髓系抑制性細(xì)胞在細(xì)菌感染性疾病中的作用研究①

陳志強(qiáng) 朱玥潔 張峰波 丁劍冰（新疆醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，烏魯木齊 830011）

細(xì)菌感染對人類免疫系統(tǒng)造成了嚴(yán)重的威脅，特別是在免疫力低下的人群中，例如兒童、老年人以及術(shù)后的患者，細(xì)菌感染常會引發(fā)敗血癥或死亡的發(fā)生［1-2］。深入地認(rèn)識細(xì)菌感染機(jī)體的致病機(jī)制，能更好地清除致病菌，維護(hù)機(jī)體免疫平衡。近年來，源自髓系祖細(xì)胞的未成熟細(xì)胞的異質(zhì)群體得到了廣泛的關(guān)注（截至目前已在PubMed 上列出了5 400多項(xiàng)研究），其具有免疫抑制功能，稱為髓系抑制性細(xì)胞（myeloid-derived suppressor cells，MDSCs）。已經(jīng)在人類癌癥和鼠腫瘤模型的背景下對MDSCs進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)它有助于免疫抑制性腫瘤微環(huán)境［3］。隨后MDSCs在一些自身免疫性疾病和感染在內(nèi)的病理?xiàng)l件下發(fā)揮的作用和功能被強(qiáng)調(diào)［4-5］。值得注意的是，MDSCs 不是一個單一的細(xì)胞子集，而是代表一組具有共同生物學(xué)活性的表型不同的髓樣細(xì)胞，具體取決于它們所在的發(fā)生部位或疾病階段［6］。在治療上，亦發(fā)現(xiàn)了幾種關(guān)于如何干擾或者靶向MDSCs 的方法，并進(jìn)行了癌癥的臨床前和臨床研究［7-8］。本文總結(jié)了MDSCs 在細(xì)菌感染中的研究現(xiàn)狀。此外，本綜述專注于細(xì)菌感染中病原體介導(dǎo)MDSCs激活的分子機(jī)制。

1 MDSCs的表征

MDSCs 來源于髓系祖細(xì)胞和未成熟髓系細(xì)胞，在生理?xiàng)l件下，迅速分化為成熟的粒細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞（dendritic cell，DC）和巨噬細(xì)胞，然后從骨髓中遷移至相應(yīng)的外周器官和組織，發(fā)揮正常的免疫功能［9］。然而，在癌癥、感染、炎癥、自身免疫病等病理情況下，這些髓源性祖細(xì)胞的成熟會被一些細(xì)胞因子抑制，因此它們會停留在不同的分化階段，成為具有免疫抑制功能的MDSCs［10］。傳統(tǒng)上，描述了兩個主要的MDSCs 子集，即粒細(xì)胞/中性粒細(xì)胞MDSCs（polymorphonuclear myeloid-derived suppressor cells，PMN-MDSCs）和單核MDSCs（monocytic myeloid-derived suppressor cells，M-MDSCs），它們在形態(tài)學(xué)和免疫抑制機(jī)制上有很大區(qū)別。在小鼠中，PMN-MDSCs 被定義為CD11b+Gr-1+Ly6GhighLy6Clow細(xì)胞，看起來類似于具有大而圓核的單核細(xì)胞，而M-MDSCs 被定義為CD11b+Gr-1+Ly6GlowLy6Chigh細(xì)胞，被描述為具有多葉形核，有些類似于多形核細(xì)胞［11］。人 的M-MDSCs 和PMN-MDSCs 的表型特征分別被描述為HLA-DR-/lowCD11b+CD33+CD14+CD15-和HLADR-CD11b+CD33-CD15+CD14-。隨著對MDSCs研究的不斷推進(jìn)，有學(xué)者提出了以其他不同的基因表達(dá)譜區(qū)分MDSCs 和其他粒細(xì)胞或單核細(xì)胞，如CD244、脂肪酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2（FATP2）被認(rèn)為可以更有效地區(qū)分小鼠的M-MDSCs 和PMN-MDSCs［12］。而在人類中，建議用CD84和S100A9 識別MDSCs，CD66b用于區(qū)分PMN-MDSCs 和M-MDSCs。值得注意的是，凝集素型氧化LDL 受體1（LOX-1）作為人類PMN-MDSCs 的特異性標(biāo)志物，被用來區(qū)分PMNMDSCs 與M-MDSCs 和正常中性粒細(xì)胞。至少在沒有明確MDSCs 標(biāo)記之前，表型特征不足以完全識別MDSCs，因此顯示抑制功能以正確識別MDSCs 顯得至關(guān)重要。

2 MDSCs的擴(kuò)增聚集活化

在健康個體的外周血中只存在少量MDSCs，在癌癥、炎癥及感染時，MDSCs 含量會隨著病程逐漸增加［13］。在這方面還需要解決的一個重要問題是了解促成MDSCs 擴(kuò)增和聚集的因素和機(jī)制。細(xì)胞因子包括前列腺素E2（PGE2）、IL-6、IL-10、IL-1β、IL-4 和TGF-β 均顯示參與上述病理?xiàng)l件中MDSCs的募集和增殖。具體表現(xiàn)為IL-1β 和IL-6 可以誘導(dǎo)MDSCs 在炎癥部位的積累和激活。IL-1β 不僅促進(jìn)MDSCs 的聚集，還誘導(dǎo)MDSCs 擴(kuò)增所必需的其他分子的表達(dá)，如血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）、IL-6 和GM-CSF。有些細(xì)胞因子，如IL-10 和TGF-β 能誘導(dǎo)MDSCs 擴(kuò)增介導(dǎo)其發(fā)揮抑制功能。故MDSCs 也能正向調(diào)控TGF-β 的產(chǎn)生，這樣的反饋回路對維持其抗炎癥反應(yīng)具有重要意義［14］。研究報道，信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子3（STAT3）被認(rèn)為是促進(jìn)MDSCs 擴(kuò)增的主要驅(qū)動因素，多種細(xì)胞因子（包括M-CSF、IL-6、GM-CSF 和VEGF）都通過激活STAT3 來促進(jìn)MDSCs 增殖和分化［15］。激活的STAT3 還誘導(dǎo)S100A8/9（一種促炎蛋白）的表達(dá)，可抑制DC 分化，從而有利于MDSCs 擴(kuò)增。另外，STAT1、STAT6及NF-κB也在MDSCs的激活和功能中發(fā)揮作用。

3 MDSCs的免疫抑制機(jī)制

MDSCs 的特征之一是免疫抑制功能，其主要通過抑制T 細(xì)胞介導(dǎo)的抗腫瘤和抗感染免疫，使腫瘤細(xì)胞或病原體逃避免疫監(jiān)視，進(jìn)而促進(jìn)疾病朝著持續(xù)性或慢性發(fā)展。目前研究表明MDSCs 發(fā)揮的抑制功能與其亞群密切相關(guān)。PMN-MDSCs 和M-MDSCs 通過不同的機(jī)制抑制T 細(xì)胞功能，PMN-MDSCs增加了NADPH 氧化酶（Nox）活性，導(dǎo)致高水平的ROS，產(chǎn)生低水平的一氧化氮（NO）［16］。M-MDSCs則表達(dá)高水平的NO，但表現(xiàn)低ROS產(chǎn)生。PMN-MDSCs通過高濃度ROS不僅誘導(dǎo)T細(xì)胞凋亡，還下調(diào)TCRζ鏈表達(dá)，使TCR 信號受損，導(dǎo)致T 細(xì)胞無反應(yīng)性［17］。研究發(fā)現(xiàn)ROS 抑制劑可阻斷MDSCs 對T 細(xì)胞的抑制作用。M-MDSCs 通過高水平NO 破壞IL-2 受體下游的信號通路，促進(jìn)T 細(xì)胞凋亡和過氧亞硝酸鹽的形成，同時NO 作為強(qiáng)大的氧化劑之一，能夠通過硝化改變T 細(xì)胞上TCR 和CD8+的分子結(jié)構(gòu)。造成這些受體無法對抗原特異性刺激作出反應(yīng)［18］。最近，又有研究表示NO的產(chǎn)生被證明會損害Fc受體介導(dǎo)的自然殺傷細(xì)胞功能，導(dǎo)致癌癥對單克隆抗體治療的反應(yīng)受損［19］。值得注意的是PMN-MDSCs 和MMDSCs 亞群都高表達(dá)精氨酸酶-1（Arginase 1,Arg-1）。Arg-1被認(rèn)為是重要的免疫抑制介質(zhì)，能夠?qū)-精氨酸轉(zhuǎn)化為L-鳥氨酸和尿素，從而導(dǎo)致L-精氨酸的消耗，使效應(yīng)性T 細(xì)胞在免疫反應(yīng)中缺乏L-精氨酸，導(dǎo)致T 細(xì)胞無法增殖，免疫功能下降。亦有報道，MDSCs 通過上調(diào)程序性死亡配體1（programmed death 1 ligand，PD-L1）發(fā)揮 其免疫 抑制作 用［19］。PD-L1 與T 細(xì)胞上表達(dá)的程序性細(xì)胞死亡蛋白1（programmed death 1，PD-1）受體的結(jié)合導(dǎo)致T 細(xì)胞的功能衰竭或失去產(chǎn)生IFN-γ 的能力，用PD-L1 抗體可阻斷MDSCs對T細(xì)胞的免疫抑制能力。

除了抑制T 細(xì)胞外，MDSCs 還會影響其他免疫細(xì)胞的活性和功能，例如，MDSCs 通過表達(dá)免疫抑制細(xì)胞因子TGF-β 來抑制NK 細(xì)胞的細(xì)胞毒性；調(diào)節(jié)性T 細(xì)胞（regulatory T cells，Tregs）是一組抑制免疫反應(yīng)的T 細(xì)胞亞群，MDSCs 產(chǎn)生CCR5 配體CCL4和CCL5，它們通過在Tregs表面高表達(dá)的CCR5受體將Tregs募集到病變組織，發(fā)揮抑制功能［20］。MDSCs分泌的IL-10 和IFN-γ 可以進(jìn)一步激活Tregs。Tregs和MDSCs復(fù)雜的交互作用進(jìn)一步抑制抗感染免疫。

4 MDSCs與細(xì)菌感染

幾種細(xì)菌已被證明在體外和體內(nèi)誘導(dǎo)或調(diào)節(jié)MDSCs，考慮到部分細(xì)菌感染參考文獻(xiàn)數(shù)量有限，本文主要論述了MDSCs 在結(jié)核分枝桿菌、金黃色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌以及膿毒癥感染中的變化特點(diǎn)和在感染過程中的作用。

4.1 結(jié)核分枝桿菌相關(guān)的MDSCs 研究 結(jié)核?。═uberculosis，TB）是由結(jié)核分枝桿菌引起的感染，是人類健康的主要威脅之一［21］。已知TB 的發(fā)生與T 細(xì)胞反應(yīng)受損相關(guān)，但其潛在的免疫機(jī)制仍不完全清楚。最近報道，在小鼠中，熱滅活的結(jié)核分枝桿菌能夠誘導(dǎo)MDSCs，后者產(chǎn)生NO 和超氧陰離子發(fā)揮抑制免疫的作用［22］。同樣，急性（家庭暴露在3 個月內(nèi)）和慢性結(jié)核病患者的外周血和支氣管肺泡灌洗樣本中的MDSCs 數(shù)量均顯著增加，這些細(xì)胞抑制CD4+和CD8+T 細(xì)胞的功能，包括T 細(xì)胞增殖、T細(xì)胞運(yùn)輸改變以及IL-2、IFN-γ和TNF的產(chǎn)生［23］。在小鼠實(shí)驗(yàn)性肺結(jié)核中，MDSCs 在感染小鼠的肺中積累，MDSCs 容易吞噬結(jié)核分枝桿菌，并釋放IL-6、IL-10 等細(xì)胞因子，同時保持其抑制能力。肺中MDSCs 數(shù)量與TB 致死率呈正相關(guān)，MDSCs 的靶向消耗可改善小鼠TB 模型中的疾病進(jìn)展。這些研究表明MDSCs 在結(jié)核病期間持續(xù)擴(kuò)增，并在宿主與病原體的相互作用中發(fā)揮雙重作用：它們吞噬但不殺死分枝桿菌，從而為結(jié)核桿菌的生存提供了庇護(hù)所，同時抑制周圍效應(yīng)T細(xì)胞的反應(yīng)。

MDSCs與T細(xì)胞的相互作用已在結(jié)核病患者中建立，但對影響抗原特異性應(yīng)答淋巴細(xì)胞的作用機(jī)制仍有待闡明。最近在實(shí)驗(yàn)性結(jié)核病研究中已經(jīng)確定了參與MDSCs 功能調(diào)節(jié)的細(xì)胞表面分子［24-25］。在患有分枝桿菌胸膜炎的小鼠中，MDSCs 通過表達(dá)tmTNF-α 與表達(dá)TNFR2 的CD4+T 細(xì)胞結(jié)合，細(xì)胞間相互作用增強(qiáng)了MDSCs 的活性。在體外分枝桿菌感染時，人類MDSCs 上調(diào)PD-L1 并使用該檢查點(diǎn)分子來限制T細(xì)胞增殖。最近的一項(xiàng)研究表明MDSCs抑制IFN-γ的生成，而IFN-γ可通過降低Arg-1活性，抑制PD-1/PD-L1，從而降低MDSCs 的抑制功能，這可能解釋了終末期結(jié)核病患者的嚴(yán)重免疫抑制。在癌癥研究中，描述了純化的MDSCs 中富含的其他酶的相關(guān)性，例如NADPH 和COX2［26］，以及MDSCs和自噬分子之間的相互作用關(guān)系，當(dāng)前在人類結(jié)核病中也報告了類似的發(fā)現(xiàn)，但還需要進(jìn)一步研究。4.2 金黃色葡萄球菌相關(guān)的MDSCs 研究 金黃色葡萄球菌是人類社區(qū)獲得性和醫(yī)院感染的主要原因，據(jù)報道，MDSCs 在金黃色葡萄球菌引起的慢性感染中具有重要作用。在金黃色葡萄球菌慢性膿腫的小鼠模型中，已證明效應(yīng)CD4+T 細(xì)胞功能的逐漸下降與感染向慢性發(fā)展有關(guān)，而MDSCs 的擴(kuò)增被認(rèn)為是導(dǎo)致進(jìn)行性T細(xì)胞功能障礙和無法消除金黃色葡萄球菌的原因［27］。同樣，HEIM 等［28］和JOSSE等［29］證明MDSCs 在感染的假體關(guān)節(jié)中建立慢性金黃色葡萄球菌生物膜方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。研究表明MDSCs 抑制了受感染關(guān)節(jié)中單核細(xì)胞/巨噬細(xì)胞的促炎活性，因?yàn)橥ㄟ^消耗MDSCs 可以增強(qiáng)招募的單核細(xì)胞的促炎功能促進(jìn)生物膜的清除。與上述發(fā)現(xiàn)一致，來自患者和被金黃色葡萄球菌感染的小鼠模型中金黃色葡萄球菌生物膜主動將宿主免疫反應(yīng)偏向抗炎表型，其特征是優(yōu)先募集MDSCs 與抗炎的單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞，此外，研究證實(shí)MDSCs向金黃色葡萄球菌生物膜部位的募集是由IL-12 介導(dǎo)的，并且被募集的MDSCs 釋放的IL-10 還負(fù)責(zé)抑制單核細(xì)胞/巨噬細(xì)胞的抗菌作用［30］。MDSCs 的消耗導(dǎo)致細(xì)菌清除率提高，而MDSCs 增加可促進(jìn)該生物膜模型中的疾病嚴(yán)重程度?？傊?，針對金黃色葡萄球菌感染中MDSCs的研究表明，MDSCs在金黃色葡萄球菌感染的宿主中具有相當(dāng)有害的作用。目前，PMN-MDSCs為優(yōu)勢亞群會滲入金黃色葡萄球菌生物膜并建立導(dǎo)致持續(xù)感染的抗炎環(huán)境被廣泛認(rèn)可［31］。體外研究顯示，雖然M-MDSCs和PMN-MDSCs均可以在加入低濃度金黃色葡萄球菌后擴(kuò)增，此時M-MDSCs 的比例遠(yuǎn)大于PMN-MDSCs，但隨著金黃色葡萄球菌濃度的增加，并不能引起M-MDSCs繼續(xù)擴(kuò)增，這一特點(diǎn)在隨后的研究描述為了適應(yīng)高濃度的金黃色葡萄球菌生物膜，增加的M-MDSCs比例可能進(jìn)一步分化為M2 型巨噬細(xì)胞以維持固定水平的M-MDSCs。在金黃色葡萄球菌感染模型中，MDSCs是否存在特定亞群參與免疫抑制還需要進(jìn)一步研究。

4.3 肺炎克雷伯菌相關(guān)的MDSCs 研究 肺炎克雷伯菌是與人類感染相關(guān)的最具侵略性的多重耐藥菌之一，導(dǎo)致高病死率和發(fā)病率。在感染多藥耐藥肺炎克雷伯菌的臨床分離株后，MDSCs 會被高度誘導(dǎo)，特別是其亞群M-MDSCs會迅速募集去取代最初中性粒細(xì)胞反應(yīng)［32］。這些M-MDSCs 表達(dá)抗炎表面標(biāo)志物并顯示出受損的吞噬能力。研究發(fā)現(xiàn)，在肺炎克雷伯菌期間，最早募集的MDSCs 高表達(dá)的IL-10 會指導(dǎo)免疫反應(yīng)，對宿主的生存至關(guān)重要。具體而言，IL-10 的產(chǎn)生可防止不受控制的細(xì)胞因子產(chǎn)生，減少肺損傷并改善細(xì)菌清除，盡管這是以延遲氣道中的細(xì)菌清除為代價。為了應(yīng)對細(xì)菌感染，MDSCs 的募集和活動都會抑制先天性和適應(yīng)性免疫反應(yīng)，導(dǎo)致慢性感染［33］。這看上去MDSCs 對機(jī)體具有輔助損傷作用，可在CHAKRABORTY 等［34］和PE?ALOZA 等［35］的研究中明確地指出M-MDSCs 和其他骨髓細(xì)胞產(chǎn)生IL-10 是在肺炎克雷伯菌感染期間保護(hù)肺的主要機(jī)制。MDSCs 是敵人還是朋友，可能需要考慮疾病發(fā)生部位以及病程的發(fā)展，這需要更多的研究進(jìn)行描述。

4.4 膿毒癥相關(guān)的MDSCs 研究 膿毒癥被定義為“由宿主對感染的反應(yīng)失調(diào)引起的危及生命的器官功能障礙”［36］。在膿毒癥中，大多數(shù)相關(guān)研究分析了MDSCs 對暴露于盲腸結(jié)扎穿孔誘導(dǎo)的多種微生物膿毒癥的小鼠的影響。膿毒癥分為兩個階段，第一階段的特征是最初的急性炎癥期，然后是繼發(fā)性炎癥和免疫抑制期，在膿毒癥發(fā)作后的早期MDSCs比晚期MDSCs 分泌更少的S100A9，并且在LPS 和IL-6的作用下，TNF、IL-10、ROS和Arg-1更少。而對于GM-CSF，早期MDSCs 會產(chǎn)生RNS 和促炎細(xì)胞因子，而晚期MDSCs 產(chǎn)生Arg-1、IL-10和TGF-β。更有趣的是，研究者還觀察到膿毒癥晚期MDSCs 群體中CD31 陽性的細(xì)胞百分比更高，而CD31 是早期骨髓細(xì)胞的標(biāo)志物，當(dāng)用GM-CSF 刺激時，這些細(xì)胞也缺乏進(jìn)一步分化的能力，提示處于晚期的MDSCs 群體比早期MDSCs 更加不成熟和免疫抑制更強(qiáng)。以上也充分證明了MDSCs 作用在膿毒癥中具有時間依賴性，取決于膿毒癥的階段。有研究認(rèn)為，在膿毒癥中，可以預(yù)測MDSCs 根據(jù)疾病進(jìn)展發(fā)揮著雙重作用［37］。一方面，可能有益于限制敗血癥早期的過度炎癥，從而防止早期器官功能障礙，這與金黃色葡萄球菌感染模型中MDSCs 有害的發(fā)現(xiàn)相反，在膿毒癥中MDSCs 似乎有利于宿主［38］。另一方面，MDSCs可能會通過長期免疫抑制，導(dǎo)致膿毒癥病人群產(chǎn)生不利影響，主要還是通過各種機(jī)制抑制T 細(xì)胞的活性與增殖，包括L-精氨酸的降解、活性氧和活性氮物質(zhì)（ROS、RNS）的產(chǎn)生、分泌抗炎/免疫抑制細(xì)胞因子如IL-10、TGF-β［39］。亦有新研究表明，膿毒癥誘導(dǎo)的PD-L1高表達(dá)的MDSCs，尤其是PMN-MDSC，可能在膿毒癥早期通過PD-L1/PD-1 途徑誘導(dǎo)T 細(xì)胞衰竭，從而發(fā)揮免疫抑制作用［40］。隨后CHEN 等［41］的研究發(fā)現(xiàn)，脾切除可以通過減少膿毒癥MDSCs 中PD-L1 的表達(dá)來保護(hù)膿毒癥小鼠免于免疫細(xì)胞衰竭。由此說明，對于膿毒癥患者，通過阻斷MDSCs所介導(dǎo)的PD-L1/PD-1 途徑可能是一種恢復(fù)膿毒癥免疫穩(wěn)態(tài)的有效方法。

5 結(jié)語與展望

MDSCs 一直以來被認(rèn)為主要在癌癥中發(fā)揮抑制功能，最近的研究發(fā)現(xiàn)，在結(jié)核分枝桿菌、金黃色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌以及膿毒癥等細(xì)菌性感染疾病中的MDSCs 也有免疫抑制作用。在這些感染中，MDSCs 有利于病原體抵抗宿主最佳的免疫反應(yīng)，加重感染病程甚至慢性持續(xù)性感染。因此，非常有必要探討細(xì)菌感染性疾病中病原體和宿主來源的信號如何借助MDSCs 發(fā)揮免疫作用，并以此作為治療靶點(diǎn)控制細(xì)菌感染。這一策略將擴(kuò)展至其他的細(xì)菌感染性疾病中，例如布魯氏菌感染引起的布魯氏菌病。