自身耐受的打破

在某些内因和外因诱发下,免疫系统可对自身抗原产生免疫应答,即自身免疫耐受状态被打破,发生的自身免疫反应会导致自身免疫性疾病。这种自身免疫耐受状态被打破可通过以下几种机制。

1.中枢耐受不全 正常机体内高度自身反应性T细胞和B细胞通过中枢免疫耐受而引起克隆清除或克隆失能,是维持自身耐受的关键。少数逃避了“克隆清除”的自身反应性T细胞和B细胞,进入外周受自身抗原刺激后,通过活化诱导的细胞死亡(activation-induced cell death,AICD)机制继续被“克隆清除”,维持外周免疫耐受。中枢和外周免疫耐受异常均可导致自身免疫性疾病。如果胸腺或骨髓微环境异常,导致自身反应性T、B细胞阴性选择发生障碍,则会引起自身免疫性疾病。大多外周组织特异性抗原如胰岛素,在胸腺中DC表面表达,因此自身外周组织特异性抗原的免疫耐受可在中枢免疫器官形成。自身免疫调节因子(auto-immune regulator,AIRE)这一转录因子可调控外周组织特异性抗原的表达,因此AIRE基因突变或缺失可引起外周组织特异性抗原不在胸腺中表达,导致自身反应性T细胞逃避阴性选择而进入外周,引起自身免疫性多腺体综合征1(autoimmune polyglandular syndronme type1,APS-1),导致甲状腺、胰腺等多个内分泌组织出现病理性改变。

2.免疫调节紊乱 调节性T细胞(regulatory T cell,Treg)可通过细胞间直接接触或分泌IL-10和TGF-β等细胞因子抑制免疫反应,在维持外周免疫耐受中发挥重要作用。Treg异常与许多自身免疫性疾病的发生相关。Treg功能缺陷小鼠易发生1型糖尿病、甲状腺炎和胃炎等自身免疫性疾病,将正常小鼠的Treg过继转输给缺陷小鼠可抑制其自身免疫性疾病的发生。Treg的转录因子Foxp3基因敲除,则小鼠的Treg异常,易导致自身免疫性疾病。此外,AIRE基因缺陷也抑制天然调节T细胞(natural Treg,nTreg)在胸腺的发育,可破坏外周免疫耐受。

3.淋巴细胞多克隆激活 非特异性免疫激活剂如某些病原微生物成分、超抗原或药物等可多克隆激活自身反应性T、B细胞,导致自身免疫性疾病的发生。如某些细菌或病毒的超抗原能非特异性使T细胞多克隆激活;某些药物如细胞因子IL-2是T细胞生长因子,长期使用IL-2作为药物治疗的肿瘤患者体内出现T细胞的多克隆激活并介导自身免疫反应。革兰阴性菌的LPS及多种病毒如EB病毒、HIV、巨细胞病毒等均是B细胞的多克隆刺激剂。EB病毒感染可刺激免疫系统产生多种自身抗体如抗T细胞抗体、抗B细胞抗体、抗核抗体和类风湿因子;HIV感染可导致AIDS患者体内出现高水平的抗红细胞抗体和抗血小板抗体等自身抗体。

4.淋巴细胞凋亡障碍 凋亡诱导基因缺陷或凋亡抑制基因表达水平增加等均可使细胞凋亡障碍,导致自身反应性淋巴细胞克隆清除障碍,引起自身免疫反应或出现自身免疫性疾病。正常情况下,效应淋巴细胞在行使功能后,大部分通过AICD机制被清除,另外机体也可通过AICD机制清除可能由于交叉反应而产生的自身反应性淋巴细胞克隆,从而维持自身免疫耐受。如活化的T细胞高表达Fas,与多种细胞表达的FasL结合,启动凋亡信号诱导活化的T细胞凋亡。在Fas基因突变的小鼠中,出现Fas蛋白胞质区无凋亡信号转导功能,故不能诱导活化的细胞凋亡,从而出现大量T细胞增殖和自身抗体产生,可发生临床表现与系统性红斑狼疮(systemic lupus erythematosus,SLE)相似的系统性自身免疫综合征(systemic autoimmunity syndrome)。此外,凋亡抑制基因表达水平增加也可诱导自身免疫反应,如将Bcl-2这一凋亡抑制基因导入小鼠的Ig启动子下游制备的转基因小鼠体内,出现B细胞过度增殖,产生高效价的抗核抗体等自身抗体,伴有免疫复合物肾脏沉积,引起肾炎症状表现。

5.免疫忽视打破 大多数循环淋巴细胞对低亲和力抗原或低水平抗原不发生免疫应答的现象称为免疫忽视(immunological ignorance)。在胚胎发育过程中,相应的淋巴细胞克隆由于免疫忽视,未被及时清除从而进入外周免疫系统,成为潜在的对自身抗原反应的淋巴细胞克隆。如果在感染等情况下,DC被激活并表达高水平的共刺激分子或促炎细胞因子,则可呈递被免疫忽视的自身抗原,进而激活自身反应性T细胞克隆,引起自身免疫性疾病。

某些情况下,当自身抗原被TLR所识别时,处于免疫忽视状态的淋巴细胞也可以被激活。例如,TLR-9可以识别低甲基化CpG DNA。低甲基化CpG DNA在细菌中较常见,而在真核生物细胞不多见。真核生物细胞凋亡后,DNA的甲基化水平显著降低。当细胞凋亡过度而自身清除能力不足时,凋亡细胞来源的自身低甲基化CpG DNA被B细胞识别并内化。内化的DNA被TLR-9识别后激活共刺激信号,与BCR识别抗原介导的信号共同激活处于免疫忽视状态下的自身反应性B细胞,产生抗自身DNA的抗体,进而引发自身免疫性疾病。

处于免疫忽视状态的淋巴细胞能被激活的另外一个机制是自身抗原的释放。一些自身抗原处于细胞内,并不与淋巴细胞接触。在某种情况下(如炎症、组织坏死等),这些自身抗原可被释放出来,激活自身反应性淋巴细胞,导致自身免疫性疾病的发生。例如,心肌梗死数天后,体内抗自身心肌成分抗体的产生与心肌抗原的释放有密切关系。这种自身免疫应答持续时间较短,在自身抗原被清除后就会消失。但机体清除能力不足或者基因缺陷时,释放的自身抗原持续存在则会引起临床的自身免疫性疾病。

6.免疫豁免部位的抗原成为被攻击的靶抗原 组织移植物在机体的某些部位不会引起排斥免疫反应,例如脑和眼前房等,因此被称为免疫豁免部位。最初认为由于抗原不能离开免疫豁免部位,不会引起免疫反应而导致免疫豁免。最近研究表明,这些抗原可以离开免疫豁免部位并与T细胞接触,由于生理屏障使豁免部位的细胞不进入淋巴循环而免疫效应细胞也不能进入这些隔离部位、抗原与豁免部位分泌的TGF-β等共同诱导调节性T细胞的生成、豁免组织表达Fas配体通过Fas途径诱导表达Fas的淋巴细胞发生凋亡等原因,抗原一般不会引起病理性的免疫反应,但是针对免疫豁免部位自身抗原的淋巴细胞仍然存在。当豁免组织发生外伤或感染时,活化的效应性T细胞可以进入豁免部位,这些自身抗原就成为自身免疫应答攻击的靶点。自身抗原的识别、大量促炎细胞因子的产生和周围组织屏障的破坏进而引起效应T细胞在该部位聚集,导致自身免疫反应。例如,交感性眼炎的发病是因为当外伤等因素引起一只眼破裂后,导致隔离的眼内蛋白抗原进入血液和淋巴液,刺激免疫系统产生效应性T细胞,引起针对创伤眼和另外一只未受伤眼蛋白的自身免疫应答,患者双眼都会遭受免疫损伤(图12-1)。为了保护未受伤眼,患者需要接受免疫抑制治疗或者摘除受伤眼。因此,一般情况下虽然隔离部位抗原自身不引起免疫反应,但可以作为其他部位免疫反应的攻击靶标。

图12-1 自身免疫性交感性眼炎的发病机制

A.一只眼的创伤导致隔离的眼内蛋白抗原释放;B.释放的眼内抗原被带至淋巴结并激活T细胞;C.效应性T细胞经血液循环返回至双侧眼睛并遭遇抗原

事实上,处于豁免部位的抗原常成为自身免疫应答攻击的靶抗原。例如,多发性硬化症(multiple sclerosis,MS)是一种慢性炎症性中枢神经脱髓鞘的自身免疫性疾病,该病攻击的自身靶抗原是脑脊液髓鞘碱性蛋白,显然正常人体对该抗原呈免疫耐受并不是因为针对该抗原的自身反应性T细胞克隆被清除。在MS的小鼠模型即实验性自身免疫性脑脊髓炎(experimental autoimmune encephalomyelitis,EAE)中,直接注射脑脊液髓鞘碱性蛋白,可以引起抗原特异性Th17和Th1细胞进入脑组织并引起局部炎症反应损伤神经组织,导致小鼠出现多发性硬化样症状。

7.表位扩展促进慢性自身免疫性疾病的形成 正常机体的免疫应答能够通过病原体的快速清除下调免疫反应的强度。然而,在自身免疫应答过程中,由于自身抗原清除障碍,持续存在的自身抗原能够引起慢性炎症,而慢性炎症又造成更多自身抗原的释放,最终打破自身耐受状态。此外,慢性炎症的产生还能够招募巨噬细胞、中性粒细胞等效应细胞,加重组织损伤和自身抗原的释放。在自身抗原介导的免疫反应向慢性状态演变的过程中,针对新表位的自身免疫反应也会随之出现,这种现象称为表位扩展(epitope spreading)。表位扩展在自身免疫性疾病的发生与发展中发挥着重要作用。作为一种专职抗原呈递细胞,B细胞能够通过抗原受体介导同源抗原的内化,将相应的抗原表位呈递给T细胞。在此过程中,一些新的隐蔽抗原也会暴露出来。自身反应性T细胞对这些新表位产生免疫应答,进一步促进表位扩展,从而引起自身反应性B细胞克隆的形成和自身抗体的大量产生。此外,通过BCR介导抗原的识别与吞噬,B细胞还可内化靶抗原相连的分子,从而呈递一些与靶抗原完全不同的表位。

SLE患者体内自身抗体的应答启动了表位扩展(图12-2)。DNA与核小体的组蛋白是染色质的重要组分,两者形成复合物共同存在于细胞核中。在SLE疾病中,患者体内常产生抗DNA和组蛋白的自身抗体,或者抗其他自身核抗原的抗体。可能的机制是:不同的自身反应性B细胞克隆可能被核小体中某一蛋白特异的单一克隆的自身反应性T细胞激活。B细胞通过BCR与核小体任何组分结合后可以内化该复合物,加工处理后呈递组蛋白抗原肽-MHCⅡ类分子复合物至细胞表面,并激活组蛋白特异性T细胞,活化的T细胞反过来辅助B细胞活化。因此,核小体中组蛋白特异T细胞既可以激活组蛋白特异B细胞克隆(图12-2A),也可以激活双链DNA特异B细胞克隆(图12-2B)。例如,在介导DNA内化的过程中,自身反应性B细胞将整个复合物吞入细胞内并加工处理,然后将组蛋白来源的抗原肽-MHCⅡ类分子复合物呈递到B细胞表面供组蛋白特异性Th细胞识别并活化Th细胞,活化的Th细胞反过来辅助B细胞活化。核小体组蛋白特异性Th细胞既可以活化组蛋白特异性B细胞克隆,也可以活化双链DNA特异性B细胞克隆,引起抗组蛋白和抗双链DNA两种自身抗体的产生。B细胞以上述方式呈递多种核小体来源的其他抗原肽-MHC分子复合物给相应抗原肽特异性T细胞,因此可以产生抗相应抗原肽的自身抗体,从而促进自身免疫应答和SLE疾病的发展。

图12-2 SLE疾病中的表位扩展

A.B细胞通过BCR与核小体中组蛋白H1结合后可以内化该核小体,加工处理后呈递组蛋白H1抗原肽-MHCⅡ类分子复合物至细胞表面,并激活组蛋白H1特异性T细胞。活化的T细胞反过来辅助组蛋白H1特异性B细胞克隆活化,产生抗组蛋白H1的抗体。B.B细胞通过BCR与核小体中DNA结合后可以内化该核小体,加工处理后呈递组蛋白H1抗原肽-MHCⅡ类分子复合物至细胞表面,并激活组蛋白H1特异性T细胞。活化的T细胞反过来辅助DNA特异性B细胞克隆活化,产生抗DNA的抗体

寻常型天疱疮是一种以皮肤黏膜的严重水疱病变为主要表现的自身免疫性疾病,疾病的进展与表位扩展紧密相关。该疾病由抗自身抗原桥粒芯蛋白(desmoglein,Dsg)的抗体所介导。桥粒芯蛋白是一种出现在细胞连接处(桥粒)的钙黏蛋白,负责将表皮细胞连接在一起。自身抗体与桥粒芯蛋白的细胞外结构域结合,引起表皮细胞连接处分离和靶组织降解,进而引起皮肤受损。口腔黏膜和生殖器黏膜是寻常型天疱疮较早出现病损的部位,此后皮肤黏膜成为自身抗体攻击的又一个靶点。在黏膜损伤阶段,起初自身抗体只攻击桥粒芯蛋白Dsg-3,然而这些自身抗体并不引起皮肤水疱。随着表位扩展的进行,机体内又出现针对桥粒芯蛋白Dsg-1的自身抗体,从而引起黏膜水疱的形成。此外,Dsg-1还是落叶型天疱疮患者体内的一种自身抗原。然而,在落叶型天疱疮中,早期抗Dsg-1抗体的形成不会引起组织损伤,只有在抗表皮细胞粘连相关蛋白的自身抗体出现后,落叶型天疱疮患者才会出现相应的临床症状。