免疫学转化医学研究进展与趋势

  

编者按:本文系李斌研究员为中国细胞生物学学会和上海细胞生物学学会共同制作的转化医学科普宣传册撰写的文稿,文中三幅插图为其爱女李和鸣所作,充满童趣,而又与文章内容相互呼应、相得益彰。

免疫学是研究免疫系统发育分化及其功能的一门学科。免疫学研究涉及重大疾病如感染性疾病的免疫防治、肿瘤诊断、自身免疫性疾病与过敏性疾病治疗以及阻止器官移植排斥等。例如,肿瘤可以引发免疫逃逸;急性感染引发免疫病理损伤;慢性感染诱导免疫耐受;器官移植引发免疫排斥,移植成功与否以及自身免疫性疾病的治疗依赖于免疫耐受调控等。所以说,免疫学研究进展与人类健康密切相关。

早在宋朝中期,我们中国人就已发明了用人痘痂皮接种以预防天花的方法,随后逐渐传至全世界,是转化医学成功应用于人类健康的经典范例之一(图一)。人类能在20世纪后期全球范围消灭天花,广泛接种牛痘疫苗是关键。其外,19世纪末,法国微生物学家路易·巴斯德(Louis Pasteur)发明了减毒型炭疽杆菌疫苗可用于动物炭疽病的预防;并用减毒狂犬病毒疫苗来预防人类狂犬病。

图一. 人痘痂皮接种为古代中国人首创,如同熊猫为中国之国宝。

德国免疫学家埃米尔·冯·贝林(Emil von Behring)于1890年前后发现了免疫血清中有抗白喉毒素的抗毒素因子,与日本细菌学家北里柴三郎(Kitasato  Shibasaburo)一起共同研究血清疗法,在治疗白喉和破伤风患者时取得良好疗效。20世纪中期,随着器官移植技术的进步,人们对移植物排斥、免疫耐受性、免疫抑制、免疫缺陷、自身免疫、肿瘤免疫等免疫现象进行了深入的研究。认识到过去把免疫系统仅局限于抗传染免疫有很大的片面性。人类的免疫应答既可防御病原微生物感染和产生免疫保护作用,若免疫应答过强,又可造成机体组织的免疫损害和引起疾病。

当代免疫学发展逐渐呈现三大态势:1)基础免疫学的研究更加深入;2)基础免疫学与临床免疫学结合更加紧密;3)免疫学与其它多学科交叉和整合更加有效。在分子和细胞水平上,对于免疫系统复杂和精细的调控机制开展研究是免疫学未来发展的主要趋势之一。免疫与免疫性疾病的基础及转化型研究符合我国低成本普惠健康医学研究的战略需求,服务于普惠医学和全民健康。

一.免疫学基础研究进展

免疫学研究从早期粗框式实验观察描述,到中期克隆选择学说的提出,发展到当前应用分子生物学和遗传学手段,来阐明免疫现象的分子机制。当代免疫学已经从研究单一基因或蛋白结构及功能,转变为关注不同免疫细胞之间,免疫细胞不同亚群之间以及免疫细胞内部重要信号转导途径之间的动态关系。因此,在分子和细胞水平上,对于免疫系统复杂和精细的调控机制开展研究是免疫学未来发展的主要趋势。

1、对天然免疫及获得性免疫反应相互调节机制的认识不断深入

近年来,我们对天然免疫反应与获得性免疫反应的相互调节有了一个全新认识。在二十世纪80年代以前,天然免疫反应被认为是宿主面对病菌入侵时通过分泌抗菌肽和炎症因子、激活补体等发起的快速而非特异性防御反应。而获得性免疫反应则被认为是仅仅依赖外源性抗原的T细胞介导的细胞毒性效应和B细胞分泌的抗体功能。虽然两种反应是按照严格的时间顺序被激活,即天然免疫反应总是在获得性性免疫反应之前被激活,但当时的免疫学家们认为它们两者的激活相对独立,不存在相互依赖关系。70年代末对于树突状细胞的发现及其“共激活”信号假说的提出将天然免疫和获得性免疫研究紧密联系起来。

1996年法国科学家朱尔斯·霍夫曼(Jules A. Hoffmann)研究小组发现Toll蛋白在果蝇对抗真菌感染的免疫过程中起重要作用,可以控制抗真菌多肽合成(图二)。1998年美国科学家布鲁斯·巴特勒(Bruce A. Beutler)研究小组在老鼠中发现细菌内毒素即脂多糖的受体为TLR4。霍夫曼和巴特勒也因该原创性工作获得2011年诺贝尔生理及医学奖。其外,耶鲁大学查尔斯·简尼威(Charles Janeway)教授在1989年也提出:天然免疫细胞含有识别病原菌的受体,它们特异性地识别病原所携带的“非我”的模式分子。这一类天然免疫受体不仅可以激活天然免疫反应,还能诱导T细胞激活所必需的“共激活信号”。美国国立卫生研究院的波莉·马特曾格(Polly Matzinger)于1994年提出“危险信号”假说,她同样认为天然免疫系统具备一类特殊受体,能够激活天然及获得性免疫反应。但是强调这些受体主要是识别所谓的“危险信号”,即由于病原微生物感染或机体损伤所引起的坏死细胞释放的一些分子。在接下来的十多年中,识别病原体和危险信号的TLRs等多种受体分别在哺乳动物、果蝇和植物中被发现,在分子基础上证明了Janeway和 Matzinger的假说。从分子机理方面,先天性受体介导的信号通路不仅诱导T细胞激活所必需的“共激活”信号,而且还通过分泌的细胞因子来引导T细胞亚型的分化。这样就从分子机理方面将天然和获得应性免疫反应紧密地联系起来了。

图二. 大自然中植物及非脊椎动物如昆虫等,其防御外界病原侵害主要靠天然免疫系统。

当代免疫学已经开始在分子水平和细胞水平上全面地揭示天然免疫和获得性免疫反应之间的相互依赖、相互调控的机理。首先,天然免疫反应调节适应性免疫反应的机制是相当复杂的,其中既有正向的调节作用,也有负调节作用。随后各种天然免疫受体相继被发现,它们分别在细胞外、内质网和胞浆内识别不同的病原体分子和危险分子。这些天然免疫受体分别诱导特异性的信号传导途径,激活相应的天然和获得性免疫反应来清除病原体的感染。它们一方面能诱导激活树突状细胞和巨噬细胞,增强它们的抗原提呈的能力和“共激活”分子的表达;另一方面,它们通过诱导不同的细胞因子来引导相应免疫反应。天然免疫反应不仅能激活,也能抑制获得性免疫反应,从而维持对于自身抗原以及共生性微生物的耐受性,防止自身免疫性疾病的发生。最近发现一类髓系骨髓源性抑制细胞(MDSC)具有非常强的免疫抑制功能,可以介导肿瘤组织对抗免疫反应。总之,天然免疫系统从正、负两个方面调节获得性免疫系统,对于抗病原体的感染和维持免疫耐受起着至关重要的指导作用。与此同时,获得性免疫也在细胞水平和分子水平对天然性免疫进行调控。有趣的是,获得性免疫系统还能通过多种机制来抑制天然免疫反应的强度以及持续的时间,以避免过度而有害的炎症反应。Treg和B1细胞分泌IL-10等细胞因子来抑制巨噬细胞的活化。记忆性CD4 T细胞还能通过细胞与细胞之间的直接接触来抑制巨噬细胞中炎症小体的激活,从而下调嗜中性粒细胞的侵润。

2、调节性T细胞在获得性免疫系统的核心调控功能被逐步确立

20世纪60年代末耶鲁大学理査德·葛生(Richard Gershon)等提出,部分T细胞能行使免疫抑制功能,这种被称为“抑制性T细胞”的研究很快在很多实验室中展开,但由于缺乏合适的分子标记把“抑制性T细胞”从常规的T细胞中分离出来,也没有对抑制机理合理的解释,“抑制性T细胞”领域的研究兴趣在20世纪80年代中期迅速消退,而对T细胞抑制的否定论在免疫领域内占主要地位。二十世纪八十年代以来, Th1和Th2辅助T细胞亚群分类理论的确立,为深入研究T细胞的功能和免疫疾病病理发生发展的机制提供了重要的理论基础。进一步研究发现了另一类Th17 辅助性T细胞亚群。Th17分泌特征性细胞因子白介素-17(IL-17)。Th17细胞对宿主的免疫防御细菌和真菌感染至关重要,但同时又是多种炎症相关疾病如自身免疫病的病理发生的主导性因素。因此,研究Th17的分化调控机制和IL-17的功能机制已成为世界免疫学的研究前沿和新兴领域。当代调节性T细胞重新起始于1995年,日本科学家坂口志文(Simon Sakaguchi) 等人发现CD25受体可作为区分调节性T细胞和其他细胞的分子标记,如果把CD4+CD25-群的T细胞转移给免疫缺陷小鼠,将会导致各种各样的自身免疫疾病,当注射纯化的CD4+CD25+T细胞就能抑制这些疾病。但这种过继转移实验没有把人们对调节性T细胞的疑虑完全打消。近年来越来越多的研究逐步确定了调节性T细胞在免疫系统调控中发挥核心的调控功能。

3、免疫细胞信号转导研究不断产生本领域新热点

鉴于免疫细胞在机体抗病毒感染、抗肿瘤、抗炎、调节造血系统、调节移植物抗宿主病、调节免疫和自身免疫以及母胎识别等方面发挥着重要的作用,免疫细胞中的信号转导研究依然是目前免疫学领域研究的一大热点。免疫系统是受到极为精细调控的复杂系统。机体免疫反应必须得到严密监控以适时、适度地对外来或内在的异己抗原开展清除并保持身体健康的稳态:过度免疫反应会导致严重的病理性组织伤害,如多发性脑硬化和Ι型糖尿病等自身免疫性疾病;免疫反应太弱则又会导致免疫功能低下,持续性病原体感染(如艾滋病病毒和丙型肝炎病毒感染)以及丧失对肿瘤的监控等。

二.临床免疫学研究进展及转化医学研究案例分析

临床免疫学涉及到免疫细胞治疗、抗体治疗、移植免疫,疫苗及佐剂、过敏性变态反应及治疗、动物模型与临床治疗、自身免疫疾病的遗传学及免疫调节、微生物触发性炎症、调节性T细胞的可塑性及其移植疗法、自身免疫性疾病的病理学及临床治疗以及炎症类疾病治疗等。

近年来调节性T细胞(Treg)研究迅速从基础免疫学扩展到临床免疫。除了自身免疫病外,Treg还与多种免疫性疾病的发病机制或免疫状态如过敏性疾病、移植排斥、肿瘤以及感染性疾病等密切相关。人源FOXP3+Treg与鼠源Foxp3+Treg在发育,功能及可塑性多重方面都有很大差异,这为我们将基础免疫研究转化为临床研究如基于调节性T细胞的细胞治疗,以及理解人类特有的重大传染性疾病提供了新的研究命题与挑战。深入研究人源Treg及转录因子FOXP3生化活性,生理功能及其调控的分子机理,对于治疗性控制人体内调节性T细胞的免疫活性以及基于调节性T细胞的免疫治疗皆至关重要。

1、有效诱导移植免疫耐受依然是移植免疫学研究尚未完全解决的科学难题

器官移植为救治器官终末衰竭患者带来新希望。然而,为了克服受者移植器官排斥反应而长期应用免疫抑制剂引起的毒副作用、并发症,缺乏有效克服慢性排斥反应及提高长期存活率的手段以及供体器官短缺等问题却严重制约着器官移植的临床应用。在基础移植免疫学方面,我们对新型免疫细胞亚群、调节性T细胞、记忆性T细胞及天然免疫细胞在器官排斥中的作用理解有待深入。有效诱导移植免疫耐受依然是移植免疫学研究的热点。深入理解移植排斥反应及移植免疫耐受建立的基本规律和关键发生分子细胞机制,将推动有效控制移植排斥免疫反应等相关转化医学研究。

图三. 单抗药物治疗肿瘤正成为临床转化医学新前沿。

2、单抗药物靶向治疗肿瘤已成为临床转化医学新前沿

抗肿瘤单抗药物研究已取得多方面进展,研究结果为应用于肿瘤治疗的可行性提供了重要依据(图三)。单抗药物对肿瘤细胞的选择性杀伤作用相关研究结果表明,单抗与药物偶联物或与毒素偶联物对肿瘤靶细胞显示选择性杀伤作用,对表达有关抗原的肿瘤细胞作用强,对抗原性无关细胞的作用弱或无作用。这种特异性结合和内化进一步阐明了单抗或单抗偶联物对靶细胞选择性杀伤作用的机制。另外,通过抑制肿瘤血管生成,达到抑制肿瘤细胞生长的单抗药物在临床亦取得了良好效果,证明这一策略也是抗肿瘤药物研究的成功策略。单抗药物的临床研究结果已为其应用于治疗肿瘤展示出良好的前景,但仍有些问题需要进一步研究解决。单抗药物存在的问题主要涉及免疫学和药理学两方面。免疫学方面问题主要是人抗鼠抗体(HAMA)反应。因为多年来用于临床研究的单抗药物多数使用小鼠单抗制备,往往导致HAMA反应。此外,肿瘤细胞群体在抗原性方面的异质性,肿瘤细胞的抗原性调变等也可能影响单抗药物的疗效。药理学方面的问题主要是到达肿瘤的药量不足。单抗药物在体内运送过程受多种因素影响。由于它是异体蛋白,会被网状内皮系统摄取,有相当数量将积聚于肝、脾和骨髓。单抗药物是大分子物质,通过毛细血管内皮层以及穿透肿瘤细胞外间隙均受到限制。解决问题的主要途径包括降低单抗药物的免疫原性。

2012年6月新英格兰医学杂志报道的最新研究结果显示,大约四分之一到五分之一的肿瘤(包括非小细胞肺癌及黑色素瘤及肾细胞癌)病人对抗PD-1抗体治疗发生良好应答。该研究为进一步寻找适合肿瘤抗体治疗的生物标志物,以及评估抗体药物的抗肿瘤活性及治疗的安全性提供了新临床证据和新希望。其外,今年3月期的新英格兰医学杂志也报道了两个研究小组利用抗白介素-17抗体治疗银屑病临床II期结果。其中Leonardi等人用的是抗IL-17的人源化单克隆抗体(ixekizumab [LY2439821]),而Papp等人用的是抗IL-17A受体的人源单克隆抗体(Brodalumab),都取得令人鼓舞的疗效,并且其副作用可能会比早期抗-TNF抗体治疗导致病人感染要少。总之,基于抗体的免疫治疗正成为一个方兴未艾的转化医学新领域。