訓練免疫在腎臟疾病中的研究進展

蔣慧敏 陳麒麟 綜述 李 秋 審校

人體的免疫防御系統能夠對細菌、真菌或病毒等外源性病原體和內源性刺激產生固有免疫反應和適應性免疫反應。單核細胞、巨噬細胞、中性粒細胞和樹突狀細胞等固有免疫細胞,通過模式識別受體快速且非特異性地識別病原體相關分子模式(PAMP)或者損傷相關分子模式(DAMP),誘導分泌白細胞介素(IL)-6、IL-1β和腫瘤壞死因子α(TNF-α)等炎癥細胞因子,激活適應性免疫反應[1]。適應性免疫反應主要由T、B淋巴細胞介導,在識別特定抗原后,T、B淋巴細胞受體發生基因重排,產生針對特定抗原的免疫球蛋白。部分刺激后的淋巴細胞分化為記憶細胞,在隨后遇到相同的病原體時,這些細胞很容易被重新激活,產生快速、強烈且具有針對性的免疫反應。免疫記憶特征是區分固有免疫與適應性免疫的重要特征,然而近年來研究發現,固有免疫細胞也具有免疫記憶特征,人們將這種固有免疫細胞的免疫記憶特征稱為訓練免疫(trained immunity)[2]。訓練免疫在細菌或病毒感染后會增強宿主免疫的防御能力,但在炎癥性疾病或者自身免疫性疾病中可能產生有害影響。訓練免疫可能在腎臟疾病過程中發揮重要作用,可以針對訓練免疫開展治療從而重塑腎臟疾病的免疫穩態。

訓練免疫的基本概念

訓練免疫的發現歷程人們發現接種卡介苗(BCG)可能通過激發非特異性免疫降低新生兒死亡率[2]。缺乏適應性免疫系統的動植物具有免疫記憶[3-4]。2011年研究者首次將固有免疫細胞的免疫記憶特征定義為“訓練免疫”[5]。新定義的提出,促進了該領域的探索研究。人們陸續發現,不同微生物或疫苗刺激小鼠,通過其非特異性保護作用可以預防再次感染[6]。在人類中同樣發現接種BCG對目標疾病以外的感染具有有益的、非特異性的保護作用。目前已有臨床研究探索BCG的接種對于新型冠狀病毒肺炎患者的保護作用[7]。

訓練免疫的定義固有免疫細胞在外源性或內源性損傷刺激下發生長期功能重編程,導致恢復到非激活狀態(靜息狀態)后,在二次刺激時固有免疫細胞對相同或不同刺激物表現出免疫效應功能增強,這種固有免疫系統的免疫記憶特征被定義為訓練免疫[5](圖1)。訓練免疫的主要特點是在二次感染時固有免疫細胞產生促炎細胞因子的能力顯著增強。流感病毒清除和臨床康復后,單核細胞衍生的肺泡巨噬細胞產生增強的IL-6使得小鼠可更好地免受肺炎鏈球菌感染[9]。BCG接種可能通過增強單核細胞的促炎活性,保護機體免受瘧疾和新型冠狀病毒感染[10]。β葡聚糖、BCG、尿酸和胞壁酰二肽(MDP)能夠誘導產生具有訓練免疫狀態的兩種不同分子特征的單核巨噬細胞,一種為趨化因子(如CXCL9-10)和促炎細胞因子(如IL-1β,IL-6)均增強的巨噬細胞,一種為僅有趨化因子增強的巨噬細胞[11]。樹突狀細胞(DC),先天淋巴細胞(ILC),自然殺傷細胞(NK)及組織基質細胞和上皮細胞同樣存在訓練免疫的特征[12]。

圖1 表觀遺傳重編程是誘導訓練免疫的基礎[2,8]

訓練免疫的機制

表觀遺傳重編程訓練免疫中發現大量炎癥基因及其相關增強子發生表觀遺傳重編程,這可能直接導致在二次刺激后基因轉錄的激活更快、更強[2](圖1)。這些關鍵的表觀遺傳重編程主要包括免疫基因啟動子中組蛋白 H3亞基第4位賴氨酸的三甲基化(H3K4me3),增強子H3K4me1,啟動子和增強子組蛋白H3亞基第27位賴氨酸乙?；?H3K27ac)[8]。低劑量β葡聚糖刺激的單核細胞中,Set7賴氨酸甲基轉移酶使激活的H3K4me1能夠精準定位在特定代謝酶增強子處,進而導致單核細胞的訓練免疫表型[13]。免疫調控基因啟動lncRNA(IPL)利用三維染色質拓撲相關結構域(TAD),使H3K4me3組蛋白修飾復合體靠近免疫基因的啟動子,參與表觀遺傳的激活和訓練免疫的形成[14]。

代謝重編程免疫細胞處于靜息狀態時表現出較低的生物合成需求,激活的免疫細胞中觸發免疫應答需要細胞快速獲得底物供應,代謝途徑顯著改變。目前已經發現具有訓練免疫特征的固有免疫細胞存在代謝重編程,主要涉及需氧糖酵解、氧化磷酸化(OXPHOS)、三羧酸循環(TCA)和脂質代謝等代謝途徑的改變。低劑量的β葡聚糖會誘導OXPHOS和糖酵解的上調,從而產生訓練免疫的表型[13]。糖酵解酶能夠激活組蛋白標記,提示代謝途徑和表觀遺傳重編程之間的相互影響[15]。醛固酮誘導的訓練免疫通過激活鹽皮質激素受體誘導脂肪酸合成,最終導致脂肪酸合成途徑相關基因啟動子上蛋白H3K4me3修飾富集,以及IL-6和TNF-α的產生增加[16]。

訓練免疫的長期效應

血液單核細胞和組織巨噬細胞中的訓練免疫被稱為“外周訓練免疫”(peripheral trained immunity),骨髓祖細胞中的訓練免疫被稱為“中樞訓練免疫”(central trained immunity)[2]。中樞訓練免疫可能是訓練免疫能夠維持較長時間的重要原因之一。β葡聚糖誘導的訓練免疫中髓系祖細胞顯著擴增,骨髓生成增加有助于保護繼發性脂多糖的感染,保護小鼠免受化療誘導的骨髓抑制[17]。此外訓練免疫的長期影響可能參與了多器官損傷之間的串擾與聯系,并為治療炎癥合并癥提供了新的治療策略。來自外周的炎癥刺激誘導小鼠大腦中腦巨噬細胞(小膠質細胞)出現表觀遺傳重編程,持續產生了至少6月的訓練免疫表型[18]。膿毒癥、心肌梗死和中風等局部損傷可導致其他器官中巨噬細胞出現免疫記憶的表型[19]。牙周炎誘導的訓練免疫表型可通過骨髓移植轉移到受者中,當受者進行炎癥性關節炎造模時,其炎癥反應性和疾病嚴重程度增加[20]。最近的隨機對照實驗發現因新感染而住院的老年患者在接種BCG后,出院1年后病毒性肺部感染率顯著降低[21]。該結果提示,訓練免疫的長期作用可能是疫苗的非特異性保護作用的重要機制之一。

腎臟疾病中的訓練免疫

自身免疫疾病訓練免疫可能在防止二次感染中具有保護作用,但是在慢性炎癥性疾病或自身免疫性疾病中可能與高炎癥反應有關。系統性紅斑狼瘡(SLE)是一種常見的自身免疫性疾病,腎臟是主要受累的組織器官。在SLE小鼠模型(MRL-lpr)中,腎臟來源巨噬細胞發生糖酵解和OXPHOS的代謝轉變,體外使用IgG免疫復合物刺激巨噬細胞同樣表現出類似的代謝改變,并與巨噬細胞產生炎性因子和趨化因子密切相關。糖酵解抑制劑2-脫氧-D-葡萄糖(2-DG)的使用可降低腎臟組織中IL-6、TNF-α和IL-1β的表達,減少中性粒細胞浸潤[22]。以反復發熱和高炎癥反應為主要表現的D型高免疫球蛋白血癥患者,單核細胞表現為促炎細胞因子增加,并表現出代謝和表觀遺傳的重編程等類似于內源性的訓練免疫表型[23]。在痛風性關節炎中,單核細胞可能在可溶性尿酸的誘導下發生表觀遺傳重編程和代謝改變,導致在再刺激時促炎細胞因子的產生增加[24]。

慢性腎臟病(CKD)和透析患者CKD患者異常的免疫狀態可能導致疫苗應答減弱或炎癥及合并癥發生的風險增加,導致長期預后不良[25]。腎臟疾病患者免疫失調的確切機制尚未完全確定,但CKD患者毒素滯留和炎癥因子清除減少引起的氧化應激是其重要原因。雖然訓練免疫尚未在CKD和透析患者中得到充分研究,但是已有研究表明其可能在患者的免疫改變中發揮直接作用。CKD患者血清中氧化低密度脂蛋白(oxLDL)水平顯著高于健康對照,顯著增加氧化應激過程。經oxLDL刺激的單核細胞在Toll樣受體(TLR)2和TLR4激動劑的作用下產生IL-6和TNF-α的能力顯著增強,并伴隨著編碼這些炎性因子的基因啟動子上H3K4me3的上調。用組蛋白甲基轉移酶抑制劑預處理單核細胞,完全阻止了oxLDL誘導的促炎表型[26]。晚期CKD患者血清尿酸水平也可能升高,尿酸刺激的單核細胞在TLR2和TLR4激動劑的刺激下產生更多的促炎因子。組蛋白甲基轉移酶抑制劑可以逆轉oxLDL和尿酸誘導的細胞因子的產生增多[24]。因此,有研究者提出對于高尿酸血癥患者中使用組蛋白甲基轉移酶抑制訓練免疫,從而抑制這類患者的固有免疫激活狀態。此外,CKD患者骨髓中CD14++CD16+促炎單核細胞顯著升高,并伴隨著IL-6,IL-1β和TNF-α等促炎因子的升高。

腎移植受者器官移植受者由于接受免疫抑制治療,比一般人群更容易發生感染[27]。在感染背景下,PAMP可將巨噬細胞重新編程為促炎細胞,對多種感染病原體發揮殺傷作用從而起到保護作用。另一方面,處于訓練免疫狀態的固有免疫細胞會產生高水平的促炎細胞因子,過度放大的炎癥會直接導致急性排斥反應。內源性中間絲蛋白Vimentin和一種DAMP分子高遷移率族蛋白B1(HMGB1)在器官移植中均顯著上調,它們分別與單核細胞表面受體dectin-1和TLR4結合,誘導訓練免疫的發生。有研究使用骨髓細胞特異性雷帕霉素靶蛋白(mTOR)抑制劑發揮抑制訓練免疫的作用,通過增加異體移植物中調節性T細胞的數量,促進了移植耐受環境,并在不需要持續免疫抑制的情況下誘導移植物的長期存活[28]。這些結果提示在腎臟移植中,訓練免疫與急性排斥反應有關,抑制訓練免疫可能延長異體移植物的存活。

靶向訓練免疫相關治療

訓練免疫在感染、惡性腫瘤,自身免疫性疾病和免疫排斥反應中發揮重要作用,這提示靶向訓練免疫的治療策略可能有效調節疾病狀態下的固有免疫反應。干預細胞配受體的結合是靶向訓練免疫的治療途徑之一。β葡聚糖誘導的訓練免疫依賴于IL-1β與IL-1R的結合。針對IL-1R的阻斷抗體(如anakinra)和抗IL-1β抗體(如canakinumab)可抑制巨噬細胞的外周訓練免疫[29]。細胞代謝過程是訓練免疫干預治療的另一條有效途徑。溶酶體在協調免疫代謝中起著關鍵作用。羥氯喹干擾溶酶體功能,抑制了固有免疫細胞對病毒樣刺激和干擾素的反應[30]。mTOR在溶酶體表面被激活,雷帕霉素可通過抑制mTOR有效抑制訓練免疫[31]。他汀類藥物和核肝受體阻斷劑可抑制膽固醇合成途徑,阻斷甲戊酸酯產生,從而抑制訓練免疫[32]。醛固酮誘導的脂肪酸合成可誘導訓練免疫,這種作用可被醛固酮受體阻斷劑抑制[16]。組蛋白或DNA甲基化抑制劑等化合物也可以用來調節訓練免疫[31]。

小結:通過誘導免疫細胞表觀遺傳和代謝重編程形成的訓練免疫已成為免疫學的一個新概念,為固有免疫反應領域提供了新的機制認識。這種新的免疫學概念已經擴展到了腫瘤、自身免疫性疾病以及腎臟疾病中。訓練免疫可能介導SLE或CKD患者免疫反應的異常增強,可能與急性排斥反應的發生有關。靶向訓練免疫的治療策略可能有益于此類疾病的控制和改善。訓練免疫影響腎臟相關疾病的探索仍處于起步階段,未來需要更多的研究深入闡釋訓練免疫在免疫相關腎臟疾病的可能作用。