程序性死亡受體1及其配體在支氣管哮喘中的作用研究進(jìn)展

甘劭丁,倪海陽綜述 聶漢祥審校

支氣管哮喘(bronchial asthma)是一種以多種細(xì)胞,尤其是肥大細(xì)胞、嗜酸性粒細(xì)胞和T淋巴細(xì)胞及多種炎性因子參與的慢性氣道炎性疾病,發(fā)病機(jī)制與誘導(dǎo)CD4+T細(xì)胞增殖并分泌多種細(xì)胞因子導(dǎo)致Th1和Th2失衡有關(guān)。目前認(rèn)為,程序性死亡受體1(programmed death 1, PD-1)及其配體程序性死亡受體配體1(programmed death ligand-1, PD-L1)和程序性死亡受體配體2(programmed death ligand-2, PD-L2)可以影響調(diào)節(jié)性T細(xì)胞活化,控制免疫平衡[1]。因此,PD-1是傳統(tǒng)CD4+T細(xì)胞的負(fù)向調(diào)節(jié)劑。此外,生理狀態(tài)下PD-1/ PD-Ls信號(hào)通路可以保護(hù)機(jī)體自身組織免受攻擊。文章綜述了PD-1及其配體的基本特征及其在支氣管哮喘中的作用。

1 PD-1及其配體PD-L1、PD-L2基本特征

1.1 PD-1及其配體 PD-L1、PD-L2 的結(jié)構(gòu) PD-1(也稱為CD279)是一種 55 kDa的Ⅰ型跨膜蛋白,屬于 CD28受體家族。除單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞(dendritic cells, DCs)外,它主要在免疫細(xì)胞如T細(xì)胞、B細(xì)胞和NK 細(xì)胞表面表達(dá)。雖然 PD-1通常在初始T 細(xì)胞上不存在,但通過與T 細(xì)胞受體(T cell receptor, TCR)結(jié)合的抗原結(jié)合后表達(dá)顯著上調(diào)。一旦該抗原清除,PD-1隨之下調(diào)。然而,在慢性感染或癌癥時(shí),完全消除抗原效率低下,PD-1 表達(dá)仍然很高。研究表明,在慢性抗原暴露(即慢性感染和癌癥)時(shí),T 細(xì)胞發(fā)生免疫無能,導(dǎo)致無法分泌細(xì)胞因子、增殖或發(fā)揮效應(yīng)功能[2]。在這種情況下,PD-1的高表達(dá)是T細(xì)胞耗盡的標(biāo)志。

1.2 PD-1及其配體PD-L1、PD-L2的信號(hào)表達(dá)通路 PD-1存在PD-L1(也稱為B7-H1或CD274)和PD-L2(也稱為B7-DC或CD273)2種配體。PD-L1在心臟、肺臟、腎臟和肝臟等器官的多種細(xì)胞上表達(dá),包括T 細(xì)胞、B細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、DCs和肥大細(xì)胞。然而,PD-L2僅在抗原遞呈細(xì)胞(antigen presenting cells, APCs)如巨噬細(xì)胞和DCs上表達(dá),其表達(dá)受細(xì)胞因子如干擾素-γ(interferon γ, IFN-γ)、人巨細(xì)胞集落刺激因子(giant macrophage colony stimulating factor, GMCSF)和白介素-4(interleukin 4, IL-4)的調(diào)節(jié)。PD-L1的表達(dá)受到多種細(xì)胞因子的調(diào)節(jié),如Ⅰ型和Ⅱ型干擾素、IL-10、IL-17、IL-6、IL-4、IL-1β和IL-27。此外,許多信號(hào)通路如核因子κB(nuclear factor kappa-B, NF-κB)、絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)因子和轉(zhuǎn)錄激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3, STAT3)參與誘導(dǎo)PD-L1的產(chǎn)生[3]。 PD-L1的表達(dá)也受到模式識(shí)別受體Toll樣受體4(Toll-like receptor 4, TLR4)和TLR3調(diào)節(jié)[4]。研究表明,PD-1優(yōu)先與PD-L1結(jié)合而非 PD-L2[5]。與PD-L1 結(jié)合后,活化的PD-1通過多種機(jī)制拮抗TCR 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。PD-L1與PD-1結(jié)合導(dǎo)致PD-1受體的構(gòu)象改變,從而導(dǎo)致Src家族激酶2個(gè)酪氨酸基序磷酸化(ITIM和ITSM)[6]。隨后,蛋白酪氨酸磷酸酶-1(SH1-containing protein tyrosine phosphatase, SHP-1)和SHP-2被激活,導(dǎo)致幾種激酶去磷酸化,抑制TCR和CD28介導(dǎo)的信號(hào)傳導(dǎo),從而導(dǎo)致T細(xì)胞增殖和細(xì)胞因子產(chǎn)生減少[7-8]。PD-1與PD-L1結(jié)合也可以發(fā)生雙向信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),但這一領(lǐng)域研究有限。Gato-Canas等[9]發(fā)現(xiàn),在PD-L1的胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域中識(shí)別了功能調(diào)節(jié)信號(hào)基序,它可能導(dǎo)致PD-L1的反向信號(hào)傳遞。雖然PD-L1反向信號(hào)誘導(dǎo)的特定信號(hào)通路尚不清楚,但有報(bào)道顯示經(jīng)可溶性PD-1(soluble PD-1, sPD-1)處理的DCs成熟程度降低,IL-10產(chǎn)生增加[10]。

T細(xì)胞上PD-1表達(dá)的調(diào)節(jié)依賴于抗原暴露的情況。因此,急慢性感染或腫瘤抗原在癌癥環(huán)境中的持久性決定調(diào)節(jié)其表達(dá)的轉(zhuǎn)錄途徑。T細(xì)胞通過TCR被激活,誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子、活化T細(xì)胞核因子1c(nuclear factor of activated T cells 1c, NFAT1c)[11]。這些轉(zhuǎn)錄因子對(duì)于維持慢性感染過程中PD-1的表達(dá)必不可少。轉(zhuǎn)錄因子叉頭盒蛋白O1(forkhead box protein O1, FoxO1)的高表達(dá)抑制T-bet的表達(dá)。因此,FoxO1是慢性炎性反應(yīng)期間PD-1表達(dá)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。T-bet是PD-1上的抑制因子,通過FoxO1抑制T-bet導(dǎo)致PD-1在T細(xì)胞上的積聚[12]。此外,巨噬細(xì)胞中也檢測(cè)到PD-1的調(diào)節(jié)因素。在巨噬細(xì)胞中,NF-κB信號(hào)活化介導(dǎo)PD-1的表達(dá)[13]。雖然PD-1主要通過TCR信號(hào)上調(diào)T細(xì)胞對(duì)抗原的反應(yīng),但也存在抗原非依賴性PD-1的調(diào)節(jié)。Kinter等[14]研究顯示,IL-2、IL-7、IL-15和IL-21等細(xì)胞因子可以誘導(dǎo)外周血T細(xì)胞上PD-1的表達(dá)。此外,抗炎細(xì)胞因子如IL-10和轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β可以調(diào)節(jié)T細(xì)胞上PD-1的表達(dá)[15]。

2 PD-1及其配體 PD-L1、PD-L2與支氣管哮喘

2.1 PD-1及其配體 PD-L1、PD-L2與支氣管哮喘免疫耐受的聯(lián)系 在PD-1-/-小鼠中發(fā)現(xiàn)PD-1在誘導(dǎo)T細(xì)胞耐受性中發(fā)揮關(guān)鍵作用。研究顯示,PD-1缺乏可以導(dǎo)致T細(xì)胞過度增殖;與PD-1+/+小鼠比較,引入lpr突變基因的PD-1-/-小鼠發(fā)生更嚴(yán)重的狼瘡樣疾病[16]。另有研究顯示,在胸腺發(fā)育過程中,CD4 CD8雙陰性T細(xì)胞表達(dá)PD-1[17];在缺乏PD-1時(shí),CD4 CD8雙陽性T細(xì)胞數(shù)量增加。在抗原識(shí)別后,T細(xì)胞被APC阻止從免疫突觸遷移,但隨著T細(xì)胞的激活和細(xì)胞因子的產(chǎn)生,T細(xì)胞可以恢復(fù)活性,并減少細(xì)胞因子的產(chǎn)生。在T細(xì)胞與APC的相互作用中,T細(xì)胞表面PD-1表達(dá)上調(diào)。在缺乏PD-1時(shí),T細(xì)胞-APC相互作用的信號(hào)鏈增加,因此導(dǎo)致促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生增加[18]。此外,PD-1/PD-L1和PD-1/PD-L2的相互作用在維持外周T細(xì)胞耐受方面并不一致。在糖尿病小鼠模型中,阻斷PD-L1可以抑制T細(xì)胞耐受性,而阻斷PD-L2不影響T細(xì)胞免疫耐受[19]。PD-1在TCR結(jié)合后迅速上調(diào),并有效阻止T細(xì)胞從初始T細(xì)胞向效應(yīng)性T細(xì)胞的轉(zhuǎn)變,然而免疫無能T細(xì)胞具有與效應(yīng)性T細(xì)胞相似的PD-1表達(dá)水平,且不會(huì)在PD-1阻斷后活性增強(qiáng)[20]。

PD-1/PD-L1軸除調(diào)節(jié)效應(yīng)T 細(xì)胞活性外,PD-1還在調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(regulatory T cells, Tregs)的發(fā)育和功能形成中發(fā)揮關(guān)鍵作用。研究報(bào)道,PD-1可以維持 Foxp3的表達(dá),其中PD-L1通過下調(diào)mTOR通路對(duì)體外誘導(dǎo)Tregs至關(guān)重要[21]。體內(nèi)研究表明PD-1與Th1細(xì)胞結(jié)合可以誘導(dǎo)Th1細(xì)胞向Tregs 的可塑性和持續(xù)轉(zhuǎn)化,這依賴于 PD-1的下游信號(hào)傳導(dǎo)[22]。Tregs的免疫抑制能力不局限于T細(xì)胞,Tregs能以PD-1/PD-L1依賴的方式特異性抑制自身反應(yīng)性PD-1+B細(xì)胞活化和自身抗體產(chǎn)生[23]。

PD-1對(duì)免疫耐受的影響不僅僅局限于T細(xì)胞,巨噬細(xì)胞、 DCs和B 細(xì)胞也可以表達(dá)PD-1。研究表明,小鼠腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞(tumour associated macrophages, TAMs)高表達(dá)PD-1與其吞噬腫瘤細(xì)胞的能力相關(guān)[24]。與巨噬細(xì)胞相似,表達(dá)PD-1的人類DCs通過抑制 CD8+T 細(xì)胞分泌IL-2和IFN-γ抑制抗腫瘤免疫[25]。表達(dá)PD-1的B細(xì)胞可以在甲狀腺腫瘤中積聚,盡管它們分泌白介素-10低于PD-1陰性B細(xì)胞,但可以通過PD-1/PD-L1依賴方式抑制 T細(xì)胞反應(yīng)[26]。

2.2 PD-1及其配體 PD-L1、PD-L2與支氣管哮喘治療 目前,大多數(shù)研究通過小鼠模型探討PD-1在哮喘發(fā)病中的作用。研究發(fā)現(xiàn)PD-1和PD-L2在卵清蛋白誘導(dǎo)的哮喘小鼠肺組織中的表達(dá)水平增高。此外,研究發(fā)現(xiàn)DCs表面PD-L2表達(dá)水平明顯增高,而T和B細(xì)胞表面PD-1表達(dá)水平明顯增高。研究人員采用IFN-γ、IL-4和IL-13等細(xì)胞因子對(duì)骨髓來源的DCs進(jìn)行體外處理,導(dǎo)致PD-L2表達(dá)水平增加;進(jìn)一步與小鼠IgG Fc結(jié)構(gòu)域融合的重組PD-L2-Fc用于確定PD-L2體內(nèi)和體外模型的功能,發(fā)現(xiàn)體外PD-L2-Fc可以降低T 細(xì)胞的增殖能力并降低IL-4、IL-5和IL-13分泌水平,提示PD-L2 對(duì)哮喘發(fā)病的抑制作用[27]。與體外結(jié)果相反,PD-L2-Fc體內(nèi)給藥導(dǎo)致哮喘小鼠T和B細(xì)胞反應(yīng)、嗜酸性粒細(xì)胞和淋巴細(xì)胞氣道浸潤(rùn)增加,從而加重氣道炎性反應(yīng)。體外和體內(nèi)結(jié)果之間的差異可能反映了PD-L2與細(xì)胞相互作用時(shí)間的重要性,從而導(dǎo)致體內(nèi)惡化。另一種可能性是重組PD-L2可與第二個(gè)受體相互作用并增強(qiáng)T細(xì)胞活化[28]。

研究認(rèn)為,PD-L1與Tregs的產(chǎn)生有一定相關(guān)性。PD-L1可以促進(jìn)T細(xì)胞轉(zhuǎn)化為誘導(dǎo)性調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(induced regulatory T-cells, iTregs)[29]。研究發(fā)現(xiàn),PD-1通過誘導(dǎo)iTregs逆轉(zhuǎn)小鼠哮喘模型氣道高反應(yīng)性和氣道炎性反應(yīng)[30]。有研究顯示PD-L2小鼠哮喘模型對(duì)恒定自然殺傷細(xì)胞T(invariant natural killer T cells, iNKT cells)的影響,發(fā)現(xiàn)不存在PD-L2時(shí),iNKT細(xì)胞可以增加卵清蛋白誘導(dǎo)的PD-L2-/-小哮喘鼠模型AHR和氣道炎癥,且分泌IL-4水平明顯增高,提示PD-L2抑制iNKT功能和細(xì)胞因子的產(chǎn)生。而PD-L1-/-小鼠AHR和氣道炎性反應(yīng)降低,iNKT細(xì)胞分泌IFN-γ增加[31]。

第2組固有淋巴細(xì)胞(group 2 innate lymphoid cells, ILC2s)是促進(jìn)哮喘AHR和氣道炎性反應(yīng)的Th2細(xì)胞因子的重要來源。Helou等[32]證明,在IL-33誘導(dǎo)的氣道炎性反應(yīng)中,PD-1抑制ILC2的活性并降低其效應(yīng)功能。此外,使用 PD-1激動(dòng)劑可以降低小鼠肺部炎性反應(yīng)模型AHR。因此,PD-1激動(dòng)劑抑制AHR和氣道炎性反應(yīng)支持其在哮喘治療中的潛在臨床價(jià)值。

迄今為止,沒有關(guān)于使用 PD-1激動(dòng)劑治療哮喘患者的報(bào)道。然而,在輕度持續(xù)和中度至重度年輕哮喘患者中發(fā)現(xiàn)PD-1+Tregs數(shù)量增高和 PD-L1+Tregs顯著降低,提示PD-1/PD-L1信號(hào)通路異常導(dǎo)致Tregs數(shù)量減少。另一方面,與健康對(duì)照組相比,輕度持續(xù)和中重度持續(xù)組哮喘患兒PD-1+Th17百分比顯著升高,PD-L1+Th17百分比下降,提示PD-1/PD-L1通路異常與Th17細(xì)胞數(shù)量的增加有關(guān)。改變PD-1/PD-L1信號(hào)通路可能誘導(dǎo)Th17 細(xì)胞數(shù)量增加并導(dǎo)致Tregs數(shù)量減少,打破Tregs/Th17平衡,促進(jìn)哮喘的發(fā)生發(fā)展[33]。Bratke等[34]在哮喘患者中使用支氣管內(nèi)過敏原激發(fā),發(fā)現(xiàn)支氣管 PD-1+CD4+T細(xì)胞減少,伴隨支氣管mDCs和pDCs表面PD-L1表達(dá)水平增加。這些發(fā)現(xiàn)提示PD-L1在免疫檢查點(diǎn)受體和哮喘的免疫失調(diào)中發(fā)揮重要作用。

PD-L2表達(dá)水平與哮喘患者嚴(yán)重程度正相關(guān)。過敏原導(dǎo)致小鼠哮喘模型肺mDCs表面PD-L2表達(dá)水平增高,而阻斷PD-L2可以降低AHR。這些研究提示PD-L2可以促進(jìn)或增強(qiáng)哮喘AHR[28,35],然而,這些結(jié)果與之前PD-L2 抑制哮喘AHR的研究不同[31]。綜上所述, PD-1激動(dòng)劑可用于降低哮喘AHR,但對(duì)于PD-L1和PD-L2的作用存在一定爭(zhēng)議。

3 結(jié)語

越來越多的證據(jù)表明 PD-1及其配體在支氣管哮喘中發(fā)揮重要作用。動(dòng)物研究表明,使用PD-1激動(dòng)劑可以顯著降低哮喘氣道高反應(yīng)性和氣道炎性反應(yīng);PD-L2通過下調(diào)IL-4同時(shí)上調(diào)IFN-γ表現(xiàn)出抑制作用,導(dǎo)致哮喘AHR降低,而PD-L1可以通過誘導(dǎo)Tregs產(chǎn)生介導(dǎo)免疫耐受。這些研究提示,調(diào)節(jié)PD-1配體介導(dǎo)的通路,激活PD-L2或PD-L1可能是支氣管哮喘的一個(gè)有希望的治療靶點(diǎn)。