免疫学研究的发展趋势现状

免疫学研究的发展趋势及我国免疫学研究的现状与展望 来源：中国知网 发表时间 2004 年 1 免疫学的重要研究方向与发展趋势 免疫(Immunity) 的根本概念是机体识别/自我 0 与 /非我(异己)0、产生免疫应答 以清除/异己 0 抗原或者诱导免疫耐受以维持自身内环境稳定。免疫学 (Immunology)是研究免疫系统的结构与功能的学科,涉及到免疫识别、免疫应答 与免疫耐受/免疫调节等的免疫学基本科学规律与机制研究以及免疫机制在相关 疾病发生发展中的作用、免疫学技术在疾病诊断、治疗与预防中应用。 目前国际免疫学研究主要有三大方面,一是基础免疫学研究,二是临床免疫学研 究和应用,三是免疫学技术的研发与应用。综合来看,基础免疫学研究主要包括以 下 10 个方面:免疫系统的形成机制、免疫器官与免疫细胞组成以及不同种类免 疫细胞和亚群的形成过程与相互之间调控机制; 抗原的结构特性与免疫识别、 免疫应答的关系与机制;免疫细胞感受外界危险信号、识别抗原的物质结构基础 ; 天然免疫应答的细胞与分子机制;获得性免疫应答的细胞与分子机制 ;免疫耐受 及免疫负相调控的方式与机制;免疫效应分子的结构、功能与作制 ; 免疫细胞 的功能调控及其信号转导机制; 免疫细胞的迁移触发、迁移过程与定居机制; 免疫记忆形成的细胞与分子机制。临床免疫学涉及的内容非常广泛,分支学科也 很多,主要围绕着重大疾病如感染性疾病、肿瘤、自身免疫性疾病与过敏性疾病 以及器官移植排斥等的发生发展机制、诊断与病程的动态观察和预后分析、治 疗与预防措施开展应用性研究,具有挑战性的研究内容也很多,例如,肿瘤免疫逃 逸机制与肿瘤防治新方法的设计以及肿瘤早期特异性免疫诊断如何提高,急性感 染与免疫病理现象,慢性感染与免疫耐受现象(例如机体为何不能有效识别、清除 HBV 感染而导致慢性乙肝),器官移植排斥的预警与免疫药物和免疫调节控制,自 身免疫性疾病的诊断与治疗等等。免疫学技#10#中国免疫学杂志 2009 年第 25 卷术的研发与应用在促进基础免疫学理论研究的同时,也极大地推动了生命科学、 生物技术及其产业化的发展,特别是以疫苗、单克隆抗体、基因工程、细胞因子 和免疫抑制药物等相关的免疫学技术的发展与应用,为生命科学和人类健康做出 了巨大贡献,也催生了具有巨大市场效益的生物技术产业。 目前,国际免疫学的发展趋势体现在如下几个方面:基础免疫学研究更加深入 和广泛:对免疫学的研究从原来的细胞水平深入到分子和基因水平 ,免疫学理论得 到极大的丰富和完善,与此同时也产生了很多新的研究方向和热点,如免疫细胞的 分化发育、功能调控及其信号机制、新型免疫细胞及其亚群的发现,其功能的调 节作用、抗原识别、活化的分子结构基础、免疫特异性应答的细胞与分子机制 包括免疫效应细胞与效应分子杀伤靶细胞的机制、免疫调节(负性)的方式及其 机制、自身免疫耐受的机制、免疫记忆的细胞与分子机制、新型免疫分子的发 现、结构和功能等。 临床免疫学在临床的价值更为明显,免疫学已经渗透到临 床的几乎每一个角落,应用免疫学技术和方法研究和治疗疾病越来越受到重视:目 前,临床免疫学研究的热点包括应用基础免疫学研究的成果阐明肿瘤、感染、移 植排斥、自身免疫性疾病等重要疾病的发病机制的研究、特异性的预防和治疗 措施的建立、新型疫苗的研制和开发、免疫相关生物制品的研制和应用等.基础 免疫学与临床免疫学结合更加紧密,基础研究与应用研究并重且紧密结合,两者相 辅相成:基础免疫学为众多免疫相关性疾病的发展机制和治疗的研究提供理论指 导,如 HIV 疫苗研制、类风湿性关节炎的靶向药物治疗等。另一方面,临床免疫 学的实际问题为基础免疫学发展提供新的需求。如 Tetramer-peptide 检测 CTL 技术的发展,实验性动物模型的建立,以研究人类疾病的发病。免疫学与其他多 医学与生命学科的交叉极大地促进了免疫学和其他学科的发展:如免疫学和生物 信息学、结构生物学的交叉在分子、原子水平研究免疫识别、免疫反应的发生 机制将有助于加深在基础免疫学方面对经典免疫学理论的认识,这种交叉也带动 了其他多医学与生命学科的发展。 2 免疫学研究的前沿热点 目前免疫学研究的热点很多,本文仅简要介绍十方面的前沿热点,前五方面热点 涉及免疫学基本性关键科学问题,后五方面热点涉及学科交叉中的免疫学研究。 2.1 免疫识别的结构基础与相关机制 免疫识别是诱导和触发机体产生免疫应答反应或者决定免疫系统处于耐受状 态的重要免疫过程,是免疫学研究中的一个关键科学问题。以往人们对于获得性 免疫(T 细胞与 B 细胞) 的免疫识别的细胞与分子机制研究很多,研究了抗原结构 包括蛋白抗原结构、多肽抗原、表位抗原结构对免疫识别的影响。对抗原结构 的研究目前多集中于研究抗原表位(Epitope) 的结构特点 ,根据其识别特征的不同, 抗原表位包括 B 细胞表位、Th 细胞表位、CTL 细胞表位 MHC 限制表位等; 根 据其免疫效应的差异,抗原表位包括免疫保护性表位以及毒性或抑制性、优势非 中和性、病理与自身抗原交叉反应性等不利于保护性免疫的表位结构;根据免疫 刺激能力 的不同,抗原表位包括优势表位和弱势表位。天然免疫反应是由能够识别病原相 关分子模式(Pathogen-associated molecularatterns,PAMPs)的受体介导的,目前将这 些受体统称为模式识别受体(Pattern recognition receptor,PRR)。Toll 样受体(Tol-l like receptors,TLR)在识别 PAMP 中起重要作用,作为一种重要的模式识别受体, 主要表侵的第一道屏障。TLR 受体是一种进化上高度保守的 型跨膜蛋白,目 前发现并克隆了十多种哺乳动的 TLR 分子,其分别选择识别病原体相关的分子 模式,如 TLR2、TLR3、TLR4、TLR5、TLR9 分别识别病原微生物的 LTA、dsRNA、LPS、flagellin、CpG 基序。目前至少已经报道了 11 种人 TLR 和 13 种小鼠 TLR。根据不同的亚细胞定位,TLRs 可以分为细胞表面的 TLR(主 要包括 TLR1、TLR2、TLR4、TLR5、TLR6 等) 和细胞内的 TLR(目前发现的有 TLR3、TLR7/8、TLR9) 两大类。 TLR 经各自配体刺激后可通过大致相似的信号 转导途径诱导目的基因活化表达,以完成一定的生物学功能,但每个 TLR 又因使 用相对特异的接头蛋白而具有各自的特性。目前公认的 TLR 信号通路主要根据 接头分子的不同分为 MyD88 依赖和 TRIF 依赖(或者称为 MyD88 非依赖)两条不 同的信 11#曹雪涛 免疫学研究的发展趋势及我国免疫学研究的现状与展望 第 1 期号转导途径。大部分的 TLR 与特定的配体结合后,通过 TLR 受体本身胞内 段的 TIR 结构域募集同样含有 TIR 结构域的接头分子 MyD88(Myeloid differentfactory 88),随后通过 MyD88 的死亡结构域(Deathdamain,DD)与 IRAK(IL-1 receptor-associated kinase)家族蛋白分子结合成为信号转导复合物。 该复合物继续募集并活化下游 TRAF6 分子,最终通过激活 MAPK 和 NF-JB 等转 录因子,激活相关促炎因子和 型干扰素的基因表达。然而 ,TLR3 和 TLR4 还存 在着另一种 MyD88 非依赖途径,即通过接头分子 TRIF 或者 TRAM 募集 TRAF3 和 TRAF6 分别通过 TBK1 和 TAK1 来引起 NF-JB 的晚期活化和 IRF-3 的核转 位,调控炎性因子和 型干扰素的表达。TLR 不仅启动天然免疫应答 ,控制炎症 反应的性质、强度持续时间,还可以通过上调抗原提呈细胞表面的共刺激分子和 MHC 的表达促进 DC 的成熟,指导抗原特异的免疫应答,尤其是 Th1 型反应的 产生,调节获得性免疫应答的强度和类型,成为连接天然免疫和获得性免疫应答的 枢纽。TLR 信号过度活化或活化不足会导致机体功能异常和疾病的发生,因此受 到其它很多信号通路的正相或者负相调控,使之维持适度的活化水平。目前已经 发现很多的负相调控分子,如 MyD88s 可以和 MyD88 竞争性结合 TIR 结构域使 之不能向下游传递信号,SOCS3 经 STAT1 活化后同时抑制 TLR4 的 MyD88 依赖 途径中 TRAF6 活 性和 MyD88 非依赖途径中的 TRAF3 活性,磷脂酶 SHP2 则抑制 TLR4-TRIF 途 径中 TBK1 的活性,E3 连接酶 TRIAD3A 可以通过促进 TLR 本身的泛素化从而 抑制 TLR 信号。同时,作为 TLR 信号转导通路的正相调控分子,酪氨酸激酶 Btk 参与了 TLR4 和 TLR9 信号途径,增强 NF-JB 的 p65 亚基的磷酸化即促进下游基 因的表达1。 近期的研究表明,在天然免疫反应中除了 TLR 受体起重要的识别作用外,还存 在着其它类的一些同样发挥重要作用的模式识别受体,包括识别胞内细菌等感染 的 NLR(NOD-like receptor),不同的 NLR 能够识别不同的病原体从而激活下游的 Caspase-1,通过 Caspase-1 对 IL-1B 和 IL-18 的前体进行剪切,从而释放大量的 IL- 1B 和 IL-182,3。另一类受到关注的 PPR 则是细胞内的病毒 RNA 识别受体 RIG-IRetinoic acid-inducible gene I)和 MDA5(Melanoma dif- ferentiation-associated gene 5),最新研究表明 RIG-I 和 MDA5 分别识别不同类型 的病毒,RIG-I 主要识别副粘液病毒而 MDA5 主要识别微小 RNA 病毒4-6。当 RIG-I/MDA5 识别其相应配体后招募共同的包含 CARD 结构域的接头分子 IPS-1,最 终引起 IRF-3/IRF-7 以及 NF-JB 的活化激发机体抗病毒反应产生大量的 型干 扰素。尽管天然免疫反应中的这些 PPR 的亚细胞定位、在不同细胞亚群的表达、 识别病原体的种类、方式以及机制。 2.2 免疫系统发生与免疫应答中的免疫细胞及其新型亚群的研究 淋巴细胞的分化发育与成熟机制长期以来一直是基础免疫学的重要研究内容, 包括 T 细胞的胸腺内发育(也包括胸腺外发育)、B 细胞的形成过程不同阶段的 特征与抗体产生及类别转换等等,此外,有关髓系免疫细胞的分化发育的机制研究 近年来又有了很大的突破,包括 DC、巨噬细胞及其亚群形成等。近年来 Gr- 1+CD11b+的髓系来源的抑制细胞(Myeloid-derived suppressor cells,MDSC)的产生 与免疫调控作用的研究受到了关注,例如,我们实验室发现其可以通过膜结合型 TGF-B 而抑制 NK 细胞 NKG2D 的表达和杀伤活性 7。T 细胞亚群的区分与功 能特征研究也一直是免疫学的研究热点。Th17 是最近研究发现一类不同于 Th1、Th2 和调节性 T 细胞 (Regulatory T cells,Treg)的 CD4+T 细胞亚群,在自身免 疫性疾病发病中发挥重要的作用8,9。研究发现人外周血中分泌 IL-17 的为 CCR6+ CD4 记忆性 T 细胞 ,并且通过对这群细胞抗原特异性的分析,阐明了 Th17 可能在抗胞外菌和真菌感染中发挥重要作用。在自身免疫性疾病发病机制研究 中,通过 Rag1 小鼠的自身免疫性肠炎模型发现,回输 RORCt-/-T 细胞不能有效诱 导肠炎,而 IL-17A-/-、IL-17F-/-的 T 细胞诱导的肠炎与野生型无异,同时阻断了 IL-17A 和 IL-17F 信号后, 自身免疫性肠炎大大减轻,说明 IL-17A 和 IL-17F 在 Th17 细胞中的效应是重叠的,可以相互替代的12。然而在 DSS 肠炎和 EAE 模 型中却发现两者的不同效应,其具体原因还有待研究。Th17 在 GVHD 中也有一 定功能,在骨髓移植模型中也存在供体来源的 Th17 细胞,而且 IL-17-/-的供体能够 延迟排斥时间,但是对最终存活率没有影响。在慢性移植物冠状血管病模型中, Th1 细胞缺陷小鼠中 Th17 细胞大量增殖,反而进一步加快了血管病变和移植排 斥,表明 Th17 与免疫相关性疾病的研究尚有很多问题值得深入研究。 众所周知,NK/NKT 细胞在天然免疫中起重要作用,但有关其亚群的进一步分 型和在免疫调控、免疫性疾病发生中的作用的研究尚不深入。Satoh-akayama 在 2008 年 12 月的 Immunity 上率先报道了一类新型的分泌 IL-22 的肠道 NKp46+细胞在粘膜天然免疫防御中的作用13, 接着这个月 (2009 年 1 月)的 Nature Immunology 上同期发表了三篇相互佐证的关于 NK 细胞亚群的文章,使我 们对位于皮肤与粘膜的 NK 细胞亚群有了更深入的认识,更为我们进行细胞表面 标志及其与细胞功能状态的关系的研究提供了全新的思路与视角。肠道粘膜作 为机体接触外界抗原最为频繁也最为广泛的环境,孕育了一道坚固而灵活的粘膜 免疫防线以保护机体在抵御入侵者的同时维持对共生病原体的耐受。NK 细胞 通过分泌促炎症因子和介导细胞杀伤执行着固有免疫细胞的使命,但对其在肠道 粘膜及皮肤的暴露环境之中的特点的研究却有待深入。在此背景之下,Carmelo Luci 等人以及 Stephanie L Sanos 等人几乎同时在人类和小鼠的肠道粘膜固有层 定义了一群独特的 NKp46+RORCt+NK1.1loCD3-细胞亚群14,15。进一步研究 证实肠道 NKp46+RORCt+NK1.1loCD3-细胞高分泌 IL-22,而非 IL-17。殊途同归, Tom Cupedo 等人的研究表明人类淋巴样组织诱导细胞 (LTi cell)可作为定向的 NK 细胞前体,在体外分化成为 RORC+CD127+NK 样细胞16。这三篇 NI 上的 文章共同提示肠道 NKp46+CD3-细胞在肠道环境的作用下有着独特的表型及功 能特点,在淋巴组织生成、肠道免疫及组织修复中可能起着重要作用。可见,有关 NK/NKT 细胞及其亚群的特征与作用尚有许多空白点值得进一步研究。2.3 免 疫调节的细胞与分子机制研究 在多数情况下机体能够在免疫调控机制的精密控 制下,通过适度的免疫应答防止病原微生物的入侵、监视并清除机体内恶变的细 胞同时保持内环境的稳定,但是,一旦这样的调控机制出现异常,将会导致免疫病 理反应从而对机体造成伤害,如自身免疫性疾病等。长期以来,对于增强免疫应答 效应的免疫调控机制即正相免疫调控机制的研究较多且较为深入,而对于免疫负 相调控的机制则认识不足,因此近年来免疫学领域有关免疫负相调控机制的研究 非常热门,其中最大的热点是 CD4+CD25+Foxp3+调节性 T 细胞 Treg 的基础与应 用研究。DC 作为一种异质性的细胞群体,分布于不同的解剖部位 ,含有不同的细 胞亚群、处于不同的成熟阶段,表达不同的表型和细胞因子,其功能也是多样性的。 以往认为 DC 具有激活免疫的功能,但是,近年来愈来愈多的实验证明 ,DC 具有负 相调节免疫的功能,可通过诱导 T 细胞失能、使免疫反应偏移、促使活化的 T 细 胞凋亡及诱导调节性 T 细胞形成等方式使机体达到免疫稳定。其中 ,细胞亚群的 不同及不同的成熟状态与 DC 诱导免疫反应的类型密切相关。广义的调节性 DC(regulatory DC)是指那些具有负相免疫调控作用的 DC,包括生理状态及病理 状态下存在于体内的具有免疫负相调控作用的中枢和外周的 DC 以及在体外各 种不同条件诱导下从成熟或不成熟 DC 转变为具有负相调控作用的 DC。调节性 DC 通过诱导调节性 T 细胞或清除相应的 T 细胞克隆而达到免疫抑制或诱导免 疫耐受,此外,研究表明调节性 DC 能够活化扩增体内已经存在的调节性 T 细胞, 最近的研究提示 DC 上的共刺激分子 CD80 和 CD86 在通过 CD28 和 CTLA-4 调 节 Treg 的抑制功能方面有相反的作用 ,阻断 CD86 能够有效地增强 CD4+CD25+Treg 所介导的抑制作用 ,而 CD80 的阻断会限制 Treg 细胞所介 导的抑制,从而提示 DC 可能通过 CD80 和 CD86 的相关表达调节 Treg 细胞的功 能,从而维持免疫激活和抑制的平衡。另外,对于 型巨噬细胞(M2) 或者调节性 巨噬细胞的研究近年来也有多篇论文报道。于免疫细胞表达的免疫抑制性分子 包括 PD-L1 等参与负相免疫调控过程及其相应作用机制 ,国内已经有很多介绍, 此不赘述。近年来新兴起的一个研究热点是寻找 APC 为主的免疫细胞中 TLR、NLR 和 RLH 信号通路的负相调控分子,研究其在免疫与炎症触发过程中 的作用及其在感染等病理过程中的意义21。目前发现了很多 TLR 负相调控分 子, 包括胞膜分子 ST2、SIGIRR、RP105、PECAM-1,胞内分子 SARM、beta- arrestins、IRAKM、TOLLIP、SOCS1、FLN29、SHP2、Pin 1 等22 。近年来也 发现了许多能够负相调控 RIG-I 通路以及抑制 RIG-I 触发 型干扰素产生的分 子,例如 LGP2、A20、Pin1、SIKE、Atg5-Atg12、 RNF125、DURA、NLRX1、ISG15 、DAK 、CYLD 等23。2.4 免疫治疗 (Immunotherapy) 医学免疫学基础理论研究的根本目的是为人类健康服务,是希 望能够研制出对于重大疾病例如恶性肿瘤、传染性疾病等的有效治疗方法,也为 自身免疫性疾病等难治性疾病的治疗带来曙光。通过增强或者抑制免疫功能的 免疫治疗方法很多,其中,单抗、疫苗、基因工程细胞 因子等的临床应用已经显示出良好疗效。 2.5 免疫记忆(Immunological memory) 免疫记忆是获得性免疫的一大特征,是疫 苗研究的理论基础。 关于免疫记忆形成的机制研究一直是免疫学研究的一大热点。免疫记忆主要由 记忆性 B 细胞与记忆性 T 细胞介导,近两年来记忆性 T 细胞研究取得了重要进 展。关于记忆性 T 细胞的分化模式一直存有争议, 最近的研究进一步证明记忆性 CD4T 细胞同记忆性 CD8 相似,也是由效应 T 细胞分化而来25;另外有体外研究 表明,高度活化的效应 CD4 T 细胞可在体外短时间静息后转变成具有记忆性 T 细胞特征的细胞。各种细胞亚群对记忆性 T 细胞产生与功能的调控被广泛研究 与报道,包括各种 DC 亚群、NK 细胞以及 CD4 T 细胞,基质微环境及调节性 DC 可能也在记忆性 T 细胞的产生中发挥各自的作用;另外 CD4T 细胞调控记忆性 CD8 T 细胞产生的机制有 CD27 信号、T-bet 下调、染色质重塑、TLR3 配体作 用等26。抗原刺激强弱或 TCR 信号强度以及初始 T 细胞数量也是影响记忆性 T 细胞产生与性质的关键因素。近来的研究表明,转录因子 FOXO3a 在人中枢型 记忆性 CD4 T 细胞的存活中发挥了重要作用,这就提示各种关键转录因子可能在 记忆性 T 细胞的产生与维持中占有重要地位27。细胞因子、共刺激分子一直 是调控记忆性 T 细胞产生与维持的重要因素,近来研究发现 IL-15 不仅是记忆性 CD8 T 细胞的 重要的维持因子,也是维持记忆性 CD4 T 细胞的重要因子28;另外共刺激信号 OX40、趋化因子 MCP-1、粘附分子 ICAM-1 依赖的成熟 DC 与 T 细胞的长时间 相互作用也是调控记忆性 T 细胞产生的重要因素29,30。总之,有关免疫记忆的 细胞与分子机制尚有待于更加深入的研究,如何在病原体感染、肿瘤、移植及自 身免疫性疾病等病理条件下正确地调控记忆性 T 细胞的产生具有重要的意义 ,对 疫苗的研究更具有重要的指导意义。 3.我国免疫学研究的整体现状及其与国际同领域的比较 我国早期的免疫学工作者多在医科院校的微生物教研室、病理教研室或者肿 瘤学实验室、医院检验科,直到 80 年代末 90 年代初,免疫学教研室或者实验室才 得