PD-1/PD-L1轴在新型冠状病毒感染中的研究进展①

陈 蕊 王玲玲 董家辉 叶园园 李德富 郭振辉

（南部战区总医院重症医学科内科病区，国家老年疾病临床医学研究中心（解放军总医院）分中心，广州市老年感染与脏器功能支持重点实验室，广州 510010）

新型冠状病毒感染（coronavirus disease 2019，COVID-19）是一种由严重急性呼吸系统综合征冠状病毒2（severe acute respiratory syndrome coronavirus 2，SARS-CoV-2）引发的传染病。目前对SARS-CoV-2感染尚无有效的针对性治疗方法，主要是通过监测和维持患者生命指标等支持治疗，及时给予有效氧疗、呼吸机等呼吸支持治疗，辅以靶器官支持治疗［1-2］。SARS-CoV-2 感染可以激活先天性和适应性免疫反应，并在疾病后期导致细胞因子风暴，这些不受控制的炎症反应导致局部和全身组织损伤。COVID-19 患者具有一个共同特征，即T 淋巴细胞减少症，尤其是CD8+T细胞的减少。程序性死亡受体1（programmed cell death protein 1，PD-1）是活化的T细胞表达的免疫检查点受体，是一种重要的免疫抑制分子。PD-1 通过向下调节免疫系统对人体细胞的反应，以及通过抑制T 细胞炎症活动来调节免疫系统并促进自身耐受。PD-1 配体（programmed cell death ligand 1，PD-L1）与免疫系统的抑制有关，可以传导抑制性的信号。本文就相关方面的最新研究进展综述如下。

1 COVID-19

COVID-19是由SARS-CoV-2感染而引起的急性呼吸道传染病，可导致成人和婴儿急性呼吸道感染和胃肠炎，死亡率为3%～6%［3-5］。SARS-CoV-2 可经呼吸道飞沫、密切接触和气溶胶迅速传播，传染源主要是SARS-CoV-2 的感染患者和病毒携带者，人群普遍易感［6］。SARS-CoV-2是一种的单股正链RNA 病毒，全长29 903 个核苷酸，是RNA 病毒中基因组最大的病毒。该病毒与SARS-CoV 和中东呼吸综合征冠状病毒（Middle-East respiratory syndrome coronavirus，MERS-CoV）一样，利用血管紧张素转换酶2（angiotensin converting enzyme 2，ACE2）作为受体进入靶细胞［7-8］。SARS-CoV-2 与ACE2 的结合能力远远高于SARS 病毒，使得SARS-CoV-2 获得了更强的传播能力［9］。研究发现，ACE2 主要表达于肺、胃肠道、肝、肾、心等脏器［10］。SARS-CoV-2通过囊膜表面的刺突状蛋白与感染细胞膜表面的ACE2 受体，经由激活病原体相关分子模式和损伤相关分子模式诱导宿主不同靶细胞的免疫损伤［11-12］。其中肺是SARS-CoV-2 感染诱导毒性作用的主要靶器官，肾脏、肠道、肝脏和神经系统等器官也会出现不同程度免疫损伤［13］。SARS-CoV-2 感染主要分为三个阶段：①无症状感染期，此阶段可能传播给其他易感人群；②上呼吸道症状期，主要出现流感样症状；③病情症状严重期，主要包括脓毒症、多器官衰竭等危重情况，可导致急性重症肺炎、急性呼吸窘迫综合征，甚至死亡［14-15］。有证据表明，机体免疫系统在抑制SARS-CoV-2 复制和传播速度方面发挥重要作用［16-17］。而免疫系统紊乱是COVID-19 患者的重要临床表现，也是导致患者进展为重症的重要因素［18］。淋巴细胞是机体免疫系统的核心成分，具备抵御和清除细菌、病毒等外来病原微生物的功能。除了呼吸困难、低氧血症、急性呼吸窘迫综合征和细胞因子风暴，T 淋巴细胞减少症是COVID-19 患者的典型特征之一，尤其CD8+T 淋巴细胞减少［19-20］，且CD8+T细胞减少程度与病情严重程度呈正相关［21-22］。而恢复期患者CD8+T 细胞和数量及功能逐渐恢复［23］。调控T细胞减少症和细胞因子风暴导致的免疫损伤是治疗COVID-19 的关键环节［19］。因此，阐明SARS-CoV-2 感染诱导免疫损伤相关机制可为COVID-19免疫治疗提供新策略。

2 PD-1和PD-L1

细胞表面PD-1可导致机体免疫系统应答下调，抑制T 淋巴细胞的炎症活性，增强自我耐受［24-25］。PD-1 作为免疫检查点抑制分子，可增加淋巴结内特定T 淋巴细胞程序性细胞死亡，并减少调节性T 淋巴细胞的凋亡［26］。PD-1 主要存在于CD8+和CD4+T淋巴细胞表面，通过与其配体（PD-L1 和PD-L2）结合来抑制T 淋巴细胞的功能，此外，PD-L1 的表达也抑制分泌IFN-γ 的T 淋巴细胞［26］。CD8+T 淋巴细胞分泌IFN-γ 及CD4+T 淋巴细胞分泌Th1 和Th2 淋巴细胞因子，与细胞毒性T淋巴细胞在清除病毒颗粒及病毒感染方面发挥重要作用。因此，评估COVID-19患者效应CD8+和CD4+T 细胞介导的特异性抗原反应至关重要［27］。在SARS-CoV-2 感染过程中，T 细胞耗竭与T 细胞表面PD-1 和PD-L1 的表达增加呈正相关［28］。COVID-19 患者的特征之一是淋巴细胞减少，CD4+T 和CD8+T 细胞比例均显著减少，而高表达PD-1的T淋巴细胞比例却明显增加［29］。在COVID-19危重症患者，外周血的T 细胞、CD4+和CD8+T 细胞总数显著减少，且T 细胞、CD8+T 细胞或CD4+T 细胞数量与血清IL-6、IL-10 和TNF-α 浓度呈负相关，而与患者存活率呈负相关［20］。研究表明，与无症状和轻型COVID-19 患者相比，重症患者血清中PD-1 及PD-L1 分子水平显著升高［30］。相较轻症患者，重症患者CD4+或CD8+T 细胞PD-1、穿孔素和颗粒酶B 的表达明显升高［31］。此外，COVID-19患者血单核细胞和树突状细胞表面PD-L1表达程度与病情严重程度呈正相关［32］。以上研究提示，PD-1/PD-L1 在COVID-19 的发病过程中起重要作用。然而，其具体机制尚不清楚。

3 COVID-19和PD-1/PD-L1

SARS-CoV-2优先感染呼吸道上皮细胞，其对肺以外器官的直接亲和力仍不清楚［16］。研究发现在咽、心脏、肝脏、大脑和肾脏等器官中也检测到SARS-CoV-2，然而，SARS-CoV-2 对这些器官的直接作用仍存在争议［16］。研究表明，原发性SARS-CoV-2感染过程中，T 细胞表面过表达PD-1 不损害T 细胞功能，反而激活T 细胞，诱导穿孔素和颗粒酶的分泌［33］。然而，也有研究表明，在COVID-19 患者中，T细胞表面过表达PD-1 导致T 细胞功能障碍，引起自身免疫，加重病情［34］。PD-1/PD-L1 通路在激活过程中产生抑制信号，抑制T细胞的增殖和活性，导致机体对病毒的免疫力下降［34］。COVID-19 患者CD4+和CD8+T 细胞CD95 和PD-1 表达均增加，而这些分子可导致初始T细胞的百分比降低［35］。T细胞PD-1和T 细胞免疫球蛋白黏蛋白-3（T cell immunoglobulin and mucin-domain containing-3，Tim-3）的表达水平与COVID-19 患者病情严重程度呈正相关［20］。SARSCoV-2 除了直接的细胞毒性作用，还可以通过激活宿主中的细胞因子风暴［14］。SARS 是细胞因子风暴的典型例子，其主要特征是肺纤维化、炎症和高细胞因子血症［35］。在COVID-19 重症患者，先天免疫系统过度活跃导致细胞因子风暴的发生［36］。与健康对照组相比，COVID-19 感染患者血浆IL-1β、IL-1Rα、IL-7、IL-8、IL-9、IL-10、GCSF、GMCSF、IFN-γ、IP10、MCP1、MIP1A、MIP1B、PDGF、TNF-α 和VEGF等细胞因子浓度更高。ICU 患者的血浆IL-2、IL-7、IL-10、GSCF、IP10、MCP1、MIP1A 和TNF-α 水平明显高于非ICU 患者［13］。在COVID-19 患者中观察到导致细胞因子风暴的细胞数量明显增加，包括单核细胞、中性粒细胞和自然杀伤细胞［37］。COVID-19重症患者的肺巨噬细胞可能通过招募炎性单核细胞和中性粒细胞而导致肺部炎症［38］。尸检结果显示，在COVID-19 患者心肌组织检测到病毒，同时TNF-α、IFN-γ、IL-5、IL-6、IL-8、IL-18 等细胞因子基因高度表达［39］。PD-L1 以及细胞因子IL-6、IL-10、TNF-α 在COVID-19患者单核细胞和树突状细胞中过表达［14］，COVID-19 患者外周血中的IL-6、IL-10 和TNF-α 水平升高，并促进T 细胞表面PD-1 和Tim-3 等衰竭标志物的表达，进一步导致T 细胞免疫功能下降和记忆T 细胞活性丧失［20］。SARS-CoV-2 感染通过激活信号转导和转录激活因子3（signal transducers and activators of transcription 3，STAT-3）诱导靶细胞分泌IL-10，导致单核细胞和树突状细胞中PD-1和PD-L1过表达［14］。反过来单核细胞表面的PD-1 并通过与PD-L1 配体结合诱导IL-10 分泌［40］。IL-10 作为一种抑制性细胞因子，可抑制T 细胞的生成、活化和增殖，导致COVID-19 患者细胞免疫反应功能障碍［20］。与单核细胞和树突状细胞不同，COVID-19患者中性粒细胞PD-L1 表达减少，然而，SARS-CoV-2 可诱导中性粒细胞分泌IL-6、IL-1β、IL-8 及TNF-α 等大量细胞因子，启动细胞因子风暴，导致组织炎性损伤［32］。PD-1/PD-L1 轴抑制剂可为COVID-19 患者细胞因子风暴和T 细胞耗竭提供一种新的治疗策略［41］。

4 COVID-19和PD-1/PD-L1轴抑制剂

通过对COVID-19 危重症患者的临床标本的检查，显示PD-1/PD-L1 在病情进展中扮演重要角色。因此，PD-1/PD-L1 轴抑制剂可为缓解COVID-19 症状甚至免疫SARS-CoV-2 病毒感染提供新疗法。在癌症治疗及呼吸道感染中，靶向调控Tim-3、PD-1 等免疫抑制调节分子相关通路，可增加T细胞和NK细胞的数量和功能来提高细胞免疫功能［42-43］。IL-10作为T细胞耗竭的标志，阻断IL-10的功能可以有效防止T 细胞耗竭，增加其在慢性感染中的功能［32］。考虑到H7N9 致命性疾病与COVID-19 患者症状的高度相似性，高水平的细胞毒颗粒可导致T 细胞激活受限甚至衰竭，当给COVID-19 患者使用PD-1/PD-L1轴抑制剂药物时，可能会改善这种状况，甚至逆转［44-45］。研究表明，在脓毒症患者和免疫缺陷患者，通过特异性抗体阻断PD-1/PD-L1 轴以增强T 细胞的免疫应答，可有效清除病原体、改善症状、提高的生存期［46］。因此，PD-1/PD-L1 轴抑制剂药物可能对改善COVID-19 患者症状和恢复耗竭的T 细胞是有效的。然而，不容忽视的是PD-1/PD-L1 轴抑制剂最常见的并发症之一是抑制剂相关肺炎［47］。研究发现，在癌症患者中使用PD-1/PD-L1 轴抑制剂明显增加COVID-19 病情严重程度［48］。而另一项研究表明，在COVID-19 感染癌症患者，PD-1 抑制剂与COVID-19 病情严重程度无关［49］。因此，需要更多、更广泛、更全面的研究来阐明PD-1/PD-L1 轴抑制剂对COVID-19的治疗作用。

5 小结与展望

综上所述，T 细胞耗竭和细胞因子风暴是导致COVID-19 病情进展的主要因素。SARS-CoV-2 感染靶细胞，激活先天和后天免疫系统细胞。激活的巨噬细胞、单核细胞、中性粒细胞和自然杀伤细胞释放大量细胞因子，导致细胞因子风暴。激活的T 细胞和树突状细胞分泌炎症细胞因子，如IL-10 和IFN-γ。IL-10反过来促进单核细胞和树突状细胞表面PD-1 的表达，抑制CD4+T 细胞的功能。单核细胞的PD-L1 通过与CD8+T 细胞表面的PD-1 结合，从而抑制其抗病毒活性，最终导致疾病进展。PD-1/PD-L1轴抑制剂药物可能为改善COVID-19 患者症状和恢复耗竭的T细胞提供一种新的治疗策略。