髓系抑制性細胞在細菌感染性疾病中的作用研究①

陳志強 朱玥潔 張峰波 丁劍冰（新疆醫科大學公共衛生學院，烏魯木齊 830011）

細菌感染對人類免疫系統造成了嚴重的威脅，特別是在免疫力低下的人群中，例如兒童、老年人以及術后的患者，細菌感染常會引發敗血癥或死亡的發生［1-2］。深入地認識細菌感染機體的致病機制，能更好地清除致病菌，維護機體免疫平衡。近年來，源自髓系祖細胞的未成熟細胞的異質群體得到了廣泛的關注（截至目前已在PubMed 上列出了5 400多項研究），其具有免疫抑制功能，稱為髓系抑制性細胞（myeloid-derived suppressor cells，MDSCs）。已經在人類癌癥和鼠腫瘤模型的背景下對MDSCs進行了大量研究，發現它有助于免疫抑制性腫瘤微環境［3］。隨后MDSCs在一些自身免疫性疾病和感染在內的病理條件下發揮的作用和功能被強調［4-5］。值得注意的是，MDSCs 不是一個單一的細胞子集，而是代表一組具有共同生物學活性的表型不同的髓樣細胞，具體取決于它們所在的發生部位或疾病階段［6］。在治療上，亦發現了幾種關于如何干擾或者靶向MDSCs 的方法，并進行了癌癥的臨床前和臨床研究［7-8］。本文總結了MDSCs 在細菌感染中的研究現狀。此外，本綜述專注于細菌感染中病原體介導MDSCs激活的分子機制。

1 MDSCs的表征

MDSCs 來源于髓系祖細胞和未成熟髓系細胞，在生理條件下，迅速分化為成熟的粒細胞、樹突狀細胞（dendritic cell，DC）和巨噬細胞，然后從骨髓中遷移至相應的外周器官和組織，發揮正常的免疫功能［9］。然而，在癌癥、感染、炎癥、自身免疫病等病理情況下，這些髓源性祖細胞的成熟會被一些細胞因子抑制，因此它們會停留在不同的分化階段，成為具有免疫抑制功能的MDSCs［10］。傳統上，描述了兩個主要的MDSCs 子集，即粒細胞/中性粒細胞MDSCs（polymorphonuclear myeloid-derived suppressor cells，PMN-MDSCs）和單核MDSCs（monocytic myeloid-derived suppressor cells，M-MDSCs），它們在形態學和免疫抑制機制上有很大區別。在小鼠中，PMN-MDSCs 被定義為CD11b+Gr-1+Ly6GhighLy6Clow細胞，看起來類似于具有大而圓核的單核細胞，而M-MDSCs 被定義為CD11b+Gr-1+Ly6GlowLy6Chigh細胞，被描述為具有多葉形核，有些類似于多形核細胞［11］。人 的M-MDSCs 和PMN-MDSCs 的表型特征分別被描述為HLA-DR-/lowCD11b+CD33+CD14+CD15-和HLADR-CD11b+CD33-CD15+CD14-。隨著對MDSCs研究的不斷推進，有學者提出了以其他不同的基因表達譜區分MDSCs 和其他粒細胞或單核細胞，如CD244、脂肪酸轉運蛋白2（FATP2）被認為可以更有效地區分小鼠的M-MDSCs 和PMN-MDSCs［12］。而在人類中，建議用CD84和S100A9 識別MDSCs，CD66b用于區分PMN-MDSCs 和M-MDSCs。值得注意的是，凝集素型氧化LDL 受體1（LOX-1）作為人類PMN-MDSCs 的特異性標志物，被用來區分PMNMDSCs 與M-MDSCs 和正常中性粒細胞。至少在沒有明確MDSCs 標記之前，表型特征不足以完全識別MDSCs，因此顯示抑制功能以正確識別MDSCs 顯得至關重要。

2 MDSCs的擴增聚集活化

在健康個體的外周血中只存在少量MDSCs，在癌癥、炎癥及感染時，MDSCs 含量會隨著病程逐漸增加［13］。在這方面還需要解決的一個重要問題是了解促成MDSCs 擴增和聚集的因素和機制。細胞因子包括前列腺素E2（PGE2）、IL-6、IL-10、IL-1β、IL-4 和TGF-β 均顯示參與上述病理條件中MDSCs的募集和增殖。具體表現為IL-1β 和IL-6 可以誘導MDSCs 在炎癥部位的積累和激活。IL-1β 不僅促進MDSCs 的聚集，還誘導MDSCs 擴增所必需的其他分子的表達，如血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）、IL-6 和GM-CSF。有些細胞因子，如IL-10 和TGF-β 能誘導MDSCs 擴增介導其發揮抑制功能。故MDSCs 也能正向調控TGF-β 的產生，這樣的反饋回路對維持其抗炎癥反應具有重要意義［14］。研究報道，信號轉導和轉錄激活因子3（STAT3）被認為是促進MDSCs 擴增的主要驅動因素，多種細胞因子（包括M-CSF、IL-6、GM-CSF 和VEGF）都通過激活STAT3 來促進MDSCs 增殖和分化［15］。激活的STAT3 還誘導S100A8/9（一種促炎蛋白）的表達，可抑制DC 分化，從而有利于MDSCs 擴增。另外，STAT1、STAT6及NF-κB也在MDSCs的激活和功能中發揮作用。

3 MDSCs的免疫抑制機制

MDSCs 的特征之一是免疫抑制功能，其主要通過抑制T 細胞介導的抗腫瘤和抗感染免疫，使腫瘤細胞或病原體逃避免疫監視，進而促進疾病朝著持續性或慢性發展。目前研究表明MDSCs 發揮的抑制功能與其亞群密切相關。PMN-MDSCs 和M-MDSCs 通過不同的機制抑制T 細胞功能，PMN-MDSCs增加了NADPH 氧化酶（Nox）活性，導致高水平的ROS，產生低水平的一氧化氮（NO）［16］。M-MDSCs則表達高水平的NO，但表現低ROS產生。PMN-MDSCs通過高濃度ROS不僅誘導T細胞凋亡，還下調TCRζ鏈表達，使TCR 信號受損，導致T 細胞無反應性［17］。研究發現ROS 抑制劑可阻斷MDSCs 對T 細胞的抑制作用。M-MDSCs 通過高水平NO 破壞IL-2 受體下游的信號通路，促進T 細胞凋亡和過氧亞硝酸鹽的形成，同時NO 作為強大的氧化劑之一，能夠通過硝化改變T 細胞上TCR 和CD8+的分子結構。造成這些受體無法對抗原特異性刺激作出反應［18］。最近，又有研究表示NO的產生被證明會損害Fc受體介導的自然殺傷細胞功能，導致癌癥對單克隆抗體治療的反應受損［19］。值得注意的是PMN-MDSCs 和MMDSCs 亞群都高表達精氨酸酶-1（Arginase 1,Arg-1）。Arg-1被認為是重要的免疫抑制介質，能夠將L-精氨酸轉化為L-鳥氨酸和尿素，從而導致L-精氨酸的消耗，使效應性T 細胞在免疫反應中缺乏L-精氨酸，導致T 細胞無法增殖，免疫功能下降。亦有報道，MDSCs 通過上調程序性死亡配體1（programmed death 1 ligand，PD-L1）發揮 其免疫 抑制作 用［19］。PD-L1 與T 細胞上表達的程序性細胞死亡蛋白1（programmed death 1，PD-1）受體的結合導致T 細胞的功能衰竭或失去產生IFN-γ 的能力，用PD-L1 抗體可阻斷MDSCs對T細胞的免疫抑制能力。

除了抑制T 細胞外，MDSCs 還會影響其他免疫細胞的活性和功能，例如，MDSCs 通過表達免疫抑制細胞因子TGF-β 來抑制NK 細胞的細胞毒性；調節性T 細胞（regulatory T cells，Tregs）是一組抑制免疫反應的T 細胞亞群，MDSCs 產生CCR5 配體CCL4和CCL5，它們通過在Tregs表面高表達的CCR5受體將Tregs募集到病變組織，發揮抑制功能［20］。MDSCs分泌的IL-10 和IFN-γ 可以進一步激活Tregs。Tregs和MDSCs復雜的交互作用進一步抑制抗感染免疫。

4 MDSCs與細菌感染

幾種細菌已被證明在體外和體內誘導或調節MDSCs，考慮到部分細菌感染參考文獻數量有限，本文主要論述了MDSCs 在結核分枝桿菌、金黃色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌以及膿毒癥感染中的變化特點和在感染過程中的作用。

4.1 結核分枝桿菌相關的MDSCs 研究 結核病（Tuberculosis，TB）是由結核分枝桿菌引起的感染，是人類健康的主要威脅之一［21］。已知TB 的發生與T 細胞反應受損相關，但其潛在的免疫機制仍不完全清楚。最近報道，在小鼠中，熱滅活的結核分枝桿菌能夠誘導MDSCs，后者產生NO 和超氧陰離子發揮抑制免疫的作用［22］。同樣，急性（家庭暴露在3 個月內）和慢性結核病患者的外周血和支氣管肺泡灌洗樣本中的MDSCs 數量均顯著增加，這些細胞抑制CD4+和CD8+T 細胞的功能，包括T 細胞增殖、T細胞運輸改變以及IL-2、IFN-γ和TNF的產生［23］。在小鼠實驗性肺結核中，MDSCs 在感染小鼠的肺中積累，MDSCs 容易吞噬結核分枝桿菌，并釋放IL-6、IL-10 等細胞因子，同時保持其抑制能力。肺中MDSCs 數量與TB 致死率呈正相關，MDSCs 的靶向消耗可改善小鼠TB 模型中的疾病進展。這些研究表明MDSCs 在結核病期間持續擴增，并在宿主與病原體的相互作用中發揮雙重作用：它們吞噬但不殺死分枝桿菌，從而為結核桿菌的生存提供了庇護所，同時抑制周圍效應T細胞的反應。

MDSCs與T細胞的相互作用已在結核病患者中建立，但對影響抗原特異性應答淋巴細胞的作用機制仍有待闡明。最近在實驗性結核病研究中已經確定了參與MDSCs 功能調節的細胞表面分子［24-25］。在患有分枝桿菌胸膜炎的小鼠中，MDSCs 通過表達tmTNF-α 與表達TNFR2 的CD4+T 細胞結合，細胞間相互作用增強了MDSCs 的活性。在體外分枝桿菌感染時，人類MDSCs 上調PD-L1 并使用該檢查點分子來限制T細胞增殖。最近的一項研究表明MDSCs抑制IFN-γ的生成，而IFN-γ可通過降低Arg-1活性，抑制PD-1/PD-L1，從而降低MDSCs 的抑制功能，這可能解釋了終末期結核病患者的嚴重免疫抑制。在癌癥研究中，描述了純化的MDSCs 中富含的其他酶的相關性，例如NADPH 和COX2［26］，以及MDSCs和自噬分子之間的相互作用關系，當前在人類結核病中也報告了類似的發現，但還需要進一步研究。4.2 金黃色葡萄球菌相關的MDSCs 研究 金黃色葡萄球菌是人類社區獲得性和醫院感染的主要原因，據報道，MDSCs 在金黃色葡萄球菌引起的慢性感染中具有重要作用。在金黃色葡萄球菌慢性膿腫的小鼠模型中，已證明效應CD4+T 細胞功能的逐漸下降與感染向慢性發展有關，而MDSCs 的擴增被認為是導致進行性T細胞功能障礙和無法消除金黃色葡萄球菌的原因［27］。同樣，HEIM 等［28］和JOSSE等［29］證明MDSCs 在感染的假體關節中建立慢性金黃色葡萄球菌生物膜方面發揮關鍵作用。研究表明MDSCs 抑制了受感染關節中單核細胞/巨噬細胞的促炎活性，因為通過消耗MDSCs 可以增強招募的單核細胞的促炎功能促進生物膜的清除。與上述發現一致，來自患者和被金黃色葡萄球菌感染的小鼠模型中金黃色葡萄球菌生物膜主動將宿主免疫反應偏向抗炎表型，其特征是優先募集MDSCs 與抗炎的單核細胞和巨噬細胞，此外，研究證實MDSCs向金黃色葡萄球菌生物膜部位的募集是由IL-12 介導的，并且被募集的MDSCs 釋放的IL-10 還負責抑制單核細胞/巨噬細胞的抗菌作用［30］。MDSCs 的消耗導致細菌清除率提高，而MDSCs 增加可促進該生物膜模型中的疾病嚴重程度。總之，針對金黃色葡萄球菌感染中MDSCs的研究表明，MDSCs在金黃色葡萄球菌感染的宿主中具有相當有害的作用。目前，PMN-MDSCs為優勢亞群會滲入金黃色葡萄球菌生物膜并建立導致持續感染的抗炎環境被廣泛認可［31］。體外研究顯示，雖然M-MDSCs和PMN-MDSCs均可以在加入低濃度金黃色葡萄球菌后擴增，此時M-MDSCs 的比例遠大于PMN-MDSCs，但隨著金黃色葡萄球菌濃度的增加，并不能引起M-MDSCs繼續擴增，這一特點在隨后的研究描述為了適應高濃度的金黃色葡萄球菌生物膜，增加的M-MDSCs比例可能進一步分化為M2 型巨噬細胞以維持固定水平的M-MDSCs。在金黃色葡萄球菌感染模型中，MDSCs是否存在特定亞群參與免疫抑制還需要進一步研究。

4.3 肺炎克雷伯菌相關的MDSCs 研究 肺炎克雷伯菌是與人類感染相關的最具侵略性的多重耐藥菌之一，導致高病死率和發病率。在感染多藥耐藥肺炎克雷伯菌的臨床分離株后，MDSCs 會被高度誘導，特別是其亞群M-MDSCs會迅速募集去取代最初中性粒細胞反應［32］。這些M-MDSCs 表達抗炎表面標志物并顯示出受損的吞噬能力。研究發現，在肺炎克雷伯菌期間，最早募集的MDSCs 高表達的IL-10 會指導免疫反應，對宿主的生存至關重要。具體而言，IL-10 的產生可防止不受控制的細胞因子產生，減少肺損傷并改善細菌清除，盡管這是以延遲氣道中的細菌清除為代價。為了應對細菌感染，MDSCs 的募集和活動都會抑制先天性和適應性免疫反應，導致慢性感染［33］。這看上去MDSCs 對機體具有輔助損傷作用，可在CHAKRABORTY 等［34］和PE?ALOZA 等［35］的研究中明確地指出M-MDSCs 和其他骨髓細胞產生IL-10 是在肺炎克雷伯菌感染期間保護肺的主要機制。MDSCs 是敵人還是朋友，可能需要考慮疾病發生部位以及病程的發展，這需要更多的研究進行描述。

4.4 膿毒癥相關的MDSCs 研究 膿毒癥被定義為“由宿主對感染的反應失調引起的危及生命的器官功能障礙”［36］。在膿毒癥中，大多數相關研究分析了MDSCs 對暴露于盲腸結扎穿孔誘導的多種微生物膿毒癥的小鼠的影響。膿毒癥分為兩個階段，第一階段的特征是最初的急性炎癥期，然后是繼發性炎癥和免疫抑制期，在膿毒癥發作后的早期MDSCs比晚期MDSCs 分泌更少的S100A9，并且在LPS 和IL-6的作用下，TNF、IL-10、ROS和Arg-1更少。而對于GM-CSF，早期MDSCs 會產生RNS 和促炎細胞因子，而晚期MDSCs 產生Arg-1、IL-10和TGF-β。更有趣的是，研究者還觀察到膿毒癥晚期MDSCs 群體中CD31 陽性的細胞百分比更高，而CD31 是早期骨髓細胞的標志物，當用GM-CSF 刺激時，這些細胞也缺乏進一步分化的能力，提示處于晚期的MDSCs 群體比早期MDSCs 更加不成熟和免疫抑制更強。以上也充分證明了MDSCs 作用在膿毒癥中具有時間依賴性，取決于膿毒癥的階段。有研究認為，在膿毒癥中，可以預測MDSCs 根據疾病進展發揮著雙重作用［37］。一方面，可能有益于限制敗血癥早期的過度炎癥，從而防止早期器官功能障礙，這與金黃色葡萄球菌感染模型中MDSCs 有害的發現相反，在膿毒癥中MDSCs 似乎有利于宿主［38］。另一方面，MDSCs可能會通過長期免疫抑制，導致膿毒癥病人群產生不利影響，主要還是通過各種機制抑制T 細胞的活性與增殖，包括L-精氨酸的降解、活性氧和活性氮物質（ROS、RNS）的產生、分泌抗炎/免疫抑制細胞因子如IL-10、TGF-β［39］。亦有新研究表明，膿毒癥誘導的PD-L1高表達的MDSCs，尤其是PMN-MDSC，可能在膿毒癥早期通過PD-L1/PD-1 途徑誘導T 細胞衰竭，從而發揮免疫抑制作用［40］。隨后CHEN 等［41］的研究發現，脾切除可以通過減少膿毒癥MDSCs 中PD-L1 的表達來保護膿毒癥小鼠免于免疫細胞衰竭。由此說明，對于膿毒癥患者，通過阻斷MDSCs所介導的PD-L1/PD-1 途徑可能是一種恢復膿毒癥免疫穩態的有效方法。

5 結語與展望

MDSCs 一直以來被認為主要在癌癥中發揮抑制功能，最近的研究發現，在結核分枝桿菌、金黃色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌以及膿毒癥等細菌性感染疾病中的MDSCs 也有免疫抑制作用。在這些感染中，MDSCs 有利于病原體抵抗宿主最佳的免疫反應，加重感染病程甚至慢性持續性感染。因此，非常有必要探討細菌感染性疾病中病原體和宿主來源的信號如何借助MDSCs 發揮免疫作用，并以此作為治療靶點控制細菌感染。這一策略將擴展至其他的細菌感染性疾病中，例如布魯氏菌感染引起的布魯氏菌病。