免疫学:人体防御系统的科学探索与应用

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免疫学:人体防御系统的科学探索与应用

免疫学

免疫学(Immunology)是研究生物体免疫系统组成及其应答机制的学科。它既是一门基础科学,也是现代医学的前沿领域,在应用中扮演关键角色。免疫学的学科代码为18022。

人类对免疫的认知始于与传染病的斗争。中国明朝期已有医书记载种痘预防天花的方法。18世纪末,英国医生爱德华·詹纳(Edward Jenner)通过接种“牛痘”成功预防天花,开创了人工主动免疫的先河。1890年,埃米尔·阿道夫·冯·贝林(Emil von Behring)与其同事Kitasato Shibasaburo发现白喉抗毒素,奠定了免疫血清疗法的基础。1957年,澳大利亚免疫学家弗兰克·伯内特(MacFarlane Burnet)提出克隆选择学说,成为免疫学核心理论。2011年,美国科学家布鲁斯·博伊特勒卢森堡科学家朱尔斯·霍夫曼因“发现免疫激活关键原理”、加拿大科学家拉尔夫·斯坦曼因“揭示树突状细胞在适应性免疫中的作用”共获诺贝尔生理学或医学奖。

免疫学是生命科学的前沿和现代医学的支柱,已衍生出免疫、免疫化学、免疫生理学、免疫病理学、免疫遗传学、免疫酶学、血液免疫学、肿瘤免疫学、移植免疫学及临床免疫学等分支。其应用涵盖疾病诊断、预防与治疗:免疫诊断是临床关键手段;接种新型冠状病毒疫苗等免疫预防措施可控制传染病;免疫治疗为多种疾病提供新希望。

词源及定义

免疫(immunity)一词源自拉丁文“immunitas”,原意“豁免徭役”,后引申为对疾病的抵抗力。两千年前,人类已发现康复者对同类传染病具抵抗力,称为免疫。

免疫学(Immunology)主要研究免疫系统组成与应答机制,包括结构功能及疾病诊断防治。它既是基础科学,也是生物学的重要应用领域。医学免疫学聚焦人体免疫,具强理论性与高应用价值。

研究对象

免疫系统:含免疫器官、免疫细胞和免疫分子。免疫功能由免疫系统执行。

免疫应答(immune response):指免疫系统识别清除“非已”物质的过程,分固有免疫与适应性免疫。适应性免疫应答具特异性、耐受性和记忆性,可分细胞介导免疫与体液免疫。异常应答可致免疫相关疾病。

免疫功能:机体识别清除外来抗原与内源突变衰老细胞、维持内环境稳定的能力。概括为:免疫防御、免疫自稳与免疫监视。

自体免疫性疾病:免疫系统异常所致疾病,如发育异常导致的免疫缺陷病,或应答异常引发的肿瘤、感染、超敏反应等。

应用免疫诊断

免疫诊断(immunodiagnosis)应用免疫学理论技术诊断疾病与评估免疫状态,是确定病因、病变部位或免疫状态的核心方法。技术趋向微量、自动、快速。

抗原抗体体外特异性结合,可用已知抗原(或抗体)检测未知抗体(或抗原)。依物理性状差异,可出现凝集反应、沉淀反应、中和反应及免疫标记等技术。

通过体外或体内实验分离鉴定免疫细胞可评估免疫功能。常用标本为外周血或淋巴组织,检测包括T/B细胞数量功能、细胞毒试验、吞噬功能及细胞因子测定。

免疫预防

免疫预防(immunoprophylaxis)通过接种疫苗控制传染病。接种牛痘新型冠状病毒疫苗成功消灭天花;减毒活疫苗助力全球消灭脊髓灰质炎;重组疫苗有效控制乙型肝炎。中国计划免疫在儿童传染病控制中成效显著。

免疫预防扩展至非传染病领域,疫苗应用不断拓展。适应性免疫获方式分自然免疫与人工免疫。

自然免疫指感染病原体后产生的免疫,或经胎盘/乳汁从母体获抗体。

人工免疫人为诱导适应性免疫:人工主动免疫用疫苗激发适应性免疫应答预防疾病;人工被动免疫注射特异性抗体(如抗毒素)紧急治疗或预防。

疫苗发展历经三代:第一代含灭活疫苗、减毒活疫苗和类毒素;第二代含亚单位疫苗与重组蛋白疫苗;第三代以基因疫苗为代表。类型包括灭活疫苗、减毒活疫苗、类毒素、亚单位疫苗、结合疫苗、DNA疫苗、重组载体疫苗等。

免疫治疗

免疫治疗基于免疫学原理,用物理、化学和生物学手段调节免疫功能以治疗疾病。单克隆抗体在肿瘤、移植排斥和自身免疫病治疗中突破;细胞因子治疗贫血、白细胞血小板减少症、病毒性肝炎显效;造血干细胞移植治白血病不可替代;免疫抑制剂提升器官移植成功率;肿瘤免疫治疗成研究热点。

分子治疗输入分子制剂(如抗体、细胞因子)调节免疫应答。

细胞治疗输入细胞制剂(如细胞新型冠状病毒疫苗、干细胞移植、过继免疫细胞)增强特异性免疫。

生物应答调节剂(BRM)增强免疫功能,对低下者尤效,用于肿瘤、感染、自身免疫病、免疫缺陷病治疗。含治疗性疫苗、单克隆抗体、细胞因子、微生物产物、合成分子等。

免疫抑制剂抑制免疫功能,防移植排斥与治自身免疫病。

其他

免疫学技术还应用于法医学痕迹鉴定、食品科学研究与安全管理、生物化学血清鉴定、物种进化研究、重金属污染检测等。

发展历史和相关人物经验免疫学时期

人类免疫认知始于抗传染病实践。中国古代医家提出“以毒攻毒”,尝试人工轻度感染获免疫力。葛洪肘后备急方》(约303年)与孙思邈千金要方》(约648年)记载“取狂犬脑敷之”防狂犬病,为早期预防接种实践。

天花曾为烈性传染病。16世纪中国明朝隆庆间种痘法记载:用康复者痂皮粉吹入儿童鼻腔预防,此法传至俄罗斯朝鲜日本土耳其和英国。1772年英国王室允用,种痘者死亡率降为未种者1/10至1/5,为牛痘发现奠基。

18世纪末英国医生爱德华·詹纳(Edward Jenner)接种牛痘防天花成功。1798年提出“vaccination”概念,开创人工主动免疫。1980年世界卫生组织(WHO)宣布全球消灭天花。

实验免疫学时期

早期免疫聚焦抗感染免疫。病原菌发现与新型冠状病毒疫苗研制推动发展。19世纪70年代多致病菌分离成功,德国细菌学家Robert Koch提病原菌致病概念,识减毒病原体接种可防病。法国微生物学家Louis Pasteur制炭疽杆菌减毒活菌苗炭疽病,后制狂犬疫苗。

1883年俄罗斯学者Elie Metchnikoff提细胞免疫假说(吞噬细胞理论),开创固有免疫。

1890年,埃米尔·阿道夫·冯·贝林(Emil von Behring)与同事Kitasato Shibasaburo发现白喉抗毒素,次年用抗毒素血清救患儿,创免疫血清疗法(人工被动免疫)。1901年贝林获首屆诺贝尔生理学或医学奖。后建抗原抗体概念与血清学技术。

1899年,比利时医生Jules Bordet发现补体(complement),在抗体存在下溶菌/细胞。

20世纪初,奥地利公国医学家Karl Landsteiner启抗体与半抗原研究,后发现ABO血型基于红细胞糖链末端低聚糖差异,避免输血反应,推临床医学发展。Landsteiner为血型血清学奠基者,发现ABO、MNP和Rh血型系统。

1937年,Arne Tiselius与Elvin Kabat用电泳法发现免疫血γ球蛋白具抗体活性,认抗体即γ球蛋白(实则α/β球蛋白也含部分抗体)。

1959年,英国生物化学家Rodney Porter与美国Gerald Edelman研究免疫球蛋白化学结构,发现重轻链氨基酸组成的可变区与恒定区,为抗体多样性机制奠基。

1957年澳大利亚免疫学家弗兰克·伯内特(MacFarlane Burnet)提克隆选择学说,源于天然/人工免疫耐受实验。1975年,Georges Kohler与Cesar Milstein创B淋巴细胞杂交技术产单克隆抗体,证此学说,革命性影响生命科学与医学。

1974年,Niels Jerme提免疫网络学说(抗体独特型与抗独特型识别)。

1957年,Bruce Glick发现鸡腔上囊切除致抗体产生缺陷,称此类细胞为B细胞(B为腔上Bursa首字母)。1961年,Jacques Miller与Robert Good通过胸腺切除模型与临床观察,发现T细胞(T为胸腺thymus首字母)依赖胸腺发育。

20世纪70年代发现自然杀伤细胞(NK细胞),无需抗体预刺激即可杀伤肿瘤细胞。1973年,美国学者Ralph Steinman发现树突状细胞,证其为最强抗原提呈细胞,刺激初始T细胞。后提单核吞噬细胞系统(mono-phagocytic system,黏多糖贮积症),替代网状内皮细胞系统概念。

科学免疫时期

1953年James Watson与Francis Crick揭示脱氧核糖核酸双螺旋结构,启生命科学新纪元。分子生物学兴起推免疫学发展,大量免疫分子基因被克隆,新分子表达,免疫应答研究深入基因分子水平,分子免疫学成核心分支。

1978年日本分子生物学家Susumu Tonegawa用基因重排技术揭示免疫球蛋白C区与V区基因在胚系DNA中分隔,V区含众多V、D、J基因片段。此理论影响T细胞受体基因发现。

1984年Mark Davis与Chien Saito等克隆T细胞受体(TCR)基因,其结构与重排类似免疫球蛋白,多样性更丰。TCR发现助T细胞杂交瘤与克隆技术发展。

20世纪30年代,George Snell建同类系小鼠品系,发现同种移植排斥相关基因区域H-2,证其为多基因复合体(主要组织相容性复合体MHC),含多等位基因

20世纪50年代,法国科学家Jean Dausset发现人类白细胞抗原(HLA)系统。Baruj Benacerraf研免疫应答基因(Ir基因)控特定抗原应答,证其位于小鼠H-2的I区。1974年,Peter Doherty与Rolf Zinkernagel揭示细胞毒性T细胞识别病毒抗原时的MHC限制性,为肾脏与骨髓移植奠基。

20世纪80年代克隆多种细胞因子,影响造血、细胞活化、生长分化、免疫调节、炎症等过程。90年代人类基因组计划生物信息学应用推新细胞因子研究,用于临床医学免疫生物治疗。

1989年,Charles Janeway提固有免疫模式识别理论。1994年,Polly Matzinger基于此提“危险模式”理论。

21世纪,固有免疫受体介导的免疫细胞活化与信号转导成生物医学热点。2011年,美国科学家布鲁斯·博伊特勒(Bruce A. Beutler)与卢森堡科学家朱尔斯·霍夫曼(Jules A. Hoffmann)因“发现免疫激活关键原理”、加拿大科学家拉尔夫·斯坦曼(Ralph M. Steinman)因“揭示树突状细胞在适应性免疫中的作用”共获诺贝尔奖。

发展趋势发展情况基础免疫学

随分子生物学、生物信息学、组学与活体显微技术发展,分子免疫学研究深化,免疫系统与应答机制认知更全面。新免疫分子(如CD分子、细胞因子及受体、模式识别受体与信号分子)结构与功能深入阐明;免疫分子互作网络更清;免疫细胞谱系发育中转录因子、生长因子调控机制及表面标志与功能深刻诠释;能量代谢、表观遗传对免疫细胞功能影响更解。

临床免疫学

免疫学与临床医学结合紧,几所有疾病发生发展涉免疫因素。免疫在超敏反应、自身免疫病、免疫缺陷病、感染、肿瘤、生殖系统病、神经系统病等诊断、预防与治疗中作用突显。新免疫诊断技术涌现;DNA疫苗、重组疫苗、亚单位疫苗等新型疫苗发展,非传染性疫苗突破;单克隆抗体、细胞因子、免疫细胞等方法完善,治疗应用日重。

参考资料 >

学科代码在线预览|GB/T 13745-2009.国家标准全文公开系统.2023-11-23

All Nobel Prizes.Nobel Prize.2023-12-08

Emil von Behring.Nobel Prize.2023-12-08

Sir Frank Macfarlane Burnet.Nobel Prize.2023-12-08

标签: 免疫防治理论 科学防疫从我做起答案 免疫学培养方案

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