NK细胞即自然杀伤细胞，是机体关键的免疫细胞，其杀伤机制主要包含以下几个方面。
第一是自然杀伤用途。NK细胞可以直接辨别并结合靶细胞，这一过程无需抗原预先致敏。NK细胞表面存在多种受体，如杀伤细胞免疫球蛋白样受体（KIR）和杀伤细胞凝集素样受体（KLR）。正常状况下，这类受体与细胞表面的主要组织相容性复合体（MHC） |Ⅰ类分子相互用途，传递抑制信号，使NK细胞处于静止状况。当靶细胞表面MHC |Ⅰ类分子表达异常（如肿瘤细胞、病毒感染细胞）时，抑制信号减弱或消失，同时激活受体与靶细胞表面相应配体结合，产生激活信号，从而启动NK细胞的杀伤活性。
第二是释放细胞毒性物质。当NK细胞被激活后，会向靶细胞释放穿孔素和颗粒酶。穿孔素在靶细胞膜上形成孔道，使细胞外水分和电解质进入细胞内，致使靶细胞渗透性溶解破坏。颗粒酶则通过穿孔素形成的孔道进入靶细胞，激活细胞内的凋亡有关酶系统，诱导靶细胞发生凋亡。
再者是通过抗体依靠的细胞介导的细胞毒性用途（ADCC）杀伤靶细胞。NK细胞表面具备FcγRⅢ（CD16），它能辨别并结合结合了靶细胞的IgG抗体的Fc段。当IgG抗体与靶细胞表面抗原特异性结合后，NK细胞通过FcγRⅢ与IgG的Fc段结合，从而定向杀伤被抗体包被的靶细胞。
另外，NK细胞还能分泌细胞因子发挥杀伤用途。比如，NK细胞可以分泌肿瘤坏死因子 |α（TNF |α）和干扰素 |γ（IFN |γ）等细胞因子。TNF |α与靶细胞表面的TNF受体结合，启动细胞内的凋亡信号通路，诱导靶细胞凋亡。IFN |γ可以增强NK细胞自己的活性，还能调节其他免疫细胞的功能，间接发挥对靶细胞的杀伤用途。同时，IFN |γ还可以抑制病毒复制，增强机体的抗病毒免疫。
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