卡介苗非特異性保護作用研究進展

陳檸 孫琳 申阿東 何秋水

卡介苗(bacillus Calmette-Guérin)是最早研發(fā)的疫苗之一。1908年，法國科學家Albert Calmette和Camille Guérin將有毒的牛分枝桿菌培養(yǎng)于含膽汁、甘油、馬鈴薯等的培養(yǎng)基中，經(jīng)過13年230次傳代而獲得的減毒活疫苗株，卡介苗由此誕生[1]。自1921年開始使用以來，截至目前，全球約有80%的國家將卡介苗列入國家計劃免疫疫苗，累計接種40億人，對于降低全球肺結(jié)核的發(fā)生起著至關(guān)重要的作用[2-3]。

自卡介苗開始使用后不久，一項在英國和美國開展的持續(xù)13年(1948—1961年)的臨床隨機試驗表明，卡介苗接種可以降低兒童死亡率[4]。一項在西非進行的研究表明，12月齡兒童有卡介苗卡痕者的死亡率是沒有卡痕者的41%，接種卡介苗可以將兒童感染性疾病的致死率降低43%[5]?？ń槊缃档蛢和劳雎实默F(xiàn)象可能與卡介苗接種后能減少其他病原感染相關(guān)。近些年來，也有越來越多的研究表明，包括卡介苗在內(nèi)的很多疫苗，除了對特定的病原體感染能起到保護作用外，對其他不相關(guān)的病原體感染也存在一定的保護作用，這被稱為非特異性保護作用(non-specific protective effect)[6]。近期一項研究發(fā)現(xiàn)，卡介苗接種可以降低5歲以下兒童瘧疾的發(fā)病率[7]?？ń槊缑庖忒煼ㄊ禽o助治療非肌肉侵入性膀胱癌的有效方法，雖然其機制尚不明確，但研究認為卡介苗誘導的非特異性保護作用是其中重要的一方面[3, 8]。除此之外，卡介苗可以降低白血病、肺癌等癌癥發(fā)病的風險，也有動物實驗表明，接種卡介苗可以減少糖尿病和阿爾茲海默癥的發(fā)生[9-12]。筆者將著重對卡介苗對其他傳染病的保護作用進行綜述。

一、卡介苗對其他細菌感染的非特異性保護

卡介苗能誘導產(chǎn)生兩類免疫反應(yīng)，一類是基于抗原特異性的免疫反應(yīng)，使其可以預(yù)防肺結(jié)核和非結(jié)核分枝桿菌(non-tuberculous mycobacteria，NTM)感染，另一類是依賴于細胞編程的“受訓免疫(trained immunity)”，使其對肺結(jié)核以外的其他感染有一定預(yù)防作用[13]?？ń榫cNTM有相同或相似的抗原表位，所以卡介苗可能對NTM感染發(fā)揮著交叉保護作用[14]。已報道的與卡介苗有交叉保護作用的傳染病包括麻風病、布魯里潰瘍等[3]。

(一)麻風病

麻風病由麻風分枝桿菌引起，經(jīng)空氣傳播，主要損傷皮膚、外周神經(jīng)、上呼吸道黏膜和眼睛，若不及時治療將會對上述部位產(chǎn)生永久性損傷。根據(jù)WHO[15]統(tǒng)計，僅2018年，6個 WHO劃分區(qū)域的159個國家共增加208 619例麻風病患者，患病率約為2/100 000。

關(guān)于卡介苗對麻風病的交叉保護作用，早在1939年就已被報道，自20世紀60年代開始的一些研究對麻風病的保護效果進行了比較系統(tǒng)的評估或隨機臨床對照試驗[16]，發(fā)現(xiàn)保護效果在20%～90%之間，這種差異可能與研究區(qū)域、人群、患者例數(shù)、疫苗菌株等不同有關(guān)(表1)。但總體來說，卡介苗對麻風病有一定的交叉保護作用。鑒于目前沒有專門用于預(yù)防麻風病的疫苗，接種卡介苗是目前預(yù)防麻風病最有效的方法。WHO基于前期研究結(jié)果，建議在麻風病高發(fā)區(qū)域，在嬰兒出生時就接種卡介苗[17]。對于不同卡介苗接種次數(shù)對麻風病的保護效果，研究結(jié)論也不太一致。最近的一項研究表明，與不接種卡介苗相比，接種兩劑卡介苗對于麻風病患者家庭密切接觸者感染麻風病有明顯的保護作用，并且能夠明顯延長麻風病患者發(fā)病后的存活時間[18]。前期也有研究發(fā)現(xiàn)，接種兩劑卡介苗對于麻風病的保護效果高于僅接種一劑，建議考慮在麻風病高發(fā)區(qū)域為麻風病患者密切接觸者增加接種一劑卡介苗[16]。但是也有研究發(fā)現(xiàn)，為學齡兒童接種第二劑卡介苗對于預(yù)防麻風病并沒有明顯的作用[19]。

表1 卡介苗對麻風病非特異性保護的相關(guān)研究

(二)布魯里潰瘍

布魯里潰瘍(Buruli ulcer)是由潰瘍分枝桿菌引起的一種慢性皮膚病，初期以皮膚丘疹、水腫為主要表現(xiàn)，最終發(fā)展為大面積的皮膚潰爛[36]。目前預(yù)防布魯里潰瘍除了在疫區(qū)減少高危行為(游泳、捕魚等)，卡介苗也表現(xiàn)出一定的保護作用，但是各個研究的結(jié)論存在差異。早在1969年發(fā)表的一篇在烏干達進行的研究表明，卡介苗對布魯里潰瘍的保護率在布魯里潰瘍高發(fā)區(qū)域為18%，在布魯里潰瘍低發(fā)區(qū)域為74%[37]。因此認為，卡介苗對降低布魯里潰瘍的發(fā)病率有一定作用。但是，2010—2013年在剛果、加納、多哥3個國家進行的一項病例對照研究發(fā)現(xiàn)，卡介苗對布魯里潰瘍的發(fā)生或嚴重程度沒有明顯的保護作用[38]。鑒于目前沒有完全有效的預(yù)防措施，WHO最新的卡介苗疫苗立場文件中建議在布魯里潰瘍高發(fā)區(qū)域考慮接種卡介苗[17]。

二、卡介苗對病毒感染的非特異性保護

關(guān)于卡介苗對病毒感染的非特異性保護研究較少，目前已報道的包括呼吸道合胞病毒、單純皰疹病毒、流感病毒、黃熱病毒和人乳頭瘤病毒等(表2)。其中Stensballe等[39]對比呼吸道合胞病毒患兒和健康兒童卡介苗接種情況，發(fā)現(xiàn)呼吸道合胞病毒患兒未接種比例高于健康兒童，Arts等[40]發(fā)現(xiàn)，接種卡介苗可以降低黃熱病毒疫苗接種后的病毒血癥。其他還有一些研究是將卡介苗用于病毒性感染疾病的治療，如Hippmann等[41]研究發(fā)現(xiàn)，卡介苗可以在短期內(nèi)促進單純皰疹病毒的清除，Podder等[42]發(fā)現(xiàn)，接種卡介苗可以有效治療人乳頭瘤病毒引起的疣。上述研究結(jié)果表明，卡介苗可以在一定程度上預(yù)防某些病毒感染或提高某些病毒性感染疾病的治療反應(yīng)。但是有些研究患者例數(shù)較少，不能有效代表群體的水平，如2015年一項關(guān)于流感病毒的研究中，卡介苗接種組和安慰劑接種組均為20例，2016年關(guān)于人乳頭瘤病毒的病例系列報告僅為7例[43-44]。

對于目前在全球肆虐流行的新型冠狀病毒肺炎(corona virus disease 2019，COVID-19)病毒，荷蘭、英國、德國和澳大利亞4個國家將于近期啟動一項臨床試驗，試圖證明卡介苗對其是否有預(yù)防保護作用[45]。Curtis等[46]認為接種卡介苗可能可以降低COVID-19暴露后的病毒血癥，從而減輕其癥狀并促進其康復(fù)，而Hamiel等[47]研究了以色列COVID-19病毒PCR陽性患者中卡介苗接種情況，認為卡介苗不能有效保護COVID-19的感染。由于目前缺少足夠的臨床研究結(jié)果，WHO表示不推薦卡介苗用于COVID-19的預(yù)防保護[48]。

三、相關(guān)機制研究

(一)異源性T細胞免疫

不相關(guān)的疫苗或病原體可能會存在相似的抗原表位，T細胞會識別結(jié)構(gòu)相似的抗原表位，由此造成的異源性T細胞免疫是卡介苗對其他病原體的非特異性保護作用的機制之一[6, 50]。甚至有研究表明，氨基酸序列不同的表位生物化學特性可能很相似，T細胞可以識別氨基酸序列明顯不同的T細胞表位[6]。這可以在一定程度上說明卡介苗的非特異性保護作用，但很難完全解釋其有如此廣泛的非特異性保護現(xiàn)象。

表2 卡介苗對病毒非特異性保護的相關(guān)研究

Kleinnijenhuis等[51]認為，卡介苗長期的非特異性保護作用主要是由于長期的輔助性T細胞1(Th1細胞)和Th17細胞效應(yīng)作用，在卡介苗接種前和卡介苗接種1年后分別采集外周血淋巴細胞，分別用結(jié)核分枝桿菌、白色假絲酵母和金黃色葡萄球菌進行刺激，發(fā)現(xiàn)Th1細胞因子和Th17細胞因子有明顯增加，說明長期的卡介苗非特異性保護作用在一定程度上依賴于異源性Th1/Th17反應(yīng)。Ugolini等[52]發(fā)現(xiàn)卡介苗可以激活Toll樣受體8(TLR8)，產(chǎn)生白細胞介素(IL)-12 p40，從而影響下游濾泡輔助性T細胞(Tfh)反應(yīng)，但是熱滅活的卡介苗不能達到同樣的效果。該研究為了證實TLR8在卡介苗的非特異性保護作用中是否發(fā)揮作用，在人群中進行了TLR8基因多態(tài)性的流行病學調(diào)查，發(fā)現(xiàn)rs3764880位點G等位基因(將啟動子ATG變?yōu)镚TG)在健康對照中的比例明顯高于肺結(jié)核患者，且這種差異僅存于卡介苗接種的人群中，這說明該等位基因G能夠提升卡介苗接種帶來的保護作用，同時也表明在卡介苗接種后TLR8在促進Tfh細胞反應(yīng)過程中發(fā)揮了重要作用。另外，也有研究者對接種卡介苗和未接種卡介苗的兒童進行研究，比較兩組兒童接種其他疫苗后的抗體反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)接種卡介苗組再接種其他疫苗，其抗體濃度明顯高于未接種卡介苗直接接種其他疫苗組，說明卡介苗可以促進其他疫苗接種后的體液免疫反應(yīng)[53]。

(二)受訓免疫

一般認為只有適應(yīng)性免疫反應(yīng)可以建立免疫記憶，但是越來越多的研究表明，在初次感染或接種疫苗后，固有免疫細胞在病原體再次入侵時可以迅速產(chǎn)生炎癥因子，促進清除感染，這被稱為“受訓免疫”[54]。

為了證實卡介苗引起的受訓免疫是否依賴于適應(yīng)性免疫系統(tǒng)，有研究用缺乏B細胞和T細胞的嚴重聯(lián)合免疫缺陷(SCID)小鼠進行試驗，在接種卡介苗2周后用白色假絲酵母進行攻擊，結(jié)果發(fā)現(xiàn)卡介苗接種的SCID小鼠的存活率明顯高于生理鹽水對照組，這說明卡介苗引起的非特異性保護作用并不依賴于B細胞和T細胞[55]。Arts等[40]進行的一項關(guān)于卡介苗對黃熱病毒疫苗影響的研究發(fā)現(xiàn)，接種卡介苗可以激活單核細胞并產(chǎn)生IL-1β，從而降低黃熱病毒疫苗接種后的病毒血癥，該結(jié)果也支持了卡介苗可以引發(fā)固有免疫系統(tǒng)的受訓免疫。

一些研究認為，卡介苗接種后單核細胞表型發(fā)生了變化。Bekkering等[56]在細胞水平建立了研究受訓免疫的方法，在該研究中首先用卡介苗刺激單核細胞進行“訓練”，再用脂多糖等刺激后檢測細胞因子水平，發(fā)現(xiàn)IL-10和IL-1Ra均有一定程度的升高。Loenhout等[55]在接種卡介苗后的2周和3個月分別收集血液中的單核細胞，發(fā)現(xiàn)用NTM或其他不相關(guān)的病原體(金黃色葡糖球菌和白色假絲酵母)進行刺激，IL-1β和腫瘤壞死因子-α(TNF-α)的水平均會明顯升高，且兩個時間點采集的單核細胞中CD14+單核細胞均增加，且表達TLR4的CD14+單核細胞的比例明顯升高，說明接種卡介苗會引起單核細胞的表型改變，同時伴有強烈的促炎反應(yīng)。但是這種改變在接種后1年開始下降[51]。近期也有研究發(fā)現(xiàn)，卡介苗在骨髓細胞生成的早期發(fā)揮作用，并影響造血干細胞分化成單核細胞和巨噬細胞的表型，通過調(diào)節(jié)造血干細胞進行受訓免疫也可能是卡介苗非特異性保護的原因[57-58]。

另外，表觀遺傳修飾和代謝驅(qū)動也是受訓免疫形成的原因。Loenhout等[55]發(fā)現(xiàn)在接種卡介苗后3個月，與接種前相比，單核細胞中H3組蛋白第4位賴氨酸(histone H3 at lysine 4，H3K4)的三甲基化明顯升高，從而提高IL-1β和TNF-α基因的轉(zhuǎn)錄水平，這也是接種卡介苗后受訓免疫形成的原因之一。另外一項研究也發(fā)現(xiàn)，上述H3K4表觀遺傳修飾是由代謝改變造成的，在接種卡介苗后，單核細胞中糖酵解明顯上調(diào)，谷氨酰胺代謝輕微上調(diào)，這些代謝改變影響了組蛋白H3K4的三甲基化和H3組蛋白第9位賴氨酸(histone H3 at lysine 9，H3K9)的三甲基化[59]。

綜上所述，卡介苗的非特異性保護作用非常廣泛，不僅可以減少其他NTM和病毒的感染，也可以優(yōu)化其他疫苗接種的免疫反應(yīng)[45-46]?？ń槊鐝V泛的非特異性保護作用也提示，任何國家或地區(qū)在決定終止大規(guī)模接種卡介苗，或用新的疫苗取代卡介苗時，應(yīng)將卡介苗的非特異性保護作用考慮在內(nèi)。目前，關(guān)于卡介苗的非特異性保護機制尚不明確，受訓免疫和異源性T細胞免疫可能分別是卡介苗的短期和長期非特異性保護作用的原因之一[51]。由于卡介苗對其他一些不相關(guān)的病原體產(chǎn)生非特異性保護的同時也會存在一些不良反應(yīng)[44]，因此在利用其非特異性保護作用的過程中應(yīng)在其發(fā)揮的作用和不良反應(yīng)之間做出平衡。自新中國成立以來，卡介苗在我國廣泛應(yīng)用，有效降低了結(jié)核病的發(fā)病率。但其對中國其他細菌和病毒感染的間接預(yù)防保護效果有待進一步探索。