免疫檢查點在結核病治療中的作用

吳娟 石文 談綺 解衛平 王虹

南京醫科大學第一附屬醫院呼吸與危重癥醫學科210029

結核病是由結核分枝桿菌(mycobacterium tuberculosis,Mtb)引起的慢性呼吸道傳染病,是全球第二大常見的傳染病,也是最常見的死亡原因之一。2017年全球約有1 000萬新發病例,約2/3來自于包括中國在內的發展中國家[1]。結核病發病機制與機體免疫密切相關,大多數感染Mtb的個體都會產生保護性免疫應答,終身處于無癥狀的結核潛伏感染(latent Mtb infection,LTBI)狀態,只有約5%～10%的HIV 陰性的LTBI可能進展為活動性結核病(active tuberculosis,ATB)[2]。免疫功能減弱可能導致LTBI復發。

免疫檢查點是免疫系統中提供共抑制信號的調節因子,有利于機體維持自身耐受及避免自身免疫發生,保持機體共刺激和共抑制信號之間的平衡對維持機體免疫穩態至關重要。感染后免疫檢查點提供的抑制信號可通過控制免疫反應的時間和強度減輕組織損傷,但其持續的高表達狀態可能導致T 細胞耗竭,不利于結核感染的控制。因此,調節免疫檢查點功能,有望成為結核病控制的新手段。目前越來越多研究顯示,免疫檢查點可能參與了結核病的發病、療效及轉歸。目前認為免疫檢查點包括程序性死亡分子受體1(progmmmed death-1,PD-1)、細胞毒T 淋巴細胞相關抗原4(cytotoxic T lymphocyte-associated antigen-4,CTLA-4)、T 細胞免疫球蛋白黏蛋白3(T cells immunoglobulin mucin 3,TIM-3)、淋巴細胞活化基因3(lymphocyte activation gene-3,LAG-3)等[3-4]。已有大量研究顯示結核感染使體內多種免疫細胞表面的免疫檢查點分子表達上調,這些分子參與了機體固有免疫與適應性免疫過程,并與T 細胞耗竭密切相關,有望成為結核病的新型治療靶點。

1 結核病的免疫學機制

結核感染是病原體與宿主免疫系統相互斗爭的過程。Mtb為胞內寄生菌,宿主免疫反應以CD4+和CD8+T 淋巴細胞介導的細胞免疫應答為主。Mtb入侵后,包括樹突狀細胞及巨噬細胞在內的抗原呈遞細胞(antigen presenting cell,APC)通過模式識別受體識別Mtb,誘導自身成熟和活化,促進效應細胞因子的釋放、共刺激分子的表達和殺菌分子的產生。隨后載有 Mtb抗原的APC 向次級淋巴器官遷移,將抗原呈遞給T 細胞。T 細胞受體(T cell receptor,TCR)識別APC上的抗原肽-主要組織相容性復合體(major histocompatibility complex,MHC)Ⅰ/Ⅱ復合物后啟動T 細胞介導的免疫應答,但是由MHC提供的第一信號不足以活化初始T 細胞,還需要由多種協同共刺激分子受體與其配體結合后提供的協同共刺激信號的參與,才能完全激活T 細胞,促使其增殖并遷移至感染部位,最后直接或間接通過其他效應細胞或因子發揮抗感染作用[3]。

T 細胞耗竭是指持續的抗原刺激后T 細胞進入的一種低功能的狀態,主要表現為T 細胞增殖能力降低、相關細胞因子釋放減少和T 細胞表面抑制性受體增加[5-6]。大量體內和體外研究發現長期Mtb刺激使T 細胞對Mtb特異性抗原的免疫應答能力下降,伴有T 表面PD-1、CTLA-4、TIM-3、LAG-3等抑制性受體的表達增加,阻斷這些抑制性受體的表達,可以增強機體對Mtb的免疫應答反應。因此,T 細胞耗竭是結核病慢性持續感染的主要機制之一,T 細胞表面增高的抑制性受體,可作為T 細胞耗竭的標志物,有望成為未來結核治療的新靶點[5]。

2 免疫檢查點和結核病

2.1 PD-1/程序性死亡分子配體1(programmed cell death 1 ligand 1,PD-L1)通路 PD-1是CD28/B7超家族成員,主要表達于活化的T 細胞、B 細胞、自然殺傷(natural killer,NK)細胞和單核細胞表面,多種刺激物均可使其表達上調。PD-1與PD-L1結合后,通過抑制T 細胞增殖與活化、促進抗原特異性T 細胞凋亡、減少調節性T 細胞(regulatory T cell,Treg)凋亡等機制,抑制結核感染宿主的免疫反應[7]。

與健康人、LTBI人群相比,活動性結核患者外周血CD4+T 細胞、NK 細胞、中性粒細胞、單核細胞等細胞表面 PD-1、PD-L1表達增高,干擾素-γ(interferon-γ,IFN-γ)、IL-2等細胞因子分泌減少。有效的抗結核治療可減少PD-1、PD-L1 的表達,阻斷PD-1 可減少 T 細胞凋亡[8-9]。此外,PD-1 可能也參與了結核患者的耐藥形成,Li等[10]發現耐多藥結核(multidrug-resistant tuberculosis,MDR-TB)患者外周血Treg比例,較藥物敏感組及健康組顯著增高,而且與Treg表面PD-1的表達量相關。研究發現結核感染過程中,PD-1/PD-L1可同時抑制人體的固有免疫和適應性免疫,阻斷PD-1/PD-L1 信號通路不僅可以增強巨噬細胞吞噬活性和其對胞內病原體的殺傷活性[11],還可以增強CD4+T 淋巴細胞的增殖、活化及黏附能力,促進IFN-γ、IL-2等效應細胞因子的分泌,減少Th1細胞的凋亡[8]。但Day等[9]認為PD-1的適當表達可增強Mtb特異性CD4+T 細胞免疫,他們通過體外Mtb刺激結核患者的CD4+T 細胞,發現PD-1高表達的CD4+T 細胞具有更強的增殖能力,更高的分泌Th1型細胞因子的能力。目前還沒有應用PD-1/PD-L1抗體治療結核病的臨床研究及報道,但有臨床病例報道非小細胞肺癌合并LTBI的患者,使用抗PD-1單克隆抗體治療,LTBI發展為ATB,肺活檢病理顯示彌漫性淋巴細胞浸潤,提示過度的免疫反應可能參與了結核病的發展[12]。

動物實驗發現,PD-1基因敲除可使小鼠對結核病易感性增加,Mtb特異性T 淋巴細胞增殖降低,Treg細胞比例增高,自噬相關蛋白表達降低,表現為肺部過度的炎癥及壞死、Mtb快速生長繁殖,過度的免疫反應引發的組織損傷是導致結核感染小鼠死亡的原因之一[13-14]。該研究結果提示PD-1通過抑制機體過度免疫反應,對機體發揮免疫保護作用。

因此,免疫細胞基礎水平的PD-1表達有利于維持免疫系統穩定,但PD-1的持續、過度表達,可導致免疫功能下降甚至缺陷,PD-1在結核感染中的作用和相關機制值得進一步研究,通過調控PD-1的表達,協助抗結核藥物更好的控制結核病。

2.2 CTLA-4通路 CTLA-4也是CD28/B7超家族成員,主要表達在活化的T 細胞、Treg 細胞上。APC 可通過MHC-TCR 相互作用向T 細胞呈遞抗原,并通過CD80/CD86與T 細胞表面CD28的結合來刺激T 細胞活化,而CTLA-4在結構上與CD28 相似,且在結合CD80 和CD86方面擁有比CD28 更高的親和力。因此CTLA-4 可競爭性結合APC表面的CD80 和CD86,阻斷CD28 的共刺激信號,抑制T 細胞活化[15]。

體外實驗研究結果發現,與健康人相比,結核患者外周血中CD4+T 細胞表面的PD-1、CTLA-4表達增加,并與Mtb特異性IFN-γ水平顯著相關[16],有效的抗結核治療可以促進Mtb特異性CD4+T 細胞增殖、分化和分泌效應細胞因子,降低PD-1、CTLA-4的表達量,且CTLA-4降低更明顯[8]。CTLA-4可能還與結核病患者的Th17細胞、濾泡輔助性T(T follicular helper,Tfh)淋巴細胞、Treg細胞等免疫細胞功能相關。Th17 細胞是除Th1 細胞外,具有協調抗結核作用的重要的淋巴細胞類型,其分泌的細胞因子IL-17和IL-23 對結核感染的早期非常重要。Babu等[17]報道結核感染患者體內Th17細胞因子水平降低,并與CTLA-4的水平呈負相關,體外阻斷CTLA-4 可增加Th17細胞因子水平。Tfh細胞是促進和維持體液免疫所必需的一個CD4+T 細胞亞群。Kumar等[18]發現ATB 患者體內Tfh細胞的比例明顯低于LTBI組,體外阻斷CTLA-4則可上調 Mtb 抗原誘導 Tfh 細胞比例。與PD-1 相似,CTLA-4也可能與結核患者的耐藥性相關。Li等[10]報道MDR-TB患者外周血中顯著增高的Treg細胞比例與其表面PD-1的表達量相關。最近Davids等[19]也發現泛耐藥結核病患者外周血Treg細胞比例較藥物敏感組和LTBI組增高,敲除CTLA-4基因可減弱Treg細胞對抗結核免疫反應的抑制作用。此外,CTLA-4 基因表型可能和結核病的發病風險及疾病嚴重程度相關[20]。CTLA-4是定量調節機體免疫穩態的關鍵因子,基因敲除和CTLA-4阻斷抗體治療誘導的CTLA-4缺陷都可能導致免疫失調和自身免疫性疾病的發生[21],CTLA-4阻斷劑在腫瘤治療中已獲得廣泛的關注和認可,但在結核病防治中的應用研究還需進一步加強。

在結核小鼠模型上,Mtb 抗原可誘導Th1 細胞和Th17細胞表面CTLA-4 表達上調,與 Th1 細胞相比,Th17細胞的CTLA-4表達量顯著增加,體外阻斷實驗表明Th17細胞對CTLA-4共抑制更敏感,而對CTLA-4免疫球蛋白的抑制作用不敏感[22]。

因此,CTLA-4在結核感染中主要發揮免疫抑制作用,其有望成為控制結核病的有效靶點,但其在結核病發病機制中的具體機制仍需進一步研究。

2.3 TIM-3/半乳糖凝集素-9(galectin-9,gal-9)通路

TIM-3屬于免疫球蛋白超家族,主要表達于T 細胞、巨噬細胞和樹突狀細胞表面。gal-9是TIM-3的配體之一,gal-9通過與Th1細胞表面TIM-3-Ig V 結構域上的寡糖鏈相互作用,負向調控Th1型免疫應答[3]。

體外實驗發現,與LTBI組、健康組相比,ATB 患者CD4+T 細胞、CD8+T 細胞、NK 細胞、Tfh細胞表面的TIM-3表達增高,體外Mtb抗原刺激也可增加TIM-3表達水平,TIM-3表達水平與免疫細胞功能缺陷、肺結核病情嚴重程度有關,抗結核治療后細胞TIM-3 表達水平降低,體外阻斷TIM-3可促進免疫細胞活化,增加效應細胞因子的分泌[23-24]。Sada-Ovalle等[25]對 HIV 感染患者和健康人研究發現,體外阻斷T 細胞表面的TIM-3、PD-1,可增強巨噬細胞和T 細胞共培養體系抑制Mtb增殖的能力。與單獨阻斷TIM-3相比,同時阻斷TIM-3 和PD-1,抗菌效果無明顯改變,而單獨阻斷PD-1,抗結核菌效果減弱,提示在抑制T 細胞效應中,TIM-3 可能比PD-1 發揮更重要的作用。以上結果提示,與PD-1相似,TIM-3的表達可抑制免疫系統抗Mtb感染的能力,且與PD-1 相比,TIM-3 可能發揮更重要的作用。

在小鼠模型中,結核菌慢性持續感染可增加Th1細胞在內的CD4+T 細胞表面TIM-3的表達,T 細胞功能的耗竭,TIM-3阻斷有利于恢復T 細胞功能,抑制結核菌的生長繁殖[26]。另外,Kim 等[27]發現 Mtb可通過促進樹突狀細胞表達PD-1、PD-L1、TIM-3等免疫檢查點分子的表達,抑制其免疫活性,抑制Th1型細胞免疫功能,有利于結核菌的生長繁殖。與PD-1、CTLA-4相似,TIM-3也有望成為治療結核病的新靶點。

2.4 LAG-3通路 LAG-3屬于免疫球蛋白超家族,主要表達在活化的T 淋巴細胞、NK 細胞和樹突狀細胞表面,與CD4分子結構相似,可競爭性抑制CD4-MHC-Ⅱ抗原呈遞作用,抑制Th1 型細胞免疫[4]。Phillips等[28]報道,感染Mtb的獼猴肺組織CD4+T 細胞的LAG-3的表達增加,其表達量與Mtb負荷相關；阻斷LAG-3 可增強機體免疫系統對Mtb的殺傷作用,同時伴有線粒體電子轉運的減少和IFN-γ表達的增加,提示在結核感染過程中,LAG-3可能通過干擾線粒體凋亡途徑,抑制Th1型免疫應答。因此LAG-3在結核發病機制中可能發揮了免疫抑制的作用,但其在結核病控制中的研究相對較少,需要進一步研究其作用機制及其臨床應用。

3 總結與展望

上述免疫檢查點抑制劑已在惡性腫瘤,特別是黑色素瘤、肺癌、前列腺癌等的治療中顯示了良好的應用價值[13,29],以上研究結果已經顯示了免疫檢查點抑制劑在結核病發生發展中的作用及其臨床應用前景。針對免疫檢查點信號通路的治療策略是一種較有前景的針對結核感染宿主的免疫治療手段。PD-1、CTLA4、TIM3、LAG3等免疫檢查點可通過多種機制干預宿主免疫細胞的功能,在結核感染的免疫機制中發揮重要作用,有望成為結核病治療的新靶標。未來免疫檢查點在結核病中的作用及其機制仍需進一步研究,未來更好的用于結核病的有效控制。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突