現(xiàn)代系統(tǒng)免疫學的形成與發(fā)展①

郭 峰 (第二軍醫(yī)大學長海醫(yī)院輸血科血液免疫研究室,上海200433)

現(xiàn)代免疫學通過還原法已弄清人與動物機體都有完整的防御系統(tǒng),統(tǒng)稱免疫系統(tǒng)。動物越是高等,其免疫系統(tǒng)分工越是精細,防御能力越強。人類免疫系統(tǒng)分工最精細最復雜,對環(huán)境變化的適應能力也極強。免疫系統(tǒng)各種免疫細胞根據(jù)其分工及能力可分為二大類免疫細胞,一類稱為固有免疫細胞;另一類稱為適應性免疫細胞,這些免疫細胞除了有固有免疫細胞天生固有的免疫功能的物質(zhì)基礎外,還有針對不同致病原的專一免疫能力,其結(jié)果是產(chǎn)生后天獲得的特異免疫物質(zhì),這種免疫反應稱為適應性免疫應答。固有免疫系統(tǒng)(innate immune system)不僅介導機體對病原生物的反應,而且為機體獲得性免疫(即適應性免疫)性應答的啟動提供信號。用還原法已得知樹突狀細胞、吞噬細胞等固有免疫細胞和分子可調(diào)控T、B淋巴細胞的適應性免疫反應[1-3]。但目前對固有(天然)與獲得性免疫應答眾多的互動聯(lián)系了解仍很少[4],而隨著基因組學、蛋白組學,生物信息學以及系統(tǒng)生物學理論和生物學軟件及計算機技術的發(fā)展,隨之形成的現(xiàn)代系統(tǒng)免疫學將對天然-獲得性免疫復雜的互動聯(lián)系以及免疫耐受的復雜機制及臨床綜合應用的深入研究帶來驚喜的發(fā)現(xiàn)與創(chuàng)新。

1 現(xiàn)代系統(tǒng)免疫學形成的基礎

現(xiàn)代免疫學采用還原法,利用基因組學,蛋白組學組以及生物信息學技術的研究成果,對淋巴細胞的免疫功能研究取得了一系列突破性發(fā)展。對T、B淋巴細胞,NK細胞基因、蛋白質(zhì)功能,免疫信息傳遞通路都有深入的研究。對淋巴細胞的特異性免疫反應的這些深入研究,奠定了現(xiàn)代免疫學的基礎[3]。免疫學家對特異性免疫反應的細胞種類分工研究已極為深刻,已達分子和基因水平,但曾經(jīng)忽視了對非特異性免疫反應的進一步深入研究。近代在實踐中發(fā)現(xiàn),許多疾病的預防只靠加強特異性免疫并不能達到理想的效果。而通過激活機體的非特異性免疫反應有時反而有出乎意外的效果。在20世紀90年代,研究發(fā)現(xiàn)了許多天然免疫分子,并認識到天然免疫還具有指導特異性免疫對抗原反應所取型別的作用,也就是說機體遭受致病原侵犯初期,固有免疫細胞可立即快速反應產(chǎn)生免疫物質(zhì)去殺滅致病原,免除患病。在某些狀態(tài)下,如致病原量多,侵襲力極強時,單靠固有免疫細胞的防御能力并不能完全消滅致病原,這時機體發(fā)生了疾患,在此過程中,適應免疫細胞與已被固有免疫細胞產(chǎn)生的天然免疫分子作用過的致病原相遇,受這些天然免疫分子的指引,可對不同致病原采取不同類型的適應性免疫反應,也就是說天然免疫細胞還參與適應免疫反應類型與轉(zhuǎn)變的調(diào)控,使機體疾患盡快康復。如果天然免疫反應失平衡,天然免疫程度過強、過弱或紊亂,都會影響適應免疫反應的程度和類型。因此必須深入研究天然免疫反應能力變化與調(diào)控規(guī)律,只有這樣才能弄清適應性免疫反應變化的規(guī)律,才能客觀全面地了解機體免疫系統(tǒng)變化在疾病發(fā)病機理中的地位與意義,同時弄清楚天然免疫細胞的種類,分工與協(xié)調(diào)規(guī)律,在臨床上對闡明有關疾病的發(fā)病機理及制定防治措施方面都具有重要的理論與實用價值。天然免疫細胞(也稱固有免疫細胞)成分如單核細胞、粒細胞、NK細胞、T細胞、樹突狀細胞和數(shù)量龐大的紅細胞及補體,急性期反應蛋白等體液固有免疫分子成分的深入研究,許多新的免疫分子功能的闡明,已促使天然免疫成為一個熱門的研究領域,這方面的進展對加深全面客觀地認識機體防御系統(tǒng)具有重大的基礎理論和臨床實用價值。特別是近年來國內(nèi)外對紅細胞天然免疫細胞,補體系統(tǒng)協(xié)調(diào)天然免疫反應及適應性免疫反應的研究取得了不少突破性進展,為機體免疫應答機制與調(diào)節(jié)深入研究提供了必要的重要條件[6]。隨著分子生物學的發(fā)展,縱向研究(還原論的研究方法)已從細胞層面向蛋白分子和基因?qū)用姘l(fā)展,通過直接的觀察與實驗獲得了海量的數(shù)據(jù),如何將這些數(shù)據(jù)進行橫向聯(lián)系與探討(系統(tǒng)論的研究方法),進一步闡明疾病、健康等生命本質(zhì),已成為國際上研究人員共同努力的方向。2001年系統(tǒng)生物學(Systems Biololgy)概念的提出[7-9],為現(xiàn)代免疫學對固有免疫反應與適應性免疫反應之間互動聯(lián)系的深入研究,提供了一種新思路和新的研究方法。目前生物學研究的重點已從20世紀還原論研究轉(zhuǎn)向21世紀的系統(tǒng)論(即整體論)研究,系統(tǒng)生物學研究已成為21世紀醫(yī)學和免疫學的重要研究方向[7,8]。

現(xiàn)代系統(tǒng)生物學強調(diào)4個性:整體性、有序性、動態(tài)性和目的性[7]。人體是一個完整而復雜的生命系統(tǒng),免疫系統(tǒng)是生命系統(tǒng)的一個子系統(tǒng),而免疫系統(tǒng)又是一個很復雜的系統(tǒng),由許多要素(即子系統(tǒng))構成。因此,用系統(tǒng)生物學的概念、理論與技術來研究免疫系統(tǒng)的結(jié)構與功能,是今后現(xiàn)代免疫學的重要研究領域,也是現(xiàn)代免疫學理論與方法學取得重大突破,獲得原創(chuàng)性成果的希望所在[10],現(xiàn)代免疫學向系統(tǒng)模式,公式化、數(shù)學化、計算免疫學方向發(fā)展是必然之勢,這也就是現(xiàn)代系統(tǒng)免疫學的精髓所在。

2 現(xiàn)代系統(tǒng)免疫學的發(fā)展方向

免疫系統(tǒng)不是單一機制,而是通過眾多基因、蛋白質(zhì)互相作用的復雜機制來調(diào)控免疫反應對抗感染和疾病的?，F(xiàn)代系統(tǒng)免疫學首先要建立系統(tǒng)模式,要有經(jīng)典分析和敏感度分析,需采用跨學科的研究工具,包括數(shù)學、計算機、動力系統(tǒng)、信息學、控制論以及物理學[11]。

現(xiàn)代系統(tǒng)免疫學研究方向重點應放在系統(tǒng)建模。根據(jù)研究目的不同,可在細胞水平,器官水平和機體整體水平構建系統(tǒng)模式仿真,有的學者著力于在體外細胞培養(yǎng)體系建立哺乳動物適應性免疫系統(tǒng)的動態(tài)仿真系統(tǒng)模式,研究適應性免疫系統(tǒng)中各種細胞、免疫分子、基因組、信息傳導的動態(tài)網(wǎng)絡計算模式[11]。有的學者利用系統(tǒng)生物學的理論和活體多光子顯微鏡構建動物的系統(tǒng)免疫學傳染病模式,通過生物學高通量技術從系統(tǒng)生物學的體系研究整個機體是如何運作的。在此系統(tǒng)模式中可獲得動力學資料,研究致病原與宿主之間動態(tài)免疫反應的整個過程。這些系統(tǒng)模式的建立和運用,可幫助闡明感染或接種疫苗的系統(tǒng)免疫反應的基本生理和病理反應動態(tài)過程。重大的挑戰(zhàn)是如何使用高通量的生物計算技術,收集大量的數(shù)據(jù)以適當方式建模[11]。一旦系統(tǒng)模式構建研究成功,可助于設計更好的治療方法或疫苗,有利于傳染病防治研究的突破與創(chuàng)新。有的學者通過特征選擇形成各種遺傳標法的癌抗原集,力求建立抗腫瘤的系統(tǒng)免疫學模式,補充特異性抗腫瘤免疫反應方法的不足?？尚纬煞N類不同和劑量不同的腫瘤抗原與抗體之間的互動的共同抗體系統(tǒng)模式,可用于探討免疫反應與免疫耐受動態(tài)網(wǎng)絡機制以及用于瘤苗研究。有的學者利用自身抗體反應系統(tǒng)模式陣列技術,通過相關設備與分析技術,建立系統(tǒng)模式深入研究自身免疫性疾病系統(tǒng)免疫學發(fā)病機理與防治方案[11]。有些醫(yī)藥公司利用系統(tǒng)生物學的理論與技術,構建符合系統(tǒng)生物學的給藥系統(tǒng)與平臺,減少毒副作用,提高療效。

國外從1981年紅細胞免疫系統(tǒng)分離法研究為起點,探明紅細胞有CD35、CD55、CD58、CD59以及廣譜趨化因子受體等固有免疫分子[12-14],有關研究報導血小板也有CD55、CD59等多種固有免疫分子也參與T淋巴細胞免疫功能調(diào)控[15,16],國外學者還發(fā)現(xiàn)艾滋病毒進入血液后,首先激活補體系統(tǒng),被紅細胞CD35分子作用后,艾滋病毒顆粒上的補體C3b降解為C3d、C3dg并將這種艾滋病毒遞交給B淋巴細胞CR2分子處理,最終通過有關機制遞交給CD4陽性淋巴細胞而發(fā)病[17,18]。此現(xiàn)象也表明免疫原進入血循環(huán)后引起的免疫反應也是系統(tǒng)免疫反應,要弄清艾滋病毒進入血循環(huán)后,這種系統(tǒng)傳遞信息的動態(tài)過程與發(fā)病機制,也需要建立血液免疫反應的系統(tǒng)模式。國外學者通過還原法研究,還發(fā)現(xiàn)紅細胞是T淋巴細胞活性的調(diào)節(jié)器,參與T淋巴細胞凋亡調(diào)控,這也表明紅細胞在適應性免疫反應調(diào)控中是很重要的[19,20],因此研究紅細胞調(diào)控T淋巴細胞適應性免疫反應的動態(tài)網(wǎng)絡機制也需要建立系統(tǒng)模式。血循環(huán)系統(tǒng)免疫反應中,固有免疫反應與適應性免疫反應之間呈動態(tài)網(wǎng)絡的系統(tǒng)模式的建立是研究整個機體系統(tǒng)免疫反應動態(tài)網(wǎng)絡機制的一個重要窗口。我們從1982年開始用還原法研究紅細胞固有免疫功能,發(fā)現(xiàn)紅細胞參與白細胞固有免疫和適應性免疫反應的調(diào)控[21]。從1999年開始用系統(tǒng)論研究系統(tǒng)血液固有免疫粘附反應,2004年正式建立“系統(tǒng)血液快速固有免疫反應的體外實驗研究系統(tǒng)模式”,在一定量免疫原(如細菌、腫瘤細胞)加入新鮮枸櫞酸抗凝血后37℃作用1小時后,可獲得各種血細胞和血漿中免疫分子橫向網(wǎng)絡動態(tài)的海量數(shù)據(jù),可根據(jù)研究內(nèi)容的需要,對有關免疫分子量化,可用數(shù)學公式計算免疫原對系統(tǒng)血液免疫反應中各種血細胞的免疫分子以及反應液中的細胞因子的激活指數(shù),以及紅細胞在系統(tǒng)血液免疫反應中對白細胞的固有免疫反應的調(diào)節(jié)率,已取得顯著效果,得到了認可與推廣[22]。國內(nèi)張志勇等[23]報導采用系統(tǒng)血液固有免疫反應體外仿真系統(tǒng)模式實驗,證明銀屑病患者滅活大腸桿菌對紅細胞CD59激活強度明顯高于獻血員,這一系統(tǒng)免疫學研究結(jié)果表明銀屑病患者T淋巴細胞免疫功能亢進與紅細胞CD59分子對CD2粘附增強激發(fā)T淋巴細胞免疫功能相關,對銀屑病的免疫機制深入研究有新的啟示。我們利用體外系統(tǒng)血液快速固有免疫反應仿真實驗體系研究卡介苗免疫治療增強腫瘤患者免疫功能機理,證明卡介苗激活肺癌患者系統(tǒng)血液固有免疫反應中可同時激活紅細胞CD59分子與淋巴細胞CD25分子的表達量,表明卡介苗首先能激活紅細胞固有免疫分子CD59分子,通過CD2激活淋巴細胞CD25分子的表達量[24]。這表明用系統(tǒng)免疫學的研究方法更能深入研究免疫調(diào)節(jié)劑的免疫學作用機理。我國的現(xiàn)代系統(tǒng)免疫學研究已有了良好的起步。我們對系統(tǒng)免疫學研究有所創(chuàng)新,國外的系統(tǒng)免疫學還是局限于白細胞各種細胞之間的橫向研究為主,而我們開展的系統(tǒng)血液免疫學研究已擴張為血中所有血細胞(包括白細胞與紅細胞)之間與血漿所有成份之間的網(wǎng)絡關系研究。系統(tǒng)血液免疫學是現(xiàn)代系統(tǒng)免疫學的一個重要研究領域,系統(tǒng)血液固有免疫反應體外仿真實驗體系,今后需逐步向自動化、數(shù)學化方向發(fā)展。

對現(xiàn)代系統(tǒng)血液免疫反應實驗研究體系,需進一步采用高通量技術研究血漿補體系統(tǒng),紅細胞,血小板、白細胞固有免疫和適應性免疫反應之間的動態(tài)網(wǎng)絡過程,向計算免疫學方向發(fā)展,要顯示我們系統(tǒng)血液免疫學研究的特色與強勢[25]。

3 展望

國外與國內(nèi)免疫學界學者都已重視將自己的研究思路與方向轉(zhuǎn)向系統(tǒng)免疫學研究領域。在國外有的研究單位專門成立了“系統(tǒng)免疫學研究組”,這是由計算生物學、生物信息學、蛋白質(zhì)學、細胞生物學、免疫學和傳染病等各方面專家組成的系統(tǒng)研究團隊。許多公司在用生物信息學技術研發(fā)模擬系統(tǒng)免疫現(xiàn)象的軟件與計算機以及各種抗原、抗體方陣法。設立專項研究基金,召開國際性學術研討會,積極推動系統(tǒng)免疫學研究向深入發(fā)展。許多頂級雜志在跟蹤系統(tǒng)免疫學研究最先進國家的動向,及時刊登與引導國際上系統(tǒng)免疫學的發(fā)展與創(chuàng)新,以及統(tǒng)一標準。系統(tǒng)免疫學、計算免疫學的發(fā)展為深入了解天然免疫系統(tǒng)如何啟動并調(diào)節(jié)獲得性免疫應答以及免疫耐受機制帶來希望。為探討免疫性疾病,過敏性疾病,腫瘤,器官移植排斥等提供新的干預途徑和方法,以及為疫苗設計提供最重要的分子信息系統(tǒng)研究思路。我國應該重視這方面的研究進展,利用網(wǎng)絡跟蹤和研究國外研究趨勢,鼓勵和支持我國在這領域的研究,并積極推動和展現(xiàn)我國在這領域的研究特色與貢獻[24]。為我國現(xiàn)代免疫學向現(xiàn)代系統(tǒng)免疫學、計算免疫學方向發(fā)展做出戰(zhàn)略性決策,我想一定能在國際上展示我國現(xiàn)代系統(tǒng)免疫學的研究實力與貢獻[25-27]。

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