Các vi sinh vật hoặc độc tố sau khi xâm nhập thành công sẽ phải đối mặt với các tế bào và cơ chế của hệ miễn dịch bẩm sinh. Đáp ứng bẩm sinh thường được kích hoạt khi các vi khuẩn được xác định bởi các thụ thể nhận dạng, nhận biết các thành phần được giấu trong các nhóm vi sinh vật[15] hoặc trong một trường hợp khác là khi các tế bào bị tổn thương, hư hại hoặc stress sẽ gửi tín hiệu báo động, mà đa số (không phải tất cả) được nhận dạng bởi cùng thụ thể nhận biết các mầm bệnh.[16] Hệ thống miễn dịch bẩm sinh thì không đặc hiệu, có nghĩa là những hệ thống này phản ứng với tất cả mầm bệnh theo một cách giống nhau.[14] Hệ thống này cũng không tạo ra miễn dịch lâu dài đối với mầm bệnh. Hệ thống miễn dịch bẩm sinh là hệ thống chủ yếu bảo vệ vật chủ ở hầu hết các sinh vật.[10]

Các hàng rào bề mặt

Một số hàng rào bảo vệ sinh vật khỏi bị nhiễm trùng, bao gồm các hàng rào cơ học, hóa học và sinh học. Lớp vỏ sáp phủ ngoài ở hầu hết các loại lá, bộ xương ngoài của côn trùng, vỏ và màng ngoài của trứng, hoặc da là những ví dụ về các hàng rào cơ học, chúng là tuyến bảo vệ đầu tiên để phòng ngừa nhiễm trùng.[14] Tuy nhiên, vì các sinh vật không thể được bao phủ và tách biệt hoàn toàn với môi trường sống, chúng cũng có các hệ thống khác hoạt động để bảo vệ các phần hở của cơ thể (như phổi, ruột, và đường sinh dục). Ở đường phổi, cơ chế ho và hắt hơi tống khứ mầm bệnh và các chất gây khó chịu khác ra khỏi đường hô hấp. Chảy nước mắt và bài tiết nước tiểu cũng là cơ chế đẩy các mầm bệnh ra ngoài, trong khi dịch nhầy tiết ra do đường hô hấp và đường tiêu hóa giúp "bẫy" và ngăn vi sinh vật xâm nhập.[17]

Hàng rào hóa học cũng bảo vệ chống lại nhiễm trùng. Da và đường hô hấp tiết ra các chất kháng khuẩn như peptide β.[18] Enzyme như lysozyme và phospholipase A2 trong nước bọt, nước mắt và sữa mẹ cũng là các chất kháng khuẩn.[19][20] Chất nhầy âm đạo cũng là một hàng rào hóa học cùng với kinh nguyệt, vì chất nhầy hơi acid giúp hạn chế vi sinh vật. Trong khi đó, tinh dịch có chứa defensin và kẽm để diệt các mầm bệnh.[21][22] Trong dạ dày, acid dạ dày và protease đóng vai trò như bức tường hóa học mạnh mẽ giúp ngăn các mầm bệnh tiến vào.

Ở đường sinh dục và đường tiêu hóa, những vi khuẩn sống hội sinh đóng vai trò như các hàng rào sinh học bằng cách cạnh tranh với vi khuẩn gây bệnh ở mặt dinh dưỡng và nơi ở, và trong một số trường hợp là bằng cách thay đổi điều kiện môi trường của chúng, như pH hoặc sắt tự do[23] Kết quả của mối quan hệ cộng sinh (hoặc hội sinh) giữa những lợi khuẩn này với hệ thống miễn dịch là các mầm bệnh sẽ rất khó để đạt đủ số lượng dẫn đến gây bệnh (do bị cạnh tranh mạnh mẽ). Tuy nhiên, vì hầu hết các kháng sinh không đặc hiệu nhắm tới vi khuẩn mà không ảnh hưởng đến nấm, thuốc kháng sinh đường uống có thể dẫn đến sự phát triển quá mức của nấm và gây ra các bệnh như candida âm đạo (bệnh do nấm).[24] Có nhiều bằng chứng cho thấy việc đưa thêm những vi sinh vật probiotic, ví dụ như dòng thuần của lợi khuẩn Lactobacillus thường thấy trong sữa chua không được khử trùng Pasteur, giúp khôi phục lại sự cân bằng tốt giữa các quần thể vi sinh vật trong nhiễm khuẩn đường ruột ở trẻ em và cũng là những dữ liệu ban đầu khuyến khích các nghiên cứu về vi khuẩn viêm vị trường, bệnh viêm ruột, nhiễm trùng đường tiểu và nhiễm trùng hậu phẫu.[25][26][27]

Viêm

Viêm là một trong những đáp ứng đầu tiên của hệ miễn dịch đối với nhiễm trùng.[28] Các triệu chứng viêm điển hình là đỏ, sưng, nóng, và đau, đó là do sự gia tăng lưu lượng máu vào mô. Viêm được biểu hiện bởi các phân tử tín hiệu eicosanoid và các protein nhỏ cytokine, do các tế bào bị thương hoặc nhiễm khuẩn tiết ra. Eicosanoid bao gồm prostaglandin gây ra sốt và sự giãn các mạch máu tạo nên chứng viêm, và leukotriene thu hút một số tế bào máu trắng nhất định (bạch cầu).[29][30] Các cytokine thông thường bao gồm: interleukin chịu trách nhiệm truyền tin giữa các tế bào bạch cầu; chemokine thúc đẩy hướng hóa; và interferon có tác dụng chống virus, chẳng hạn như tắt tổng hợp protein trong tế bào chủ.[31] Các nhân tố sinh trưởng và các yếu tố độc tế bào cũng có thể được giải phóng. Các cytokine này và các hóa chất khác giúp huy động tế bào miễn dịch vào vị trí nhiễm trùng và cũng thúc đẩy việc chữa lành các mô bị tổn thương sau khi loại bỏ các mầm bệnh.[32]

Một dòng thác bổ thể, trong ảnh đã chỉ rõ sự phân tách tuần tự của bổ thể

Hệ thống bổ thể

Có thể coi hệ thống bổ thể là một "dòng thác" sinh hóa tấn công bề mặt của các tế bào ngoại lai. Hệ thống này gồm hơn 20 protein khác nhau và tên gọi "bổ thể" xuất phát từ khả năng "bổ sung" cho việc tiêu diệt các mầm bệnh bằng kháng thể. Bổ thể là thành phần thể dịch (lưu hành trong máu) chính của đáp ứng miễn dịch bẩm sinh.[33][34] Hệ thống bổ thể được tìm thấy ở nhiều loài, bao gồm cả các loài không phải là động vật có vú như thực vật, cá, và một số động vật không xương sống.[35]

Ở người, phản ứng bổ thể được kích hoạt bằng cách gắn kết bổ thể vào các kháng thể đang gắn đặc hiệu với những vi sinh vật lạ hoặc bổ thể sẽ gắn vào đuôi carbohydrate trên bề mặt mầm bệnh. Tín hiệu nhận biết này gây nên phản ứng tiêu diệt nhanh chóng.[36] Tốc độ phản ứng nhanh là kết quả của sự khuếch đại tín hiệu xảy ra do khởi động chuỗi phân tách tuần tự của các protein bổ thể, còn được gọi là protease (thủy phân protein). Sau khi bổ thể đầu tiên gắn với vi khuẩn, hoạt tính protease của nó được kích hoạt, từ đó kích hoạt protease của các bổ thể tiếp theo, và cứ như vậy. Điều này tạo ra một dòng thác khuếch đại tín hiệu ban đầu bằng điều hòa ngược dương tính được kiểm soát.[37] Quá trình này cuối cùng sẽ tạo nên các chuỗi peptide giúp thu hút các tế bào miễn dịch, tăng tính thấm của mạch máu, và opsonin hóa mầm bệnh, và đánh dấu chúng để phá hủy. "Dòng thác" bổ thể cũng có thể giết chết tế bào ngoại lai trực tiếp bằng cách phá vỡ màng sinh chất của chúng.[33]

Hàng rào của tế bào

Ảnh của kính hiển vi điện tử quét, ta có thể nhận ra hồng cầu, một vài bạch cầu như lymphocyte (bạch cầu lym-phô), bạch cầu đơn nhân, bạch cầu trung tính, và nhiều tiểu cầu hình đĩa.

Bạch cầu (tế bào máu trắng) hoạt động giống như các sinh vật đơn bào độc lập và là trợ thủ đắc lực của hệ miễn dịch bẩm sinh.[14] Các bạch cầu bẩm sinh bao gồm các tế bào thực bào (gồm đại thực bào, bạch cầu trung tính và các tế bào nhiều nhánh), các tế bào lympho bẩm sinh, các tế bào phì-dưỡng bào, bạch cầu ưa acid, bạch cầu ưa base, và các tế bào giết tự nhiên. Các tế bào này xác định và loại bỏ mầm bệnh bằng cách tấn công các mầm bệnh lớn hơn qua tiếp xúc, hoặc bằng cách thực bào và sau đó giết chết các vi sinh vật. Các tế bào bẩm sinh cũng là trung gian quan trọng[38] trong sự phát triển của cơ quan bạch huyết và kích hoạt hệ thống miễn dịch thu được.[39]

Thực bào là một khía cạnh quan trọng của miễn dịch bẩm sinh cấp tế bào và được thực hiện bởi các tế bào được gọi là tế bào thực bào (phagocyte). Các tế bào này sẽ thực bào, hay nói đơn giản hơn là "nuốt" mầm bệnh hoặc các hạt. Tế bào thực bào thường đi tuần trong cơ thể tìm kiếm mầm bệnh, nhưng có thể được gọi đến các vị trí cụ thể bằng các cytokine.[14] Một khi mầm bệnh đã bị "nuốt" bởi một tế bào thực bào, nó sẽ bị mắc kẹt trong một túi bào nội bào gọi là phagosome, sau đó túi này sẽ kết hợp với một túi khác gọi là lysosome để tạo thành một phagolysosome. Mầm bệnh sau đó bị tiêu diệt bởi hoạt động của các enzyme tiêu hóa hoặc sau một đợt bùng nổ hô hấp khi bị phóng thích các gốc tự do có hại vào trong phagolysosome.[40][41] Thực bào được tiến hóa như một phương tiện để thu thập các chất dinh dưỡng ("thực" là ăn), nhưng vai trò này đã được mở rộng trong các tế bào thực bào để có thể nuốt các mầm bệnh như một cơ chế bảo vệ. Thực bào có thể đại diện cho hình thức bảo vệ vật chủ lâu đời nhất, vì các tế bào thực bào đã được tìm thấy trên cả động vật có xương sống và động vật không xương sống.[42]

Bạch cầu trung tính và đại thực bào là những tế bào thực bào chu du khắp cơ thể truy đuổi mầm bệnh xâm nhập.[43] Bạch cầu trung tính hay thường được tìm thấy trong máu và là dạng phổ biến nhất của tế bào thực bào, bình thường chiếm từ 50% đến 60% tổng số bạch cầu của dịch tuần hoàn.[44] Trong giai đoạn cấp tính của viêm, đặc biệt là do nhiễm khuẩn, bạch cầu trung tính sẽ di chuyển đến chỗ viêm trong một quá trình gọi là hướng hóa, và thường là các tế bào đầu tiên đến "hiện trường" nhiễm trùng. Các đại thực bào là các tế bào đa năng nằm trong các mô và sản xuất ra một loạt các chất gồm: enzyme, bổ thể và các cytokine, chúng cũng có thể hoạt động như những "máy dọn rác" để loại bỏ các tế bào không còn chức năng và các mảnh tế bào khác, và cả các tế bào đang trình diện kháng nguyên kích hoạt hệ thống miễn dịch thu được.[45]

Các tế bào tua (hay tế bào nhiều nhánh, tế bào hình cây) là những tế bào thực bào hay tiếp xúc với môi trường bên ngoài; do đó chúng nằm chủ yếu ở da, mũi, phổi, dạ dày và ruột.[46] Các tế bào này được đặt tên theo sự giống nhau của chúng với các tế bào nhiều nhánh trên thần kinh, vì cả hai đều có nhiều "gai" tua tủa, nhưng các tế bào nhiều nhánh ở đây tất nhiên là không liên quan gì đến hệ thần kinh. Các tế bào nhiều nhánh phục vụ như một liên kết giữa các mô cơ thể và các hệ thống miễn dịch bẩm sinh và thu được, vì chúng có kháng nguyên đối với tế bào T, một trong những loại tế bào chủ chốt của hệ miễn dịch thu được.

Các dưỡng bào hay tế bào phì nằm ở trong mô liên kết và niêm mạc, và điều chỉnh phản ứng viêm.[47] Chúng thường liên quan đến dị ứng và sốc phản vệ.[44] Bạch cầu ưa kiềm và bạch cầu ưa acid có liên quan đến bạch cầu trung tính. Chúng tiết ra các chất trung gian hóa học có liên quan đến việc phòng vệ ký sinh trùng và đóng một vai trò trong các phản ứng dị ứng, như hen suyễn.[48] Các tế bào giết tự nhiên là các bạch cầu tấn công và phá hủy tế bào khối u, hoặc các tế bào đã bị nhiễm virus.[49]

Các tế bào giết tự nhiên

Các tế bào giết tự nhiên, còn gọi là các tế bào NK, là các tế bào lympho trong hệ miễn dịch bẩm sinh. Tế bào NK không trực tiếp tấn công các vi khuẩn xâm nhập.[50] Thay vào đó, các tế bào NK tiêu hủy các tế bào chủ bị "hỏng", ví dụ như các tế bào khối u hoặc các tế bào bị nhiễm virus, NK nhận ra các tế bào như vậy do chúng có một tình trạng gọi là "mất bản thân." (missing self). Thuật ngữ này mô tả các tế bào với rất ít dấu chuẩn (thụ thể) bề mặt tế bào gọi là MHC I (phức hợp phù hợp mô chính) - tình trạng này có thể phát sinh khi tế bào chủ nhiễm virus.[35] Tế bào này được đặt tên là "giết tự nhiên" vì nó không cần được hoạt hóa ban đầu để giết các tế bào "mất bản thân". Trong rất nhiều năm, ta không rõ các tế bào NK đã nhận ra tế bào khối u và ung thư như thế nào. Bây giờ người ta biết rằng "lớp phủ" MHC trên bề mặt của những tế bào này đã bị thay đổi và các tế bào NK trở nên hoạt hóa thông qua việc nhận ra "mất bản thân". Các tế bào cơ thể bình thường không được nhận diện và tấn công bởi các tế bào NK vì chúng thể hiện các kháng nguyên MHC còn nguyên vẹn. Những kháng nguyên MHC này được nhận diện bởi các thụ thể kháng thể tế bào giết (killer cell immunoglobulin receptors viết tắt là KIR), nhận diện này sẽ kìm hãm các tế bào NK khỏi giết chính các tế bào khỏe mạnh.[51]