訓練免疫在相關疾病中的研究進展

蘇 可，王經(jīng)琳，任昊楨，施曉雷

南京大學醫(yī)學院附屬鼓樓醫(yī)院肝膽外科，江蘇 南京 210008

傳統(tǒng)觀點認為只有適應性免疫才能建立免疫記憶，但近幾年發(fā)現(xiàn)固有免疫也具備這種特征。在缺乏適應性免疫的生物體中，先天免疫系統(tǒng)可增強對再感染的抵抗力，這種現(xiàn)象被稱為“訓練免疫（trained immunity，TI）”或“先天免疫記憶”［1-2］。TI是由外源性或內源性損傷引起的先天免疫細胞的長期功能性重編程，并導致在細胞恢復到非激活狀態(tài)后，對非特異性刺激的次級反應發(fā)生增強或減弱的改變，進而產(chǎn)生環(huán)境、時間調節(jié)的反應。重要的是，TI 代表了先天免疫細胞而不是特定的轉錄或功能程序的長期適應的概念［3］，它基于兩個主要支柱，細胞的表觀遺傳重新編程和新陳代謝重新編程，通過表觀遺傳重編程來調控基因表達和細胞生理上的持續(xù)變化［4］，不涉及突變和重組等永久性遺傳變化，而這些變化對定義TI的性質和影響至關重要［5］。最近研究表明，不同免疫信號誘導的細胞代謝重組是確定TI 表觀遺傳學變化的關鍵一步，如糖酵解、三羧酸循環(huán)中的谷氨酰胺補充和富馬酸鹽的積累以及甲羥戊酸途徑等在其中起著至關重要的作用［6］。本文主要介紹TI 的訓練激活物、訓練相關細胞、代謝和表觀遺傳重組的機制以及在疾病中的重要作用。

1 訓練激活物

以往研究證明能夠促進TI 的因素包括致病信號（真菌、細菌、病毒）以及非致病信號，如胰島素、細胞因子、脂肪因子或激素。

1.1 脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）

革蘭氏陰性細菌外膜中發(fā)現(xiàn)的LPS，在生物學中執(zhí)行各種功能。長時間暴露于LPS 等的免疫細胞，可誘導一種先天免疫記憶，并隨后鈍化對不相關病原體的反應，即LPS耐受，后者通過LPS持續(xù)刺激骨髓源性巨噬細胞（bone marrow?derived macro?phage，BMDM）實現(xiàn)。巨噬細胞的這種功能性重編程（耐受），是由于LPS誘導大多數(shù)基因被轉錄沉默［7］，當耐受的巨噬細胞被LPS 再刺激后，轉錄沉默的同時不能對耐受基因啟動子上的組蛋白進行標記［8］。但是，TI 相關的造血過程增加又表現(xiàn)出LPS 再刺激后的有益一面，比如其保護小鼠免受化療誘導的骨髓抑制［9］。部分數(shù)據(jù)表明，經(jīng)LPS 訓練誘導造血干細胞的變化，可顯著改善對繼發(fā)性細菌（如銅綠假單胞菌感染）的反應［10］。

1.2 幾丁質

釀酒酵母天然存在于哺乳動物的皮膚和腸道中，同白色念珠菌一樣，在宿主定殖的真菌物種中具有普遍的保護特性［11］，并且可能影響宿主的免疫。幾丁質，是真菌細胞壁的主要成分，Jiang 等［12］證實了其可以訓練先天免疫，經(jīng)過訓練的單核細胞第2 次接觸病原體時腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）?α和白介素（interleukin，IL）?6的產(chǎn)生增加。同時，組蛋白甲基轉移酶抑制劑可削弱幾丁質對單核細胞的TI，這表明組蛋白甲基化水平的表觀遺傳變化在幾丁質TI的重編程中起著重要作用。

1.3 β?葡聚糖

β?葡聚糖（一種真菌衍生的TI 典型激動劑）預處理小鼠可導致腫瘤生長減弱，與其誘導TI介導粒細胞生成和中性粒細胞的表觀遺傳重編程導致抗腫瘤表型改變有關，并且該過程需要I型干擾素（in?terferon，IFN）信號，而與宿主的獲得性免疫無關。將中性粒細胞從β?葡聚糖訓練的小鼠過繼轉移到幼稚荷瘤受體，則是以一種活性氧依賴的方式抑制后者的腫瘤生長［13］。亦有報道β?葡聚糖可通過抑制免疫反應基因1的表達從而減弱人類內毒素血癥模型誘導的耐受性，這突出了β?葡聚糖誘導TI逆轉免疫耐受的潛力［14］。

1.4 卡介苗（bacille calmette?guerin，BCG）

作為世界上應用最多的疫苗［15］，卡介苗能保護兒童免受不相關的感染，特別是呼吸道感染和新生兒敗血癥。研究表明BCG 接種可能是一種有效的預防新型冠狀病毒（severe acute respiratory syn?drome coronavirus 2，SARS?CoV?2）感染的措施，它可作為開發(fā)針對SARS?CoV?2 的特異性疫苗的橋梁，從而控制大流行趨勢［16-17］。此外，BCG 接種在造血干細胞水平上引起的轉錄變化可以“傳遞”給多能祖細胞和骨髓源性巨噬細胞，從而增強對結核分枝桿菌感染的保護能力。該過程主要通過Ⅱ型IFN或IL?1 反應對骨髓中的造血干細胞進行重新編程，從而提供針對結核桿菌的保護性TI。但有文章發(fā)現(xiàn)，與BCG 不同，結核分枝桿菌通過IFN?I 反應對造血干細胞進行再編程，結果顯示造血干細胞轉錄譜的改變持續(xù)了至少1 年，這表明結核分枝桿菌對造血干細胞TI產(chǎn)生持久的影響［18］。

1.5 乙型肝炎病毒（hepatitis B virus，HBV）

HBV 是慢性感染者導致肝臟炎癥和癌癥的主要原因，也能夠引發(fā)一種TI狀態(tài)。由于新生兒免疫系統(tǒng)不成熟，HBV 從受感染的母親傳染給新生兒，通過誘導免疫耐受狀態(tài)促進HBV 持續(xù)存在［19］。與之相反，胎兒在子宮內暴露于HBV會觸發(fā)TI，不僅促進先天免疫細胞成熟和1 型輔助性T 細胞（T helper 1 cell，Th1）發(fā)育，還增強了臍帶血免疫細胞體外對細菌感染的反應能力。這些TI 效應與細胞微環(huán)境有關，以低IL?10、高IL?12p40和IFN?α2為特征。相關數(shù)據(jù)亦揭示了相似的TI狀態(tài)［20］。

1.6 各類代謝產(chǎn)物

胰島素抵抗的巨噬細胞基礎哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）復合物1活性增加從而具有M2樣表型，可降低LPS反應，同時又表現(xiàn)出糖酵解增加和關鍵糖酵解酶的表達增加［21］。因此，引起巨噬細胞對病原體的反應減弱和代謝改變的胰島素抵抗本質上是一種TI。此外，臨床證據(jù)強調了胰島素抵抗患者中巨噬細胞對病原體或代謝產(chǎn)物反應的改變，這與細胞培養(yǎng)和動物模型研究一致［22］。Du等［23］發(fā)現(xiàn)低氧預處理的人間充質干細胞可分泌胰島素樣生長因子（insulin like growth factor，IGF）?2，訓練正在成熟的小鼠巨噬細胞向M2 樣表型，從而抑制自身免疫性炎癥。從嗜鉻細胞瘤/副神經(jīng)節(jié)瘤患者分離的單核細胞，長期暴露于高兒茶酚胺水平可能對其功能、轉錄和表觀遺傳學具有很大影響［24］。再刺激后醛固酮通過鹽皮質激素受體，可增加單核細胞來源的巨噬細胞中促炎因子、活性氧的產(chǎn)生。脂肪酸合成是誘導TI 的關鍵途徑，對該途徑的藥理抑制可削弱醛固酮誘導的TI［25］。持續(xù)性高膽固醇血癥誘導單核細胞具有TI表型，造成個體患心血管疾病的風險增加，即便他汀類藥物也不能逆轉這種促炎癥表型［26］。

1.7 各類受體激活劑

研究表明，先天免疫細胞通過激活模式識別受體（pattern recognition receptor，PRR）識別病原體相關分子模式后，其功能重編程可在隨后的微生物接觸時產(chǎn)生增強的非特異性抗菌反應［27-28］。肝臟X受體（liver X receptor，LXR）是膽固醇和脂肪酸穩(wěn)態(tài)的關鍵調節(jié)因子，LXR 激動劑的激活伴隨著TI 的特征，如激活炎癥基因啟動子上的組蛋白標記和代謝重編程，從而增加乳酸產(chǎn)生和降低耗氧率［29］。CL429 是一種嵌合Toll 樣受體（toll?like receptors，TLR）?2/核苷酸寡聚化結構域（nucleotide binding oligomerization domain，NOD）?2 激動劑，可模擬乳桿菌的調節(jié)作用，并減輕由先天免疫記憶引起的鉤端螺旋體病的急性期反應［30］。波形蛋白是C型凝集素受體（Dectin?1）的內源性激活配體，有助于動脈粥樣硬化中的脂質氧化和膽固醇積累。TLR4 是激活天然免疫和細胞因子釋放的關鍵受體，它是依賴高遷移率族蛋白B1（high mobility group box 1 protein，HMGB1）激活巨噬細胞TNF釋放所必需的。在同種異體移植排斥反應中，波形蛋白和HMGB1 通過Dectin?1 和TLR4 激活的局部巨噬細胞可以驅動TI相關細胞因子的產(chǎn)生［31］。此外，雖然TLR10介導先天免疫與炎癥抑制，但相關研究卻顯示其在BCG與β葡聚糖訓練中影響甚微［32］。

2 訓練細胞

TI可發(fā)生于固有免疫細胞，如單核細胞/巨噬細胞、中性粒細胞、自然殺傷細胞（natural killer cell，NK）等和非免疫細胞，如成纖維細胞、內皮細胞等［33］。

2.1 吞噬細胞

專業(yè)吞噬細胞包括中性粒細胞、單核/巨噬細胞，通過PRR 對入侵微生物進行識別和應答。已在包括單核［24］/巨噬細胞［34］、中性粒細胞［13］的幾種細胞群中研究先天免疫記憶特性，而初步觀察表明，類似的特性也存在于其他類型細胞中，如先天淋巴樣細胞（innate lymphoid cell，ILC）或多形核白細胞等。

2.2 NK細胞

已發(fā)表的數(shù)據(jù)表明NK 細胞免疫記憶是復雜的。首先，與T、B 細胞相似，NK 細胞在遇到半抗原或病毒等刺激后可形成免疫記憶，從而產(chǎn)生抗原特異性記憶NK細胞［35］。其次，NK細胞可記憶炎性細胞因子環(huán)境，而這些環(huán)境會影響非抗原特異性NK細胞效應器的長期功能［36-37］。此外，最近研究表明NK 細胞的記憶也受表觀遺傳變化的調控［38］。因此，NK 細胞可表現(xiàn)為抗原依賴（在某些情況下抗原特異性）記憶，以及TI中所見的表觀遺傳重編程。

2.3 ILC

最近研究表明，ILC 能夠對再感染產(chǎn)生有效的記憶［39］，而第二組天然淋巴樣細胞（ILC2）是定義最明確的ILC，其雖不直接識別過敏原，但能被細胞因子（如IL?33）所激活［40］，進而產(chǎn)生IL?5 和IL?13。在過敏反應的背景下［41］，ILC2以非特異性方式對過敏原產(chǎn)生免疫記憶，表現(xiàn)出與記憶T 細胞相似的特征。因此，有研究者建議修改免疫記憶的定義，即記憶先前被激活的能力，并在重新激活時做出更有效的反應，而不考慮抗原的特異性。

2.4 非經(jīng)典免疫細胞

TI 不僅存在于先天免疫細胞，也存在于非經(jīng)典免疫細胞中。目前研究最多的是造血干細胞維持免疫細胞的終身產(chǎn)生［10，42-43］。亦有報道骨髓間充質干細胞介導的免疫調節(jié)包括先天免疫系統(tǒng)和適應性免疫系統(tǒng)［44］。此外，上皮細胞［33，45］及上皮干細胞［46］的TI均有報道。

3 TI的機制

TI 主要基于細胞的表觀遺傳和代謝重編程。相關研究探討TI誘導背后的表觀遺傳學機制，以及不同細胞代謝物和代謝網(wǎng)絡在TI誘導、調節(jié)和維持中的作用［5］。但要破譯TI 誘導背后的表觀遺傳機制，還需要先了解特定代謝物和代謝網(wǎng)絡在該過程中的作用（圖1）。

圖1 訓練免疫的機制［6］Figure 1 The mechanism of trained immunity［6］

3.1 代謝重組機制

TI 的誘導和維持涉及多種代謝途徑，包括有氧糖酵解、谷氨酰胺分解、膽固醇代謝和脂肪酸合成［5，47］，例如在人類巨噬細胞炎癥驅動下，Dectin?1、蛋白激酶B（Akt）、mTOR 和缺氧誘導因子（hypoxia inducible factor，HIF）?1α介導細胞從氧化磷酸化到有氧糖酵解的代謝轉換（沃伯格效應）［2，48］。糖酵解的增加和三羧酸循環(huán)中間代謝物的積累，如富馬酸鹽和谷氨酸鹽，形成β?葡聚糖誘導TI的代謝基礎［3］。但當未成熟巨噬細胞經(jīng)IGF?2訓練后表現(xiàn)M2極化時，會發(fā)生氧化磷酸化偏向性進而產(chǎn)生抗炎作用［23］。除了葡萄糖代謝，膽固醇合成途徑中幾種關鍵酶的表達增加亦是誘導TI的先決條件［49］，例如甲羥戊酸的積累上調了IGF?1R?mTOR途徑和糖酵解的代謝轉換［50］。除了熟知的代謝途徑外，Ji 等［51］揭示了細胞內L?精氨酸?肌酸代謝對IFN?γ、IL?4 介導的巨噬細胞活化中的重要影響。

3.2 表觀遺傳重編程機制

不同的代謝途徑作為持續(xù)的能量來源和構建模塊，為細胞表觀遺傳的主動重塑提供燃料，但也為改變染色質和基因組相應區(qū)域的結構提供必要的底物。表觀遺傳變化表現(xiàn)為組蛋白的化學修飾（甲基化和乙酰化），導致染色質可及性增強，并使抗菌反應中的重要基因更易轉錄和改善細胞功能［52］。先天免疫細胞暴露于刺激（包括β?葡聚糖、BCG 和白色念珠菌）下，顯示了表觀遺傳標記的全基因組變化，包括組蛋白第3 亞基4 號賴氨酸的單甲基化（histone H3 lysine 4 monomethylation，H3K4me1）、組蛋白第3 亞基4 號賴氨酸的三甲基化（histone H3 lysine 4 trimethylation，H3K4me3）和組蛋白第3 亞基27 號賴氨酸的乙酰化（histone H3 lysine 27 acetyla?tion，H3K27ac）［3，5］。例如Set7 通過在增強子的一個子集上寫入一個持久的H3 K4me1 信號從而調節(jié)TI［5，53］；H3K27ac在參與巨噬細胞M1激活的關鍵調節(jié)因子如Mir155的啟動子和增強子中顯著減少［54］，而在一些基因（如Mecp2）中增強，已知其抑制巨噬細胞的炎癥［23］。雖然這些只是部分反映了巨噬細胞極化與組織微環(huán)境相關的表型復雜性，在該組織微環(huán)境中，許多促炎和促穩(wěn)態(tài)信號可能同時存在［55］。此外，研究發(fā)現(xiàn)一些長鏈非編碼RNA在TI基因啟動子上建立表觀遺傳標記的機制［56-57］。幼稚、效應和記憶性NK 細胞具有不同的染色質可及性狀態(tài)，由ATAC?seq 和H3K4me3 染色質免疫沉淀和測序確定，這揭示了鼠巨細胞病毒感染后記憶性NK 細胞階段的“平衡”調節(jié)程序［39，58-59］。

4 TI在相關疾病中的進展

了解TI 的特性將有助于更好地理解宿主防御機制和免疫介導疾病的發(fā)病機制，這一新興科學領域的概念和機理進展將為疫苗接種以及疾病預防和治療的臨床應用開辟新的途徑［3］。

4.1 炎癥疾病

與100多年前“細菌感染時代”不同，如今，西方生活方式等引起的無菌性炎癥反應誘導TI 是慢性炎癥疾病發(fā)展的基礎［60］。在家族性高膽固醇血癥患者中，單核細胞產(chǎn)生細胞因子的能力明顯增強，其啟動子上H3K4me3富集，即使降膽固醇他汀治療3個月后仍存在［26］。嚴重冠狀動脈粥樣硬化患者的循環(huán)單核細胞在細胞因子產(chǎn)生能力、糖酵解代謝和組蛋白甲基化水平的表觀遺傳重編程方面亦表現(xiàn)訓練免疫表型［33］。另一種由單核細胞來源誘導TI的臨床無菌性炎癥是器官移植，Braza等［31］用特異性抑制髓樣細胞mTOR的高密度脂蛋白納米生物制劑進行短期治療，能夠防止有氧糖酵解和TI基礎上的表觀遺傳修飾，從而提高了同種異體移植物的存活率。

4.2 神經(jīng)系統(tǒng)疾病

在阿爾茨海默病小鼠模型中，外周炎性持續(xù)刺激可導致小膠質細胞的長期訓練，并加劇了腦β?淀粉樣變性［61］，這是由于小膠質細胞的功能變化伴隨著HIF1A基因位點的活化表觀遺傳變化。在另一種與全身炎癥及癡呆相關的大腦小血管疾病的患者中［62］，外周血來源的單核細胞顯示出TI特征，例如在體外刺激后IL?6、IL?8的產(chǎn)生增加，這也與疾病的嚴重程度和進展有關［63］。綜上表明慢性而非急性炎癥狀態(tài)，與TI以及其誘導神經(jīng)炎癥和神經(jīng)退行性變有關。

4.3 新型冠狀病毒肺炎

新型冠狀病毒肺炎是一種新型呼吸道感染，可并發(fā)嚴重肺炎和急性呼吸窘迫綜合征［64］。研究發(fā)現(xiàn)BCG能夠增強先天免疫反應，有助于新型冠狀病毒肺炎疫苗的研發(fā)［65］。事實上，目前正在荷蘭、澳大利亞和希臘評估BCG 接種人群的試驗效果，美國、英國、法國等也計劃進行其他試驗。雖然免疫衰老可能會導致老年人接種后效果減弱，但最近一項研究表明，老年群體中很大程度上保留先天免疫功能，而適應性免疫反應（特別是IFN γ/IL?22 的產(chǎn)生）缺乏。因此，通過全微生物疫苗誘導TI 可能是降低SARS?CoV?2 易感性和嚴重性的重要工具［16］，但不建議在對照臨床試驗之外使用BCG 治療新型冠狀病毒肺炎［66］。

5 結論及展望

本文闡述了TI 的訓練激活物、訓練細胞、代謝和表觀遺傳重編程機制，以及在不同疾病方面的最新進展，但仍有許多問題和重要的研究方向需要繼續(xù)探索，介導TI 的分子機制需要更深入詳細的研究。未來一個重要領域是利用TI 誘導機制設計新一代療法和疫苗，將經(jīng)典適應性免疫記憶的誘導和TI相結合。此外，未來最關鍵的研究方向之一是探索TI對疾病的影響：一方面，TI如何促進免疫介導疾病的發(fā)病機制；另一方面，如何將TI作為治療目標，利用TI在健康和疾病中發(fā)揮作用。