白血球は独立した単細胞生物のように行動し、自然免疫系の右腕である。自然免疫系の白血球には貪食細胞（マクロファージ、好中球、および樹状細胞）、マスト細胞（肥満細胞）、好酸球、好塩基球、NK細胞が含まれる。これらの細胞はより大きな病原体に対してもそれを認識し排除するが、その際、接触して攻撃するか、あるいは微生物を呑み込んで殺滅する。これら自然免疫系細胞も、適応免疫系の活性化に重要なメディエータである。
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貪食機能は細胞性自然免疫で重要な役割をもっており、病原体や粒状物を呑み込み食す貪食細胞と呼ばれる細胞によって行われる。貪食細胞は一般に病原体を捜して体内をパトロールするが、サイトカインによって特定の部位に誘導される。 病原体は一旦貪食細胞に呑み込まれるとファーゴソームと呼ばれる細胞内小胞によって捕らえられ、続いてリソソームと呼ばれる今一つ別の小胞と融合してファーゴリソソームを形成する。病原体は消化酵素によって、あるいは呼吸バーストに続くフリーラジカルのファーゴリソソームへの放出によって殺滅される。 貪食機能は栄養素獲得のために進化したが、貪食細胞ではこの役割が拡張されて病原体の貪食を含んだ防御機構として働く。 貪食機能は、貪食細胞が脊椎動物にも無脊椎動物にも存在することから、おそらく宿主防御の最も古い形を示したものであろう。
好中球とマクロファージは侵入病原体を捜して体内全体を移動している貪食細胞である。 好中球は通常血流中に存在し、貪食細胞中最も豊富である。