PD-1/PD-L1軸在新型冠狀病毒感染中的研究進展①

陳 蕊 王玲玲 董家輝 葉園園 李德富 郭振輝

（南部戰區總醫院重癥醫學科內科病區，國家老年疾病臨床醫學研究中心（解放軍總醫院）分中心，廣州市老年感染與臟器功能支持重點實驗室，廣州 510010）

新型冠狀病毒感染（coronavirus disease 2019，COVID-19）是一種由嚴重急性呼吸系統綜合征冠狀病毒2（severe acute respiratory syndrome coronavirus 2，SARS-CoV-2）引發的傳染病。目前對SARS-CoV-2感染尚無有效的針對性治療方法，主要是通過監測和維持患者生命指標等支持治療，及時給予有效氧療、呼吸機等呼吸支持治療，輔以靶器官支持治療［1-2］。SARS-CoV-2 感染可以激活先天性和適應性免疫反應，并在疾病后期導致細胞因子風暴，這些不受控制的炎癥反應導致局部和全身組織損傷。COVID-19 患者具有一個共同特征，即T 淋巴細胞減少癥，尤其是CD8+T細胞的減少。程序性死亡受體1（programmed cell death protein 1，PD-1）是活化的T細胞表達的免疫檢查點受體，是一種重要的免疫抑制分子。PD-1 通過向下調節免疫系統對人體細胞的反應，以及通過抑制T 細胞炎癥活動來調節免疫系統并促進自身耐受。PD-1 配體（programmed cell death ligand 1，PD-L1）與免疫系統的抑制有關，可以傳導抑制性的信號。本文就相關方面的最新研究進展綜述如下。

1 COVID-19

COVID-19是由SARS-CoV-2感染而引起的急性呼吸道傳染病，可導致成人和嬰兒急性呼吸道感染和胃腸炎，死亡率為3%～6%［3-5］。SARS-CoV-2 可經呼吸道飛沫、密切接觸和氣溶膠迅速傳播，傳染源主要是SARS-CoV-2 的感染患者和病毒攜帶者，人群普遍易感［6］。SARS-CoV-2是一種的單股正鏈RNA 病毒，全長29 903 個核苷酸，是RNA 病毒中基因組最大的病毒。該病毒與SARS-CoV 和中東呼吸綜合征冠狀病毒（Middle-East respiratory syndrome coronavirus，MERS-CoV）一樣，利用血管緊張素轉換酶2（angiotensin converting enzyme 2，ACE2）作為受體進入靶細胞［7-8］。SARS-CoV-2 與ACE2 的結合能力遠遠高于SARS 病毒，使得SARS-CoV-2 獲得了更強的傳播能力［9］。研究發現，ACE2 主要表達于肺、胃腸道、肝、腎、心等臟器［10］。SARS-CoV-2通過囊膜表面的刺突狀蛋白與感染細胞膜表面的ACE2 受體，經由激活病原體相關分子模式和損傷相關分子模式誘導宿主不同靶細胞的免疫損傷［11-12］。其中肺是SARS-CoV-2 感染誘導毒性作用的主要靶器官，腎臟、腸道、肝臟和神經系統等器官也會出現不同程度免疫損傷［13］。SARS-CoV-2 感染主要分為三個階段：①無癥狀感染期，此階段可能傳播給其他易感人群；②上呼吸道癥狀期，主要出現流感樣癥狀；③病情癥狀嚴重期，主要包括膿毒癥、多器官衰竭等危重情況，可導致急性重癥肺炎、急性呼吸窘迫綜合征，甚至死亡［14-15］。有證據表明，機體免疫系統在抑制SARS-CoV-2 復制和傳播速度方面發揮重要作用［16-17］。而免疫系統紊亂是COVID-19 患者的重要臨床表現，也是導致患者進展為重癥的重要因素［18］。淋巴細胞是機體免疫系統的核心成分，具備抵御和清除細菌、病毒等外來病原微生物的功能。除了呼吸困難、低氧血癥、急性呼吸窘迫綜合征和細胞因子風暴，T 淋巴細胞減少癥是COVID-19 患者的典型特征之一，尤其CD8+T 淋巴細胞減少［19-20］，且CD8+T細胞減少程度與病情嚴重程度呈正相關［21-22］。而恢復期患者CD8+T 細胞和數量及功能逐漸恢復［23］。調控T細胞減少癥和細胞因子風暴導致的免疫損傷是治療COVID-19 的關鍵環節［19］。因此，闡明SARS-CoV-2 感染誘導免疫損傷相關機制可為COVID-19免疫治療提供新策略。

2 PD-1和PD-L1

細胞表面PD-1可導致機體免疫系統應答下調，抑制T 淋巴細胞的炎癥活性，增強自我耐受［24-25］。PD-1 作為免疫檢查點抑制分子，可增加淋巴結內特定T 淋巴細胞程序性細胞死亡，并減少調節性T 淋巴細胞的凋亡［26］。PD-1 主要存在于CD8+和CD4+T淋巴細胞表面，通過與其配體（PD-L1 和PD-L2）結合來抑制T 淋巴細胞的功能，此外，PD-L1 的表達也抑制分泌IFN-γ 的T 淋巴細胞［26］。CD8+T 淋巴細胞分泌IFN-γ 及CD4+T 淋巴細胞分泌Th1 和Th2 淋巴細胞因子，與細胞毒性T淋巴細胞在清除病毒顆粒及病毒感染方面發揮重要作用。因此，評估COVID-19患者效應CD8+和CD4+T 細胞介導的特異性抗原反應至關重要［27］。在SARS-CoV-2 感染過程中，T 細胞耗竭與T 細胞表面PD-1 和PD-L1 的表達增加呈正相關［28］。COVID-19 患者的特征之一是淋巴細胞減少，CD4+T 和CD8+T 細胞比例均顯著減少，而高表達PD-1的T淋巴細胞比例卻明顯增加［29］。在COVID-19危重癥患者，外周血的T 細胞、CD4+和CD8+T 細胞總數顯著減少，且T 細胞、CD8+T 細胞或CD4+T 細胞數量與血清IL-6、IL-10 和TNF-α 濃度呈負相關，而與患者存活率呈負相關［20］。研究表明，與無癥狀和輕型COVID-19 患者相比，重癥患者血清中PD-1 及PD-L1 分子水平顯著升高［30］。相較輕癥患者，重癥患者CD4+或CD8+T 細胞PD-1、穿孔素和顆粒酶B 的表達明顯升高［31］。此外，COVID-19患者血單核細胞和樹突狀細胞表面PD-L1表達程度與病情嚴重程度呈正相關［32］。以上研究提示，PD-1/PD-L1 在COVID-19 的發病過程中起重要作用。然而，其具體機制尚不清楚。

3 COVID-19和PD-1/PD-L1

SARS-CoV-2優先感染呼吸道上皮細胞，其對肺以外器官的直接親和力仍不清楚［16］。研究發現在咽、心臟、肝臟、大腦和腎臟等器官中也檢測到SARS-CoV-2，然而，SARS-CoV-2 對這些器官的直接作用仍存在爭議［16］。研究表明，原發性SARS-CoV-2感染過程中，T 細胞表面過表達PD-1 不損害T 細胞功能，反而激活T 細胞，誘導穿孔素和顆粒酶的分泌［33］。然而，也有研究表明，在COVID-19 患者中，T細胞表面過表達PD-1 導致T 細胞功能障礙，引起自身免疫，加重病情［34］。PD-1/PD-L1 通路在激活過程中產生抑制信號，抑制T細胞的增殖和活性，導致機體對病毒的免疫力下降［34］。COVID-19 患者CD4+和CD8+T 細胞CD95 和PD-1 表達均增加，而這些分子可導致初始T細胞的百分比降低［35］。T細胞PD-1和T 細胞免疫球蛋白黏蛋白-3（T cell immunoglobulin and mucin-domain containing-3，Tim-3）的表達水平與COVID-19 患者病情嚴重程度呈正相關［20］。SARSCoV-2 除了直接的細胞毒性作用，還可以通過激活宿主中的細胞因子風暴［14］。SARS 是細胞因子風暴的典型例子，其主要特征是肺纖維化、炎癥和高細胞因子血癥［35］。在COVID-19 重癥患者，先天免疫系統過度活躍導致細胞因子風暴的發生［36］。與健康對照組相比，COVID-19 感染患者血漿IL-1β、IL-1Rα、IL-7、IL-8、IL-9、IL-10、GCSF、GMCSF、IFN-γ、IP10、MCP1、MIP1A、MIP1B、PDGF、TNF-α 和VEGF等細胞因子濃度更高。ICU 患者的血漿IL-2、IL-7、IL-10、GSCF、IP10、MCP1、MIP1A 和TNF-α 水平明顯高于非ICU 患者［13］。在COVID-19 患者中觀察到導致細胞因子風暴的細胞數量明顯增加，包括單核細胞、中性粒細胞和自然殺傷細胞［37］。COVID-19重癥患者的肺巨噬細胞可能通過招募炎性單核細胞和中性粒細胞而導致肺部炎癥［38］。尸檢結果顯示，在COVID-19 患者心肌組織檢測到病毒，同時TNF-α、IFN-γ、IL-5、IL-6、IL-8、IL-18 等細胞因子基因高度表達［39］。PD-L1 以及細胞因子IL-6、IL-10、TNF-α 在COVID-19患者單核細胞和樹突狀細胞中過表達［14］，COVID-19 患者外周血中的IL-6、IL-10 和TNF-α 水平升高，并促進T 細胞表面PD-1 和Tim-3 等衰竭標志物的表達，進一步導致T 細胞免疫功能下降和記憶T 細胞活性喪失［20］。SARS-CoV-2 感染通過激活信號轉導和轉錄激活因子3（signal transducers and activators of transcription 3，STAT-3）誘導靶細胞分泌IL-10，導致單核細胞和樹突狀細胞中PD-1和PD-L1過表達［14］。反過來單核細胞表面的PD-1 并通過與PD-L1 配體結合誘導IL-10 分泌［40］。IL-10 作為一種抑制性細胞因子，可抑制T 細胞的生成、活化和增殖，導致COVID-19 患者細胞免疫反應功能障礙［20］。與單核細胞和樹突狀細胞不同，COVID-19患者中性粒細胞PD-L1 表達減少，然而，SARS-CoV-2 可誘導中性粒細胞分泌IL-6、IL-1β、IL-8 及TNF-α 等大量細胞因子，啟動細胞因子風暴，導致組織炎性損傷［32］。PD-1/PD-L1 軸抑制劑可為COVID-19 患者細胞因子風暴和T 細胞耗竭提供一種新的治療策略［41］。

4 COVID-19和PD-1/PD-L1軸抑制劑

通過對COVID-19 危重癥患者的臨床標本的檢查，顯示PD-1/PD-L1 在病情進展中扮演重要角色。因此，PD-1/PD-L1 軸抑制劑可為緩解COVID-19 癥狀甚至免疫SARS-CoV-2 病毒感染提供新療法。在癌癥治療及呼吸道感染中，靶向調控Tim-3、PD-1 等免疫抑制調節分子相關通路，可增加T細胞和NK細胞的數量和功能來提高細胞免疫功能［42-43］。IL-10作為T細胞耗竭的標志，阻斷IL-10的功能可以有效防止T 細胞耗竭，增加其在慢性感染中的功能［32］。考慮到H7N9 致命性疾病與COVID-19 患者癥狀的高度相似性，高水平的細胞毒顆粒可導致T 細胞激活受限甚至衰竭，當給COVID-19 患者使用PD-1/PD-L1軸抑制劑藥物時，可能會改善這種狀況，甚至逆轉［44-45］。研究表明，在膿毒癥患者和免疫缺陷患者，通過特異性抗體阻斷PD-1/PD-L1 軸以增強T 細胞的免疫應答，可有效清除病原體、改善癥狀、提高的生存期［46］。因此，PD-1/PD-L1 軸抑制劑藥物可能對改善COVID-19 患者癥狀和恢復耗竭的T 細胞是有效的。然而，不容忽視的是PD-1/PD-L1 軸抑制劑最常見的并發癥之一是抑制劑相關肺炎［47］。研究發現，在癌癥患者中使用PD-1/PD-L1 軸抑制劑明顯增加COVID-19 病情嚴重程度［48］。而另一項研究表明，在COVID-19 感染癌癥患者，PD-1 抑制劑與COVID-19 病情嚴重程度無關［49］。因此，需要更多、更廣泛、更全面的研究來闡明PD-1/PD-L1 軸抑制劑對COVID-19的治療作用。

5 小結與展望

綜上所述，T 細胞耗竭和細胞因子風暴是導致COVID-19 病情進展的主要因素。SARS-CoV-2 感染靶細胞，激活先天和后天免疫系統細胞。激活的巨噬細胞、單核細胞、中性粒細胞和自然殺傷細胞釋放大量細胞因子，導致細胞因子風暴。激活的T 細胞和樹突狀細胞分泌炎癥細胞因子，如IL-10 和IFN-γ。IL-10反過來促進單核細胞和樹突狀細胞表面PD-1 的表達，抑制CD4+T 細胞的功能。單核細胞的PD-L1 通過與CD8+T 細胞表面的PD-1 結合，從而抑制其抗病毒活性，最終導致疾病進展。PD-1/PD-L1軸抑制劑藥物可能為改善COVID-19 患者癥狀和恢復耗竭的T細胞提供一種新的治療策略。