Table Of Content

Immunology Sciencephoto library ภาพจาก วิไลวรรณ เพชรโสภณสกุล วรลักษณ์ สัปจาตุระ ชุมพล สกลวสันต์ หทัยรัตน์ ธนัญชัย ปารเมศ เทยี นนิมิตร ภาควิชาจุลชีววิทยา คณะแพทยศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ พิมพ์ครั้งที่ 1 พ.ศ. 2543 แก้ไขครั้งที่ 1 พ.ศ. 2555 แก้ไขครั้งที่ 2 พ.ศ. 2556 แก้ไขครั้งที่ 3 พ.ศ. 2559 สารบัญ บทท ี่ หน้า 1 Introduction to Immunology วิไลวรรณ เพชรโสภณสกุล 1-14 2 Innate immunity หทัยรัตน์ ธนัญชัย 15-40 3 Immunoglobulins and Immunoglobulin Genes หทัยรัตน์ ธนัญชัย 41-59 4 Complement วิไลวรรณ เพชรโสภณสกุล 60-72 5 Principle and application of antigen-antibody หทัยรัตน์ ธนัญชัย 73-88 reactions 6 Major Histocompatibility Complex Molecule หทัยรัตน์ ธนัญชัย 89-105 and Antigen Presentation to T lymphocyte 7 B and T cell Development วิไลวรรณ เพชรโสภณสกุล 106-115 8 T cell Activation วิไลวรรณ เพชรโสภณสกุล 116-131 Effector Mechanisms of Cell-Mediated Immunity 9 B cell Activation and Antibody Production หทัยรัตน์ ธนัญชัย 132-148 Effector Mechanisms of Humoral Immunity 10 Mucosal Immunology ปารเมศ เทียนนิมิตร 149-167 11 Immunity to Microbes ปารเมศ เทียนนิมิตร 168-210 12 Transplantation Immunology หทัยรัตน์ ธนัญชัย 214-228 13 Tumor Immunology หทัยรัตน์ ธนัญชัย 229-240 14 Hypersensitivity ชุมพล สกลวสันต ์ 241-258 15 Immunologic Tolerance and Autoimmunity ปารเมศ เทียนนิมิตร 259-270 16 Immunodeficiency ปารเมศ เทียนนิมิตร 271-282 17 Immunotherapy ชุมพล สกลวสันต ์ 283-293 18 Vaccination วรลักษณ์ สัปจาตุระ 294-298 19 Laboratory Diagnosis for Immunological Disorders ชุมพล สกลวสันต ์ 299-306 บทที่ 1 Introduction to Immunology วิไลวรรณ เพชรโสภณสกุล ค าว่า immunity มีรากศัพท์จากค าในภาษาลาตินคือ immunitas ซึ่งหมายถึงป้องกันหรือไม่ถูก ด าเนินคดีของสมาชิกสภาสูงของโรมันในช่วงที่ด ารงต าแหน่ง ในประวัติศาสตร์ immunity หมายถึงการ ป้องกันจากโรคหรือโรคติดเชื้อ บทบาทของระบบภูมิคุ้มกันคือป้องกันการติดเชื้อ แต่อย่างไรก็ตามสารแปลกปลอมที่ไม่ใช่ตัวเชื้อก็ สามารถกระตุ้นภูมิคุ้มกันได้ ด้วยเหตุนี้การตอบสนองของระบบภูมิคุ้มกันจึงระบุให้ชัดขึ้นคือการตอบสนอง ต่อตัวเชื้อและชิ้นส่วนของเชื้อ รวมถึงสารแปลกปลอมที่มีโมเลกุลขนาดใหญ่เช่นโปรตีน โพลีแซคคาไรด์ และสารที่โมเลกุลขนาดเล็กที่อาจมาจากสภาวะปกติหรือเกิดพยาธิสภาพ เช่นในบางสภาวะโมเลกุลที่เป็น ของร่างกายเอง ก็สามารถกระตุ้นการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันต่อร่างกายตนเองได้ (autoimmune responses) นักประวัติศาสตร์มักจะให้การยกย่อง Thucydifes ซึ่งมีชีวิตอยู่ในช่วงศตวรรษที่ 15 ในกรุงเอเธนส์ ซึ่งเป็นผู้แรกที่กล่าวถึงภูมิคุ้มกันต่อการติดเชื้อกาฬโรค (plague) แต่อย่างไรก็ตามแนวคิดเกี่ยวกับภูมิคุ้มกัน อาจจะมีมาก่อนหน้านั้น ดังได้มีการบันทึกในประวัติศาสตร์โบราณของจีนซึ่งป้องกันเด็กจากการติดเชื้อ ฝีดาษโดยการให้สูดเอาผงที่สกัดได้จากสะเก็ดแผลที่ผิวหนังผู้ป่วยที่หายจากโรคฝีดาษ วิวัฒนาการความรู้ เกี่ยวกับภูมิคุ้มกันเริ่มพิสูจนใ์ ห้เห็นอย่างชัดเจนโดย Edward Jenner แพทย์ชาวอังกฤษ สังเกตว่าผู้ที่ท างานใน ฟาร์มวัวนมที่ติดเชื้อฝีดาษของวัว (cow pox) จะไม่เป็นฝีดาษ (small pox) ซึ่งเป็นโรคที่รุนแรงกว่ามาก Jenner ได้ทดลองฉีดสะเก็ดหนองของผู้เป็นฝีดาษวัวให้กับเด็กชายอายุ 8 ขวบ หลังจากนั้นจึงฉีดด้วยเชื้อ ฝีดาษปรากฏว่าเด็กไม่ป่วยเป็นโรคฝีดาษ เขาได้ตีพิมพ์งานนี้ในปี ค.ศ. 1798 และเรียกวิธีการนี้ว่า vaccination ซึ่งมาจากภาษาลาติน vaccinus แปลว่า ของวัวหรือมาจากวัว การค้นพบในเวลาต่อมาโดย Robert Koch ว่าเชื้อจุลชีพเป็นสาเหตุของโรคติดเชื้อและจุลชีพแต่ละ ชนิดก่อให้เกิดโรคที่ไม่เหมือนกัน น าไปสู่การสร้างวัคซีนต่อเชื้ออื่นๆ เช่น Louise Pasture ได้ผลิตวัคซีน ป้องกันอหิวาห์ในลูกไก่ วัคซีนป้องกันโรคพิษสุนัขบ้าซึ่งสามารถช่วยชีวิตเด็กชายที่ถูกสุนัขบ้ากัดซึ่งในเวลา นั้นยังไม่มีทางรักษา ปัจจุบันเป็นที่ยอมรับกันว่าการกระตุ้นภูมิคุ้มกันโดยการฉีดวัคซีนนี้ เป็นวิธีการที่มีประสิทธิภาพ มากที่สุดในการป้องกันการติดเชื้อที่ ในปีคศ 1980 ทางองค์การอนามัยโลกได้ประกาศว่าโรคฝีดาษเป็นโรค ชนิดแรกที่สามารถก าจัดให้หมดไปจากโลกนี้ได้โดยโปรแกรมฉีดวัคซีน ซึ่งเป็นการชี้ให้เห็นถึงความส าคัญ ของระบบภูมิคุ้มกันในการป้องกันการติดเชื้อ 2 ระบบภูมิคุ้มกันแบบ innate และแบบ adaptive ระบบภูมิคุ้มกันของร่างกายแบ่งออกเป็น 2 ระบบคือ แบบที่มีพร้อมอยู่แล้วและเกิดขึ้นทันทีเรียกว่า innate immunity บางครั้งอาจจะเรียกว่าภูมิคุ้มกันตามธรรมชาติ (natural หรือ native immunity) กับแบบที่ เกิดตามมาทีหลังต้องใช้ระยะเวลาในการตอบสนอง เรียกว่า adaptive immunity ซึ่งบางครั้งอาจจะเรียกว่า ภูมิคุ้มกันแบบจ าเพาะ (specific immunity) (รูปที่ 1) รูปที่ 1 ภูมิคุ้มกันแบบ innate และแบบ adaptive ภูมิคุ้มกันแบบ innate เป็นด่านแรกในการป้องกันการติดเชื้อ ส่วนภูมิคุ้มกันแบบ adaptive จะตอบสนองตามมาซึ่ง ประกอบด้วยการกระตุ้น lymphocyte ระยะเวลาการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันที่แสดง เป็นเพียงค่าประมาณ ซึ่งจะแตกต่าง กันในติดเชื้อแต่ละชนิด (ภาพจาก Cellular and Molecular Immunology. 7thed 2012 โดย Abbas และคณะ หน้า 3) ภูมิคุ้มกันแบบ innate ภูมิคุ้มกันแบบ innate เป็นด่านแรกของร่างกายในการป้องกันจุลชีพซึ่งท างานทันทีที่จุลชีพเข้ามา ด้วยการจับกินหรือท าลายจุลชีพนั้น ประกอบด้วย เซลล์และสารซึ่งมีอยู่พร้อมอยู่แล้วแม้ว่าจะยังไม่มีการติด เชื้อเลยก็ตาม ประกอบด้วย 1. ด่านปกป้องพื้นผิวและสารเคมี เช่น epithelial cell และสารต่อต้านจุลชีพที่ถูก ปล่อยออกมาบริเวณพื้นผิว epithelial cell 2. เม็ดเลือดขาว พวก phagocyte ได้แก่ neutrophil, macrophage ซึ่งสามารถกินเชื้อโรคได้ dendritic cell และ natural killer cell (NK cell) 3. โปรตีนในเลือด เช่น คอมพลี เมนตแ์ ละสารที่หลั่งมาในระหว่างกระบวนการอักเสบ 4. โปรตีนในกลุ่มไซโตไคน์ (cytokine) ที่ควบคุมการ ท างานของเซลล์ในระบบ innate ภูมิคุ้มกันแบบ innate ไม่มีความจ าเพาะต่อจุลชีพชนิดใดชนิดหนึ่งแต่จะ จ าเพาะกับโครงสร้างที่พบบนเชื้อหลายชนิด ทั้งนี้เนื่องจาก receptor บนผิวเซลล ์ (pattern-recognition receptor) จะจับกับโมเลกุลที่พบรวมๆหรือเหมือนกันในกลุ่มของเชื้อต่างๆ (pathogen-associated molecular 3 pattern) การตอบสนองทางภูมิคุ้มกันแบบ innate จะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วและหมดไปในเวลาไม่กี่ชั่วโมง จึง เหมาะในการควบคุมไม่ให้เชื้อเพิ่มขึ้น ณ เวลาที่เชื้อเข้ามา แต่ไม่สามารถคงอยู่เพื่อป้องกันเชื้อชนิดเดิมที่เข้า มาใหม่ได้ ในการป้องกันเชื้อซ้ าจึงจ าเป็นที่จะต้องมีระบบภูมิคุ้มกันที่มีความจ าเพาะต่อเชื้อแต่ละชนิด ซึ่งมี การเพิ่มขึ้นอย่างมากมายและคงอยู่ได้นานซึ่งเรียกว่า adaptive immunity เพื่อที่จะก าจัดเชื้อโรคได้อย่างมี ประสิทธิภาพ ภูมิคุ้มกันแบบ adaptive ภูมิคุ้มกันแบบ adaptive เป็นการตอบสนองของระบบภูมิคุ้มกันที่เกิดขึ้นเมื่อมีการกระตุ้น จะมีการ แบ่งตัวอย่างมากมาย ซึ่งจะต้องใช้เวลาหลายวันหรือเป็นอาทิตย์จึงจะเห็นการตอบสนอง มีลักษณะที่ส าคัญ คือความจ าเพาะและมีความจ าต่อเชื้อที่เคยพบมาแล้ว ถ้าได้รับเชื้อชนิดเดิมในครั้งต่อไปจะตอบสนองได้เร็ว และมีประสิทธิภาพมากขึ้น บางครั้งจึงเรียกว่าเรียกว่าภูมิคุ้มกันแบบจ าเพาะ (specific immunity) หรือ ภูมิคุ้มกันแบบที่เกิดขึ้นในภายหลังจากการถูกกระตุ้น (acquired immunity) หรือภูมิคุ้มกันแบบปรับได้ เซลล์ ที่มีบทบาทส าคัญในระบบภูมิคุ้มกันแบบ adaptive คือ lymphocyte ภูมิคุ้มกันแบบ adaptive แบ่งออกเป็น 2 ส่วนคือ HMI (humoral mediated immunity) ตัวที่ท าหน้าที่ ก็คือแอนติบอดี ซึ่งสร้างโดย B cell อีกส่วนหนึ่งคือ CMI (cell mediated immunity) ตัวที่ท าหน้าที่ก็คือ T cell ซึ่งจะได้กล่าวต่อไป คุณลักษณะของการตอบสนองแบบ adaptive นั้นมาจากคุณลักษณะของ lymphocyte ซึ่งแสดงดัง ในตารางที่ 1 ตารางที่ 1 สรุปลักษณะที่ส าคัญของระบบภูมิคุ้มกันแบบ adaptive คุณลักษณะ เอื้อประโยชน์ในการท าหน้าที่ ความจ าเพาะ (specificity) ให้ความมั่นใจว่าตอบสนองต่อเป้าหมาย เช่น เชื้อที่จ าเพาะเท่านั้น ความหลากหลาย (diversity) สามารถตอบสนองต่อแอนติเจนที่มีอยู่อย่างมากมายมหาศาล ความจ า (memory) เพิ่มความสามารถในการตอบสนองต่อการติดเชื้อซ้ า การเพิ่มจ านวน (clonal expansion) เพิ่มจ านวนของ lymphocyte ที่จ าเพาะต่อแอนติเจนเพื่อที่จะควบคุม เชื้อโรค ตอบสนองแบบเฉพาะ ตอบสนองเป็นการเฉพาะต่อเชื้อแต่ละชนิดที่ก่อโรคแตกต่างกันไป (specialization) เพื่อให้เกิดประสิทธิภาพสูงสดุ หดกลับกลับสู่สมดุล (contraction ท าให้ภูมิคุ้มกันกลับเข้าสู่สภาวะพักตัวเมื่อการตอบสนองหรือก าจัด and homeostasis) เชื้อเสร็จสิ้น พร้อมที่จะตอบสนองในครั้งใหม่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ไม่ตอบสนองต่อร่างกาย มีสภาวะ tolerance ต่อแอนติเจนของร่างกาย ป้องกันไม่ให้เกิดการ (nonreactivity to self) บาดเจ็บหรือท าลายเนื้อเยื่อในระหว่างที่มีการตอบสนองต่อเชื้อโรค (ดัดแปลงจาก Cellular and Molecular Immunology. 7thed 2012 โดย Abbas และคณะ หน้า 3) 4 จากที่กล่าวอธิบายมาทั้งหมดสามารถสรุปลักษณะของภูมิคุ้มกันแบบ innate และ adaptive ดังตารางที่ 2 ตารางที่ 2 สรุป เปรียบเทียบลักษณะที่ส าคัญของ innate และ adaptive immunity ลักษณะ Innate Adaptive ความจ าเพาะ รับรู้เชื้อหรือชิ้นส่วนของเชื้อเป็นกลุ่มรวมทั้ง จ าเพาะต่อเชื้อและแอนติเจนที่ไม่ใช่ตัวเชื้อ (specificity) โมเลกุลที่ปล่อยจากเซลล์ที่ถูกท าลาย ความหลากหลาย จ ากัด: receptor ถูกก าหนดโดยยีนตั้งแต่เป็น มหาศาล: receptor เกิดจากการจดั เรียงตัว (diversity) germ line ของ gene segment (somatic recombination) ความจ า (memory) ไม่ม ี มี ไมม่ ีการตอบสนองต่อ ใช ่ ใช ่ ร่างกายตนเอง องค์ประกอบ เซลล์และด่าน ผิวหนัง เซลล์เยื่อเมือก (mucosal epithelia) สาร lymphocyte ในชั้น epithelia และ แอนติบอดี ต่อต้านเชื้อ (antimicrobial) โปรตีนในเลือด คอมพลีเมนต์ และสารอื่นๆ แอนติบอดี เซลล ์ Phagocyte (macrophage, neutrophil) Natural lymphocyte killer cell (ดัดแปลงจาก Cellular and Molecular Immunology. 7thed 2012 โดย Abbas และคณะ หน้า 6) คุณลักษณะของแอนติเจน แอนติเจนหมายถึงสารใดๆที่สามารถจับกับ lymphocyte receptor ได้ ไม่ว่าสารนั้นจะกระตุ้น lymphocyte ได้หรือไม่ก็ตาม แต่ถ้าต้องการที่จะย้ าถึงสารชนิดที่มีความสามารถในการกระตุ้นการ ตอบสนองทางภูมิคุ้มกันได้ ก็อาจจะเรียกสารนั้นให้จ าเพาะลงไปว่าอิมมูโนเจน (immunogen) แต่ทั้งนี้ค าว่า แอนติเจนเป็นค าที่นิยมใช้ทั่วไป สารแต่ละชนิดมีคุณสมบัติในการกระตุ้นการตอบสนองของ lymphocyte แตกต่างกัน เฉพาะสาร โมเลกุลที่มีขนาดใหญ่จึงสามารถที่จะกระตุ้น B cell ได้ ทั้งนี้เนื่องจากในกระตุ้น B cell จะต้องมีการ เชื่อมต่อของ B cell receptor บนผิวเซลล์ให้เข้ามารวมเป็นกลุ่ม (cross-linking) หรอื ใช้โปรตีนแอนติเจนที่ กระตุ้น T cell เพื่อที่จะช่วยกระตุ้นการท างานของ B cell ก็ได้ โมเลกุลที่มีขนาดเล็ก เช่น di-nitrophenol แม้ว่าจะจับกับ B cell receptor หรือจับแอนติบอดีที่ จ าเพาะได้ แต่ก็ไม่สามารถที่จะกระตุ้นการตอบสนองของ B cell ได้โดยตรง เรียกสารนี้ว่า hapten ซึ่งในการ ท าให้ hapten กระตุ้นการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันได้ สามารถท าได้โดยการน า hapten ไปจับกับสารทมี่ ี ขนาดใหญ่เช่นโปรตีนหรือโพลีแซคคาไรด์ ซึ่งเรียกว่าเป็น carrier เกิดเป็นสารประกอบ hapten-carrier ซึ่ง สามารถกระตุ้นการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันได้ ตัวอย่างเช่น ยาเพนนิซิลิน จัดเป็น hapten เมื่อจับกับโปรตีน บนผิวเซลล์เม็ดเลือดแดง ก็สามารถกระตุ้นให้ร่างกายสร้างแอนติบอดีต่อเพนนิซิลินได้ ซึ่งพบในผู้ป่วยที่มี อาการโลหิตจางจากการแพ้ยาเพนนิซิลิน (รายละเอียดเพิ่มเติมในบทที่ 15 Hypersensitivity) 5 แอนติเจนทั้งโมเลกุลเช่น โปรตีน โพลีแซคคาไรด์ และนิวคลีอิคแอซิด มักเป็นโมเลกุลขนาดใหญ่ เกินกว่าที่แอนติบอดีจะไปจับได้ทั้งโมเลกุล ดังนั้นแอนติบอดีจะจับเฉพาะบางบริเวณของโมเลกุลเท่านั้น เรียกบริเวณที่แอนติบอดีไปจับนวี้ ่า determinant หรือ epitope ในแอนติเจนขนาดใหญ่มักจะประกอบไปด้วย หลายๆ epitope ถ้าเป็นโปรตีน epitope มักจะมีความหลากหลาย ในขณะที่โพลีแซคคาไรด์และนิวคลีอิค แอซิดมักจะมี epitope ที่เหมือนๆหรือซ้ าๆใน 1 โมเลกุล ผิวเซลล์รวมทั้งจุลชีพมักจะมี epitope ทั้งที่เป็น โปรตีนและคาร์โบไฮเดรตที่มีโครงสร้างซ้ าๆกันอยู่เป็นจ านวนมาก จึงสามารถที่จะเชื่อมต่อ B cell receptor เข้ามารวมกันเกิดการส่งสัญญาณกระตุ้น B cell ได้เป็นอย่างดี ท าให้ B cell ตอบสนองต่อเชื้อได้ ระบบภูมิคุ้มกันแบบ adaptive และเซลล์ที่เกี่ยวข้อง ภูมิคุ้มกันแบบ adaptive แบ่งออกเป็น 2 ส่วนคือ HMI ตัวที่ท าหน้าที่ก็คือแอนติบอดีซึ่งสร้างโดย B cell อีกส่วนหนึ่งคือ CMI ตัวที่ท าหน้าที่ก็คือ T cell ทั้ง HMI และ CMI มีบทบาทในการก าจัดเชื้อโรค ต่างชนิดกัน ถ้าเป็นเชื้อที่เจริญหรือซ่อนอยู่ภายในเซลล์ เช่น ไวรัส หรือแบคทีเรียบางชนิด CMI จะมีบทบาท ส าคัญในการก าจัดเชื้อนั้น โดย T cell อาจจะท าลายเซลล์ที่ติดเชื้อได้โดยตรงหรืออาจหลั่งสารไปกระตุ้น เซลล์ชนิดอื่นๆ เช่น macrophage ให้จับกินและท าลายเชื้อโรคนั้น ส่วน HMI นั้นมีความส าคัญต่อการก าจัด เชื้อที่เจริญภายนอกเซลล์รวมทั้งสารพิษ โดยตัวเชื้อที่มีแอนติบอดีจับอยู่จะกระตุ้นระบบคอมพลีเมนตท์ าให้ เชื้อถูกจับกินโดยเซลล์พวก phagocyte ต่อไป ซึ่งเซลล์และการท างานในระบบ adaptive แสดงดังรูปที่ 2 รูปที่ 2 ชนิดของระบบภูมิคุ้มกัน แบบ adaptive ในระบบ HMI B cell ท าหน้าที่สร้างแอนติบอดีซึ่งจะ ป้องกันการติดเชื้อที่เจริญภายนอก เซลล์ ส่วนใน CMI helper T cell จะกระตุ้น macrophage ให้สามารถ ฆ่าเชื้อที่กินเข้าไปได้ ในขณะที่ cytotoxic T cell สามารถท าลาย เซลล์ที่มีการติดเชื้อได้โดยตรง (ภาพจาก Cellular and Molecular Immunology.7thed 2012 โดย Abbas และคณะ หน้า 4) เซลล์และอวัยวะในระบบภูมิคุ้มกัน 6 เซลล์ในระบบภูมิคุ้มกันทั้งแบบ innate และ adaptive ได้แก่ เม็ดเลือดขาวชนิดต่างๆ ที่มีต้นก าเนิดมา จากเซลล์ในไขกระดูกคือ pluripotential hematopoietic stem cell ซึ่งมีการพัฒนาการไปเป็น 2 สายคือ 1. สาย lymphoid ซึ่งเจริญไปเป็น B cell, T cell และ NK cell และ2. สาย myeloid ซึ่งประกอบด้วยกลุ่มเม็ดเลือด ขาวที่เจริญไปเป็น dendritic cell, macrophage, monocyte และ granulocyte และกลุ่มเม็ดเลือดแดงและ megakaryocyte ที่สร้างเกร็ดเลือด ดังรูปที่ 3 รูปที่ 4 การพัฒนาการของเซลล์เม็ดเลือดชนิดต่างๆ Pluripotent hematopoietic stem cell ในไขกระดูกเป็นต้นก าเนิดของเม็ดเลือดขาว เม็ดเลือดแดง และเกร็ดเลือด เซลล์ ในสาย lymphoid จะเจริญไปเป็น B cell, T cell และ NK cell ในขณะที่สาย myeloid จะเจริญไปเป็น dendritic cell, กลุ่ม granulocyte ซึ่งได้แก่ neutrophil eosinophil basophil, กลุ่ม monocyte อยู่ในกระแสเลือด ส่วน mast cell และ macrophage จะอยู่ในเนื้อเยื่อ (ภาพจาก Janeway’s Immunobiology. 8thed 2012 โดย Murphy และคณะ หน้า 5) หมายเหตุ ได้มีการพิสูจน์ว่าทั้ง mast cell และ macrophage ไม่ได้เจริญมาจาก basophil และ monocyte ซึ่งออกจา กระแสเลือดไปสู่เนื้อเยื่อ ดังที่เข้าใจกันในอดีตและในรปู ยังเป็นความรู้เดิม