免疫衰老及其相关机制

19世纪起,有关人类平均寿命线性延伸的研究开始盛行,伴随人类平均寿命的显著增加,关于人类衰老的研究逐渐成为独立的研究领域。衰老是因时间推移和与环境相互作用而引起的分子、细胞和机体结构与功能的随机改变[1-2]。衰老反映了人体一生中与环境之间的相互作用的结果,而且没有两个个体与环境的相互作用是相同的。20世纪50年代,Walford进行了开创性生物老年学的研究,并于1969年在其撰写的《衰老的免疫学理论》中曾指出,免疫功能的下降可能引起正常的衰老,并首次提出了“免疫衰老(immunosenescence)”这一概念[3-4]。免疫衰老的研究也起源于此。

机体的免疫系统由固有免疫系统和适应性免疫系统组成。固有免疫是人体免疫系统的第一道防线,可提供快速、大范围、非特异性的保护,主要由单核细胞、巨噬细胞和树突状细胞组成。适应性免疫系统功能由T淋巴细胞和B淋巴细胞完成,包含细胞免疫和体液免疫,其特点是具有特异性、免疫记忆、多细胞参与以及个体特征[5-7]。免疫衰老进程中,机体的固有免疫系统和适应性免疫系统均会受到影响。本文将对免疫衰老的分子假说以及有关固有免疫和适应性免疫在免疫衰老中的研究进行综述。

1 免疫衰老学说

免疫衰老最重要的特征是由于反复临床和亚临床感染引起的刺激和通过连续暴露于抗原(吸入性过敏原、食物等)而导致的记忆和效应细胞在“免疫空间”的积累[8]。由免疫衰老引发的慢性炎症、恶性肿瘤或其他进行性免疫缺陷病严重影响人类寿命的长短。事实上,频频发生于老年群体中的病毒性感染和寄生虫疾病正与此相关。氧化应激-炎症-衰老学说在分子层面对免疫衰老进行了深入探讨,在这一过程中,细胞凋亡起着核心作用[9-10]。细胞凋亡、炎症反应、免疫应答上调以及亲炎症淋巴因子的分泌是衰老或长寿的主要决定因素。Dela Fuente 等对免疫衰老学说在分子层面的补充和深入探讨,提出了著名的氧化应激-炎症-衰老学说,指出由于细胞膜的结构脆弱性,免疫细胞比其他的细胞更容易受到氧化应激损伤,从而引发炎症[7,9,11]。另有学者指出,免疫衰老与基因组不稳定、蛋白质稳态丢失及线粒体功能紊乱、活性氧(reactive oxygen species,ROS)有直接的关系,即DNA 损伤和端粒损耗通过抑癌基因p53和过氧化物酶体增殖活化受体(peroxisome proliferators-activated receptors,PPARs)-γ辅助活化因子-1α(PGC-1α)调节线粒体的生物合成,导致ROS增加,蛋白质、脂质氧化和DNA损伤加重的恶性循环[12,13]。

2 固有免疫在免疫衰老中的研究进展

固有免疫系统的功能在免疫衰老中至关重要,相当多的研究表明,固有免疫系统功能的改变从皮肤上皮层、胃肠道和呼吸道黏膜的屏障作用的降低开始,局部免疫球蛋白的比值也随之降低。皮肤作为人体固有免疫的第一道防线,其衰老的主要特征是:由于毛发的数量和覆盖率的减少,防护功能“屏障”的结构被破坏,随着皮脂腺数量的减少,皮肤的弹性降低,严重损害了皮肤的免疫防御能力。此外,一些生理现象如胸腺体积的减小,似乎也证实了免疫系统在衰老过程中起着关键性作用的假说,也解释了自身免疫性疾病、恶性肿瘤或感染性疾病的发病原因，老年感染性疾病的高发率也可能是继发于吞噬细胞系统的改变。

2.1 免疫衰老过程中巨噬细胞的变化 巨噬细胞是一种位于组织内的白血球细胞,源自单核细胞,而单核细胞来源于骨髓中的前体细胞。巨噬细胞发挥免疫机制的原理主要包括两方面:其一,巨噬细胞能吞噬和杀灭胞内寄生虫、细菌、肿瘤细胞以及自身衰老和死亡的细胞,从而发挥机体的免疫防御、免疫自稳、免疫监视功能;其二,巨噬细胞还能够产生促炎性细胞因子,如肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白细胞介素-1(interleukin-1,IL-1)、IL-6、IL-8等,这些细胞因子可以处理并向T细胞传递抗原[14-16]。由于T细胞通常不能识别天然蛋白抗原的决定簇,巨噬细胞通过内吞作用摄取抗原,被吞噬的抗原细胞通过代谢被修饰成能与主要组织相容性复合体Ⅱ类分子(major histocompatibility complex class Ⅱ,MHC-Ⅱ)结合的、具有强免疫原性的肽段,该类肽段被呈递给辅助性T细胞(helper T cell,TH),T细胞抗原受体(T cell receptor,TCR)特异性地识别多肽-MHC-Ⅱ类分子的复合物,在此过程中,TH细胞表面的分化簇3(cluster of differentiation 3,CD3)参与刺激信号的传递并介导T细胞产生淋巴因子及发挥效应功能[13,17-18]。

衰老过程中,前体细胞的数量大幅度减少,而单核细胞的数量似乎没有改变[19]。老年人群中由于端粒缩短导致粒细胞集落刺激因子(granulocyte-colony stimulating factor,G-CSF)和细胞因子如TNF-α和IL-6的产生受到抑制。老龄动物试验发现,由于γ-干扰素(interferon-γ,IFN-γ)的作用,机体产生的超氧阴离子的数量减少[20]。巨噬细胞吞噬功能的下降趋势在一些特别因素如补体片段C5a类的刺激物存在时有所减缓。该类刺激因子由肠上皮细胞、肝细胞和脾细胞产生的20多种成分复杂的系统组成,在这些刺激因子的促进炎症、溶菌、溶细胞的作用下,淋巴细胞源性趋化因子(lymphocyte-derived chemotactic factor,LDCF)的产生减少。在这种情况下,抑制机制似乎与衰老过程中大量产生的前列腺素有关,并发挥抑制作用。而LDCF产量的减少可能与参与细胞因子合成的淋巴细胞比例降低有关[21-22]。

2.2 免疫衰老过程中中性粒细胞的变化 中性粒细胞可产生过氧化氢、氯化物以及过氧化物酶组成髓过氧化物酶(myeloperoxidase,MPO)杀菌系统,同时借助于补体片段或抗体的协同作用,对病原体具有强大的吞噬和杀伤作用。

虽然在老年群体中，中性粒细胞的数量并未减少,但是CD16Fcγ受体的表达减少,随之而来的后果是,由Fc受体产生的超氧化物的吞噬作用受到影响。这表明,Fc受体应激效应的下降严重影响了老年人中性粒细胞的免疫功能[23]。临床试验结果进一步表明,老年病人免疫衰老的重要特征是中性粒细胞对金黄色葡萄球菌的反应减少,并因此增加了肺部感染的易感性。同时,在老龄小鼠试验中,中性粒细胞向肺部迁移的数量减少,增加了肺部感染和复发的风险。此外,最近的研究证实了病原体介导的中性粒细胞胞外诱捕网(neutrophil extracellular traps,NETs)被破坏,是老年人肺部感染发病率增加的原因[18]。

2.3 免疫衰老过程中自然杀伤(NK)细胞的变化 NK细胞确切来源尚不十分明确。一般认为,NK细胞来源于淋巴造血干细胞,与机体的抗肿瘤、抗病毒感染和免疫调节有密切联系。甚至在一些特殊情况下还可参与超敏反应和自身免疫性疾病的发生,能够非特异性识别靶细胞、杀伤穿孔素、NK细胞毒因子和TNF等介质。NK细胞免疫功能的主要机理是抗体依赖的细胞介导的细胞毒性作用(antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity,ADCC),即NK细胞低亲和力的CD16分子与靶细胞IgG抗体复合物结合后,活化蛋白酪氨酸激酶(protein tyrosine kinase,PTK),使磷酯酶C-γ(phospholipase C-γ,PLC-γ)的酪氨酸磷酸化后裂解为1,4,5-三磷酸肌醇(inositol 1,4,5-triphosphate,IP3)和二酰甘油,IP3增加细胞内游离钙的浓度,进而释放细胞毒性物质,如穿孔素和颗粒酶[16,19]。

老年人免疫增殖性疾病的高发生率表明,在该年龄段,免疫监视的重要机制如NK细胞的活性缺陷是重要原因。1986年,通过对缓慢目标——肝细胞癌细胞系的NK细胞功能评价试验表明,在老年群体中,NK细胞自发性细胞毒性能力显著下降。最近的研究指出,高NK细胞毒性与长寿和健康相关,而低NK细胞功能与发病率和死亡率的增加有关,同时也有证据表明,NK细胞毒性降低与感染、动脉粥样硬化和神经退行性疾病的发生有关。此外,NK细胞裂解可导致穿孔素和颗粒酶的释放,进而激活半胱氨酸天冬氨酸酶并诱导靶细胞凋亡。

NK细胞随着CD56细胞的减少而重新分布,取决于在其表面CD56抗原的高密度,反之,NK细胞数量随着CD56-CD16 NK细胞的增加而增加。与年轻病人相比,老年病人的IFN分泌量减少正是由于此原因。此外,在衰老过程中,受体表达激活减少,特别是与受体NKP30和NKP46(66)有关的受体[18]。这很容易联想到通过改变NK细胞群的功能来改变衰老过程。实际上,NK细胞既可通过消除细胞因子和趋化因子,又可通过消除肿瘤或病毒感染的细胞而在固有免疫和适应性免疫调节中发挥作用。

3 适应性免疫在免疫衰老中的研究进展

适应性免疫应答的过程为:体内抗原特异性细胞T/B细胞在接受抗原刺激后,活化、增殖、分化为效应细胞,产生相应的生物效应过程,从而起到杀菌免疫作用。免疫应答的重要特征是识别“自身”和“非己”,有效排除抗原性异物。适应性免疫应答一般过程可分为3个阶段:识别活化阶段、增殖分化阶段、效应阶段。这一过程中起关键作用的是具有特异性识别功能的淋巴T细胞和B细胞。适应性免疫主要发生在淋巴结、脾脏等外周免疫器官,抗原经血流或淋巴循环进入淋巴结后,被脾脏边缘区域的巨噬细胞、淋巴结中的树突细胞、并指状细胞等捕获,经过加工处理后在抗原提呈细胞(antigen presenting cell,APC)表面表达产生抗原肽-MHC-Ⅰ类/Ⅱ类分子复合体,供相应T/B淋巴细胞识别结合,产生体液和(或)细胞免疫应答[12]。

3.1 免疫衰老过程中淋巴T细胞的变化 T细胞产生于胸腺,可根据与其相结合的受体分为CD4+和CD8+两种形态,这两种细胞亚型比例在衰老过程中呈现一定的变化趋势:CD8+细胞数量在衰老过程中呈增加趋势。CD4+和CD8+T细胞表达产生的CD45 RA和CD45 RO是相互排斥的,第一个表型可以识别原始T细胞,而第二个表型可以激活T细胞。原始淋巴细胞的减少可能是胸腺退化和慢性抗原刺激的结果,这一结果也揭示了老年人抵抗新感染的能力下降的原因[24]。此外,在衰老过程中,原始T细胞显示多种变化特征:端粒缩短、IL-2产生减少以及分化为效应细胞的能力减弱。约30%的老年人中,随着效应物“记忆”细胞的扩展和进行疫苗接种,T细胞 CD8+、CD45 RO+、CD25+克隆扩增,原始T细胞数量和功能的丧失得到补偿,能够产生IL-2,并具有保护性体液免疫能力。

CD28细胞可产生促炎细胞因子，具有抗凋亡作用,其起源尚未完全阐明,但有假说认为它们是由于端粒缩短和增殖能力降低而经历复制衰老的细胞。CD4+/CD8+比值、记忆效应细胞数目增加和血清巨细胞病毒(cytomegalovirus,CMV)的阳性率是鉴定老年病人的免疫风险表型(immunological risk phenotypes,IRP)的重要指标。同时在老年病人中已显示,IL-1、IL-4、IL-6和IFN-γ的生成增加,这些细胞因子通过同种型开关和免疫球蛋白产生从而控制B细胞分化[24]。

T细胞的进一步改变涉及到对氧化应激的损害反应,这导致诱导细胞死亡的易感性和钙流动力学增加。当前的研究指出,衰老过程中,miR 181(microRNA前体)的减少,使得T细胞对抗原识别的能力减弱。调节型T细胞(Regulatory cells,Tregs)是一种具有识别功能的转录因子,由于CD25 and FOXP3高度表达而产生的子型。老年病人体内CD4+、FOXP3+、淋巴细胞的数量增加,这些细胞的累积在激活慢性感染防御机制中具有重要作用,同时改变T17/Treg的比值,会引起机体对炎症或自身免疫性疾病的炎症反应[25]。

3.2 免疫衰老过程中B淋巴细胞的变化 机体的特异性体液免疫主要由B淋巴细胞介导,B淋巴细胞可识别胸腺依赖性抗原(thymus dependent antigen,TD-Ag)和胸腺非依赖性抗原(thymus independent antigen,TI-Ag),其对抗原的应答需要Th细胞的辅助而完成。B淋巴细胞对TD抗原的免疫应答过程为:B细胞抗原受体(B cell receptor,BCR)和抗原结合后,产生的信号由CD79a/CD79b转导至细胞内,作为B细胞活化的第一信号,B细胞通过APC加工处理提呈抗原,供Th细胞识别,活化后的Th细胞为B细胞活化提供第二信号,即CD40L+、CD40L,由Th细胞和B细胞表面的共刺激分子相互作用而产生免疫应答[21,23]。

事实上,在免疫衰老过程中,B细胞的储备受到年龄的影响,体液免疫因而受到定性或定量的改变。B细胞功能降低被认为是由于T细胞的缺乏而导致的,而另一方面,B细胞的功能与T细胞是独立的,典型的例子是多糖反应,这对抗菌保护至关重要,而且似乎很少需要T细胞的辅助功能[26]。

此外,一些数据表明,B细胞是重要的APC,并且具有调节T细胞发育的关键功能。T细胞某些功能的缺失可能是由于B细胞的调节不足所致。有报道B细胞的数量在衰老时发生了变化,且免疫球蛋白M(immunoglobulin M,IgM)和IgD的水平亦降低,这与从原始细胞到记忆B细胞区域的转变有关。相反地,在衰老过程中,IgG尤其是IgG1、IgG2和IgG3的水平升高,同时IgA水平也增加。在IgA的变化中,单体IgA1在血清和唾液中含量显著增加,痰液中聚合物IgA2减少。这种不平衡被认为是由于胃肠道黏膜上的派尔集合淋巴结(peyer’s patches,PP)减少,如IgA2;而IgA1的增加可能是T“抑制子”活性和B淋巴细胞功能过度所致。这一缺陷很大程度上会导致老年人患感染性疾病,特别是胃肠道和呼吸道感染。研究发现,老年人骨髓细胞数减少导致抗体缺乏,降低了B细胞对病毒和细菌的反应能力和对乙型肝炎病毒疫苗的应答反应[25-26]。

综上所述,免疫衰老是生命存在的典型过程,许多免疫系统(细胞)不可避免地经历这一过程,然而,衰老过程伴随着复杂的、多因素作用的免疫系统功能的退化。正确地研究并掌握衰老过程中免疫系统的变化具有重要意义。比如促炎性细胞因子表型的发展以及抗炎作用的平衡可以使老年人免于残疾困扰;免疫应答和细胞凋亡的正确调节可能有助于减少与年龄相关的退行性疾病以及炎症和肿瘤疾病的发生,使机体健康步入晚年期。

但是当前有关机体免疫衰老的研究主要是基于大量的动物试验,其结论可以合理的推广到人体中,但确切的实验数据的获得还有待于纳入大量人群的研究样本体系,且需要考虑到老年人群样本分布的差异性和复杂性。能否在基于临床试验和理论探索的基础上,寻找到提高老年人对病原体和疫苗的应答能力的有效措施至关重要[27]。另外,通过对应答分子机制的研究,研发具有抗衰老作用的药物或者化合物大有裨益。