sẽ được đề cập trong phần sau). Các đại thực bào chế tiết các yếu tố tăng trưởng (growth factor) và các enzyme tham gia vào tái tạo tổn thương mô và thay thế chúng bằng mô liên kết. Các đại thực bào còn kích thích các tế bào lympho T và đáp ứng lại các sản phẩm của các tế bào T. Các phản ứng này có vai trò quan trọng trong đáp ứng miễn dịch qua trung gian tế bào sẽ được đề cập sau.