免疫衰老及其相關(guān)機(jī)制

19世紀(jì)起,有關(guān)人類平均壽命線性延伸的研究開(kāi)始盛行,伴隨人類平均壽命的顯著增加,關(guān)于人類衰老的研究逐漸成為獨(dú)立的研究領(lǐng)域。衰老是因時(shí)間推移和與環(huán)境相互作用而引起的分子、細(xì)胞和機(jī)體結(jié)構(gòu)與功能的隨機(jī)改變[1-2]。衰老反映了人體一生中與環(huán)境之間的相互作用的結(jié)果,而且沒(méi)有兩個(gè)個(gè)體與環(huán)境的相互作用是相同的。20世紀(jì)50年代,Walford進(jìn)行了開(kāi)創(chuàng)性生物老年學(xué)的研究,并于1969年在其撰寫的《衰老的免疫學(xué)理論》中曾指出,免疫功能的下降可能引起正常的衰老,并首次提出了“免疫衰老(immunosenescence)”這一概念[3-4]。免疫衰老的研究也起源于此。

機(jī)體的免疫系統(tǒng)由固有免疫系統(tǒng)和適應(yīng)性免疫系統(tǒng)組成。固有免疫是人體免疫系統(tǒng)的第一道防線,可提供快速、大范圍、非特異性的保護(hù),主要由單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和樹(shù)突狀細(xì)胞組成。適應(yīng)性免疫系統(tǒng)功能由T淋巴細(xì)胞和B淋巴細(xì)胞完成,包含細(xì)胞免疫和體液免疫,其特點(diǎn)是具有特異性、免疫記憶、多細(xì)胞參與以及個(gè)體特征[5-7]。免疫衰老進(jìn)程中,機(jī)體的固有免疫系統(tǒng)和適應(yīng)性免疫系統(tǒng)均會(huì)受到影響。本文將對(duì)免疫衰老的分子假說(shuō)以及有關(guān)固有免疫和適應(yīng)性免疫在免疫衰老中的研究進(jìn)行綜述。

1 免疫衰老學(xué)說(shuō)

免疫衰老最重要的特征是由于反復(fù)臨床和亞臨床感染引起的刺激和通過(guò)連續(xù)暴露于抗原(吸入性過(guò)敏原、食物等)而導(dǎo)致的記憶和效應(yīng)細(xì)胞在“免疫空間”的積累[8]。由免疫衰老引發(fā)的慢性炎癥、惡性腫瘤或其他進(jìn)行性免疫缺陷病嚴(yán)重影響人類壽命的長(zhǎng)短。事實(shí)上,頻頻發(fā)生于老年群體中的病毒性感染和寄生蟲(chóng)疾病正與此相關(guān)。氧化應(yīng)激-炎癥-衰老學(xué)說(shuō)在分子層面對(duì)免疫衰老進(jìn)行了深入探討,在這一過(guò)程中,細(xì)胞凋亡起著核心作用[9-10]。細(xì)胞凋亡、炎癥反應(yīng)、免疫應(yīng)答上調(diào)以及親炎癥淋巴因子的分泌是衰老或長(zhǎng)壽的主要決定因素。Dela Fuente 等對(duì)免疫衰老學(xué)說(shuō)在分子層面的補(bǔ)充和深入探討,提出了著名的氧化應(yīng)激-炎癥-衰老學(xué)說(shuō),指出由于細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)脆弱性,免疫細(xì)胞比其他的細(xì)胞更容易受到氧化應(yīng)激損傷,從而引發(fā)炎癥[7,9,11]。另有學(xué)者指出,免疫衰老與基因組不穩(wěn)定、蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)丟失及線粒體功能紊亂、活性氧(reactive oxygen species,ROS)有直接的關(guān)系,即DNA 損傷和端粒損耗通過(guò)抑癌基因p53和過(guò)氧化物酶體增殖活化受體(peroxisome proliferators-activated receptors,PPARs)-γ輔助活化因子-1α(PGC-1α)調(diào)節(jié)線粒體的生物合成,導(dǎo)致ROS增加,蛋白質(zhì)、脂質(zhì)氧化和DNA損傷加重的惡性循環(huán)[12,13]。

2 固有免疫在免疫衰老中的研究進(jìn)展

固有免疫系統(tǒng)的功能在免疫衰老中至關(guān)重要,相當(dāng)多的研究表明,固有免疫系統(tǒng)功能的改變從皮膚上皮層、胃腸道和呼吸道黏膜的屏障作用的降低開(kāi)始,局部免疫球蛋白的比值也隨之降低。皮膚作為人體固有免疫的第一道防線,其衰老的主要特征是:由于毛發(fā)的數(shù)量和覆蓋率的減少,防護(hù)功能“屏障”的結(jié)構(gòu)被破壞,隨著皮脂腺數(shù)量的減少,皮膚的彈性降低,嚴(yán)重?fù)p害了皮膚的免疫防御能力。此外,一些生理現(xiàn)象如胸腺體積的減小,似乎也證實(shí)了免疫系統(tǒng)在衰老過(guò)程中起著關(guān)鍵性作用的假說(shuō),也解釋了自身免疫性疾病、惡性腫瘤或感染性疾病的發(fā)病原因，老年感染性疾病的高發(fā)率也可能是繼發(fā)于吞噬細(xì)胞系統(tǒng)的改變。

2.1 免疫衰老過(guò)程中巨噬細(xì)胞的變化 巨噬細(xì)胞是一種位于組織內(nèi)的白血球細(xì)胞,源自單核細(xì)胞,而單核細(xì)胞來(lái)源于骨髓中的前體細(xì)胞。巨噬細(xì)胞發(fā)揮免疫機(jī)制的原理主要包括兩方面:其一,巨噬細(xì)胞能吞噬和殺滅胞內(nèi)寄生蟲(chóng)、細(xì)菌、腫瘤細(xì)胞以及自身衰老和死亡的細(xì)胞,從而發(fā)揮機(jī)體的免疫防御、免疫自穩(wěn)、免疫監(jiān)視功能;其二,巨噬細(xì)胞還能夠產(chǎn)生促炎性細(xì)胞因子,如腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白細(xì)胞介素-1(interleukin-1,IL-1)、IL-6、IL-8等,這些細(xì)胞因子可以處理并向T細(xì)胞傳遞抗原[14-16]。由于T細(xì)胞通常不能識(shí)別天然蛋白抗原的決定簇,巨噬細(xì)胞通過(guò)內(nèi)吞作用攝取抗原,被吞噬的抗原細(xì)胞通過(guò)代謝被修飾成能與主要組織相容性復(fù)合體Ⅱ類分子(major histocompatibility complex class Ⅱ,MHC-Ⅱ)結(jié)合的、具有強(qiáng)免疫原性的肽段,該類肽段被呈遞給輔助性T細(xì)胞(helper T cell,TH),T細(xì)胞抗原受體(T cell receptor,TCR)特異性地識(shí)別多肽-MHC-Ⅱ類分子的復(fù)合物,在此過(guò)程中,TH細(xì)胞表面的分化簇3(cluster of differentiation 3,CD3)參與刺激信號(hào)的傳遞并介導(dǎo)T細(xì)胞產(chǎn)生淋巴因子及發(fā)揮效應(yīng)功能[13,17-18]。

衰老過(guò)程中,前體細(xì)胞的數(shù)量大幅度減少,而單核細(xì)胞的數(shù)量似乎沒(méi)有改變[19]。老年人群中由于端?？s短導(dǎo)致粒細(xì)胞集落刺激因子(granulocyte-colony stimulating factor,G-CSF)和細(xì)胞因子如TNF-α和IL-6的產(chǎn)生受到抑制。老齡動(dòng)物試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),由于γ-干擾素(interferon-γ,IFN-γ)的作用,機(jī)體產(chǎn)生的超氧陰離子的數(shù)量減少[20]。巨噬細(xì)胞吞噬功能的下降趨勢(shì)在一些特別因素如補(bǔ)體片段C5a類的刺激物存在時(shí)有所減緩。該類刺激因子由腸上皮細(xì)胞、肝細(xì)胞和脾細(xì)胞產(chǎn)生的20多種成分復(fù)雜的系統(tǒng)組成,在這些刺激因子的促進(jìn)炎癥、溶菌、溶細(xì)胞的作用下,淋巴細(xì)胞源性趨化因子(lymphocyte-derived chemotactic factor,LDCF)的產(chǎn)生減少。在這種情況下,抑制機(jī)制似乎與衰老過(guò)程中大量產(chǎn)生的前列腺素有關(guān),并發(fā)揮抑制作用。而LDCF產(chǎn)量的減少可能與參與細(xì)胞因子合成的淋巴細(xì)胞比例降低有關(guān)[21-22]。

2.2 免疫衰老過(guò)程中中性粒細(xì)胞的變化 中性粒細(xì)胞可產(chǎn)生過(guò)氧化氫、氯化物以及過(guò)氧化物酶組成髓過(guò)氧化物酶(myeloperoxidase,MPO)殺菌系統(tǒng),同時(shí)借助于補(bǔ)體片段或抗體的協(xié)同作用,對(duì)病原體具有強(qiáng)大的吞噬和殺傷作用。

雖然在老年群體中，中性粒細(xì)胞的數(shù)量并未減少,但是CD16Fcγ受體的表達(dá)減少,隨之而來(lái)的后果是,由Fc受體產(chǎn)生的超氧化物的吞噬作用受到影響。這表明,Fc受體應(yīng)激效應(yīng)的下降嚴(yán)重影響了老年人中性粒細(xì)胞的免疫功能[23]。臨床試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步表明,老年病人免疫衰老的重要特征是中性粒細(xì)胞對(duì)金黃色葡萄球菌的反應(yīng)減少,并因此增加了肺部感染的易感性。同時(shí),在老齡小鼠試驗(yàn)中,中性粒細(xì)胞向肺部遷移的數(shù)量減少,增加了肺部感染和復(fù)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。此外,最近的研究證實(shí)了病原體介導(dǎo)的中性粒細(xì)胞胞外誘捕網(wǎng)(neutrophil extracellular traps,NETs)被破壞,是老年人肺部感染發(fā)病率增加的原因[18]。

2.3 免疫衰老過(guò)程中自然殺傷(NK)細(xì)胞的變化 NK細(xì)胞確切來(lái)源尚不十分明確。一般認(rèn)為,NK細(xì)胞來(lái)源于淋巴造血干細(xì)胞,與機(jī)體的抗腫瘤、抗病毒感染和免疫調(diào)節(jié)有密切聯(lián)系。甚至在一些特殊情況下還可參與超敏反應(yīng)和自身免疫性疾病的發(fā)生,能夠非特異性識(shí)別靶細(xì)胞、殺傷穿孔素、NK細(xì)胞毒因子和TNF等介質(zhì)。NK細(xì)胞免疫功能的主要機(jī)理是抗體依賴的細(xì)胞介導(dǎo)的細(xì)胞毒性作用(antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity,ADCC),即NK細(xì)胞低親和力的CD16分子與靶細(xì)胞IgG抗體復(fù)合物結(jié)合后,活化蛋白酪氨酸激酶(protein tyrosine kinase,PTK),使磷酯酶C-γ(phospholipase C-γ,PLC-γ)的酪氨酸磷酸化后裂解為1,4,5-三磷酸肌醇(inositol 1,4,5-triphosphate,IP3)和二酰甘油,IP3增加細(xì)胞內(nèi)游離鈣的濃度,進(jìn)而釋放細(xì)胞毒性物質(zhì),如穿孔素和顆粒酶[16,19]。

老年人免疫增殖性疾病的高發(fā)生率表明,在該年齡段,免疫監(jiān)視的重要機(jī)制如NK細(xì)胞的活性缺陷是重要原因。1986年,通過(guò)對(duì)緩慢目標(biāo)——肝細(xì)胞癌細(xì)胞系的NK細(xì)胞功能評(píng)價(jià)試驗(yàn)表明,在老年群體中,NK細(xì)胞自發(fā)性細(xì)胞毒性能力顯著下降。最近的研究指出,高NK細(xì)胞毒性與長(zhǎng)壽和健康相關(guān),而低NK細(xì)胞功能與發(fā)病率和死亡率的增加有關(guān),同時(shí)也有證據(jù)表明,NK細(xì)胞毒性降低與感染、動(dòng)脈粥樣硬化和神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生有關(guān)。此外,NK細(xì)胞裂解可導(dǎo)致穿孔素和顆粒酶的釋放,進(jìn)而激活半胱氨酸天冬氨酸酶并誘導(dǎo)靶細(xì)胞凋亡。

NK細(xì)胞隨著CD56細(xì)胞的減少而重新分布,取決于在其表面CD56抗原的高密度,反之,NK細(xì)胞數(shù)量隨著CD56-CD16 NK細(xì)胞的增加而增加。與年輕病人相比,老年病人的IFN分泌量減少正是由于此原因。此外,在衰老過(guò)程中,受體表達(dá)激活減少,特別是與受體NKP30和NKP46(66)有關(guān)的受體[18]。這很容易聯(lián)想到通過(guò)改變NK細(xì)胞群的功能來(lái)改變衰老過(guò)程。實(shí)際上,NK細(xì)胞既可通過(guò)消除細(xì)胞因子和趨化因子,又可通過(guò)消除腫瘤或病毒感染的細(xì)胞而在固有免疫和適應(yīng)性免疫調(diào)節(jié)中發(fā)揮作用。

3 適應(yīng)性免疫在免疫衰老中的研究進(jìn)展

適應(yīng)性免疫應(yīng)答的過(guò)程為:體內(nèi)抗原特異性細(xì)胞T/B細(xì)胞在接受抗原刺激后,活化、增殖、分化為效應(yīng)細(xì)胞,產(chǎn)生相應(yīng)的生物效應(yīng)過(guò)程,從而起到殺菌免疫作用。免疫應(yīng)答的重要特征是識(shí)別“自身”和“非己”,有效排除抗原性異物。適應(yīng)性免疫應(yīng)答一般過(guò)程可分為3個(gè)階段:識(shí)別活化階段、增殖分化階段、效應(yīng)階段。這一過(guò)程中起關(guān)鍵作用的是具有特異性識(shí)別功能的淋巴T細(xì)胞和B細(xì)胞。適應(yīng)性免疫主要發(fā)生在淋巴結(jié)、脾臟等外周免疫器官,抗原經(jīng)血流或淋巴循環(huán)進(jìn)入淋巴結(jié)后,被脾臟邊緣區(qū)域的巨噬細(xì)胞、淋巴結(jié)中的樹(shù)突細(xì)胞、并指狀細(xì)胞等捕獲,經(jīng)過(guò)加工處理后在抗原提呈細(xì)胞(antigen presenting cell,APC)表面表達(dá)產(chǎn)生抗原肽-MHC-Ⅰ類/Ⅱ類分子復(fù)合體,供相應(yīng)T/B淋巴細(xì)胞識(shí)別結(jié)合,產(chǎn)生體液和(或)細(xì)胞免疫應(yīng)答[12]。

3.1 免疫衰老過(guò)程中淋巴T細(xì)胞的變化 T細(xì)胞產(chǎn)生于胸腺,可根據(jù)與其相結(jié)合的受體分為CD4+和CD8+兩種形態(tài),這兩種細(xì)胞亞型比例在衰老過(guò)程中呈現(xiàn)一定的變化趨勢(shì):CD8+細(xì)胞數(shù)量在衰老過(guò)程中呈增加趨勢(shì)。CD4+和CD8+T細(xì)胞表達(dá)產(chǎn)生的CD45 RA和CD45 RO是相互排斥的,第一個(gè)表型可以識(shí)別原始T細(xì)胞,而第二個(gè)表型可以激活T細(xì)胞。原始淋巴細(xì)胞的減少可能是胸腺退化和慢性抗原刺激的結(jié)果,這一結(jié)果也揭示了老年人抵抗新感染的能力下降的原因[24]。此外,在衰老過(guò)程中,原始T細(xì)胞顯示多種變化特征:端?？s短、IL-2產(chǎn)生減少以及分化為效應(yīng)細(xì)胞的能力減弱。約30%的老年人中,隨著效應(yīng)物“記憶”細(xì)胞的擴(kuò)展和進(jìn)行疫苗接種,T細(xì)胞 CD8+、CD45 RO+、CD25+克隆擴(kuò)增,原始T細(xì)胞數(shù)量和功能的喪失得到補(bǔ)償,能夠產(chǎn)生IL-2,并具有保護(hù)性體液免疫能力。

CD28細(xì)胞可產(chǎn)生促炎細(xì)胞因子，具有抗凋亡作用,其起源尚未完全闡明,但有假說(shuō)認(rèn)為它們是由于端?？s短和增殖能力降低而經(jīng)歷復(fù)制衰老的細(xì)胞。CD4+/CD8+比值、記憶效應(yīng)細(xì)胞數(shù)目增加和血清巨細(xì)胞病毒(cytomegalovirus,CMV)的陽(yáng)性率是鑒定老年病人的免疫風(fēng)險(xiǎn)表型(immunological risk phenotypes,IRP)的重要指標(biāo)。同時(shí)在老年病人中已顯示,IL-1、IL-4、IL-6和IFN-γ的生成增加,這些細(xì)胞因子通過(guò)同種型開(kāi)關(guān)和免疫球蛋白產(chǎn)生從而控制B細(xì)胞分化[24]。

T細(xì)胞的進(jìn)一步改變涉及到對(duì)氧化應(yīng)激的損害反應(yīng),這導(dǎo)致誘導(dǎo)細(xì)胞死亡的易感性和鈣流動(dòng)力學(xué)增加。當(dāng)前的研究指出,衰老過(guò)程中,miR 181(microRNA前體)的減少,使得T細(xì)胞對(duì)抗原識(shí)別的能力減弱。調(diào)節(jié)型T細(xì)胞(Regulatory cells,Tregs)是一種具有識(shí)別功能的轉(zhuǎn)錄因子,由于CD25 and FOXP3高度表達(dá)而產(chǎn)生的子型。老年病人體內(nèi)CD4+、FOXP3+、淋巴細(xì)胞的數(shù)量增加,這些細(xì)胞的累積在激活慢性感染防御機(jī)制中具有重要作用,同時(shí)改變T17/Treg的比值,會(huì)引起機(jī)體對(duì)炎癥或自身免疫性疾病的炎癥反應(yīng)[25]。

3.2 免疫衰老過(guò)程中B淋巴細(xì)胞的變化 機(jī)體的特異性體液免疫主要由B淋巴細(xì)胞介導(dǎo),B淋巴細(xì)胞可識(shí)別胸腺依賴性抗原(thymus dependent antigen,TD-Ag)和胸腺非依賴性抗原(thymus independent antigen,TI-Ag),其對(duì)抗原的應(yīng)答需要Th細(xì)胞的輔助而完成。B淋巴細(xì)胞對(duì)TD抗原的免疫應(yīng)答過(guò)程為:B細(xì)胞抗原受體(B cell receptor,BCR)和抗原結(jié)合后,產(chǎn)生的信號(hào)由CD79a/CD79b轉(zhuǎn)導(dǎo)至細(xì)胞內(nèi),作為B細(xì)胞活化的第一信號(hào),B細(xì)胞通過(guò)APC加工處理提呈抗原,供Th細(xì)胞識(shí)別,活化后的Th細(xì)胞為B細(xì)胞活化提供第二信號(hào),即CD40L+、CD40L,由Th細(xì)胞和B細(xì)胞表面的共刺激分子相互作用而產(chǎn)生免疫應(yīng)答[21,23]。

事實(shí)上,在免疫衰老過(guò)程中,B細(xì)胞的儲(chǔ)備受到年齡的影響,體液免疫因而受到定性或定量的改變。B細(xì)胞功能降低被認(rèn)為是由于T細(xì)胞的缺乏而導(dǎo)致的,而另一方面,B細(xì)胞的功能與T細(xì)胞是獨(dú)立的,典型的例子是多糖反應(yīng),這對(duì)抗菌保護(hù)至關(guān)重要,而且似乎很少需要T細(xì)胞的輔助功能[26]。

此外,一些數(shù)據(jù)表明,B細(xì)胞是重要的APC,并且具有調(diào)節(jié)T細(xì)胞發(fā)育的關(guān)鍵功能。T細(xì)胞某些功能的缺失可能是由于B細(xì)胞的調(diào)節(jié)不足所致。有報(bào)道B細(xì)胞的數(shù)量在衰老時(shí)發(fā)生了變化,且免疫球蛋白M(immunoglobulin M,IgM)和IgD的水平亦降低,這與從原始細(xì)胞到記憶B細(xì)胞區(qū)域的轉(zhuǎn)變有關(guān)。相反地,在衰老過(guò)程中,IgG尤其是IgG1、IgG2和IgG3的水平升高,同時(shí)IgA水平也增加。在IgA的變化中,單體IgA1在血清和唾液中含量顯著增加,痰液中聚合物IgA2減少。這種不平衡被認(rèn)為是由于胃腸道黏膜上的派爾集合淋巴結(jié)(peyer’s patches,PP)減少,如IgA2;而IgA1的增加可能是T“抑制子”活性和B淋巴細(xì)胞功能過(guò)度所致。這一缺陷很大程度上會(huì)導(dǎo)致老年人患感染性疾病,特別是胃腸道和呼吸道感染。研究發(fā)現(xiàn),老年人骨髓細(xì)胞數(shù)減少導(dǎo)致抗體缺乏,降低了B細(xì)胞對(duì)病毒和細(xì)菌的反應(yīng)能力和對(duì)乙型肝炎病毒疫苗的應(yīng)答反應(yīng)[25-26]。

綜上所述,免疫衰老是生命存在的典型過(guò)程,許多免疫系統(tǒng)(細(xì)胞)不可避免地經(jīng)歷這一過(guò)程,然而,衰老過(guò)程伴隨著復(fù)雜的、多因素作用的免疫系統(tǒng)功能的退化。正確地研究并掌握衰老過(guò)程中免疫系統(tǒng)的變化具有重要意義。比如促炎性細(xì)胞因子表型的發(fā)展以及抗炎作用的平衡可以使老年人免于殘疾困擾;免疫應(yīng)答和細(xì)胞凋亡的正確調(diào)節(jié)可能有助于減少與年齡相關(guān)的退行性疾病以及炎癥和腫瘤疾病的發(fā)生,使機(jī)體健康步入晚年期。

但是當(dāng)前有關(guān)機(jī)體免疫衰老的研究主要是基于大量的動(dòng)物試驗(yàn),其結(jié)論可以合理的推廣到人體中,但確切的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲得還有待于納入大量人群的研究樣本體系,且需要考慮到老年人群樣本分布的差異性和復(fù)雜性。能否在基于臨床試驗(yàn)和理論探索的基礎(chǔ)上,尋找到提高老年人對(duì)病原體和疫苗的應(yīng)答能力的有效措施至關(guān)重要[27]。另外,通過(guò)對(duì)應(yīng)答分子機(jī)制的研究,研發(fā)具有抗衰老作用的藥物或者化合物大有裨益。