PD-1/PD-L1軸與慢性阻塞性肺疾病的免疫病理研究進(jìn)展

童慧 王迎難

三峽大學(xué)人民醫(yī)院 宜昌市第一人民醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科443000

根據(jù)2019 年慢性阻塞性肺疾病全球倡議,COPD 是全球第4大死因,預(yù)計(jì)到2020年將成為第3大死因[1]。目前還沒有有效的治療方法來逆轉(zhuǎn)COPD 引起的肺損傷,迫切需要探索新的方法來防止疾病進(jìn)展。先天免疫反應(yīng)是防御病原體入侵的第一道屏障,淋巴細(xì)胞通過細(xì)胞間的相互作用和分泌的細(xì)胞因子如腫瘤壞死因子α、(tumor necrosis factorα,TNF-α)、干擾素γ (interferonγ,IFN-γ)在免疫反應(yīng)的調(diào)節(jié)中扮演關(guān)鍵角色[2]。目前,免疫失調(diào)被認(rèn)為是COPD 引起局部和系統(tǒng)炎癥損傷的重要機(jī)制。慢性感染和持續(xù)抗原呈遞可引起T 細(xì)胞分布和功能障礙,導(dǎo)致細(xì)胞介導(dǎo)的免疫反應(yīng)異常[3]。T 細(xì)胞表達(dá)程序性死亡蛋白1(programmed cell death protein 1,PD-1),一種與免疫應(yīng)答缺陷相關(guān)的負(fù)性共刺激分子,COPD 患者該分子表達(dá)增多[4]。PD-1和細(xì)胞毒性T 淋巴細(xì)胞相關(guān)抗原4 (cytotoxic T lymphocyte-associated antigen 4,CTLA-4)、T 細(xì)胞衰減因子等構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的免疫調(diào)節(jié)系統(tǒng),PD-1通過與其受體程序性死亡蛋白配體1 (programmed death protein ligand,PD-L)結(jié)合抑制T、B 細(xì)胞功能,尤其是CD8+、CD4+、輔助T 細(xì)胞1 (T helper cells 1,Th1)等重要效應(yīng)細(xì)胞,并抑制T 細(xì)胞增殖,減少細(xì)胞因子 (IL-2、IL-10和IFN-γ)等的分泌,從而負(fù)面調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)[5],降低身體對(duì)病原體的抵抗力,增加COPD 急性發(fā)作的風(fēng)險(xiǎn)。通過阻斷PD-1/PD-L1通路觀察到CD8+、CD4+淋巴細(xì)胞凋亡減少以及病原體清除能力增加,因此PD-1抗體可能通過減少免疫細(xì)胞凋亡、激活免疫細(xì)胞發(fā)揮清除病原體的作用[6],這將為COPD 患者帶來新的治療手段,結(jié)合常規(guī)藥物治療可提高總體療效。本文總結(jié)了COPD 患者的免疫病理,分析PD-1/PD-L1軸介導(dǎo)的免疫缺陷,旨在為COPD 的新治療策略提供理論依據(jù)。

1 COPD的免疫紊亂

1.1先天免疫紊亂 COPD 急性加重將導(dǎo)致肺實(shí)質(zhì)破壞及肺功能進(jìn)一步下降。惡化的主要原因是感染,細(xì)菌和病毒感染占70%[7]。肺的先天免疫細(xì)胞包括巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、單核細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞、肥大細(xì)胞和自然殺傷細(xì)胞,COPD 急 性 加 重 期 (acute exacerbation of chronic obstructive pulmonary disease,AECOPD)患者盡管這些細(xì)胞數(shù)量增加,但免疫、吞噬能力受損[8],尤以巨噬細(xì)胞受損明顯。巨噬細(xì)胞有2 種亞型：經(jīng)典激活的巨噬細(xì)胞(M1)和交替激活的巨噬細(xì)胞 (M2)。M1分泌促炎因子,促進(jìn)炎癥并防止病原體的侵入,并進(jìn)一步加強(qiáng)細(xì)胞適應(yīng)性免疫,M2分泌抗炎因子,它們?cè)谶^敏和抑制炎癥反應(yīng)中發(fā)揮作用[9]。COPD 患者M(jìn)1吞噬功能失調(diào)是不能有效清除呼吸道病原體的主要原因[10]。凋亡細(xì)胞的攝取和清除是巨噬細(xì)胞的主要功能,尤其是M2,然而AECOPD 患者的這一功能也受到損害。研究表明,M2 在COPD 患者中吞噬凋亡的中性粒細(xì)胞的能力降低[10]。此外,大量活化的中性粒細(xì)胞在AECOPD 患者氣道、痰及循環(huán)血中積累,參與介導(dǎo)免疫損傷破壞肺實(shí)質(zhì),這與其遷移增加和凋亡減少有關(guān),且穩(wěn)定期COPD (stable chronic obstructive pulmonary disease,SCOPD)淋巴細(xì)胞比例顯著高于健康人,急性加重期更進(jìn)一步升高,但其功能受損[11],故COPD 患者雖然先天免疫細(xì)胞數(shù)量增多,但免疫細(xì)胞功能障礙致使不能有效清除病原體而加重病情。

1.2適應(yīng)性免疫紊亂 研究發(fā)現(xiàn),AECOPD 患者外周CD4+T 細(xì)胞、CD8+T 細(xì)胞占比顯著高于SCOPD 患者,且CD4+T 細(xì)胞/CD8+T 細(xì)胞比值下降并出現(xiàn)異常極化[12],這些都會(huì)導(dǎo)致不適當(dāng)?shù)拿庖呒せ?尤其是適應(yīng)性免疫系統(tǒng)[8]。幼稚T 細(xì)胞通過抗原驅(qū)動(dòng),增殖和分化產(chǎn)生CD4+T 細(xì)胞。Th1 和調(diào)節(jié)性T 細(xì)胞 (regulatory T cells,Treg)是CD4+T 細(xì)胞的兩個(gè)亞群,Th1分泌大量IFN-γ,激活巨噬細(xì)胞、CD8+T 細(xì)胞并參與細(xì)胞免疫;Treg通過表達(dá)CTLA-4來抑制免疫應(yīng)答。研究發(fā)現(xiàn),在AECOPD 患者中CTLA-4表達(dá)高于SCOPD 患者和健康的非吸煙受試者,導(dǎo)致Th1細(xì)胞對(duì)病原菌的清除能力減弱,阻斷CTLA-4可恢復(fù)Th1細(xì)胞功能[13]。與健康者相比,AECOPD 患者Th1和Treg細(xì)胞占比明顯升高,研究證實(shí),炎癥可誘導(dǎo)Treg、IL-10、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β1的產(chǎn)生,造成效應(yīng)T 細(xì)胞功能的抑制[14]。在COPD 患者中,CD4+T 細(xì)胞對(duì)抗原的反應(yīng)受損,Treg強(qiáng)大的抑制作用進(jìn)一步弱化了效應(yīng)T 細(xì)胞對(duì)抗原的反應(yīng)[14]。總的來說,COPD 患者Th細(xì)胞和Treg細(xì)胞之間的平衡受到干擾,效應(yīng)T 細(xì)胞不能對(duì)病原體作出有效的免疫反應(yīng),加之有免疫抑制作用的Treg的積累,最終導(dǎo)致免疫抑制,從而使COPD 患者感染更難控制及肺功能惡化。

CD8+T 細(xì)胞在COPD 的發(fā)展中起重要作用,AECOPD 患者淋巴細(xì)胞中CD8+T 細(xì)胞的比例較SCOPD顯著增加[15]。研究表明,肺實(shí)質(zhì)和小氣道中CD8+T 細(xì)胞越多,肺功能下降越嚴(yán)重[16]。CD8+T 細(xì)胞分為促炎細(xì)胞(主要有Tc1、Tc2 和Tc17 細(xì)胞)和抗炎細(xì)胞 (主要是CD8+Treg)兩個(gè)子集,AECOPD 患者的促炎CD8+T 細(xì)胞比例明顯高于SCOPD 患者,抗炎CD8+T 細(xì)胞的比例顯著低于SCOPD 和健康個(gè)體[17]。外周血CD8+T 細(xì)胞子集之間的不平衡是COPD 免疫功能障礙的重要原因。雖然AECOPD 患者肺實(shí)質(zhì)中CD8+T 細(xì)胞比例升高,但抗病毒功能紊亂,這種紊亂與PD-1/D-L1軸有關(guān)[18]。

2 PD-1/PD-L1軸與COPD免疫紊亂

適應(yīng)性免疫應(yīng)答包括由B細(xì)胞介導(dǎo)的體液免疫和T 細(xì)胞介導(dǎo)的細(xì)胞免疫,其功能失調(diào)是COPD 的重要發(fā)病機(jī)制。T 細(xì)胞是適應(yīng)性免疫應(yīng)答的主要效應(yīng)細(xì)胞,它的活化需要細(xì)胞因子和雙重刺激信號(hào)。只有抗原識(shí)別信號(hào),即第一信號(hào)不足以有效激活T 細(xì)胞,抗原呈遞細(xì)胞需要與T 細(xì)胞表面上的各種黏附分子結(jié)合,提供共刺激信號(hào)即第二信號(hào),以完全激活T 細(xì)胞。在沒有共刺激分子的情況下,T細(xì)胞將不能有效發(fā)揮抗病原體作用并出現(xiàn)免疫耐受甚至凋亡。PD-1也稱為CD279,是一種負(fù)性共刺激分子,在免疫細(xì)胞之間的通訊中起著非常重要的作用。與CTLA-4相似,PD-1具有免疫抑制作用。

PD-1表達(dá)廣泛,CD4+T 細(xì)胞、CD8+T 細(xì)胞、B細(xì)胞和單核細(xì)胞可以誘導(dǎo)表達(dá)。PD-1有PD-L1和PD-L2兩種配體,PD-L1較PD-L2的表達(dá)廣泛,而PD-L2的親和力是PD-L1的2～6倍。PD-L2在巨噬細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞和肥大細(xì)胞上表達(dá);而PD-L1在CD8+T 細(xì)胞、CD4+T 細(xì)胞、B細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、肥大細(xì)胞表達(dá)。IFN-α、IFN-β、IFN-γ 上 調(diào)PD-L1 的 表 達(dá),對(duì)PD-L2 的 影 響 較小[19]。IL-10 可以誘導(dǎo)單核細(xì)胞PD-L1 的表達(dá)。PD-1/PD-L信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑在體內(nèi)針對(duì)病原體的免疫應(yīng)答和自身免疫耐受的調(diào)節(jié)中起關(guān)鍵作用。引起慢性感染的許多病原體使用PD-1/PD-L軸來減弱抗炎反應(yīng),從而繼續(xù)感染。與產(chǎn)生強(qiáng)效CD8+T 細(xì)胞的急性感染不同,CD8+T 細(xì)胞的功能在慢性病毒感染中受到很大影響[20]。在慢性感染模型中,如小鼠淋巴細(xì)胞脈絡(luò)叢腦膜炎病毒或靈長(zhǎng)類動(dòng)物乙型、丙型肝炎病毒及獲得性免疫缺陷綜合征病毒等感染時(shí),經(jīng)常觀察到免疫缺陷病毒特異性CD8+T 細(xì)胞持續(xù)存在,這種現(xiàn)象稱為衰竭。T 細(xì)胞衰竭代表一系列免疫缺陷,PD-1/PD-L1軸在此中起重要作用。

2.1PD-1/PD-L1與CD8+T 淋巴細(xì)胞 該領(lǐng)域的大量研究已經(jīng)證明了COPD 中肺T 細(xì)胞免疫功能失調(diào)。COPD 組織中表達(dá)PD-1的T 細(xì)胞比例高于正常肺組織,且T 細(xì)胞對(duì)病毒感染的細(xì)胞毒性脫顆粒反應(yīng)減弱,這些都反映了肺部T 細(xì)胞的復(fù)雜調(diào)控以及與COPD 疾病影響的相互作用。CD8+T 細(xì)胞在COPD 患者肺實(shí)質(zhì)中所占比例較正常肺增多,這與其抗病毒特性有關(guān)[21]。COPD 肺中活化的CD8+T 細(xì)胞比例的增加在一定程度上表明感染頻率增加[22]。研究發(fā)現(xiàn),人類肺中駐留記憶T 細(xì)胞,這些細(xì)胞在受到刺激時(shí)可以分泌有效的炎癥介質(zhì),并分化為具有強(qiáng)大抗菌活性的效應(yīng)T 細(xì)胞[23],在COPD 肺源性記憶T 細(xì)胞模型的體外刺激實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明CD4+T 細(xì)胞/CD8+T 細(xì)胞的異常極化,且對(duì)病毒感染的反應(yīng)能力下降[24]。

COPD 患者T 細(xì)胞中表達(dá)PD-1 的比例較大。Ishida等[25]首次發(fā)現(xiàn)PD-1 可通過誘導(dǎo)刺激而激活,CD4+和CD8+T 細(xì)胞在感染后上調(diào)PD-1 表達(dá)。PD-1 是T 細(xì)胞衰竭的一種標(biāo)志,但它也被部分激活的T 細(xì)胞表達(dá)[26]。PD-1在淋巴細(xì)胞脈絡(luò)叢腦膜炎病毒感染的小鼠模型中被T 細(xì)胞上調(diào)[27]。而且,在流感病毒感染的人體模型中發(fā)現(xiàn)了與小鼠流感感染模型相似的結(jié)果,即CD8+PD-1+T 細(xì)胞表達(dá)增多[28]。

CD8+T 細(xì)胞經(jīng)由細(xì)胞毒性脫粒反應(yīng)和穿孔素誘導(dǎo)病毒感染細(xì)胞的凋亡,CD107a可以作為T 細(xì)胞細(xì)胞毒脫顆粒的替代標(biāo)記物[29]。在流感感染中CD107a被CD4+T 細(xì)胞和CD8+T 細(xì)胞上調(diào),但在COPD 中則未被上調(diào)。無法產(chǎn)生針對(duì)病毒感染的細(xì)胞毒性蛋白意味著宿主對(duì)病原體的易感性,并可能無法清除病原體,從而導(dǎo)致病情的加重。且COPD 中PD-1表達(dá)的增加與T 細(xì)胞功能障礙分級(jí)呈正相關(guān)[30]。這些觀察結(jié)果表明COPD 患者肺部CD8+PD-1+T 細(xì)胞比例增加,但由于細(xì)胞毒性顆粒釋放能力受損,其免疫活性降低。

肺泡巨噬細(xì)胞產(chǎn)生的自分泌IFN-β是PD-L1表達(dá)的驅(qū)動(dòng)因素。IFN-β分泌缺陷也可能在COPD 中起作用[31]。這種細(xì)胞因子的缺乏導(dǎo)致COPD 中PD-L1表達(dá)降低。先前涉及PD-L1調(diào)節(jié)T 細(xì)胞對(duì)呼吸道病毒的反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)主要集中在上皮細(xì)胞上,COPD 和對(duì)照組中的流感病毒感染并未增加上皮細(xì)胞中PD-L1的表達(dá),但是病毒感染顯著上調(diào)2組巨噬細(xì)胞中表達(dá)PD-L1[32]。PD-L1表達(dá)的上調(diào)與功能上是相關(guān)的,因?yàn)橄蛄鞲胁《靖腥镜木奘杉?xì)胞模型添加PD-L1抗體可以促進(jìn)CD8+T 細(xì)胞分泌IFN-γ,這意味著PD-L1參與抗病毒細(xì)胞因子釋放的調(diào)節(jié)[33]。然而,研究表明,COPD 組受感染的巨噬細(xì)胞產(chǎn)生PD-L1的能力明顯遜于對(duì)照組[18]。因此,COPD 不僅有T 細(xì)胞的抗細(xì)胞毒性功能缺陷,而且還不能通過下調(diào)PD-L1表達(dá)來減少CD8+PD-1+T 細(xì)胞的活化。這些發(fā)現(xiàn)與公認(rèn)的臨床現(xiàn)象一致,即COPD 患者感染重,感染遷延難愈,肺功能持續(xù)下降?？傊?COPD 患者中的CD8+T 細(xì)胞抗病毒功能失調(diào),并且CD8+PD-1+T 細(xì)胞群抗病毒活性受損,再加上由于PD-L1缺乏而無法下調(diào)細(xì)胞因子的釋放共同參與了COPD 急性加重。

2.2PD-1/PD-L1與Th1細(xì)胞 Th1是CD4+T 亞群,在抵抗病原體如病毒、細(xì)菌的免疫防御中扮演重要角色。COPD患者Th1免疫反應(yīng)受損包括IFN-γ分泌減少和巨噬細(xì)胞吞噬功能下降導(dǎo)致細(xì)菌清除能力受損[34]。研究表明,使用外源性IFN-γ 可以增強(qiáng)單核細(xì)胞清除嗜血桿菌的效率[35],提示改善COPD 患者Th1反應(yīng)可以預(yù)防AECOPD。在抗CD3處理的單核細(xì)胞模型中,COPD 患者IFN-γ的基礎(chǔ)產(chǎn)生量較正常對(duì)照組低,而在加入PD-1 抗體后,發(fā)現(xiàn)CD4+T 細(xì)胞的增殖能力增強(qiáng),同時(shí)增加了IFN-γ和IL-10的分泌[4]。由于IL-10由Treg、Th2和Th1細(xì)胞的子集分泌,因此PD-1阻斷后IL-10的增加表明這些細(xì)胞的功能增加。因此,PD-1阻滯劑可扭轉(zhuǎn)T 細(xì)胞衰竭并部分恢復(fù)受損的Treg的功能。在COPD 患者和健康對(duì)照組Treg的功能研究中,2 組都給予抗CD3/CD28 誘導(dǎo)刺激,結(jié)果發(fā)現(xiàn)Treg大幅抑制自體T 細(xì)胞增殖,且COPD 中的Treg具有更高的抑制作用。重要的是,阻斷免疫檢查點(diǎn)受體PD-1可提升COPD 患者效應(yīng)T 細(xì)胞的功能[36]。這些發(fā)現(xiàn)支持這樣的結(jié)論,Treg和功能衰竭的Th1均與COPD 抗病原體免疫反應(yīng)受損有關(guān),并導(dǎo)致肺部感染的頻繁加重,PD-1抗體可改善這一現(xiàn)象。

3 總結(jié)與展望

絕大多數(shù)COPD 患者惡化的原因都是感染性的,這部分患者的肺功能損害更嚴(yán)重,住院時(shí)間更長(zhǎng)。COPD 表現(xiàn)出對(duì)多種微生物的反應(yīng)越來越不正常,而這些微生物在健康宿主體內(nèi)則很少或沒有引發(fā)炎癥,這表明免疫缺陷在COPD 中普遍存在,宿主防御受損、炎癥過度和自我耐受性喪失這3種現(xiàn)象是相互關(guān)聯(lián)的。免疫缺陷包括先天、適應(yīng)性免疫細(xì)胞亞群的異常極化,且更重要的是這些免疫細(xì)胞的功能障礙。COPD 可視為一種與吸煙有關(guān)的、先天及適應(yīng)性免疫系統(tǒng)各種成分過早老化的慢性肺疾病,這也是復(fù)發(fā)性呼吸道感染和繼發(fā)性炎癥的免疫病理學(xué)基礎(chǔ),是驅(qū)動(dòng)COPD 進(jìn)展的主要因素。因此,有效預(yù)防COPD 的進(jìn)展應(yīng)包括旨在使紊亂的免疫系統(tǒng)成分正常化的治療手段。PD-1/PD-L信號(hào)通路對(duì)于有效調(diào)節(jié)機(jī)體對(duì)刺激的反應(yīng)和抑制病原體免疫應(yīng)答和免疫耐受至關(guān)重要。PD-1/PD-L 途徑能夠以多種方式控制自身耐受,同時(shí)調(diào)節(jié)T 細(xì)胞應(yīng)答的強(qiáng)度。因此,為了使COPD 患者促進(jìn)炎癥反應(yīng)的效應(yīng)細(xì)胞和減少炎癥反應(yīng)的免疫抑制細(xì)胞之間找到平衡,表達(dá)PD-1的細(xì)胞可用作治療的新靶標(biāo),這對(duì)于治療COPD 將大有裨益?，F(xiàn)有PD-1阻斷劑 (主要是人源單克隆抗體)的成本太高,目前這類藥物普及COPD 的治療尚不切實(shí)際。然而,小分子抑制劑的開發(fā)可能會(huì)改變這種情況,使更多COPD患者獲益。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突