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核心素养视域下“免疫调节"内容的延伸与启示

[日期:2018-12-13] 来源:中学生物教学 2018年第8期  作者:郭学恒(教育部考试中心) [字体: ]

摘要  免疫调节是学习稳态维持的核心内容之一,以细胞免疫和体液免疫两类适应性免疫应答为主线展开,有助于稳态与平衡生命观念的形成。通过对淋巴细胞来源和应答模式等与免疫调节相关的内容在深度和广度方面的延伸及核心概念的辨析,可加强对免疫调节分工细化与相互协作特点的深层认知,有利于科学思维与研究能力的提升以及生命观念的建立,共同促进生物学科核心素养的养成。

关键词  免疫调节;淋巴细胞;核心素养;生命观念

 

  免疫调节是高中生物学课程标准制定的学习目标,也是高考的考查内容。适应性免疫应答在免疫学知识体系中具有学科代表性,涵盖较多的免疫学主干知识,体现了免疫调节高度特异性和免疫记忆的特殊性,作为初步学习免疫调节的内容较为合宜。然而限于教学实际情况,过度展开相关内容会造成不必要的学习负担;对于学有余力及兴趣浓厚的学生来说,这部分内容的深度和广度又难以满足其求知欲;对某些问题的阐释由于简化可能会造成含混不明的困扰。为此,适当拓展基于人教版高中生物学教材免疫调节的内容,有助于在掌握与运用相关内容的基础上,达成深化认知、培养学科核心素养的目标。

1 拓展深度,形成完整的概念结构

1.1明晰命名缘由,加深本质理解

    胸腺(thymus)是T淋巴细胞(T细胞)发育成熟的场所,因此,T淋巴细胞(T lymphocyte)得名于胸腺来源的淋巴细胞〈thymus一derived lymphocyte)。B淋巴细胞(B细胞)最初发现是在鸡的法氏囊(bursa of Fabricius)中发育成熟的,因而称之为法氏囊来源的淋巴细胞(bursa一derived lymphocyte),B淋巴细胞由此得名 。法氏囊是鸟类所特有的器官,哺乳类中与法氏囊同功作为B淋巴细胞发育成熟场所的器官是骨髓(bone marrow),二者巧合地具有相同的首字母 B ,而B淋巴细胞中“ B "的原意是指法氏囊而非骨髓。分别对T淋巴细胞中的“ T"和B淋巴细胞中的“ B "进行解释,可明确细胞名称中的字母代表其发育成熟的器官,以此渗透学术词汇命名方法及形式所包含的深层信息,培养学生自我学习的研读能力和探究习惯。

1.2细化细胞类型,明确免疫功能

    初始T淋巴细胞不能直接识别抗原,需要专职的抗原提呈细胞(antigen presenting cell,APC)如树突状细胞(dendritic cell, DC)将抗原处理、提呈至初始T 淋巴细胞并将其激活。并非所有的吞噬细胞 (phagocyte)均能激活初始T淋巴细胞使之增殖分化为效应T淋巴细胞,这种功能是树突状细胞所特有的功能。因此,吞噬抗原并提呈至初始T细胞的吞噬细胞是指树突状细胞。

    初始CD8+T细胞被活化后可增殖分化为细胞毒性T细胞(cytotoxic T lymphocyte,CTL),能靶向杀伤病毒感染以及胞内感染的宿主细胞,是细胞免疫应答的主要效应细胞〈图1)。CTL识别靶细胞后可释放穿孔素(perforin)、颗粒酶(granzyme)和颗粒溶素(anulysin)等活性蛋白启动靶细胞凋亡,还可分泌肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor α,TNFα)诱导靶细胞凋亡。即细胞免疫过程中“效应T细胞"是指CTL,“与靶细胞密切接触"意指CTL识别靶细胞并释放促凋亡因子诱导其凋亡,而并非简单接触即可实现。



    初始B淋巴细胞被抗原活化后可增殖分化成为抗体分泌细胞(antibodysecreting cellASC)分泌抗体是B淋巴细胞最特质的属性。抗体与抗原结合可阻断抗原的感染和扩散等行为。清除结合了抗体的抗原需要其他免疫细胞的参与,如巨噬细胞可吞噬并降解此类抗原抗体复合物,此处的“吞噬细胞"主要指巨噬细胞。

    在体液免疫应答过程中释放细胞因子促进B淋巴细胞活化的T细胞是辅助性T细胞(helper T cell, (h),主要是初始CD4 T细胞被活化后分化成的滤泡辅助性T细胞(follicular helper T cell, Tfh)。由此可知,初始CD4 T细胞和初始CD8+ T细胞分别承担不同的T细胞功能,前者主要分化为辅助性T细胞增强体液免疫应答效应,后者则分化成为细胞免疫应答的主要效应细胞。据此还可知,效应T细胞不是只有一种具有多重功能的细胞,而是由功能特化的细胞类型分别承担。对效应T细胞功能亚群的了解,可帮助形成细胞具有功能亚群的观念。一种类型细胞具有多种功能亚群是免疫细胞的鲜明特点。

通过对各个免疫应答过程中细胞类型的具体化分析,帮助建构免疫应答的详细过程,有助于深人理解各种免疫细胞的主要功能,增加对知识理解的深度,引导学生深人思考,以提高其科学探究能力。

1. 3厘清应答过程,追溯反应本源

    细菌抗原可经由吞噬细胞、初始T细胞将初始B 细胞活化,还可以直接活化初始B淋巴细胞,这两种免疫应答路径主要是由抗原特性决定的。细菌抗原的蛋白质组分是通过树突状细胞、初始T细胞这条途径激活抗原特异性初始B淋巴细胞,活化的B淋巴细胞增殖分化成为产生大量抗体的浆细胞(plasma cell) 和记忆B细胞两种效应B淋巴细胞(图2)。这种蛋白质类抗原活化初始B淋巴细胞的过程中需要抗原特异的辅助性T细胞Tfh参与,这种抗原称之为胸腺依赖型(thymus一dependent, (D)抗原。此处的胸腺依赖性意指此类抗原对初始B细胞的活化需要胸腺来源的细胞,具体的是T淋巴细胞。

    细菌细胞壁中的脂多糖(lipopolysaccharide, L)等非蛋白质组分可直接活化初始B细胞并诱导抗体产生,此过程不需要T细胞的协助,这种抗原称之为非胸腺依赖型(thymus一independent,Tl)抗原TD抗原和抗原所诱发的免疫应答路径和结果不同(表1)。TD抗原诱导产生的抗体包括lgG等多种类型,且亲和力较高,除浆细胞外还能诱导记忆性B细胞的形成。此反应需较长时间,通常5、7天才可以完成,是典型的适应性免疫应答。TI抗原诱导产生的抗体主要是lgM,其亲和力较低,记忆性B细胞较为罕见。此过程反应迅速,类似于固有免疫应答,体现了B淋巴细胞的固有免疫属性。

    TI抗原诱导的快速免疫应答可初步控制病原体感染,在TD抗原诱导的特异性免疫应答完成前发挥免疫保护作用。两种反应相互补充、各有所长,呈现出免疫调节系统职能细化与协作共赢的特点。值得注意的是,体液免疫不仅包含TD抗原所诱导的适应性免疫应答,还包括抗原诱导的类似固有免疫应答的反应。可见,体液免疫应答的主要特征是抗原诱导抗体产生的过程。

    适应性免疫应答所包含的细胞免疫与体液免疫两类机制分工明确、功能互补,实现清除异物范围的全覆盖。细胞免疫的主要效应元件是细胞水平的 c且,可清除胞内感染细菌、寄生虫、病毒的宿主细胞以及发生变异的自身细胞;体液免疫的主要效应元件是分子层级的抗体,不可随意出人活细胞,主要控制胞外病原体。体液免疫可针对TD和两种抗原采取不同的免疫应答模式,或复杂迟缓,或简单迅速,在时间和空间的尺度上互相协调,对人侵机体的病原体进行分时突破与精准打击。这种精细分工的系统可以提升整体系统的作用质量、拓宽功能涉及范围,是保障机体适应纷繁复杂和不断变化生活环境的一种有效机制。

通过厘清体液免疫应答路径及其特点,找出两条路径差异的原因,发现问题的实质,分析体液免疫启动方式不同所具有的存在价值,使之感知免疫调节复杂性的客观存在和现实需求,有利于比较与归因研习方法的训练以及因果逻辑思维的形成。

2 延展广度,满足科学探究的兴趣

2.1免疫细胞种类纷繁多样

    免疫器官根据功能属性的不同,将免疫细胞生成、成熟的场所称为中枢免疫器官〈骨髓、胸腺),免疫应答发生的场所称为外周免疫器官(脾脏、淋巴结)。对免疫器官功能的区分可以加深对器官存在和解剖学位置内涵的深刻认识和领会。

    免疫细胞是免疫系统通过免疫调节方式维持免疫稳态的结构和功能的基本单位。根据发育途径和功能的差异,免疫细胞主要分为髓系细胞(myeloid cell)和淋巴细胞(lymphocyte)两类,可由骨髓中的造血干细胞(hematopoietic stem cell,HSC)经多级分化发育而来。髓系细胞包括树突状细胞、巨噬细胞(macrophage)、单核细胞(monocyte)、肥大细胞(mast cell),具有多型细胞核的中性粒细胞(neu Phil)、嗜酸性粒细胞(eosinophil)、嗜碱性粒细胞(basophil)。教材中免疫细胞的组成“吞噬细胞等"是指树突状细胞、巨噬细胞、中性粒细胞等具有吞噬能力的吞噬细胞以及其他多种免疫细胞。此外,还有与淋巴细胞同源属于淋巴系的自然杀伤细胞(natural killer cell,NK cell)和固有淋巴样细胞(innate lymphoid cell,ILC)。淋巴细胞仅有T淋巴细胞和B淋巴细胞两类。淋巴细胞较小,便于循环游走以巡查和识别抗原;其细胞核相对较大,细胞质及细胞器较少,反映出结构与功能相适应的生命观念。

    为满足免疫系统功能高复杂性的要求,相应的有多种多样的免疫细胞类型存在,各司其职,体现出基本结构单元与功能分化相适应的生命特征。高中阶段对免疫学相关内容的教学并不要求覆盖如此多种多样细胞名称及其功能,通过对该部分内容的了解,可建立细胞类型与功能紧密联系的观念,形成免疫细胞种类繁多的印象。

2.2淋巴细胞的同源与分化

    免疫调节体系分工细化、相对独立,相互协助又内在统一。淋巴细胞发育所特化的T淋巴细胞和B 淋巴细胞分别承担细胞免疫和体液免疫应答行为。两种淋巴细胞均来源于骨髓中共同的早期前体细胞,其发育成熟与功能特化则分属于不同的器官环境中实现。中枢免疫器官要为特化细胞的最终形成提供特殊的环境条件,反映了提供免疫细胞成熟场所功能的协作与分工。

    免疫细胞种类丰富,相互之间具有一定的内在联系与共同之处。以淋巴细胞为例,通过对其发育途径中共性相同与个性差异的比较,可发现这种复杂之中的有序关联。T淋巴细胞与B淋巴细胞所共有的淋巴系前体细胞在骨髓中形成,部分此前体细胞随血液迁移至胸腺,在胸腺的微环境作用下可定向分化为T 淋巴细胞;而留在骨髓中的前体细胞在骨髓微环境作用下定向分化为B淋巴细胞。T淋巴细胞在胸腺中的发育始于双阴性胸腺细胞(CD4CD8- thymocyte),经由双阳性胸腺细胞(CD4+ CD8+ thymocyte) 后发育为单阳性的CD8+ T细胞和CD4+ T细胞两类,分别承担不同的免疫应答功能。

    B淋巴细胞的发育路径经由多级发育阶段。B 淋巴细胞分化的定向始于祖B细胞(pro一B cell),再经由前B细胞(pre -B cell)、未成熟B细胞和成熟B 细胞等多个发育阶段〈图3)。从造血干细胞到未成熟B细胞的发育阶段在骨髓中进行,之后未成熟B细胞迁移至脾脏等外周淋巴器官中进一步分化成为成熟B细胞,即功能性成熟B细胞,可参与抗原识别和免疫应答。

    淋巴细胞是由骨髓中的造血干细胞分化发育而来,T淋巴细胞和B淋巴细胞又具有共同的早期前体细胞,而分别在胸腺和骨髓中发育成熟。为了满足对两种淋巴细胞发育路径认识的需求,应指出发育过程中细胞命运决定分叉的初始阶段,即祖细胞分化形成时就确定了最终生成细胞的类型。对淋巴细胞发育途径内容的拓展可形成细胞分化发育具有多个阶段的意识,认识干细胞分化潜能逐级递减、细胞命运逐级明确的现象,体悟生命体相同、基因组却不同的表现型差异的缘由与过程,引导学生进行理性思考。

2.3功能分化的辅助性T细胞

    初始CD4+ T细胞被活化后分化为多种辅助性T 细胞,参与调控多种免疫应答反应,一般通过释放特定的细胞因子来发挥免疫调节的协助作用(图3)。辅助性T细胞有多种类型,其中1主要分泌产生干扰素(interferon, IFN),能有效地激活巨噬细胞并增强其清除感染病原微生物的能力。Th2主要产生白细胞介素(interleukin,(L)一4,可诱导寄生蠕虫特异性抗体lgE的产生。Tfh主要通过释放IL一21诱导效应B淋巴细胞高亲和力抗体的产生。在一定条件下,CD4 T细胞还可分化成为调节性T细胞(re · latoryT cell, Treg),可分泌抑炎细胞因子IL一10、 TCF一阝(transforming growth factor一阝)抑制免疫活化进程,以防止免疫反应过度活化对机体造成损伤,是免疫应答的“制动器"。对辅助性T细胞功能亚群的了解,认识免疫应答“专业化"的特点,即多种免疫应答反应都具有适合本身的辅助性T细胞,可建立细胞功能分化与专业分工的观念,领略免疫调节复杂而精妙之处。

2.4淋巴细胞特异性的分子基础

    适应性免疫应答的特征是高度的抗原特异性,只针对一种或一类抗原进行免疫应答。淋巴细胞具有高度抗原特异性的结构基础是细胞表面识别抗原的特异性受体。T细胞表面特异性识别抗原的受体是T 细胞受体(T cell receptor, TCR) , B细胞受体(B cell receptor, BCR)是B细胞表面的免疫球蛋白CImmuno— globulin, Ig)抗体分子。指出淋巴细胞特异性的分子基础,深人认识特异性的存在依托,理解特异性发挥的结构单位,可加强对免疫调节特异性概念的理解。此外,受体通常是实现特异性调节的分子基础,对此部分内容的理解有助于学生对生物学特异性现象的迁移和运用,达到“知其所以然"的层次。

3 纠偏误区,培养科学求是的精神

    免疫系统的构成多样,免疫应答的过程复杂多级,加之免疫细胞和免疫分子名称的高复杂程度,要求在阅读和理解免疫学内容时要结合具体的问题情境,比较和思考主要概念,厘清科学本质和内涵,依托批判性思维方式解决现实问题,逐步提升生物学科核心素养。

    淋巴细胞包括T淋巴细胞和B淋巴细胞两类,是参与机体适应性免疫应答过程的主要细胞类型。淋巴细胞是广义的概念,包括未成熟、成熟的状态,初始、活化和效应等阶段。在表述中要明确指出淋巴细胞所处状态,以免混淆反应进程。

    体液免疫是指活化初始B淋巴细胞诱导抗体产生的过程,包括TD抗原经由树突状细胞、辅助性T细胞诱导浆细胞和记忆性B细胞的过程,也包括TI抗原直接激活初始性B细胞产生抗体的过程。体液免疫不仅仅指适应性免疫应答的那一方面。

    淋巴细胞的成熟主要表征为细胞发育与细胞功能。从干细胞前体逐级发育分化成淋巴细胞实现了发育维度的成熟;刚发育成熟的淋巴细胞还不具备执行免疫功能的能力,功能性尚未成熟,需要在特定条件下进一步分化成为功能性成熟的淋巴细胞,达到功能维度的成熟状态。从免疫活化的维度来说,未被抗原活化的淋巴细胞处于未激活状态,称为初始淋巴细胞(naive lymph尹e) ;被抗原活化后淋巴细胞可进一步分化成为效应淋巴细胞(effector lymphocyte) [ 4〕在获取信息进行理解转化的过程中,需要注意所述内容的主要意图,这样才能避免概念模糊与误解。在学习过程中难免会遇到概念混用或一词多义的情况,需要有批判式的严谨思维,不可照单全收,对存有疑虑之处需进一步考证与比较。在进行科学学术文字或口头表达时须保证科学严谨性与描述精准性,避免产生歧义,保证知识传播的科学性与规范性,体现学科专业化水平与综合素养。

4 认知升级,助力核心素养的养成

    免疫学内容丰富多样或显复杂,免疫调节所及范围广而深,免疫系统所承担功能之特殊性要求一定的组成复杂性与之相匹配。通过免疫调节来维持免疫稳态是机体内环境稳态的重要调节方式之一,对免疫调节内容的学习与应用有助于形成稳态与平衡的生命观念。免疫系统涵盖了从分子、细胞、组织器官、系统和机体等多个层级的调节,厘清各层级的免疫调节模式有助于科学思维的培养、深度理解及综合运用。免疫细胞种类多样且功能特异,其所主导的多种免疫应答相辅相成,共同构建复杂而精妙的免疫调控体系,因而思考和解决免疫调节相关问题对提升科学探究能力颇为有益。免疫失调所导致的影响较大,如人类免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus,HIV)感染所致的获得性免疫缺陷综合征(acqmredimmune deficiency syndrome,AIDS,又称为艾滋病)对机体健康有严重损伤且难以治愈,目前依然是生物医学领域难以攻克的难题,也是倍受关注的社会问题。对艾滋病免疫学相关内容的了解可以引导学生增强关注社会问题的意识,使其能够自觉运用所学科学知识对社会问题进行客观的评价和专业的判断,形成热爱生命的生活态度和关爱社会的社会责任感。因此,免疫调节内容的学习与考查有助于生物学科核心素养的全面发展。

    对免疫调节精致的作用机制的认识有助于科学思维的训练和提升,对免疫调节所承载的生命体系之精妙所在的体会有助于生命观念的内化和形成,于生物学科核心素养的养成和发展及教学目标的实现与引领均有增益作用。

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