PD-1在旋毛蟲(chóng)感染所致小鼠小腸與骨骼肌組織病理學(xué)改變中的作用*

杜素琴 祝 幸 于 艷 劉祎琪 黃京京 諸欣平 程喻力

(首都醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院人體寄生蟲(chóng)學(xué)教研室，北京100069)

在蠕蟲(chóng)與宿主共進(jìn)化歷程中，蠕蟲(chóng)通過(guò)誘導(dǎo)宿主免疫細(xì)胞膜表面表達(dá)一些具有負(fù)調(diào)節(jié)作用的抑制性受體以調(diào)節(jié)宿主免疫反應(yīng)。宿主因感染所致的這些抑制性受體的表達(dá)，一方面利于蠕蟲(chóng)在宿主體內(nèi)的長(zhǎng)期生存，另一方面通過(guò)限制過(guò)度活化的免疫反應(yīng)而對(duì)感染所致炎性損傷具有一定保護(hù)作用(Wammesetal., 2016)。其中，程序性死亡分子1(programmed death-1，PD-1)作為CD28家族分子之一，是一種重要的抑制性跨膜蛋白，可表達(dá)于活化的T細(xì)胞、B細(xì)胞和單核/巨噬細(xì)胞，通過(guò)與其配體PD-L1或PD-L2結(jié)合，在慢性感染中發(fā)揮重要免疫調(diào)節(jié)作用(Bucktroutetal., 2018)。

旋毛形線蟲(chóng)(Trichinellaspiralis，T.spiralis)簡(jiǎn)稱(chēng)旋毛蟲(chóng)，是一種組織內(nèi)寄生的蠕蟲(chóng)，由該蟲(chóng)引起的旋毛蟲(chóng)病(trichinellosis)是一種常見(jiàn)的食源性人獸共患寄生蟲(chóng)病，嚴(yán)重危害人類(lèi)健康和畜牧業(yè)生產(chǎn)(Rawlaetal., 2020)。旋毛蟲(chóng)感染可分為腸道期和肌肉期，在感染的不同時(shí)期，成蟲(chóng)和幼蟲(chóng)分別侵入不同組織所致的免疫病理?yè)p傷是旋毛蟲(chóng)致病的主要因素。腸道期主要發(fā)生在感染后第1周，因成蟲(chóng)和新生幼蟲(chóng)侵入腸粘膜引起十二指腸和空腸的廣泛炎癥；肌肉期主要發(fā)生在感染3周后，因新生幼蟲(chóng)隨血液和淋巴移行至骨骼肌嚴(yán)重破壞肌纖維，并引起寄生局部炎性細(xì)胞浸潤(rùn)及纖維組織增生(Wilsonetal., 2015)。目前，PD-1在旋毛蟲(chóng)感染所致宿主組織免疫病理?yè)p傷中的免疫調(diào)節(jié)作用尚不清楚。本研究利用PD-1基因缺失(PD-1-/-)小鼠，觀察PD-1缺失對(duì)旋毛蟲(chóng)感染腸道期和肌肉期組織病理學(xué)改變的影響，為闡明PD-1在旋毛蟲(chóng)感染所致宿主組織病理?yè)p傷中的調(diào)節(jié)作用提供實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物及蟲(chóng)株

實(shí)驗(yàn)動(dòng)物：SPF級(jí)野生型(wild type，WT) C57BL/6小鼠(雄性，6～8周齡)，購(gòu)自北京維通利華有限公司。SPF級(jí)C57BL/6遺傳背景 PD-1-/-小鼠 (雄性，6～8周齡)，購(gòu)自美國(guó)杰克遜實(shí)驗(yàn)室(The Jackson Laboratory)。旋毛蟲(chóng)蟲(chóng)株：源自本實(shí)驗(yàn)室 ICR小鼠傳代保種的黑龍江豬源旋毛蟲(chóng) (ISS 533)。

1.2 實(shí)驗(yàn)分組及動(dòng)物感染

將C57BL/6小鼠隨機(jī)分為4組：WT未感染組、WT感染組(WT+TS)、PD-1-/-未感染組(KO)、PD-1-/-感染組(KO+TS)。另取旋毛蟲(chóng)感染ICR保種小鼠，麻醉后頸椎脫臼處死，去除小鼠的頭部、皮毛和內(nèi)臟、脂肪，分離出剩余肌肉后，用胃蛋白酶消化法消化，收集肌幼蟲(chóng)，并混懸于4%明膠，定量計(jì)數(shù)后，以400條肌幼蟲(chóng)/鼠經(jīng)口灌胃感染各組小鼠。

1.3 組織病理學(xué)觀察

1.3.1腸組織病理學(xué)觀察: 于感染后第6 d(腸型期)處死小鼠，沿胃幽門(mén)下剪取小腸上段腸組織約1 cm；將上述組織置10%中性甲醛固定24～48 h后，脫水、浸蠟、包埋，制作4 μm厚切片，脫蠟后用蘇木精—伊紅染色(HE染色)，脫水封片，顯微鏡下觀察。利用全自動(dòng)切片掃描儀掃描切片，Case Viewer軟件隨機(jī)選擇3個(gè)以上相同大小的視野，計(jì)算炎性細(xì)胞數(shù)/組織面積(cells/mm2)及腸絨毛長(zhǎng)度/隱窩長(zhǎng)度的比值(crypts length/villi length，V/C)，求平均值。

1.3.2肌組織病理學(xué)觀察: 于感染后第28 d(肌型期)、42和60 d處死小鼠，解剖剪取小鼠膈肌。制作石蠟切片方法同上。分別進(jìn)行HE染色(感染后第28、42和60 d)和Masson染色(第60 d)，顯微鏡下觀察。利用全自動(dòng)切片掃描儀掃描切片，Case Viewer軟件隨機(jī)選擇3個(gè)以上相同大小的視野，用image pro plus6軟件來(lái)計(jì)數(shù)HE染色切片中炎性細(xì)胞，按炎性細(xì)胞數(shù)/組織面積(cells/mm2)求平均值；用StrataQuest v.6軟件來(lái)統(tǒng)計(jì)Masson染色切片中每個(gè)囊胞周?chē)M織纖維化面積。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

以上數(shù)據(jù)分析采用SPSS17. 0軟件進(jìn)行單因素檢驗(yàn)分析，數(shù)據(jù)用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤表示，且來(lái)源于3次獨(dú)立實(shí)驗(yàn)，*P< 0.05；**P< 0.01；***P< 0.001，且P< 0.05被認(rèn)為有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 PD-1對(duì)旋毛蟲(chóng)感染小鼠腸組織病理學(xué)改變的影響

為研究PD-1在旋毛蟲(chóng)感染腸型期組織病理學(xué)改變中的作用，于感染后第6 d對(duì)比觀察 WT小鼠和PD-1-/-小鼠小腸組織病理學(xué)改變。小腸石蠟切片HE染色結(jié)果顯示，與未感染組相比，旋毛蟲(chóng)感染W(wǎng)T小鼠及PD-1-/-小鼠均表現(xiàn)為小腸腸絨毛縮短、糜爛，腸隱窩加深，且腸絨毛長(zhǎng)度/隱窩的長(zhǎng)度(V/C)的比值均明顯降低(P<0.001)，但WT感染小鼠與PD-1-/-感染小鼠兩組之間V/C比值無(wú)明顯差異(P>0.05)；另外，WT感染小鼠及PD-1-/-感染小鼠粘膜及粘膜下層均有大量炎性細(xì)胞浸潤(rùn)，黏膜損傷加重，并伴有水腫，但兩組之間腸組織浸潤(rùn)炎性細(xì)胞數(shù)量無(wú)明顯差異(P> 0.05)(圖1，箭頭所指為炎性細(xì)胞)。該結(jié)果表明，PD-1缺失對(duì)旋毛蟲(chóng)感染小鼠腸型期組織病理學(xué)改變無(wú)明顯的影響。

圖1 旋毛蟲(chóng)感染小鼠腸組織切片HE染色Fig.1 Intestinal tissue sections of mice infected with T. spiralis(HE staining)Control: 未感染組；Infection: 感染組；WT：WT未感染組；KO：PD-1-/-未感染組；WT+TS：WT感染組；KO+TS: PD-1-/-感染組。A：腸道HE染色；B：腸絨毛長(zhǎng)度/腸隱窩深度的比值(V/C)；C：腸組織粘膜及粘膜下層炎性細(xì)胞的浸潤(rùn)。數(shù)據(jù)用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，* P< 0.05；** P < 0.01；*** P < 0.001，ns：表示差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Control：Non-infected group; Infection：Infected group; WT：Non-infected WT mice； KO： Non-infected PD-1-/- mice；WT+TS：WT mice infected with T. spiralis；KO+TS：PD-1-/- mice infected with T. spiralis. A：HE staining of intestinal; B：Ratio of intestinal villi length (V) to intestinal recess length (C); C：Inflammatory cells into the mucosa and submucosa of intestinal tissue. Value represent mean ± SD, * P < 0.05；** P < 0.01；*** P < 0.001，ns：Not significant．

2.2 PD-1對(duì)旋毛蟲(chóng)感染小鼠肌肉組織病理學(xué)改變的影響

為研究PD-1在旋毛蟲(chóng)感染肌型期組織病理學(xué)改變中的作用，分別于感染后第28、42和60 d通過(guò)HE染色對(duì)比觀察旋毛蟲(chóng)感染W(wǎng)T小鼠和PD-1-/-小鼠肌幼蟲(chóng)囊包周?chē)〗M織病理學(xué)改變，于感染后第60 d通過(guò)Masson染色觀察囊包周?chē)M織纖維化水平。HE染色結(jié)果顯示，未感染W(wǎng)T小鼠和PD-1-/-小鼠肌纖維正常、排列整齊，橫紋較清晰；而WT感染小鼠肌肉組織中幼蟲(chóng)囊包周?chē)糠旨±w維腫脹、排列紊亂、橫紋有不同程度的消失，且間質(zhì)有輕度水腫和不同程度的炎性細(xì)胞浸潤(rùn)，感染后第28 d幼蟲(chóng)囊包周?chē)?rùn)的炎性細(xì)胞數(shù)量較高，隨感染時(shí)間的延長(zhǎng)，炎性細(xì)胞浸潤(rùn)數(shù)量逐漸下降。PD-1-/-感染小鼠肌肉組織中幼蟲(chóng)囊包周?chē)±w維腫脹程度較WT感染小鼠更為嚴(yán)重，排列明顯紊亂，且部分肌纖維甚至發(fā)生斷裂，幼蟲(chóng)囊包周?chē)仔约?xì)胞浸潤(rùn)數(shù)量在各時(shí)間點(diǎn)均明顯高于WT小鼠(P< 0.05)。另外，PD-1-/-感染小鼠單位視野中肌幼蟲(chóng)囊包數(shù)量明顯多于WT小鼠(圖2)。該結(jié)果表明，PD-1缺失可促進(jìn)幼蟲(chóng)在肌組織的寄生，并促進(jìn)肌組織中幼蟲(chóng)寄生所致的炎性細(xì)胞浸潤(rùn)，加重肌肉炎性損傷。Masson染色結(jié)果顯示，未感染W(wǎng)T小鼠和PD-1-/-小鼠肌組織無(wú)纖維化。旋毛蟲(chóng)感染第60d，PD-1-/-小鼠每囊包周?chē)〗M織纖維化面積均值明顯小于WT小鼠，表明PD-1缺失能抑制幼蟲(chóng)囊包周?chē)〗M織纖維化(圖3)。

圖2 旋毛蟲(chóng)感染小鼠膈肌組織切片HE染色Fig.2 The diaphragmatic tissue sections of mice infected with T. spiralis(HE staining)A：膈肌組織切片HE染色，感染后第0、28、42、60 d(0day、28day、42day、60day)；B：膈肌組織囊包周?chē)仔约?xì)胞的浸潤(rùn)數(shù)量；C：每個(gè)視野的囊包數(shù)。數(shù)據(jù)用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，* P< 0.05；** P < 0.01；*** P < 0.001，ns：表示差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，下同。A：H&E staining of diaphragm tissue sections, 0, 28, 42, and 60 days after infection (0day, 28day, 42day, 60day)；B：The number of inflammatory cells around the cysts；C：Number of follicles per field. Value represent mean ± SD, * P<0.05；** P < 0.01；*** P < 0.001，ns：Not significant. The same below.

圖3 旋毛蟲(chóng)感染小鼠膈肌組織切片Masson染色Fig.3 The diaphragmatic tissue of mice infected with T. spiralis(Masson staining)A：感染后60 d小鼠膈肌組織切片Masson染色情況；B：每個(gè)囊包周?chē)M織藍(lán)色區(qū)域面積。A：Masson staining of diaphragmatic muscle tissue of mice 60 days after infection；B：The blue area around per cyst(Total blue area/cysts).

3 討論

在慢性感染過(guò)程中，病原體誘導(dǎo)宿主抑制性共刺激分子的表達(dá)對(duì)于維持機(jī)體免疫平衡具有重要作用。PD-1作為一種重要的抑制性分子對(duì)病原體感染所致免疫病理反應(yīng)具有調(diào)節(jié)作用(Karunarathneetal., 2016; Hoogeveenetal., 2019)。已有研究報(bào)道，PD-1介導(dǎo)的免疫調(diào)節(jié)作用能抑制蠕蟲(chóng)感染所致的病理性免疫反應(yīng)的發(fā)生發(fā)展。例如，在血吸蟲(chóng)慢性感染小鼠模型中利用抗體阻斷PD-1信號(hào)可增強(qiáng)蟲(chóng)卵所致的肝臟免疫病理反應(yīng)(Zhouetal., 2016)；利用PD-L2基因缺失小鼠建立慢性肝片形吸蟲(chóng)感染小鼠模型發(fā)現(xiàn)，阻斷PD-1/PD-L2信號(hào)可加重肝臟的炎性損傷(Stempinetal., 2016)。然而，不同蟲(chóng)種經(jīng)PD-1調(diào)節(jié)宿主免疫病理反應(yīng)的機(jī)制不盡一致。

在旋毛蟲(chóng)感染腸型期，由于脫囊幼蟲(chóng)與雌成蟲(chóng)侵入腸黏膜，加之蟲(chóng)體排泄分泌物及產(chǎn)出的大量新生幼蟲(chóng)的刺激，導(dǎo)致腸絨毛縮短，隱窩加深，黏膜下層伴有大量炎性細(xì)胞浸潤(rùn)(Zhuetal., 2018)。本研究結(jié)果與之相一致，WT組小鼠在感染后腸組織V/C比值降低，且表現(xiàn)為明顯的炎癥反應(yīng)。而旋毛蟲(chóng)感染PD-1-/-小鼠的V/C比值及小腸組織炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)數(shù)量較WT小鼠均無(wú)顯著差異，提示PD-1對(duì)旋毛蟲(chóng)感染小鼠腸型期腸組織病理學(xué)改變無(wú)明顯影響。在旋毛蟲(chóng)感染肌型期，幼蟲(chóng)移行至橫紋肌后，導(dǎo)致肌纖維嚴(yán)重破壞以及肌組織中幼蟲(chóng)囊包的形成，這種特異性的病理變化是宿主抗旋毛蟲(chóng)免疫反應(yīng)的結(jié)果(Renetal., 2018)。本研究通過(guò)HE染色動(dòng)態(tài)觀察WT小鼠旋毛蟲(chóng)感染后28～60 d小鼠膈肌組織病理學(xué)變化，結(jié)果顯示感染第28 d炎性細(xì)胞浸潤(rùn)數(shù)量最多，而隨感染時(shí)間的延長(zhǎng)肌組織囊包幼蟲(chóng)周?chē)难仔约?xì)胞浸潤(rùn)逐漸減少。感染第60 d Masson染色結(jié)果顯示，囊包周?chē)〗M織出現(xiàn)明顯的纖維化囊壁，提示肌膜周?chē)w維結(jié)締組織發(fā)生增生修復(fù)。而PD-1-/-感染小鼠肌組織中囊包數(shù)及炎性細(xì)胞浸潤(rùn)數(shù)量在感染后各時(shí)間點(diǎn)均明顯高于WT小鼠，而單個(gè)囊包周?chē)w維化面積均值明顯低于WT小鼠，提示PD-1介導(dǎo)的免疫調(diào)節(jié)作用能抑制幼蟲(chóng)在肌組織的寄生及其所致的免疫病理反應(yīng)，并在感染后期促進(jìn)了幼蟲(chóng)囊包周?chē)M織的纖維化。上述結(jié)果證實(shí)PD-1在旋毛蟲(chóng)感染免疫中具有一定免疫保護(hù)作用。早期研究認(rèn)為，PD-1主要表達(dá)于活化的T細(xì)胞表面，通過(guò)與抗原提呈細(xì)胞(antigen presenting cell，APC)膜表面相應(yīng)的配體PD-L結(jié)合而向T細(xì)胞傳遞抑制性信號(hào)，導(dǎo)致效應(yīng)T細(xì)胞失活，且增殖受限，從而發(fā)揮免疫負(fù)調(diào)節(jié)作用(Bishopetal., 2009; Chikumaetal., 2009; Franciscoetal., 2009)。近年研究表明，PD-1/PD-L信號(hào)通路對(duì)病原誘導(dǎo)宿主的免疫反應(yīng)類(lèi)型也具有一定調(diào)節(jié)作用。已有研究證實(shí)，PD-1可促進(jìn)蠕蟲(chóng)感染所致的Th2型免疫反應(yīng)(van der Werfetal., 2013; Schwartzetal., 2017; Wangetal., 2018)。我們前期利用PD-1-/-小鼠研究發(fā)現(xiàn)，PD-1缺失條件下旋毛蟲(chóng)誘導(dǎo)小鼠CD4+T細(xì)胞向Th2細(xì)胞分化的作用顯著下降(Chengetal., 2018)。由于蠕蟲(chóng)誘導(dǎo)宿主產(chǎn)生的2型免疫反應(yīng)一方面發(fā)揮抗蟲(chóng)免疫保護(hù)作用，另一方面對(duì)感染所致宿主的免疫病理?yè)p傷具有限制和修復(fù)作用(Gauseetal., 2013)，據(jù)此，我們推測(cè)PD-1-/-小鼠較WT小鼠肌幼蟲(chóng)囊包數(shù)顯著增多、肌組織炎癥反應(yīng)的加重以及纖維化水平的下降可能與Th2型免疫反應(yīng)水平的下降有關(guān)。然而，本研究發(fā)現(xiàn)PD-1-/-和WT小鼠腸組織病理改變無(wú)明顯區(qū)別，這可能與感染早期WT小鼠和PD-1-/-小鼠Th2型免疫反應(yīng)尚無(wú)明顯差異有關(guān)。

綜上所述，本研究證實(shí)PD-1對(duì)旋毛蟲(chóng)感染腸型期組織病理學(xué)改變無(wú)明顯影響，但對(duì)肌型期幼蟲(chóng)生存及肌組織炎癥反應(yīng)具有一定抑制作用，而旋毛蟲(chóng)經(jīng)PD-1抑制旋毛蟲(chóng)感染肌幼蟲(chóng)所致組織病理學(xué)改變的免疫學(xué)機(jī)制有待進(jìn)一步證實(shí)。