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免疫学最新研究成果综述

时间:2019-02-01 10:07作者:曼切
本文导读:这是一篇关于免疫学最新研究成果综述的文章,未来, 通过对根本性、重大免疫学科学问题的不断探索, 借助高通量、高精度技术手段的不断革新, 相信免疫学家将从更宏观的视野认识免疫系统在机体与环境相互作用中的平衡调控作用, 以更精准的角度解析免疫细胞生命活动

  摘    要: 2018年, 美国德克萨斯大学安德森癌症中心的詹姆斯·艾莉森 (James P. Allison) 教授与日本京都大学的本庶佑 (Tasuku Honjo) 教授因创建了新型癌症免疫治疗方法获得了诺贝尔生理学与医学奖。这一创新性研究成果充分体现了免疫学基础研究在重大免疫相关疾病发病机制研究及疾病防治中的基础性、支撑性作用。这一年, 国内外免疫学研究在基础理论及临床应用各个方向蓬勃发展, 对诸多免疫学根本性、关键性科学问题有了更为深入的认识, 为免疫相关疾病发病机制研究和防治手段的革新带来了新的思路, 特别是肿瘤治疗方面取得重大进展。特别值得一提的是, 国内免疫学研究者做出了一系列受到领域同行认可的高水平、原创性科研成果, 为免疫学研究的发展贡献了重要力量。本文中, 我们回顾了2018年国内外免疫学研究领域的最新理论和应用成果, 与各位同行共同探讨免疫学研究的前沿热点和重大挑战。

  关键词: 天然免疫; 适应性免疫; 炎症; 免疫调节; 肿瘤免疫;

  Abstract: In 2018, Professor James P. Allison and Professor Tasuku Honjo won the Nobel Prize in Physiology or Medicine for their discovery of cancer therapy by inhibition of negative immune regulation. This innovative research achievement reflects a fundamental role of basic immunological research in revealing the pathogenesis of major immune-related diseases and developing disease prevention and treatment strategies. This year, immunology research has developed rapidly in both basic theory and translational medicine at home and abroad, and has gained a deeper understanding of many fundamental and key scientific issues of immunology. These discoveries have shed new light on the pathogenesis and treatment of immune-related diseases, especially in the field of cancer treatment. In addition, Chinese immunologists have made a series of original scientific research achievements. Here we reviewed the latest achievements in immunology research in 2018 at home and abroad, and discussed the frontier directions and major challenges.

  Keyword: Innate immunity; Adaptive immunity; Inflammation; Immune regulation; Tumor immunology;

  2018年, 诺贝尔生理学或医学奖再次垂青免疫学家———授予美国德克萨斯大学安德森癌症中心免疫学系教授詹姆斯·艾莉森 (James P.Allison) 与日本京都大学免疫学系教授本庶佑 (Tasuku Honjo) , 以表彰他们在发现两种负向免疫调节分子、创建了“负负得正”的新型癌症免疫治疗方法中做出的卓越贡献。这一创新性研究成果充分体现了免疫学基础研究在重大免疫相关疾病发病机制研究及疾病防治中的基础性、支撑性作用。

  2018年, 免疫学在基础理论研究中有了更加深入的本质性认识, 在免疫相关疾病发病机制研究、肿瘤治疗方面也取得重大进展。国内免疫学研究者近年来创新实力不断提升, 涌现出一批受到国际同行认可的原创性、突破性科研成果, 成为国际免疫学研究的重要力量。此文中, 我们梳理总结了2018年国内外免疫学研究领域较为代表性的理论研究及转化应用新成果, 与各位同行共同探讨免疫学研究的最新前沿和重大挑战, 如有疏漏之处, 敬请各位同行批评指正。

  1 天然免疫识别和应答

  天然免疫系统为自我成分与非我成分的区分识别奠定了免疫应答与调控的基础。天然免疫系统在病原体或损伤信号的刺激下, 激活一系列胞内通路, 激活炎症性免疫应答及抗病毒天然免疫, 启动天然免疫, 继而活化和调节适应性免疫, 达到清除感染、修复损伤的目的。天然免疫活化可诱导一系列反馈性调控机制, 控制炎症强度, 避免炎症损伤, 介导免疫的阴阳平衡。近期, 该领域研究取得诸多突破性进展, 主要包括新型免疫识别受体的鉴定、新型天然免疫信号调控和干扰素效应机制的发现。

免疫学最新研究成果综述

  1.1 天然免疫识别

  病原体入侵宿主后, 其表达的病原微生物相关分子模式 (Pathogen-associated molecular patterns, PAMPs) 能够被天然免疫细胞如树突状细胞、巨噬细胞等表达的模式识别受体 (Pattern recognition receptors, PRRs) 识别, 激活天然免疫。免疫系统可通过识别病毒来源DNA或RNA诱导Ⅰ型IFN产生并激活抗病毒免疫应答。HIV病毒DNA被胞内DNA识别受体cGAS识别后能够激活抗病毒天然免疫, 然而HIV感染时其DNA浓度不足以活化天然免疫, 需要HIV的衣壳蛋白来增强cGAS介导的天然免疫活化。那么HIV的衣壳蛋白是如何被天然免疫系统识别的呢?近期研究表明, 树突状细胞和巨噬细胞中的NONO能够识别HIV-2衣壳蛋白, 并和cGAS相互作用促进核内c-GAS识别DNA, 进而活化天然免疫抗病毒效应。该研究提示衣壳蛋白的受体NONO是一种独特的天然免疫识别机制[1]。

  除去目前已知的PAMPs和PRRs, 是否还存在新的PAMPs和PRRs激活天然免疫应答?近期研究发现, 革兰氏阳性菌脂磷壁酸 (Lipoteichoic acid, LTA) 能够识别并活化NLRP6炎性复合体, 继而通过ASC招募caspase-11和caspase-1, 促进巨噬细胞caspase-1和IL-1β/IL-18成熟[2]。北京生命科学研究所邵峰课题组新近发现, 细菌中ADP-Hep进入宿主细胞后能作为PAMP结合宿主PRR成分ALPK1激酶, 并刺激其C-端激酶结构域磷酸化活化TIFA, 介导Ⅲ型分泌系统依赖的NF-κB的活化和细胞因子的产生[3]。该研究描绘了新型PAMPs和PRRs及其在抗感染天然免疫中的信号通路, 相关成果发表于Nature杂志。中科院生物物理所范祖森课题组发现, 内质网膜适配器 (Endoplasmic reticulum adaptor protein, ERAdP) 能够识别胞内环状腺苷酸单磷酸 (c-di-AMP) 。c-di-AMP能结合ERAdP的C末端导致ERAdP二聚化, 促进TAK1激酶活化、NF-κB的激活, 诱导炎性细胞因子的产生。该研究揭示了ERAdP作为天然免疫受体对于激活抗细菌免疫应答的作用, 相关成果发表于Nat Immunol杂志[4]。

  NLRP3炎症小体能够识别高度多样性的激动信号如病原体入侵、损伤信号等, 触发炎症反应, 其异常可导致多种炎症性疾病。然而尚无证据表明NLRP3能够直接识别其激活物, 因而NLRP3如何识别这些结构、性质各异的激活分子尚不清楚。近期, 美国德克萨斯大学西南医学中心华人免疫学家陈志坚教授揭示了这一问题的答案。他们发现, NLRP3炎症小体的多种激动剂均能引起细胞内的高尔基体反面网络结构 (Trans-Golgi network, TGN) 解体成为分散的特殊结构 (d TGN) 。d TGN膜上富集的负电磷脂Ptd Ins4P能够诱导NLRP3的转运和聚集从而激活炎症小体, 活化下游的炎症信号[5]。该研究首次揭示了亚细胞结构d TGN在炎性小体活化激活中的重要作用, 为炎性反应的激活提供了新的机制解说。

  1.2 天然免疫信号调控

  病毒感染被天然免疫系统识别后, 诱导天然免疫细胞分泌大量干扰素, 引发抗病毒天然免疫。机体在及时识别病毒来源DNA激活干扰素抗病毒天然免疫的同时, 需要避免宿主DNA在胞浆的异常聚集。近期研究揭示了机体防止自身DNA过度聚集的机制。他们发现, 脱氧核苷三磷酸酶SAMHD1能够通过促进MER11的核酸外切酶活性来降解复制叉中的新生DNA, 从而激活ATR-CHK1检验点, 使陷入停滞的复制叉重新开始DNA复制。当SAMHD1缺失时, 细胞中DNA单链片段从复制叉中释放, 激活胞浆cGAS-STING通路并引发Ⅰ型干扰素释放和慢性炎症反应[6,7]。该研究揭示了SAMHD1通过限制停滞复制叉的ss DNA释放进而抑制cGAS介导的炎症的新型机制。此外, 某些情况下, 胞浆DNA受体cGAS会进入核内, 但其机制和功能尚不清楚。同济大学医学院戈宝学课题组发现DNA损伤能够诱导cGAS入核, 核内cGAS继而被招募至DNA受损的位点, 通过干扰PAPR1/Timeless复合体形成, 抑制DNA双链断裂损伤修复, 进而增加了基因组的不稳定性并最终促进肿瘤生长[8], 该研究成果发表于Nature杂志。

  机体在激活有效抗病毒免疫应答后, 需要及时终止免疫应答, 介导炎症消退, 维持免疫稳态。中国医学科学院曹雪涛课题组发现了一条新的长链非编码RNA lnc-Lsm3b能够抑制病毒RNA天然免疫受体RIG-Ⅰ的活性, 在免疫应答晚期发挥负反馈调节作用。该研究发现, lnc-Lsm3b能够与RIG-Ⅰ选择性结合, 在感染晚期通过分子诱饵竞争使得RIG-Ⅰ分子在病毒刺激时处于自身抑制的结构, 干扰了CARDs结构域与MAVS分子的相互作用, 保持RIG-Ⅰ蛋白的非活化状态[9]。由于lnc-Lsm3b由多种病毒诱导, 该研究揭示了一种由病毒诱导lncRNA介导的负反馈调控方式。该研究成果发表于Cell杂志。此外, 海军军医大学曹雪涛课题组还发现DNA甲基化氧化酶Tet2能够结合Socs3的mRNA的3'-UTR抑制其降解, 促进JAK-STAT信号通路的持续活化, 从而促进髓系祖细胞向髓系终末细胞分化, 有效清除病原体。结合前期研究关于Tet2能够在炎症消退期抑制特异性炎性细胞因子表达的发现, 说明Tet2在病原体感染时, 一方面能够促进髓系细胞的动员和分化, 放大抗病原体效应, 又能够抑制炎性细胞因子的产生, 避免天然免疫导致的组织损伤。该研究从全新的角度解释了表观遗传学机制在天然免疫和炎症中的平衡调控机制[10]。

  1.3 干扰素效应机制

  干扰素通过干扰素受体作用于不同的宿主细胞, 诱导干扰素诱导基因 (Interferon stimulated gene, ISG) 的表达, 下游发挥多样的生理学或免疫学效应。以往研究聚焦于干扰素激发的胞内信号通路的调控, 对于干扰素受体的调控机制和生物学意义知之甚少。中国医学科学院曹雪涛课题组近期报道, 磷酸化介导的IFN-γR2膜转位对巨噬细胞发挥天然免疫功能起关键作用。研究发现, 血管内皮细胞可以通过E-Selectin激活诱导BTK活化, 进而促进胞浆IFN-γR2磷酸化和从高尔基体向胞膜的转运, 该过程对巨噬细胞抵抗细菌感染是必须的[11]。该研究揭示了炎性环境中巨噬细胞关键免疫受体胞内转运的具体机制, 相关成果发表于Cell杂志。

  干扰素诱导基因能够通过多种机制抑制病毒感染。Viperin, S-腺苷甲硫氨酸 (S-adenosyl-L-methionine, SAM) 酶超家族成员, 能够在IFN诱导下广泛性地抑制RNA和DNA病毒复制。以往认为Viperin的这种抗病毒活性依赖于其与宿主和病毒蛋白之间的相互作用, 而近期研究揭示了其具体机制。研究表明, Viperin通过SAM酶活性依赖的方式催化三磷酸胞苷 (CTP) 转化为3'-脱氧-3', 4'-二氢-CTP (ddhCTP) 。ddhCTP是黄病毒属多个成员的RNA依赖性RNA聚合酶的链终止子, 具有直接抑制Zika病毒的体内复制的能力。该研究揭示了Viperin发挥广谱抗病毒作用的新机制, 即通过酶活性催化具有直接抑制病毒复制能力的核糖核酸小分子ddhCTP[12]。而ddhCTP如何选择性作用于病毒来源DNA而避开宿主DNA、ISG抵抗其他病原体的更多特殊机制、病原体和宿主相互作用的更多奥秘还有待深入研究。

  2 T淋巴细胞分化与功能

  T细胞作为适应性免疫应答的主要效应和调控细胞, 在细胞免疫和体液免疫中都发挥重要作用。T细胞在抗原提呈细胞、细胞因子等因素刺激下分化成为不同的T细胞亚群, 展现出多样化的功能特点和作用方式, 决定了免疫应答的最终效应。

  2.1 TCR信号活化

  T细胞通过表面T细胞抗原受体 (T cell receptor, TCR) 特异性识别APC表达的MHC-抗原肽复合体 (pMHC) 后, 启动胞内活化信号。TCR识别与活化的分子基础是T细胞免疫的关键问题。以往研究采用超分辨率显微镜的方法发现T细胞在活化前会出现TCR的成簇聚集, 被认为是T细胞的预激活状态。而最新的研究对该理论提出了挑战, 提出了新的观点。研究者使用互补的超分辨率方法和统计图像分析发现, 在非激活的CD4+T细胞中, TCR并不是成簇聚集的, 相反, 是广泛随机分布。该模型可能更适用于解释T细胞如何在庞大的TCR库中快速、准确地识别抗原[13]。

  胸腺细胞通过其TCR对相应p MHC配体的识别介导阳性选择和阴性选择, 形成T细胞的自身MHC限制性和自身抗原的耐受性。然而, T细胞如何通过TCR与p MHC的结合阈值来判断特定配体是否启动阴性选择或阳性选择?最新的研究提出了新的机制:在机械力的作用下, CD8分子及其激酶Lck能够区分诱导阳性选择的p MHC配体和诱导阴性选择的p M-HC配体。仅在阴性选择时, 识别配体会诱导TCR-p MHC-CD8三分子“捕获键 (Catch bonds) ”, 而阳性选择的配体则会诱导胸腺细胞形成更为短寿命的、TCR-pMHC或p MHC-CD8双分子“滑移键 (Clip bonds) ”[14]。这些研究也提示我们, 更加深入的显微技术和交叉学科手段对突破我们对于免疫细胞微观结构的认识局限, 真正还原如TCR等关键性细胞成分的结构和功能信息具有重要意义。

  2.2 辅助性T细胞

  初始CD4+T细胞在抗原信号、共刺激信号及细胞因子作用下增殖活化, 形成辅助性T细胞 (helper T lymphocyte, Th cell) , 调控T、B淋巴细胞应答。不同的T细胞亚群之间存在灵活的功能调控, 共同影响免疫应答的平衡及效应。该过程的信号活化受到多种外源性因素及内源性机制调节。近期的研究围绕这一问题取得诸多进展, 如: (1) 发现核孔复合体 (Nuclear pore complexes, NPCs) 通过调节核周边Cav2 (Encoding Caveolin-2) 和Jun表达, 促进TCR信号活化, 促进T细胞活化和适应性免疫应答[15]; (2) 发现脂肪组织的一群组织定居的γδT细胞能够分泌IL-17, 这群γδ17 T细胞能够控制Treg细胞稳态和适应性产热作用[16]; (3) 发现动脉粥样硬化性血脂异常能够通过IL-27促进CXCR3+滤泡辅助性T细胞 (T follicular helper cells, Tfh cell) 分化, 诱导自身免疫性疾病的病理改变[17]; (4) 发现人Th17细胞可根据IL-10的分泌分为两个亚亚群———IL-10+Th17细胞依赖c-MAP高表达免疫负调分子和组织定居分子, 而IL-10-Th17细胞高表达促炎分子和归巢分子[18,19]。这些研究从不同角度解释了适应性免疫应答的细胞与分子机制。

  值得一提的是, 最新的一项研究给我们认识Th细胞形成与功能机制带来的新的研究思路。他们发现MHCⅡ+Lgr5+肠道干细胞 (Intestinal stem cells, ISCs) 作为非经典APC能与肠道CD4+Th细胞相互作用, 而CD4+Th细胞分泌的细胞因子能反过来作用于肠道干细胞影响其更新和分化, 提示T细胞和组织干细胞之间存在复杂的相互作用, 共同调节组织稳态和免疫应答[20]。更多关于不同辅助性T细胞亚群在免疫应答的特定阶段或部位的特异性作用及其调控机制还有待挖掘, 特别是这些细胞在不同生理或病理状态下的动态调控机制还有待进一步研究。

  2.3 调节性T细胞

  调节性T细胞 (regulatory T cell, Treg cell) 是具有免疫抑制功能的功能亚群, 对免疫耐受与稳态维持具有重要作用。Treg细胞的分化与功能调控机制是近年来免疫学研究的重要领域。以往研究表明, Treg细胞并不是单一的细胞群体, 而是可以根据不同的转录因子或表面分子进行细分。Treg亚亚群的研究对透彻了解Treg细胞在免疫稳态中的具体作用和机制有重要意义。如Treg细胞可以根据其分泌的细胞因子性质分为促炎性和抑炎性的亚亚群。分泌IFN-γ的促炎性Treg细胞与自身免疫性疾病和肿瘤发生发展相关, 而分泌IL-10的抑炎性Treg细胞则能减轻慢性炎症的进展。而Treg细胞如何平衡IFN-γ和IL-10的分泌, 其中的机制尚不清楚。最新研究表明, 在多发性硬化性患者及高盐饮食患者中存在Treg细胞的IFN-γ和IL-10分泌平衡紊乱。高盐饮食能够活化转录因子β-catenin, 与PTGER2协同作用引发Treg细胞IFN-γ和IL-10分泌紊乱。因而PTGER2-β-catenin通路能够感知饮食变化, 通过调控Treg细胞亚群平衡影响自身免疫性疾病的进展[21]。此外, 近期研究显示, 一群表达CD161的新型人Treg细胞在组织损伤, 修复中发挥作用。CD161+Treg细胞富集于肠道固有层中, 在克罗恩氏病中更为明显。全反式维甲酸能够诱导Treg细胞的CD161基因表达上调。CD161+Treg具有显着的免疫抑制效果, 并在TCR信号活化下诱导上皮细胞损伤修复相关细胞因子的表达, 抑制炎症、加速组织损伤, 修复, 有利于炎症的控制。因而, CD161+Treg是一群新型的Treg细胞亚群, 在肠道上皮稳态与炎症平衡中发挥调控作用[22]。而这群细胞与其他T效应细胞、Treg细胞之间是否存在交叉调控, 其分化发育受到哪些关键转录因子或表观因子的调控还有待进一步研究。

  2.4 记忆性T细胞

  免疫记忆是适应性免疫的重要特征, 表现为免疫系统对曾经接触过的抗原能启动更为迅速和高效的免疫应答。记忆性T细胞是机体保护性免疫应答的重要组成部分。在缺乏抗原或MHC分子刺激的情况下, 记忆性T细胞可长期存活, 并进行动态的自我补充和更新。记忆性T细胞的免疫记忆功能如何得以建立和维持是研究的一大热点。近期研究表明, 嘌呤受体P2RX7是控制长期存活的中央及组织定居记忆性CD8+T细胞的维持和功能的关键因素。其机制为P2RX7在长期存活的记忆性CD8+T细胞中控制了线粒体的稳态和代谢功能, 该作用部分是通过活化AMP活化的蛋白激酶所介导。药物抑制或体内阻断P2RX7能够损伤记忆性CD8+T细胞的功能。该研究揭示了嘌呤受体P2RX7对长期存活记忆性CD8+T细胞的稳定与功能的关键作用[23]。此外, 记忆性T细胞能够长期储存细胞因子mRNA, 在应对二次感染时能够快速分泌细胞因子。而静息状态下, 这些预存的mR-NA能够保持稳定, 不被翻译。近期的一项研究揭示其中的调控机制。研究发现, 记忆性T细胞的蛋白质产生过程由其3'UTR区所控制。当敲除IFN-γ基因的3'UTR区的AU富集区后, 该细胞因子的mRNA水平不变而蛋白水平则呈现慢性长期表达。其机制为, AU富集区能够依赖结合蛋白ZFP36L2阻断细胞因子编码mRNA在核糖体的募集。因而, AU富集区在静息的记忆性T细胞中阻断mRNA的翻译, 维持机体的免疫稳态[24]。

  T细胞免疫记忆的另一个关键问题是, 组织定居CD8+记忆性T细胞在再次遭遇抗原、执行免疫效应后的命运如何, 是继续驻留还是进入循环?近期的一项研究表明, 皮肤组织定居CD8+记忆性T细胞接受抗原刺激后, 发生增殖活化, 但不会迁出表皮组织。继而, 在皮肤组织中, 预先存在的组织定居CD8+记忆性T细胞以及循环中前体细胞会补充形成新的次级组织定居CD8+记忆性T细胞, 而这些新形成的组织定居记忆性T细胞并不会取代预先存在的组织定居CD8+T记忆性细胞群体。因而, 预先存在的组织定居CD8+T记忆性细胞群体在二次感染会继续存在, 使得记忆性T细胞的抗原特异性得以扩充。该研究从群体水平揭示了组织定居CD8+记忆性T细胞的更新与稳定机制[25]。然而该机制是否适用于CD4+记忆性T细胞, 或其他组织器官的组织定居记忆性T细胞, 还有待于进一步研究。

  3 B细胞应答与抗体产生

  B细胞识别抗原后, 与辅助性T细胞之间发生复杂的相互作用, 进入淋巴小结形成生发中心, 并在生发中心内发生体细胞高频突变、抗体亲和力成熟及类别转化, 分化成为分泌抗体的浆细胞或记忆性B细胞。特异性体液免疫应答主要由B细胞及其产生的抗原特异性抗体所介导。近期研究从不同层面深入揭示了B细胞免疫应答的调控通路。

  代表性研究成果包括: (1) 发现CpG刺激下的Toll样受体9 (TLR9) 信号能够促进抗体产生, 但是抑制B细胞的抗原摄取、提呈能力和抗体亲和力成熟过程[26]; (2) 发现RNA结合蛋白PTBP1是B细胞亲和力成熟的关键分子, 能促进c-MYC依赖的基因表达, 促进B细胞阳性选择[27]; (3) 发现IL-9受体选择性表达在记忆性B细胞上, 促进再次免疫应答的抗体生成[28]; (4) 发现上皮组织DNA损伤能够激活γδTCR+上皮间淋巴细胞 (Intraepithelial lymphocytes, IELs) , 诱导B细胞生成肿瘤特异性Ig E, 抑制肿瘤发生[29]。在该领域, 清华大学免疫所刘万里课题组报道了自身免疫疾病相关的B淋巴细胞活化和分化调控新机制。他们发现, 人类膜联免疫球蛋白IgG1重链基因IGHG1上的SNP (rs117518546) 在系统性红斑狼疮 (Systemic lupus erythema-tosus, SLE) 患者中显着增加, 该SNP导致人类膜联免疫球蛋白IgG1第396位甘氨酸突变为精氨酸 (Ig G1-G396R) 。携带该SNP的SLE患者产生更多更广泛的IgG1型的自身抗体, 发生炎症反应的风险增加, 疾病活动指数也更高。该研究表明SNP为新的SLE易感基因位点, 为研究SLE等自身免疫疾病的致病机制和免疫防治提供新的潜在靶点[30]。该研究成果发表于Science杂志上。

  此外, 在生发中心形成和抗体生成过程中, B细胞与Th细胞的相互作用是否还受到淋巴结微环境其他成分的调控, 其对于清除感染、组织稳态、损伤修复等多种免疫过程, 以及自身免疫性疾病、肿瘤等免疫相关疾病发生发展存在的复杂影响还有待进一步发掘。

  4 代谢与免疫调节

  越来越多的研究提示, 免疫细胞的生命活动伴随着代谢通路的复杂变化, 而代谢分子在免疫细胞分化发育、功能活化、迁移运动等方面也发挥着重要的调控作用。近期研究发现代谢分子在不同免疫细胞、不同的生理病理状态下的多样化的调控作用, 对深入了解免疫细胞如何感知内外环境的变化做出精准应答的机制具有重要意义。

  代表性成果包括: (1) 在树突状细胞 (Dendritic cell, DC) 中, 发现与CD8α-DC相比, CD8α+DC表现出更强的有氧代谢, 且依赖于Mst1/2信号维持能量需求和线粒体稳定, 以促进CD8α+DC介导的CD8+T细胞活化和抗肿瘤免疫应答[31]; (2) 在巨噬细胞中, 发现衣康酸 (Itaconate) 通过KEAP1烷基化激活抗炎性转录因子Nrf2, 诱导一系列抗氧化和抗炎基因的表达, 抑制炎症反应的发生。衣康酸衍生物预处理可显着减轻LPS注射引起的体内炎症, 提示其在炎症性疾病中的潜在治疗能力[32];发现m TOR-Semaphorin 6D (Sema6D) -过氧化物酶体增殖物激活受体 (Peroxisome proliferator receptorγ, PPARγ) 通路是巨噬细胞由促炎状态向抑炎状态极化的关键调控环节[33]; (3) 在自然杀伤细胞 (Natural killer cell, NK cell) 中, 发现肥胖诱导NK细胞中的PPAR介导的脂质堆积, 引发NK细胞代谢与趋化紊乱, 抑制m TOR介导的糖酵解, 抑制NK细胞向肿瘤接触部位迁移, 最终抑制NK细胞的细胞杀伤活性和抗肿瘤能力[34]; (4) 在肿瘤浸润CD4+T细胞中, 发现内质网应激通路IRE1α-XBP1活化, 造成CD4+T细胞线粒体呼吸功能抑制, 从而抑制T细胞抗肿瘤应答[35]; (5) 在B细胞中, 发现在BCR信号接收抗原来源的第一信号后, 能迅速发生线粒体功能和糖酵解的抑制, 从而引起B细胞凋亡, 而第一信号刺激后的9 h内给予TLR或CD40来源的共刺激信号时, B细胞上调GLUT1表达且线粒体氧化磷酸化得以回复, 从而挽救B细胞存活和活化[36]。

  除了作为内源性调控因素影响细胞的活化或功能, 代谢分子还能影响免疫细胞及非免疫细胞间的信号传递, 最终影响免疫稳态。研究发现, 清除肠道共生菌后能够调控胆汁酸代谢, 上调肝窦内皮细胞表达CXCL16, 从而促进肝脏CXCR16+NKT细胞聚集, 介导对肝脏原发性肿瘤的抑制[37,38]。这提示了代谢平衡在肠道共生菌与免疫系统之间的调控作用, 为肝脏肿瘤的干预提供了新的思路。

  胞内代谢途径的靶向干预为免疫细胞功能调控、佐剂研发提供了新的思路。甲羟戊酸通路是被广泛研究的代谢通路, 靶向该通路的他汀类及双膦酸类药物被广泛应用于降胆固醇及抗骨质疏松。清华大学药学院张永辉课题组近期在Cell杂志发表论文, 揭示了靶向甲戊二羟酸途径在小鼠中良好的佐剂效果[39]。他们发现, 靶向甲戊二羟酸途径药物通过影响抗原递呈细胞中小G蛋白的翻译后异戊烯化修饰, 从而提高抗原提呈细胞的抗原递呈能力, 进而产生佐剂效应。甲羟戊酸通路的抑制剂能够增强机体Th1细胞和细胞毒性T细胞的免疫应答, 在多种肿瘤模型中表现出良好的抗肿瘤效果, 且和抗PD-1抗体具有很好的协同作用。该研究揭示了甲羟戊酸通路的新型免疫调节作用, 对疫苗佐剂的研发以及癌症免疫疗法提供了新的思路。

  5 肿瘤免疫

  免疫学基础研究对于人们深入了解肿瘤发生发展机制并研发新型有效的肿瘤治疗手段起到了重要的支撑作用。2018年诺贝尔生理学与医学奖授予了发现癌症免疫治疗方法抗CTLA-4和PD-1阻断性抗体的科学家James P.Allison教授与Tasuku Honjo教授。两位科学家创造性地制备了这两种阻断性抗体, 通过“负负得正”的原理, 使原本处于抑制状态的T细胞杀伤性功能得以恢复和强化, 从而达到了高效广谱的肿瘤治疗目的。此外, 耶鲁大学华人免疫学家陈列平教授在PD-L1的发现并应用于肿瘤免疫治疗领域做出了杰出贡献, 非常遗憾他未获得今年的诺奖。近期, 陈列平教授在Cell杂志发表综述论文, 提出了肿瘤免疫治疗从“免疫增强化”到“免疫正常化”转换的新观点:传统的免疫增强疗法用以激活全身性免疫应答, 新的免疫正常化疗法则根据肿瘤诱导的免疫逃逸机制靶向肿瘤微环境, 更有效且毒性更低[40]。这一新观点将为设计研发提供更有效的癌症免疫正常化疗法, 从而实现为最佳的肿瘤免疫治疗提供重要借鉴。近期的研究进一步揭示了机体抗肿瘤免疫的新机制、肿瘤免疫逃逸新机制、免疫检查点治疗疗效预判新指标、CAR-T细胞治疗新策略和肿瘤免疫治疗新靶标。

  5.1 机体抗肿瘤免疫新机制

  肿瘤微环境的多种基质细胞和免疫细胞之间存在复杂的相互影响和调控, 最终影响肿瘤的发生发展以及肿瘤治疗的效果。肿瘤微环境中的传统DC (conventional DC, c DC) 能够提呈肿瘤抗原, 调控T细胞的抗肿瘤功能, 其中1型c DC (c DC1) 能够将抗原携带至引流淋巴结, 通过交叉提呈活化CD8+T细胞, 激活抗肿瘤免疫。然而, 肿瘤局部c DC1的来源及其功能尚不清楚。近期研究表明, 肿瘤局部NK细胞能够通过表达趋化因子CCL5和XCL1招募c DC1进入肿瘤微环境, 介导抗肿瘤免疫应答, 而这一过程于肿瘤患者预后密切相关[41]。该研究解释了树突状细胞抗肿瘤免疫的新型机制, 提示增加c DC1可能成为潜在的肿瘤治疗手段。

  免疫检查点治疗靶点PD-1作为机体抗肿瘤免疫应答的“刹车分子”, 是否受到细胞内源性机制的调控以促进机体抗肿瘤免疫应答。中科院生化与细胞所许琛琦课题组在Nature杂志发表论文, 报道了PD-1的内源性降解机制及其在抗肿瘤免疫应答中的重要作用。他们发现, T细胞中E3连接酶FBXO38能够介导PD-1的溶酶体降解过程从而维持PD-1的低水平, 保证T细胞功能发挥。然而, 肿瘤浸润T细胞中, FBXO38低表达, 导致PD-1上调, 进而抑制其抗肿瘤免疫活性[42]。该项研究阐明了PD-1的新型蛋白质翻译后修饰调控机制, 有助于深入理解抗肿瘤免疫机制并设计新的肿瘤免疫治疗方法。

  5.2 肿瘤免疫逃逸新机制

  肿瘤间质微环境对肿瘤发生发展、转移以及产生耐药性等有多方面的调节作用。肿瘤间质微环境由癌相关成纤维细胞 (Cancer associated fibroblast, CAF) 和细胞外基质组成, 而特定的CAF亚群如何促进肿瘤细胞生长尚不明确。中山大学宋尔卫课题组发现在乳腺癌和胰腺癌中发现了一群CD10+GPR77+CAF亚群, 该CAF亚群能够促进肿瘤生长和对化疗的抵抗, 促进肿瘤逃逸。而靶向抑制CD10+GPR77+CAF能够恢复肿瘤对化疗药的敏感性[43]。该研究确认了CAF的两类分子标志物, 揭示了它们促进肿瘤干细胞增殖和抗药的作用机制, 相关成果发表于Cell杂志。

  除了肿瘤微环境的细胞间相互作用, 肿瘤与远端器官的相互调控是肿瘤作为一种系统性疾病的重要特征。然而, 肿瘤如何触发远端脏器的细胞分化实现肿瘤逃逸、引发全身性病理尚不清楚。海军军医大学曹雪涛院士课题组报道, 在晚期癌症肿大的脾脏中发现了一种称之为Ter细胞的新型红细胞样亚群, 此细胞呈现Ter-119+CD45-CD71+表型, 通过分泌神经营养因子Artemin进入循环促进癌症恶性进展。体内阻断Ter细胞来源的Artemin能够抑制肝细胞癌的生长、延长生存期。通过多个临床中心的肝癌患者队列研究发现, 肝癌患者血清Artemin水平越高, 预后越差[44]。该工作发现了癌症原发灶能够利用远端脾脏产生新型细胞亚群而导致患者病情恶化的新方式, 为癌症预后判断和干预治疗提出了新的潜在靶点, 相关成果发表于Cell杂志。此外, 中山大学生命科学院郑利民课题组发现肿瘤可通过重新启动脾脏髓外造血, 促进产生具有更强免疫抑制功能的髓系细胞, 加速肿瘤进展;并鉴定出其中的关键造血干/前体细胞亚群与调控机制, 相关成果发表于Journal of Clinical Investigation杂志[45]。这些发现对于深入理解肿瘤调控脾脏微环境, 进而反馈调节肿瘤发生发展的作用机制, 为选择性干预脾脏功能或造血来调节宿主抗肿瘤免疫功能的新型治疗策略提供了理论基础。

  5.3 免疫检查点治疗疗效预判新指标

  近年来, 针对CTLA-4或PD-1、PD-L1的免疫检查点阻断 (Immune checkpoint blockade, ICB) 在肿瘤治疗中取得了显着疗效。然而, 不同的患者或不同的肿瘤类型对于ICB治疗反应性各异, 其有效程度受到特殊的肿瘤表型、体细胞基因特征及肠道微生物组成等的复杂影响。然而, 尚不清楚肿瘤患者的种系遗传基因如何影响个体对ICB治疗的反应。近期的一项研究探究了1 535名接受ICB治疗的癌症患者, 并发现HLA-Ⅰ基因座 (A、B、C) 的最大杂合度的患者与至少一个HLA基因座为纯合的患者相比, 对这种治疗能够更好地作出反应。并且, 携带HLA基因型HLA-B44 supertype的患者能够对ICB治疗做出更好的反应, 生存率更高, 而携带HLA基因型HLA-B62 supertype或HLA-Ⅰ体细胞杂合性丢失的患者则预后更差[46,47]。该研究揭示了患者自身HLA基因如何能够在对ICB免疫治疗药物作出的反应中发挥作用, 对于深入预判ICB治疗效果、针对性开发研究新型肿瘤免疫治疗方法具有重要意义。

  5.4 CAR-T细胞治疗新策略

  嵌合抗原受体 (Chimeric antigen receptor, CAR) 修饰的T细胞免疫疗法在血液系统恶性肿瘤, 尤其是B细胞急性淋巴细胞白血病 (Acute lymphoblastic leukemia, ALL) 和B细胞淋巴瘤中展现出良好的治疗效果。如何增强体内CAR T细胞的功能稳定性、寻找新型有效CAR, 以及增强CAR T细胞治疗安全性是CAR T细胞免疫疗法的关键问题。

  在近期的一项针对接受19-28zCAR T治疗的复发性B细胞ALL成人患者的长期随访研究中发现治疗前肿瘤负荷低的患者与肿瘤负荷较高的患者相比, 在接受19-28zCAR T输注后, 前者的细胞因子释放综合征和神经毒性事件发生率显着降低, 缓解期和生存期明显延长[48]。抗原丢失是B细胞ALL对CD19靶向免疫治疗抵抗的常见原因。CD22在大多数B细胞ALL病例中也表达, 通常在CD19丢失后保留。最新研究证实了CD22-CAR在B细胞ALL中的治疗效果, 包括对抗CD19免疫治疗抵抗的白血病, 显示出在生物活性剂量与CD19-CAR相当的治疗B细胞ALL的能力[49]。

  CAR T细胞治疗带来的细胞因子释放综合征 (Cytokine-release syndrome, CRS) 和神经毒性严重阻碍了该方法的广泛适用。近期研究证实, 人单核细胞是CRS中IL-1和IL-6的主要来源。通过单核细胞耗竭或用妥西单抗阻断IL-6受体可减轻CRS, 但不能减轻神经毒性;而IL-1受体拮抗剂阿那白滞素 (Anakinra) 可消除CRS和神经毒性, 从而大大延长无白血病的存活[50,51]。这些发现为解决CRS和神经毒性提供了潜在的治疗策略, 并为更安全的CAR T细胞治疗开辟了新的途径。

  5.5 肿瘤免疫治疗新靶标

  虽然免疫检查点阻断疗法在多种肿瘤临床治疗中取得显着疗效, 然而, 仍有部分癌症患者对于ICB免疫治疗不敏感, 其治疗的效率和治疗肿瘤的种类有待于进一步提高和扩大。因而寻找ICB治疗敏感性的影响因素、提高ICB治疗效果的手段和策略尤为重要。近期研究发现, 转移性尿路上皮癌患者对PD-L1抗体的敏感性低的患者出现成纤维细胞中的TGF-β信号升高以及CD8+T远离癌症实质而聚集于癌旁的现象。当TGF-β阻断与抗PD-L1抗体协同治疗时, 能够降低基质细胞的TGF-β, 促进肿瘤中心的T细胞浸润, 触发抗肿瘤免疫应答和肿瘤抵抗[52]。另外一项研究在结直肠癌中发现了类似结果, 发现肿瘤微环境中升高的TGF-β能够限制T细胞浸润从而抑制抗肿瘤免疫应答[53], 提示TGF-β可能成为肿瘤治疗的潜在靶点。此外, 中国科技大学田志刚课题组发现了TIGIT单抗可逆转NK细胞耗竭并可用于多种肿瘤的免疫治疗。他们研究发现, 肿瘤相关的NK细胞能上调抑制性受体TIGIT表达, 导致NK细胞耗竭, 抑制抗肿瘤免疫应答。而针对TIGIT的单克隆抗体能够恢复NK细胞和T细胞的抗肿瘤活性, 抑制肿瘤生长。该研究对于寻找新型免疫检查点、开发新型肿瘤免疫治疗手段有重要意义, 研究成果发表于Nature Immunology杂志[54]。

  表观遗传修饰通过调控染色质状态和基因表达参与了多种生理病理学过程。癌症基因组测序数据显示癌组织中染色质表观调控因子存在突变或功能异常。关于表观调控因子在宿主免疫系统中的功能已有较多研究, 然而对于表观因子与肿瘤发生发展的关联仍不清楚。近期研究发现, 肿瘤细胞组蛋白去甲基化酶LSD1缺失或者受到抑制可以降低RISC稳定性, 从而解除其对于胞内dsRNA累积的抑制作用, 增强dsRNA应激触发的效应, 促进肿瘤细胞内源性干扰素通路的活化及下游干扰素诱导基因的表达, 有效诱导抗肿瘤免疫应答反应[55]。上述研究表明, LSD1抑制可增强肿瘤的免疫原性并促使T细胞浸润, 激活T细胞抗肿瘤免疫, 对于设计新型有效协同肿瘤治疗方法具有重要的提示作用。

  由于肿瘤内部细胞种类及亚型复杂, 表现出极高的异质性, 因而开展单细胞水平的分析对有针对性地研究特定的免疫细胞类群并寻找潜在的肿瘤治疗新靶标具有重要意义。北京大学生命科学院张泽民课题组近期在绘制肺癌和结肠癌的单细胞水平T细胞免疫图谱方面取得重要进展。他们利用单细胞转录组测序, 描绘了肺癌T细胞群体的组成、谱系以及功能状态图谱[56]。该课题组还开发了START-RAC (Single T cell analysis by RNA sequencing and TCR tracking) 的生物信息学分析方法, 利用该方法系统性地刻画了来自12个结直肠癌病人的大量T细胞的组织分布特性、克隆增生、迁移和状态转化关系, 揭示了T细胞在结直肠癌肿瘤微环境中的动态变化[57]。上述研究深入解析了肿瘤微环境T细胞动态变化和差异, 为研究开发靶向T细胞亚群的肿瘤免疫治疗提供了新的思路, 相关成果发表于Nature Medicine和Nature杂志。

  6 结语

  从1901年首枚诺贝尔奖生理学或医学奖授予抗毒素抗体和血清疗法的发现者Emil Adolf von Behring, 到最新一枚授予免疫检查点抗体治疗的发现者James P.Allison与Tasuku Honjo, 近一百年来, 免疫学在基础理论研究和临床应用方面不断取得突破性进展, 令人瞩目。可以看到一系列原创性、创新性免疫学基础研究在重大疾病发病机制研究和疾病防治中起到了巨大支撑, 一系列里程碑式的免疫学成果为生命科学和医学发展发挥了重要的推动作用。未来, 通过对根本性、重大免疫学科学问题的不断探索, 借助高通量、高精度技术手段的不断革新, 相信免疫学家将从更宏观的视野认识免疫系统在机体与环境相互作用中的平衡调控作用, 以更精准的角度解析免疫细胞生命活动的根本奥秘。

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