程序性死亡受體1及其配體在支氣管哮喘中的作用研究進展

甘劭丁,倪海陽綜述 聶漢祥審校

支氣管哮喘(bronchial asthma)是一種以多種細胞,尤其是肥大細胞、嗜酸性粒細胞和T淋巴細胞及多種炎性因子參與的慢性氣道炎性疾病,發病機制與誘導CD4+T細胞增殖并分泌多種細胞因子導致Th1和Th2失衡有關。目前認為,程序性死亡受體1(programmed death 1, PD-1)及其配體程序性死亡受體配體1(programmed death ligand-1, PD-L1)和程序性死亡受體配體2(programmed death ligand-2, PD-L2)可以影響調節性T細胞活化,控制免疫平衡[1]。因此,PD-1是傳統CD4+T細胞的負向調節劑。此外,生理狀態下PD-1/ PD-Ls信號通路可以保護機體自身組織免受攻擊。文章綜述了PD-1及其配體的基本特征及其在支氣管哮喘中的作用。

1 PD-1及其配體PD-L1、PD-L2基本特征

1.1 PD-1及其配體 PD-L1、PD-L2 的結構 PD-1(也稱為CD279)是一種 55 kDa的Ⅰ型跨膜蛋白,屬于 CD28受體家族。除單核細胞、巨噬細胞和樹突狀細胞(dendritic cells, DCs)外,它主要在免疫細胞如T細胞、B細胞和NK 細胞表面表達。雖然 PD-1通常在初始T 細胞上不存在,但通過與T 細胞受體(T cell receptor, TCR)結合的抗原結合后表達顯著上調。一旦該抗原清除,PD-1隨之下調。然而,在慢性感染或癌癥時,完全消除抗原效率低下,PD-1 表達仍然很高。研究表明,在慢性抗原暴露(即慢性感染和癌癥)時,T 細胞發生免疫無能,導致無法分泌細胞因子、增殖或發揮效應功能[2]。在這種情況下,PD-1的高表達是T細胞耗盡的標志。

1.2 PD-1及其配體PD-L1、PD-L2的信號表達通路 PD-1存在PD-L1(也稱為B7-H1或CD274)和PD-L2(也稱為B7-DC或CD273)2種配體。PD-L1在心臟、肺臟、腎臟和肝臟等器官的多種細胞上表達,包括T 細胞、B細胞、巨噬細胞、DCs和肥大細胞。然而,PD-L2僅在抗原遞呈細胞(antigen presenting cells, APCs)如巨噬細胞和DCs上表達,其表達受細胞因子如干擾素-γ(interferon γ, IFN-γ)、人巨細胞集落刺激因子(giant macrophage colony stimulating factor, GMCSF)和白介素-4(interleukin 4, IL-4)的調節。PD-L1的表達受到多種細胞因子的調節,如Ⅰ型和Ⅱ型干擾素、IL-10、IL-17、IL-6、IL-4、IL-1β和IL-27。此外,許多信號通路如核因子κB(nuclear factor kappa-B, NF-κB)、絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)、信號轉導因子和轉錄激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3, STAT3)參與誘導PD-L1的產生[3]。 PD-L1的表達也受到模式識別受體Toll樣受體4(Toll-like receptor 4, TLR4)和TLR3調節[4]。研究表明,PD-1優先與PD-L1結合而非 PD-L2[5]。與PD-L1 結合后,活化的PD-1通過多種機制拮抗TCR 信號轉導通路。PD-L1與PD-1結合導致PD-1受體的構象改變,從而導致Src家族激酶2個酪氨酸基序磷酸化(ITIM和ITSM)[6]。隨后,蛋白酪氨酸磷酸酶-1(SH1-containing protein tyrosine phosphatase, SHP-1)和SHP-2被激活,導致幾種激酶去磷酸化,抑制TCR和CD28介導的信號傳導,從而導致T細胞增殖和細胞因子產生減少[7-8]。PD-1與PD-L1結合也可以發生雙向信號轉導,但這一領域研究有限。Gato-Canas等[9]發現,在PD-L1的胞質結構域中識別了功能調節信號基序,它可能導致PD-L1的反向信號傳遞。雖然PD-L1反向信號誘導的特定信號通路尚不清楚,但有報道顯示經可溶性PD-1(soluble PD-1, sPD-1)處理的DCs成熟程度降低,IL-10產生增加[10]。

T細胞上PD-1表達的調節依賴于抗原暴露的情況。因此,急慢性感染或腫瘤抗原在癌癥環境中的持久性決定調節其表達的轉錄途徑。T細胞通過TCR被激活,誘導轉錄因子、活化T細胞核因子1c(nuclear factor of activated T cells 1c, NFAT1c)[11]。這些轉錄因子對于維持慢性感染過程中PD-1的表達必不可少。轉錄因子叉頭盒蛋白O1(forkhead box protein O1, FoxO1)的高表達抑制T-bet的表達。因此,FoxO1是慢性炎性反應期間PD-1表達的關鍵調節因子。T-bet是PD-1上的抑制因子,通過FoxO1抑制T-bet導致PD-1在T細胞上的積聚[12]。此外,巨噬細胞中也檢測到PD-1的調節因素。在巨噬細胞中,NF-κB信號活化介導PD-1的表達[13]。雖然PD-1主要通過TCR信號上調T細胞對抗原的反應,但也存在抗原非依賴性PD-1的調節。Kinter等[14]研究顯示,IL-2、IL-7、IL-15和IL-21等細胞因子可以誘導外周血T細胞上PD-1的表達。此外,抗炎細胞因子如IL-10和轉化生長因子-β可以調節T細胞上PD-1的表達[15]。

2 PD-1及其配體 PD-L1、PD-L2與支氣管哮喘

2.1 PD-1及其配體 PD-L1、PD-L2與支氣管哮喘免疫耐受的聯系 在PD-1-/-小鼠中發現PD-1在誘導T細胞耐受性中發揮關鍵作用。研究顯示,PD-1缺乏可以導致T細胞過度增殖;與PD-1+/+小鼠比較,引入lpr突變基因的PD-1-/-小鼠發生更嚴重的狼瘡樣疾病[16]。另有研究顯示,在胸腺發育過程中,CD4 CD8雙陰性T細胞表達PD-1[17];在缺乏PD-1時,CD4 CD8雙陽性T細胞數量增加。在抗原識別后,T細胞被APC阻止從免疫突觸遷移,但隨著T細胞的激活和細胞因子的產生,T細胞可以恢復活性,并減少細胞因子的產生。在T細胞與APC的相互作用中,T細胞表面PD-1表達上調。在缺乏PD-1時,T細胞-APC相互作用的信號鏈增加,因此導致促炎細胞因子的產生增加[18]。此外,PD-1/PD-L1和PD-1/PD-L2的相互作用在維持外周T細胞耐受方面并不一致。在糖尿病小鼠模型中,阻斷PD-L1可以抑制T細胞耐受性,而阻斷PD-L2不影響T細胞免疫耐受[19]。PD-1在TCR結合后迅速上調,并有效阻止T細胞從初始T細胞向效應性T細胞的轉變,然而免疫無能T細胞具有與效應性T細胞相似的PD-1表達水平,且不會在PD-1阻斷后活性增強[20]。

PD-1/PD-L1軸除調節效應T 細胞活性外,PD-1還在調節性T細胞(regulatory T cells, Tregs)的發育和功能形成中發揮關鍵作用。研究報道,PD-1可以維持 Foxp3的表達,其中PD-L1通過下調mTOR通路對體外誘導Tregs至關重要[21]。體內研究表明PD-1與Th1細胞結合可以誘導Th1細胞向Tregs 的可塑性和持續轉化,這依賴于 PD-1的下游信號傳導[22]。Tregs的免疫抑制能力不局限于T細胞,Tregs能以PD-1/PD-L1依賴的方式特異性抑制自身反應性PD-1+B細胞活化和自身抗體產生[23]。

PD-1對免疫耐受的影響不僅僅局限于T細胞,巨噬細胞、 DCs和B 細胞也可以表達PD-1。研究表明,小鼠腫瘤相關巨噬細胞(tumour associated macrophages, TAMs)高表達PD-1與其吞噬腫瘤細胞的能力相關[24]。與巨噬細胞相似,表達PD-1的人類DCs通過抑制 CD8+T 細胞分泌IL-2和IFN-γ抑制抗腫瘤免疫[25]。表達PD-1的B細胞可以在甲狀腺腫瘤中積聚,盡管它們分泌白介素-10低于PD-1陰性B細胞,但可以通過PD-1/PD-L1依賴方式抑制 T細胞反應[26]。

2.2 PD-1及其配體 PD-L1、PD-L2與支氣管哮喘治療 目前,大多數研究通過小鼠模型探討PD-1在哮喘發病中的作用。研究發現PD-1和PD-L2在卵清蛋白誘導的哮喘小鼠肺組織中的表達水平增高。此外,研究發現DCs表面PD-L2表達水平明顯增高,而T和B細胞表面PD-1表達水平明顯增高。研究人員采用IFN-γ、IL-4和IL-13等細胞因子對骨髓來源的DCs進行體外處理,導致PD-L2表達水平增加;進一步與小鼠IgG Fc結構域融合的重組PD-L2-Fc用于確定PD-L2體內和體外模型的功能,發現體外PD-L2-Fc可以降低T 細胞的增殖能力并降低IL-4、IL-5和IL-13分泌水平,提示PD-L2 對哮喘發病的抑制作用[27]。與體外結果相反,PD-L2-Fc體內給藥導致哮喘小鼠T和B細胞反應、嗜酸性粒細胞和淋巴細胞氣道浸潤增加,從而加重氣道炎性反應。體外和體內結果之間的差異可能反映了PD-L2與細胞相互作用時間的重要性,從而導致體內惡化。另一種可能性是重組PD-L2可與第二個受體相互作用并增強T細胞活化[28]。

研究認為,PD-L1與Tregs的產生有一定相關性。PD-L1可以促進T細胞轉化為誘導性調節性T細胞(induced regulatory T-cells, iTregs)[29]。研究發現,PD-1通過誘導iTregs逆轉小鼠哮喘模型氣道高反應性和氣道炎性反應[30]。有研究顯示PD-L2小鼠哮喘模型對恒定自然殺傷細胞T(invariant natural killer T cells, iNKT cells)的影響,發現不存在PD-L2時,iNKT細胞可以增加卵清蛋白誘導的PD-L2-/-小哮喘鼠模型AHR和氣道炎癥,且分泌IL-4水平明顯增高,提示PD-L2抑制iNKT功能和細胞因子的產生。而PD-L1-/-小鼠AHR和氣道炎性反應降低,iNKT細胞分泌IFN-γ增加[31]。

第2組固有淋巴細胞(group 2 innate lymphoid cells, ILC2s)是促進哮喘AHR和氣道炎性反應的Th2細胞因子的重要來源。Helou等[32]證明,在IL-33誘導的氣道炎性反應中,PD-1抑制ILC2的活性并降低其效應功能。此外,使用 PD-1激動劑可以降低小鼠肺部炎性反應模型AHR。因此,PD-1激動劑抑制AHR和氣道炎性反應支持其在哮喘治療中的潛在臨床價值。

迄今為止,沒有關于使用 PD-1激動劑治療哮喘患者的報道。然而,在輕度持續和中度至重度年輕哮喘患者中發現PD-1+Tregs數量增高和 PD-L1+Tregs顯著降低,提示PD-1/PD-L1信號通路異常導致Tregs數量減少。另一方面,與健康對照組相比,輕度持續和中重度持續組哮喘患兒PD-1+Th17百分比顯著升高,PD-L1+Th17百分比下降,提示PD-1/PD-L1通路異常與Th17細胞數量的增加有關。改變PD-1/PD-L1信號通路可能誘導Th17 細胞數量增加并導致Tregs數量減少,打破Tregs/Th17平衡,促進哮喘的發生發展[33]。Bratke等[34]在哮喘患者中使用支氣管內過敏原激發,發現支氣管 PD-1+CD4+T細胞減少,伴隨支氣管mDCs和pDCs表面PD-L1表達水平增加。這些發現提示PD-L1在免疫檢查點受體和哮喘的免疫失調中發揮重要作用。

PD-L2表達水平與哮喘患者嚴重程度正相關。過敏原導致小鼠哮喘模型肺mDCs表面PD-L2表達水平增高,而阻斷PD-L2可以降低AHR。這些研究提示PD-L2可以促進或增強哮喘AHR[28,35],然而,這些結果與之前PD-L2 抑制哮喘AHR的研究不同[31]。綜上所述, PD-1激動劑可用于降低哮喘AHR,但對于PD-L1和PD-L2的作用存在一定爭議。

3 結語

越來越多的證據表明 PD-1及其配體在支氣管哮喘中發揮重要作用。動物研究表明,使用PD-1激動劑可以顯著降低哮喘氣道高反應性和氣道炎性反應;PD-L2通過下調IL-4同時上調IFN-γ表現出抑制作用,導致哮喘AHR降低,而PD-L1可以通過誘導Tregs產生介導免疫耐受。這些研究提示,調節PD-1配體介導的通路,激活PD-L2或PD-L1可能是支氣管哮喘的一個有希望的治療靶點。