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第二节 结核分枝杆菌的免疫逃逸
尽管结核分枝杆菌存在众多的免疫性抗原,但病原菌仍然能够突破机体的免疫保护屏障,导致结核病。结核分枝杆菌免疫性抗原存在双面性。一方面能够引起宿主的免疫保护反应,另一方面又影响着病原菌的毒力。在前面叙述结核分枝杆菌免疫性抗原过程中,不难发现存在众多这样的抗原分子,它们与结核分枝杆菌的毒力存在密切的关系。例如,研究较为深入的分泌蛋白ESAT-6和CFP-10,以及胞壁组分LAM、PIM等。结核分枝杆菌的免疫逃避机制是本节阐述的主要内容。
结核分枝杆菌在感染过程中,宿主通过识别病原相关的分子模式(PAMP)来进行早期防御。这一过程主要是由Toll样受体信号传导途径完成的。白介素17(IL-17)是早期的防御细胞因子。宿主的上皮细胞存在天然的防御屏障,有三层防御系统,一是宿主细胞识别抗原,在IL-17、IL-22等细胞因子的协同作用下,促进黏膜上皮细胞排列更加致密,以阻止病原菌的侵入;二是防御素、Lipocalin-蛋白和胰岛再生源蛋白(REG)等能够起到类抗生素的杀菌作用;三是如果黏膜上皮被病原菌突破,则早期的细胞免疫反应释放的一系列信号则促进了中性粒细胞的募集至感染部位,巨噬细胞则也赶来吞噬病原菌。宿主发挥前两层防御反应主要是在T细胞辅助细胞17(Th17)和γδT细胞释放的IL-17细胞因子协助下完成的,之后的一系列免疫反应的发生主要由巨噬细胞和树突状细胞引起的一系列细胞免疫和体液免疫效应。结核分枝杆菌是如何逃避巨噬细胞和树突状细胞的免疫清除作用以及T细胞辅助型细胞分泌的细胞因子是本节的重点内容。
一、结核分枝杆菌在巨噬细胞中的免疫逃逸
巨噬细胞是清除结核分枝杆菌的主要免疫细胞,但同时也是其持留的宿主细胞。结核分枝杆菌逃避巨噬细胞的免疫清除作用主要在于其能够逃避巨噬细胞的免疫监视,对巨噬细胞进行免疫微调理,进而在巨噬细胞内存活下来。
在早期免疫识别过程中,结核分枝杆菌的一些表面分子能够与巨噬细胞表面特殊受体结合,抑制巨噬细胞活化。结核分枝杆菌表面分子异常复杂,之前所述的免疫性抗原分子只是其中的一部分。结核分枝杆菌可以利用某些特殊受体,被内化至巨噬细胞内,这些特殊受体可以帮助结核分枝杆菌在巨噬细胞存活,最终躲避免疫清除的命运。巨噬细胞依赖许多的受体分子参与,如有补体受体(CR)、甘露糖受体、DC-SIGN分子(DC—sepecific ICAM—grabbingnon—integrin)和Fc受体。研究证明,参与巨噬细胞识别内化结核分枝杆菌的膜表面受体种类可能会造成巨噬细胞发挥不同的后续吞噬杀伤作用。例如,经Fc受体介导病原体的内化可以引发巨噬细胞胞内呼吸链的爆发以及炎症反应的发生;而经CR-3受体分子介导的病原体内化过程,则会抑制巨噬细胞的激活,并且该过程的实现还依赖于巨噬细胞表面胆固醇分子的存在。反之,清除巨噬细胞局部的胆固醇分子可以帮助巨噬细胞吞噬结核分枝杆菌病原体。
结核分枝杆菌被内吞进入巨噬细胞后,通过抑制吞噬小体与溶酶体融合来防止被清除。
研究表明吞噬小体的成熟以及吞噬小体与溶酶体的融合需要一些重要蛋白分子的参与,如Hrs(hepatocytegrowth factor—regulated tyrosine kinase substrate)蛋白和EEAl(the early endosomalautoantigen 1)蛋白等。三磷酸磷脂酰肌醇分子(PI3P)为这些蛋白分子的停靠和募集提供了位点。因此,巨噬细胞细胞膜上的PI3P的改变对于吞噬小体的形成具有重要影响。当机体感染结核分枝杆菌以后,结核分枝杆菌可以主动通过抑制PI3P的合成所需要的PI3激酶hVP34(human vacuolar protein 34)活性来抑制PI3P分子的生物合成过程;结核分枝杆菌还可以分泌一种酸性磷酸酶SamP,SamP能够水解吞噬小体表面的PI3P分子。通过上述两种机制来抑制吞噬小体与溶酶体融合,逃避巨噬细胞清除。
巨噬细胞分泌某些宿主样信号分子或者其他小分子化合物干扰宿主信号转导。结核分枝杆菌进入巨噬细胞内部后,最直接的办法是分泌信号分子干扰感染免疫信号通路分子,造成免疫信号的改变,便于其逃避宿主的免疫清除作用。例如,结核分枝杆菌基因组中存在着11个真核样丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶家族,这11个真核样丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶可能参与了结核分枝杆菌调节自身状态以适应不利环境等过程的信号转导。这11个蛋白激酶均是跨膜蛋白分子,胞内有一个蛋白激酶结构域。其中的PknG蛋白激酶对于结核分枝杆菌的存活至关重要。当巨噬细胞感染结核分枝杆菌后,病原体通过分泌真核样PknG蛋白激酶,该激酶继而磷酸化巨噬细胞内的其他效应分子,抑制该分子在帮助吞噬小体与溶酶体的融合过程中所起的作用,最终导致吞噬小体与溶酶体之间无法正常地融合。
另一种结核分枝杆菌逃避巨噬细胞清除的机制是分泌铵根离子来中和环境,促使吞噬溶酶体内的酸度无法降低到pH 5.5。这一过程通过结核分枝杆菌外膜蛋白实现的。结核分枝杆菌在酸性环境下的生存机制是通过摄取环境中的天冬氨酸,然后利用体内的天冬氨酸分解酶将其分解成NH 3来实现。铵根离子可以被立即释放到周围环境中,并将其中和到pH 8左右。如果在酸性环境中不提供天冬氨酸或者删除结核分枝杆菌体内的天冬氨酸分解酶编码基因,结核分枝杆菌将很快在pH 5.5的酸性环境中死亡。
结核分枝杆菌不仅可以分泌具有调节免疫信号通路的分子来干扰宿主免疫清除作用,其还可以利用宿主细胞中的某些分子帮助自身躲避巨噬细胞的免疫清除。研究发现巨噬细胞吞噬结核分枝杆菌以后,仅包含有活性的结核分枝杆菌的吞噬小体中存在某种蛋白质分子,而在胞外以及包含有已经被降解杀死的结核分枝杆菌的吞噬小体中均未发现这种蛋白分子的存在,人们将此种蛋白质分子命名为TACO(tryptophan aspartate containing coat protein)分子,也称为coronin 1分子。当宿主巨噬细胞吞噬结核分枝杆菌以后,coronin 1分子被迅速募集至巨噬细胞内,并引起短时间内大量钙离子涌入胞内,coronin1分子感应到巨噬细胞胞内的钙离子浓度变化以后会继而激活钙调磷酸酶蛋白,钙调磷酸酶分子对于巨噬细胞内吞噬小体与溶酶体之间的融合起着至关重要的作用。
感染部位巨噬细胞的不均一性也可能是结核分枝杆菌产生免疫逃避的机制之一。研究发现与被感染的巨噬细胞相邻的正常巨噬细胞在培养基中对IFN-γ的反应性降低,这证明了被结核分枝杆菌感染的巨噬细胞分泌的IL-6可以抑制正常的巨噬细胞对IFN-γ的反应性。因此,巨噬细胞的不均一性可能是机体的免疫反应和细胞内病原菌感染疾病转归的重要决定因素之一。
二、树突状细胞与结核分枝杆菌的免疫逃逸机制
树突状细胞(DC)是主要的抗原递呈细胞,分为DC1和DC2两个亚类,前者诱导Th0主要分化为Th1细胞,介导细胞免疫应答;后者诱导Th0向Th2细胞分化,介导体液免疫应答和免疫耐受。DC连接固有免疫应答和适应性免疫应答。
DC需要成熟后才能诱导积极的免疫效应。DC不能完全成熟,不仅不能杀灭病原体,反而为病原体提供了潜伏场所,促进了病原体的进一步入侵。研究还发现:结核分枝杆菌感染后可以诱导产生成熟情况不同的DC细胞,并且发现DC的成熟标记分子在结核分枝杆菌感染后的表达水平降低,这些成熟标记分子包括CD14、CD25、CD40、CD80、CD83、CD86以及抗原递呈分子MHCI、MHCII和CD1分子等。另外,DC成熟的另一标志是在刺激物移除后仍能保持成熟表型,但是结核分枝杆菌感染DC后的成熟表型比较弱,而且可逆。受结核分枝杆菌感染的DC所能诱导T细胞产生的免疫效应也非常弱。
DC-SIGN在DC参与结核分枝杆菌的免疫逃避方面起着重要作用。DC-SIGN与结核分枝杆菌细胞壁上含有的甘露糖帽(配体)相结合,经过TLR信号传导途径,干扰DC细胞的成熟信号,从而抑制结核分枝杆菌脂多糖诱导的DC成熟,导致脂多糖诱导的IL-12生成的抑制以及IL-10产量的增加,最终促进结核分枝杆菌表现出较强的毒力。未成熟DC及IL-10产量的增加不仅刺激T细胞反应的能力降低,而且诱导机体形成抗原特异性耐受。
结核分枝杆菌感染DC后能够快速诱导其分泌IL-12,而IL-12一旦快速分泌,IL-10便不能下调活化Th1的能力。但是IL-12只在感染后的短时间内分泌,之后分泌能力逐渐丧失,并且通过多种途径诱导T细胞免疫耐受,如MHCⅡ类分子和共刺激分子的缺失、抑制Th1细胞的分化、诱导调节性T细胞(Treg)的产生等。而Treg通过分泌IL-10、TGF-β或者膜表面表达CTLA-4等直接或间接发挥免疫抑制效应。
三、T细胞辅助型细胞和细胞因子失衡在结核分枝杆菌免疫逃逸中的作用
结核分枝杆菌存在几种相互对立而又统一的免疫平衡对。其中有Th1/Th2细胞和Th17/Treg等。实际上这些T细胞亚类及其分泌的细胞因子是同时存在而又相互制约和影响,达到一种相对平衡的状态。这种免疫平衡一旦被打破,结核病的转归方向将随之发生改变。
1.Th1/Th2细胞
Th1型细胞分泌IL-2、IL-12、IFN-γ、TNF-β等,促进细胞免疫;Th2型细胞分泌如IL-4、IL-5、IL-9、IL-10等,它们大多抑制细胞免疫。二者在体内的动态平衡。正常情况下,当人体感染结核分枝杆菌时,多种细胞可分泌Th1型细胞因子。IFN-γ为单核巨噬细胞的激活剂,并可促使细胞毒T细胞(CTL)和其他效应细胞聚集于病变部位,来消灭结核分枝杆菌,在控制结核分枝杆菌感染中起着重要作用。在感染早期,IFN-γ主要由CD4 +T细胞分泌,后期由于人体在结核分枝杆菌复杂的免疫抑制因子作用下,继发细胞免疫缺陷,CD4 +T淋巴细胞数量减少,功能低下,这时候IFN-γ主要由CD8 +T淋巴细胞来分泌,但产生IFN-γ的量大为减少,结核病就可能得到发展。临床观察发现,结核病患者低下的免疫状况随着治疗中体内结核分枝杆菌量的减少而得到改善,进一步说明结核分枝杆菌具有抑制人体细胞免疫的功能。Th2型细胞因子,主要功能为下调细胞免疫反应,即抑制IFN-γ的产生,正常情况下有双向调节免疫功能的作用,在防止自身免疫性疾病中有着至关重要的作用。但在结核病免疫中却有抑制巨噬细胞产生一氧化氮(NO),对单核巨噬细胞、T细胞、NK细胞产生免疫抑制作用,并刺激B淋巴细胞和肥大细胞,使机体产生超敏体液反应,除可加重结核病变外,还可使机体出现循环免疫复合物(CIC)增多,进一步损伤人体组织器官。
2.Th17/Treg细胞
Th17和Treg细胞均来源于CD4 +T细胞,在机体免疫应答中的作用基本相反,Th17促进免疫应答,而Treg细胞抑制免疫应答,正常情况下两者之间的平衡状态有利于保持机体免疫平衡。研究发现存在具有Th17和Treg两种细胞特点的中间型细胞,这或许是机体实现免疫平衡打破和再平衡的一个有效途径。Treg细胞分泌的IL-10和TGF-β抑制IFN-γ介导的杀结核分枝杆菌作用,有效下调炎症反应,从而有助于结核分枝杆菌生存,同时,Th17细胞分泌IL-17并募集中性粒细胞、单核细胞,是炎症反应和CD4 +T细胞免疫应答的调节者,有助于增强患者免疫功能。结核分枝杆菌感染可能打破两者之间的平衡从而导致疾病进展,抗结核治疗可能恢复二者平衡。
(孙照刚 李传友 谢建平)