系統(tǒng)免疫學(xué)研究現(xiàn)狀與進(jìn)展①

劉 沛 王化泉 邵宗鴻

(天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院,天津300052)

進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著高通量、高帶寬的方法的應(yīng)用，各種“組學(xué)”研究的進(jìn)展使醫(yī)學(xué)生物學(xué)的各項數(shù)據(jù)庫逐漸成形并越加豐富。以還原論為指導(dǎo)的研究理念和方法已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)今數(shù)據(jù)信息的發(fā)展速度，阻礙了我們對數(shù)據(jù)背后事實真相的探索步伐。因此，以系統(tǒng)的方法解決人類生命體的問題更符合醫(yī)學(xué)生物學(xué)的本質(zhì)需求。系統(tǒng)免疫學(xué)(Systems immunology)是應(yīng)用系統(tǒng)的方法研究免疫系統(tǒng)中所有組分的構(gòu)成以及這些組分間的相互關(guān)系，并分析免疫系統(tǒng)特定時間內(nèi)的動力學(xué)過程。

1 系統(tǒng)免疫學(xué)研究內(nèi)容

系統(tǒng)免疫學(xué)的研究內(nèi)容分為以下4個方面：①免疫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其相互關(guān)系：明確免疫系統(tǒng)的免疫細(xì)胞組成，細(xì)胞因子及化學(xué)因子種類，及其相互作用關(guān)系，了解免疫網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系。②免疫系統(tǒng)行為分析：對免疫系統(tǒng)在時間、空間發(fā)生改變的過程中產(chǎn)生的內(nèi)在變化進(jìn)行分析。③系統(tǒng)模型的操控：應(yīng)用現(xiàn)有或已知的研究成果，進(jìn)行數(shù)字化建模，構(gòu)建系統(tǒng)模型的運(yùn)算規(guī)律。④免疫系統(tǒng)模型設(shè)計：通過設(shè)計出最完美最健康的系統(tǒng)模式，讓疾病系統(tǒng)恢復(fù)到健康狀態(tài)。

2 系統(tǒng)免疫學(xué)研究過程

系統(tǒng)免疫學(xué)的研究過程參照系統(tǒng)生物學(xué)也可分為4個階段：①免疫系統(tǒng)初始模型的構(gòu)建。②系統(tǒng)的干擾和整合：系統(tǒng)地改變研究對象的內(nèi)部組分或外部環(huán)境，觀測其中的變化，整合相關(guān)信息。③系統(tǒng)模型的調(diào)整與修正：通過比較實際數(shù)據(jù)與預(yù)測數(shù)據(jù)，對初始模型進(jìn)行修正。④免疫系統(tǒng)模型的進(jìn)一步檢驗及重復(fù)[1]：通過設(shè)定新的系統(tǒng)環(huán)境對修改后的系統(tǒng)模型進(jìn)行再干擾、再整合、再調(diào)整與修正，從而對系統(tǒng)進(jìn)行周而復(fù)始的完善。

3 系統(tǒng)免疫學(xué)研究特點(diǎn)

整合是系統(tǒng)免疫學(xué)的核心研究內(nèi)容，包括以下3方面：①免疫系統(tǒng)各組分、各層次間整合，指系統(tǒng)內(nèi)不同性質(zhì)的構(gòu)成要素(免疫器官、免疫細(xì)胞亞群、CD抗原、mRNA、細(xì)胞因子及化學(xué)因子等)從基因到細(xì)胞、組織、個體的各個不同層次的整合。②研究思路的整合，包括橫向與縱向整合，為立體的三維性整合。③研究方法的整合，目前來講是建立系統(tǒng)研究所需要復(fù)雜的高水平團(tuán)隊，包括多個學(xué)科。這也是系統(tǒng)免疫學(xué)研究項目的開展過程中最大的障礙。干擾是系統(tǒng)免疫學(xué)研究的鑰匙，只有對系統(tǒng)模型進(jìn)行不同成分或條件的干擾，才能真正理解所建免疫模型內(nèi)部各組分之間的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控關(guān)系。

4 系統(tǒng)免疫學(xué)研究方法

系統(tǒng)免疫學(xué)的研究方法主要有以下2個方面，各種組學(xué)實驗和仿真建模。將組學(xué)研究中的生物信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字化數(shù)據(jù)，并通過計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化建模，進(jìn)一步通過推斷，提出我們的設(shè)想，將設(shè)想構(gòu)建于模型，從而達(dá)到驗證的目的。再通過周而復(fù)始的整合與干擾，完善模型，從而得出免疫系統(tǒng)真正的工作原理。

5 系統(tǒng)免疫學(xué)研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

隨著各種高通量、高帶寬的研究方法的普及應(yīng)用，以及統(tǒng)計學(xué)及信息學(xué)的進(jìn)步，生成大型數(shù)據(jù)集的能力也相應(yīng)提高，從而使建立綜合性的免疫反應(yīng)模型成為可能[2]，系統(tǒng)免疫學(xué)也得到了相應(yīng)的發(fā)展。

5.1疫苗反應(yīng)和感染性疾病領(lǐng)域的研究 疫苗在免疫系統(tǒng)中可以啟動多種免疫反應(yīng)，因此應(yīng)用系統(tǒng)免疫學(xué)方法在不同的研究群體中比較不同的疫苗反應(yīng)是卓有成效的，進(jìn)而產(chǎn)生了“免疫疫苗學(xué)”這一分支學(xué)科[3]。對疫苗效果的第一次全面系統(tǒng)的分析是黃熱病疫苗的研究，由于它非常高的免疫應(yīng)答率，被認(rèn)為是最成功的疫苗之一[4,5]。而應(yīng)用系統(tǒng)免疫學(xué)的方法進(jìn)一步對血清細(xì)胞因子、細(xì)胞表型和功能免疫學(xué)進(jìn)行檢測，以分析疫苗對相關(guān)疾病反應(yīng)的機(jī)制，在肺炎、麻疹和流感等疾病中都取得了不錯的進(jìn)展[6-10]。在研究抗瘧疾的候選疫苗RTS,S/AS01的過程中，證明了系統(tǒng)分析方法在識別和保護(hù)與免疫原性有關(guān)的分子和細(xì)胞標(biāo)志方面的實用性[11]。此外，縱向研究特別適合推斷疫苗的作用機(jī)制[12,13]。系統(tǒng)免疫學(xué)給疫苗研發(fā)領(lǐng)域帶來了新的生機(jī)，更適合針對目前應(yīng)用經(jīng)典標(biāo)準(zhǔn)方法無法形成有效免疫的病原體(例如人類免疫缺陷病毒、瘧疾、登革熱病毒或成人結(jié)核病等)進(jìn)行研究。

5.2有關(guān)衰老的研究 人類疫苗作為免疫系統(tǒng)多種成分的普遍激動劑，用于研究各種條件下的免疫學(xué)后果，如遺傳學(xué)，腫瘤形成等。大多數(shù)人隨著年齡的增長，免疫系統(tǒng)的有效性明顯下降，特別是在65～70 歲的時候。早期的研究提示隨著年齡的增長，CD28-CD8+T細(xì)胞數(shù)量急劇增加[14]，但應(yīng)用目前的方法，可以對免疫系統(tǒng)進(jìn)行更多方面的研究。TCR庫的多樣性隨年齡增加而逐漸降低，可能與胸腺退化有關(guān)[15]，隨之新的T細(xì)胞產(chǎn)生速度減慢。然而，一個人在20多歲就會發(fā)生胸腺退化，而幾十年后細(xì)胞庫枯竭才發(fā)生[16]，那么這是真正的原因嗎？有關(guān)衰老的研究已經(jīng)證明了免疫系統(tǒng)中的慢性炎癥與心血管疾病之間的緊密聯(lián)系。老年人的縱向研究顯示STAT家族的磷酸化轉(zhuǎn)錄因子普遍升高，特別是在70和80歲受試者的淋巴細(xì)胞中，表明這些淋巴細(xì)胞已經(jīng)暴露于炎性細(xì)胞因子[17]。由于淋巴細(xì)胞在整個體內(nèi)不斷循環(huán)，因此可能“報告”身體上距離較遠(yuǎn)的病癥。那些高度磷酸化STAT分子的存在通常與血液中炎性細(xì)胞因子的升高相關(guān)，并且這些受試者的細(xì)胞對體外細(xì)胞因子刺激的應(yīng)答能力降低，對細(xì)胞因子無反應(yīng)性與動脈粥樣硬化和心血管疾病的其他方面相關(guān)。另一項縱向隊列研究從超過5年的轉(zhuǎn)錄數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，某些編碼炎癥基因組的基因模塊的高表達(dá)與老年人持續(xù)高血壓和缺乏長壽家族史相關(guān)[18]。代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)受試者中存在異常的核苷酸代謝，以及兩個以前未知的與高血壓危險相關(guān)的分子模式，顯示出如何用系統(tǒng)方法來建立一個網(wǎng)絡(luò)，從而對一種常見但發(fā)病機(jī)制尚不明確的人類疾病(如高血壓)產(chǎn)生重要的認(rèn)識。

5.3腫瘤領(lǐng)域的研究 雖然腫瘤形成有多種形式，但特定的癌癥類型與免疫系統(tǒng)之間的關(guān)系是一個復(fù)雜且鮮為人知的話題。盡管免疫檢查點(diǎn)抑制劑和嵌合抗原受體(CAR)T細(xì)胞的新型免疫治療方法展示出明顯的抗腫瘤效果，但前者僅在部分患者中有效，而后者尚未對實體瘤有效。迄今為止針對腫瘤抗原的臨床免疫性疫苗的研究還未達(dá)到預(yù)期目的[19]。旨在了解檢查點(diǎn)抑制劑效果的研究(通過基因組學(xué)、系統(tǒng)免疫學(xué)與生物信息學(xué)分析聯(lián)合應(yīng)用)發(fā)現(xiàn)，該免疫療法與T細(xì)胞對突變腫瘤抗原的應(yīng)答相關(guān)，這種應(yīng)答通常被免疫檢查點(diǎn)抑制劑激活[20-22]。 此外，癌癥小鼠模型的系統(tǒng)分析已經(jīng)表明，涉及免疫系統(tǒng)的多個組成部分，并提供了沿此路線進(jìn)行人類研究的模板和基本原理[23]。近年來，單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)逐漸被廣泛應(yīng)用于腫瘤浸潤免疫細(xì)胞的研究。腫瘤浸潤免疫細(xì)胞的響應(yīng)機(jī)制一直以來是研究人員關(guān)注的重點(diǎn)，與傳統(tǒng)測序手段相比，單細(xì)胞測序在研究細(xì)胞群體內(nèi)部異質(zhì)性上具有極大優(yōu)勢。研究人員利用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)，首次在單細(xì)胞水平先后描繪出肝癌及肺癌微環(huán)境T細(xì)胞免疫圖譜[24,25]。研究者發(fā)現(xiàn)肝癌中耗竭的CD8+T細(xì)胞和Treg優(yōu)先富集，并可能在肝細(xì)胞癌中克隆擴(kuò)增；肝癌微環(huán)境中活化的CD8+T細(xì)胞和Treg上的layilin基因表達(dá)上調(diào)，并在體外抑制CD8+T細(xì)胞功能。而在肺癌浸潤C(jī)D8+T細(xì)胞群中發(fā)現(xiàn)與耗竭細(xì)胞可能存在狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系的“耗竭前”細(xì)胞，“耗竭前”細(xì)胞相對于耗竭細(xì)胞的比例與肺腺癌患者的預(yù)后相關(guān)。另外，肺癌的浸潤Treg中存在一群處于激活狀態(tài)的Treg，且該群Treg表達(dá)更高的抑制功能相關(guān)基因，提示其為腫瘤中真正發(fā)揮抑制功能的Treg細(xì)胞，激活態(tài)Treg的比例與肺腺癌患者的預(yù)后相關(guān)，可作為另一可靠的臨床標(biāo)志物。

5.4自身免疫性疾病的研究 系統(tǒng)研究在自身免疫領(lǐng)域中有巨大的潛力，而目前的研究中可以被認(rèn)為是系統(tǒng)免疫學(xué)的研究很少。有一研究顯示，向乳糜瀉患者施用麩質(zhì)刺激后6 d不僅誘導(dǎo)了麥醇溶蛋白特異性CD4+T細(xì)胞的激增，而且還誘導(dǎo)了以相似的動力學(xué)從血液中出現(xiàn)和消失的寡克隆CD8+αβT細(xì)胞和γδT細(xì)胞[26]。這表明在乳糜瀉患者中T細(xì)胞反應(yīng)的復(fù)雜性尚未被認(rèn)識到，這也可能是一致病因素。因為大多數(shù)自身免疫性疾病是有性別差異的，所以男性和女性的免疫細(xì)胞的活性是不同的。由于系統(tǒng)免疫學(xué)在該領(lǐng)域的應(yīng)用剛剛開始，初步數(shù)據(jù)應(yīng)包括健康年輕成人中自身免疫性疾病的性別差異，外周血中含中性粒細(xì)胞的細(xì)胞亞群及其成熟狀態(tài)和系統(tǒng)性紅斑狼瘡患者血清學(xué)反等應(yīng)[27]。關(guān)于系統(tǒng)性紅斑狼瘡的研究表明，系統(tǒng)方法應(yīng)用于此類患者能夠準(zhǔn)確識別疾病活動的分子網(wǎng)絡(luò)[28]。

5.5遺傳學(xué)領(lǐng)域的研究 由于強(qiáng)大的遺傳分析方法的普遍使用，可以開展許多針對各種免疫性疾病的大型研究，尤其是自身免疫疾病的基因或遺傳多態(tài)性。有研究對單卵雙胞胎和雙卵雙胞胎進(jìn)行分析，結(jié)果表明，對于200多種免疫學(xué)性狀(包括對抗流感病毒疫苗的應(yīng)答)在大多數(shù)情況下并非是遺傳影響為主，同時發(fā)現(xiàn)巨細(xì)胞病毒對其中的大部分有質(zhì)的影響[29]。此研究說明免疫系統(tǒng)是具有高度適應(yīng)性的系統(tǒng)，不僅體現(xiàn)在產(chǎn)生特定的T淋巴細(xì)胞或B淋巴細(xì)胞，而且在其整體構(gòu)成中也體現(xiàn)出這種適應(yīng)性。由于免疫系統(tǒng)利用了數(shù)百甚至數(shù)千個基因，意味著大多數(shù)人會有一些無功能或功能不佳的基因。這種情況通過雜合常常得以改善，但如果在系統(tǒng)中不斷出現(xiàn)冗余，仍是有害的。因此可以解釋有的研究發(fā)現(xiàn)，雖然有遺傳負(fù)荷，對不太嚴(yán)重的疾病易感性并不罕見，但對嚴(yán)重傳染病的易感性是非常罕見的[30,31]。

5.6有關(guān)BCR和TCR庫的分析研究 對系統(tǒng)免疫學(xué)而言，建立T淋巴細(xì)胞和B淋巴細(xì)胞的應(yīng)答庫(Repertoire)是研究免疫應(yīng)答的一個重要方面。隨著DNA測序技術(shù)的迅速發(fā)展、檢測B細(xì)胞、T細(xì)胞應(yīng)答多樣性軟件的開發(fā)應(yīng)用，使得這一切成為可能。在抗體反應(yīng)的研究中，首先使用高通量測序來分析B細(xì)胞應(yīng)答[32,33]，數(shù)百萬B細(xì)胞的單細(xì)胞測序工作的開展進(jìn)一步推動了這項工作[34]。研究者也注意到，常見的免疫球蛋白序列模式與特定的特異性相關(guān)，這表明可能僅從序列就可推斷出特異性和潛在的效應(yīng)[35]。對特定病原反應(yīng)的BCR和TCR數(shù)據(jù)庫似乎將成為解釋適應(yīng)性免疫反應(yīng)的越來越寶貴的資源。BCR或TCR反應(yīng)的多樣性以及在免疫防護(hù)中的作用在疫苗研發(fā)中變得非常重要。是否存在對免疫防護(hù)至關(guān)重要的特異性BCR或TCR？在T細(xì)胞反應(yīng)中，非特異的免疫反應(yīng)重要還是特異性免疫反應(yīng)重要？仍然是未知的。因此，希望這些方法不僅能啟發(fā)人們理解宿主內(nèi)免疫反應(yīng)的進(jìn)化，而且還能在分子水平理解免疫防護(hù)的特點(diǎn)。

6 總結(jié)

目前，一般的醫(yī)療實踐和診斷并沒有利用太多的免疫學(xué)，也不了解過去幾十年來免疫學(xué)的進(jìn)步。盡管系統(tǒng)免疫學(xué)已經(jīng)取得了一個良好的開端，但還有更多的工作要做，在定義相關(guān)機(jī)制和因果關(guān)系方面還存在諸多問題。許多疾病都涉及炎癥反應(yīng)，但是還沒有運(yùn)用系統(tǒng)方法進(jìn)行探索，很多細(xì)節(jié)還沒有被發(fā)現(xiàn)。此外，與先天性免疫應(yīng)答相比，對感染的適應(yīng)性免疫反應(yīng)的生物學(xué)意義的理解則更加困難。目前在免疫學(xué)領(lǐng)域的研究很大程度上依賴于近交系小鼠模型，但近交系小鼠不能模仿人類的免疫途徑。在這種情況下，人源化的小鼠是一種選擇，但仍在探索中。應(yīng)該更廣泛地開發(fā)體外的細(xì)胞和器官系統(tǒng)，使其具有人體內(nèi)的功能，才能成功地研究其中的機(jī)制?？傊到y(tǒng)免疫學(xué)在探索人類健康和疾病的進(jìn)程中打開許多方便之門，這是它對醫(yī)學(xué)最重要的意義。