論先天性免疫記憶的研究進展

2019-02-26 06:22:40李佳鈺于凱江

醫學研究雜志 2019年5期

李佳鈺于凱江

免疫反應通常被分為先天性免疫反應和適應性免疫反應，先天性免疫反應在遇到病原體時迅速但非特異性地發生反應，適應性免疫反應發生較慢卻具有高度特異性，并能夠建立免疫記憶。然而，最近有研究顯示，一些缺乏適應性免疫系統的生物(如植物和無脊椎動物)也能對感染做出適應性應答，也就是說先天免疫同樣存在記憶。此外，某些哺乳動物實驗顯示，T和B淋巴細胞不是預防再感染的唯一因素。因此，先天性免疫在經過病原體或其產物攻擊后可顯示出適應性的特征[1]。

一、先天性免疫記憶的發現

早在20世紀Bistoni等[2]研究發現，當白色念珠菌菌株的毒力減弱時，不僅可以保護小鼠免受惡性白色念珠菌的侵害，而且可以保護小鼠不受細菌的侵害。這種保護作用與T淋巴細胞無關，但依賴于巨噬細胞和促炎細胞因子。隨后另有研究結果顯示，BCG不僅可以預防播散性念珠菌病，也可以預防實驗性小鼠模型中的其他感染。BCG的這些非特異性作用不是由特定的淋巴細胞介導的，而是可能通過先天免疫中的非特異性適應[3]。這種獨特的免疫記憶特性被稱為訓練后免疫或先天性免疫記憶。

二、先天性免疫記憶在不同細胞內的研究進展

先天性免疫記憶與先天性免疫的啟動不同。先天性免疫的啟動在感染解決后迅速下降。先天性免疫記憶是在某些感染期間或在刺激先天性免疫細胞的其他情況下存在的普遍現象，它可以增強對二次感染的抵抗作用，先天免疫系統的適應性特征，不依靠經典T細胞、B細胞適應性免疫方式，而是通過訓練先天性免疫細胞從而抵抗感染，巨噬細胞、NK細胞和單核細胞是訓練后免疫的主要介質。

一項關于卡介苗(Bacillus Calmette-Guérin，BCG)的小鼠實驗顯示，BCG可通過誘導T細胞非依賴性保護作用，抵抗白色念珠菌及曼氏血吸蟲在小鼠的繼發感染，因此，脊椎動物也可以有先天性免疫記憶特性。同時，在小鼠中注射減毒PCA-2株白色念珠菌菌株時，會誘導小鼠預防強毒株CA-6感染的保護作用[4]。這種保護作用也在無胸腺小鼠和重組活化基因(recombination activating gene，RAG)1缺陷型動物(即那些不能重新排列其抗原受體的動物)中被誘導出來，進一步證明該機制與淋巴細胞無關，而是取決于巨噬細胞和促炎細胞因子，而這兩者都是先天性免疫系統成分[5]。除了BCG和白色念珠菌外，一些病毒和寄生生物也可以通過不同于適應性免疫的機制發揮保護作用。皰疹病毒潛伏期，通過增加產生細胞因子干擾素(IFN)-g和激活全身巨噬細胞，可有效抵抗李斯特菌和鼠疫耶爾森菌的感染[6]。同樣，感染巴西鉤蟲蠕蟲會誘導一種長期的巨噬細胞表型，一方面殺死寄生蟲，另一方面誘導非依賴T和B淋巴細胞的保護作用抵抗再感染[7]。

NK細胞也被證實具有先天性免疫的記憶特性。這一成果也首先在小鼠實驗中得到證實，該研究顯示半抗原誘導的接觸性超敏反應依賴于至少持續4周的NK細胞。巨細胞病毒(mCMV)感染后能誘導小鼠產生不依賴T細胞和B細胞的免疫記憶。這些保護作用都是由NK細胞介導，NK細胞在淋巴和非淋巴器官中增殖并持續存在。再感染后，這些記憶NK細胞進行二次擴增，迅速脫粒并釋放細胞因子，從而產生保護性免疫應答。同時，感染期間NK細胞在骨髓中誘導單核細胞，也是導致先天免疫反應長期作用的原因[8]。事實上，除了巨噬細胞、NK細胞和單核細胞外，先天性免疫記憶也存在于其他類型細胞中，例如固有免疫細胞或多形核白細胞。

三、先天性免疫記憶在動物、植物體內的研究進展

大量免疫學研究顯示，在動、植物體內均存在先天性免疫記憶。植物先天性免疫系統能對之前的感染建立記憶，且這種記憶特性能夠使其在再感染過程中做出更有效的反應，這種現象被稱為系統獲得性抵抗(systemic acquired resistance，SAR)。無脊椎動物的先天免疫系統同樣有記憶特征，例如,蚊子通過先天性免疫記憶特性抵抗瘧原蟲，歐洲熊蜂可對3種不同病原體產生先天性免疫記憶，絳蟲在橈足類甲殼動物中也可誘導先天性免疫記憶[9]。

事實上，相似的結論也同樣適用于脊椎動物中。在小鼠的實驗中，用模式識別受體(pattern recognition receptor, PRR)的微生物配體刺激(或訓練)小鼠可防止隨后發生致死性感染。例如，由β-葡聚糖(真菌細胞壁主要的多糖成分)免疫訓練后，小鼠可抵抗金黃色葡萄球菌感染[10]。胞壁酰二肽的肽聚糖成分誘導后，有助于抵抗弓形蟲。提前3天用Toll樣受體(toll like receptor, TLR)9激動劑進行預防性治療，可防止小鼠由大腸桿菌引起的膿毒癥和腦膜炎[11]。此外，鞭毛蛋白可誘導抵抗輪狀病毒的保護作用，但這個過程與適應性免疫無關，由樹突狀細胞衍生的白細胞介素(interleukin，IL)-18誘導，從而驅動上皮細胞產生IL-22[12]。除了微生物配體之外，也有證據表明某些促炎性細胞因子可以誘導訓練后免疫，提前3天注射重組IL-1，可保護小鼠免于銅綠假單胞菌感染所致死亡。

除了在小鼠中誘導先天性免疫記憶的實驗研究外，也有數據顯示先天性免疫記憶也可以在人體中產生。首先，大量的流行病學研究顯示BCG、麻疹疫苗和口服脊髓灰質炎疫苗等活疫苗對抵抗目標疾病以外的其他感染也有非特異性的對抗作用[13]。也就是說，這些疫苗可誘導訓練免疫，防止非目標病原體感染。這個假設首先在健康成人志愿者中用BCG進行疫苗試驗并得到驗證，隨后在新生兒相關臨床試驗中也得到驗證[14，15]。其次，某些感染如瘧疾也可以誘導一種高反應性狀態，其功能等同于訓練后免疫功能。最后，BCG在治療膀胱癌、黑色素瘤、白血病和淋巴瘤等惡性腫瘤過程中，通過先天性免疫提供非特異性保護作用。盡管直接炎癥效應可能最重要，但長期持續的先天免疫記憶也可參與作用。另外，有研究顯示，BCG的抗癌作用直接取決于訓練后免疫的能力，由于自噬缺陷無法誘導先天性免疫記憶的個體在BCG治療膀胱癌后，無復發生存率降低[16]。總之，這些互補的鼠類和人類研究表明，先天性免疫反應具有被激發和被訓練的能力，從而在再感染時發揮新型的免疫記憶，即先天性免疫記憶。

四、先天性免疫記憶介導機制的研究進展

與淋巴細胞不同，先天性免疫細胞不表達重新排列的抗原受體基因，但它們卻表達PRRs和其他受體，使其能夠對病原體來源的結構，即病原體相關分子模式(pathogen-associated molecular patterns，PAMP),以及內源性危險信號即損傷相關分子模式(damage associated molecular patterns,DAMPs)識別并響應[17]。有證據表明PRR家族的不同成員(例如，TLR、NOD樣受體、C型凝集素受體或組合)在巨噬細胞和樹突狀細胞上觸發不同的信號轉導途徑，導致先天性免疫反應，適應特定類型的病原體[18]。

在涉及先天性免疫記憶的各種細胞類型中，主要集中在巨噬細胞、NK細胞和單核細胞。但這并不意味著這些細胞一定比其他先天性免疫細胞更適合于訓練記憶，可能僅僅反映了這些細胞與脂多糖(LPS，革蘭陰性細菌細胞壁的組分)誘導的耐受性之間的聯系。一些最早在分子水平上LPS誘導的耐受性的研究表明，巨噬細胞基因特異性染色質修飾與編碼炎性分子的基因沉默相關，同時引發編碼抗微生物分子的其他基因[19]。這些發現提示巨噬細胞可能被LPS激發，對隨后的激活信號或多或少起反應。另有研究進一步擴展了這一觀察結果，單核細胞和巨噬細胞被白色念珠菌或β-葡聚糖刺激后增強了它們對隨后非目的性病原體或PAMP刺激的反應。即訓練后免疫的過程，伴隨著染色質標記的顯著重新編程[20]。除了細菌和真菌病原體之外，單核細胞和巨噬細胞也可以在感染寄生蟲和病毒感染后訓練免疫應答。

單核細胞參與訓練免疫時，要考慮細胞的壽命。研究結果顯示，接種BCG 3個月后，在個體循環中可鑒定出受過訓練的單核細胞。單核細胞是半衰期很短的細胞，重編程必須在骨髓中的祖細胞水平上進行，而先天性免疫記憶可以通過造血干細胞和祖細胞轉移。源自造血干細胞和祖細胞的巨噬細胞通過接觸TLR2配體而耐受，轉移到經過紫外線輻射的小鼠體內后，可保留耐受性表型，影響炎性刺激并產生較少的炎性細胞因子和活性氧物質[21]。同時，小鼠皮膚經過紫外線輻射后會誘發免疫抑制，這種免疫抑制最初被歸因于樹突細胞引發的缺陷T細胞。但隨后顯示其涉及表觀遺傳重編程和對骨髓中樹突狀細胞祖細胞的長效作用，這種長效作用可改變其分化后代的功能[22]。此外，微生物群可以誘導骨髓祖細胞的長期功能重編程，并隨后誘導樹突細胞以防止感染溶組織內阿米巴[23]。

BCG等疫苗是否能自動訓練免疫，并在祖細胞水平上產生或誘導類似的效應尚待確定。新的證據顯示NK細胞在之前的刺激之后，也能更有力地做出反應。在接觸細胞因子，例如IL-12、IL-15和IL-18或半抗原致敏作用之后，NK細胞產生記憶，其誘導長壽命NK細胞介導接觸超敏反應和長壽命抗原-特異性回憶反應。此外，NK細胞在病毒感染過程中發生擴增，如mCMV、A型流感或痘苗病毒等。CMV感染的研究表明，NK細胞活化可以通過快速脫粒和產生細胞因子來提供T細胞非依賴性的再感染保護[24]。同時，過繼轉移實驗已經證明活化的NK細胞可以在體內增殖并保護幼稚受體小鼠免受病毒感染，這表明它們可以賦予保護性免疫記憶。BCG感染的非特異性保護作用也與NK細胞的激活有關。接種BCG的個體的NK細胞對分枝桿菌和其他無關病原體響應，并促進促炎細胞因子產生，小鼠研究表明，BCG有針對白色念珠菌的非特異性保護，至少部分通過NK細胞[25]。

五、展望