T细胞衰竭及其分化调控机制

林凯龙 朱 波(重庆第三军医大学新桥医院全军肿瘤研究所，重庆400037)

T细胞衰竭及其分化调控机制

林凯龙 朱 波(重庆第三军医大学新桥医院全军肿瘤研究所，重庆400037)

免疫系统是人体抵御外界病原体侵犯以及监控自身细胞变异的有力武器，其中T细胞主要介导细胞免疫，能通过分泌多种细胞毒性因子以及直接接触靶细胞有效杀灭病原体以及自身变异细胞。

T细胞和其它炎症细胞以及细胞外基质成分共同构成了炎症的微环境，参与感染、肿瘤等机体特殊状态下内环境的调节。但是在不同的炎症环境下，T细胞发挥的功能存在很大差异。在急性炎症时，抗原特异性T细胞能被诱导活化，产生免疫应答，消除感染，之后，这些活化的效应T细胞大部分发生凋亡，而少部分则能分化成记忆细胞并在再次感染时重新激活参与免疫反应。在慢性炎症时，T细胞的功能却是处在被抑制的状态。起初T细胞尚能被激活，但随着炎症的持续，T细胞逐渐失去功能，最后不能分化为记忆细胞而发生凋亡。于是，研究者把慢性炎症状态下抗原特异性T细胞这种功能的逐步丧失以及凋亡过程称为T细胞衰竭，它最初是依据慢性淋巴细胞性脉络丛脑膜炎病毒感染的小鼠模型发现的［1］，之后在其它慢性病毒感染以及肿瘤模型中，也发现了类似的现象。随后研究表明，T细胞衰竭的发生发展受到多种因素共同影响。本综述主要就T细胞衰竭的特征及其分化调控机制的研究进展做一介绍。

1 衰竭T细胞的特性

T细胞发生衰竭之后，表现为表型的变化和功能的丧失，并且这种改变是由轻到重逐渐进展的。

在表型上，衰竭T细胞表现为一种不同于正常效应T细胞和记忆T细胞的特殊分化状态。

首先，衰竭T细胞高表达抑制性受体，如PD-1、Tim-3、LAG-3、CTLA-4等［2］，其中PD-1被认为是衰竭T细胞的标志分子［3］。这些受体在正常效应T细胞表面也有短暂表达，起到限制免疫反应过度激活的作用，并和共刺激分子如CD28等共同调控免疫应答的强度和时间，既能及时控制感染又不致于损伤自身组织。而在T细胞衰竭时，这些受体表达异常增高，反而抑制了T细胞的功能。其次，衰竭T细胞缺乏效应T细胞和记忆T细胞的一些必需表面分子，从而也丧失了部分相应的功能［4］。例如，衰竭T细胞低表达记忆细胞标志物CD127(IL-7受体)并失去对IL-7的有效应答，从而无法通过增殖而长期存活［5］。

在功能上，T细胞发生衰竭之后，会随炎症的持续逐步丧失原有的免疫效应功能。例如在慢性病毒感染时，衰竭初期的CD8+效应T细胞先失去产生IL-2、体外杀伤以及高度增殖能力，到了衰竭中晚期之后，其分泌IFN-、趋化因子甚至脱颗粒的能力也随之消失，最终，衰竭T细胞将走向凋亡［6］。这种T细胞衰竭过程区别于传统意义上的T细胞失能，后者是病原体初次感染就由于共刺激信号缺失而表现出T细胞的反应性降低或无应答［7］。Wherry等［8］进一步发现衰竭T细胞和失能T细胞在基因表达谱上也存在差异，一些T细胞失能时显著高表达的基因在衰竭T细胞总却未见上调表达的趋势。近年来，有文献把衰竭T细胞和衰老T细胞也区分开来，并说明这两者无论从表面标志物表达还是胞内信号通路的分子调控机制都是截然不同的［9］。尽管T细胞分化过程中存在诸多特殊的功能状态，但由于缺少特异性标志，因此目前仍无法妥善而全面地阐述其间的相互关系和分辨手段。

在肿瘤组织中，研究者发现部分T细胞同样具有这种衰竭特性。因此，T细胞衰竭在炎症和肿瘤环境下的影响因素及调控机制将成为越来越有价值的研究方向。

2 影响T细胞衰竭的因素及其调控机制

在慢性炎症环境中，T细胞衰竭受到内源性和外源性因素的共同影响和调控，包括衰竭T细胞本身表达的一些转录因子和抑制性受体、抗原的持续刺激以及多种炎症细胞和生物活性物质的作用。

2.1 内源性因素

2.1.1 抑制性受体表达增高抑制性受体被认为是反映T细胞衰竭状态的标志，并且其表达的数量及类型也与T细胞衰竭的程度密切相关。研究表明与急性病毒感染相比，慢性病毒感染时T细胞表达抑制性受体的数量及种类都明显增高并且和感染时间成正比，而抑制性受体共表达程度增加又直接预示感染程度加剧、T细胞功能受抑以及其偏离向正常效应和记忆细胞分化［8，10］，这也提示多种抑制性受体很可能协同作用，共同调控T细胞衰竭的发生发展。随着研究的深入，人们发现抑制性受体的这种协同表达比单独作用的效果更显著，在结肠癌或黑素瘤细胞接种小鼠中就发现肿瘤浸润的CD8+淋巴细胞(TIL)大部分是抑制性受体PD-1和Tim-3双阳性，并且其杀伤肿瘤的活性比同种双阴性或单阳性细胞明显降低，同时阻断这两种受体比单独阻断一种受体更能抑制肿瘤的生长［3，11］。

目前大多数研究支证明受体与配体结合后通过激活或抑制下游的信号通路，最终降低T细胞效应功能相关基因表达。Wang等［12］证实在T细胞转染了PD-1之后，其TCR介导的早期钙离子和ERK应答通路被明显抑制;Sakuishi等［13］则提出Tim3和配体Gal-9结合后，可能促进衰竭T细胞凋亡。此外，也有研究者发现某些抑制性受体如LAG-3单独表达不影响T细胞激活和增殖［14］，而和PD-1共表达之后则明显抑制了T细胞功能并且强于PD-1单独表达的效果［15］。因此，尽管越来越多抑制性受体的调控机制被发现，其临床效果以及各受体通路之间的相互影响仍有待进一步明确。

2.1.2 转录因子谱改变近几年随着研究方法的深入和完善，衰竭T细胞的转录因子谱也越来越受到人们的关注。但困难的是，调控T细胞衰竭的转录因子同抑制性受体一样，都是协同作用，系统性地调节T细胞的分化和功能，同时，其表达及调控机制还具有更复杂的特性。

首先，不同转录因子的表达趋势具有差异性。Wherry等［8］通过微阵列分析比较了衰竭、效应及记忆CD8+T细胞的基因表达谱，发现衰竭T细胞具有多种转录因子表达差异而且既有上调也有下调表达。随着各种衰竭相关转录因子的表达趋势及其功能逐个被揭示，人们又发现T细胞衰竭是由多种转录因子的变化共同决定，而每种因子的改变都发挥了一定的作用。例如衰竭T细胞低表达T-bet和Eomes从而丧失分泌细胞杀伤因子以及持续表达活化标记CD44的功能［16，17］，而其高表达BATF则可抑制T细胞活化相关基因AP-1的表达［18］。

其次，部分转录因子依据表达量多少而表现不同的作用。例如抑制性转录因子Blimp-1，其少量表达能促进记忆T细胞形成，而中等表达量则促进T细胞向效应细胞分化，但若表达量过高反而使T细胞高表达多种抑制性受体并逐渐走向衰竭［19，20］。

尽管目前对于转录因子调节机制的研究尚处于探索阶段，但不可否认的是转录因子谱的改变能在基因表达层面上对T细胞衰竭的机制作更加深入的诠释，同时也从另一角度说明衰竭T细胞是不同于效应和记忆T细胞的分化状态。

2.2 外源性因素

2.2.1 持续的抗原刺激持续的病原体抗原存在是引起慢性炎症的原因之一。抗原在炎症初始期能够通过APC提呈给T细胞并诱导其活化，从而产生有效免疫应答，然而随着炎症发展到慢性阶段，抗原对T细胞的持续作用反而会导致相反的结果。早年就有文献报道病毒的高度持续感染和T细胞应答能力成负向相关，但是其和T细胞衰竭之间的因果关系尚不明确。后来，Mueller等［21］证明持久的病毒抗原提呈是引起T细胞衰竭的直接原因，但是关于其机制的研究仍处于多方探索阶段，例如Kao等［22］发现持续抗原刺激可通过下调CD8+T细胞的转录因子T-bet，并影响下游基因表达使其自身发生衰竭;Bengsch等［23］则证明CD8+T细胞低表达CD127和高表达抑制性受体与病毒抗原的持续识别相关。除了直接刺激之外，病原体抗原以及肿瘤抗原的持续存在对参与炎症的细胞功能和基质成分也会产生显著影响，从而改变了T细胞所处的整个微环境，这属于间接作用。

2.2.2 炎症细胞在慢性炎症和肿瘤微环境中除T细胞外还存在多种炎症细胞，其大多数都具有免疫抑制作用并在T细胞衰竭进程中扮演了重要角色。

髓源性抑制细胞(Myeloid-derived suppressor cells，MDSC)是一类来源于骨髓的由未成熟粒细胞、单核细胞、树突状细胞等组成的异质细胞群，大部分都表达CD11b和Gr-1标志分子并且在有感染、创伤或肿瘤时发挥炎症和免疫调节作用［24］。研究表明，在肿瘤分泌的炎症因子和细胞因子(如GMCSF、IL-6、前列腺素等)介导下，MDSC能够在骨髓内分化、增殖并迁移至肿瘤发生部位，通过抑制CD4+和CD8+T细胞的功能促进肿瘤的生长［24，25］。具体机制包括:MDSC能产生精氨酸酶、一氧化氮、活性氧成分以及抑制性细胞因子如IL-10和TGF-β来抑制T细胞的激活和应答［26-28］;MDSC在IL-10和IFN-γ的刺激下能够高表达PD-1配体并通过和CD8+T细胞表面的PD-1结合启动下游信号通路，促使T细胞凋亡和被吞噬［29］;MDSC通过影响T细胞的氨基酸代谢来降低T细胞活性［28］;(4)促进免疫抑制性细胞Treg产生［28］。作为一类未成熟的特殊炎症细胞，已发现多种MDSC的作用和T细胞衰竭有密切的联系［29，30］。同时，有研究报道MDSC在某些情况下还具有免疫激活作用［28］，这可能与其异质性相关。因此，MDSC可能在肿瘤免疫中发挥双向调控作用。

其它肿瘤相关的炎症细胞包括Tie2单核细胞(Tie2-expressing monocytes，TEM)、肿瘤相关巨噬细胞(Tumor-associated macrophages，TAM)、肿瘤相关树突状细胞(Tumor-associateddendriticcells，TADC)等，都具有MDSC类似的免疫抑制和促肿瘤作用，并且部分是从MDSC分化而来［24］。这些炎症细胞同肿瘤细胞以及各种淋巴细胞间存在多种细胞因子交流［31］，如同一个细胞调控网络来影响肿瘤微环境下的免疫应答。随着研究的进展，免疫抑制性炎症细胞在慢性炎症中对T细胞衰竭的调控机制也会逐步明确。

3 抑制和逆转T细胞衰竭的治疗策略

尽管T细胞衰竭很大程度上抑制了T细胞的功能，但其并非不可逆过程。目前，有文献报道了可能抑制甚至逆转T细胞衰竭进程的方法和策略，而且针对不同的调控因素提供了相应的治疗方向。例如，对于抑制性受体使用相应的阻断性抗体中止下游信号通路的启动;对于炎症细胞通过限制局部聚集、减少相对数量、促进终末分化、阻断胞内转导通路以及下调环境中分泌的细胞因子水平来控制其对T细胞功能的影响等［3，32］。这些方法可能使机体重获有效的免疫力来抵抗病原体和肿瘤的侵犯，但其临床效果以及运用时机有待进一步验证和完善。

4 讨论

机体免疫功能的缺失已经成为慢性炎症以及肿瘤威胁人们健康与生存的主要原因之一，越来越多的研究发现T细胞功能的衰竭是其中一个重要环节。影响T细胞衰竭的因素包括抑制性受体、转录因子、抗原刺激以及炎症细胞等，其涵盖了外源性和内源性两种途径的调控。但是上述影响因素并非能够完全揭示T细胞衰竭发生发展的所有机制，更多新进展也相继被提出并使其继续完善，例如抗原提呈细胞和CD4+辅助T细胞功能的改变及缺失，调节性T细胞(Treg)作用，细胞因子分泌失衡等也都参与了T细胞衰竭的进程［30，33，34］。特别值得注意的是，这些影响因素并非孤立地发挥作用，它们之间存在多种联系并系统地有序地调控T细胞衰竭的进程。例如抑制性受体Tim-3不仅能直接促进T细胞衰竭，还能通过诱导MDSC的扩增间接抑制T细胞功能［35］。

T细胞衰竭是T细胞在慢性炎症及肿瘤微环境中的一种复杂转变和分化过程，如能明确其分化调控机制并针对各项因素进行干预，将会为临床相关疾病的治疗提供新的方法和手段。

1 Zajac A J，Blattman J N，Murali-Krishna K et al．Viral immune evasion due to persistence of activated T cells without effector function［J］．J Exp Med，1998;188(12):2205-2213．

2 Crawford A，Wherry E J．The diversity of costimulatory and inhibitory receptor pathways and the regulation of antiviral T cell responses［J］．Curr Opin Immunol，2009;21(2):179-186．

3 Sakuishi K，Apetoh L，Sullivan J M et al．Targeting Tim-3 and PD-1 pathways to reverse T cell exhaustion and restore anti-tumor immunity［J］．J Exp Med，2010;207(10):2187-2194．

4 Yi J S，Cox M A，Zajac A J．T-cell exhaustion:characteristics，causes and conversion［J］．Immunology，2010;129(4):474-481．

5 Radziewicz H，Ibegbu C C，Fernandez M L et al．Liver-infiltrating lymphocytes in chronic human hepatitis C virus infection display an exhausted phenotype with high levels of PD-1 and low levels of CD127 expression［J］．J Virol，2007;81(6):2545-2553．

6 Wherry E J．T cell exhaustion［J］．Nat Immunol，2011;12(6):492-499．

7 Schwartz R H．T cell anergy［J］．Annu Rev Immunol，2003;21:305-334．

8 Wherry E J，Ha S J，Kaech S M et al．Molecular signature of CD8+Tcell exhaustion during chronic viral infection［J］．Immunity，2007;27(4):670-684．

9 Akbar A N，Henson S M．Are senescence and exhaustion intertwined or unrelated processes that compromise immunity［J］．Nat Rev Immunol，2011;11(4):289-295．

10 Blackburn S D，Shin H，Haining W N et al．Coregulation of CD8+T cell exhaustion by multiple inhibitory receptors during chronic viral infection［J］．Nat Immunol，2009;10(1):29-37．

11 Fourcade J，Sun Z，Benallaoua M et al．Upregulation of Tim-3 and PD-1 expression is associated with tumor antigen-specific CD8+T cell dysfunction in melanoma patients［J］．J Exp Med，2010;07(10):2175-2186．

12 Wang S F，Fouquet S，Chapon M et al．Early T cell signalling is reversibly altered in PD-1+T lymphocytes infiltrating human tumors［J］．PLoS One，2011;6(3):e17621．

13 Sakuishi K，Jayaraman P，Behar S M et al．Emerging Tim-3 functions in antimicrobial and tumor immunity［J］．Trends Immunol，2011;32(8):345-349．

14 Richter K，Agnellini P，Oxenius A．On the role of the inhibitory receptor LAG-3 in acute and chronic LCMV infection［J］．Int Immunol，2010;22(1):13-23．

15 Matsuzaki J，Gnjatic S，Mhawech-Fauceglia P et al．Tumor-infiltrating NY-ESO-1-specific CD8+T cells are negatively regulated by LAG-3 and PD-1 in human ovarian cancer［J］．Proc Natl Acad Sci USA，2010;107(17):7875-7880．

16 Glimcher L H，Townsend M J，Sullivan B M et al．Recent developments in the transcriptional regulation of cytolytic effector cells［J］．Nat Rev Immunol，2004;4(11):900-911．

17 Zhu Y，Ju S，Chen E et al．T-bet and eomesodermin are required for T cell-mediated antitumor immune responses［J］．J Immunol，2010;185(6):3174-3183．

18 Quigley M，Pereyra F，Nilsson B et al．Transcriptional analysis of hiv-specific CD8+T cells shows that pd-1 inhibit t cell function by upregulating BATF［J］．Nat Med，2010;16(10):1147-1151．

19 Kallies A，Xin A，Belz G T et al．Blimp-1 transcription factor is re-quired for the differentiation of effector CD8+T cells and memory responses［J］．Immunity，2009;31(2):283-295．

20 Shin H，Blackburn S D，Intlekofer A M et al．A role for the transcriptional repressor Blimp-1 in CD8+T cell exhaustion during chronic viral infection［J］．Immunity，2009;31(2):309-320．

21 Mueller S N，Ahmed R．High antigen levels are the cause of T cell exhaustion during chronic viral infection［J］．Proc Natl Acad Sci USA，2009;106(21):8623-8628．

22 Kao C，Oestreich K J，Paley M A et al．Transcription factor T-bet represses expression of the inhibitory receptor PD-1 and sustains virus-specific CD8+T cell responses during chronic infection［J］．Nat Immunol，2011;12(7):663-671．

23 Bengsch B，Seigel B，Ruhl M et al．Coexpression of PD-1，2B4，CD160 and KLRG1 on exhausted HCV-specific CD8+T cells is linked to antigen recognition and T cell differentiation［J］．PLoS Pathog，2010;6(6):e1000947．

24 Laoui D，Van Overmeire E，Movahedi K et al．Mononuclear phagocyte heterogeneity in cancer:Different subsets and activation states reaching out at the tumor site［J］．Immunobiology，2011;216(11):1192-1202．

25 Sawanobori Y，Ueha S，Kurachi M et al．Chemokine-mediated rapid turnover of myeloid-derived suppressor cells in tumor-bearing mice［J］．Blood，2008;111(12):5457-5466．

26 Rodriguez P C，Quiceno D G，Zabaleta J et al．Arginase I production in the tumor microenvironment by mature myeloid cells inhibits T-cell receptor expression and antigen-specific T-cell responses［J］．Cancer Res，2004;64(16):5839-5849．

27 Mundy-Bosse B L，Lesinski G B，Jaime-Ramirez A C et al．Myeloid-derived suppressor cell inhibition of the IFN response in tumorbearing mice［J］．Cancer Res，2011;71(15):5101-5110．

28 Pastu a A，Marcinkiewicz J．Myeloid-derived suppressor cells:a double-edged sword［J］．Int J Exp Pathol，2011;92(2):73-78．

29 Kim Y J，Park S J，Broxmeyer H E．Phagocytosis，a potential mechanism for myeloid-derived suppressor cell regulation of CD8+T cell function mediated through programmed cell death-1 and programmed cell death-1 ligand interaction［J］．J Immunol，2011;187(5):2291-2301．

30 Jin H T，Jeong Y H，Park H J et al．Mechanism of T cell exhaustion in a chronic environment［J］．BMB Rep，2011;44(4):217-231．

31 Erreni M，Mantovani A，Allavena P．Tumor-associated macrophages(TAM)and inflammation in colorectal cancer［J］．Cancer Microenviron，2011;4(2):141-154．

32 Stewart T J，Smyth M J．Improving cancer immunotherapy by targeting tumor-induced immune suppression［J］．Cancer Metastasis Rev，2011;30(1):125-140．

33 Wherry E J，Ahmed R．Memory CD8 T-cell differentiation during viral infection［J］．J Virol，2004;78(11):5535-5545．

34 Nakayama K，Nakamura H，Koga M et al．Imbalanced production of cytokines by T cells associates with the activation/exhaustion status of memory T cells in chronic HIV type 1 infection［J］．AIDS Res Hum Retroviruses，2011;Epub ahead of print．

35 Dardalhon V，Anderson A C，Karman J et al．Tim-3/galectin-9 pathway:regulation of Th1 immunity through promotion of CD11b+Ly-6G+myeloid cells［J］．J Immunol，2010;185(3):1383-1392．

［收稿2011-12-05 修回2012-03-03］

(编辑 张晓舟)

R392．1

A

1000-484X(2012)09-0858-04

10.3969/j.issn.1000-484X.2012.09.023

林凯龙(1988年－)，男，在读博士，主要从事肿瘤免疫学研究，E-mail:kaydrizzt@hotmail.com;

指导教师:朱波(1974年－)，男，博士后，博士生导师，主要从事肿瘤免疫学研究。