衰老对免疫系统的影响及其干预机制的研究进展

王秋懿 综述,靳建亮 审校

0 引 言

衰老是指随着年龄增长,机体出现多种生理性或病理性的变化,各组织器官功能下降。衰老可引起机体多种病变。胸腺最早出现变化,也最明显。胸腺从青春期开始即不断退化,在中年时期完全被脂肪组织取代。作为T细胞分化、发育、成熟的主要器官,胸腺功能降低,产生的T细胞不断减少[1]。同时,老年人炎性因子明显变化,发生炎症反应,使老年人对于传染病的易感性增加[2]。

在衰老的过程中如何调节、增强免疫功能,减少老年人炎症性疾病发生的研究尚有待于系统深入的分析。T细胞在免疫系统中起关键作用,本文主要就衰老对T细胞发育的影响以及T细胞功能衰退所致炎症反应的干预机制作一综述。

1 免疫系统与T细胞

1.1 T细胞的发育和功能

1.1.1 胸腺中T细胞的分化T细胞在骨髓中产生,迁移到胸腺发育成熟,未分化的T细胞依据其T细胞受体(T cell receptor, TCR)分为αβT细胞和γδT细胞。γδT细胞从胸腺直接进入黏膜和皮下组织发挥作用,αβT细胞识别由主要组织相容性复合物(major histocompatibility complex, MHC)提呈的蛋白质抗原,是介导机体特异性免疫调节的主要细胞,需在胸腺中经过一系列分化过程[3]。

T细胞祖细胞CD4和CD8表达均为阴性,称为DN(双阴性)细胞。DN期细胞以CD44和CD25的表达情况分为:DN1期(CD44+CD25-),DN2期(CD44+CD25+),DN3期(CD44-CD25+)和DN4期(CD44-CD25-)[4]。DN3期的T细胞表面TCR的β链发生重排,与前α链形成前T细胞受体(pre-TCR),DN4期的T细胞进一步分化为CD4+CD8+T细胞,此时T细胞重排α链,形成成熟的TCR,并开始表达CD3[4]。经过阳性选择和阴性选择分化为CD4+或CD8+阳性T细胞,进入外周器官发挥作用。

1.1.2不成熟的T细胞——γδT细胞γδT细胞也在免疫系统中发挥重要作用。先天性免疫是个体出生就具有的,可通过遗传获得,不针对某个特定异物抗原,也称非特异性免疫[5]。而γδT细胞在机体中发挥的作用与先天性免疫类似,分布于肝脏,肠及其他上皮组织,根据不同的Vδ 基因片段和位置,γδT细胞发挥不同的作用[6]。

与αβT细胞不同,γδT细胞不需通过MHC分子识别抗原。γδT细胞可识别胸腺上皮细胞(thymic epithelial cells, TECs)表达的skint-1,对于胸腺细胞的成熟十分重要[7];Vδ1+γδT细胞可识别MHC相关分子MICA和MICB, 使γδT细胞可不依赖于肿瘤相关的抗原发挥作用[6]。

尽管γδT细胞在感染,肿瘤和自身免疫性疾病中的作用得到广泛认可,但是关于γδT细胞的胸腺内分化机制尚无无确切研究。目前认为,弱TCR信号促进生成αβT细胞,强信号会诱导产生γδT细胞。较弱的TCR信号进一步促进表达IL-17的γδT17细胞生成[8]。Sox13和Maf可能通过下调γδT祖细胞中的TCR信号,驱动γδT17谱系分化中发挥作用[8]。虽然关于T细胞发育的研究还只停留在初级阶段,但是这依旧为我们了解免疫系统功能提供了理论依据,也是我们探究衰老对免疫系统影响的重要基础。

2 衰老与免疫系统的变化

2.1 衰老与T细胞的变化衰老导致免疫系统功能下降,这一变化被称为免疫衰老。免疫衰老最显著的变化之一是胸腺退化。胸腺需要持续输入骨髓祖细胞,衰老小鼠的造血干细胞(hematopoietic stem cells, HSCs)表现出向淋巴细胞成熟的能力下降,因此老年小鼠中早期T细胞系祖细胞(early T lineage progenitors, ETPs)的数量更少,并表现为增殖和分化潜能降低,凋亡水平增加[9]。

老年小鼠幼稚T细胞输出减少(CD44lowCD62Lhigh),记忆T细胞(CD44highCD62Llow)占比明显增加[10]。在记忆CD4+T细胞中,表达PD-1和CD153的T细胞被称作衰老相关-T(SA-T)细胞,TCR反应性因衰老而下降可归因于SA-T细胞比例的增加[11]。将从幼鼠体内分离的幼稚CD4+T细胞转移至衰老小鼠,会发现幼稚CD4+T细胞稳态增殖,并向SA-T细胞转化这些细胞产生常规细胞因子的能力下降,却产生大量的促炎细胞因子和趋化因子[12]。衰老细胞自发分泌炎症细胞因子和趋化因子,统称为衰老相关分泌表型(senescence-associated secretory phenotype, SASP),在SA-T细胞中,SASP的表达与T细胞表面分子的表达存在一定的相关性[13]。

衰老过程中T细胞代谢改变:其一,T细胞的细胞色素氧化酶缺失,使T细胞中线粒体活性氧(ROS)增高,氧化磷酸化(OXPHOS)水平降低,NF-κB活性增加,引起糖酵解激活,有利于增殖和细胞因子的合成[14];其二,脂肪酸氧化(Fatty acid oxidation, FAO)为免疫细胞活动提供了能量,促炎细胞中更易出现脂肪酸合成和脂质积累,脂肪酸氧化明显下降[15];其三,免疫细胞内的谷氨酰胺合成酶被过量的ROS氧化,使谷氨酸转化为谷氨酰胺的效率降低,促炎细胞被激活[16]。然而是否可通过调节衰老后代谢通路调控T细胞活动,还需要更深入的讨论研究。

T细胞是细胞免疫的关键细胞,衰老首先诱导T细胞发育障碍,外周T细胞衰老表型增高,分泌促炎因子增多。T细胞因衰老出现代谢障碍后,促炎通路被进一步激活,炎症被不断放大,形成恶性循环。要想充分了解免疫衰老并进行防治,T细胞可以作为一个主要的靶点。

2.2衰老的表观遗传对免疫系统的影响表观遗传学是指基因功能发生了可遗传的变化,并最终导致了表型的变化,主要的调节机制包括:DNA修饰、组蛋白修饰、非编码RNA调控、染色质重塑等。衰老细胞中组蛋白普遍缺失,且组蛋白激活和抑制失衡[17]。基因组重排是调节免疫细胞生长的潜在机制,这种机制由转录因子和染色质修饰协同调控;后期为防止持续炎症造成的组织损伤,负调控阶段占据主导地位[18]。

表观遗传调控巨噬细胞的发育,转录因子、组织特异性增强子和启动子都参与了巨噬细胞发育。以肝脏巨噬细胞库普弗细胞为例,TGF-β和Notch配体分别激活SMAD4和RBPJ,进一步激活单核细胞中诱导巨噬细胞的决定因子,如LXRα[19]。树突状细胞(DCs)的发育也受到表观遗传的调控,核因子IL-3(Nfil3)诱导的Id2抑制Zeb2,在41 kb处增强子上灭活E蛋白,导致32 kb处增强子发挥作用,形成成熟的树突状细胞[20]。固有淋巴细胞可发挥天然免疫作用。以NK细胞为例,其发育受转录因子的调控,组蛋白H2A去泛素化酶MYSM1通过使组蛋白K119去泛素化,在Id2基因启动子处与Nfil3结合,促进Id2的转录,调控NK细胞转录[21]。

无论是衰老调控的T细胞免疫,还是表观遗传调控先天免疫系统,与免疫衰老密不可分的重要因素是炎性因子。炎症反应在免疫系统中的作用是一把双刃剑,一方面有助于清除机体内有害的病原微生物,但慢性炎症反应的积累又易导致多种疾病,这引起对于炎性衰老的探讨研究。

3 衰老与炎症

3.1 炎性衰老机制炎性衰老是指衰老过程中,机体由于持续性的抗原刺激和压力诱导,出现应对应激能力下降,促炎反应慢性进行性加重,是免疫衰老最显著的后果之一。炎性衰老是对衰老网络理论和重塑理论的扩展:衰老的网络理论认为衰老是由细胞和分子防御机制网络间接控制的;而重塑理论则是指机体在对抗恶性损伤的过程中出现逐渐适应[22]。当感染和组织损伤中的促炎因素被清除,机体病理生理调节平衡状态恢复,炎症反应就会消失。持续低强度刺激存在时,炎症不能进入稳定的抗感染和组织损伤修复状态,最终炎症持续发展[23]。

目前关于炎性衰老的机制可以概括为:①应激理论,促炎状态可以帮助老年人处理慢性抗原应激源产生的刺激,但是过度的应激反应,以及伴随出现的促炎反应,最终导致炎性衰老[24];②自噬理论,自噬可去除细胞中的有害物质以维持稳态和正常代谢,在衰老过程中,自噬清除能力逐渐下降,导致线粒体紊乱和异常蛋白质积累,活性氧(ROS)增加,激活Nod样受体3(NLRP3),引发炎症级联反应,加速衰老[25];③DNA损伤理论,持续端粒DNA和线粒体DNA损伤反应(DNA damage response, DDR),可诱导DNA复制或翻译错误,导致细胞衰老。衰老细胞的DDR激活有助于促炎分泌表型的增加,加剧炎性衰老[26];④干细胞衰老理论,干细胞衰老是衰老的细胞基础,促炎因子诱导细胞分泌大量炎症活性细胞因子,抑制干细胞的再生能力,干细胞功能失调,微环境破坏,最终衰老[27];⑤细胞因子理论,促炎因子在慢性炎症引起的炎症衰老中起重要作用,促炎状态增加的重要原因是血液循环中促炎因子水平升高[28]。

炎性衰老的起因在于抗炎和促炎的失衡。炎性因子在体内慢性累积,为组织器官提供炎性环境,这也是炎性衰老对人体器官产生影响的重要原因。

3.2炎性衰老对组织器官的影响

3.2.1 炎性衰老对肺的影响2020年,新型冠状病毒(2019-nCoV)席卷全球,患有新型冠状病毒的患者表现出血清炎症介质“风暴”,如IL-6和C反应蛋白(C-reactive protein, CRP)的水平急剧升高。通过阻止细胞因子下游的免疫激活和炎症反应失调的治疗方式,如针对IL-6受体(IL-6R)或IL-6的单克隆抗体,从而改善严重的新冠肺炎[29]。

COVID-19患者出现严重的淋巴细胞减少症和中性粒细胞大量增加,中性粒细胞的增加反映了与细胞因子有关的急性炎症反应,淋巴细胞减少表明细胞介导的免疫反应有重大改变[30]。COVID-19患者中存在SARS-CoV-2特异性的CD4+T细胞和CD8+T细胞免疫应答,然而细胞毒性T细胞反应的过度激活决定了COVID-19的严重性,CD8+T细胞异常激活是严重COVID-19引起心脏损伤的一种潜在机制[31]。

老年人对COVID-19表现出更强的易感性,增龄相关的炎性衰老被认为是易感性增加的主要原因。衰老相关的I型干扰素(Interferon, IFN)应答受损是流感病毒复制增强的原因,SARS-CoV可抑制I型IFN反应,导致对病毒作用的CD8+T细胞反应不良[32]。因此,衰老相关的I型IFN反应减弱和直接病毒抑制作用可被看作关键的免疫机制,使老年人对SARS-CoV-2的易感性增强。

3.2.2炎性衰老对心脏的影响健康成年小鼠的心脏包含所有主要白细胞,分布在整个心脏。心脏中基质细胞产生细胞因子、趋化因子和生长因子,可刺激白细胞做出反应,并表达可识别白细胞产物的受体:T细胞分泌的IL-17,可刺激心脏成纤维细胞;巨噬细胞产生转化生长因子β(TGFβ),血管内皮生长因子(VEGF)和白细胞介素10(IL-10),促进新血管发生以及炎症的消退[33-34]。

随着年龄的增长,心脏的间质纤维化,炎症细胞及因子浸润,导致心脏疾病,降低心脏供血能力。衰老过程与心脏白细胞构成和数量变化相关:老年心脏中含有更多单核细胞衍生的巨噬细胞及CD8+T细胞[35]。免疫系统因衰老发生变化,罹患心脏病的风险也会增加,但是需要进一步研究以阐明这两种现象之间的联系。

以心肌梗塞为例,95%以上由中、老年人冠状动脉粥样硬化所致,冠状动脉粥样斑块破裂后,血小板在破裂的斑块表面聚集,形成血栓,突然阻塞冠状动脉管腔,导致心肌缺血坏死[36]。在心肌梗塞局部缺血早期,坏死心肌释放损伤信号激活肥大细胞,引起脱颗粒并释放预先形成的促炎性细胞因子和血管活性物质,从而激活内皮细胞[37]。在缺血性损伤后24～96 h,由Ly6c募集的单核细胞从血液进入缺血的心脏组织,分泌促炎细胞因子和趋化因子,如IL-23,驱动先天的γδT细胞产生IL-17A。IL-17A通过CXC趋化因子诱导中性粒细胞浸润,并通过调节凋亡蛋白与抗凋亡蛋白之比诱导心肌细胞死亡[38]。

4 免疫系统衰老的干预机制

4.1 表观遗传调节免疫功能如前所述,表观遗传调控对于免疫功能有重要影响。在对T细胞组蛋白修饰的研究中发现,抗原特异性CD8+T细胞从幼稚T细胞分化为记忆T细胞的过程中存在表观遗传变化,如激活型组蛋白H3K4me3修饰积累,以及抑制性组蛋白H3K27me3减少[39]。

年龄相关的DNA甲基化可以通过调节免疫相关因子和免疫细胞类型的比例来促进免疫衰老。对新生儿和老年人的CD4+T细胞比较发现,总体DNA甲基化随年龄增长而下降[40]。通过表观遗传调控,如组蛋白修饰或DNA甲基化,改善T细胞衰老情况,为免疫衰老治疗提供了新的理论依据。

4.2工程免疫细胞——CAR T细胞的应用嵌合抗原受体(chimeric antigen receptor, CAR)是一种融合蛋白,包含源自抗体的单链可变片段(scFv)的细胞外靶结合域,以及含有CD3z的细胞内信号传导域,与共刺激分子如CD28,CD137,CD134结合,使用基因转移技术将T细胞改造为表达CAR的T细胞能够通过scFv结合域特异性识别其靶抗原,以不依赖MHC的方式被激活[41]。NK细胞通过衰老细胞表面表达的NKG2D识别和杀死衰老细胞。同样,CAR-T细胞也可靶向癌细胞上的特异性分子NKG2D,具有巨大的抗癌治疗潜力。因此,通过工程T细胞识别衰老细胞表面的NKG2D配体清除衰老细胞,使免疫衰老治疗成为可能[42]。

癌症疫苗也可应用于衰老细胞清除,虽然细胞衰老的标志物尚未确认,但衰老的细胞膜暴露于免疫细胞可能会引起免疫反应。衰老特异性抗原暴露于树突状细胞以及抗原提呈细胞,经过加工,被T细胞识别,最终达到清除衰老细胞作用[43]。

4.3清除衰老T细胞衰老免疫细胞不断积累会引起免疫功能下降,并占用有能力的免疫细胞所需的免疫空间。T细胞在抗原刺激下大量增殖,这一过程会因为衰老T细胞的存在受到抑制,通过去除衰老性免疫细胞可以增强免疫力[43]。

一种方法是使用与磁珠相连的抗体来过滤血液,去除不需要的衰老免疫细胞;另一种方法是使用药物特异性杀死衰老免疫细胞或产生免疫细胞的衰老造血干细胞[44]。药物靶向衰老干细胞使衰老的组织干细胞年轻化,恢复衰老免疫细胞的活力,逆转其有害表型,以改善免疫功能,可能比清除衰老细胞更有效。

4.4线粒体功能调节线粒体对于细胞的代谢和氧化还原平衡至关重要。线粒体内氧化反应过程中会产生活性氧(ROS),导致DNA损伤,端粒区域单链断裂,促进端粒的缩短和细胞衰老。mtDNA受到ROS侵害,继而损伤氧化磷酸化功能,进一步增强了ROS的释放。过量的线粒体ROS可以作为信号分子,触发p53/p21WAF1和Rb/p16INK4a途径,导致细胞衰老和细胞周期停滞[43]。

线粒体功能障碍也会影响正常的T细胞功能。相对于来自年轻人的CD4+T细胞,来自老年人的CD4+T细胞中被吞噬到自噬体中的功能障碍线粒体数量增加,这些有缺陷的线粒体可进一步引起炎症,使老年人免疫防御系统受损[45]。因此清除功能障碍的线粒体可能会对T细胞衰老起到一定的补救作用,进而缓解免疫衰老。

4.5衰老相关信号通路调节衰老细胞的特征包括DNA损伤反应、衰老相关的β-半乳糖苷酶(senescence-associated-β-gal, SA-β-gal)活性增强、细胞周期蛋白依赖性激酶(cyclin-dependent kinase, CDK)抑制剂p16INK4a和p21的表达增加、衰老相关分泌表型和衰老相关异染色质的形成[46]。p53在细胞衰老的情况下会出现高表达,而Akt和p21是p53诱导细胞衰老所必需的下游分子;另外,AMPK介导的p38信号传导通过抑制端粒酶活性、细胞增殖和细胞受体信号体分子的表达诱导T细胞的衰老[47]。

针对信号通路的调控机制得到了极大的关注。如阻断p38和PD-1可以增强细胞增殖,抑制p38 MAPK信号传导可以诱导衰老的CD8+T细胞的自噬并增强端粒酶活性[48]。通过抑制些信号通路延缓细胞衰老,可以达到免疫衰老治疗的效果。

4.6胸腺移植对去胸腺小鼠进行胸腺移植,可以支持小鼠T细胞的正常发育分化,小鼠细胞免疫功能恢复。异种胸腺移植可能为艾滋病晚期患者或其他由于胸腺功能障碍引起的免疫缺陷性疾病等提供新的治疗手段。临床上,胸腺移植主要针对由于原发性无胸腺症,导致功能性T细胞缺乏而患有严重原发性免疫缺陷病的儿童[49]。但是,将年轻人的胸腺移植给老年人,以此改变老年人的T细胞分化发育状态,也有望成为免疫衰老一种治疗方法。

另一种方式则是通过T细胞祖细胞(pro T)移植改善胸腺退化。Pro T细胞移植后,宿主胸腺内CD4单阳性或CD8单阳性T细胞明显增多,pro T细胞促进了胸腺中T细胞的重构[50]。但是如何将pro T细胞疗法应用于临床,仍有待进一步的探索。

5 结语与展望

我国已步入老龄化社会,衰老相关疾病发病率增高,这些疾病严重降低了老年人的生活质量,也影响了社会发展,加重我国的经济及医疗负担。

随年龄增长出现的免疫功能降低是导致老年人对病原微生物易感性增加的重要原因。从根本上增强老年人抵御病原体的能力,提高老年人免疫功能至关重要。本文归纳了衰老对免疫系统的影响,并从多个角度探讨了炎性衰老的作用机制,分析了现阶段关于免疫衰老干预机制的可行性,如CAR-T应用于肿瘤细胞的清除。胸腺移植可考虑作为免疫缺陷病的治疗途径。虽然目前尚不可能阻止免疫衰老的发生,但是通过不断地研究和实践,有望发现更多的延缓免疫衰老的方法和手段,提高老年人群体的健康水平。