ⅰ型食物过敏反应的机制

型食物过敏反应的机制 - - QINHUA2008 摘要人体最大的免疫组织是胃肠道,它有三个特殊的功能.屏障和抵御体内潜在病原体的 防御功能;对各种无害因素 产生免疫忽视或耐受作用; 消化和摄取营养物质。最近研究表明: 食物蛋白的结构特征似乎为诱导速发型免疫反应提供了前提条件. 过敏原分子晶体结构分析为研究表位提供了基础，它是用肽段或模拟位以三维立体式出现的.已 鉴定出IgE结构都是构象表位,它负责与特定IgE分子发生高亲和力相互作用,而且大量研究表明 过敏原及其中的食物过敏原,优先以二聚体.三聚体多聚体的形式存在, 因此导致表位的重复出现.由于B 淋巴细胞是模式识别机,它的 这种特性对记忆应答十分重要.但 也可能在首次接触过敏原和启动IgE使之发生应答中起关键作用.在这里我们论述消化道的几个 重要侯选细胞,它们都具有识别构象及分子模式,但也涉及偏向Th2型免疫应答动物模型对理解 食物过敏反应的机理提供基本素材,同时也为确定新型疫苗研制发挥越来越重要作用.因此分析 可得到的动物模型是关键的。 引言尽管在古希腊及罗马文学时期就记载有食物不良反应的认识,但直到19世纪伊始临床 医生才开始定义它并探索其潜在机制.1902年Portier和Richet在动物实验中发现并描述了过敏反 应,由于他们观察到在动物身上发生同病人相似的反应.于是第二年在报告中提出了食物过敏反 应的多种症状.1921年，Heinz Kstner无意中发现对鱼产生 过敏，于是和 Carl Prausnitz一起做了 简单但惊人的被动过敏试验: Prausnitz在摄入 鱼后将Kstner对鱼过敏的血清注入自己前臂皮内 ,结果注射局部很快出现皮肤反 应。 这是他们对转移的体液因素提供的第一个 证据.对后来的 过敏症发现意义重大，也是 coca和G rove 在3 年后提出了“反应素“的概念.这就是以两位研究者命名的P- K试验,随后得到其他实验员广泛 应用，他们对食物过敏第一次做了吸收试验.研究经历几十年， 而直到反应素出现在过敏个体的血清中才被鉴定为新的免疫球蛋白并于1969年命名为IgE，这对 过敏反应研究是划时代的里程碑。 1.1食物不良反应 是指食物不良反应是指摄入食物后观察到的任何不良反应。因为在一般人群中发生食物过 敏反应的高频性或由于描述疾病术语的多样性.于是欧洲过敏和临床免疫协会基于潜在机制提 出一套标准命名法,食物不良反应首次被划分为毒性和无毒性反应,.该反应是由于毒性成分在食 品中天然存在抑或作为污染物出现，如果所 给的剂量毒素足 够高，那么任何人都可 发生反应,。 无毒反应依靠个人的敏感性而定，它 还基于IgE. 和非IgE介导的免疫机制(变态反应或超敏反应) 或非免疫机制(不耐受)之上.关于免疫介导的反应，最适合研究的是以IgE介导的型食物过敏反 应.食物不发生耐受最常见的是发生在不良反应,另外还取决病人的代谢特性（如不耐乳症是由于 原发或继发的乳糖酶缺乏）,摄入食物的药理学特性,食物非特异性释放组胺的特性, 而未定义的非耐受是由于特异质反应引起的 1.2.食物过敏的发病率在25%左右的美国家庭中至少有一个家庭成员发生食物不良反应，于 是他们改变了每天的饮食习惯.因而，在西方国家由混合 饮 食物引起的超敏反应备受关注。即使 过敏症很少被确诊，认为那主要是儿科的 问题或同遗传倾 向有关一般认为三岁以下的孩子有6 %- 8%出现过 敏反应。牛奶,鸡蛋和花生是主要的触发物。然而,最近的研究表明这种过敏反应的发 生率仍在上升.在对英国怀特岛上孩子进行队列研究发现致敏发生率在5年内增长了三倍.食物过 敏在成人流行病学调查中报道很少，而且不良反 应的发病率更是罕 见。研究欧美国家的人群 发 现：1%- 2%成人 发病是由于花生，树仁.海鲜和花粉等相关食物引起的。然而,基于最近的流行病学数据, 这些数字需作校正,估计4%的人群 发生IgE介导的食物过敏反 应 2食物蛋白和胃肠粘膜的相互作用至今关于 过敏原免疫学机制和致敏 场所仍未弄清.已知 胃肠道有400平方米的表面积是人体最大的免疫器官,同时也是接触病原体和可溶性外源抗原的 最大的场所,。除了食管潜伏着 鳞状上皮外,单层上皮在整个消化系 统代表最外层防御屏障.营养 物质的消化和吸收在胃肠道黏膜表面被进一步消化。因此, 维持精细内环境稳定依靠以下两种情况.一是机体的一线防御系统（包括免疫反应）,二是对无害 物或营养混合物诱导其耐受或不应答，而正是内 环境稳定确保机体行使一切功能 .有人认为食物 抗原与免疫细胞接触发生效应有几条途径,关键在于口服抗原如何递呈给T,B细胞及递呈的部位, 从而进一步确定结果是经口耐受还是致敏引起免疫应答。2.1食物混合物在肠黏膜区相互作用 很清楚,食物蛋白接触的第一个黏膜区即是口腔.在某种情况下这代表抗原摄取的第一步.药物经 口腔黏膜迅速有效的吸收,长期以来广为人们所接受。最近报道完整花生蛋白通过病人口腔黏膜 被有效吸收可能影响免疫应答,发新舌下给药为治疗型食物过敏开辟新路径。然而,口腔因受 免疫系统防护而成为黏膜相关淋巴组织的一部分,它能使食物抗原首先接触免疫活性细胞.食物 蛋白随着人的吞咽迅速经由食管到达胃,但是关于食物蛋白如何与食管和胃黏膜发生作用，我们 了解甚少.不过，据认为食物变应 原在过敏嗜酸性食管炎(在儿童和成人患者可观察到)的发病机 制中起主要作用,即使该病的机制至今仍不清,但嗜酸性细胞可能通过表面FcRI与IgE结合发挥 作用.然而, 变态试验常不能决定是否是食物引起的,食物蛋白似乎仍参与黏膜炎发生且摄入的水解产物会 导致炎性组织的分解.尽管胃成为蛋白质消化的第一道门户,但很少有资料报道食物蛋白与胃黏 膜相互作用.20世纪80年代后期,对由抗原激发IgE介导的胃粘膜免疫应答进行调查，显示胃作为 特异抗体应答的靶器管只发生于致敏的动物身上。而且就在几年后，报道整个食物蛋白通过胃 粘膜发生穿孔并在胃活检时发现食物特异性IgE，于是猜测此抗体可能参与胃溃疡发病机制。嗜 酸性食管炎也与其类似,在增加计数时发现嗜酸性细胞.提示胃粘膜直接参与食物介导的炎症反 应。2.2.食物蛋白与小肠粘膜的相互作用胃蛋白消化主要通过胃蛋白酶和胃酸来实现的,降解后 的肽段和游离氨基酸进入十二指肠.然后引起十二指肠和空肠上皮细胞分泌缩胆囊素,后者又刺 激胰腺腺泡细胞分泌胰蛋白酶原和胰酶. 胰蛋白酶, 糜蛋白酶和羧基肽酶原把肽水解成氨基酸和寡肽. 在十二指肠刷状缘，肽酶被消化成寡 肽.然后沿着肠上皮细 胞内腔通过钠依赖的协同转运蛋白被 吸收.尽管整个小肠都参与了吸收过程,但50%左右的蛋白质还是发生在十二指肠段。长度在8个 氨基酸以下的寡肽对抗原识别和提呈不发生应答,故导致免疫忽略.然而,蛋白质也可能逃避或抑 制免于被消化而以完整形式通过肠腔.新生儿由于消化酶活性未完全活化等到4岁时分泌型IgA 系统才成熟.所以未经消化的蛋白很容易通过小肠引起已接触抗原的免疫应答.支持此假说的依 据是：在出生前3个月的婴儿对普通食物抗原存在循环抗体.然而,也可以通过成人消化道摄取2% 的食物蛋白质以完整形式被吸收.这些蛋白质抗原借助转吞作用通过肠细胞或借助M细胞摄取. 另一方面是蛋白质可以通过上皮层向组织旁扩散.另外引起炎症的致炎因子大量产生时,它们也 确实增加其通透性,例如乳糜泻和肠炎.在这些情况下,大量食物蛋白到达粘膜相关淋巴组织, 常诱导产生IgG形成免疫复合物 .因而食物不良反应的结果可能是免疫介 导的而不是只由IgE介 导的3食物过敏原的结构特性人们在每天的饮食时可以发现多种多样的营养素,然而没有几个蛋 白质可以解释大多数过敏反应.因此，用蛋白 质特性来说明 变应原性的问题仍需进一步研究。然 而,多项研究都致力于用已证实的食物潜在的过敏来证明分子机制的相似性.第一步,引起过敏反 应的食物蛋白是基于它们原发致敏作用进行分类的.完整的过敏原取决致敏的潜在性和过敏反 应的特性,而不完整的过敏原也被称为非致敏的“导火线“, 它 仅在同完整过敏原发生交叉反应敏 化后发生.明显的例子是食物蛋白与主要白桦花粉变应原Bet v 1的结构存在相似性，揭示在初次吸入花粉致敏后才出现临 床症状.然而,报道以上提到的食物发 生过敏症却可与花粉无关.食物蛋白是以变应原是否完整来划分，而这种划分与食物过敏原防止 在胃内被降解息息相关.排除蛋白以完整形式经过胃而不被降解的情形,而致敏活化直接经过口 服过敏原.因而, 有人甚至提出新一种混合食物，它是用模拟胃液试验检测 并评价过敏原的潜在作用.但据反复证 明：已知临床上潜伏着直接致敏作用变应原（如来自水果，蔬菜,海鲜,牛奶,鸡蛋,大豆,花生等）分 析发现它们并不具有抵抗性.因此,这些资料表明需要对安全鉴定实验草案进行修改.另外,讨论食 物基质和成分对研究变应原性也很重要。 过敏性食物似乎比非 过敏性食物有更高的蛋白质含量 和脂质浓度,而存在于食物中相关蛋白的过敏原含量较高. 虾,便是一个很好的例子,它20%的总蛋白包括Pen a 1(一种主要的虾变应原)。在蛋清 ,牛奶,大豆,花生,芥菜.土豆等 变应原表现有高蛋白质含量.但鱼 的主要变应原-细小白蛋白却是个例外 ,即便在鱼类它只占整个肌蛋白的0.22%- 0.44%，有90% 以上的 鱼过敏患者了解。因此对蛋白质变应原的特性仍需进一步研究,可能要 对IgE结合蛋白结构作进一步分析,因为这样做可能找到答案，并可区分变应原和非变应原蛋白 的一般基序.最近提出一种以排序为基础的规则系统，它可预测蛋白质变应原的结构.由于序列 对结构来说是一个前提条件,因此这些基序也能决定变应原的三维表位基序.3.1线性和构象决定 簇(表位) 的比较研究使用不同的科学方法对过敏原表位的分析，人们对此已做出很大的努力。早 在1976年已完成对主要鱼变应原细小微蛋白IgE结合位点的首次研究. 经胰蛋白酶的水解后产生谷氨酸脱羧酶C1的线性肽段估计是因为IgE结合潜在性,假定多种变应 原决定簇的出现是由于IgE结合区之间的氨基酸有高度同源性.然而,从病人的血清用纯化的细小 微蛋白特异性IgE筛选出约束噬菌体陈列库,接着推导蛋白质表面的序列并进行计算机匹配,揭示 出鱼主要变应原存在构象表位，此 发现同以前已定的表位有重叠 .而重叠合成肽的产生为研究Ig E亲和力提供便利的方法,此方法适用于鉴别变应原表位,它在食物变应原宽广的光谱上还可辨别 大部分IgE结合区.如虾变应原的原肌凝蛋白,蛋清的卵清蛋白,花生变应原或者樱桃变应原.以前 用于鉴定表位的肽段被标在检测仪上，然后 进一步被用在微点 阵免疫分析用以诊断牛奶和花生 过敏病人.特别对牛奶过敏原， 这些检测似乎有特异性的关 联.病人的结局与他们的结合模式相 关，要么肽段代表线性决定基要么完整牛奶蛋白代表构象决定基.只有持续接触牛奶的过敏患者 结合线性肽的IgE水平高于那些脱敏的病人.这意味着在疾病开始,构象是很重要的,而免疫应答 随后也扩大到微量蛋白单位.反过来看,消化的肽段并没有致敏性能甚至潜伏着耐受原性，而 结 构基序又和致敏诱导IgE产生强相关。如由于药理作用抑制胃消化,说明表位的持续存在对过敏 诱导来说是一个危险因素.完整蛋白在经肠给药时发现蛋白具有表位保守结构，这甚至废除了以 前已确立的口服耐受.3.2.表位模式与IgE亲和力人们已经认识到T细胞和B细胞的分化对食物抗 原介导免疫应答是至关重要的，而 T细胞通过其受体和多肽相互作用受MHC限制，分子的形状 对B细胞的识别和抗体的形成也起着很关 键的作用,建立在晶体衍射基础上讨论所有的蛋白表位 是天然构想分子,这也与抗体结合亲和力有关.最近对人特异IgE的亲和力作研究，与1000倍的特 异IgG较 低的亲 和力相比发现 IgE的亲和力在10?10 M10?11M 的显著范围。除了这些IgE 高亲和力结合完整表位外,其它的似乎还需要抗原抗体相互作用及由 此引发的过敏反应。在过敏效 应相亲细胞IgE 交联代表一个重要特征,它能触发肥大细胞和嗜碱 性细胞释放介质,这已达成共识。然而人 们很少认识到：同 样交联过程发生于致敏相，在 这里BCR 的交联可引发信号传导。.这清楚地 说明表位重复出现的重要性 ,如一些过敏原小分子以二聚体. 三聚体.和多聚体的结构重复.,可有兴趣的是如今已鉴定出的一些食物蛋白竟和多聚体的结构相 似.4.细胞主要成员在口服免疫耐受或食物过敏反应的作用对食物蛋白质的免疫应答要么导致经 口耐受,要么引起食物过敏反应,这取决于大量的免疫活性细胞的相互通信,而那些细胞恰恰成为 集中研究的对象。.如上所述,结 构完整的食物蛋白可能以增加其通透性或借助 M细胞通过肠粘膜 ，此后到达专职抗原提呈细胞表面，按此路径，完整的构象抗原可能经过抗原加工直接刺激聚集 在M细胞周围的B细胞，促使免疫球蛋白的合成，而以胞吞作用进入肠粘膜上皮的食物抗原在细 胞内加工然后以MHC- II类分子的形式呈递到细胞表面供识别.在第一种情况有协 同刺激分子参与借助于专职抗原提呈 细胞可能导致免疫应答,而在细胞内没有它可能在对抗食物蛋白质免疫耐受的维持起着重要的 因素.另外,其余几种下调机制对保持耐受起关键作用。 对无害食物来 讲经口耐受基本上归功于T 细胞无能 克隆排除和活化细胞因子的抑制.通过产生免疫调节因子,调节T细胞对维持Th1/Th2的平衡起重 要作用。4.1微褶皱细胞M细胞存在于 滤泡相关上皮覆盖着派氏集合淋巴 结区,因此,对肠道免疫 起防御作用,这些细胞方便了复杂抗原主要是颗粒的运输,后直接到达免疫诱导部位。在这里它 们再递呈给专职抗原提呈细胞(APC),然后经过加工再提呈给派氏集合淋巴结自身或肠系膜淋巴 结的T细胞天然抗原也会与B细胞的膜免疫球蛋白相接触。因B细胞在丰富的淋巴滤泡区继而产 生大量抗体。M细胞可能为食物 过敏原提供了有利通道,但 还不能决定它在摄取可溶性抗原方面 能否发挥作用.而且以M细胞为靶向作用发生的免疫应答常偏向于Th1型应答，,文献已经记载一 些细菌通过M细胞（像Salmonella的）进入人体.而且,用植物血凝素微粒子对M细胞进行靶向过敏 ，发现能把正发生的Th2应答转向Th1。.因此,今天我们要对参与抗原摄取的场所作一番评论。 .4. 2肠细胞一些研究表明肠上皮细胞本身可能造成经口耐受或引发食物过敏反应,已证明肠上皮细 胞可在其表面表达MHC- II类抗原,因此可作为有效的抗原提呈细胞发挥作用.而且肠 上皮细胞也能摄取,加工.提呈抗原给 MHC相关调节T细胞.然而,.对食物致敏的个体可以想象一下肠上皮细胞的其它功能, 我们观察到IgE过敏原复合物迅速通过上皮组织依赖IL-4由 CD- 23支持的肠细胞被转运，然后提呈 给粘膜肥大细胞,这个路径似乎保 护了过敏原在转吞作用中避 免被降解,另一方面,可能作为“穿梭的列车“ 来回转运 IgE。4.3.抗原提呈 细胞专职抗原提呈细胞如活化的树突细胞巨噬细胞及B细胞都表达协同刺激 分子,因此他们不仅能投入工作状态而且还能激活T细胞,另一方面, 专职抗原提呈细胞如果没有协同刺激参与（如幼稚的B细胞,静止的树状突细胞和MHC II表达组织细胞）将诱导耐受( 它是由于抑制T细胞效应物及.辅助功能所介导的),更确切的讲是导 致无能或者外周耐受。除了直接作用T 细胞外,可以想象另一些专职抗原提呈细胞也可能参与了 食物蛋白的免疫应答。如巨噬 细胞.树突细胞,上皮细胞和肥大 细胞亦表达模式识别受体.即所谓 的TOLL 样受体 .由于变应原表位重复出现,因此TOLL 样受体可能参与识别过敏原和诱导信号级 联反应,结果导致多种细胞因子如IL-9或IL-13的产生。人 类肥大细胞已证明这一点。另外 ,IL- 13对IgE的转换有清楚的了解, IL-9可能以IL- 4依赖形式促进Th细胞的增长,借以维持IgE的特异应答。 4.4- T细胞在敲除小鼠实验中做了很多研究，表明- T细胞可能在经口耐受中起重要作用,从动物中分离出- T细胞然后注射到未经治疗的小鼠体内从而获得免疫耐受转移.另一方面-T细胞是Th- 2型细胞因子IL-13得以支持IgE产生和 诱发过敏反应的重要来源，生理情况下V1表达- T细胞组成肠细胞上皮内50%T淋巴细胞。.患有过敏而未治疗的儿童与食物过敏节食的病人比较 ：显示小肠 黏膜上皮内-T细胞表达密度明显增加.而有意思的是, - T细胞通过TCR1识别完整蛋白不受 MHC限制，因此 这些细 胞识别构象表位，似乎是典型的食物 过敏原的特性,可能造成TH2型粘膜免疫 应答.4.5 肥大细胞今天已充分认识到肥大细胞在肠发病机制有免疫调节和宿主防御功能,在胃肠道黏膜 层(消化道2%- 3%的固有层内含肥大细胞)和黏膜下层存在这些细胞,肥大 细胞在组织炎症中发挥作用已得到公 认.IL- 4在干细胞因子存在下调节肥大细胞的功能.并诱导提高肥大细胞的存活及增殖,及增加IgE依赖 的介质释放.然后IgE通过它结合高亲和力受体产生交联于是大量预合成的和新合成的介质及 蛋白水解酶都释放到邻近组织，并在引起 过敏炎症和调节 胃肠道方面发挥作用.另外还观察到血 管的通透性增加,黏膜水肿,平滑肌收缩,屏障的完整性减弱等病理现象,这将造成抗原诱导的上皮 细胞通透性增加,使肥大细胞活化产生Th-2型细胞因子(像 IL-3.IL-5.IL- 13)引起中性粒细胞和其它炎性 细胞聚集,.而且非IgE依赖型肥大 细胞活化如神经递质,细菌毒素, 补体系统的裂解成分等可使组织发生炎症.综上,肥大细胞处理TOLL样受体,让它们作为模式识 别者更有意义4.6 嗜酸性细胞嗜酸性细胞聚集在外周血和组织中,它在过敏反应中表现出不同的特征.人们发现引 起食物过敏的严重性与胃肠道嗜酸性细胞的数量及活化直接有关,象APC一样嗜酸性细胞能促 进Th-2细胞扩大炎性组织范围,直接放大了Th- 2型的效应.正常状态下这些细胞分布在胃肠黏膜固有层,然而在过敏患者中黏膜的分层被打乱( 即上皮内层固有层和粘膜下层),数量.形态学和嗜酸性细胞的功能变化.因为它们很容易通过结合 IgE受体刺激而活化.因此推测嗜酸性细胞可能在皮肤和黏膜层通过特殊受体结合IgE与变应原接 触引起速发过敏反应已表明嗜酸细胞活化趋化因子和IL- 5是主要的趋化因子，它们负责 活化和招募嗜酸细胞,IL- 5在骨髓中促进嗜酸细胞分化和增殖而且在调节嗜酸细胞招募入炎症组织方面起核心作用,作为 有效的化学趋化剂, 嗜酸细胞活化趋化因子负责选择在炎症部位聚集的嗜酸细胞两个细胞因子都可以解释嗜酸细 胞炎症.。小鼠口服以肠衣包裹胶囊的食物 过敏原,受到激发 后在小鼠提取物发现抗原特异性分 泌物IgA 和IgG1增加,局部和外周嗜酸 细胞减少,胃肠功能发 生紊乱。相 对而言, 小鼠在 嗜酸细胞活化趋化因子和IL- 5都缺乏时，在效应阶段过敏反 应的活化将大大减弱。 .实验 中由于微粒用胶囊包裹,变应原以完 整的天然构象递呈给小肠粘膜细胞,相应地,在免疫法实验草案里抗原通过抑酸治疗被完好的保 存,结果导致过敏小鼠在胃黏膜发生嗜酸细胞浸润5食物过敏反应的动物模型实验动物模型为研 究疾病内在的病生机制提供重要工具,特别是在靶器官得不到的情况下。如胃 肠道食物过敏模型 是不能被替代的,以上做的试验很大程度上都依赖于动物。对于致敏研究涉及以下几个参数,如 过敏原浓度,食物基质,接触过敏原的途径和持续时间,佐剂的使用和动物的年龄等。而且,动物的 选择对试验结果影响很大,正如在遗传学上遗传缺陷时所表现出的IgE应答性。过去的几年里人 们都致力于研究实验动物模型,不仅仅是为了研究疾病的发病机制,还为了检测新过敏原.如遗传 学上改良的食物混合物5.1狗和猪为食物过敏提供模型在非啮鼠动物身上模拟食物过敏模型是 相当有利的.因为其解剖和生理免疫都同病人相似,而且样本获取量大,介入方面像内窥镜的分析 更容易实现, 已证明狗和猪是最适宜的模型.食物过敏原的发病率和临床症状(像在狗身上发生的胃肠道和皮 肤反应)可以同人相比.通过激 发试验,蛋白,大豆,鸡肉.牛奶.谷物.小麦被确定为触发物.将已混有 氢氧化铝的食物变应原皮下注射于过敏特应症的狗体内，可发育成表达高IgE水平的近亲交配狗 ,它将产生IgE高滴度,，阳性皮肤和粘膜试验.也可进一步通过胃镜下食物激发免疫反应来评价.因 此这为隐藏的食物变应原,监测生物工程的食品物,模拟人类疾病提供一个很好的假说.猪的胃肠 生理学和粘膜免疫与人相似,小猪也有同人类婴儿相似的解剖结构和营养需求(消化道对食物蛋 白表现出的短暂渗透性),还有相似的消化 酶分布和成熟.用新生猪作模型,用花生提取液和霍乱毒 素亚单位B（CTB ）作为佐剂连续 3天向新生小猪腹腔内注射使之致敏,追加剂量后,结果猪出现口 腔激发的阳性反应和被动皮内过敏阳性反应提示IgE的参与。而且,肠粘膜的损害类似于人类.然 而,口服不加佐剂的抗原将优于模拟人类天然致敏的途径.因此，对荷兰猪反复口饲，可能 发生致 敏,这可作为评价牛奶蛋白的潜在性及水解产物方例的工具。5.2啮齿动物与食物过敏研究食物 过敏也可选用啮齿动物，其优 点之一是能够清楚地得到多种的 动物品系，其中包括敲除的 动物. 之二是能从许多动物中分组去探索感兴趣问题.不同试验引起免疫球蛋白应答水平多样化,但对 于棕色挪威鼠来说