免疫訓(xùn)練①
——先天免疫記憶的發(fā)現(xiàn)和研究進(jìn)展

蘇 婷 劉靖華（南方醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，廣東省蛋白質(zhì)組學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510515）

1 先天免疫記憶的發(fā)現(xiàn)和免疫訓(xùn)練概念的提出

先天免疫是由固有免疫細(xì)胞，如單核/巨噬細(xì)胞、NK細(xì)胞等介導(dǎo)的非特異性、作用弱而短暫的第二道防線，而獲得性免疫是淋巴細(xì)胞亞群在接受抗原刺激后產(chǎn)生的特異性、作用強(qiáng)而持久的第三道防線；是否產(chǎn)生特異性免疫記憶是區(qū)分兩種免疫模式的重點(diǎn)。疫苗就是基于獲得性免疫機(jī)制，誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生針對(duì)減毒或滅活病原體的特異性免疫記憶，從而在二次感染中發(fā)揮顯著保護(hù)作用。然而，有報(bào)道稱卡介苗（bacillus calmette-guerin，BCG）可為感染高死亡率地區(qū)兒童提供非特異性免疫保護(hù)，顯著降低其總死亡率；麻疹和牛痘接種研究也發(fā)現(xiàn)，接種者會(huì)產(chǎn)生對(duì)異源感染的抗性［1-2］。之后在小鼠和細(xì)胞水平研究陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，BCG的交叉免疫范圍擴(kuò)展到了曼氏血吸蟲(chóng)、白色念珠菌以及流感病毒等。NETEA等［3］發(fā)現(xiàn)，用白色念珠菌刺激BCG接種過(guò)的血液樣品可檢測(cè)到大量單核細(xì)胞來(lái)源的IL-1β和TNF-α；他們將固有免疫細(xì)胞與BCG的非特異性免疫作用聯(lián)系起來(lái)，提出“免疫訓(xùn)練”的概念。免疫訓(xùn)練是指原發(fā)感染或疫苗接種可誘導(dǎo)宿主的固有免疫細(xì)胞產(chǎn)生對(duì)二次感染的增強(qiáng)抗性，且可為異源感染提供交叉保護(hù)。

2 免疫訓(xùn)練的效應(yīng)細(xì)胞及發(fā)生機(jī)制

2.1 免疫訓(xùn)練的效應(yīng)細(xì)胞 免疫訓(xùn)練的現(xiàn)象首先在經(jīng)典的固有免疫細(xì)胞，如單核/巨噬細(xì)胞、NK細(xì)胞中被發(fā)現(xiàn)，因此，免疫訓(xùn)練也被稱為先天免疫記憶。深入研究發(fā)現(xiàn)，外周免疫細(xì)胞如肺泡巨噬細(xì)胞、腦小膠質(zhì)細(xì)胞，非免疫細(xì)胞如造血干細(xì)胞、上皮細(xì)胞等也可表現(xiàn)出免疫記憶的特性。

2.1.1 單核/巨噬細(xì)胞 單核/巨噬細(xì)胞系統(tǒng)是固有免疫的重要組成成分，參與了吞噬與清除病原體、抗原呈遞、激活和調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答等進(jìn)程。BISTONI等［4］發(fā)現(xiàn)減毒白色念珠菌會(huì)刺激小鼠產(chǎn)生對(duì)金黃色葡萄球菌的抗性，且此作用有賴于巨噬細(xì)胞的激活。用李斯特菌和鼠疫耶爾森菌感染處于皰疹病毒潛伏期的小鼠，也可檢測(cè)到巨噬細(xì)胞的活化和IFN-γ表達(dá)量的上升［5］。真菌、病毒等感染可“訓(xùn)練”循環(huán)免疫細(xì)胞增強(qiáng)對(duì)異源二次感染的免疫應(yīng)答已被廣泛證實(shí)。值得注意的是，外周巨噬細(xì)胞的免疫訓(xùn)練研究也取得了突破進(jìn)展。YAO等［6］發(fā)現(xiàn)呼吸道病毒感染可誘導(dǎo)產(chǎn)生長(zhǎng)期記憶表型的肺泡巨噬細(xì)胞；在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，細(xì)菌脂多糖的二次刺激也可引起小膠質(zhì)細(xì)胞炎癥反應(yīng)的增強(qiáng)［7］。這些發(fā)現(xiàn)大大擴(kuò)展了免疫訓(xùn)練的效應(yīng)細(xì)胞的領(lǐng)域。

2.1.2 NK細(xì)胞 NK細(xì)胞作為固有免疫系統(tǒng)的另一重要組分，可對(duì)預(yù)先接觸的抗原產(chǎn)生特異性記憶，且已致敏NK細(xì)胞移植后依然保留這種記憶。用痘苗病毒或單純皰疹病毒預(yù)處理NK細(xì)胞，再次用病毒感染時(shí)可檢測(cè)到IFN-γ表達(dá)增強(qiáng)；將攜帶特異性巨細(xì)胞病毒受體的NK細(xì)胞移植給幼稚小鼠，幼稚小鼠會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈免疫反應(yīng)［8-10］。這些經(jīng)病原微生物“訓(xùn)練”而增強(qiáng)的免疫應(yīng)答不依賴于T、B細(xì)胞的活化，是固有免疫細(xì)胞的特殊先天記憶。

2.1.3 造血干細(xì)胞與祖細(xì)胞 疫苗接種后或動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中可觀察到持續(xù)數(shù)月到數(shù)年的非特異性保護(hù)，然而固有免疫細(xì)胞生命周期短暫的現(xiàn)實(shí)，提示分化形成固有免疫細(xì)胞的造血干細(xì)胞和祖細(xì)胞（hematopoietic stem cells and progenitor cells，HSPCs）可能參與了先天免疫記憶的形成?；谶@種假設(shè)，MITROULIS等［11］用β-葡聚糖刺激小鼠，觀察到HSPCs的增殖及IL-1β等促炎因子的表達(dá)，且增殖后的HSPCs表現(xiàn)出對(duì)LPS刺激的耐受性。用BCG刺激小鼠造血干細(xì)胞，其分化產(chǎn)生的幼稚巨噬細(xì)胞也表現(xiàn)對(duì)結(jié)核桿菌的抗性［12］。這些都提示造血干細(xì)胞與祖細(xì)胞具有免疫訓(xùn)練的特性。

2.1.4 其他組織細(xì)胞 某些具有抗菌特性的非固有免疫細(xì)胞也可經(jīng)訓(xùn)練表現(xiàn)記憶特性。NAIK等［13］將小鼠的皮膚上皮干細(xì)胞與TLR7共培養(yǎng)進(jìn)行傷口測(cè)試，發(fā)現(xiàn)受試上皮組織愈合加快并免疫白色念珠菌的感染。SCHNACK等［14］首次證明了冠狀動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞經(jīng)氧化低密度脂蛋白（oxidized low density lipoprotein，oxLDL）刺激后，在接受二次刺激時(shí)釋放更多的炎癥因子如IL-6、IL-8和MCP-1。這些研究成果提示免疫訓(xùn)練可能是細(xì)胞共有的潛在特性。

2.2 免疫訓(xùn)練的發(fā)生機(jī)制 大量研究表明，甲基化、乙?；缺碛^遺傳學(xué)修飾可能參與了這種非特異性記憶的形成，免疫代謝的轉(zhuǎn)變是支持這一過(guò)程的重要機(jī)制。

2.2.1 表觀遺傳學(xué)修飾 免疫訓(xùn)練的顯著特征是經(jīng)病原體刺激的細(xì)胞抗感染相關(guān)細(xì)胞因子的轉(zhuǎn)錄明顯增加?；蜣D(zhuǎn)錄水平的調(diào)控與組蛋白修飾有關(guān)，結(jié)合在抗感染相關(guān)細(xì)胞因子啟動(dòng)子區(qū)域的組蛋白的修飾狀態(tài)，可能是免疫訓(xùn)練發(fā)揮作用的關(guān)鍵。

啟動(dòng)子上的組蛋白3在第4位賴氨酸（H3K4）的一甲基化（H3K4me1）和三甲基化（H3K4me3）以及在第27位賴氨酸的乙酰化（H3K27Ac）與固有免疫細(xì)胞基因活化相關(guān)，而第9位賴氨酸（H3K9）和第27位賴氨酸（H3K27）的甲基化是抑制性標(biāo)記［15］。早在BCG的研究中就發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生免疫記憶的單核細(xì)胞通過(guò)NLR2介導(dǎo)的H3K4me3增加促進(jìn)炎癥因子的表達(dá)［16］；BCG刺激的造血干細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組中也可檢測(cè)到H3K4me3和H3K27Ac的增加［12］。其他類型的組蛋白修飾起協(xié)同作用。抑制性信號(hào)H3K9me2的減少是H3K4me3增加的前導(dǎo)因素［17］；用LPS刺激巨噬細(xì)胞后檢測(cè)潛在的514個(gè)啟動(dòng)子，發(fā)現(xiàn)H3K4me1的激活與維持是二次感染時(shí)H3K27Ac增強(qiáng)的必要條件［18］。

目前認(rèn)為，初次感染時(shí)，促炎因子編碼基因啟動(dòng)子區(qū)域的H3K9me2的減少和H3K4me1、H3K4me3及H3K27Ac的增加，更易結(jié)合轉(zhuǎn)錄激活因子如NF-κB（nuclear factor kappa-B）、AP-1（activator protein 1）和STAT1（signal transducers and activators of transcription1），促進(jìn)IFN-γ、TNF-α、IL-6、IL-8等的表達(dá)以對(duì)抗外來(lái)感染［19］；之后，表觀遺傳學(xué)修飾被部分保留，當(dāng)細(xì)胞遭遇二次感染時(shí)，轉(zhuǎn)錄激活因子得以迅速啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄，產(chǎn)生更強(qiáng)烈的免疫應(yīng)答。

長(zhǎng)鏈非編碼RNA（long non-coding RNA，lncRNA）通過(guò)特異性結(jié)合DNA、RNA或蛋白質(zhì)，也可參與基因表達(dá)的調(diào)控；lincRNA-Cox2、Lethe等lncRNA就與先天免疫的激活有關(guān)［20］。新近研究發(fā)現(xiàn)免疫基因引發(fā)的一種新型lncRNA——IPLs可促進(jìn)免疫趨化相關(guān)基因IL-8和CXC趨化因子亞族的啟動(dòng)子上H3K4me3的積累，參與先天免疫記憶形成［21］。這一發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展了免疫訓(xùn)練的表觀遺傳學(xué)修飾研究領(lǐng)域。

2.2.2 免疫代謝調(diào)控 細(xì)胞代謝提供免疫訓(xùn)練的激活與維持所需能量，以及表觀遺傳學(xué)修飾所需的酶和原料。相關(guān)研究提示，經(jīng)免疫訓(xùn)練的細(xì)胞中，有氧糖酵解替代了氧化磷酸化，出現(xiàn)快速攝取利用葡萄糖的Warburg效應(yīng)。

真菌細(xì)胞壁上的β-葡聚糖是誘導(dǎo)免疫訓(xùn)練的關(guān)鍵成分。CHENG等［22］發(fā)現(xiàn)，β-葡聚糖通過(guò)結(jié)合受體Dectin-1激活A(yù)kt/mTOR/HIF-1α通路，使單核細(xì)胞有氧糖酵解升高、葡萄糖消耗及乳酸產(chǎn)生增加；轉(zhuǎn)錄組分析也發(fā)現(xiàn)糖酵解相關(guān)基因啟動(dòng)子區(qū)域的H3K4me3和H3K27Ac增加。受此啟發(fā)，ARTS等［23］整合代謝組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)谷氨酰胺分解和膽固醇合成途徑也發(fā)生了上調(diào)。谷氨酰胺分解產(chǎn)物延胡索酸可激活免疫訓(xùn)練，這是因?yàn)榻M蛋白去甲基化酶KDM5發(fā)揮作用需要α-酮戊二酸的輔助，與之結(jié)構(gòu)相似的延胡索酸和琥珀酸則競(jìng)爭(zhēng)性拮抗這一過(guò)程［24］。同時(shí)，谷氨酰胺的代謝產(chǎn)物推動(dòng)三羧酸循環(huán)（TCA cycle），促進(jìn)ATP生成與乙酰輔酶A的積累；后者為H3K27Ac提供乙?；?，促進(jìn)組蛋白的表觀遺傳學(xué)活化。

關(guān)于甲羥戊酸激酶缺乏癥患者的研究闡述了膽固醇合成途徑上調(diào)促進(jìn)免疫訓(xùn)練發(fā)生的機(jī)制。BEKKERING等［25］發(fā)現(xiàn)患者的單核細(xì)胞在免疫和表觀遺傳水平上表現(xiàn)免疫訓(xùn)練的特性；原因是甲羥戊酸激酶的缺乏導(dǎo)致甲羥戊酸的積累，內(nèi)源性地激活胰島素樣生長(zhǎng)因子1受體（insulin-like growth factor 1 receptor，IGF-1R），進(jìn)一步增強(qiáng)糖酵解，促進(jìn)炎癥因子的釋放，誘發(fā)患者的無(wú)菌性炎癥。

這些發(fā)現(xiàn)提示，表觀遺傳學(xué)的修飾與免疫代謝的轉(zhuǎn)變之間存在緊密的內(nèi)在聯(lián)系，通過(guò)調(diào)控關(guān)鍵代謝途徑，可增強(qiáng)或抑制免疫訓(xùn)練達(dá)到治療的目的（圖1）。

圖1 免疫訓(xùn)練中的表觀遺傳學(xué)-免疫代謝調(diào)控Fig.1 Correlate regulation of immunometabolic transformation and epigenetic mudulation in trained immunity

3 免疫訓(xùn)練的臨床應(yīng)用

先天免疫細(xì)胞及其他組織細(xì)胞的記憶特性對(duì)于機(jī)體抵御多種外源性或內(nèi)源性感染具有重要意義。在適應(yīng)性免疫低效或失效的領(lǐng)域，如自身免疫病及腫瘤的免疫耐受，免疫訓(xùn)練或可發(fā)揮治療作用。

3.1 疫苗的交叉保護(hù) 早期研究發(fā)現(xiàn)，BCG可降低新生兒、低體重兒童和成年人的總體死亡率；后續(xù)研究也表明，接種BCG的個(gè)體可交叉免疫流感病毒、肺炎鏈球菌及乙型肝炎病毒等病原體［26］。另外，麻疹疫苗和脊髓灰質(zhì)炎疫苗也可誘導(dǎo)一定的非特異免疫抗性［27］。免疫訓(xùn)練的交叉保護(hù)作用或可降低疫苗接種成本，對(duì)于發(fā)展中國(guó)家兒童抵御多種傳染病有重要意義。

3.2 對(duì)抗慢性炎癥及自身免疫疾病 免疫訓(xùn)練誘導(dǎo)的IL-6、IL-1β和TNF-α表達(dá)的持續(xù)增加是慢性炎癥發(fā)生的機(jī)制之一［28］。動(dòng)脈粥樣硬化危險(xiǎn)因子ox-LDL可誘導(dǎo)人單核細(xì)胞產(chǎn)生持續(xù)的mTOR活化、活性氧形成及HIF-1α積累［29］；致動(dòng)脈粥樣硬化溶血磷脂酰膽堿也可上調(diào)人主動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞糖酵解酶途徑，增強(qiáng)甲羥戊酸合酶及組蛋白乙?；傅幕钚裕?0］。抑制免疫訓(xùn)練關(guān)鍵表觀遺傳學(xué)修飾的發(fā)生及阻斷代謝通路的轉(zhuǎn)變，或可抑制動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生發(fā)展。另有研究發(fā)現(xiàn)Ⅰ型糖尿病患者的血清中單核細(xì)胞比例上升且可被TLR誘導(dǎo)表達(dá)更多的IL-1β和IL-6；IL-1阻斷劑成功降低Kilham大鼠病毒誘導(dǎo)的Ⅰ型糖尿病發(fā)生率，說(shuō)明免疫訓(xùn)練可為Ⅰ型糖尿病治療提供新思路［31-32］。Akt/mTOR/HIF-1α是真菌誘導(dǎo)免疫訓(xùn)練的經(jīng)典通路，短期應(yīng)用靶向mTOR的特異性高密度脂蛋白可促進(jìn)移植腎的長(zhǎng)期存活，說(shuō)明在器官移植后的免疫抑制治療中，免疫訓(xùn)練也大有可為［33］。

3.3 逆轉(zhuǎn)免疫耐受及改善免疫缺陷 免疫反應(yīng)是促炎因素與抗炎因素角力抗衡的過(guò)程。既然免疫訓(xùn)練可增強(qiáng)免疫應(yīng)答，可否用來(lái)打破免疫耐受的不利平衡？?jī)?nèi)毒素血癥后期小鼠可因免疫麻痹發(fā)生死亡。用β-葡聚糖刺激內(nèi)毒素血樣中的單核細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，約60%耐受基因的組蛋白修飾被逆轉(zhuǎn)，使單核細(xì)胞恢復(fù)敏感狀態(tài)［34］。通過(guò)誘導(dǎo)持續(xù)性慢性炎癥，BCG聯(lián)合干擾素α-2b灌注成為非肌層浸潤(rùn)性膀胱癌的標(biāo)準(zhǔn)治療。因此，免疫訓(xùn)練可重新激活固有免疫細(xì)胞，對(duì)于治療膿毒癥所致的免疫麻痹、逆轉(zhuǎn)腫瘤微環(huán)境的免疫耐受具有重要意義。

HIV病毒特異性攻擊T淋巴細(xì)胞導(dǎo)致患者免疫力低下，并繼發(fā)機(jī)會(huì)性感染使HIV感染者死亡。如前所述，既然訓(xùn)練免疫誘導(dǎo)的增強(qiáng)抗性不依賴于T、B淋巴細(xì)胞的增殖活化［8，10］，可否用于治療免疫缺陷？遺憾的是，誘導(dǎo)免疫訓(xùn)練以對(duì)抗HIV患者的多重感染的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。

4 總結(jié)與展望

雖然免疫訓(xùn)練的概念尚新，但先天免疫記憶的研究已持續(xù)近一個(gè)世紀(jì)。目前已發(fā)現(xiàn)可誘導(dǎo)免疫訓(xùn)練的物質(zhì)有疫苗、病毒、真菌、寄生蟲(chóng)以及各種炎癥相關(guān)細(xì)胞因子；可被誘導(dǎo)產(chǎn)生訓(xùn)練免疫的效應(yīng)細(xì)胞從固有免疫細(xì)胞，如單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和NK細(xì)胞，擴(kuò)展到了各類間充質(zhì)干細(xì)胞以及局部黏膜抗炎非免疫細(xì)胞。有理由推測(cè)，所有細(xì)胞系都可能具有記憶病原微生物感染的能力。NETEA等［35］提出免疫記憶的發(fā)展是一個(gè)連續(xù)過(guò)程。免疫訓(xùn)練是原始適應(yīng)形式，由表觀遺傳學(xué)改變產(chǎn)生非特異性增強(qiáng)的炎癥反應(yīng)；獲得性免疫記憶是其進(jìn)化模式，增加了基因重組介導(dǎo)的選擇特異性。認(rèn)可免疫記憶是所有生物體免疫防御的一般特征，對(duì)有效治療感染和免疫介導(dǎo)的疾病具有重要意義。

盡管目前有關(guān)免疫訓(xùn)練的探索已取得豐碩成果，但仍有諸多重要問(wèn)題亟待解決。首先，如何解釋經(jīng)訓(xùn)練的細(xì)胞僅對(duì)部分病原體產(chǎn)生抗性增強(qiáng)？例如，BCG誘導(dǎo)的免疫訓(xùn)練雖可交叉保護(hù)多種感染，但最新研究發(fā)現(xiàn)其對(duì)H7N9流感病毒無(wú)效［36］。其次，不同病原微生物或炎癥因子誘發(fā)免疫訓(xùn)練的具體分子機(jī)制是否相同？有關(guān)β-葡聚糖誘導(dǎo)的免疫訓(xùn)練的機(jī)制研究較為詳細(xì)，但對(duì)其他刺激物的作用機(jī)制尚未明晰。最后，免疫訓(xùn)練的臨床應(yīng)用還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，如何盡快將其轉(zhuǎn)化為臨床實(shí)踐需要深入探討。對(duì)于這些問(wèn)題的研究，不僅有助于開(kāi)發(fā)新的有效的疫苗或者藥物以提高免疫力低下人群（如HIV患者及免疫減退的老年人）的抗感染能力，而且可以為自身免疫疾病及腫瘤等的治療提供新的思路和防治措施。