免疫学笔记第01篇-免疫学是什么
本书主要内容
最近正在读一本书，《How the immune system works》，中文名是《免疫学概览》，这本书的第四版有中文译本。但最新的英文版是第六版，这篇读书笔记（争取把这本书的笔记做完）是针对第六版做的。
这本书很薄，约170页，但信息量很大，主要内容如下：
- 免疫学整体；
- 天然免疫系统；
- B细胞与抗体；
- 抗原呈递；
- T细胞活化；
- T细胞作用；
- 次级淋巴器官与淋巴细胞运输；
- 免疫系统的调控；
- 自身耐受与MHC限制性；
- 免疫记忆；
- 肠道免疫系统；
- 免疫系统的失控；
- 免疫缺陷；
- 疫苗；
- 肿瘤与免疫系统；
- 免疫疗法。
本书作者
这本书的作者是Lauren Sompayrac，他还有一本不错的书，叫《病毒学概览》。
网上检索到的作者信息大概如下：
Lauren Sompayrac出生在杰克逊维尔（Jacksonville是美国佛罗里达州最大城市），本科就读于MIT，他于1963年获得物理学学士学位。
在1969年，他获得基本粒子物理学博士学位。经过两年的粒子物理学博士后研究，他搬到了哥本哈根，在微生物学研究所做了两年的博士后。
1973年回到美国，成为哈佛医学院病理学系的博士后研究员，在那里他研究了肿瘤病毒。
1976年，他转到科罗拉多大学分子、细胞和发育生物学系继续研究肿瘤病毒，最终在1998年退休前晋升为教授。
退休后，他撰写科学书籍，于1999年，在布莱克韦尔科学出版出版了《免疫学概览》一书（当时应该是第一版），现在是2019年了，《免疫学概览》已经出版到了第6版。
从背景来看，作者原来并不是免疫学出身，因此作者的书是完全是另外一种思路写的，还是很有意思的，值得一看。
本书特点
免疫系统从字面上来看是一个系统，既然是系统，那么系统发挥作用时就是系统内的成员进行团队作战。这个团队的成员我们大致可以把它们分为两类，分别是天然免疫系统(innate immune system，天然免疫系统也叫固有免疫系统)和适应性免疫系统(adaptive immune)。
免疫学这门学科并不容易，主要体现在以下几点：
- 细节太多，这些繁琐的细节对理解免疫学的一些概念造成 了一定的障碍，例如各种趋化因子，细胞因子，受体，细胞亚群等等。
- 免疫学中存在着太多的例外情况，而这些例外情况则是免疫学家研究免疫的线索。
- 人们对免疫学的理解不断地在进步，一些知识在今天看来是正确的，明天就不一定了。
而这本书的特点就在于忽略掉了很多细节内容，只给你描述一个免疫学大框架，很容易让没学过免疫学的初学者建立起知识框架，方便以后进一步的学习。
天然免疫系统
人体对抗病原体的第一道防线其实是物理防线，例如皮肤，黏膜系统等，不过这并不是我们的重点。我们先来看一下天然免疫系统是如何工作的。
打个比方，你刚洗完澡，你走上床时，脚趾突然被一个木片扎了一下，并流血了。木片上有很多细菌，不久之后你就会发现伤口变红，并且肿了，这一现象表明，你的天然免疫系统已经发挥作用了，受伤的部位吸引了很多白细胞（至于为什么叫白细胞，后面会讲）过来，这些白细胞与细菌战斗诱发了红肿。而在这些白细胞中，最有名的就是巨噬细胞，下图展示的就是巨噬细胞正在吞噬一个细菌：
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现在我们有一个问题，巨噬细胞是如何知道那里有一个细菌的？
这是因为巨噬细胞上有很多天线（就是我们所说的受体，receptor，例如TLR4之类的），当这些天线监测到危险分子时，就会知道那里有异常，这里所说的危险分子是指那些病原体上共同有的一些分子。例如，一些病原体上会含有多糖这种分子，而人体的细胞表面则几乎没有。这样巨噬细胞就能分辨分辨出哪些是病原体。
巨噬细胞吞噬了细菌后，会形成一个囊泡包裹细菌，即吞噬体(phagosome)，随后吞噬体与溶酶体(lysosome)融合，溶酶体中含有许多化学物质与酶，这些物质能够杀死细菌。巨噬细胞采取这样的策略是因为溶酶体中的这些物质如果不加以控制，也会对自身造成杀伤。
巨噬细胞的英语是macorpahge，这个单词是由两部分构成的，即macro，它表示巨大的意思，phage来源于希腊语，意思是吃掉。因此巨噬细胞是就是一体积很大的吃货。巨噬细胞除了能吞噬病原体外，它还能吃掉几乎所有的东西，例如其它细胞碎片。有的免疫学家就利用了巨噬细胞的这个特性，给它喂铁屑，然后使用磁铁将巨噬细胞分离出来。
巨噬细胞和其它的一些血细胞来源于造血干细胞(blood stem cell，这种细胞位于骨髓)，造血干细胞是一种能自我更新的细胞，这里的自我更新指的是，一个造血干细胞能分裂两个细胞，其中一个还是原来的造血干细胞，另外一个会继续分化为其它的细胞，如下所示：
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造血干细胞分化出来的细胞根据颜色可以分为两类，一类是红细胞，功能就是输送氧，它显红色，也就是我们看到的血液的颜色。另一类就是白细胞，白细胞包括中性粒细胞，巨噬细胞等等，这里叫白细胞是因为这类细胞缺乏血红蛋白，因此不显红色。
当造血干细胞要分化为巨噬细胞时，它首先要离开骨髓，进入血液，此时的细胞叫单核细胞（nonocytes），人体在任何时刻，体内约有20亿个单核细胞。这些单核细胞游走在循环系统，然后进入毛细血管，毛细血管的内壁上有很多内皮细胞(endothelial cell)，而单核细胞就会驻留在内皮细胞的间隙，进而发育为巨噬细胞。
现在我们再回到前面提到的受伤的情况，你的脚被一个木片擦伤后，这个木片上的细菌就会通过伤口进入体内，你体内的巨噬细胞就会吞噬掉这些细菌，同时释放出各种化学物质，这些化学物质功能各异。有的能够增强伤口附近的血液流动，因此伤口处会变红。一些化学物质会诱导毛细血管收缩，让细管细胞之间的缝隙扩大，从而让毛细血管中的物质泄露出来，这一过程会导致肿胀。此外，巨噬细胞释放的化学物质还会产生痛觉，从而告诉大脑，这里出现了意外情况。巨噬细胞释放还能释放一些细胞因子(cytokines)，一些细胞因子会向附近的单核细胞或其它免疫细胞发出信息，这些细胞也参与进入，共同对抗细菌，此时， 在你伤口附近就出来了激烈的炎症反应（炎症反应的特征就是红、肿、热、痛，我们在生理书上都学过），这就是天然免疫发挥的功能。
这一过程是机体的一种策略：巨噬细胞在这一过程中担当了哨兵的角色，当哨兵发现敌人（细菌）后，就会发出信号（细角因子），招募更多的军队参与战斗。巨噬细胞随后就会先抵抗入侵者，直到增援部队的到来。
天然免疫系统中除了巨噬细胞外，还包括其它一些成分，例如补体蛋白，自然杀伤细胞。补体蛋白能够在细菌表面上打孔，自然杀伤细胞能够清除细菌，寄生虫，被病毒感染的细胞以及一些肿瘤细胞，这些内容后面会提到。
适应性免疫系统
在所有的动物体内，还存在着第三个层面的防御机制，即适应性免疫系统(adaptive immune system)，适应性免疫系统特征之一就是能够保护宿主免受特定的病原体的入侵。例如在Edward Jenner的牛痘实验中，他给人接种了牛痘后，人体就会免于天花病毒的入侵（天花病毒类似于牛痘），在这一过程中发挥主要保护作用的就是适应性免疫系统。
后来人们发现提供这种保护的物质主要是抗体(antibody)，而诱导机体产生抗体的物质称为抗原(antigen)，例如牛痘病毒就是抗原，抗体的结构就是免疫球蛋白G(immunoglobulin G, IgG)，如下所示：
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从上图我们能看到，IgG由2个不同的蛋白配对构成，一个是重链(Heavy chain, Hc)，一个是轻链(Light chain, Lc)。一个IgG分子含有两个相同的臂，即Fab区，Fab区的作用是与抗原结合，并且不同的抗体能结合不同的抗原。但是抗体并非只有一个IgG结构，它只占到血液中抗体比例的75%，此外，还有其它的结构，即IgA，IgD，IgE和IgM，这些抗原都是由B细胞产生的（更确切地说是奖细胞样B细胞，plasma B cells），B细胞发源于骨髓。
再回到抗体分子，抗体分子除了Fab区外，它还有一个Fc区，Fc区是恒定区，即constant region，也就是上图中的后面区分，就是抗体分子的尾巴区域。Fc区能够与巨噬细胞表面的受体结合，Fc区的另外一个功能就是决定抗体的类型，例如IgG和IgA的区别就在于Fc区。
抗体的头部区，也就是Fab区是与抗原结合的区域，由于与不同的抗原结合所需要的Fab区并不同，因此我们就需要很多不同的抗体分子。我们到底需要多少个不同的抗体才能对抗病原体呢？免疫学家们估计，我们大致需要1亿个不同的抗体分子才能满足要求。由于一个Fab区是由一条轻链和一条重链构成的，因此我们大概需要10000个不同的重链与10000个不同的轻链，才能产生约1亿个不同的抗体。但是，人类的细胞也只有25000个基因，那么如果一条轻链和一条重链都是由不同的基因编码的，那么我们人类的多数基因都被用于生产抗体了，这显然是不太可能的。
下一篇内容会介绍导致抗体多样性的分子重排机制，这是由日本免疫学家利根川进（Tonegawa Susumu)提出的，他也是1977年的诺贝尔奖获得者。
参考资料
- http://medicine.jbpub.com/infectiousdisease/About_the_Author.cfm
- How the Immune System Works.6th Edition,by Lauren M. Sompayrac
