受训后免疫发生机制及其在疾病中的作用研究进展

郝珊珊 侯彦强 彭亮

上海市松江区中心医院检验科，上海201600

在过去，人们认为仅有适应性免疫系统具有免疫记忆的特性，但这一传统认识最近正受到挑战。研究人员发现，固有免疫细胞在初次接触病原体后，免疫反应会发生改变，使机体能对再次刺激产生长期的非特异性保护作用，这一概念被称为“受训后免疫”或“固有免疫记忆”［1］。这一新概念的提出是对免疫系统的补充，同时也为研究人员对于疾病或疫苗的研发提供了一个崭新的视角。本文主要对TI的发现、作用机制及其在疾病中的作用进行综述。

TI的发现及作用机制

研究发现，在一些在缺乏适应性免疫反应的生物体（植物、无脊椎动物）以及脊椎动物体内，固有免疫系统中的细胞如自然杀伤细胞（NK）、单核/巨噬细胞（Mo/Mø），具有免疫记忆的特点，这一观点打破了人类对免疫系统的传统认识。研究发现固有免疫细胞（NK，Mo/Mø）在初次接触病原体后，可以长期对再次入侵的相同或无关病原体作出免疫反应，这种免疫反应不依赖于记忆T细胞或B细胞的非特异性保护，研究人员将其称为“受训后免疫”（trained immunity，TI），也称为固有免疫记忆［1］。

越来越多的研究表明，在TI的发过程中，免疫细胞（Mo，Mø）会发生代谢重编程［2］。代谢途径既能为免疫细胞提供所需的能量，也为细胞的新陈代谢及功能分化等生命活动提供基本的原料。在静息状态下，Mo/Mø主要是通过氧化磷酸化获取能量；在激活状态下，其代谢过程由氧化磷酸化转变为有氧糖酵解（Warburg效应）并产生大量的乳酸［1］。众所周知，细胞通过对葡萄糖的摄取满足活化Mø的代谢需要，但机体内的各种代谢途径对TI诱导的影响直到最近才为人们发现［3］。糖酵解、三羧酸循环（TCA）、胆固醇合成、谷氨酰胺分解等代谢途径是受训Mø维持长期性免疫功能的关键环节。

1、糖酵解途径

TI的发生与细胞内代谢途径的改变有密切的关系，转录组学和代谢组学分析表明代谢途径，尤其是糖酵解在TI的发生中起重要作用。在给予小鼠β-glucan或者磷酸盐缓冲液（PBS）刺激后的第7天，对小鼠的长期造血干细胞（LT-HSCs）进行RNA测序分析，结果显示β-glucan干预组的细胞和PBS干预组的细胞相比有1 683个差异表达基因，利用创新途径分析对差异基因进行分析，发现与糖酵解途经相关的基因，在上调的基因中被过度表达［4］。真菌来源的β-glucan可以通过Akt/mTOR/HIF-1α通路诱导TI表型地发生，介导细胞代谢从氧化磷酸化向糖酵解转变［5-6］。用β-glucan和RPMI体外刺激单核细胞，在刺激后的第3～7天，对两组细胞通路的葡萄糖消耗量和乳酸的产量进行测定，结果显示β-glucan组细胞葡萄糖的消耗量和乳酸的生成量明显高于RPMI组［6］。这一结论与活化的巨噬细胞、树突状细胞、TH1和TH17淋巴细胞从氧化磷酸化转变为需氧糖酵解的检测结果一致，即经培训的细胞会增加葡萄糖消耗量和乳酸的产量［7］。

2、三羧酸循环

TCA重构是伴随炎症巨噬细胞活化的代谢适应。在这一过程中，内源性代谢物可以发挥调节炎症的作用。比如琥珀酸可以调节IL-1β-HIF-1α轴促进炎症的发展。衣康酸通过抑制琥珀酸脱氢酶（SDH）调节巨噬细胞代谢与效应功能。有研究发现，在脂多糖（LPS）刺激的巨噬细胞中诱导性一氧化氮合酶表达升高，并伴有炎症细胞因子（IL-1β、IL-6、IL-18等）的分泌量增加，在使用衣康酸类似物（DMI）预处理的巨噬细胞中发现上述的指标表达或者分泌量均是下降的，由此证实衣康酸具有抗炎作用［8］。说明免疫反应基因1（IRG1）催化顺-乌头酸产生的衣康酸可以抑制SDH的活性从而中断TCA进而改善炎症。这一结论在β-glucan诱导TI发生过程中也得以证实，TCA过程中的某些中间产物（比如衣康酸、琥珀酸、延胡索酸）以及某些限速酶（比如IRG1和SDH）等可能参与调控TI的发生。与RPMI组相比，LPS刺激的巨噬细胞中衣康酸和琥珀酸的产量显著升高，延胡索酸的产量下降，IL-6和TNF-α的分泌量下降，IRG1表达量升高，SDH的表达量降低，β-glucan刺激的Mø琥珀酸和延胡索酸的产量升高，IL-6和TNF-α的分泌量增加，IRG1表达量下降，SDH的表达量升高，而且在LPS与β-glucan共 刺 激 的Mø中 发 现β-glucan可 以 通 过 抑 制IRG1表达以逆转LPS诱导的免疫耐受［1，9-11］。上述内容表明β-glucan诱导TI的发生与IRG1-衣康酸-SDH轴密切相关。

3、胆固醇合成途径

2018年便有文章指出，胆固醇合成通路在β-glucan，oxLDL和卡介苗（BCG）诱导的TI中发挥重要作用，尤其是甲羟戊酸的生成［12］。在β-glucan干预的Mø中加入他汀类抑制剂（如氟伐他汀）阻断HMG-CoA向甲羟戊酸的转化，发现再刺激细胞时细胞因子（TNF-α）的产生减少，乳酸产量也下降（糖酵解减少），这就表明切断甲羟戊酸生成会导致β-glucan无法诱导TI形成，炎性细胞因子的产量和乳酸产量是TI表型诱导成功的一个重要表现。该结论在oxLDL和BCG诱导的TI表型中也得以证实［12］。甲羟戊酸是影响TI诱导的关键代谢物，这不仅仅在体外实验可以验证，在临床患者体内也得以验证。超免疫球蛋白D综合征（HIDS）患者的单核细胞中存在甲羟戊酸激酶缺陷，因此，甲羟戊酸在细胞内积累诱导TI的发生。与正常人相比，HIDS患者出现周期性无菌性炎症，症状包括发热、皮肤损伤、淋巴结病和关节痛［13］。在一些配体（LPS、P3C、MALP2等）的刺激下HIDS患者的白细胞会产生更多的细胞因子（IL-1β、IL-6、TNF-α），这可能是甲羟戊酸积累诱导TI免疫表型所导致。这一结论在HIDS患者单核细胞进行RNA-seq分析后也得到确认［12］。由于单核细胞在外周血的生命周期较短，所以有研究人员猜想TI的诱导可能会影响骨髓的造血细胞，对给予β-glucan或者PBS刺激的小鼠LT-HSCs进行RNA测序分析，发现β-glucan和PBS干预的细胞之间有1 683个差异表达基因，而且这些差异基因的创新途径分析（IPA）结果显示主要与胆固醇生物合成有关，特别是甲羟戊酸途径［4］。由此可以发现胆固醇合成通路对诱导TI起关键作用。

4、谷氨酰胺分解

TI的形成过程除了涉及上述的糖酵解，TCA和胆固醇合成通路外，谷氨酰胺代谢途径也参与其中［14］。在β-glucan和BCG诱导的TI中发现发现谷氨酰胺代谢增加，而且在加入谷氨酰胺酶抑制剂BPTES后便阻断了TI的诱导过程［15］。同时动物实验也加以证实了这种结论，给小鼠腹腔注射β-glucan，1周后注射LPS，LPS刺激4 h后，用ELISA检测循环血液中细胞因子的分泌量，发现使用LPS再次刺激的β-glucan训练的小鼠血浆中IL-1β浓度明显高于对照组［16］。更重要的是当BPTES抑制谷氨酰胺分解后，评估TI诱导的指标IL-1β的产量显著下调。在上面的内容我们已经陈述糖酵解，TCA中的某些代谢产物及限速酶和胆固醇合成通路对TI的诱导起关键作用。有研究表明，谷氨酰胺分解可以促进上述代谢途径的加速，如谷氨酰胺代谢的中间产物能够进入TCA循环产成大量的苹果酸，苹果酸被转运到胞浆中用以生成丙酮酸，丙酮酸的大量合成以及mTOR-HIF-1α途径的激活将进一步促进有氧糖酵解过程，进而促进TI的发生，并且谷氨酰胺分解是琥珀酸和延胡索酸的重要来源［5，9，17］。在对胶质母细胞瘤细胞系的研究中发现，谷氨酰胺促进单核细胞中胆固醇的合成途径。总之，这些数据表明除糖酵解，TCA和胆固醇合成途径外，β-glucan诱导TI发生谷氨酰胺分解也是必不可少的代谢途径。

TI在疾病中的研究进展

在反复感染的背景下，TI对再次感染提供了强有力的保护，改善了脓毒症动物模型的病死率，给小鼠注射低剂量的白色念珠菌可免于随后暴露于致命剂量念珠菌的伤害［14，18］。同样，接种低剂量BCG的小鼠暴露于致命剂量的念珠菌时，可显著降低病死率［14］。这些保护作用在适应性免疫紊乱的小鼠模型中仍然存在。在一些炎症性疾病中，如肥胖和动脉粥样硬化，Mø与疾病的进展密切相关。因此，Mø是治疗多种疾病的一个有趣的靶点［19］。Ldlr-/-（动脉粥样硬化模型）小鼠饲喂高脂饮食可诱导出现系统性炎症，将饮食改为正常饮食后，这些小鼠炎症水平虽可恢复正常，但其对于LPS刺激时分泌炎症因子能力却显著高于正常饮食组小鼠，由此证明了高脂饮食也可诱导TI的产生［2］。体外，大量受训的Mø的确揭示了一个动脉粥样硬化的表型，以增加促动脉粥样硬化细胞因子和趋化因子分泌量为特点，包括TNF-α、IL-6、单核细胞趋化蛋白1（MCP1）、MMP2和MMP9，增 加 泡 沫 细 胞 的 形 成［20］。此 外，在ApoE-/-小鼠体内，连续4周使用超低剂量的LPS大大加剧了动脉粥样硬化的发展，这与循环系统单核细胞的促炎重编程有关［21］。在健康受试者接种卡介苗后3个月，循环系统单核细胞表现出细胞因子生产能力的增加，以对体内各种微生物的刺激作出反应［14］。在母体中接触乙肝病毒（HBV）会在新生儿中引发一种TI的状态，其特征是当脐带血单核细胞接触到各种不相关的细菌时，会产生更多的促炎细胞因子。

讨 论

有研究表明，TI的发生对于机体是具有两面性的。一方面，TI能保护机体免受病原体的再次感染，预防手术部位感染，另一方面，TI诱导过程中所产生的一系列炎性反应也可能会促进某些疾病（肥胖、糖尿病、肿瘤）地发生发展［20，22-25］。当然，TI的发现也为一些疾病的治疗提供新的方向。如低剂量LPS训练的Mo可降低小鼠大肠杆菌所导致的腹膜炎病死率。BCG训练的Mo也可通过TI对膀胱癌起到治疗的作用［14，26］。β-glucan通过逆转免疫耐受中相关表观遗传组蛋白的修饰变化来降低内毒素血症患者体内细胞因子水平。此外，TI也为新型疫苗设计、接种提供新思路［14，27-28］。

综上所述，TI是把双刃剑，如何维持其动态平衡将是未来科研的重点。TI现象的发现为人类重大疾病机制、新型疫苗设计、新型疗法策略等提供新的探索角度。因此，对于TI进行深入的研究是有必要的。