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记忆性T细胞对移植耐受的影响研究进展

时间:2019-12-12 21:36:51  来源:  作者:

记忆性T细胞对移植耐受的影响研究进展 


谢露 余玉明     广东省人民医院泌尿外科(广东省医学科学院),广州 510080

     广东省自然科学基金(2017A030313524)资助项目 
 
       余玉明,男,广东省人民医院泌尿外科副主任医师,医学博士,美国西北大学博士后,担任华南理工大学医学院、南方医科大学、汕头大学医学院硕士研究生导师,美国移植外科医师学会国际会员(ASTS),中国器官移植发展基金会专家委员会委员,广东省器官移植医师协会委员,广东省泌尿外科学会青年委员,广东省泌尿生殖协会泌尿肿瘤学分会委员。主要专业方向:肾脏移植和微创泌尿外科,从事临床和科研工作20 余年,对泌尿外科常见病和疑难病诊治有丰富经验; 对肾移植手术及术后抗排斥药物合理应用,肾移植术后长期存活随访及并发症防治有丰富经验; 熟悉国际最新进展和新技术,对疑难病诊治有独到见解。 主要科研方向: 移植免疫耐受的监测与诱导,对肾移植术后近期和远期免疫状态进行监测,为肾移植术后精准治疗和个体化治疗提供实验依据,为移植免疫耐受诱导提供新的策略。主要业绩:主持国家自然科学基金2 项,教育部留学回国人员科研启动基金1 项,教育部博士学科点科研基金1 项,广东省自然科学基金3 项,广州市科技计划项目1 项。以第一作者或通讯作者在国际和国内杂志发表论文30 余篇。培养硕士研究生7 人。

        记忆性是适应性免疫应答的主要特点之一,指机体再次遇到初次致敏抗原后发生的再次免疫应答。记忆性T细胞(memory T cell,Tm)和记忆性B细胞是免疫记忆性的细胞学基础。在成年人外周血中,40%-50%的T细胞具有记忆表型[1]。这些T细胞携带着机体在所暴露环境中获得的全部免疫历史,因此,增强记忆性T细胞的数量和功能是诱导保护性免疫反应的有效途径。在移植受者体内,记忆性T细胞的存在会带来一系列的挑战。虽然Tm是抵御病原体的必要条件,如其缺乏会使移植病人面临巨大的感染风险,但是Tm的某些亚群可能直接攻击移植物,促进移植排斥反应的发生,威胁移植物存活[2]。近年研究发现,某些中枢型记忆性T细胞(central memory T cell,Tcm)可表达Foxp3、TGF-β,发挥调节功能,诱导免疫耐受[3, 4]。这些发现使人们对记忆性T细胞有了更深入的了解,并有必要重新评估记忆性T细胞在移植领域中的作用。本文综述了近年有关记忆性T细胞的研究进展,并探讨了它对移植耐受的潜在影响。
1 记忆性T细胞的生物学基础
1.1 记忆性T细胞概念及特点

      机体初次接受抗原刺激,如细菌病毒等病原体、输血、移植、妊娠等过程中携带的异体抗原,免疫系统会产生初次免疫应答,初始T细胞分化为效应性T细胞(effector T cell,Te),在免疫应答的后期,大部分的Te会通过Fas/FasL、TNF/TNFR等途径而凋亡,少量分化为记忆性T细胞。一旦相同抗原再次进入机体,则Tm被迅速的调动,会触发比初次应答更为迅速、强烈、持久的再次免疫应答。Tm在体内分布范围广泛,包括淋巴组织和肝、肠道、皮肤等多种非淋巴组织[5],更容易暴露在抗原环境中。多数的Tm是初始T细胞的后代,转录水平和表观遗传方面的研究均表明Tm在受到抗原刺激后快速增殖,产生大量的Te引起强烈的免疫反应[6]。通常Tm具有较长的寿命,最长可达六七十年,生存优势明显,如利用淋巴细胞耗竭疗法对移植受者进行治疗时,初始T细胞被彻底清除,而Tm可存活下来并发生再增殖[7]。此外,Tm的激活阈值比初始T细胞低,Tm对共刺激分子如CD28/CD40依赖程度较低[8],同时Tm的激活不需要次级淋巴器官的参与,在某些无法激活初始T细胞的情况下,Tm能够被激活。
      记忆性T细胞具有的分布范围广、激活阈值低、活化迅速、生存时间长等特点,使它们能够更容易更高效地引起强烈的再次免疫应答。
1.2记忆性T细胞的产生机制
      记忆性T细胞主要由初次抗原致敏诱导的免疫应答所产生,具有明显的抗原特异性。此外,有研究发现其它机制也能诱导记忆性T细胞的产生,包括稳态增殖(Homeostatic proliferation)和异源免疫(Heterologous immunity)。初始T细胞在淋巴细胞减少的条件下,未受到抗原刺激时发生的增殖反应称为稳态增殖。这种增殖可能是由细胞因子(如IL-7、IL-15)所驱动,可直接将初始T细胞转化为Tm[9]。当利用衰竭疗法治疗移植受者时,患者体内淋巴细胞大量减少,残留的初始T细胞可经历稳态增殖,转化为Tm[10]。尽管这种Tm是在没有受到供体抗原刺激的情况下产生的,但对同种异体移植患者来说,它仍可介导一定的排斥作用,并且使移植耐受状态的诱导变得更加困难[10]。由一种抗原诱导产生的记忆性T细胞也可与其它不相关的抗原产生反应,这种现象被称为异源免疫[11]。在移植免疫领域中,由于机体体内存在的抗原特异性Tm数量和种类众多,因此对移植物中同种异源抗原产生免疫反应的几率也就大大增加。
      记忆性T细胞产生的另一个潜在机制是成熟T细胞上“dual-TCR”的存在,“dual-TCR”是基因重排和胸腺细胞发育的共同产物,多达1/3的T细胞群体可在细胞表面表达两种不同特异性的TCR[12]。通过刺激“dual-TCR”T细胞上的一个受体,可促使生成的T细胞对第二个受体针对的特异性抗原产生记忆反应,即使这些细胞之前没有接触过第二个受体所识别的抗原。近几年,有研究发现与接受同种异体干细胞移植但未发生急性移植物抗宿主病(graft versus host disease,GVHD)的患者相比,在急性GVHD患者中表达“dual-TCR”的T淋巴细胞更常见[13]。“dual-TCR”T细胞是否会在移植患者中生成记忆性T细胞从而导致急性排斥反应的发生值得进一步研究。
      令人惊讶地是,记忆性T细胞的产生还与代谢途径密切相关[14]。从初始T细胞到效应T细胞,效应性T细胞到记忆性T细胞都有不同的代谢方式。初始T细胞是静息性的,主要依赖脂肪酸氧化(fatty acid oxidation,FAO)作为能量的来源;当T细胞被激活后,为了满足其增殖分化所需的能量,T细胞代谢方式迅速转换为糖酵解和谷氨酸分解,这个过程是通过TCR激活PI3K-Akt-mTOR轴调节的;当活化的T细胞分化为Tm后,FAO又成为细胞的能量来源,否则这些T细胞会作为Te走向死亡[15]。有研究表明,在T细胞反应阶段,通过抑制Akt-mTOR通路限制糖酵解过程,能显著增加Tm的生成[16]。上述发现都为记忆性T细胞在移植背景下的研究提供了新方向。
1.3记忆性T细胞的亚群
      记忆性T细胞为非均一细胞群体,利用细胞表面分子CD45亚型的表达情况可将人的初始T细胞和记忆性T细胞进行鉴别。初始T细胞表达CD45RA或CD45RB亚型,而Tm表达CD45RO。根据趋化因子受体CCR7和血管L-选择素(CD62L)的表达情况,可以进一步将Tm分为Tcm和效应型记忆性T细胞(effector memory T cell,Tem)[17]。Tcm表达CCR7和CD62L,参与从血液到次级淋巴器官T细胞区再到淋巴液的循环,不直接发挥效应作用,但可在抗原再次刺激时,重新分化为效应细胞。Tem不表达或低表达CCR7和CD62L,它可直接进入外周非淋巴组织,在再次记忆性应答中行使速发性效应功能。近年来,研究者发现了Tm的第三个亚群,即组织定居记忆性T细胞(tissue-resident memory T cell,Trm)的存在,Trm表达分化抗原CD69和整合素 E 链CD103[18]。Trm的特点主要是不参与血液和淋巴液的再循环而一直停留在非淋巴组织,包括肠道、皮肤、生殖道、脑、肺、肝、肾、胰腺等,且它是活跃在保护性记忆应答的第一线。             CD8+CD122+T细胞是新近发现的一群细胞,具有Tcm的表型特征(CD45RA-CD62LhiCCR7+)。这群细胞可以参与调节T细胞稳态,抑制自身免疫反应和异源性免疫反应[19]。Lee YH等实验证明,将CD8+ CD122+ T细胞过继转移至自身免疫性脑脊髓炎疾病模型(experimental autoimmune encephalomyelitis,EAE)小鼠中,可抑制效应细胞CD4+T细胞的活化,从而显著改善EAE小鼠的临床症状[20]。目前,这群CD8+CD122+T细胞已被证明是一群记忆性调节性T细胞。综上所述,记忆性T细胞是一群具有不同功能和效应方式的异质性群体。
2记忆性T细胞与移植耐受
2.1记忆性T细胞给器官移植带来的问题
        众所周知,供体特异性的记忆性T细胞可引起急性排斥反应的发生,且造成严重后果[21]。在移植术后早期,部分Tm就可以浸润移植物,这足以引起移植排斥反应的发生[22]。已有研究表明,通过体内稳态增殖或异源免疫产生的Tm是心脏和皮肤移植排斥反应的效应细胞[10]。此外,Tcm细胞和Tem细胞都能介导同等强度的移植排斥反应。近年来,De Leur等发现发生排斥反应的同种异体移植肾中存在Trm,且主要为CD8+ T细胞,这群细胞可通过产生IFN-γ和TNF-α发挥很强的毒性功能[23]。因此,无论记忆性T细胞的产生机制和表型如何,绝大多数的记忆性T细胞都能够介导移植排斥反应的发生。
        记忆性T细胞给移植患者带来的另一个问题是,Tm的存在会增加诱导移植耐受的难度。利用细胞毒T淋巴细胞相关抗原-4免疫球蛋白(CTLA-4 Ig)和抗CD40L抗体阻断共刺激信号,可在正常小鼠体内诱导出免疫耐受状态,但该方案并不能在已经感染了脑膜炎病毒的小鼠中诱导出耐受状态[24]。同样,首先利用供体特异性输血(donor specific transfusion,DST)和抗CD154抗体在野生型小鼠中诱导出耐受状态,然后将具有供体特异性的Tm过继转移到该小鼠体内,结果此小鼠的耐受状态被破坏。Koyama等通过给予雄性食蟹猴人源化抗CD8单克隆抗体(cM-T807),使其体内CD8+ Tm完全清除,可有效地诱导出移植耐受并改善移植物的存活[25]。同时也有不少研究发现在临床肾移植患者常规使用免疫抑制剂治疗前提下,Tm出现的频率越高,患者预后越差[26]。这些发现说明记忆性T细胞的存在是临床上诱导移植耐受所面临的挑战之一。
       此外,记忆性T细胞通常不会受到Foxp3+调节性T细胞(regulatory T cell,Treg)介导的抑制作用的影响。器官移植后利用Treg诱导出免疫耐受,但Tm可能会阻碍这种耐受状态的形成并促进移植排斥反应的发生。早期,有研究者发现将Foxp3+Treg过继转移能有效地抑制由初始CD4+ T 细胞所引起的免疫排斥反应,而对记忆性CD4+T细胞引起的移植排斥反应没有明显的抑制作用[27]。同样地,Treg也不会对异体反应性的记忆性CD8+T细胞产生抑制作用。因此,将Treg细胞过继转移作为一种诱导耐受状态的策略,对记忆性T细胞来说是无效的。那是什么机制引起Tm逃避Treg的调节作用呢?怎样避免这种逃避的发生呢?这是值得研究者去探讨和解决的。
2.2记忆性T细胞诱导移植耐受状态的新策略
      移植术后,患者需要长期服用免疫抑制剂来预防急性或慢性排斥反应。免疫抑制剂可通过不同途径发挥抑制作用,诱导移植耐受状态。临床常见的有阻断共刺激信号(如:CTLA4-Ig)、阻断TCR与细胞因子受体的信号传导(如:环孢素A)、耗竭T细胞(如:抗胸腺淋巴细胞球蛋白)等,针对上述途径的免疫抑制剂主要靶向于初始T细胞发挥作用,对记忆性T细胞介导的排斥反应疗效较差。以肾移植受者为例,应用抗胸腺淋巴细胞球蛋白治疗后,T细胞迅速减少90%,残留的T细胞中主要是CD45RO+CD62Llo Tm[28],显然移植环境中的记忆性T细胞可能成为诱导耐受的新靶点。
      首先,阻断记忆性T细胞的转运可能是一种潜在的免疫抑制策略。与初始T细胞相比,Tm表达更高水平的CD2和CD11,通过启动效应蛋白,促进Tm迁移,迅速进入移植器官并介导排斥反应的发生。抗白细胞功能相关抗原(LFA-1)单克隆抗体可以抑制LFA-1与CD11a的相互作用,阻断Tm的迁移活动。在小鼠移植模型中抗LFA-1单克隆抗体可显著减少T细胞向同种异体移植物的转运,减弱供体特异性记忆反应[29]。其次,通过阻断与细胞活化和效应功能相关的信号传导也能对移植环境中的Tm进行干预。研究表明4-1BB/4-1BBL、OX40/ OX40L通路对Tm的生成非常重要。在传统共刺激阻断方案下同种反应性记忆性T细胞不会受到影响,如果利用抗OX40L抗体能对这些记忆性T细胞发挥有效的抑制作用[30]。此外,研究发现抑制核转录因子NF-ΚB也是抑制Tm的有效手段。硼替佐米是NF-ΚB的抑制剂,它可以抑制灵长类动物中对雷帕霉素耐药的Tm的增殖[31]。更重要的是,研究者已经证明了硼替佐米在抑制Tm活化的同时,不会影响Treg的功能,提示硼替佐米有望成为Tm的靶向抑制剂。
      目前研究多数是通过抑制记忆性T细胞或记忆性反应来达到诱导移植耐受状态的目的。最近关于调节性记忆T细胞方面的研究对移植背景下靶向Tm的治疗提出了新的方向。研究发现,与CD4+CD25+T 细胞相比,CD8+CD122+Tm 细胞对于同种异体排斥反应有更强的抑制作用,这群Tm不仅具有调节性作用,还能够增强Treg所引起的抑制作用[19],提示该群细胞可能帮助机体建立移植耐受状态。  CD8+CD122+Tm可以通过分泌IL-10、TGF-β1、IFNγ来抑制异源性免疫反应,但发挥调节性作用的具体机制并不清楚。最近,有研究表明PD-1在CD8+CD122+Tm细胞上表达对于它们发挥调节作用至关重要[32],研究者发现将具有抗原特异性的CD8+CD122+PD-1+Tm过继转移与CD40/CD154共刺激信号阻滞协同使用,可以延长同种异体移植皮片的存活[33]。提示记忆性T细胞中CD8+CD122+PD-1+Tm可能是诱导移植耐受和延长移植物存活最有潜力的一群细胞。
      衰竭型记忆性T细胞的发现也给靶向Tm的移植耐受诱导策略提供了新的研究方向[34]。Sarraj等研究表明,在慢性同种异体移植排斥模型中,移植物的存活与外周血中衰竭的CD4+T细胞有关[35]。CTLA-4在衰竭的T细胞上过度表达,而CTLA-4信号通路是发展移植耐受所必需的。Tim-3、PD-1、LAG3等信号也参与T细胞衰竭,这些信号通路也被证明与移植耐受和自身免疫有关[34]。这些证据都暗示T细胞衰竭可以改善移植物存活和诱导移植耐受。以诱导记忆性T细胞衰竭为切入点可作为预防同种异体移植排斥反应和诱导耐受形成的一种有前途的策略。
3 总结
      近年,记忆性T细胞在产生机制、亚群异质性、稳态调控及记忆衰竭等方面的研究取得了很大的进展,然而,Tm在移植领域中依然面临诸多挑战。不同亚群的Tm在移植排斥反应和移植耐受诱导中能发挥不同的功能,这对于靶向记忆性T细胞治疗来说是一个挑战也是一个机会。当考虑以记忆性T细胞为靶点诱导移植耐受时,必须考虑到Tm的亚群异质性,既不可忽视其带来的排斥反应风险,也不能盲目抑制所有记忆性T细胞。
      目前,需要解决的问题主要包括:记忆性T细胞的生存优势从何而来?为什么记忆性T细胞可逃避Treg介导的抑制作用?Treg对记忆性T细胞究竟有何影响?移植受者体内有多少调节性记忆性T细胞?其发展变化规律如何?如何诱导出一群具有抗原特异性且稳定存在的调节性或是衰竭型记忆T细胞?通过对上述问题进行研究,能更深入地了解记忆性T细胞与移植耐受的关系,有助于记忆性T细胞的靶向治疗应用到移植领域。
   
参 考 文 献
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