细胞介导的细胞免疫类型

细胞免疫类型可按效应T细胞亚群分类,分别有效抵御不同类型的病原体感染,体现适应性免疫的特异性。CD4+Th细胞主要通过分泌细胞因子,招募和活化其他白细胞,清除病原体。CD4+Th亚群决定了所招募和活化的白细胞的类型。一般情况下,Th1活化巨噬细胞,Th2招募和活化嗜酸性粒细胞,Th17主要招募和活化中性粒细胞。每种类型的白细胞适合清除特定类型的微生物。T细胞和其他白细胞在细胞免疫中的密切合作体现了适应性免疫和固有免疫的重要联系:T细胞识别特异性抗原获得活化,通过分泌细胞因子,活化非特异性固有免疫细胞(吞噬细胞和嗜酸性粒细胞),增强这些细胞的效应功能,最终清除病原体。CD8+CTL主要通过直接的细胞毒杀伤效应,直接杀伤被病原体感染的细胞,清除感染源(详见第十章)。

除了在抗感染中发挥重要作用,T细胞介导的细胞免疫诱导的组织炎症可能是有害的,造成组织的免疫病理损伤。这种T细胞应答介导的组织损伤被称为迟发型超敏反应(DTH),参与某些慢性感染性疾病(详见第十章)和自身免疫性疾病(详见第十二章)的病理损伤。

(一)Th细胞的效应功能

Th细胞本身并不直接杀伤和清除病原体,而是通过分泌细胞因子和表达细胞表面分子,活化其他免疫细胞,增强其效应功能,从而清除病原体。例如,Th细胞通过辅助B细胞产生高亲和力抗体,对抗胞外微生物;通过增强巨噬细胞的吞噬杀伤功能,清除胞内菌;促进CTL的分化,清除病毒感染的细胞。总的来说,Th细胞在细胞免疫中的功能可分为以下几个步骤:①招募其他白细胞到达感染部位,Th细胞通过分泌细胞因子,介导中性粒细胞、单核细胞和嗜酸性粒细胞到达感染部位。根据分泌细胞因子的类型不同,不同的Th细胞亚群招募不同类型的白细胞;②活化招募到感染组织的白细胞。Th细胞主要通过分泌细胞因子和表达CD40L两种主要机制活化白细胞。

1.Th1细胞的生物学活性 Th1细胞在宿主抗胞内病原体感染中起重要作用,主要通过分泌以IFN-γ为主的细胞因子和上调表达CD40L,活化巨噬细胞、B细胞和中性粒细胞。

(1)Th1细胞对巨噬细胞的作用:巨噬细胞是感染早期固有免疫防御的重要吞噬细胞,主要功能是吞噬和杀伤微生物。然而,许多微生物通过多种逃逸机制,可以在吞噬细胞中存活甚至复制,因此,仅有固有免疫无法清除这类微生物。在这些情况下,Th1细胞可产生多种细胞因子以及上调表达膜分子,通过多途径作用于巨噬细胞,最终促进巨噬细胞的杀菌能力,清除感染。

1)激活巨噬细胞:Th1细胞提供巨噬细胞活化的两个主要信号,一个是产生IFN-γ,另一个是Th1细胞表面CD40L与巨噬细胞表面CD40结合,最终导致转录因子NF-κB和AP-1的激活,促进巨噬细胞的吞噬溶酶体表达多种蛋白酶和溶解酶,诱导活性氧自由基(ROS)和诱导型一氧化氮合酶(iNOS)产生,后者可刺激一氧化氮的合成,最终杀伤巨噬细胞吞噬的微生物。IFN-γ激活的巨噬细胞,具有强大的杀菌能力,这种巨噬细胞被称为经典活化的巨噬细胞(也称为M1型巨噬细胞)。一个体现Th1细胞激活巨噬细胞,增强其杀菌能力的重要例子是:虽然正常人肺泡巨噬细胞能吞噬并杀伤清除卡氏肺囊虫,但HIV/AIDS患者常死于卡氏肺囊虫感染引发的肺炎,这是因为HIV感染导致CD4+T细胞缺失,不能有效激活肺泡巨噬细胞。另一方面,活化的巨噬细胞也可通过上调表达一些免疫膜分子和分泌细胞因子增强Th1细胞的效应,如激活的巨噬细胞高表达B7和MHCⅡ类分子,从而具有更强的呈递抗原和活化CD4+T细胞的能力,激活的巨噬细胞分泌IL-12、IL-1、TNF等细胞因子,可促进Th1细胞分化,以及招募白细胞到达感染组织,进一步扩大Th1细胞应答的效应。

2)诱生并募集巨噬细胞:Th1细胞产生IL-3和GM-CSF,促进骨髓造血干细胞分化为单核细胞;Th1细胞产生TNF-α、淋巴毒素α(lymphotoxin α,LTα)和CCL2等,可分别诱导炎症部位血管内皮细胞高表达黏附分子,促进单核细胞和淋巴细胞的血管内皮黏附,继而穿越血管壁趋化到局部组织。当病原体能有效抵抗活化巨噬细胞的杀菌作用时会发生慢性感染炎症。例如,慢性结核分枝杆菌感染的特征性标志肉芽肿就是Th1细胞活化巨噬细胞引起的组织病理改变。

(2)Th1细胞对淋巴细胞的作用:Th1细胞产生IFN-γ,作用于B细胞,促进抗体类型转化为IgG亚型,主要是IgG2a或者IgG2b(在小鼠中),且抑制IL-4依赖的IgE类型转化。IgG型抗体与吞噬细胞的Fcγ受体结合,活化补体,通过调理机制,增强吞噬细胞的吞噬能力。IFN-γ促进Th1细胞的分化,且抑制Th2和Th17的分化,从而放大Th1介导的细胞免疫应答。

(3)Th1细胞对中性粒细胞的作用:Th1细胞产生的LT和TNF-α可活化中性粒细胞,促进其杀伤病原体。值得注意的是,Th1介导的细胞免疫对微生物的应答可能伴随着某些组织损伤,因为一旦活化的巨噬细胞和中性粒细胞分泌杀菌分子,这些分子不区分微生物和宿主组织,可以造成正常组织的损伤。然而,这种组织损伤程度有限且持续时间短暂,一旦清除感染,可以通过组织修复而恢复。

2.Th2细胞的生物学活性 Th2细胞在宿主抗寄生虫感染中起重要作用。因为蠕虫体形太大,不能被巨噬细胞和中性粒细胞吞噬,需要Th2细胞分泌以IL-4、IL-5和IL-13活化嗜酸性粒细胞和促进IgE抗体的产生,从而清除感染的寄生虫。Th2细胞也是介导过敏性炎症的主要效应细胞,当前更多的研究集中于Th2细胞介导的病理性免疫应答。

(1)Th2细胞对淋巴细胞的作用:Th2细胞产生IL-4和IL-13,作用于B细胞,促进抗体类型转化为IgE。此外,IL-4促进IgG4(人类)或IgG1(鼠)的产生。IgE抗体活化嗜酸性粒细胞,在清除蠕虫的免疫应答中发挥重要作用。同时,IgE活化肥大细胞,介导速发型超敏反应(详见十一章)。在小鼠中,IL-4可抑制IFN-γ诱导的IgG2和IgG3型抗体的产生。此外,Th2细胞通过产生IL-5促进IgA抗体的产生。IL-4促进Th2细胞的分化,且抑制Th1和Th17的分化,从而放大Th2介导的细胞免疫应答。

(2)Th2细胞对嗜酸性粒细胞的作用:Th2细胞产生IL-5,直接刺激嗜酸性粒细胞的成熟和活化;产生IL-4和IL-13,诱导内皮细胞黏附分子的表达和趋化因子的分泌,如CCL11,招募嗜酸性粒细胞。

(3)Th2细胞对巨噬细胞的作用:Th2细胞通过产生IL-4和IL-13,促进巨噬细胞的活化,但与IFN-γ经典活化的M1型巨噬细胞相反,IL-4和IL-13活化的巨噬细胞抑制抗胞内菌的免疫应答,其主要功能是促进组织修复和纤维化,因此成为替代活化的(M2型)巨噬细胞。

(4)Th2细胞介导屏障免疫:在与外界直接相通的黏膜屏障表面,Th2细胞产生的细胞因子可促进微生物的排出,发挥重要的免疫防御作用。例如,IL-13刺激上皮杯状细胞分泌黏液;IL-4和IL-13可以刺激胃肠道的蠕动,促进寄生虫的排出。

3.Th17细胞的生物学活性 Th17细胞在宿主抗胞外细菌和真菌中起重要作用,主要通过分泌IL-17等细胞因子,招募中性粒细胞到感染部位,介导以中性粒细胞为主的炎症应答,清除病原体。此外,Th17细胞也是介导多种自身免疫性疾病慢性炎症组织损伤的主要致病细胞,如银屑病、炎症肠道疾病、类风湿关节炎和多种硬化症。在临床上,IL-17中和性抗体已经针对某些疾病开始使用。Th1和Th17细胞均参与大多数自身免疫性疾病,它们对疾病的相对贡献是目前研究的热点。

(1)Th17细胞对中性粒细胞的作用:Th17细胞产生IL-17,刺激趋化因子和其他细胞因子(如TNF)的产生,招募中性粒细胞到感染炎症部位,并活化中性粒细胞,促进其产生包括抗菌肽在内的多种杀菌物质;产生G-CSF和GM-CSF等集落刺激因子,刺激骨髓造血干细胞产生更多髓样细胞,活化中性粒细胞和单核细胞。

(2)Th17细胞对组织结构细胞的作用:Th17细胞产生IL-17和IL-22,刺激上皮细胞分泌防御素等抗菌肽;产生IL-22,促进上皮的屏障功能和刺激损伤上皮的修复,维持上皮的完整;产生IL-17,促进成纤维细胞的增殖与活化,以及胶原的合成(表7-8)。

表7-8 Th细胞介导的细胞免疫

续 表

(二)CTL的效应功能

CTL主要杀伤胞内病原体(病毒和某些胞内寄生菌等)感染的细胞和肿瘤细胞等。在两种情况下,宿主细胞不能清除感染它们的微生物。第一,病毒在非吞噬细胞中生存和复制(例如肝炎病毒在肝细胞);第二,病原体抵抗吞噬细胞的杀伤,从吞噬小体逃逸到胞质。这时,CTL介导的细胞毒杀伤作用直接清除被感染的细胞,从而根除感染源。然而,在某些疾病中,CTL杀伤感染细胞是造成组织损伤的原因之一。例如,在肝炎病毒B和C感染中, CTL杀伤病毒感染的肝细胞造成肝脏组织损伤和功能紊乱。此外,CTL的细胞毒杀伤效应也参与迟发型超敏反应介导的器官性自身免疫性疾病。

1.CTL杀伤靶细胞的过程 CTL可高效、特异性地杀伤靶细胞,表现为只杀伤表达用以活化CTL的相同抗原肽-MHCⅠ类分子复合物的靶细胞,而不杀伤不表达该抗原的邻近正常细胞,CTL自身在杀伤过程中也不会受到损害。CTL细胞特异性杀伤靶细胞的效应过程包括识别与结合靶细胞、胞内细胞器重新定向,颗粒外胞吐和靶细胞凋亡,每个步骤都由特殊的分子相互作用控制(图7-4)。

(1)效-靶细胞结合:CD8+T细胞识别APC呈递的抗原,在外周淋巴组织内获得活化、增殖、分化为效应性CTL,在趋化因子作用下离开淋巴组织向感染灶或肿瘤部位集聚。在外周感染组织,一方面,CTL高表达黏附分子(如LFA-1、CD2等)可有效结合表达相应配体(ICAM-1、LFA-3等)的靶细胞;另一方面,CTL识别表达特异性抗原的靶细胞,TCR的激活信号可增强效-靶细胞表面黏附分子与其相应配体结合的亲和力。这样,在CTL与靶细胞的接触部位形成免疫突触,使活化的CTL分泌的效应分子在局部形成很高的浓度,从而选择性杀伤所接触的靶细胞。

(2)CTL的极化:CTL与抗原特异性的靶细胞接触后形成免疫突触,导致CTL内某些细胞器的极化,如细胞骨架系统(肌动蛋白、微管等)、高尔基复合体及胞质颗粒等均向效-靶细胞接触部位重新排列和分布,从而保证CTL分泌的效应分子有效作用于所接触的靶细胞。

(3)致死性攻击:CTL识别靶细胞活化后,传递致死性攻击给靶细胞,导致靶细胞的凋亡。在清除感染细胞方面,凋亡比坏死更有效,因为细胞坏死可释放病原体,继续感染其他细胞,而凋亡机制不但杀伤被感染的宿主细胞,也直接作用于胞内病原体,在破坏细胞DNA同时能降解病毒DNA。这阻止了病毒粒子的包装以及感染性病毒的释放,最终达到根除感染源的目的。CTL主要通过下列两条途径诱导靶细胞的凋亡。

图7-4 CTL细胞活化和杀伤靶细胞的过程

CTL特异性识别表达抗原的靶细胞,获得活化,胞内细胞器重新定向,释放杀伤性颗粒物质,从而向靶细胞传递致死性攻击信号,最终导致靶细胞凋亡。

1)穿孔素/颗粒酶途径:穿孔素(perforin)是贮存于胞质颗粒中的细胞毒素,与C9补体蛋白同源,其生物学效应类似于补体激活所形成的攻膜复合物(MAC)。穿孔素主要的功能是协助CTL分泌的颗粒酶传递到靶细胞的内部。颗粒酶(granzyme)是一类重要的丝氨酸蛋白酶。CTL脱颗粒,分泌到胞外的颗粒酶通过穿孔素在靶细胞膜所形成的孔道进入靶细胞。一旦进入靶细胞胞质,颗粒酶通过激活凋亡相关的酶系统而介导靶细胞凋亡。

2)Fas/FasL途径:CTL也可通过颗粒酶非依赖的机制杀伤靶细胞,主要由CTL表达膜蛋白Fas配体(FasL)与靶细胞上的死亡受体Fas结合,导致靶细胞的凋亡。

(4)CTL脱离靶细胞:在传递致死性打击之后,CTL脱离靶细胞,通常可能甚至发生在细胞死亡之前。脱离靶细胞的CTL特异性地识别下一个靶细胞,发挥细胞毒杀伤效应。

2.CTL的其他效应功能 除了通过直接接触靶细胞,诱导其凋亡,发挥细胞毒杀伤效应,CTL还可释放多种细胞因子,包括IFN-γ、TNF-α和LT-α,通过多种途径参与免疫防御。例如,CTL分泌IFN-γ可直接抑制病毒复制,诱导感染细胞MHCⅠ类分子高表达,进而增加CTL杀伤病毒感染细胞的机会。

(何 睿)