論先天性免疫記憶的研究進(jìn)展

李佳鈺 于凱江

免疫反應(yīng)通常被分為先天性免疫反應(yīng)和適應(yīng)性免疫反應(yīng)，先天性免疫反應(yīng)在遇到病原體時(shí)迅速但非特異性地發(fā)生反應(yīng)，適應(yīng)性免疫反應(yīng)發(fā)生較慢卻具有高度特異性，并能夠建立免疫記憶。然而，最近有研究顯示，一些缺乏適應(yīng)性免疫系統(tǒng)的生物(如植物和無脊椎動(dòng)物)也能對(duì)感染做出適應(yīng)性應(yīng)答，也就是說先天免疫同樣存在記憶。此外，某些哺乳動(dòng)物實(shí)驗(yàn)顯示，T和B淋巴細(xì)胞不是預(yù)防再感染的唯一因素。因此，先天性免疫在經(jīng)過病原體或其產(chǎn)物攻擊后可顯示出適應(yīng)性的特征[1]。

一、先天性免疫記憶的發(fā)現(xiàn)

早在20世紀(jì)Bistoni等[2]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)白色念珠菌菌株的毒力減弱時(shí)，不僅可以保護(hù)小鼠免受惡性白色念珠菌的侵害，而且可以保護(hù)小鼠不受細(xì)菌的侵害。這種保護(hù)作用與T淋巴細(xì)胞無關(guān)，但依賴于巨噬細(xì)胞和促炎細(xì)胞因子。隨后另有研究結(jié)果顯示，BCG不僅可以預(yù)防播散性念珠菌病，也可以預(yù)防實(shí)驗(yàn)性小鼠模型中的其他感染。BCG的這些非特異性作用不是由特定的淋巴細(xì)胞介導(dǎo)的，而是可能通過先天免疫中的非特異性適應(yīng)[3]。這種獨(dú)特的免疫記憶特性被稱為訓(xùn)練后免疫或先天性免疫記憶。

二、先天性免疫記憶在不同細(xì)胞內(nèi)的研究進(jìn)展

先天性免疫記憶與先天性免疫的啟動(dòng)不同。先天性免疫的啟動(dòng)在感染解決后迅速下降。先天性免疫記憶是在某些感染期間或在刺激先天性免疫細(xì)胞的其他情況下存在的普遍現(xiàn)象，它可以增強(qiáng)對(duì)二次感染的抵抗作用，先天免疫系統(tǒng)的適應(yīng)性特征，不依靠經(jīng)典T細(xì)胞、B細(xì)胞適應(yīng)性免疫方式，而是通過訓(xùn)練先天性免疫細(xì)胞從而抵抗感染，巨噬細(xì)胞、NK細(xì)胞和單核細(xì)胞是訓(xùn)練后免疫的主要介質(zhì)。

一項(xiàng)關(guān)于卡介苗(Bacillus Calmette-Guérin，BCG)的小鼠實(shí)驗(yàn)顯示，BCG可通過誘導(dǎo)T細(xì)胞非依賴性保護(hù)作用，抵抗白色念珠菌及曼氏血吸蟲在小鼠的繼發(fā)感染，因此，脊椎動(dòng)物也可以有先天性免疫記憶特性。同時(shí)，在小鼠中注射減毒PCA-2株白色念珠菌菌株時(shí)，會(huì)誘導(dǎo)小鼠預(yù)防強(qiáng)毒株CA-6感染的保護(hù)作用[4]。這種保護(hù)作用也在無胸腺小鼠和重組活化基因(recombination activating gene，RAG)1缺陷型動(dòng)物(即那些不能重新排列其抗原受體的動(dòng)物)中被誘導(dǎo)出來，進(jìn)一步證明該機(jī)制與淋巴細(xì)胞無關(guān)，而是取決于巨噬細(xì)胞和促炎細(xì)胞因子，而這兩者都是先天性免疫系統(tǒng)成分[5]。除了BCG和白色念珠菌外，一些病毒和寄生生物也可以通過不同于適應(yīng)性免疫的機(jī)制發(fā)揮保護(hù)作用。皰疹病毒潛伏期，通過增加產(chǎn)生細(xì)胞因子干擾素(IFN)-g和激活全身巨噬細(xì)胞，可有效抵抗李斯特菌和鼠疫耶爾森菌的感染[6]。同樣，感染巴西鉤蟲蠕蟲會(huì)誘導(dǎo)一種長期的巨噬細(xì)胞表型，一方面殺死寄生蟲，另一方面誘導(dǎo)非依賴T和B淋巴細(xì)胞的保護(hù)作用抵抗再感染[7]。

NK細(xì)胞也被證實(shí)具有先天性免疫的記憶特性。這一成果也首先在小鼠實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)，該研究顯示半抗原誘導(dǎo)的接觸性超敏反應(yīng)依賴于至少持續(xù)4周的NK細(xì)胞。巨細(xì)胞病毒(mCMV)感染后能誘導(dǎo)小鼠產(chǎn)生不依賴T細(xì)胞和B細(xì)胞的免疫記憶。這些保護(hù)作用都是由NK細(xì)胞介導(dǎo)，NK細(xì)胞在淋巴和非淋巴器官中增殖并持續(xù)存在。再感染后，這些記憶NK細(xì)胞進(jìn)行二次擴(kuò)增，迅速脫粒并釋放細(xì)胞因子，從而產(chǎn)生保護(hù)性免疫應(yīng)答。同時(shí)，感染期間NK細(xì)胞在骨髓中誘導(dǎo)單核細(xì)胞，也是導(dǎo)致先天免疫反應(yīng)長期作用的原因[8]。事實(shí)上，除了巨噬細(xì)胞、NK細(xì)胞和單核細(xì)胞外，先天性免疫記憶也存在于其他類型細(xì)胞中，例如固有免疫細(xì)胞或多形核白細(xì)胞。

三、先天性免疫記憶在動(dòng)物、植物體內(nèi)的研究進(jìn)展

大量免疫學(xué)研究顯示，在動(dòng)、植物體內(nèi)均存在先天性免疫記憶。植物先天性免疫系統(tǒng)能對(duì)之前的感染建立記憶，且這種記憶特性能夠使其在再感染過程中做出更有效的反應(yīng)，這種現(xiàn)象被稱為系統(tǒng)獲得性抵抗(systemic acquired resistance，SAR)。無脊椎動(dòng)物的先天免疫系統(tǒng)同樣有記憶特征，例如,蚊子通過先天性免疫記憶特性抵抗瘧原蟲，歐洲熊蜂可對(duì)3種不同病原體產(chǎn)生先天性免疫記憶，絳蟲在橈足類甲殼動(dòng)物中也可誘導(dǎo)先天性免疫記憶[9]。

事實(shí)上，相似的結(jié)論也同樣適用于脊椎動(dòng)物中。在小鼠的實(shí)驗(yàn)中，用模式識(shí)別受體(pattern recognition receptor, PRR)的微生物配體刺激(或訓(xùn)練)小鼠可防止隨后發(fā)生致死性感染。例如，由β-葡聚糖(真菌細(xì)胞壁主要的多糖成分)免疫訓(xùn)練后，小鼠可抵抗金黃色葡萄球菌感染[10]。胞壁酰二肽的肽聚糖成分誘導(dǎo)后，有助于抵抗弓形蟲。提前3天用Toll樣受體(toll like receptor, TLR)9激動(dòng)劑進(jìn)行預(yù)防性治療，可防止小鼠由大腸桿菌引起的膿毒癥和腦膜炎[11]。此外，鞭毛蛋白可誘導(dǎo)抵抗輪狀病毒的保護(hù)作用，但這個(gè)過程與適應(yīng)性免疫無關(guān)，由樹突狀細(xì)胞衍生的白細(xì)胞介素(interleukin，IL)-18誘導(dǎo)，從而驅(qū)動(dòng)上皮細(xì)胞產(chǎn)生IL-22[12]。除了微生物配體之外，也有證據(jù)表明某些促炎性細(xì)胞因子可以誘導(dǎo)訓(xùn)練后免疫，提前3天注射重組IL-1，可保護(hù)小鼠免于銅綠假單胞菌感染所致死亡。

除了在小鼠中誘導(dǎo)先天性免疫記憶的實(shí)驗(yàn)研究外，也有數(shù)據(jù)顯示先天性免疫記憶也可以在人體中產(chǎn)生。首先，大量的流行病學(xué)研究顯示BCG、麻疹疫苗和口服脊髓灰質(zhì)炎疫苗等活疫苗對(duì)抵抗目標(biāo)疾病以外的其他感染也有非特異性的對(duì)抗作用[13]。也就是說，這些疫苗可誘導(dǎo)訓(xùn)練免疫，防止非目標(biāo)病原體感染。這個(gè)假設(shè)首先在健康成人志愿者中用BCG進(jìn)行疫苗試驗(yàn)并得到驗(yàn)證，隨后在新生兒相關(guān)臨床試驗(yàn)中也得到驗(yàn)證[14，15]。其次，某些感染如瘧疾也可以誘導(dǎo)一種高反應(yīng)性狀態(tài)，其功能等同于訓(xùn)練后免疫功能。最后，BCG在治療膀胱癌、黑色素瘤、白血病和淋巴瘤等惡性腫瘤過程中，通過先天性免疫提供非特異性保護(hù)作用。盡管直接炎癥效應(yīng)可能最重要，但長期持續(xù)的先天免疫記憶也可參與作用。另外，有研究顯示，BCG的抗癌作用直接取決于訓(xùn)練后免疫的能力，由于自噬缺陷無法誘導(dǎo)先天性免疫記憶的個(gè)體在BCG治療膀胱癌后，無復(fù)發(fā)生存率降低[16]?？傊?，這些互補(bǔ)的鼠類和人類研究表明，先天性免疫反應(yīng)具有被激發(fā)和被訓(xùn)練的能力，從而在再感染時(shí)發(fā)揮新型的免疫記憶，即先天性免疫記憶。

四、先天性免疫記憶介導(dǎo)機(jī)制的研究進(jìn)展

與淋巴細(xì)胞不同，先天性免疫細(xì)胞不表達(dá)重新排列的抗原受體基因，但它們卻表達(dá)PRRs和其他受體，使其能夠?qū)Σ≡w來源的結(jié)構(gòu)，即病原體相關(guān)分子模式(pathogen-associated molecular patterns，PAMP),以及內(nèi)源性危險(xiǎn)信號(hào)即損傷相關(guān)分子模式(damage associated molecular patterns,DAMPs)識(shí)別并響應(yīng)[17]。有證據(jù)表明PRR家族的不同成員(例如，TLR、NOD樣受體、C型凝集素受體或組合)在巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞上觸發(fā)不同的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，導(dǎo)致先天性免疫反應(yīng)，適應(yīng)特定類型的病原體[18]。

在涉及先天性免疫記憶的各種細(xì)胞類型中，主要集中在巨噬細(xì)胞、NK細(xì)胞和單核細(xì)胞。但這并不意味著這些細(xì)胞一定比其他先天性免疫細(xì)胞更適合于訓(xùn)練記憶，可能僅僅反映了這些細(xì)胞與脂多糖(LPS，革蘭陰性細(xì)菌細(xì)胞壁的組分)誘導(dǎo)的耐受性之間的聯(lián)系。一些最早在分子水平上LPS誘導(dǎo)的耐受性的研究表明，巨噬細(xì)胞基因特異性染色質(zhì)修飾與編碼炎性分子的基因沉默相關(guān)，同時(shí)引發(fā)編碼抗微生物分子的其他基因[19]。這些發(fā)現(xiàn)提示巨噬細(xì)胞可能被LPS激發(fā)，對(duì)隨后的激活信號(hào)或多或少起反應(yīng)。另有研究進(jìn)一步擴(kuò)展了這一觀察結(jié)果，單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞被白色念珠菌或β-葡聚糖刺激后增強(qiáng)了它們對(duì)隨后非目的性病原體或PAMP刺激的反應(yīng)。即訓(xùn)練后免疫的過程，伴隨著染色質(zhì)標(biāo)記的顯著重新編程[20]。除了細(xì)菌和真菌病原體之外，單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞也可以在感染寄生蟲和病毒感染后訓(xùn)練免疫應(yīng)答。

單核細(xì)胞參與訓(xùn)練免疫時(shí)，要考慮細(xì)胞的壽命。研究結(jié)果顯示，接種BCG 3個(gè)月后，在個(gè)體循環(huán)中可鑒定出受過訓(xùn)練的單核細(xì)胞。單核細(xì)胞是半衰期很短的細(xì)胞，重編程必須在骨髓中的祖細(xì)胞水平上進(jìn)行，而先天性免疫記憶可以通過造血干細(xì)胞和祖細(xì)胞轉(zhuǎn)移。源自造血干細(xì)胞和祖細(xì)胞的巨噬細(xì)胞通過接觸TLR2配體而耐受，轉(zhuǎn)移到經(jīng)過紫外線輻射的小鼠體內(nèi)后，可保留耐受性表型，影響炎性刺激并產(chǎn)生較少的炎性細(xì)胞因子和活性氧物質(zhì)[21]。同時(shí)，小鼠皮膚經(jīng)過紫外線輻射后會(huì)誘發(fā)免疫抑制，這種免疫抑制最初被歸因于樹突細(xì)胞引發(fā)的缺陷T細(xì)胞。但隨后顯示其涉及表觀遺傳重編程和對(duì)骨髓中樹突狀細(xì)胞祖細(xì)胞的長效作用，這種長效作用可改變其分化后代的功能[22]。此外，微生物群可以誘導(dǎo)骨髓祖細(xì)胞的長期功能重編程，并隨后誘導(dǎo)樹突細(xì)胞以防止感染溶組織內(nèi)阿米巴[23]。

BCG等疫苗是否能自動(dòng)訓(xùn)練免疫，并在祖細(xì)胞水平上產(chǎn)生或誘導(dǎo)類似的效應(yīng)尚待確定。新的證據(jù)顯示NK細(xì)胞在之前的刺激之后，也能更有力地做出反應(yīng)。在接觸細(xì)胞因子，例如IL-12、IL-15和IL-18或半抗原致敏作用之后，NK細(xì)胞產(chǎn)生記憶，其誘導(dǎo)長壽命NK細(xì)胞介導(dǎo)接觸超敏反應(yīng)和長壽命抗原-特異性回憶反應(yīng)。此外，NK細(xì)胞在病毒感染過程中發(fā)生擴(kuò)增，如mCMV、A型流感或痘苗病毒等。CMV感染的研究表明，NK細(xì)胞活化可以通過快速脫粒和產(chǎn)生細(xì)胞因子來提供T細(xì)胞非依賴性的再感染保護(hù)[24]。同時(shí)，過繼轉(zhuǎn)移實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明活化的NK細(xì)胞可以在體內(nèi)增殖并保護(hù)幼稚受體小鼠免受病毒感染，這表明它們可以賦予保護(hù)性免疫記憶。BCG感染的非特異性保護(hù)作用也與NK細(xì)胞的激活有關(guān)。接種BCG的個(gè)體的NK細(xì)胞對(duì)分枝桿菌和其他無關(guān)病原體響應(yīng)，并促進(jìn)促炎細(xì)胞因子產(chǎn)生，小鼠研究表明，BCG有針對(duì)白色念珠菌的非特異性保護(hù)，至少部分通過NK細(xì)胞[25]。

五、展 望

先天免疫的記憶特性是哺乳動(dòng)物免疫應(yīng)答中宿主防御的基本特性之一。盡管由T和B淋巴細(xì)胞介導(dǎo)的經(jīng)典免疫記憶是特異性和抗原依賴性的，其中抗原特異性是通過在特定淋巴細(xì)胞中通過擴(kuò)增和收縮進(jìn)行基因重組，但先天免疫記憶是非特異性的并且通過表觀遺傳重編程髓樣細(xì)胞或NK細(xì)胞等產(chǎn)生。經(jīng)典免疫記憶與訓(xùn)練后免疫之間的一個(gè)重要區(qū)別還涉及效應(yīng)的持續(xù)性，訓(xùn)練后免疫中的記憶比經(jīng)典適應(yīng)性免疫記憶持續(xù)時(shí)間短。目前先天性免疫記憶的研究已經(jīng)有了突破性的進(jìn)展，但在創(chuàng)新治療方法方面仍有以下幾個(gè)方面需要解決：①設(shè)計(jì)結(jié)合自適應(yīng)和先天免疫記憶的新一代疫苗；②使用先天免疫記憶誘導(dǎo)劑治療免疫性麻痹；③降低先天免疫記憶在自體炎性疾病中潛在有害后果。只有當(dāng)這些研究都完成后，訓(xùn)練后先天性免疫才能發(fā)揮其全部治療潛力。