112 年 國立臺灣大學獸醫學系碩士班乙組《免疫學（B）》

本題主要在考察三種重要的輔助性 T 細胞（Th1, Th2）以及細胞毒殺性 T 細胞（Tc, Cytotoxic T cell）在免疫系統中的功能。

• Th1 細胞 (T helper 1 cells)：

  • 核心功能：主要負責細胞免疫反應，特別是針對細胞內病原體（如病毒、部分細菌）的清除。
  • 分泌細胞激素：分泌干擾素-γ (IFN-$\gamma$)、介白素-2 (IL-2) 等。
  • 作用機制：
    • IFN-$\gamma$ 能夠活化巨噬細胞 (macrophages)，增強其吞噬和殺滅細胞內病原體的能力。
    • IFN-$\gamma$ 和 IL-2 也能促進細胞毒殺性 T 細胞 (Tc) 的增生與分化，增強其殺傷力。
    • 促使 B 細胞產生 IgG2a 等與細胞免疫反應相關的抗體。
  • 疾病關聯：Th1 免疫反應失調可能導致自體免疫疾病（如第一型糖尿病、類風濕性關節炎）或對抗細胞內感染的免疫力下降。

• Th2 細胞 (T helper 2 cells)：

  • 核心功能：主要負責體液免疫反應，特別是針對細胞外病原體（如細菌、寄生蟲）的清除，以及過敏反應。
  • 分泌細胞激素：分泌介白素-4 (IL-4)、介白素-5 (IL-5)、介白素-10 (IL-10) 等。
  • 作用機制：
    • IL-4 促使 B 細胞進行類別轉換（class switching），產生 IgE 和 IgG4 等抗體，並促進 B 細胞增生。
    • IL-5 促進嗜酸性球 (eosinophils) 的發育、活化與遷移，對於清除寄生蟲至關重要。

本題旨在探討巨噬細胞 (macrophages) 和嗜中性球 (neutrophils) 這兩種重要的吞噬細胞，是如何清除病原微生物的。它們主要通過吞噬作用 (phagocytosis) 以及隨後的細胞內殺滅機制來達成。

巨噬細胞 (Macrophages)

巨噬細胞是免疫系統中的重要吞噬細胞，參與先天性和適應性免疫。它們殺滅微生物的主要方式包括：

1. 吞噬作用 (Phagocytosis)：

   • 巨噬細胞通過其細胞膜上的受體（如趨化因子受體、補體受體、Fc 受體）識別病原體。
   • 病原體被包裹在細胞膜形成的吞噬泡 (phagosome) 中，隨後吞噬泡與溶酶體 (lysosome) 融合，形成吞噬溶酶體 (phagolysosome)。

2. 細胞內殺滅機制 (Intracellular Killing Mechanisms)：

   • 酸性環境：吞噬溶酶體內維持較低的 pH 值（約 4.5-5.0），不利於許多微生物的生長。
   • 溶酶體酶 (Lysosomal Enzymes)：溶酶體含有多種水解酶，如溶菌酶 (lysozyme)、蛋白酶 (proteases)、核酸酶 (nucleases) 等，能夠降解微生物的細胞壁、蛋白質、核酸等成分。
   • 活性氧類 (Reactive Oxygen Species, ROS)：巨噬細胞通過 NADPH 氧化酶（也稱為呼吸爆發酶，respiratory burst enzyme）產生大量的超氧陰離子 ($O_2^-$)。超氧陰離子可進一步轉化為過氧化氫 ($H_2O_2$)、單線態氧 ($^1O_2$)、氫氧自由基 ($OH^\cdot$) 等活性氧類。這些 ROS 具有強氧化性，能損傷微生物的細胞膜、蛋白質和 DNA。
   • 活性氮類 (Reactive Nitrogen Species, RNS)：在細胞因子（如 IFN-$\gamma$）的誘導下，巨噬細胞可表達誘導型一氧化氮合酶 (inducible nitric oxide synthase, iNOS)。iNOS 產生一氧化氮 (NO)。NO 可與 ROS 結合形成過氧亞硝酸鹽 ($ONOO^-$)，這是一種強氧化劑，能有效殺滅細菌和寄生蟲。
   • 抗菌肽 (Antimicrobial Peptides)：巨噬細胞可以合成並釋放多種抗菌肽，如防御素 (defensins)，這些肽能夠破壞微生物的細胞膜。

嗜中性球 (Neutrophils)

嗜中性球是血液中最豐富的白細胞，也是抵抗細菌和真菌感染的第一道防線。它們的殺滅機制與巨噬細胞有相似之處，但通常反應更為迅速和劇烈。

本題考查胸腺 (thymus) 在免疫系統發育中的特性、結構和重要作用。

胸腺 (Thymus)

胸腺是 T 淋巴細胞 (T lymphocytes) 成熟的主要器官，對於建立細胞免疫至關重要。

1. 特性 (Characteristics)：

   • 原發性淋巴器官：與骨髓 (bone marrow) 同樣，胸腺是一個原發性淋巴器官，是淋巴細胞（T 細胞）產生和成熟的場所。
   • 發育與退化：胸腺在胎兒期和嬰兒期發育旺盛，在青春期後逐漸萎縮（退化），脂肪組織逐漸取代淋巴組織，但其功能在成年後仍能維持一定水平。
   • 無淋巴濾泡：與淋巴結不同，胸腺不包含濾泡 (lymphatic follicles)。
   • 血胸腺屏障 (Blood-Thymus Barrier)：胸腺上皮細胞與內皮細胞緊密結合，形成血胸腺屏障，保護正在發育的 T 細胞免受外來抗原的干擾，確保其能正常分化和成熟。

2. 解剖結構 (Anatomic Structure)：

   • 位置：胸腺位於胸骨後方、肺臟之間，心臟上方。
   • 外觀：呈左右兩葉的扁平狀器官。
   • 內部結構：
     • 皮質 (Cortex)：外層區域，富含大量的未成熟 T 細胞（胸腺細胞，thymocytes），這些細胞正在經歷增殖和早期分化。皮質含有大量的上皮細胞（皮質胸腺上皮細胞，cortical thymic epithelial cells, CTECs），它們提供生長因子，並參與 T 細胞的陽性選擇。
     • 髓質 (Medulla)：內層區域，含有較少量的 T 細胞，這些細胞已接近成熟。髓質含有髓質胸腺上皮細胞 (medullary thymic epithelial cells, MTECs)，它們也參與 T 细胞的選擇，並表達組織特異性抗原，用於 T 細胞的陰性選擇。髓質中也含有樹突狀細胞 (dendritic cells) 和巨噬細胞。
     • 胸腺小體 (Hassall's corpuscles)：由髓質胸腺上皮細胞聚集而成，其功能尚不完全清楚，可能與 T 細胞的分化、免疫調節或清除衰老細胞有關。

本題要求列舉五種屬於免疫球蛋白超家族 (Immunoglobulin Superfamily, IgSF) 的分子，並敘述它們在免疫系統中的功能。免疫球蛋白超家族是一大類結構相似的蛋白質，它們都包含一個或多個免疫球蛋白樣結構域 (Ig-like domain)。

免疫球蛋白超家族 (IgSF)

IgSF 的成員在免疫系統中扮演著極為重要的角色，包括抗體、T 細胞受體、MHC 分子、黏附分子等。它們的結構通常包含一個或多個由約 100 個胺基酸組成的、保守的 Ig 結構域，該結構域由兩條反向平行的 $\beta$ 折疊構成，由一個二硫鍵連接。

以下列舉五種 IgSF 分子及其功能：

1. 免疫球蛋白 (Immunoglobulins, Ig) / 抗體 (Antibodies)：

   • 結構：由重鏈 (heavy chain) 和輕鏈 (light chain) 通過二硫鍵組成 Y 形結構，包含可變區 (variable region) 和恆定區 (constant region)。
   • 功能：B 細胞的表面標記物 (BCR)；分泌後作為可溶性抗體，能特異性結合抗原，通過多種機制發揮免疫效應，如中和毒素、調理吞噬作用 (opsonization)、啟動補體系統、抗體依賴性細胞毒殺作用 (ADCC) 等。

2. MHC Class I 分子 (Major Histocompatibility Complex Class I)：

   • 結構：由一條 $\alpha$ 鏈（包含 Ig 樣結構域）和一條 $\beta_2$-微球蛋白 ( $\beta_2$-microglobulin) 組成。$\alpha$ 鏈上有一部分屬於 IgSF。
   • 功能：主要呈遞細胞內來源的抗原肽（如病毒蛋白質片段、腫瘤抗原）給細胞毒殺性 T 細胞 (Tc, CD8$^+$ T cells)。MHC Class I 分子在幾乎所有有核細胞上表達。

3. MHC Class II 分子 (Major Histocompatibility Complex Class II)：

   • 結構：由 $\alpha$ 鏈和 $\beta$ 鏈組成，兩條鏈都包含 Ig 樣結構域。
   • 功能：主要呈遞細胞外來源的抗原肽（如細菌蛋白質片段）給輔助性 T 細胞 (Th, CD4$^+$ T cells)。MHC Class II 分子主要在抗原呈遞細胞 (APCs) 上表達，如樹突狀細胞、巨噬細胞、B 細胞。

本題考查三種類型疫苗（活毒減毒疫苗、死毒滅活疫苗、DNA/RNA 疫苗）的定義、優點和缺點。

1. 活毒減毒疫苗 (Live-Attenuated Vaccines)

• 定義：使用經過減毒處理的活病原體（病毒或細菌）製成的疫苗。減毒的目的是使其在人體內不再引起疾病，但仍能誘導免疫反應。
• 優點 (Pros)：
  • 強大的免疫反應：能誘導細胞免疫 (cell-mediated immunity) 和體液免疫 (humoral immunity)，且通常能產生較長期的免疫記憶。
  • 單劑量或少劑量：由於病原體能在體內複製，通常一劑或少劑量的疫苗就能提供長期的保護。
  • 模擬自然感染：免疫反應與自然感染相似，效果較好。
• 缺點 (Cons)：
  • 安全性問題：對於免疫功能低下者（如愛滋病患者、接受化療者）可能引起疾病。
  • 逆襲風險：在極少數情況下，減毒的病原體可能發生變異，恢復毒力，引發疾病。
  • 儲存要求高：活疫苗對溫度敏感，需要冷鏈儲存，否則可能失效。
  • 潛在的交叉保護限制：減毒株可能無法完全模擬野生株的所有抗原表位，影響保護廣度。
• 例子：麻疹、腮腺炎、德國麻疹 (MMR) 疫苗，口服小兒麻痺疫苗 (OPV)，水痘疫苗。

2. 死毒滅活疫苗 (Inactivated Vaccines)

• 定義：使用已被殺死（滅活）的完整病原體（病毒或細菌）製成的疫苗。病原體失去感染能力，但其抗原結構仍然完整。
• 優點 (Pros)：
  • 安全性高：病原體已無感染性，不會引起疾病，對免疫功能低下者較安全。
  • 儲存相對穩定：比活疫苗對溫度要求低，儲存和運輸較方便。
• 缺點 (Cons)：
  • 免疫反應較弱：主要誘導體液免疫，細胞免疫反應較弱。
  • 需要加強劑：免疫記憶較短，通常需要多次接種或加強劑來維持保護力。
  • 生產成本較高：需要大量培養病原體，並確保其完全滅活。
  • 可能含有佐劑：為增強免疫反應，常需添加佐劑 (adjuvants)。
• 例子：流感疫苗（部分類型）、A 型肝炎疫苗、狂犬病疫苗、百日咳疫苗（全細胞型，現多為 the acellular pertussis vaccine）。

3. 核酸疫苗 (Nucleic Acid Vaccines) - DNA/RNA Vaccines

• 定義：這類疫苗不直接提供病原體抗原，而是將編碼病原體特定抗原的 DNA 或 mRNA 導入人體細胞。

本題要求以一種自體免疫疾病為例，解釋其發病機制 (pathogenesis)。這裡我們選擇「第一型糖尿病 (Type 1 Diabetes Mellitus, T1DM)」作為例子，因為其發病機制相對明確，涉及自身免疫系統對特定細胞的攻擊。

第一型糖尿病 (T1DM) 的發病機制

第一型糖尿病是一種慢性自身免疫疾病，其特徵是胰臟 $\beta$ 細胞被免疫系統破壞，導致胰島素分泌絕對不足，進而引起血糖代謝紊亂。其發病機制是一個複雜的過程，涉及遺傳易感性、環境因素以及免疫系統的失調。

1. 遺傳易感性 (Genetic Predisposition)：

   • T1DM 患者通常具有特定的遺傳背景，其中與人類白血球抗原 (HLA) 基因區域的關聯最為密切，特別是 HLA-DQ 和 HLA-DR 基因型。
   • 這些 HLA 分子在抗原呈遞中起關鍵作用。特定的 HLA 等位基因可能更容易呈遞自身抗原肽給 T 細胞，或與自身抗原肽結合的能力更強，從而增加發生自身免疫的風險。
   • 除了 HLA 基因，其他非 HLA 基因（如 CTLA-4, PTPN22 等）也與 T1DM 的易感性有關，這些基因通常參與調節免疫反應。

2. 環境觸發因素 (Environmental Triggers)：

   • 儘管有遺傳易感性，但並非所有具有易感基因的人都會患病，這表明環境因素在發病中起著觸發作用。
   • 可能的觸發因素包括：
     • 病毒感染：某些病毒（如克沙奇病毒、巨細胞病毒、EB 病毒）的感染可能觸發自身免疫反應。病毒感染可以通過分子模擬 (molecular mimicry) 產生交叉反應，或通過引起組織損傷、釋放自身抗原來啟動免疫反應。
     • 細菌感染：某些細菌也可能觸發免疫反應。
     • 飲食因素：如嬰兒早期攝入牛奶蛋白，或特定成分（如硝基胺）的暴露。
     • 腸道微生物組：腸道微生物的失調可能影響免疫系統的發育和調節。

3. 自身免疫反應的啟動與發展 (Initiation and Progression of Autoimmunity)：

   • 在具有遺傳易感性並受到環境因素觸發後，免疫系統開始攻擊胰臟的 $\beta$ 細胞。
   • 抗原呈遞：受損的 $\beta$ 細胞或 APCs（如樹突狀細胞）會將 $\beta$ 細胞的自身抗原（如胰島素、胰島細胞自體抗原 65 (ICA65)、GAD65、IAA 等）呈遞給 T 細胞。

本題要求概述四種類型的過敏反應 (hypersensitivity reactions)。過敏反應是指免疫系統對外來抗原（過敏原）產生過度或異常的免疫反應，從而對自身組織造成損害。根據 Gell and Coombs 的分類，過敏反應可分為四種類型。

四種類型的過敏反應 (Gell and Coombs Classification)

1. 第一型過敏反應 (Type I Hypersensitivity) - 速發型過敏反應 (Immediate Hypersensitivity)

   • 機制：由 IgE 抗體介導。當個體暴露於過敏原時，免疫系統會產生 IgE 抗體。IgE 抗體結合到肥大細胞 (mast cells) 和嗜鹼性球 (basophils) 表面的高親和力 IgE 受體 (Fc$\epsilon$RI) 上。當再次接觸過敏原時，過敏原會與細胞表面的 IgE 抗體交聯，觸發細胞釋放出大量預存的介質，如組織胺 (histamine)、白三烯 (leukotrienes)、前列腺素 (prostaglandins) 等。
   • 特點：反應迅速，通常在接觸過敏原後幾分鐘內發生。
   • 臨床表現：全身性過敏反應 (anaphylaxis)、氣喘 (asthma)、過敏性鼻炎 (allergic rhinitis)、異位性皮膚炎 (atopic dermatitis)、食物過敏。

2. 第二型過敏反應 (Type II Hypersensitivity) - 細胞毒性過敏反應 (Cytotoxic Hypersensitivity)

   • 機制：由 IgG 或 IgM 抗體介導。抗體與細胞表面或組織基質中的抗原結合，通過以下途徑引起細胞損傷：
     • 補體系統活化：抗體結合後激活補體系統，產生膜攻擊複合物 (MAC) 破壞細胞，或產生 C3b 促進吞噬。
     • 抗體依賴性細胞毒殺作用 (ADCC)：NK 細胞等通過 Fc 受體識別結合抗體的靶細胞，並釋放細胞毒性物質殺死靶細胞。
     • 阻斷受體功能：抗體結合到細胞表面的受體上，阻斷其正常功能（如抗體干擾神經遞質與受體的結合）。
   • 特點：針對細胞或細胞外基質的抗原。

本題考查宿主抗體 (host antibodies) 在對抗癌症（腫瘤）中的作用。雖然傳統上認為細胞免疫（特別是細胞毒殺性 T 細胞）在抗癌中扮演更主要角色，但抗體也通過多種機制對抗腫瘤。

宿主抗體在抗癌中的作用

宿主抗體可以通過以下幾種方式對抗腫瘤細胞：

1. 腫瘤抗原的識別與標記：

   • 腫瘤細胞表面可能表達一些異常抗原，稱為腫瘤相關抗原 (Tumor-Associated Antigens, TAAs) 或腫瘤特異性抗原 (Tumor-Specific Antigens, TSAs)。
   • B 細胞產生的抗體可以特異性結合這些腫瘤抗原。

2. 激活補體系統 (Complement System Activation)：

   • 當抗體（主要是 IgG1, IgG3, IgM）結合到腫瘤細胞表面的抗原後，可以激活經典補體途徑。
   • 補體系統的激活會導致：
     • 細胞裂解：膜攻擊複合物 (MAC) 形成，在腫瘤細胞膜上打孔，使其裂解。
     • 調調理作用 (Opsonization)：補體片段（如 C3b）沉積在腫瘤細胞表面，增強吞噬細胞（如巨噬細胞）的吞噬能力。
     • 炎症反應：補體激活產生的 C3a, C5a 等小分子肽可以吸引免疫細胞到腫瘤部位，引起炎症反應，進而可能輔助抗腫瘤免疫。

3. 抗體依賴性細胞毒殺作用 (Antibody-Dependent Cell-Mediated Cytotoxicity, ADCC)：

   • 腫瘤細胞表面的抗原被抗體（主要是 IgG1）結合後，NK 細胞、巨噬細胞、嗜中性球等具有 Fc$\gamma$ 受體 (Fc$\gamma$R) 的免疫細胞可以識別這些抗體-抗原複合物。
   • 通過 Fc$\gamma$R 與抗體結合，這些免疫細胞被活化，並釋放出細胞毒性分子（如穿孔素、顆粒酶）殺死腫瘤細胞。
   • ADCC 是目前許多單株抗體類抗癌藥物（如利妥昔單抗 Rituximab, Trastuzumab）的主要作用機制之一。

本題考查連續性表位 (continuous epitopes) 和非連續性表位 (discontinuous epitopes) 的特徵。表位 (epitope) 是抗體或 T 細胞受體 (TCR) 能夠識別並結合的抗原上的特定區域。

表位 (Epitopes)

表位是抗原分子上決定抗原特異性的最小結構單元。它們可以由胺基酸序列（線性）或三維結構（構象）組成。

1. 連續性表位 (Continuous Epitopes) / 線性表位 (Linear Epitopes)

   • 定義：由抗原分子上連續排列的胺基酸殘基組成的表位。
   • 特徵：
     • 序列決定：其結構完全由胺基酸的線性序列決定。
     • 易於辨識：無論抗原是變性還是摺疊，只要胺基酸序列相同，抗體通常都能識別。
     • 抗體結合：抗體能夠直接結合這一序列的胺基酸。
     • T 細胞辨識：T 細胞受體 (TCR) 主要識別由 MHC 分子呈遞的線性肽段，因此，T 細胞識別的表位通常是連續性的。
     • 產生：由細菌或病毒等病原體產生，或在疫苗設計中常用。
   • 例子：某些蛋白質的直線胺基酸序列，如肽段疫苗中的抗原決定基。

2. 非連續性表位 (Discontinuous Epitopes) / 構象表位 (Conformational Epitopes)

   • 定義：由抗原分子上空間上相鄰但序列上不連續的胺基酸殘基組成的表位。這些胺基酸殘基在蛋白質的三維摺疊結構中被帶到了一起。
   • 特徵：
     • 結構決定：其結構依賴於蛋白質的正確三維摺疊（構象）。
     • 蛋白質變性影響：如果蛋白質變性（失去其天然三維結構），則這些表位可能會被破壞，抗體將無法識別。
     • 抗體結合：抗體結合的是蛋白質摺疊後形成的特定立體結構。
     • B 細胞辨識：B 細胞受體 (BCR) 和抗體主要識別構象表位。

本題分為兩部分，第一部分考查誘導 Th17 細胞分化所需的細胞因子，第二部分考查這些細胞因子在支持 Th17 發育中的具體作用。

第一部分：誘導 Th17 分化所需的細胞因子

Th17 細胞的分化是一個複雜且受嚴格調控的過程，需要多種細胞因子協同作用。在沒有抑制性信號（如 IL-4 誘導的 Th2 分化信號）存在的情況下，以下細胞因子是誘導 Th17 分化所必需的：

1. 轉化生長因子-β (Transforming Growth Factor-β, TGF-$\beta$)：

   • TGF-$\beta$ 是誘導 Th17 分化的關鍵啟動因子。

2. 介白素-6 (Interleukin-6, IL-6)：

   • IL-6 與 TGF-$\beta$ 協同作用，共同啟動 Th17 的分化途徑。

3. 介白素-23 (Interleukin-23, IL-23)：

   • IL-23 在 Th17 細胞的存活、增殖和維持其功能方面起著至關重要的作用。它通常在 Th17 細胞分化後期發揮作用。

4. 介白素-1β (Interleukin-1β, IL-1β)：

   • IL-1$\beta$ 也可以與 TGF-$\beta$ 和 IL-6 協同，增強 Th17 的分化，尤其是在某些炎症環境下。

其他可能影響 Th17 分化的細胞因子：

• IL-21：也被認為能促進 Th17 分化，尤其是在 IL-6 存在時。
• IFN-$\gamma$：通常會抑制 Th17 分化，但其作用複雜，在某些情況下也可能影響 Th17 的功能。
• IL-4：主要誘導 Th2 分化，也會抑制 Th17 分化。

核心必需細胞因子組合：
在大多數情況下，TGF-$\beta$ 和 IL-6 是誘導初始 T 細胞 (naïve CD4$^+$ T cells) 分化為 Th17 的基本組合。IL-23 則對成熟 Th17 細胞的功能維持至關重要。

第二部分：這些細胞因子在支持 Th17 發育中的作用

1. TGF-$\beta$ 的作用：

   • 啟動分化：TGF-$\beta$ 是誘導 Th17 分化的啟動信號。它通過激活 Smad 信號通路，促進 Th17 特異性轉錄因子（如 ROR$\gamma$t）的表達。
   • 抑制其他 T 細胞譜系：TGF-$\beta$ 本身也能抑制 Th1 和 Th2 的分化，為 Th17 的選擇性分化創造條件。

2. IL-6 的作用：

   • 協同促進分化：IL-6 通過 JAK-STAT 信號通路（主要是 STAT3）與 TGF-$\beta$ 的 Smad 信號通路協同作用。