训练免疫在肾脏疾病中的研究进展

蒋慧敏 陈麒麟 综述 李 秋 审校

人体的免疫防御系统能够对细菌、真菌或病毒等外源性病原体和内源性刺激产生固有免疫反应和适应性免疫反应。单核细胞、巨噬细胞、中性粒细胞和树突状细胞等固有免疫细胞,通过模式识别受体快速且非特异性地识别病原体相关分子模式(PAMP)或者损伤相关分子模式(DAMP),诱导分泌白细胞介素(IL)-6、IL-1β和肿瘤坏死因子α(TNF-α)等炎症细胞因子,激活适应性免疫反应[1]。适应性免疫反应主要由T、B淋巴细胞介导,在识别特定抗原后,T、B淋巴细胞受体发生基因重排,产生针对特定抗原的免疫球蛋白。部分刺激后的淋巴细胞分化为记忆细胞,在随后遇到相同的病原体时,这些细胞很容易被重新激活,产生快速、强烈且具有针对性的免疫反应。免疫记忆特征是区分固有免疫与适应性免疫的重要特征,然而近年来研究发现,固有免疫细胞也具有免疫记忆特征,人们将这种固有免疫细胞的免疫记忆特征称为训练免疫(trained immunity)[2]。训练免疫在细菌或病毒感染后会增强宿主免疫的防御能力,但在炎症性疾病或者自身免疫性疾病中可能产生有害影响。训练免疫可能在肾脏疾病过程中发挥重要作用,可以针对训练免疫开展治疗从而重塑肾脏疾病的免疫稳态。

训练免疫的基本概念

训练免疫的发现历程人们发现接种卡介苗(BCG)可能通过激发非特异性免疫降低新生儿死亡率[2]。缺乏适应性免疫系统的动植物具有免疫记忆[3-4]。2011年研究者首次将固有免疫细胞的免疫记忆特征定义为“训练免疫”[5]。新定义的提出,促进了该领域的探索研究。人们陆续发现,不同微生物或疫苗刺激小鼠,通过其非特异性保护作用可以预防再次感染[6]。在人类中同样发现接种BCG对目标疾病以外的感染具有有益的、非特异性的保护作用。目前已有临床研究探索BCG的接种对于新型冠状病毒肺炎患者的保护作用[7]。

训练免疫的定义固有免疫细胞在外源性或内源性损伤刺激下发生长期功能重编程,导致恢复到非激活状态(静息状态)后,在二次刺激时固有免疫细胞对相同或不同刺激物表现出免疫效应功能增强,这种固有免疫系统的免疫记忆特征被定义为训练免疫[5](图1)。训练免疫的主要特点是在二次感染时固有免疫细胞产生促炎细胞因子的能力显著增强。流感病毒清除和临床康复后,单核细胞衍生的肺泡巨噬细胞产生增强的IL-6使得小鼠可更好地免受肺炎链球菌感染[9]。BCG接种可能通过增强单核细胞的促炎活性,保护机体免受疟疾和新型冠状病毒感染[10]。β葡聚糖、BCG、尿酸和胞壁酰二肽(MDP)能够诱导产生具有训练免疫状态的两种不同分子特征的单核巨噬细胞,一种为趋化因子(如CXCL9-10)和促炎细胞因子(如IL-1β,IL-6)均增强的巨噬细胞,一种为仅有趋化因子增强的巨噬细胞[11]。树突状细胞(DC),先天淋巴细胞(ILC),自然杀伤细胞(NK)及组织基质细胞和上皮细胞同样存在训练免疫的特征[12]。

图1 表观遗传重编程是诱导训练免疫的基础[2,8]

训练免疫的机制

表观遗传重编程训练免疫中发现大量炎症基因及其相关增强子发生表观遗传重编程,这可能直接导致在二次刺激后基因转录的激活更快、更强[2](图1)。这些关键的表观遗传重编程主要包括免疫基因启动子中组蛋白 H3亚基第4位赖氨酸的三甲基化(H3K4me3),增强子H3K4me1,启动子和增强子组蛋白H3亚基第27位赖氨酸乙酰化(H3K27ac)[8]。低剂量β葡聚糖刺激的单核细胞中,Set7赖氨酸甲基转移酶使激活的H3K4me1能够精准定位在特定代谢酶增强子处,进而导致单核细胞的训练免疫表型[13]。免疫调控基因启动lncRNA(IPL)利用三维染色质拓扑相关结构域(TAD),使H3K4me3组蛋白修饰复合体靠近免疫基因的启动子,参与表观遗传的激活和训练免疫的形成[14]。

代谢重编程免疫细胞处于静息状态时表现出较低的生物合成需求,激活的免疫细胞中触发免疫应答需要细胞快速获得底物供应,代谢途径显著改变。目前已经发现具有训练免疫特征的固有免疫细胞存在代谢重编程,主要涉及需氧糖酵解、氧化磷酸化(OXPHOS)、三羧酸循环(TCA)和脂质代谢等代谢途径的改变。低剂量的β葡聚糖会诱导OXPHOS和糖酵解的上调,从而产生训练免疫的表型[13]。糖酵解酶能够激活组蛋白标记,提示代谢途径和表观遗传重编程之间的相互影响[15]。醛固酮诱导的训练免疫通过激活盐皮质激素受体诱导脂肪酸合成,最终导致脂肪酸合成途径相关基因启动子上蛋白H3K4me3修饰富集,以及IL-6和TNF-α的产生增加[16]。

训练免疫的长期效应

血液单核细胞和组织巨噬细胞中的训练免疫被称为“外周训练免疫”(peripheral trained immunity),骨髓祖细胞中的训练免疫被称为“中枢训练免疫”(central trained immunity)[2]。中枢训练免疫可能是训练免疫能够维持较长时间的重要原因之一。β葡聚糖诱导的训练免疫中髓系祖细胞显著扩增,骨髓生成增加有助于保护继发性脂多糖的感染,保护小鼠免受化疗诱导的骨髓抑制[17]。此外训练免疫的长期影响可能参与了多器官损伤之间的串扰与联系,并为治疗炎症合并症提供了新的治疗策略。来自外周的炎症刺激诱导小鼠大脑中脑巨噬细胞(小胶质细胞)出现表观遗传重编程,持续产生了至少6月的训练免疫表型[18]。脓毒症、心肌梗死和中风等局部损伤可导致其他器官中巨噬细胞出现免疫记忆的表型[19]。牙周炎诱导的训练免疫表型可通过骨髓移植转移到受者中,当受者进行炎症性关节炎造模时,其炎症反应性和疾病严重程度增加[20]。最近的随机对照实验发现因新感染而住院的老年患者在接种BCG后,出院1年后病毒性肺部感染率显著降低[21]。该结果提示,训练免疫的长期作用可能是疫苗的非特异性保护作用的重要机制之一。

肾脏疾病中的训练免疫

自身免疫疾病训练免疫可能在防止二次感染中具有保护作用,但是在慢性炎症性疾病或自身免疫性疾病中可能与高炎症反应有关。系统性红斑狼疮(SLE)是一种常见的自身免疫性疾病,肾脏是主要受累的组织器官。在SLE小鼠模型(MRL-lpr)中,肾脏来源巨噬细胞发生糖酵解和OXPHOS的代谢转变,体外使用IgG免疫复合物刺激巨噬细胞同样表现出类似的代谢改变,并与巨噬细胞产生炎性因子和趋化因子密切相关。糖酵解抑制剂2-脱氧-D-葡萄糖(2-DG)的使用可降低肾脏组织中IL-6、TNF-α和IL-1β的表达,减少中性粒细胞浸润[22]。以反复发热和高炎症反应为主要表现的D型高免疫球蛋白血症患者,单核细胞表现为促炎细胞因子增加,并表现出代谢和表观遗传的重编程等类似于内源性的训练免疫表型[23]。在痛风性关节炎中,单核细胞可能在可溶性尿酸的诱导下发生表观遗传重编程和代谢改变,导致在再刺激时促炎细胞因子的产生增加[24]。

慢性肾脏病(CKD)和透析患者CKD患者异常的免疫状态可能导致疫苗应答减弱或炎症及合并症发生的风险增加,导致长期预后不良[25]。肾脏疾病患者免疫失调的确切机制尚未完全确定,但CKD患者毒素滞留和炎症因子清除减少引起的氧化应激是其重要原因。虽然训练免疫尚未在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变中发挥直接作用。CKD患者血清中氧化低密度脂蛋白(oxLDL)水平显著高于健康对照,显著增加氧化应激过程。经oxLDL刺激的单核细胞在Toll样受体(TLR)2和TLR4激动剂的作用下产生IL-6和TNF-α的能力显著增强,并伴随着编码这些炎性因子的基因启动子上H3K4me3的上调。用组蛋白甲基转移酶抑制剂预处理单核细胞,完全阻止了oxLDL诱导的促炎表型[26]。晚期CKD患者血清尿酸水平也可能升高,尿酸刺激的单核细胞在TLR2和TLR4激动剂的刺激下产生更多的促炎因子。组蛋白甲基转移酶抑制剂可以逆转oxLDL和尿酸诱导的细胞因子的产生增多[24]。因此,有研究者提出对于高尿酸血症患者中使用组蛋白甲基转移酶抑制训练免疫,从而抑制这类患者的固有免疫激活状态。此外,CKD患者骨髓中CD14++CD16+促炎单核细胞显著升高,并伴随着IL-6,IL-1β和TNF-α等促炎因子的升高。

肾移植受者器官移植受者由于接受免疫抑制治疗,比一般人群更容易发生感染[27]。在感染背景下,PAMP可将巨噬细胞重新编程为促炎细胞,对多种感染病原体发挥杀伤作用从而起到保护作用。另一方面,处于训练免疫状态的固有免疫细胞会产生高水平的促炎细胞因子,过度放大的炎症会直接导致急性排斥反应。内源性中间丝蛋白Vimentin和一种DAMP分子高迁移率族蛋白B1(HMGB1)在器官移植中均显著上调,它们分别与单核细胞表面受体dectin-1和TLR4结合,诱导训练免疫的发生。有研究使用骨髓细胞特异性雷帕霉素靶蛋白(mTOR)抑制剂发挥抑制训练免疫的作用,通过增加异体移植物中调节性T细胞的数量,促进了移植耐受环境,并在不需要持续免疫抑制的情况下诱导移植物的长期存活[28]。这些结果提示在肾脏移植中,训练免疫与急性排斥反应有关,抑制训练免疫可能延长异体移植物的存活。

靶向训练免疫相关治疗

训练免疫在感染、恶性肿瘤,自身免疫性疾病和免疫排斥反应中发挥重要作用,这提示靶向训练免疫的治疗策略可能有效调节疾病状态下的固有免疫反应。干预细胞配受体的结合是靶向训练免疫的治疗途径之一。β葡聚糖诱导的训练免疫依赖于IL-1β与IL-1R的结合。针对IL-1R的阻断抗体(如anakinra)和抗IL-1β抗体(如canakinumab)可抑制巨噬细胞的外周训练免疫[29]。细胞代谢过程是训练免疫干预治疗的另一条有效途径。溶酶体在协调免疫代谢中起着关键作用。羟氯喹干扰溶酶体功能,抑制了固有免疫细胞对病毒样刺激和干扰素的反应[30]。mTOR在溶酶体表面被激活,雷帕霉素可通过抑制mTOR有效抑制训练免疫[31]。他汀类药物和核肝受体阻断剂可抑制胆固醇合成途径,阻断甲戊酸酯产生,从而抑制训练免疫[32]。醛固酮诱导的脂肪酸合成可诱导训练免疫,这种作用可被醛固酮受体阻断剂抑制[16]。组蛋白或DNA甲基化抑制剂等化合物也可以用来调节训练免疫[31]。

小结:通过诱导免疫细胞表观遗传和代谢重编程形成的训练免疫已成为免疫学的一个新概念,为固有免疫反应领域提供了新的机制认识。这种新的免疫学概念已经扩展到了肿瘤、自身免疫性疾病以及肾脏疾病中。训练免疫可能介导SLE或CKD患者免疫反应的异常增强,可能与急性排斥反应的发生有关。靶向训练免疫的治疗策略可能有益于此类疾病的控制和改善。训练免疫影响肾脏相关疾病的探索仍处于起步阶段,未来需要更多的研究深入阐释训练免疫在免疫相关肾脏疾病的可能作用。