受訓后免疫發(fā)生機制及其在疾病中的作用研究進展

郝珊珊 侯彥強 彭亮

上海市松江區(qū)中心醫(yī)院檢驗科，上海201600

在過去，人們認為僅有適應性免疫系統(tǒng)具有免疫記憶的特性，但這一傳統(tǒng)認識最近正受到挑戰(zhàn)。研究人員發(fā)現(xiàn)，固有免疫細胞在初次接觸病原體后，免疫反應會發(fā)生改變，使機體能對再次刺激產生長期的非特異性保護作用，這一概念被稱為“受訓后免疫”或“固有免疫記憶”［1］。這一新概念的提出是對免疫系統(tǒng)的補充，同時也為研究人員對于疾病或疫苗的研發(fā)提供了一個嶄新的視角。本文主要對TI的發(fā)現(xiàn)、作用機制及其在疾病中的作用進行綜述。

TI的發(fā)現(xiàn)及作用機制

研究發(fā)現(xiàn)，在一些在缺乏適應性免疫反應的生物體（植物、無脊椎動物）以及脊椎動物體內，固有免疫系統(tǒng)中的細胞如自然殺傷細胞（NK）、單核/巨噬細胞（Mo/M?），具有免疫記憶的特點，這一觀點打破了人類對免疫系統(tǒng)的傳統(tǒng)認識。研究發(fā)現(xiàn)固有免疫細胞（NK，Mo/M?）在初次接觸病原體后，可以長期對再次入侵的相同或無關病原體作出免疫反應，這種免疫反應不依賴于記憶T細胞或B細胞的非特異性保護，研究人員將其稱為“受訓后免疫”（trained immunity，TI），也稱為固有免疫記憶［1］。

越來越多的研究表明，在TI的發(fā)過程中，免疫細胞（Mo，M?）會發(fā)生代謝重編程［2］。代謝途徑既能為免疫細胞提供所需的能量，也為細胞的新陳代謝及功能分化等生命活動提供基本的原料。在靜息狀態(tài)下，Mo/M?主要是通過氧化磷酸化獲取能量；在激活狀態(tài)下，其代謝過程由氧化磷酸化轉變?yōu)橛醒跆墙徒猓╓arburg效應）并產生大量的乳酸［1］。眾所周知，細胞通過對葡萄糖的攝取滿足活化M?的代謝需要，但機體內的各種代謝途徑對TI誘導的影響直到最近才為人們發(fā)現(xiàn)［3］。糖酵解、三羧酸循環(huán)（TCA）、膽固醇合成、谷氨酰胺分解等代謝途徑是受訓M?維持長期性免疫功能的關鍵環(huán)節(jié)。

1、糖酵解途徑

TI的發(fā)生與細胞內代謝途徑的改變有密切的關系，轉錄組學和代謝組學分析表明代謝途徑，尤其是糖酵解在TI的發(fā)生中起重要作用。在給予小鼠β-glucan或者磷酸鹽緩沖液（PBS）刺激后的第7天，對小鼠的長期造血干細胞（LT-HSCs）進行RNA測序分析，結果顯示β-glucan干預組的細胞和PBS干預組的細胞相比有1 683個差異表達基因，利用創(chuàng)新途徑分析對差異基因進行分析，發(fā)現(xiàn)與糖酵解途經相關的基因，在上調的基因中被過度表達［4］。真菌來源的β-glucan可以通過Akt/mTOR/HIF-1α通路誘導TI表型地發(fā)生，介導細胞代謝從氧化磷酸化向糖酵解轉變［5-6］。用β-glucan和RPMI體外刺激單核細胞，在刺激后的第3～7天，對兩組細胞通路的葡萄糖消耗量和乳酸的產量進行測定，結果顯示β-glucan組細胞葡萄糖的消耗量和乳酸的生成量明顯高于RPMI組［6］。這一結論與活化的巨噬細胞、樹突狀細胞、TH1和TH17淋巴細胞從氧化磷酸化轉變?yōu)樾柩跆墙徒獾臋z測結果一致，即經培訓的細胞會增加葡萄糖消耗量和乳酸的產量［7］。

2、三羧酸循環(huán)

TCA重構是伴隨炎癥巨噬細胞活化的代謝適應。在這一過程中，內源性代謝物可以發(fā)揮調節(jié)炎癥的作用。比如琥珀酸可以調節(jié)IL-1β-HIF-1α軸促進炎癥的發(fā)展。衣康酸通過抑制琥珀酸脫氫酶（SDH）調節(jié)巨噬細胞代謝與效應功能。有研究發(fā)現(xiàn)，在脂多糖（LPS）刺激的巨噬細胞中誘導性一氧化氮合酶表達升高，并伴有炎癥細胞因子（IL-1β、IL-6、IL-18等）的分泌量增加，在使用衣康酸類似物（DMI）預處理的巨噬細胞中發(fā)現(xiàn)上述的指標表達或者分泌量均是下降的，由此證實衣康酸具有抗炎作用［8］。說明免疫反應基因1（IRG1）催化順-烏頭酸產生的衣康酸可以抑制SDH的活性從而中斷TCA進而改善炎癥。這一結論在β-glucan誘導TI發(fā)生過程中也得以證實，TCA過程中的某些中間產物（比如衣康酸、琥珀酸、延胡索酸）以及某些限速酶（比如IRG1和SDH）等可能參與調控TI的發(fā)生。與RPMI組相比，LPS刺激的巨噬細胞中衣康酸和琥珀酸的產量顯著升高，延胡索酸的產量下降，IL-6和TNF-α的分泌量下降，IRG1表達量升高，SDH的表達量降低，β-glucan刺激的M?琥珀酸和延胡索酸的產量升高，IL-6和TNF-α的分泌量增加，IRG1表達量下降，SDH的表達量升高，而且在LPS與β-glucan共 刺 激 的M?中 發(fā) 現(xiàn)β-glucan可 以 通 過 抑 制IRG1表達以逆轉LPS誘導的免疫耐受［1，9-11］。上述內容表明β-glucan誘導TI的發(fā)生與IRG1-衣康酸-SDH軸密切相關。

3、膽固醇合成途徑

2018年便有文章指出，膽固醇合成通路在β-glucan，oxLDL和卡介苗（BCG）誘導的TI中發(fā)揮重要作用，尤其是甲羥戊酸的生成［12］。在β-glucan干預的M?中加入他汀類抑制劑（如氟伐他汀）阻斷HMG-CoA向甲羥戊酸的轉化，發(fā)現(xiàn)再刺激細胞時細胞因子（TNF-α）的產生減少，乳酸產量也下降（糖酵解減少），這就表明切斷甲羥戊酸生成會導致β-glucan無法誘導TI形成，炎性細胞因子的產量和乳酸產量是TI表型誘導成功的一個重要表現(xiàn)。該結論在oxLDL和BCG誘導的TI表型中也得以證實［12］。甲羥戊酸是影響TI誘導的關鍵代謝物，這不僅僅在體外實驗可以驗證，在臨床患者體內也得以驗證。超免疫球蛋白D綜合征（HIDS）患者的單核細胞中存在甲羥戊酸激酶缺陷，因此，甲羥戊酸在細胞內積累誘導TI的發(fā)生。與正常人相比，HIDS患者出現(xiàn)周期性無菌性炎癥，癥狀包括發(fā)熱、皮膚損傷、淋巴結病和關節(jié)痛［13］。在一些配體（LPS、P3C、MALP2等）的刺激下HIDS患者的白細胞會產生更多的細胞因子（IL-1β、IL-6、TNF-α），這可能是甲羥戊酸積累誘導TI免疫表型所導致。這一結論在HIDS患者單核細胞進行RNA-seq分析后也得到確認［12］。由于單核細胞在外周血的生命周期較短，所以有研究人員猜想TI的誘導可能會影響骨髓的造血細胞，對給予β-glucan或者PBS刺激的小鼠LT-HSCs進行RNA測序分析，發(fā)現(xiàn)β-glucan和PBS干預的細胞之間有1 683個差異表達基因，而且這些差異基因的創(chuàng)新途徑分析（IPA）結果顯示主要與膽固醇生物合成有關，特別是甲羥戊酸途徑［4］。由此可以發(fā)現(xiàn)膽固醇合成通路對誘導TI起關鍵作用。

4、谷氨酰胺分解

TI的形成過程除了涉及上述的糖酵解，TCA和膽固醇合成通路外，谷氨酰胺代謝途徑也參與其中［14］。在β-glucan和BCG誘導的TI中發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)谷氨酰胺代謝增加，而且在加入谷氨酰胺酶抑制劑BPTES后便阻斷了TI的誘導過程［15］。同時動物實驗也加以證實了這種結論，給小鼠腹腔注射β-glucan，1周后注射LPS，LPS刺激4 h后，用ELISA檢測循環(huán)血液中細胞因子的分泌量，發(fā)現(xiàn)使用LPS再次刺激的β-glucan訓練的小鼠血漿中IL-1β濃度明顯高于對照組［16］。更重要的是當BPTES抑制谷氨酰胺分解后，評估TI誘導的指標IL-1β的產量顯著下調。在上面的內容我們已經陳述糖酵解，TCA中的某些代謝產物及限速酶和膽固醇合成通路對TI的誘導起關鍵作用。有研究表明，谷氨酰胺分解可以促進上述代謝途徑的加速，如谷氨酰胺代謝的中間產物能夠進入TCA循環(huán)產成大量的蘋果酸，蘋果酸被轉運到胞漿中用以生成丙酮酸，丙酮酸的大量合成以及mTOR-HIF-1α途徑的激活將進一步促進有氧糖酵解過程，進而促進TI的發(fā)生，并且谷氨酰胺分解是琥珀酸和延胡索酸的重要來源［5，9，17］。在對膠質母細胞瘤細胞系的研究中發(fā)現(xiàn)，谷氨酰胺促進單核細胞中膽固醇的合成途徑。總之，這些數(shù)據(jù)表明除糖酵解，TCA和膽固醇合成途徑外，β-glucan誘導TI發(fā)生谷氨酰胺分解也是必不可少的代謝途徑。

TI在疾病中的研究進展

在反復感染的背景下，TI對再次感染提供了強有力的保護，改善了膿毒癥動物模型的病死率，給小鼠注射低劑量的白色念珠菌可免于隨后暴露于致命劑量念珠菌的傷害［14，18］。同樣，接種低劑量BCG的小鼠暴露于致命劑量的念珠菌時，可顯著降低病死率［14］。這些保護作用在適應性免疫紊亂的小鼠模型中仍然存在。在一些炎癥性疾病中，如肥胖和動脈粥樣硬化，M?與疾病的進展密切相關。因此，M?是治療多種疾病的一個有趣的靶點［19］。Ldlr-/-（動脈粥樣硬化模型）小鼠飼喂高脂飲食可誘導出現(xiàn)系統(tǒng)性炎癥，將飲食改為正常飲食后，這些小鼠炎癥水平雖可恢復正常，但其對于LPS刺激時分泌炎癥因子能力卻顯著高于正常飲食組小鼠，由此證明了高脂飲食也可誘導TI的產生［2］。體外，大量受訓的M?的確揭示了一個動脈粥樣硬化的表型，以增加促動脈粥樣硬化細胞因子和趨化因子分泌量為特點，包括TNF-α、IL-6、單核細胞趨化蛋白1（MCP1）、MMP2和MMP9，增 加 泡 沫 細 胞 的 形 成［20］。此 外，在ApoE-/-小鼠體內，連續(xù)4周使用超低劑量的LPS大大加劇了動脈粥樣硬化的發(fā)展，這與循環(huán)系統(tǒng)單核細胞的促炎重編程有關［21］。在健康受試者接種卡介苗后3個月，循環(huán)系統(tǒng)單核細胞表現(xiàn)出細胞因子生產能力的增加，以對體內各種微生物的刺激作出反應［14］。在母體中接觸乙肝病毒（HBV）會在新生兒中引發(fā)一種TI的狀態(tài)，其特征是當臍帶血單核細胞接觸到各種不相關的細菌時，會產生更多的促炎細胞因子。

討 論

有研究表明，TI的發(fā)生對于機體是具有兩面性的。一方面，TI能保護機體免受病原體的再次感染，預防手術部位感染，另一方面，TI誘導過程中所產生的一系列炎性反應也可能會促進某些疾病（肥胖、糖尿病、腫瘤）地發(fā)生發(fā)展［20，22-25］。當然，TI的發(fā)現(xiàn)也為一些疾病的治療提供新的方向。如低劑量LPS訓練的Mo可降低小鼠大腸桿菌所導致的腹膜炎病死率。BCG訓練的Mo也可通過TI對膀胱癌起到治療的作用［14，26］。β-glucan通過逆轉免疫耐受中相關表觀遺傳組蛋白的修飾變化來降低內毒素血癥患者體內細胞因子水平。此外，TI也為新型疫苗設計、接種提供新思路［14，27-28］。

綜上所述，TI是把雙刃劍，如何維持其動態(tài)平衡將是未來科研的重點。TI現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)為人類重大疾病機制、新型疫苗設計、新型療法策略等提供新的探索角度。因此，對于TI進行深入的研究是有必要的。