髓系抑制性细胞在细菌感染性疾病中的作用研究①

陈志强 朱玥洁 张峰波 丁剑冰（新疆医科大学公共卫生学院，乌鲁木齐 830011）

细菌感染对人类免疫系统造成了严重的威胁，特别是在免疫力低下的人群中，例如儿童、老年人以及术后的患者，细菌感染常会引发败血症或死亡的发生［1-2］。深入地认识细菌感染机体的致病机制，能更好地清除致病菌，维护机体免疫平衡。近年来，源自髓系祖细胞的未成熟细胞的异质群体得到了广泛的关注（截至目前已在PubMed 上列出了5 400多项研究），其具有免疫抑制功能，称为髓系抑制性细胞（myeloid-derived suppressor cells，MDSCs）。已经在人类癌症和鼠肿瘤模型的背景下对MDSCs进行了大量研究，发现它有助于免疫抑制性肿瘤微环境［3］。随后MDSCs在一些自身免疫性疾病和感染在内的病理条件下发挥的作用和功能被强调［4-5］。值得注意的是，MDSCs 不是一个单一的细胞子集，而是代表一组具有共同生物学活性的表型不同的髓样细胞，具体取决于它们所在的发生部位或疾病阶段［6］。在治疗上，亦发现了几种关于如何干扰或者靶向MDSCs 的方法，并进行了癌症的临床前和临床研究［7-8］。本文总结了MDSCs 在细菌感染中的研究现状。此外，本综述专注于细菌感染中病原体介导MDSCs激活的分子机制。

1 MDSCs的表征

MDSCs 来源于髓系祖细胞和未成熟髓系细胞，在生理条件下，迅速分化为成熟的粒细胞、树突状细胞（dendritic cell，DC）和巨噬细胞，然后从骨髓中迁移至相应的外周器官和组织，发挥正常的免疫功能［9］。然而，在癌症、感染、炎症、自身免疫病等病理情况下，这些髓源性祖细胞的成熟会被一些细胞因子抑制，因此它们会停留在不同的分化阶段，成为具有免疫抑制功能的MDSCs［10］。传统上，描述了两个主要的MDSCs 子集，即粒细胞/中性粒细胞MDSCs（polymorphonuclear myeloid-derived suppressor cells，PMN-MDSCs）和单核MDSCs（monocytic myeloid-derived suppressor cells，M-MDSCs），它们在形态学和免疫抑制机制上有很大区别。在小鼠中，PMN-MDSCs 被定义为CD11b+Gr-1+Ly6GhighLy6Clow细胞，看起来类似于具有大而圆核的单核细胞，而M-MDSCs 被定义为CD11b+Gr-1+Ly6GlowLy6Chigh细胞，被描述为具有多叶形核，有些类似于多形核细胞［11］。人 的M-MDSCs 和PMN-MDSCs 的表型特征分别被描述为HLA-DR-/lowCD11b+CD33+CD14+CD15-和HLADR-CD11b+CD33-CD15+CD14-。随着对MDSCs研究的不断推进，有学者提出了以其他不同的基因表达谱区分MDSCs 和其他粒细胞或单核细胞，如CD244、脂肪酸转运蛋白2（FATP2）被认为可以更有效地区分小鼠的M-MDSCs 和PMN-MDSCs［12］。而在人类中，建议用CD84和S100A9 识别MDSCs，CD66b用于区分PMN-MDSCs 和M-MDSCs。值得注意的是，凝集素型氧化LDL 受体1（LOX-1）作为人类PMN-MDSCs 的特异性标志物，被用来区分PMNMDSCs 与M-MDSCs 和正常中性粒细胞。至少在没有明确MDSCs 标记之前，表型特征不足以完全识别MDSCs，因此显示抑制功能以正确识别MDSCs 显得至关重要。

2 MDSCs的扩增聚集活化

在健康个体的外周血中只存在少量MDSCs，在癌症、炎症及感染时，MDSCs 含量会随着病程逐渐增加［13］。在这方面还需要解决的一个重要问题是了解促成MDSCs 扩增和聚集的因素和机制。细胞因子包括前列腺素E2（PGE2）、IL-6、IL-10、IL-1β、IL-4 和TGF-β 均显示参与上述病理条件中MDSCs的募集和增殖。具体表现为IL-1β 和IL-6 可以诱导MDSCs 在炎症部位的积累和激活。IL-1β 不仅促进MDSCs 的聚集，还诱导MDSCs 扩增所必需的其他分子的表达，如血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）、IL-6 和GM-CSF。有些细胞因子，如IL-10 和TGF-β 能诱导MDSCs 扩增介导其发挥抑制功能。故MDSCs 也能正向调控TGF-β 的产生，这样的反馈回路对维持其抗炎症反应具有重要意义［14］。研究报道，信号转导和转录激活因子3（STAT3）被认为是促进MDSCs 扩增的主要驱动因素，多种细胞因子（包括M-CSF、IL-6、GM-CSF 和VEGF）都通过激活STAT3 来促进MDSCs 增殖和分化［15］。激活的STAT3 还诱导S100A8/9（一种促炎蛋白）的表达，可抑制DC 分化，从而有利于MDSCs 扩增。另外，STAT1、STAT6及NF-κB也在MDSCs的激活和功能中发挥作用。

3 MDSCs的免疫抑制机制

MDSCs 的特征之一是免疫抑制功能，其主要通过抑制T 细胞介导的抗肿瘤和抗感染免疫，使肿瘤细胞或病原体逃避免疫监视，进而促进疾病朝着持续性或慢性发展。目前研究表明MDSCs 发挥的抑制功能与其亚群密切相关。PMN-MDSCs 和M-MDSCs 通过不同的机制抑制T 细胞功能，PMN-MDSCs增加了NADPH 氧化酶（Nox）活性，导致高水平的ROS，产生低水平的一氧化氮（NO）［16］。M-MDSCs则表达高水平的NO，但表现低ROS产生。PMN-MDSCs通过高浓度ROS不仅诱导T细胞凋亡，还下调TCRζ链表达，使TCR 信号受损，导致T 细胞无反应性［17］。研究发现ROS 抑制剂可阻断MDSCs 对T 细胞的抑制作用。M-MDSCs 通过高水平NO 破坏IL-2 受体下游的信号通路，促进T 细胞凋亡和过氧亚硝酸盐的形成，同时NO 作为强大的氧化剂之一，能够通过硝化改变T 细胞上TCR 和CD8+的分子结构。造成这些受体无法对抗原特异性刺激作出反应［18］。最近，又有研究表示NO的产生被证明会损害Fc受体介导的自然杀伤细胞功能，导致癌症对单克隆抗体治疗的反应受损［19］。值得注意的是PMN-MDSCs 和MMDSCs 亚群都高表达精氨酸酶-1（Arginase 1,Arg-1）。Arg-1被认为是重要的免疫抑制介质，能够将L-精氨酸转化为L-鸟氨酸和尿素，从而导致L-精氨酸的消耗，使效应性T 细胞在免疫反应中缺乏L-精氨酸，导致T 细胞无法增殖，免疫功能下降。亦有报道，MDSCs 通过上调程序性死亡配体1（programmed death 1 ligand，PD-L1）发挥 其免疫 抑制作 用［19］。PD-L1 与T 细胞上表达的程序性细胞死亡蛋白1（programmed death 1，PD-1）受体的结合导致T 细胞的功能衰竭或失去产生IFN-γ 的能力，用PD-L1 抗体可阻断MDSCs对T细胞的免疫抑制能力。

除了抑制T 细胞外，MDSCs 还会影响其他免疫细胞的活性和功能，例如，MDSCs 通过表达免疫抑制细胞因子TGF-β 来抑制NK 细胞的细胞毒性；调节性T 细胞（regulatory T cells，Tregs）是一组抑制免疫反应的T 细胞亚群，MDSCs 产生CCR5 配体CCL4和CCL5，它们通过在Tregs表面高表达的CCR5受体将Tregs募集到病变组织，发挥抑制功能［20］。MDSCs分泌的IL-10 和IFN-γ 可以进一步激活Tregs。Tregs和MDSCs复杂的交互作用进一步抑制抗感染免疫。

4 MDSCs与细菌感染

几种细菌已被证明在体外和体内诱导或调节MDSCs，考虑到部分细菌感染参考文献数量有限，本文主要论述了MDSCs 在结核分枝杆菌、金黄色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌以及脓毒症感染中的变化特点和在感染过程中的作用。

4.1 结核分枝杆菌相关的MDSCs 研究 结核病（Tuberculosis，TB）是由结核分枝杆菌引起的感染，是人类健康的主要威胁之一［21］。已知TB 的发生与T 细胞反应受损相关，但其潜在的免疫机制仍不完全清楚。最近报道，在小鼠中，热灭活的结核分枝杆菌能够诱导MDSCs，后者产生NO 和超氧阴离子发挥抑制免疫的作用［22］。同样，急性（家庭暴露在3 个月内）和慢性结核病患者的外周血和支气管肺泡灌洗样本中的MDSCs 数量均显著增加，这些细胞抑制CD4+和CD8+T 细胞的功能，包括T 细胞增殖、T细胞运输改变以及IL-2、IFN-γ和TNF的产生［23］。在小鼠实验性肺结核中，MDSCs 在感染小鼠的肺中积累，MDSCs 容易吞噬结核分枝杆菌，并释放IL-6、IL-10 等细胞因子，同时保持其抑制能力。肺中MDSCs 数量与TB 致死率呈正相关，MDSCs 的靶向消耗可改善小鼠TB 模型中的疾病进展。这些研究表明MDSCs 在结核病期间持续扩增，并在宿主与病原体的相互作用中发挥双重作用：它们吞噬但不杀死分枝杆菌，从而为结核杆菌的生存提供了庇护所，同时抑制周围效应T细胞的反应。

MDSCs与T细胞的相互作用已在结核病患者中建立，但对影响抗原特异性应答淋巴细胞的作用机制仍有待阐明。最近在实验性结核病研究中已经确定了参与MDSCs 功能调节的细胞表面分子［24-25］。在患有分枝杆菌胸膜炎的小鼠中，MDSCs 通过表达tmTNF-α 与表达TNFR2 的CD4+T 细胞结合，细胞间相互作用增强了MDSCs 的活性。在体外分枝杆菌感染时，人类MDSCs 上调PD-L1 并使用该检查点分子来限制T细胞增殖。最近的一项研究表明MDSCs抑制IFN-γ的生成，而IFN-γ可通过降低Arg-1活性，抑制PD-1/PD-L1，从而降低MDSCs 的抑制功能，这可能解释了终末期结核病患者的严重免疫抑制。在癌症研究中，描述了纯化的MDSCs 中富含的其他酶的相关性，例如NADPH 和COX2［26］，以及MDSCs和自噬分子之间的相互作用关系，当前在人类结核病中也报告了类似的发现，但还需要进一步研究。4.2 金黄色葡萄球菌相关的MDSCs 研究 金黄色葡萄球菌是人类社区获得性和医院感染的主要原因，据报道，MDSCs 在金黄色葡萄球菌引起的慢性感染中具有重要作用。在金黄色葡萄球菌慢性脓肿的小鼠模型中，已证明效应CD4+T 细胞功能的逐渐下降与感染向慢性发展有关，而MDSCs 的扩增被认为是导致进行性T细胞功能障碍和无法消除金黄色葡萄球菌的原因［27］。同样，HEIM 等［28］和JOSSE等［29］证明MDSCs 在感染的假体关节中建立慢性金黄色葡萄球菌生物膜方面发挥关键作用。研究表明MDSCs 抑制了受感染关节中单核细胞/巨噬细胞的促炎活性，因为通过消耗MDSCs 可以增强招募的单核细胞的促炎功能促进生物膜的清除。与上述发现一致，来自患者和被金黄色葡萄球菌感染的小鼠模型中金黄色葡萄球菌生物膜主动将宿主免疫反应偏向抗炎表型，其特征是优先募集MDSCs 与抗炎的单核细胞和巨噬细胞，此外，研究证实MDSCs向金黄色葡萄球菌生物膜部位的募集是由IL-12 介导的，并且被募集的MDSCs 释放的IL-10 还负责抑制单核细胞/巨噬细胞的抗菌作用［30］。MDSCs 的消耗导致细菌清除率提高，而MDSCs 增加可促进该生物膜模型中的疾病严重程度。总之，针对金黄色葡萄球菌感染中MDSCs的研究表明，MDSCs在金黄色葡萄球菌感染的宿主中具有相当有害的作用。目前，PMN-MDSCs为优势亚群会渗入金黄色葡萄球菌生物膜并建立导致持续感染的抗炎环境被广泛认可［31］。体外研究显示，虽然M-MDSCs和PMN-MDSCs均可以在加入低浓度金黄色葡萄球菌后扩增，此时M-MDSCs 的比例远大于PMN-MDSCs，但随着金黄色葡萄球菌浓度的增加，并不能引起M-MDSCs继续扩增，这一特点在随后的研究描述为了适应高浓度的金黄色葡萄球菌生物膜，增加的M-MDSCs比例可能进一步分化为M2 型巨噬细胞以维持固定水平的M-MDSCs。在金黄色葡萄球菌感染模型中，MDSCs是否存在特定亚群参与免疫抑制还需要进一步研究。

4.3 肺炎克雷伯菌相关的MDSCs 研究 肺炎克雷伯菌是与人类感染相关的最具侵略性的多重耐药菌之一，导致高病死率和发病率。在感染多药耐药肺炎克雷伯菌的临床分离株后，MDSCs 会被高度诱导，特别是其亚群M-MDSCs会迅速募集去取代最初中性粒细胞反应［32］。这些M-MDSCs 表达抗炎表面标志物并显示出受损的吞噬能力。研究发现，在肺炎克雷伯菌期间，最早募集的MDSCs 高表达的IL-10 会指导免疫反应，对宿主的生存至关重要。具体而言，IL-10 的产生可防止不受控制的细胞因子产生，减少肺损伤并改善细菌清除，尽管这是以延迟气道中的细菌清除为代价。为了应对细菌感染，MDSCs 的募集和活动都会抑制先天性和适应性免疫反应，导致慢性感染［33］。这看上去MDSCs 对机体具有辅助损伤作用，可在CHAKRABORTY 等［34］和PEÑALOZA 等［35］的研究中明确地指出M-MDSCs 和其他骨髓细胞产生IL-10 是在肺炎克雷伯菌感染期间保护肺的主要机制。MDSCs 是敌人还是朋友，可能需要考虑疾病发生部位以及病程的发展，这需要更多的研究进行描述。

4.4 脓毒症相关的MDSCs 研究 脓毒症被定义为“由宿主对感染的反应失调引起的危及生命的器官功能障碍”［36］。在脓毒症中，大多数相关研究分析了MDSCs 对暴露于盲肠结扎穿孔诱导的多种微生物脓毒症的小鼠的影响。脓毒症分为两个阶段，第一阶段的特征是最初的急性炎症期，然后是继发性炎症和免疫抑制期，在脓毒症发作后的早期MDSCs比晚期MDSCs 分泌更少的S100A9，并且在LPS 和IL-6的作用下，TNF、IL-10、ROS和Arg-1更少。而对于GM-CSF，早期MDSCs 会产生RNS 和促炎细胞因子，而晚期MDSCs 产生Arg-1、IL-10和TGF-β。更有趣的是，研究者还观察到脓毒症晚期MDSCs 群体中CD31 阳性的细胞百分比更高，而CD31 是早期骨髓细胞的标志物，当用GM-CSF 刺激时，这些细胞也缺乏进一步分化的能力，提示处于晚期的MDSCs 群体比早期MDSCs 更加不成熟和免疫抑制更强。以上也充分证明了MDSCs 作用在脓毒症中具有时间依赖性，取决于脓毒症的阶段。有研究认为，在脓毒症中，可以预测MDSCs 根据疾病进展发挥着双重作用［37］。一方面，可能有益于限制败血症早期的过度炎症，从而防止早期器官功能障碍，这与金黄色葡萄球菌感染模型中MDSCs 有害的发现相反，在脓毒症中MDSCs 似乎有利于宿主［38］。另一方面，MDSCs可能会通过长期免疫抑制，导致脓毒症病人群产生不利影响，主要还是通过各种机制抑制T 细胞的活性与增殖，包括L-精氨酸的降解、活性氧和活性氮物质（ROS、RNS）的产生、分泌抗炎/免疫抑制细胞因子如IL-10、TGF-β［39］。亦有新研究表明，脓毒症诱导的PD-L1高表达的MDSCs，尤其是PMN-MDSC，可能在脓毒症早期通过PD-L1/PD-1 途径诱导T 细胞衰竭，从而发挥免疫抑制作用［40］。随后CHEN 等［41］的研究发现，脾切除可以通过减少脓毒症MDSCs 中PD-L1 的表达来保护脓毒症小鼠免于免疫细胞衰竭。由此说明，对于脓毒症患者，通过阻断MDSCs所介导的PD-L1/PD-1 途径可能是一种恢复脓毒症免疫稳态的有效方法。

5 结语与展望

MDSCs 一直以来被认为主要在癌症中发挥抑制功能，最近的研究发现，在结核分枝杆菌、金黄色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌以及脓毒症等细菌性感染疾病中的MDSCs 也有免疫抑制作用。在这些感染中，MDSCs 有利于病原体抵抗宿主最佳的免疫反应，加重感染病程甚至慢性持续性感染。因此，非常有必要探讨细菌感染性疾病中病原体和宿主来源的信号如何借助MDSCs 发挥免疫作用，并以此作为治疗靶点控制细菌感染。这一策略将扩展至其他的细菌感染性疾病中，例如布鲁氏菌感染引起的布鲁氏菌病。