树突状细胞在新型冠状病毒感染中的功能和机制①

范志国 吴 忌 古源楷 陈 娟 刘 娟

（海军军医大学免疫学研究所暨免疫与炎症全国重点实验室，上海 200433）

新型冠状病毒（SARS-CoV-2）引起的新型冠状病毒肺炎（COVID-19）疫情持续不断地蔓延至全球。截至2022 年11 月14 日，全球新冠肺炎累计感染人数已超过6.35 亿，死亡人数超过66.10 万，给人类健康和公共卫生安全造成极大伤害，也给免疫学研究提出了巨大挑战［1］。SARS-CoV-2 感染导致以呼吸道症状为主的临床表现，部分重症患者可发展为急性呼吸窘迫综合征甚至多器官功能衰竭，从而导致患者死亡［2-3］。

免疫系统是机体抵御病毒感染的有力武器，其中树突状细胞（dendritic cells，DCs）作为机体功能最强大的天然免疫细胞，是机体抵抗感染、维持健康的关键因素。但重症患者中，DCs 也可能参与免疫损伤和病理性炎症的发生而导致病情加剧［4］。因而，DCs 在新冠病毒造成的感染过程中发挥“双刃剑”作用。本文将阐述DCs在SARS-CoV-2入侵人体时的变化及发挥的功能，探讨DCs 在新冠肺炎不同病程阶段的作用机制，并讨论相关研究对解释新冠肺炎发病机制和寻找潜在临床靶标中的意义。

1 DCs的分类与功能

1.1 DCs 分类 DCs 是一类高度异质性的免疫细胞，广泛分布于机体所有组织和器官，具有多样化的免疫功能。DCs根据细胞亚型分为传统DCs（conventional DCs，cDCs）和非传统DCs（non-conventional DCs，ncDCs）两种［5］。其中cDCs 又包括迁移性DCs（migratory DCs）和淋巴样DCs（lymphoid DCs）两类，而ncDCs 包括浆细胞样DCs（plasmacytoid DCs，pDCs）、单核细胞来源DCs（monocyte-derived DCs，moDCs）、朗格汉斯细胞（langerhans cells）或表皮DCs（epidermal DCs）等。其中cDCs 和pDCs 是两种最主要的功能DCs 亚群，在机体抗病毒免疫应答和感染性疾病中发挥重要作用，其分化来源、表型特点和功能调控研究是免疫学研究热点［6］。

感染或损伤发生时，未成熟DCs（immature DCs，iDCs）识别抗原并逐步发育为成熟DCs（mature DCs，mDCs），迁移至次级淋巴组织，激活免疫应答，激活并调控T 细胞和B 细胞活化以清除病原体［7］。DCs异常活化或聚集则可能诱发过度炎症反应和组织病理损伤。不同DCs亚群在病毒感染过程中发挥多样化且具备高度可塑性的调控作用，是当前免疫学研究重点［8］。

1.2 DCs 的功能 DCs 作为一种专职抗原提呈细胞（antigen presenting cells，APCs），在天然免疫过程中发挥关键的启动作用。DCs通过表达多种模式识别受体（pattern recognition receptors，PRRs）识别病原体或损伤相关分子模式（包括PAMP 与DAMP），并在识别后逐渐成熟，触发炎症反应和天然免疫应答［9］。病毒感染后，携带病毒抗原的DCs 迁移进入淋巴结，与T、B 细胞相互作用，激活CD4+T细胞产生保护性炎症应答，或激活CD8+T 细胞杀伤病毒感染细胞保护宿主细胞，同时可促进B 细胞分泌中和性抗体中和病毒或病原体毒素。pDCs 主要通过TLR7和TLR9 识别病毒核酸并分泌Ⅰ型干扰素（IFN-Ⅰ）攻击病毒，也可通过环状GMP-AMP合成酶（cGAS）、干扰素基因刺激物（STING）和视黄酸诱导基因Ⅰ（RIG-Ⅰ）通路参与对DNA 与RNA 病毒的识别和应答［10-11］。

除免疫活化外，DCs 在中枢免疫耐受和外周免疫耐受中也起重要作用［12］。中枢免疫耐受发生于胸腺，DCs 通过克隆选择参与清除自身反应性T 细胞。另一方面，在无感染和炎症稳态情况下，iDCs或调节性DCs能够通过诱导Treg细胞介导针对无害抗原或自身抗原的免疫耐受［13］。调节性DCs具有多种耐受性表型和特点，如产生TGF-β 和IL-10，将自身抗原特异的T 细胞诱导分化为Treg 细胞，或诱导效应性T细胞凋亡［14-15］。因此，DCs可抑制其他免疫细胞如CD8+T 细胞反应，并最终阻止自身免疫性疾病和炎症性疾病发生。

DCs功能或数量异常与病毒感染性疾病密切相关，免疫活化缺陷或非正常的免疫耐受可能导致病毒感染持续迁延，免疫活化过度则可能引发不必要的组织损害和炎症。不同的DCs亚群在抗感染免疫应答中也具有不同的调节作用，其中cDC1 可产生IL-12p70 激活Th1 细胞、分泌大量IFN-Ⅰ、IFN-Ⅲ和TNF-α 以及诱导CD8+T 细胞应答，cDC2 则可有效启动CD8+T细胞、滤泡T辅助细胞应答和诱导Th1、Th2和Th17 细胞；pDCs 通过IFN-Ⅰ信号通路促进DCs分化成熟，具有募集NK 细胞抗病毒、产生IFN-Ⅰ、产生趋化因子以募集CD4+T 细胞和CD8+T 细胞至感染部位并诱导CD4+T 细胞和CD8+T 细胞免疫应答和触发B 细胞分化为分泌免疫球蛋白的浆细胞等作用，但其诱导CD4+T 细胞和CD8+T 细胞免疫应答的效果低于cDCs；而moDCs 则具有产生IL-6、TNF-α和IL-1β 等炎症细胞因子和激活CD4+T 细胞、CD8+T和Th17细胞的作用［16-17］。

2 SARS-CoV-2与机体免疫应答

2.1 SARS-CoV-2结构 SARS-CoV-2全长约30 kb，是一种拥有α、β、γ、δ、Omicron等多种变异体的单链RNA 病毒［18］。目前β 型的基因结构得到了相对深入的研究，包括5′端非翻译区（5′UTR）、复制酶复合体（ORF1ab，编码16 种非结构蛋白）、结构蛋白编码基因（S、E、M、N）、3′端非翻译区（3′UTR），编码了非结构蛋白、结构蛋白及辅助蛋白［19］。非结构蛋白中的3-胰凝乳蛋白酶样蛋白酶、木瓜蛋白酶样蛋白酶、解旋酶、RNA 依赖性RNA 聚合酶为病毒生命周期中的关键酶。结构蛋白包含4 种：刺突蛋白（Spike protein，S）、包膜蛋白（E）、膜蛋白（M）和核衣壳蛋白（N），其中S蛋白在病毒与细胞受体识别过程中具有重要作用。S 蛋白具有S1、S2 2 个亚单位，S1与细胞表面受体结合，S2 则可发生构象改变，从而拉近病毒与细胞的距离将S 蛋白锚定于细胞膜表面，促进病毒入侵［20-21］。研究表明，γ、δ、Omicron 等类型均在β型的基础上发生了表面结构蛋白位点突变［22］。Omicron 突变株具有高度变异性，导致病毒感染能力和免疫逃逸能力不断增强，对疫苗和抗体药物研发提出了挑战［23-26］。

2.2 SARS-CoV-2入侵细胞的过程 病毒进入人体后，宿主的弗林蛋白酶（Furin）在S1～S2 位点预切割SARS-CoV-2 S 蛋白导致S1 亚基暴露［27］。S1 亚基受体结构域（receptor binding domain，RBD）识别并结合宿主细胞表面的血管紧张素转换酶（angiotensin converting enzyme 2，ACE2）受体，诱导S蛋白S1亚基构象变化，暴露S2亚基中的S2裂解位点［28-29］。SARS-CoV-2 进入细胞的途径根据S2 亚基被蛋白酶切割位点的不同主要分为两种：一是细胞膜表面存在跨膜蛋白酶丝氨酸2（TMPRSS2），S2 亚基裂解直接发生于细胞表面，病毒与细胞膜直接融合进入细胞，是病毒进入细胞的主要途径［30-32］；二是靶细胞未表达TMPRSS2，或病毒-ACE2 复合体在细胞表面未识别TMPRSS2，病毒-ACE2 复合体则通过诱导内吞作用进入胞内，通过内体中的组织蛋白酶尤其是组织蛋白酶L 完成S2 亚基裂解，值得注意的是病毒对内体途径的依赖性较低［33-34］。通过这两种途径完成S2亚基位点裂解后暴露S蛋白的融合肽（fusion peptide，FP），S1与S2解离同时诱导S2亚基发生一系列构象变化，推动融合肽近端区（fusion-peptide proximal region，FPPR）向前与细胞膜融合，融合孔形成后病毒RNA 从此处释放至宿主细胞的细胞质，进行脱壳和复制［35］。

宿主细胞受体除ACE2 外，还有多种分子可作为SARS-CoV 和SARS-CoV-2 的替代受体。如免疫细胞中的C-型凝集素受体（C-type lectin receptors，CLR）、CD209（DC-specific ICAM-grabbing non-integrin，DC-SIGN）、CD209L（L-SIGN）、巨噬细胞半乳糖型凝集素（macrophage galactose-type lectin，MGL）、T细胞免疫球蛋白黏蛋白1（TIM-1）等［6，36-40］。其中DC-SIGN 广泛表达于DCs，用于识别甘露糖含量较高的病毒蛋白，在SARS-CoV-2 感染中作为替代受体，以ACE2 依赖或独立方式参与SARS-CoV-2 感染［41］：表达DC-SIGN 的DCs 可携带病毒转移至表达ACE2 的细胞，一定程度上帮助病毒传播［42-45］；若DCs 同时表达DC-SIGN 和ACE2（如肺间质DCs），则病原体直接侵入DCs，是新冠病毒感染DCs 的重要途径（图1）。而其他替代受体还包括肾损伤分子-1（KIM-1）、酪氨酸蛋白激酶受体（tyrosine-protein kinase receptor UFO，AXL）、神经纤毛蛋白1（Neuropilin-1，NRP-1）、CD147等［40，46-48］。这些替代受体中，凝集素受体和磷脂酰丝氨酸受体家族（TIM、TAM）在没有ACE2 的情况下难以与冠状病毒结合接受感染，因此称为“附着因子”（attachment factors）［49］。

图1 SARS-CoV-2侵入过程Fig.1 Invasion process of SARS-CoV-2

2.3 SARS-CoV-2 导致的组织损伤 由于ACE2、TMPRSS2、Furin 在肺和支气管细胞中均有表达，因此SARS-CoV-2 将主要感染肺组织从而导致严重的呼吸道感染症状和肺损伤，也是病毒通过呼吸道传播的主要原因［50-51］。而部分免疫细胞也表达ACE2和替代受体，直接损害免疫系统，导致免疫功能下降、紊乱及炎症损伤，如肺DCs。SARS-CoV 侵入细胞后影响细胞ACE2 表达从而影响ACE2 调节的肾素-血管紧张素系统（RASS系统）［52］。已有动物实验证明这一影响会导致血压和电解质平衡改变、增强气道炎症和血管通透性从而更易导致急性肺损伤［53］。研究证明SARS-CoV-2 可能也采用了类似作用机制，且比SARS-CoV 导致的肺损伤症状更严重，也更易引发血管内皮细胞损伤、血栓、炎症从而造成肺外系统和器官严重损伤［54-57］。

SARS-CoV-2在细胞内完成装配后，通过细胞焦亡直接导致细胞死亡和组织损伤［58］。同时SARSCoV-2 也可诱导高细胞因子血症（细胞因子风暴）高炎症反应从而对机体造成损害，高水平的炎症细胞因子可能导致休克和心脏、肝脏和肾脏组织损伤以及呼吸衰竭或多器官衰竭，还介导广泛的肺部病变，导致中性粒细胞和巨噬细胞大量浸润，弥漫性肺泡损伤，形成透明膜，肺泡壁弥漫性增厚［59-61］。宿主病毒清除能力受损及失控的炎症反应导致疾病加重和恶性循环，其中的免疫学机制非常复杂，可能与异常的免疫细胞数量及功能变化有关，DCs 作为连接多种免疫应答和过程的核心在SARS-CoV-2感染与损伤中发挥双面作用［62-63］。病毒感染的肺DCs 分泌IFN-Ⅲ破坏SARS-CoV-2 感染患者肺上皮屏障，从而增加肺部易感性［4］。SARS-CoV-2 还可通过DC-SIGN 等替代分子感染DCs，并通过DCs 迁徙和细胞间接触进行传播，被感染的DCs 也难以发挥正常的免疫调节功能，从而导致感染和病情恶化［39］。

3 DCs在SARS-CoV-2感染和免疫病理中的作用

3.1 DCs 产生的IFN-Ⅰ是早期抗病毒免疫的有力武器 DCs在病毒感染后的免疫应答有赖于宿主细胞PRRs 快速激活。冠状病毒感染时，DCs 表达的TLR7、维甲酸诱导基因Ⅰ（RIG-Ⅰ）、黑色素瘤分化相关基因5（MDA-5）能被病毒RNA 激活，从而触发天然免疫应答［64-65］。这些关键PRRs 的激活可启动下游信号级联，如干扰素反应调控因子（IRF3）、IRF7 和核因子κB（NF-κB），诱导IFN-Ⅰ和其他促炎细胞因子产生［66-67］。

SARS-CoV-2感染患者中，被感染的宿主细胞通过细胞焦亡募集包括DCs在内的各种免疫细胞浸润肺组织并促进细胞因子分泌［9］。pDCs 被招募至肺部组织后，通过TLR7 识别SARS-CoV-2 后开始活化和聚集，释放IFN-Ⅰ等抗病毒IFN 和IL-6、IL-8 等炎症细胞因子限制病毒复制［68-72］。新冠肺炎早期感染患者中，激活的DCs浸润于肺部，大量干扰素刺激基因（ISGs）表达，表现出强大的IFN 反应［73］。IFN-Ⅰ是增强机体抗病毒免疫应答必需的免疫调节因子，以上证据证明DCs 在病毒感染早期成功识别了SARS-CoV-2 并释放了大量IFN-Ⅰ，DCs 在新冠肺炎早期感染中可能起重要的保护作用。

然而SARS-CoV-2 感染能够降低机体IFN-Ⅰ转录表达［74］。SARS-CoV-2 持续感染过程中，IFN-Ⅰ产生明显受损，pDCs 产生IFN-Ⅰ的能力明显下降，抑制moDCs 和pDCs 中STAT1 磷酸化，从而抑制和延迟IFN-Ⅰ产生，导致pDCs仅能产生较少的细胞因子以应对持续感染和不相关的二次刺激［75-76］。因此新冠肺炎重症和危重患者中，哪怕病毒复制量很高却仍表现出IFN-Ⅰ转录反应不足，同时pDCs 数量下降，加剧IFN-Ⅰ不足的情况［74，77］。新冠肺炎患者中IFN-Ⅰ抗病毒反应的关键蛋白TLR3 和IRF7 遗传性缺陷增多，这些缺陷导致功能丧失，是重症SARSCoV-2 感染的基础［78］。而女性病毒感染相对男性较轻的部分原因是雌激素增加了pDCs中TLR7途径的IFN-α（IFN-Ⅰ的一种）分泌［79］。这些研究侧面反映了DCs 分泌的IFN-Ⅰ对控制COVID-19 感染、维持机体健康具有关键作用。

另一方面，部分证据显示新冠肺炎患者IFN-Ⅲ会破坏肺上皮屏障，DCs 可能参与病理性炎症发生而导致病情加剧，说明了DCs 在免疫保护和免疫病理过程中的复杂作用［4］。

3.2 DCs 功能失调可能引发细胞因子风暴 细胞因子风暴的产生和临床特征可能与炎症细胞因子过度产生息息相关，如IL-1、TNF-α 和IL-6 等，其中IL-6 可能对新冠肺炎病情恶化起重要作用［80-81］。一项150 例新冠肺炎患者的回顾性研究中发现，68例死亡患者的IL-6水平显著高于正常值，而82例治愈病例的IL-6水平则处于正常范围［82］。国内一项对29 例新冠肺炎患者的临床特征分析中也发现，5 例危重型患者IL-6 水平高于9 例重型患者，9 例重症病例的IL-6 水平高于15例普通型病患［83］。同时，一项关于新冠肺炎患者血清中细胞因子和趋化因子水平的研究也发现，相较于IL-1 和TNF-α，体内IL-6 增加更显著且与疾病严重程度相关［84］。IL-6 异常升高引起了研究人员注意，2020 年研究人员就已开始尝试使用IL-6 受体抗体治疗急性呼吸窘迫综合征并取得了良好效果［85］。2021 年则开始使用IL-6 受体抗体联合疗法，如使用托珠单抗联合恢复期血浆治疗危重症患者炎症损伤，发现IL-6 可作为一种稳定指标呈现病毒感染期间炎症状况，高水平IL-6患者预后普遍较差［86］。

以上可以看出IL-6 与严重的炎症损伤存在明显联系，且可能对细胞炎症风暴恶化起重要作用。虽然并未在体外实验中明确发现IL-6 的具体来源［87］，但YOUSIF 等［88］发现小鼠体内cDCs 衍生的sIL-6R 可捕获中和细菌或病毒感染后体内释放的IL-6，说明DCs 在IL-6 平衡调节中可能起重要作用，但DCs与炎症反应加剧和消退的具体联系和机制还需进一步研究。

另外，细胞因子风暴可能是免疫系统未能清除病毒从而“过度补偿”的结果，因为大量患者表现出低水平的IFN-Ⅰ、IFN-Ⅲ与高浓度的趋化因子、IL-6同时存在的情况［74，89-91］。SARS-CoV-2 感染过程中，在低水平IFN-Ⅰ和高载量病毒情况下，SARS-CoV-2过度激活NF-κB及其依赖的TNF-α和IL-6产生和信号传导，导致长时间的炎症反应［91-92］。SARS-CoV-2具有激活NF-κB 通路的能力，而DCs 可通过NF-κB激活信号通路参与促炎细胞分裂，在正反馈回路作用下，IL-1β、IL-6和TNF-α等细胞因子加强了NF-κB激活和炎症小体组装，进而促进炎症反应［93-94］。证明SARS-CoV-2 感染的肺部，NF-κB 水平较高，而抑制该通路可增强IFN 介导的抗病毒免疫，改善感染结局［95-96］。

总之，抵抗肺部病毒感染依赖于IFN 和炎症细胞因子的作用，而细胞炎症因子风暴可能与异常的免疫细胞数量及功能变化密切相关，DCs 在其中起重要作用：DCs 数量、功能下调时，IFN-Ⅰ抗病毒免疫削弱，高浓度的病毒激活了NF-κB 过度反应，从而诱发以IL-6 和TNF-α 升高为特征的细胞因子风暴。

3.3 DCs 数量和功能缺陷引发病毒免疫逃逸 研究显示SARS-CoV-2 感染DCs 将直接导致DCs 数量减少，SARS-CoV-2 感染可使moDCs 数量减少10%～20%［75］。而急性期和恢复期新冠肺炎患者cDCs 和pDCs 数量均减少，同时cDCs/pDCs 升高，意味着pDCs 减少情况更严重，而pDCs 减少将引起IFN-Ⅰ分泌减少从而降低人体抗病毒效应，导致疾病难以控制。而DCs 分泌的IFN-α 可活化并诱导B 细胞成熟，从而帮助启动新冠肺炎患者体内的B细胞应答，产生IgM、IgG 和IgA 等特异性中和抗体，因此IFN-Ⅰ减少可能影响B 细胞免疫应答［97-98］。且DCs 数量减少在症状严重的患者中表现更显著［77］。研究显示新冠肺炎患者体内cDCs和pDCs数量下降的情况甚至可持续7 个月［99］。SARS-CoV-2 感染也会导致DCs 成熟度受损，研究发现新冠肺炎患者高病毒载量的弥漫性肺泡损伤标本中髓系DCs（mDCs）的成熟标志MHCⅡ分子并未显著上调，未成熟的mDCs最终导致T 细胞应答不足［100］。同时DCs 成熟的标志HLA-DR 和CD80 表达降低，STAT2 活性降低，导致DCs 激活CD8+T 细胞能力降低［101］。SARS-CoV-2感染过程中，T 细胞发挥消除病毒的重要作用，而DCs可诱导产生CD4+T细胞和CD8+T细胞，且DCs刺激T 细胞的能力取决于其成熟状态，因此，DCs数量减少和成熟度降低也可能导致新冠肺炎患者CD4+T细胞和CD8+T细胞数量降低［16，42，102］。

以上证据显示SARS-CoV-2 感染会导致DCs 数量降低、成熟度受损，将严重影响DCs发挥正常免疫功能，继而影响T 细胞和B 细胞介导的适应性免疫应答，最终导致疾病恶化，而恶化的疾病又将进一步降低DCs 正常功能，这样的恶性循环导致疾病不断进展。DCs 在SARS-CoV-2 感染中的调节作用见图2。

图2 DCs在机体抗SARS-CoV-2免疫中的调节作用Fig.2 DCs in host immunity to SARS-CoV-2

DCs 在SARS-CoV-2 感染后数量下降、成熟度减退和功能减退的发生机制尚不清楚。可能解释包括：①SARS-CoV-2 侵入细胞后调控ACE2 影响RAAS系统，其中AngⅡ和醛固酮减少DCs数量并影响其成熟，间接导致DCs 功能障碍［52，103］；②DC-SIGN等DCs 表面蛋白作为SARS-CoV-2 入侵细胞的替代受体，使DCs 成为SARS-CoV-2 直接作用的靶细胞，病毒将直接破坏正常的DCs，降低DCs 数量［41］；③SARS-CoV-2也会直接影响DCs免疫功能，如抑制moDCs 和pDCs 中STAT1 磷酸化，从而抑制和延迟IFN-Ⅰ产生［75］。深入研究SARS-CoV-2 如何通过抑制DCs 功能和成熟进而逃逸免疫攻击，将为揭示病毒宿主相互作用带来新的启示。

4 总结与展望

SARS-CoV-2有着极强的传染性与变异性，新冠肺炎发生发展的细胞和分子机制是免疫学研究必须解决的紧迫问题。人体免疫系统中，作为专职APC 的DCs 是具有高度异质性的谱系，在抗病毒天然免疫和炎症反应激活中至关重要。但SARS-CoV-2通过多种机制导致DCs 数量减少、抗原呈递能力受损、成熟度下降，从而导致免疫系统功能障碍和细胞炎症因子风暴，实现病毒免疫逃逸。干扰素、炎症细胞因子和适应性免疫在消除SARS-CoV-2 中起重要作用，而DCs 在以上固有和适应性免疫应答启动和调节中发挥重要作用，具有免疫激活剂和天然佐剂特征，因此，以DC 为基础的SARS-CoV-2 疫苗将具有很好的发展前景。未来研究中，通过高通量手段系统性研究不同疾病阶段和部位的DCs在新冠肺炎发生发展中的作用以及DCs 的代谢调控、表观调控、RNA-蛋白相互作用等过程如何影响患者临床结局，将为解析DCs如何参与SARS-CoV-2感染的具体免疫应答过程提供新的机制解释，并为疾病诊断和治疗提供潜在的生物标志物和药物靶标。