Ekoimmunologi

Ekoimmunologi eller ekologisk immunologi är studiet av orsaker och konsekvenser av variation i immunitet . Området ekoimmunologi försöker ge ett ultimat perspektiv för närliggande mekanismer för immunologi. Detta tillvägagångssätt placerar immunologi i evolutionära och ekologiska sammanhang över alla nivåer av biologisk organisation.

Klassisk, eller mainstream, immunologi arbetar hårt för att kontrollera variationen (inavlade/inhemska modellorganismer, parasitfria miljöer etc.) och ställer frågor om mekanismer och funktionalitet hos immunsystemet med hjälp av en reduktionistisk metod. Även om ekoimmunologi härstammar från dessa områden, kännetecknas den av sitt fokus på att förklara naturlig variation i immunfunktioner.

Flera institut ägnar sig åt ekoimmunologisk forskning, såsom Center for Immunity, Infection and Evolution vid University of Edinburgh och Max Planck Institute for Immunoecology and Migration. US National Science Foundation har finansierat ett forskningskoordinationsnätverk för att skapa metodologisk och konceptuell enhet inom ekoimmunologi. Orsakerna och konsekvenserna av immunvariation har större konsekvenser för folkhälsa , bevarande , djurlivsförvaltning och jordbruk .

Historia

Ekologisk immunologi är en disciplin som använder ekologiska perspektiv för att förstå variationen i immunförsvaret. Specifikt för att förklara hur abiotiska och biotiska faktorer påverkar variationen i immunförsvaret. Artiklar började diskutera ekologiska sammanhang och immunvariationer på 1970-talet men mognade till en disciplin på 1990-talet. Ekoimmunologi är ett integrerat fält som kombinerar tillvägagångssätt från evolutionär biologi , ekologi , neurobiologi och endokrinologi .

Seminära papper

Seminala artiklar inom området inkluderar Sheldon & Verhulsts som föreslagit koncept från Life History theory , avvägningar och allokering av resurser mellan konkurrerande kostsamma fysiologiska funktioner, är en orsak till variation i immunitet. ett svar på Hamilton och Zuks berömda artikel om handikapphypotesen för sexuellt utvalda egenskaper. Folstad och Karter föreslog immunokompetenshandikapp , där testosteron fungerar som en förmedlare av immunsuppression och därmed håller sexuellt utvalda egenskaper ärliga. Även om det hittills bara finns måttliga observations- eller experimentella bevis som stöder detta påstående, var själva artikeln en av de första länkarna som gjordes och antydde en kostnad för immunitet som kräver avvägningar mellan den och andra fysiologiska processer.

På senare tid har ekoimmunologi varit temat för tre specialnummer i peer-reviewed tidskrifter, i Philosophical Transactions of the Royal Society B , i Functional Ecology och i Physiological and Biochemical Zoology (se Externa länkar ).

Kända faktorer som påverkar immunförsvaret

Intraspecifika begränsningar

Organismer allokerar energi mellan konkurrerande processer inklusive självunderhåll, reproduktion eller tillväxt. Energitillgången är begränsad och resurserna som används för en av de konkurrerande metaboliska uppgifterna (dvs tillväxt, immunsvar) kan inte riktas mot en annan. Kostnaden för immunitet är central för förståelsen av ekoimmunologi. Naturligt urval bör gynna det optimala immunsvaret som maximerar den totala reproduktionseffekten under hela livet. Kostnaderna för immunitet mot parasiter uppstår på individuell och evolutionär skala. Avvägningar mellan kroppsliga krav titreras i förhållande till den lokala och sociala ekologin .

Medfödd kontra förvärvad

En axel på vilken dessa avvägningar sker är avvägningen mellan medfödd och förvärvad immunitet . McDade tillämpar ett ramverk som tar hänsyn till tre ekologiska faktorer som formar avvägningar mellan livshistoria. Ramverket föreslår att miljöer med hög yttre dödlighet bör gynna medfödd immunitet eller kortsiktig immunitet medan låg yttre dödlighet bör möjliggöra en längre tidshorisont för att investera i förvärvad eller långsiktig immunitet.

  • Tillgången på näringsresurser
  • Intensiteten av patogenexponering
  • Signaler om extern dödlighetsrisk

Barndomens tillväxt

Bland organismer, i utvecklingsstadier, kan allokeringen av energi mot immunfunktion avvägas med fysisk tillväxt, särskilt i miljöer som kännetecknas av hög patogen och låga resurser. Hos Tsimane- barn observerades en minskning av tillväxten med 49 % hos barn med mild immunaktivering.

Kroppsstorlek

Kroppsstorleken påverkar i vilken utsträckning en organism utsätts för parasiter samt begränsningar för hur organismer kan få ett immunsvar. En metaanalys över djurtaxa fann att små djur, oproportionerligt långlivade för sin storlek, upplever de största kostnaderna för immunaktivering.

Fortplantning

Fysiologiska och beteendemässiga förändringar under reproduktion är kända för att påverka immunsystemet . Avvägningar sker mellan kroppsligt underhåll (som inkluderar immunfunktion) och reproduktion, eftersom metabolisk energiförbrukning ökar under graviditet och amning . Reproduktionssystemet är unikt genom att dess funktion är att producera avkomma samtidigt som immunsystemet ger inre skydd. Båda systemen regleras av kemiska signaler som svar på miljöstimuli och förlitar sig på interaktioner mellan båda systemen för att vart och ett ska fungera korrekt. Ökad parasitism hos djur under reproduktionsfaser har dokumenterats väl, men det är oklart om förändringar i immunsystemet orsakar detta då få studier inkluderar mått på både immunitet och parasitism. En studie av vilda kronhjortar på Isle of Rum , utanför Skottlands kust , fann att reproducerande honor hade lägre antikroppsnivåer och högre parasitantal. Hos människor kan livshistoriska händelser som menarche försenas och klimakteriet påskyndas av infektionssjukdomar.

Testosteron

Immunokompetenshandicaphypotesen och liknande teorier föreslår att testosteron förmedlar en avvägning mellan livslängd och reproduktionsansträngning hos män, och prioriterar investeringar i sekundära sexuella egenskaper såsom sexuellt dimorf muskelmassa. Energetiskt dyra sekundära sexuella egenskaper , såsom skelettmuskelmassa, har visat sig förutsäga ett samband mellan testosteronnivåer och reproduktionsansträngning.

Mänskliga män upplever muskelmassaförsämring under tider av immunologisk och näringsmässig stress. Hos människor har studier rapporterat lägre testosteron hos män med akuta sjukdomar, inklusive sepsis , kirurgi och HIV .

En annan teoretisk modell har föreslagits för testosteronvariabilitet som fenotypisk plasticitet med hänsyn till beteende- och miljöpåverkan samt immunaktiveringens roll på testosteronnivåerna. Denna modell betraktar den variabilitet vi ser som ett plastiskt svar på miljöstimuli och sjukdomsrisk i olika ekologiska miljöer, grundläggande skiftningar mellan energitilldelningar från reproduktiva till somatiska ansträngningar. Inom denna ram kan sänkt testosteron som svar på skada eller sjukdom vara ett tecken på en adaptiv respons.

Stress och kortisol

Stress genom frisättning av stresshormoner, såsom glukokortikoider , påverkar immunförsvaret. Glukokortikoider, som kortisol, stimulerar mobilisering av glukos när energibehovet ökar. Psykologiska stressreaktioner som utlöser fysiologiska förändringar i organismer för att klara av stressmodulerar immunsvar. Aktivering av hypotalamus-hypofys binjureaxeln (HPA) är en av huvudmekanismerna genom vilka immunsystemet interagerar med stress. I djurstudier, stressfaktorer såsom social störning och återhållsamhet stress aktiv HPA-axel hos möss I både mänskliga och djurmodeller har studier visat att varierande tider av stress kan återaktivera latent HSV-1 . Stress har visat sig öka okulär utsöndring av HSV-1- utsöndring hos möss och nasal utsöndring hos nötkreatur. Hos människor är stress en prediktor för återkommande utbrott av herpes simplex-virus och Epstein-Barr-virus .

Interaktioner med parasiter

Värdens matningsbeteende

Parasitförändrade ätbeteenden har observerats hos flera arter. De flesta studier drar slutsatsen att det finns en konditionsfördel med att ändra värdens matningsbeteende för antingen värden eller parasiten. Arten S.littoralis caterpillar kommer när den är infekterad med nukleopolyhedrovirus själv att välja en proteinrik diet, vilket ökar dess sannolikhet för överlevnad.

Parasitmanipulation

Selektion förväntas gynna parasitmanipulation av värden när värdens beteende skapar en suboptimal miljö för parasitens kondition. En tillämpning av coevolutionär teori skulle förutsäga sofistikerade manipulationer av värdbeteende när värdspecificiteten är hög. Manipulation måste särskiljas från störning eller dysfunktion, eftersom sådana experiment måste visa att parasitförändrat beteende har fitnessfördelar för parasiten och att det regleras eller kontrolleras fysiologiskt av parasiten.

Värdmotstånd

Självmedicinering , en form av värdresistens, definieras som ett individuellt svar på infektion genom intag eller skörd av icke-närande föreningar eller växtmaterial. Detta fenomen har observerats hos flera arter, med de mest framträdande exemplen inklusive intag av hela löv av primatarter för att minska nematodinfektioner och intag av sekundära växtmetaboliter av larver och humlor. Hos sociala insekter kallas beteenden som minskar parasitbelastningar på koloninivå " social immunitet" . Ett exempel på detta är att Apis mellifera inkorporerar växthartser i sin bobyggnad eftersom detta kan minska den kroniska höjningen av ett immunsvar på individnivå. Hög aktivering av immunitet medför fitnesskostnader både på individ- och koloninivå, sålunda minskade social immunitet kostnader för individer och koloninivåer.

Ytterligare interaktioner

Näringstress

Uppregleringen av immunförsvaret medför betydande näringskostnader i form av protein och energi. Immunkostnader ses ofta när organismer befinner sig i stressiga miljöer som att uppleva näringsstress. I djurmodeller visade fruktflugor som valdes ut för parasitoidresistens minskad larverkonkurrenskraft endast när de var föremål för födobegränsningar.

Leptin har föreslagits som en förmedlare av energiska avvägningar, som en potentiell leverantör av signaler för nuvarande energitillgänglighet.

Mikrobiom

Snabba förändringar i tarmmikrobiomet inträffade under människans evolution Eftersom mikrobiomet påverkas av värdmiljön, tror forskare att det spelade en roll för att underlätta mänsklig anpassning till nya miljöer som underlättats genom perioder av klimatförändringar och migration. Till exempel kommensala mikrober värdens förmåga att överleva patogena exponeringar genom flera mekanismer, inklusive intermikrobiell konkurrens och interaktion med immunsystemet . Hos människor bidrar mikrobiomet också till många kroppsfunktioner såsom näringsbearbetning och fettreglering.

Säsongsvariationer

Säsongsmässiga förändringar i immunitet uppstår i populationer av vilda djur på grund av förändringar i sjukdomshot över tid och avvägningar mellan immunfunktion och andra säsongsmässigt varierande investeringar såsom reproduktiva ansträngningar. Exempel på dessa kostsamma reproduktionsansträngningar inkluderar molting , termoreglering och migration hos fåglar. Säsongsbetonad immunosuppression ses under långa dagar på sommaren bland reptiler och fåglar .

Temperaturstress

Temperaturstress har kausalt kopplats till försämring av immunfunktionen hos flera arter inklusive C. elegans , Daphnia magna och Drosophila melanogaster . Förkylningsstress har visat sig hämma fagocytos hos makrofager hos möss.

Populationsgenetik

Populationsgenetiska egenskaper såsom populationsstorlek, mutationsfrekvens och selektiva processer är viktiga värd-parasit-samevolutionära dynamik och påverkar därför utvecklingen av olika aspekter av immunsystemet.

Patogenstress är ett stort senaste urvalstryck i mänsklig evolution. Patogendriven selektion har fått stöd i allelfrekvensstudier inklusive MHC I och blodgruppsantigener . Gennätverk har också korrelerats med specifika patogener inklusive helminter.

Studier har visat gener som uttrycks på olika sätt baserat på genetiska anor formar interindividuell variation av immuncellssvar på virusinfektioner, men de flesta av dessa effekter är celltypsspecifika. Segment av genomer från neandertalhärstammar som är inträngda i moderna människor är berikade för proteiner som interagerar med virus som tyder på viralt selektionstryck under hela evolutionen .

Kritik

Tidiga studier inom ekoimmunologi tenderade att underskatta komplexiteten i parasitförsvar, ofta förlitade sig på en eller två immunmått som en övergripande indikation på antipatogenförsvarsförmåga. Många studier involverar laboratorieexperiment in vivo , men det har nyligen funnits uppmaningar till immunologer att studera immunvariationer mer hos i synnerhet vilda djur. Hittills har provtagning av vilda populationer visat att det finns en betydande interindividuell immunvariation.

En annan källa till kritik kommer från behovet av att utveckla analyser som kan användas över arter och vara tillgängliga i flera laboratorier på grund av det faktum att ekoimmunologer främst studerar icke-modellorganismer.

Evolutionära implikationer

Ekoimmunologi möjliggör inkorporering av mer realistiska detaljer om variation i individuella immunsvar i en population. Ny forskning har visat att individuell variation i smittsamhet följer en mycket skev fördelning , med mycket få individer som är mycket smittsamma. Modeller som står för heterogenitet , förutspådde sällsynta snabbare spridande epidemier och argumenterade för användningen av olika typer av folkhälsointerventioner jämfört med modeller som antar en normalfördelning av variation i smittsamhet.

Modeller av värd-patogen- samevolution har visat att karaktären av livshistoria-avvägningar i hög grad kan förändra utvecklingen av patogenvirulens och dess förmåga att skada infekterade värdar.

Nya framsteg inom teoretisk modellering har möjliggjort ökad integration av processer inom organismen (såsom immunmedierad minskning av patogenreplikation) och mellan organismprocesser (såsom överföring ). Till exempel, genom att modellera både värdens immunförsvar och utvecklingen inom värd av hepatit C-viruset , visade att korsreaktivitet av immunsvar kan vara en avgörande bestämningsfaktor för infektionens kronicitet och sannolikheten för överföring.

Medicinska implikationer

Ett av de mest inflytelserika bidragen från ekoimmunologi har varit konceptet med tolerans som inkorporerar kostnaden för infektion i mått på immunitet. Studiet av tolerans har implikationer i human biomedicin , vilda ekologi och folkhälsa . Till exempel har det funnits ett växande intresse för " antibiotikakrisen " orsakad av den ökade förekomsten av läkemedelsresistenta mikrober och en minskning av upptäckten av nya antibiotikabehandlingar . En förändring av fokus till tolerans snarare än utrotning kan ge fruktbara vägar för behandlingar som minskar virulens snarare än att eliminera parasiter.

Se även

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Ecoimmunology&oldid=1136218869 "