胡曉光 陳燦燦 張亞男 馬俊揚 陳偉
結(jié)核分枝桿菌(MTB)通過多種機制逃避和破壞宿主的細(xì)胞免疫反應(yīng),使其能在宿主體內(nèi)持續(xù)建立感染。但是,目前尚不完全清楚機體對MTB復(fù)雜的細(xì)胞免疫過程。人類免疫缺陷病毒(HIV)感染是結(jié)核病進展的最大風(fēng)險因素之一[1],并發(fā)HIV感染使?jié)摲Y(jié)核感染(LTBI)進展成為活動性結(jié)核病(ATB)的風(fēng)險從5%~10%的終生風(fēng)險提高到10%的年風(fēng)險。
卡介苗(BCG)在預(yù)防兒童和成年人肺結(jié)核方面效果不穩(wěn)定[2],且免疫學(xué)機制尚不完全清楚。此外,長期以來關(guān)于理想結(jié)核病疫苗的觀點認(rèn)為,結(jié)核病疫苗的免疫反應(yīng)本質(zhì)應(yīng)該是刺激機體產(chǎn)生抗原特異性CD4+T淋巴細(xì)胞分泌γ干擾素(IFN-γ)[3]。隨著近年來對宿主感染MTB后產(chǎn)生免疫反應(yīng)的了解不斷加深,利用MTB感染免疫學(xué)的知識改進結(jié)核病治療方法和疫苗的機會也在增加。提高對MTB與宿主免疫細(xì)胞之間復(fù)雜的相互作用的認(rèn)識,對于開發(fā)有效的結(jié)核病疫苗至關(guān)重要。
巨噬細(xì)胞是感染過程中最先遇到MTB的免疫細(xì)胞,也是結(jié)核病的主要宿主細(xì)胞。巨噬細(xì)胞識別MTB后將其吞噬并將細(xì)菌隔離在吞噬體中,吞噬體通常通過與溶酶體融合后酸化來消滅病原體。然而,MTB能夠通過多種機制抑制吞噬體成熟和吞噬溶酶體生成,從而在吞噬體中存活和增殖[4]。
MTB糖脂可以阻止磷脂酰肌醇3-磷酸(PI3P)在吞噬體膜上的累積,并阻止吞噬溶酶體的形成[5]。MTB還可以分泌磷酸酶(SapM和PtpA)和絲氨酸/蘇氨酸激酶(PknG)干擾吞噬體成熟[6]。MTB的ESX-1分泌系統(tǒng)也可以破壞宿主細(xì)胞吞噬體的完整性,從而阻止吞噬體成熟[7],ESX-1介導(dǎo)的噬菌體逃逸被認(rèn)為是通過結(jié)核分枝桿菌早期分泌抗原靶蛋白6(ESAT-6)破壞噬菌體而發(fā)揮逃逸作用[8-9]。MTB的ESX-3分泌系統(tǒng)還可以通過抑制轉(zhuǎn)運所需的宿主內(nèi)吞體分選復(fù)合物,參與調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)細(xì)菌的轉(zhuǎn)運,以抑制吞噬體成熟[10]。以上研究表明,ESX分泌系統(tǒng)在細(xì)菌逃避吞噬體方面可能能夠發(fā)揮作用。除了ESX系統(tǒng),MTB還能表達(dá)參與蛋白分泌的2個SecA atp酶同源蛋白SecA1和SecA2[11],MTB和BCG的ΔsecA2突變體都能縮短宿主細(xì)胞吞噬體的酸化時間,表明SecA2是抑制吞噬體成熟的必要條件[12]。
MTB通過不同的受體進入巨噬細(xì)胞,可導(dǎo)致抑制或促進細(xì)菌增殖的不同途徑被激活。例如,補體受體3(CR3)對MTB的吸收依賴于宿主膽固醇,而膽固醇通過激活宿主鈣調(diào)蛋白[13],介導(dǎo)與吞噬體和冠蛋白-1的結(jié)合及一氧化氮合酶2(NOS2)信號基因轉(zhuǎn)錄,產(chǎn)生一氧化氮(NO)[14]。宿主體內(nèi)NO的水平與機體抗結(jié)核作用密切相關(guān),在小鼠模型中NO抗結(jié)核作用的證據(jù)更充分。在小鼠中,活性氮中間體(RNI)在體外對分枝桿菌具有毒性[15],抑制一氧化氮合酶(NOS)會導(dǎo)致感染加重。雖然在人類肺泡巨噬細(xì)胞和原代單核細(xì)胞的體外研究中沒有發(fā)現(xiàn)NO的抗分枝桿菌作用[16],但與健康對照人群相比,結(jié)核感染者體內(nèi)NOS2表達(dá)明顯上調(diào)[17]。
NK細(xì)胞是具有分泌IFN-γ和溶細(xì)胞功能的先天淋巴細(xì)胞。MTB細(xì)胞壁的各種成分可直接與NK細(xì)胞上的NKp44受體結(jié)合[18]。NK細(xì)胞本身不表達(dá)特異性抗原識別受體,但可通過識別MTB感染的細(xì)胞表面表達(dá)上調(diào)的受體分子(如MHC Ⅰ類分子),從而直接殺傷感染的靶細(xì)胞[19]。NK細(xì)胞可直接殺死已感染MTB的巨噬細(xì)胞[20],但還可以通過分泌白細(xì)胞介素(IL)-22和IFN-γ限制細(xì)胞內(nèi)細(xì)菌的增殖[21]。此外,NK細(xì)胞可以通過提高CD8+T淋巴細(xì)胞產(chǎn)生IFN-γ的水平[22],促進γδT細(xì)胞的增殖[23],間接增強對MTB的免疫力。接種BCG后,機體IL-21依賴的NK細(xì)胞亞群在MTB感染后出現(xiàn)上調(diào)的現(xiàn)象[24],表明NK細(xì)胞可能也具有記憶細(xì)胞的一些顯著特征。
中性粒細(xì)胞的聚集和活動可以幫助抑制細(xì)菌增殖,但是持續(xù)的中性粒細(xì)胞炎癥又可以破壞炎性反應(yīng)的平衡,從而促使疾病進展。在小鼠模型和人類樣本中,過量的Ⅰ型干擾素信號已被證明會促進疾病的發(fā)生。Ⅰ型干擾素在MTB感染的致病作用包括抑制IL-1β[25]、IFN-γ對巨噬細(xì)胞的激活作用。
TNF-α是在抗結(jié)核免疫過程中至關(guān)重要的促炎細(xì)胞因子。機體TNF-α水平較低會表現(xiàn)出高度的結(jié)核易感性[26]。并發(fā)炎性疾病的LTBI人群在接受抗TNF-α治療炎性疾病后,LTBI向ATB進展的速度加快[27],體現(xiàn)了TNF-α在抗結(jié)核過程中的關(guān)鍵免疫作用。小鼠感染MTB的組織病理學(xué)證據(jù)表明,TNF-α信號缺失對調(diào)節(jié)感染后細(xì)胞凋亡或壞死作用產(chǎn)生了影響[28]。
炎癥的調(diào)控是決定結(jié)核感染結(jié)局的關(guān)鍵因素。過度的炎癥會損傷細(xì)胞免疫過程,導(dǎo)致肺組織病理損傷。相反,炎癥反應(yīng)不足會導(dǎo)致先天和適應(yīng)性免疫誘導(dǎo)延遲,從而損害對細(xì)菌的免疫控制力。
CD4+T淋巴細(xì)胞的水平是決定MTB感染后結(jié)局的一個關(guān)鍵因素。但是與其他病原體相比,MTB感染特異性CD4+T淋巴細(xì)胞反應(yīng)通常在感染后2~3周才能被檢測到[29],這種適應(yīng)性免疫的啟動延遲可能是由多種因素引起的,包括細(xì)菌生長緩慢,感染的巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞的凋亡受到抑制,以及巨噬細(xì)胞的激活和遷移延遲,這些因素同時也會導(dǎo)致MTB在肺部建立持續(xù)感染。
CD4+T淋巴細(xì)胞與感染的巨噬細(xì)胞相互作用,抑制細(xì)胞內(nèi)MTB復(fù)制。CD4+T淋巴細(xì)胞反應(yīng)的有效性取決于抗原特異性CD4+T淋巴細(xì)胞從淋巴組織轉(zhuǎn)移到感染肺組織中的水平。
有研究證明,感染期間肺血管系統(tǒng)的細(xì)胞分泌的IFN-γ量最高[30]。還有研究表明,IFN-γ可以控制肺臟蔓延至脾臟的細(xì)菌負(fù)擔(dān),同時IFN-γ的過表達(dá)又會加重免疫病理損傷[31],提示IFN-γ有抑制細(xì)菌向肺外傳播的作用,但I(xiàn)FN-γ過表達(dá)也會對機體產(chǎn)生損傷。李美忠等[32]研究表明,CD4+T淋巴細(xì)胞的一個亞群——多功能輔助性T細(xì)胞(Th1),其分泌的IFN-γ、IL-2等細(xì)胞因子在控制慢性感染中能夠發(fā)揮重要作用,Th1亦可作為評價疫苗接種效果的參考指標(biāo)。
綜上所述,抗原特異性CD4+T淋巴細(xì)胞在對MTB的保護性免疫中發(fā)揮重要作用。
CD8+T淋巴細(xì)胞在抵抗MTB感染的免疫中同樣發(fā)揮著重要作用。與對照組相比,缺乏抗原加工轉(zhuǎn)運相關(guān)蛋白(TAP-1)的小鼠在感染MTB后,因小鼠CD8+T淋巴細(xì)胞反應(yīng)缺陷而迅速死亡[33]。動物實驗表明,CD8+T淋巴細(xì)胞的耗竭會減弱BCG疫苗或化學(xué)干預(yù)措施的保護性免疫效果[34],這表明CD8+T淋巴細(xì)胞是MTB感染免疫反應(yīng)的重要組成部分。同樣,在化學(xué)藥品治療結(jié)核潛伏感染的小鼠模型中,CD8+T淋巴細(xì)胞可以抑制MTB的再激活[35]。CD8+T淋巴細(xì)胞在抗MTB感染過程中的作用與其分泌可抑制細(xì)菌增殖的細(xì)胞因子和細(xì)胞溶解效應(yīng)分子有關(guān)。除了IFN-γ和TNF-α外,CD8+T淋巴細(xì)胞還可分泌穿孔素來裂解已感染MTB的巨噬細(xì)胞[36]。CD8+T淋巴細(xì)胞也可以釋放顆粒溶菌素,直接殺死細(xì)胞內(nèi)的MTB[37]。類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎患者使用抗TNF-α療法會消耗部分CD8+T淋巴細(xì)胞,這種現(xiàn)象部分解釋了為什么接受抗TNF-α治療的LTBI進展到ATB的風(fēng)險會增加。另外,MTB的抗原——培養(yǎng)濾液蛋白10(CFP-10)[38]、ESAT-6[39]和Ag85復(fù)合體[40]能與人CD8+T淋巴細(xì)胞受體結(jié)合,激活免疫反應(yīng),但是結(jié)合位點集中于有限的一些抗原表位,通常受人類白細(xì)胞抗原(human leukocyte antigen,HLA)-B等位基因限制[41]。感染MTB的巨噬細(xì)胞凋亡可以促進MTB抗原向CD8+T淋巴細(xì)胞交叉呈遞。然而MTB可以抑制宿主細(xì)胞凋亡,以逃避CD8+T淋巴細(xì)胞誘導(dǎo)的有效應(yīng)答。
綜上所述,CD8+T淋巴細(xì)胞是MTB感染適應(yīng)性免疫的關(guān)鍵組成部分,并通過抑制潛伏期感染的再激活,以及在活動期間直接參與抗菌過程發(fā)揮重要作用。
在LTBI和治愈的結(jié)核病患者中可以檢測到抗原特異性記憶T細(xì)胞反應(yīng)。記憶T細(xì)胞亞群可以通過其細(xì)胞表面表型和功能特性進行識別,而抗原特異性記憶T細(xì)胞的不同群體可以根據(jù)其一系列細(xì)胞表面激活標(biāo)志物和趨化因子受體的表達(dá)進行分類[42]。LTBI中MTB特異性記憶CD4+T淋巴細(xì)胞大部分是CD45RA-CCR7-表型的T效應(yīng)記憶細(xì)胞[43]。LTBI個體進行MHC Ⅱ類四聚體觀察分析顯示,與健康對照組相比,LTBI的CD45RA-CCR7+中央記憶CD4 細(xì)胞表面趨化因子受體CXCR3、CCR6表達(dá)量增加[44],顯示出CXCR3、 CCR6 受體在MTB感染時的特異性。
記憶CD4+T 淋巴細(xì)胞表型可能會根據(jù)抗原特異性、疾病狀態(tài)及識別特異性反應(yīng)的方式而有所不同。在LTBI個體中,人類記憶CD8+T淋巴細(xì)胞主要是末端分化的效應(yīng)記憶T細(xì)胞[45]。免疫記憶的小鼠T細(xì)胞在MTB感染后早期迅速增殖并分泌IFN-γ,雖然表現(xiàn)出明顯的保護效應(yīng)但是保護周期較短[46],表明原發(fā)性MTB感染后產(chǎn)生的記憶T細(xì)胞保護其免受再次感染的能力有限。
有研究表明,體液免疫在抵抗MTB感染中起著重要作用[47]。在人肉芽腫的淋巴細(xì)胞中可以發(fā)現(xiàn)B細(xì)胞與T細(xì)胞并存[48],全血基因表達(dá)分析顯示,結(jié)核病患者在抗結(jié)核治療后,B細(xì)胞相關(guān)基因發(fā)生了明顯變化[49]。人體外和小鼠感染模型試驗也顯示抗體能提供一定的保護作用[50]。利用高通量方法鑒定MTB蛋白質(zhì)組中的抗體靶標(biāo)揭示了活動性肺結(jié)核患者血漿中存在抗體識別的細(xì)胞外抗原[51],表明B細(xì)胞積極參與了MTB感染后的免疫。MTB感染后,B細(xì)胞缺陷小鼠的嗜中性粒細(xì)胞聚集量增加并加重了肺部病理損傷[52],這是由于B細(xì)胞缺陷或B細(xì)胞耗竭的小鼠IL-17反應(yīng)增強介導(dǎo)的[53]。這些研究表明,B細(xì)胞可通過調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)來影響MTB感染的結(jié)局??贵w與B細(xì)胞表面抑制性受體FcγRⅡ-B的結(jié)合會減弱巨噬細(xì)胞產(chǎn)生IL-12并抑制Th1細(xì)胞的作用[54],而將針對MTB細(xì)胞壁成分的單克隆抗體轉(zhuǎn)移至小鼠體內(nèi)可以改善小鼠感染的結(jié)局[47]。
綜上所述,B細(xì)胞通過調(diào)節(jié)抗體和細(xì)胞因子的分泌來調(diào)節(jié)炎癥,從而在MTB感染的適應(yīng)性免疫應(yīng)答中發(fā)揮作用。
γδT細(xì)胞是T細(xì)胞的一種亞群,可識別非肽抗原,如微生物代謝產(chǎn)物和磷抗原[55],存在于包括肺在內(nèi)的黏膜表面[56]。MTB感染單核細(xì)胞后可以激活γδT細(xì)胞的增殖[57]。人的γδT細(xì)胞可識別多種MTB代謝產(chǎn)物,包括焦磷酸鹽、異戊二烯基焦磷酸鹽衍生物和含三磷酸胸苷的化合物[58]。γδT細(xì)胞也可以對分枝桿菌熱休克蛋白產(chǎn)生反應(yīng)[59],接種BCG也可引起類似反應(yīng)[60]。表達(dá)Vγ9Vδ2受體的γδT細(xì)胞占外周血中MTB反應(yīng)性T細(xì)胞的很大比例[61],并且可以限制巨噬細(xì)胞中細(xì)胞內(nèi)MTB的增殖[62]。此外,人Vγ2Vδ2 T細(xì)胞可識別MTB[63],在非人靈長類動物中,Vγ2Vδ2 T細(xì)胞可被磷抗原和IL-2刺激而增殖[64]。有研究表明,γδT細(xì)胞可通過分泌顆粒溶素和穿孔素或通過單核細(xì)胞誘導(dǎo)TNF-α介導(dǎo)直接殺死MTB[65-66]。
MTB的傳播受到多種因素的影響,包括與ATB患者的接觸程度和接觸時間,以及感染者自身的免疫力[67]。大多數(shù)人在接觸MTB后轉(zhuǎn)變?yōu)長TBI者,其中有5%~10%的LTBI者會發(fā)展為ATB。MTB感染的臨床診斷與治療常伴隨多種感染而導(dǎo)致復(fù)雜化。
HIV感染機體后,CD4+T淋巴細(xì)胞衰竭和功能障礙導(dǎo)致機體對MTB的免疫受到抑制。多項研究表明,結(jié)核病患者特異性T淋巴細(xì)胞的耗竭可能是CD4+T淋巴細(xì)胞中HIV的輔助受體,尤其是趨化因子受體CCR5表達(dá)增強的結(jié)果[68]。并發(fā)巨細(xì)胞病毒(CMV)感染的LTBI個體,MTB特異性CD4+T淋巴細(xì)胞分泌巨噬細(xì)胞炎性蛋白-1β(MIP-1β)水平上升,而并發(fā)HIV感染的LTBI個體中,MTB特異性CD4+T淋巴細(xì)胞分泌水平明顯上升的細(xì)胞因子卻是IL-2[69]。對并發(fā)HIV感染的LTBI患者病毒載量的分析表明,病毒載量與分泌IL-2的MTB特異性CD4+T淋巴細(xì)胞的頻率呈負(fù)相關(guān)[70],進一步說明產(chǎn)生IL-2的MTB特異性CD4+T淋巴細(xì)胞在并發(fā)HIV感染的情況下可能被特異性消耗。與此相關(guān)的是,與未感染HIV的LTBI者相比,感染HIV的患者CD4+T淋巴細(xì)胞的水平較低,而且增殖能力受損[71],表明在HIV感染的過程中,MTB特異性CD4+T淋巴細(xì)胞功能發(fā)生障礙。此外,HIV感染可能會擾亂免疫細(xì)胞(如CD8+T淋巴細(xì)胞)對MTB的保護性免疫。據(jù)報道,與未感染HIV的個體相比,感染HIV的LTBI患者MTB特異性CD8+T淋巴細(xì)胞的增殖能力受損[72]。此外,MTB感染引起巨噬細(xì)胞分泌的TNF-α水平下降,更有利于HIV的增殖[73]。
綜上所述,結(jié)核病并發(fā)HIV感染者細(xì)胞功能受損,打破了免疫系統(tǒng)平衡,導(dǎo)致T細(xì)胞清除MTB和HIV的能力進一步降低。
通常情況下,大多數(shù)病原體在感染人體后,經(jīng)過一系列的免疫反應(yīng),最終的結(jié)局是被人體內(nèi)的巨噬細(xì)胞吞噬,接著被巨噬細(xì)胞內(nèi)的溶酶體溶解,最終死亡。而MTB存在一種“免疫逃避”現(xiàn)象,能夠保護MTB在被巨噬細(xì)胞吞噬后逃避溶酶體的溶解。“免疫逃避”的機制目前尚不完全清楚,除了本文提到的MTB抑制氧化應(yīng)激和巨噬細(xì)胞凋亡的機制以外,還有可能與巨噬細(xì)胞對IFN-γ刺激應(yīng)答的敏感度被下調(diào)有關(guān)[74];MTB存在ESAT-6和CFP-10,可以在細(xì)胞膜表面形成保護層,影響特異性反應(yīng),從而保護MTB在巨噬細(xì)胞中不被溶解,從而得以增殖[75]。最近的研究發(fā)現(xiàn),結(jié)核壞死性毒素(tuberculosis necrotizing toxin,TNT)可以水解巨噬細(xì)胞中一種重要的輔酶NAD+,導(dǎo)致巨噬細(xì)胞死亡,從而釋放出MTB來感染更多的細(xì)胞[76]。以上研究或許可以為MTB的“免疫逃避”機制提供解釋。
目前尚缺乏針對成年人的結(jié)核病疫苗,BCG可以預(yù)防嬰幼兒發(fā)生重癥結(jié)核病,但對于兒童或成年人的肺結(jié)核沒有明顯的保護作用。原因可能為:BCG不能預(yù)防原發(fā)感染,但卻可以改變?nèi)梭w的防御機制,機體在接種BCG 4~8周后會產(chǎn)生免疫力,這種免疫力可以在機體感染MTB后,抑制其繁殖和播散。但是這種獲得性免疫的持久性和MTB在體內(nèi)的存活狀況相關(guān),隨著體內(nèi)MTB的消亡,機體的這種獲得性免疫也會隨著記憶性T淋巴細(xì)胞數(shù)量的減少及功能衰退而逐漸降低直至消失[77],這種免疫被稱為帶菌免疫或傳染性免疫[78];另一方面,BCG在傳代或去除毒力基因的減毒過程中,會使一些保護性抗原和免疫相關(guān)的基因丟失[79],如Esx-1基因的缺失,可能是導(dǎo)致BCG在減毒的同時大大降低其保護效果的主要因素之一[80]。因此,BCG不能誘導(dǎo)終生免疫。目前世界范圍內(nèi)處于臨床研究的結(jié)核病疫苗包括5種亞單位疫苗(AEC/BC02、M72/AS01E[81]、H4:IC31[82]、H56:IC31[83]和ID93/GLA-SE[84])、5種病毒載體疫苗(Ad5Ag85A[85]、MVA85A、ChAdOx1.85A/MVA85A[86]、MVA85A-IMX313[87]和TB/FLU-04L),以及5種全細(xì)胞結(jié)核病疫苗(母牛分枝桿菌疫苗、DAR-901[88]、VPM1002、MTBVAC 和RUTI)。MVA85A是一種表達(dá)MTB的Ag85A抗原的安卡拉痘苗病毒,作為BCG的增效疫苗,雖然接種MVA85A增強了抗原特異性CD4+T淋巴細(xì)胞反應(yīng),但是最終結(jié)果未顯示出保護效果[89]。此外,最近的一項利用重組巨細(xì)胞病毒(CMV)的結(jié)核疫苗研究結(jié)果顯示出對恒河猴具有保護作用[90]。需要注意的是,人體以前接觸過載體病毒可能會減弱疫苗誘導(dǎo)的免疫反應(yīng)并可能出現(xiàn)并發(fā)癥。VPM1002是一種提高BCG免疫原性的重組疫苗[91];MTBVAC是一種基因減毒的MTB菌株,其phoP和fadD26基因的缺失破壞了MTB表面各種脂質(zhì)的合成[92];治療性候選疫苗RUTI是在壓力下將MTB滅活、破碎,去除有毒成分后放置于脂質(zhì)體中制成的[93];母牛分枝桿菌疫苗主要成分與MTB具有相同的免疫原性蛋白[94],二者均能產(chǎn)生相應(yīng)的特異性細(xì)胞和體液免疫,并存在交叉免疫反應(yīng)[95]。
盡管越來越多的研究表明IFN-γ在抗結(jié)核過程中發(fā)揮重要作用,但是僅僅增強誘導(dǎo)IFN-γ的分泌不足以成為有效的結(jié)核病疫苗。研究證明,BCG誘導(dǎo)的特異性CD4、CD8和γ δ T細(xì)胞,與新生兒結(jié)核病的保護效果無相關(guān)性[96]。此外,由于約90%的MTB感染者在感染后處于潛伏狀態(tài),因此研發(fā)用于LTBI的疫苗也至關(guān)重要[97]。在缺乏結(jié)核病疫苗的情況下,實現(xiàn)“終止結(jié)核病”充滿挑戰(zhàn),了解MTB打破先天性免疫和適應(yīng)性免疫狀態(tài)的機制,能為更好地開發(fā)新的結(jié)核病疫苗提供理論依據(jù)。
利益沖突本文內(nèi)容僅為學(xué)術(shù)觀點,不涉及利益沖突。