病理学/白细胞的渗出和吞噬作用

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炎症反应的最重要功能是将炎症细胞输送到炎症局部,白细胞渗出是炎症反应最重要的特征。中性粒细胞单核细胞渗出可吞噬和降解细菌免疫复合物坏死组织碎片,构成炎症反应的主要防御环节。但白细胞也可通过释放化学介质和毒性自由基等,引起组织损伤并可能延长炎症过程。

白细胞的渗出过程是极其复杂的,经过附壁、粘着、游出和趋化作用等阶段到达炎症灶,在局部发挥重要的防御作用。

1.附壁 随着血管扩张血管通透性增加和血流缓慢,白细胞离开轴流,并沿内皮滚动。此时内皮细胞表面衬覆一层滚动的白细胞,犹如在人行道上前进的人群。最后白细胞粘附于血管内皮细胞。

2.粘着 虽然多种因素影响着内皮细胞与白细胞的粘着,诸如内皮细胞和白细胞表面负电荷被中和而相互排斥力下降,二价阳离子桥接内皮细胞与白细胞而促进粘着等,但现 在明了这种粘着是内皮细胞和白细胞表面粘附分子(adhesion motecule)相互识别引起的。炎平可使内皮细胞和炎症细胞表达新的粘附分子,增加粘附分子的数目和增强彼此的亲合性。

某些因子作用于内皮细胞,而另一些作用于白细胞,还有一些作用于两者,促进粘附分子的表达。

(1) 白细胞表面粘附分子的表达:在补体C5a作用下白细胞增加三种整合蛋白糖蛋白的表达。整合蛋白是由不同的α单位和β亚单位构成的异二聚体,具有广泛的生 物功能。促进白细胞与内皮细胞粘着而表达于白细胞的整合蛋白包括LFA-1、MAC-1和P150-95(即CD11/CD18复合物)。C5a不仅可促 进这三种整合蛋白的表达,还可改变其构象而增加与配体的亲合性。

(2)内皮细胞表面粘附分子的表达:在内皮细胞表面MAC-1和LFA-1 的配体是细胞间粘附分子1(intercellular adhesion molecule 1,ICAM-1)。在IL-1和其它一些炎症介质的作用下,内皮细胞可增加细胞表面粘附分子的表达。高表达内皮细胞白细胞粘附分子 1(endothelial leukocyte adhesion molecule 1,ELAM-1)可促进中性粒细胞的粘着;高表达ICAM-1促进中性粒细胞和淋巴细胞的粘着;血管细胞粘附分子(vascular cell adhesion molecule1,VCAM-1)促进淋巴细胞和单核细胞粘着。

(3)肿瘤坏死因子(TNF)则可促进内皮细胞和白细胞粘附分子的表达。

3.游出和趋化作用 白细胞通过血管壁进入周围组织的过程称为游出(emigration)。粘着于内皮细胞表面的白细胞沿内皮表面缓慢移动,在内皮细胞连接处伸出伪足,整个 白细胞逐渐以阿米巴运动方式从内皮细胞缝隙逸出,到达内皮细胞和基底膜之间,最终穿过基底膜到血管外(图5-3)。用电子显微镜可追踪此游出轨迹。一个白 细胞通常需2~12分钟才能完全通过血管壁。中性粒细胞、单核细胞、淋巴细胞、嗜酸性和嗜碱性粒细胞都是以此种阿米巴运动方式游出的。血管壁受严重损伤时 红细胞也可漏出,但这是个被运过程,是流体静压力把红细胞沿白细胞游出的途径或内皮细胞坏死崩解的裂口推出血管外。

中性粒细胞的附壁和游出


图5-3 中性粒细胞的附壁和游出

注入致炎因子(毒素)10小时后的局部小静脉,可见四个中性粒细胞,1.中性粒细胞与多个红细胞(RBC)位于血管腔内,2.中性粒细胞正穿过血管壁到达血管外,3.中性粒细胞位于内皮细胞(E)和周细胞(P)之间,4.中性粒细胞游出达到血管外

炎 症的不同阶段,游出的白细胞也不同。在急性炎症的早期,中性粒细胞首先游出。48小时后组织内则以单核细胞浸润为主,其原因首先在于中性粒细胞的寿命短, 经24~48小时中性粒细胞崩解消失,而单核细胞在组织内存活时间长;中性粒细胞停止游出后,单核细胞仍可持续游出;第三个因素为在炎症的不同阶段所激活 的趋化因子不同。现已证实中性粒细胞能释放单核细胞趋化因子,因此中性粒细胞游出后必然引起单核细胞的游出。此外,由于致炎因子不同,渗出的白细胞也不 同:常见的葡萄球菌链球菌感染,以中性粒细胞渗出为主;病毒感染以淋巴细胞为主;在一些过敏反应,则以嗜酸性粒细胞渗出为主。

趋化作用 (chemotaxis)是指白细胞向着化学刺激物所在部位作定向移动,移动速度约每分钟5~20μm。这些化学刺激物称为趋化因子。研究白细胞的趋化作 用可采用微孔滤膜Boyden小室技术的和显微缩时摄影技术记录白细胞的运动轨迹。研究发现,趋化因子的作用是有特异性的,有些趋化因子只吸引中性粒细 胞,而另一些趋化因子则吸引单核细胞,或嗜酸性粒细胞等。此外,不同细胞对趋化因子的反应能力也不同。粒细胞和单核细胞对趋化因子的反应较显著。而淋巴细 胞对趋化因子的反应则较弱。

一些外源性和内源性化学物质具有趋化作用。常见的白细胞趋化因子包括可溶性细菌产物、补体系统成分(特别是 C5a)和花生四烯酸脂质加氧酶途径的代谢产物(特别是白细胞三烯B4)等。单核细胞还对中性粒细胞的衍生物致敏淋巴细胞所释放的因子及纤维粘连蛋白 断片起趋化反应。在Ⅰ型变态反应中,IgE致敏肥大细胞或嗜碱性粒细胞在同种抗原的刺激下,可释放过敏反应嗜酸性粒细胞趋化因子(EFC-A),致使嗜 酸性粒细胞积聚。此外致敏淋巴细胞释放的因子和C5a也是嗜酸性粒细胞的趋化因子。

白细胞如何“发现”趋化因子,趋化因子又如何引起白细胞 定向运动?首先,白细胞表面有趋化因子的受体,在各种趋化因子与其特异性受体结合后可引起一系列信号传导通路成分的改变,尽管其全部机制并未彻底揭开。在 趋化因子与白细胞表面的受体激活后可激活磷脂酶C,导致4,5二磷酸磷脂酰肌醇水解,产生三磷酸肌醇和二乙酰基甘油,进而使细胞内游离钙离子升高,首先是 细胞内储存钙释放,然后是细胞外钙离子通过钙通道进入细胞内。由于细胞内钙离子浓度升高,细胞内便组装可引起细胞运动的收缩成分。此外在趋化因子与受体结 合后还能激活磷脂酶A2,后者将细胞膜磷脂转换成花生四烯酸。二乙酰基甘油通过激活蛋白激酶C在白细胞激活的不同阶段、脱颗粒和分泌过程中发挥作用。

4.白细胞在局部的作用 游出的白细胞在炎症灶局部发挥吞噬作用(phagocytosis)和免疫作用,能有效地杀伤病原微生物,因而成为炎症防御反应中极其重要的一环。

(1)吞噬作用:吞噬作用是指白细胞游出到炎症灶,吞筮病原体以及组织碎片的过程。完成此功能的吞噬细胞主要有两种;中性粒细胞和巨噬细胞,其吞噬异物的过程基本相同,但其结构和化学成分则有所不同。

1) 吞噬细胞的种类:中性粒细胞直径10~12μm,胞核呈杆状或分叶状,通常为2~5叶,叶间有染色质丝相连,核染色质呈块状,着色深。细胞浆内富含中性颗 粒,相当于电镜下的溶酶体。在电镜下,中性颗粒可分为嗜苯胺蓝颗粒和特异性颗粒两种。前者又称嗜天青颗粒,体积较大、电子密度高,约占全部颗粒的 10%~20%。含有酸性水解酶中性蛋白酶、髓过氧化物酶、阳离子蛋白溶菌酶及磷脂酶A2等。特异性颗粒较小、电子密度较低,占全部颗粒的80%,含 有溶菌酶、磷脂酶A2、乳铁蛋白碱性磷酸酶等。

炎症灶内的巨噬细胞,大多来自血液的单核细胞,直径为14~17μm。细胞核肾形或弯曲 折叠的不规则形,染色质颗粒纤细而疏松,故着色较浅。胞浆较丰富,内有大小、致密度和形态均不一致的溶酶体,富含酸性磷酸酶氧化酶。巨噬细胞受外界刺激 能被激活,表现为细胞体积增大,细胞表面皱襞增多,线粒体和溶酶体增多,其功能也相应增强。

2)吞噬过程:包括识别和粘着、吞入及降解三个阶段。

① 识别和粘着:在无血清存在的条件下,吞噬细胞很难识别并吞噬细菌。因为在血清中存在着调理素(opsonin),即一类能增强吞噬细胞吞噬活性的血清蛋白 质,主要是IgG和C3b。吞噬细胞藉其表面的Fc受体和C3b(C3bi或Mac-1),能识别被抗体或补体包被的细菌,经抗体或补体与相应受体结合, 细菌就被粘着在吞噬细胞的表面(图5-4)。

②吞入:细菌粘着于吞噬细胞表面之后,吞噬细胞乃伸出伪足,随伪足延伸和互相吻合,形成由吞噬 细胞包围吞噬物的泡状小体,谓之吞噬体(phagosome)。吞噬体逐渐脱离细胞膜进入细胞内部,并与初级溶酶体融合,形成吞噬溶酶体 (phagolysosome),溶酶体内容物倾注其中,细菌在吞噬溶酶体内被杀伤、降解。

③杀伤和降解:进入吞噬溶酶体的细菌主要是被具有活性的氧化代谢产物杀伤的。吞噬过程使白细胞的耗氧量激增,可达正常消耗量的2~20倍,并激活白细胞氧化酶(NADPH氧化酶),后者使还原型辅酶Ⅱ(NADPH)氧化而产生超氧负离子(O2-)。

吞噬过程示意图


大多数超氧负离子经自发性歧化作用转变为H2O2。在中性粒细胞的嗜天青颗粒中存在着髓过氧化物酶(MPO),在有氯化物存在的条件下,该酶可将H2O2还原生成次氯酸HOCL.)(图5-5)。

吞噬过程示意图


HOCL.是强氧化剂杀菌因子。羟自由基是另一种杀菌因子。

吞噬过程示意图


图5-4吞噬过程示意图

示吞噬细胞的识别和吞入

吞噬细胞的氧化代谢活性产物杀菌机制图解


图5-5 吞噬细胞的氧化代谢活性产物杀菌机制图解

氧代谢产物可通过下列途径杀菌:

①与细菌细胞膜磷脂分子中的高度不饱和脂肪酸发生脂质过氧化反应,导致细胞膜的生理状态破坏,细胞膜对阳离子的通透性升高。细菌内游离钙离子浓度的升高,可激活钙依赖性磷脂酶和某些蛋白激酶,从而造成细菌的损伤和死亡。

②与氨基酸蛋白质和糖分子上的某些反应基因发生氧化还原反应,使具有重要生理功能的酶失去活性,一些大分子物质改变其物理生物学特性。

③可穿过细胞膜进入细胞内部,与细菌内部分子起作用。

④与细菌的DNA发生反应,促进姐妹染色单体交换。此外脂质过氧化物在分解过程中产生丙二醛,后者与DNA发生交联,从而影响DNA复制,阻断细菌繁殖,最后导致细菌死亡。

因此,H2O2-MPO-CL-系统是最有效的杀菌系统,其杀菌效能比单独H2O2强50倍,而且对细菌、真菌支原体病毒均有杀伤效应。

白细胞颗粒中那些不依赖氧的物质也能杀伤病原体,包括增加细菌通透性蛋白(bacterial permeability-increasing protein,即BPI蛋白)、溶菌酶(水解细胞之细胞壁)、乳铁蛋白和一组新发现的富含精氨酸的阳离子蛋白质,后者能溶解细菌细胞壁,被称作杀菌 (phagocytin)或防御素(defensins)。吞噬作用完成后,吞噬溶酶体内的pH降至4~5,其内的酸性水解酶就可在此种合适的的pH环境 下发挥降解细菌的作用。

通过吞噬细胞的上述杀伤作用,大多数病原微生物被杀伤。但有些细菌,在白细胞内处于静止状态,仍具有生命力和繁殖力,如结核杆菌,一旦机体抗抵力下降,这些病原体又能繁殖,并可随吞噬细胞的游走而在体内播散。生活在吞噬细胞内的细菌难以受到抗生素和机体防御机制的影响,故很难在机体内消灭。

(2)免疫反应:免疫反应需淋巴细胞、浆细胞和巨噬细胞的协同作用。淋巴细胞大小不一,直径6~16μm。胞核圆 形或卵圆形,核的一侧常有小凹陷,核染色质呈致密块状,故着色深。胞浆少,可见少数不含过氧化酶的嗜苯胺蓝颗粒。淋巴细胞又分为T细胞和B细胞。浆细胞形 状特殊,呈一端稍粗的卵圆形,核呈圆形,位于细胞的较粗端一侧,在胞浆侧与胞浆间有一亮晕核的异染色质丰富呈轮辐状排列。胞浆略嗜碱性,电镜下富含粗面内 质网。其功能在于产生抗体。

抗原进入机体后,巨噬细胞将其吞噬处理,再把抗原递呈给T和B细胞,使其致敏。免疫活化的淋巴细胞分别产生淋巴因子和抗体,发挥其杀伤病原微生物的作用。

淋巴细胞和浆细胞浸润常见于慢性炎症,尤其是与细胞免疫有关的慢性肉芽肿性炎症,如结核梅毒等。

(3) 组织损伤:在某些情况下,白细胞激活后可向细胞外间隙释放其产物,这些产物包括溶酶体酶、氧源性代谢产物和花生四烯酸代谢产物(前列腺素和白细胞三烯) 等。这些产物本身有强烈的介导内皮细胞和组织损伤的作用及加重原始炎症刺激因子的损伤效能。这种白细胞介导的组织损伤在许多人类炎症性疾病中都能见到,类风湿性关节炎便是一个明显的例证。

5.白细胞的功能缺陷 如前所述,白细胞在机体的防御反应中起着极其重要的作用。先天性和获得性白细胞功能缺陷将造成病人的反复感染。从白细胞先天性功能缺陷的病例可加深对白细胞在炎症反应中的作用的认识。现举例说明如下:

(1)吞噬功能缺陷:可表现在从与内皮细胞的粘着到杀菌活性的全过程。

1)粘着缺陷:典型的例子是白细胞粘着缺陷(leukocyte adhesion deficiency), 见于常染色体隐生遗传病,其发病机制在于LFA-1和Mac-1中的β链生物合成缺陷,因而影响白细胞粘着于内皮细胞。

2)识别障碍:主要因调理素缺乏,见于丙种球蛋白缺乏症及补体缺乏。

3) 趋化作用缺陷:可表现为白细胞运动能力降低和趋化因子产生障碍,如在Chédiak-Higashi综合征常染色体隐性遗传性疾病),以白细胞胞浆内出 现巨大溶酶体为其特征,存在多种异常,包括微管组装障碍,因而影响白细胞的位移。而先天性补体缺乏则使趋化因子生成障碍。

4)吞入或脱颗粒 障碍:在Chédiak-Higashi综合征时,由于微管组装障碍,而影响溶酶体内容物倾入吞噬小体,影响白细胞的杀菌能力,因而病人表现为反复化脓性 感染。中性粒细胞肌动蛋白功能障碍(actin dysfunction)影响病原体的吞入。当然,调理素缺乏亦影响病原体的吞入。

5)杀伤作用缺陷:H2O2产生障碍见于慢性肉芽肿病(chronic granulomatous disease,CGD),它是X连锁遗传性疾病,男性婴儿和儿童患病,是由于NADPH氧化酶缺乏,故影响H2O2的产生,导致 H2O2-MPO-CL-杀菌功能不良。一般细菌在代谢过程中能产生少量H2O2,但有的细菌能产生分解H2O2过氧化氢酶,如金黄色葡萄球菌,所以该 细菌可在CGD患者体内存活下来。而肺炎双球菌等产生少量H2O2,却不产生过氧化氢酶,这些H2O2则足以启动H2O2-MPO-CL-杀菌功能系统, 而将细菌杀死。因此CGD病人常表现为过氧化氢酶阳性细菌的感染。这类病例说明活性氧化代谢产物在杀灭病原微生物中的重要作用。

某些疾病如Chédiak-Higashi综合征和糖尿病,则因多个环节缺陷而影响吞噬作用。

(2)免疫反应缺陷:主要是先天性免疫缺陷,严重损伤机体的免疫功能及炎症反应。例如B细胞缺陷(Bruton综合征)、T细胞缺陷(Di George综合征),以及联免疫缺陷病等。

了解急性炎症过程的基本病变就可清楚地阐明炎症的局部表现。炎症局部小血管呈明显而又持续性地扩张,致使局部组织发红。发生在体表或接近皮肤的炎症,由于局 部血流量增多,故局部发热肿胀的主要原因是局部水肿和渗出物积聚。对局部疼痛的机制目前还不十分清楚,某些炎症的介质如缓激肽和某些前列腺素可引起疼 痛。因局部水肿和渗出物积聚所引起的组织内张力增高可能是疼痛最重要的因素,因此脓肿在局部排脓后疼痛症状可立即缓解。局部功能障碍是由于疼痛而反射性地 抑制肌肉活动,以及局部水肿使活动受限所致。

32 血管通透性升高 | 炎症介质 32
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