免疫訓練①
——先天免疫記憶的發現和研究進展

蘇 婷 劉靖華（南方醫科大學基礎醫學院，廣東省蛋白質組學重點實驗室，廣州510515）

1 先天免疫記憶的發現和免疫訓練概念的提出

先天免疫是由固有免疫細胞，如單核/巨噬細胞、NK細胞等介導的非特異性、作用弱而短暫的第二道防線，而獲得性免疫是淋巴細胞亞群在接受抗原刺激后產生的特異性、作用強而持久的第三道防線；是否產生特異性免疫記憶是區分兩種免疫模式的重點。疫苗就是基于獲得性免疫機制，誘導機體產生針對減毒或滅活病原體的特異性免疫記憶，從而在二次感染中發揮顯著保護作用。然而，有報道稱卡介苗（bacillus calmette-guerin，BCG）可為感染高死亡率地區兒童提供非特異性免疫保護，顯著降低其總死亡率；麻疹和牛痘接種研究也發現，接種者會產生對異源感染的抗性［1-2］。之后在小鼠和細胞水平研究陸續發現，BCG的交叉免疫范圍擴展到了曼氏血吸蟲、白色念珠菌以及流感病毒等。NETEA等［3］發現，用白色念珠菌刺激BCG接種過的血液樣品可檢測到大量單核細胞來源的IL-1β和TNF-α；他們將固有免疫細胞與BCG的非特異性免疫作用聯系起來，提出“免疫訓練”的概念。免疫訓練是指原發感染或疫苗接種可誘導宿主的固有免疫細胞產生對二次感染的增強抗性，且可為異源感染提供交叉保護。

2 免疫訓練的效應細胞及發生機制

2.1 免疫訓練的效應細胞 免疫訓練的現象首先在經典的固有免疫細胞，如單核/巨噬細胞、NK細胞中被發現，因此，免疫訓練也被稱為先天免疫記憶。深入研究發現，外周免疫細胞如肺泡巨噬細胞、腦小膠質細胞，非免疫細胞如造血干細胞、上皮細胞等也可表現出免疫記憶的特性。

2.1.1 單核/巨噬細胞 單核/巨噬細胞系統是固有免疫的重要組成成分，參與了吞噬與清除病原體、抗原呈遞、激活和調節免疫應答等進程。BISTONI等［4］發現減毒白色念珠菌會刺激小鼠產生對金黃色葡萄球菌的抗性，且此作用有賴于巨噬細胞的激活。用李斯特菌和鼠疫耶爾森菌感染處于皰疹病毒潛伏期的小鼠，也可檢測到巨噬細胞的活化和IFN-γ表達量的上升［5］。真菌、病毒等感染可“訓練”循環免疫細胞增強對異源二次感染的免疫應答已被廣泛證實。值得注意的是，外周巨噬細胞的免疫訓練研究也取得了突破進展。YAO等［6］發現呼吸道病毒感染可誘導產生長期記憶表型的肺泡巨噬細胞；在中樞神經系統中，細菌脂多糖的二次刺激也可引起小膠質細胞炎癥反應的增強［7］。這些發現大大擴展了免疫訓練的效應細胞的領域。

2.1.2 NK細胞 NK細胞作為固有免疫系統的另一重要組分，可對預先接觸的抗原產生特異性記憶，且已致敏NK細胞移植后依然保留這種記憶。用痘苗病毒或單純皰疹病毒預處理NK細胞，再次用病毒感染時可檢測到IFN-γ表達增強；將攜帶特異性巨細胞病毒受體的NK細胞移植給幼稚小鼠，幼稚小鼠會產生強烈免疫反應［8-10］。這些經病原微生物“訓練”而增強的免疫應答不依賴于T、B細胞的活化，是固有免疫細胞的特殊先天記憶。

2.1.3 造血干細胞與祖細胞 疫苗接種后或動物實驗中可觀察到持續數月到數年的非特異性保護，然而固有免疫細胞生命周期短暫的現實，提示分化形成固有免疫細胞的造血干細胞和祖細胞（hematopoietic stem cells and progenitor cells，HSPCs）可能參與了先天免疫記憶的形成?；谶@種假設，MITROULIS等［11］用β-葡聚糖刺激小鼠，觀察到HSPCs的增殖及IL-1β等促炎因子的表達，且增殖后的HSPCs表現出對LPS刺激的耐受性。用BCG刺激小鼠造血干細胞，其分化產生的幼稚巨噬細胞也表現對結核桿菌的抗性［12］。這些都提示造血干細胞與祖細胞具有免疫訓練的特性。

2.1.4 其他組織細胞 某些具有抗菌特性的非固有免疫細胞也可經訓練表現記憶特性。NAIK等［13］將小鼠的皮膚上皮干細胞與TLR7共培養進行傷口測試，發現受試上皮組織愈合加快并免疫白色念珠菌的感染。SCHNACK等［14］首次證明了冠狀動脈平滑肌細胞經氧化低密度脂蛋白（oxidized low density lipoprotein，oxLDL）刺激后，在接受二次刺激時釋放更多的炎癥因子如IL-6、IL-8和MCP-1。這些研究成果提示免疫訓練可能是細胞共有的潛在特性。

2.2 免疫訓練的發生機制 大量研究表明，甲基化、乙酰化等表觀遺傳學修飾可能參與了這種非特異性記憶的形成，免疫代謝的轉變是支持這一過程的重要機制。

2.2.1 表觀遺傳學修飾 免疫訓練的顯著特征是經病原體刺激的細胞抗感染相關細胞因子的轉錄明顯增加?；蜣D錄水平的調控與組蛋白修飾有關，結合在抗感染相關細胞因子啟動子區域的組蛋白的修飾狀態，可能是免疫訓練發揮作用的關鍵。

啟動子上的組蛋白3在第4位賴氨酸（H3K4）的一甲基化（H3K4me1）和三甲基化（H3K4me3）以及在第27位賴氨酸的乙?；℉3K27Ac）與固有免疫細胞基因活化相關，而第9位賴氨酸（H3K9）和第27位賴氨酸（H3K27）的甲基化是抑制性標記［15］。早在BCG的研究中就發現，產生免疫記憶的單核細胞通過NLR2介導的H3K4me3增加促進炎癥因子的表達［16］；BCG刺激的造血干細胞轉錄組中也可檢測到H3K4me3和H3K27Ac的增加［12］。其他類型的組蛋白修飾起協同作用。抑制性信號H3K9me2的減少是H3K4me3增加的前導因素［17］；用LPS刺激巨噬細胞后檢測潛在的514個啟動子，發現H3K4me1的激活與維持是二次感染時H3K27Ac增強的必要條件［18］。

目前認為，初次感染時，促炎因子編碼基因啟動子區域的H3K9me2的減少和H3K4me1、H3K4me3及H3K27Ac的增加，更易結合轉錄激活因子如NF-κB（nuclear factor kappa-B）、AP-1（activator protein 1）和STAT1（signal transducers and activators of transcription1），促進IFN-γ、TNF-α、IL-6、IL-8等的表達以對抗外來感染［19］；之后，表觀遺傳學修飾被部分保留，當細胞遭遇二次感染時，轉錄激活因子得以迅速啟動基因轉錄，產生更強烈的免疫應答。

長鏈非編碼RNA（long non-coding RNA，lncRNA）通過特異性結合DNA、RNA或蛋白質，也可參與基因表達的調控；lincRNA-Cox2、Lethe等lncRNA就與先天免疫的激活有關［20］。新近研究發現免疫基因引發的一種新型lncRNA——IPLs可促進免疫趨化相關基因IL-8和CXC趨化因子亞族的啟動子上H3K4me3的積累，參與先天免疫記憶形成［21］。這一發現擴展了免疫訓練的表觀遺傳學修飾研究領域。

2.2.2 免疫代謝調控 細胞代謝提供免疫訓練的激活與維持所需能量，以及表觀遺傳學修飾所需的酶和原料。相關研究提示，經免疫訓練的細胞中，有氧糖酵解替代了氧化磷酸化，出現快速攝取利用葡萄糖的Warburg效應。

真菌細胞壁上的β-葡聚糖是誘導免疫訓練的關鍵成分。CHENG等［22］發現，β-葡聚糖通過結合受體Dectin-1激活Akt/mTOR/HIF-1α通路，使單核細胞有氧糖酵解升高、葡萄糖消耗及乳酸產生增加；轉錄組分析也發現糖酵解相關基因啟動子區域的H3K4me3和H3K27Ac增加。受此啟發，ARTS等［23］整合代謝組和轉錄組數據，發現谷氨酰胺分解和膽固醇合成途徑也發生了上調。谷氨酰胺分解產物延胡索酸可激活免疫訓練，這是因為組蛋白去甲基化酶KDM5發揮作用需要α-酮戊二酸的輔助，與之結構相似的延胡索酸和琥珀酸則競爭性拮抗這一過程［24］。同時，谷氨酰胺的代謝產物推動三羧酸循環（TCA cycle），促進ATP生成與乙酰輔酶A的積累；后者為H3K27Ac提供乙酰基，促進組蛋白的表觀遺傳學活化。

關于甲羥戊酸激酶缺乏癥患者的研究闡述了膽固醇合成途徑上調促進免疫訓練發生的機制。BEKKERING等［25］發現患者的單核細胞在免疫和表觀遺傳水平上表現免疫訓練的特性；原因是甲羥戊酸激酶的缺乏導致甲羥戊酸的積累，內源性地激活胰島素樣生長因子1受體（insulin-like growth factor 1 receptor，IGF-1R），進一步增強糖酵解，促進炎癥因子的釋放，誘發患者的無菌性炎癥。

這些發現提示，表觀遺傳學的修飾與免疫代謝的轉變之間存在緊密的內在聯系，通過調控關鍵代謝途徑，可增強或抑制免疫訓練達到治療的目的（圖1）。

圖1 免疫訓練中的表觀遺傳學-免疫代謝調控Fig.1 Correlate regulation of immunometabolic transformation and epigenetic mudulation in trained immunity

3 免疫訓練的臨床應用

先天免疫細胞及其他組織細胞的記憶特性對于機體抵御多種外源性或內源性感染具有重要意義。在適應性免疫低效或失效的領域，如自身免疫病及腫瘤的免疫耐受，免疫訓練或可發揮治療作用。

3.1 疫苗的交叉保護 早期研究發現，BCG可降低新生兒、低體重兒童和成年人的總體死亡率；后續研究也表明，接種BCG的個體可交叉免疫流感病毒、肺炎鏈球菌及乙型肝炎病毒等病原體［26］。另外，麻疹疫苗和脊髓灰質炎疫苗也可誘導一定的非特異免疫抗性［27］。免疫訓練的交叉保護作用或可降低疫苗接種成本，對于發展中國家兒童抵御多種傳染病有重要意義。

3.2 對抗慢性炎癥及自身免疫疾病 免疫訓練誘導的IL-6、IL-1β和TNF-α表達的持續增加是慢性炎癥發生的機制之一［28］。動脈粥樣硬化危險因子ox-LDL可誘導人單核細胞產生持續的mTOR活化、活性氧形成及HIF-1α積累［29］；致動脈粥樣硬化溶血磷脂酰膽堿也可上調人主動脈內皮細胞糖酵解酶途徑，增強甲羥戊酸合酶及組蛋白乙酰化酶的活性［30］。抑制免疫訓練關鍵表觀遺傳學修飾的發生及阻斷代謝通路的轉變，或可抑制動脈粥樣硬化的發生發展。另有研究發現Ⅰ型糖尿病患者的血清中單核細胞比例上升且可被TLR誘導表達更多的IL-1β和IL-6；IL-1阻斷劑成功降低Kilham大鼠病毒誘導的Ⅰ型糖尿病發生率，說明免疫訓練可為Ⅰ型糖尿病治療提供新思路［31-32］。Akt/mTOR/HIF-1α是真菌誘導免疫訓練的經典通路，短期應用靶向mTOR的特異性高密度脂蛋白可促進移植腎的長期存活，說明在器官移植后的免疫抑制治療中，免疫訓練也大有可為［33］。

3.3 逆轉免疫耐受及改善免疫缺陷 免疫反應是促炎因素與抗炎因素角力抗衡的過程。既然免疫訓練可增強免疫應答，可否用來打破免疫耐受的不利平衡？內毒素血癥后期小鼠可因免疫麻痹發生死亡。用β-葡聚糖刺激內毒素血樣中的單核細胞的實驗發現，約60%耐受基因的組蛋白修飾被逆轉，使單核細胞恢復敏感狀態［34］。通過誘導持續性慢性炎癥，BCG聯合干擾素α-2b灌注成為非肌層浸潤性膀胱癌的標準治療。因此，免疫訓練可重新激活固有免疫細胞，對于治療膿毒癥所致的免疫麻痹、逆轉腫瘤微環境的免疫耐受具有重要意義。

HIV病毒特異性攻擊T淋巴細胞導致患者免疫力低下，并繼發機會性感染使HIV感染者死亡。如前所述，既然訓練免疫誘導的增強抗性不依賴于T、B淋巴細胞的增殖活化［8，10］，可否用于治療免疫缺陷？遺憾的是，誘導免疫訓練以對抗HIV患者的多重感染的研究尚未見報道。

4 總結與展望

雖然免疫訓練的概念尚新，但先天免疫記憶的研究已持續近一個世紀。目前已發現可誘導免疫訓練的物質有疫苗、病毒、真菌、寄生蟲以及各種炎癥相關細胞因子；可被誘導產生訓練免疫的效應細胞從固有免疫細胞，如單核細胞、巨噬細胞和NK細胞，擴展到了各類間充質干細胞以及局部黏膜抗炎非免疫細胞。有理由推測，所有細胞系都可能具有記憶病原微生物感染的能力。NETEA等［35］提出免疫記憶的發展是一個連續過程。免疫訓練是原始適應形式，由表觀遺傳學改變產生非特異性增強的炎癥反應；獲得性免疫記憶是其進化模式，增加了基因重組介導的選擇特異性。認可免疫記憶是所有生物體免疫防御的一般特征，對有效治療感染和免疫介導的疾病具有重要意義。

盡管目前有關免疫訓練的探索已取得豐碩成果，但仍有諸多重要問題亟待解決。首先，如何解釋經訓練的細胞僅對部分病原體產生抗性增強？例如，BCG誘導的免疫訓練雖可交叉保護多種感染，但最新研究發現其對H7N9流感病毒無效［36］。其次，不同病原微生物或炎癥因子誘發免疫訓練的具體分子機制是否相同？有關β-葡聚糖誘導的免疫訓練的機制研究較為詳細，但對其他刺激物的作用機制尚未明晰。最后，免疫訓練的臨床應用還處于實驗室研究階段，如何盡快將其轉化為臨床實踐需要深入探討。對于這些問題的研究，不僅有助于開發新的有效的疫苗或者藥物以提高免疫力低下人群（如HIV患者及免疫減退的老年人）的抗感染能力，而且可以為自身免疫疾病及腫瘤等的治療提供新的思路和防治措施。