动物肠道黏膜免疫研究进展

1、中国 科技论文在线 动物肠道黏膜免疫研究进展祁珊珊 1,郑红星 2基金项目:陕西省教育厅科学研究计划(自然科学专项项目(2013JK0721;陕西理工学院校级人才启 动项目(SLGQD13-19(1. 陕西理工学院,维生素 D 生理与应用研究所,陕西 汉中 723000; 2. 陕西理工学院,生物科学与工程学院,陕西 汉中 7230005 摘要 :本文综述了肠道黏膜免疫系统的组成、 肠黏膜免疫系统抗原的摄取、 处理和递呈、 SIgA 分子的结构与功能以及黏膜免疫的应用前景, 并对存在的问题进行了探讨, 为深入研究肠道 黏膜免疫机制提供理论基础。关键词 :肠道黏膜免疫;组成; SIgA ;应用前

2、景中图分类号 :S810Recent advances in animal intestinal mucosal immunityQI Shanshan1, ZHENG Hongxing2(1. Shannxi University of Technology, Institute of Vitamin D, Shaanxi HanZhong 723000; 2. College of biological science and engineering,Shannxi University of technology,15 Shaanxi HanZhong 723000Abstract: T

3、his paper reviews the composition of intestinal mucosal immune system, antigen uptaking, processing and presenting of intestinal mucosal immune system, SIgA molecular structure and function, the application prospects of mucosal immune , and discussed the problems. This paper provides a theoretical b

4、asis for in-depth study of intestinal mucosal immune 20mechanisms .Keywords: Intestinal mucosal immunity; composition; SIgA; application prospects0 引言肠道黏膜面积巨大, 是机体内环境与外环境间直接交流的主要界面。 肠道不仅是营养物25 质交换的主要场所,同时也是许多病原体感染或起始感染的主要部位,机体 95%以上的感 染发生在黏膜或由黏膜入侵, 因此黏膜免疫日益受到重视。 肠道黏膜免疫系统是机体抵御肠 道病原体感染的第一道防线, 构成机体防御肠道

5、病原微生物入侵的第一道屏障, 担负着重要 的免疫功能。 近年来, 有关家兔、 大鼠、 小鼠等实验动物的消化道黏膜免疫已有深入的研究, 猪、山羊、家禽、甚至鱼类的消化道黏膜免疫也有许多报道,这说明消化道黏膜免疫正在受30 到越来越多的重视。 本文综述了肠道黏膜免疫系统的研究进展, 并对存在的问题进行了分析 和展望。1 肠道黏膜免疫系统的组成肠道黏膜免疫系统按解剖位置和功能分为诱导部位和效应部位。 诱导部位主要是指肠淋 巴 集 结 (Peyers patches, PP , 效 应 部 位 包 括 肠 黏 膜 上 皮 内 淋 巴 细 胞 (Intraepithelial35 lymphocytes

6、 , IELs 和固有层淋巴细胞 1。1.1 诱导部位肠淋巴集结是分布于肠系膜对侧肠黏膜或黏膜下, 由多个淋巴滤泡聚集成的高度器官化 的黏膜相关淋巴组织 (Mucosa associated lymphoid tissue, MALT ,具有典型的二级淋巴器官结构, 有确定的 B 细胞和 T 细胞依赖区。 滤泡表面覆有一层滤泡相关上皮 (follicular associated 40epithelial , FAE ,滤泡相关上皮由微皱褶细胞 (Microfold cell,简称 M 细胞 、肠上皮细胞 以及上皮内淋巴细胞等组成 2, M 细胞是滤泡相关上皮中一种特有的抗原转运细胞。 淋巴集

7、 结内含有大量免疫细胞,主要是 B 、 T 淋巴细胞,其中 B 细胞主要分布在淋巴滤泡区,当淋 巴滤泡受到抗原刺激便形成生发中心。 T 细胞主要位于滤泡间区,包括 CD4+和 CD8+ T细 胞。抗原递呈细胞 (Antigen presenting cells, APC 主要是树突状细胞 (DC、 B 细胞和巨噬细 45胞 3。滤泡间区有高内皮静脉 (High endothelial venule, HEV ,是淋巴细胞进入淋巴集结的 通道。 由于淋巴集结含有各种必需的免疫活性细胞, 一般认为淋巴集结是黏膜免疫反应的主 要诱导部位。孤立淋巴滤泡在肠黏膜免疫反应中的作用目前还未明确 4,目前推测

8、其功能可 能作为黏膜免疫反应诱导部位。1.2效应部位50上皮内淋巴细胞是位于基底膜和上皮细胞间隙的淋巴细胞, 上皮内淋巴细胞约占上皮细 胞总数的六分之一, 参与机体免疫监控和免疫防御作用。 当受到抗原刺激时, 上皮内淋巴细 胞可通过分泌多种细胞因子或产生不同的细胞毒作用, 发挥其抗细菌、 病毒等作用。 其作用 可归纳为以下几点:(1产生细胞因子:T 细胞可以产生各种细胞因子,并通过其产生的 55细胞因子发挥各自的功能。上皮内淋巴细胞可分泌以下细胞因子:IFN-、 TNF-和 IL-2, 它们在抵御肠道病原体入侵方面发挥着重要的作用, 如杀死细菌, 清除被病毒感染的上皮细 胞等。(2细胞毒作用:

9、上皮内淋巴细胞与细胞毒 T 细胞和 NK 细胞相似,具有相似的胞 内颗粒, 如粒酶、 丝氨酸酯酶和穿孔素, 因此上皮内淋巴细胞具有细胞杀伤作用。 在 CD8+T 细胞的细胞质中含有颗粒,其形态类似大淋巴细胞,然而它却具有杀伤 T 细胞的细胞毒作 60用, 通过这种细胞毒作用攻击、 排除在肠道内变性的上皮细胞。 这是动物机体对病原体入侵 以及上皮细胞变性所作出的快速反应机制 5,通过这种快速反应机制抵御病原入侵肠道,以 及迅速清除肠道内变性的上皮细胞。(3促上皮细胞更新生长:上皮细胞产生干细胞生长 因子 (SCF,而上皮内淋巴细胞可以表达 SCF 受体。上皮内淋巴细胞在 SCF 、 IL-7和

10、IL-2的刺激下,可上调 IL-7受体 6。此外,上皮内淋巴细胞还可通过细胞毒活性以及释放 TFN 、 65INF-,抵抗感染和衰老的上皮细胞,从而使上皮细胞迅速更新。(4上皮内淋巴细胞可 抑制黏膜的过敏反应:食物经消化后成为可溶性抗原, 这些可溶性抗原主要通过肠上皮吸收, 而肠吸收性上皮细胞具有抗原递呈功能,可将抗原递呈给 CD8+抑制性 T 细胞,并迅速激活 它们,从而导致对食物抗原的特异性耐受 7。70固有层淋巴细胞是位于黏膜固有层内的一群淋巴细胞。主要由 B 淋巴细胞和 T 淋巴细 胞组成。固有层淋巴细胞中的 T 、 B 细胞均很丰富,且数量相当。肠 IgA +浆细胞分别来源于 肠淋巴

11、集结、孤立淋巴小结的 B2细胞和腹膜腔的 B1细胞 8。固有层中的 B 细胞转化为浆 细胞后可分泌 IgA ,后经胞饮作用进入杯状细胞,最后被分泌到肠腔,起着局部黏膜免疫作 用 9。除了有分泌 IgA 的 B 细胞及其浆细胞外,还有 IgM 、 IgG 和 IgE 型 B 细胞。 T 细胞群 75中 CD4+与 CD8+细胞组成比率与外周血相近。 约 95%T细胞为 TCR +T 细胞, 仅 3%CD3+细胞表达 TCR +。固有层淋巴细胞是淋巴细胞群中较为活泼的细胞,其中 IL-2R +细胞所 占比率较高 10。此外,固有层淋巴细胞还表达 MHC-类分子、转铁蛋白受体等。固有层淋巴细胞的功能

12、主要有:(1辅助与抑制功能:CD4+固有层 T 细胞能促进 IgA 的合成,且此功能不需要丝裂原激活,然而, CD8+T 细胞则可抑制免疫球蛋白合成;(2 80促细胞因子合成:经离子霉素和豆蔻酰佛波醇乙酯 (PMA激活的固有层淋巴细胞可表达高水 平的 IL-5m-RNA 和 IL-4,激活的固有层淋巴细胞可表达高水平的 IL-2、 IL-4、 IFN-等细 胞因子;(3细胞毒 T 细胞功能:诱导固有层淋巴细胞的 LAK 活性,产生细胞毒 T 细胞 的功能。2肠道黏膜免疫系统抗原的摄取、处理和递呈85肠道黏膜表面的抗原主要是由 M 细胞摄取和转运的。2.1M 细胞对抗原的转运M 细胞又称微皱褶细

13、胞 (Microfold cell或膜上皮细胞 (Membrane Cell,位于黏膜淋巴小 结的滤泡上皮中, 是滤泡相关上皮中一种特有的抗原转运细胞, 是一种特化的扁平上皮细胞 9011。 M 细胞的发现,可追溯到 19世纪 20年代, Kumagai 发现了 M 细胞的存在。 19世纪 70年代, Owen 和 Jones 将此类细胞称为微皱褶细胞,并对其结构特征以及其与淋巴集结内淋 巴细胞的关系作了详细描述 12。 M 细胞广泛分布于小肠淋巴滤泡圆顶区之上,一般认为, M 细胞来源于分化完全的滤泡吸收细胞。 M 细胞与邻近上皮细胞间可通过桥粒紧密连接, 形成上皮屏障, 将肠道内抗原物质与

14、上皮下的淋巴组织隔开, 其顶部面对黏膜腔, 基底膜向 95顶部呈穹隆状突起,形成口袋,口袋内充满 T 、 B 细胞及少量巨噬细胞 13-14。M 细胞的主要功能及特点可归纳为以下四点:(1摄取和转运颗粒性抗原,包括蛋白 质和颗粒物,如病毒、细菌、小的寄生虫以及微球体;研究发现 M 细胞是大分子颗粒抗原 进入上皮下淋巴组织的主要途径,大分子颗粒抗原主要由 M 细胞进行转运。与肠上皮不同 100的是, M 细胞能够摄取和运输多种大分子物质,如微生物和微粒等,把他们传递给黏膜下 的淋巴组织应答。当黏膜表面的抗原与 M 细胞结合后, M 细胞就可将其吞入,形成吞饮小 泡,但抗原基本不在 M 细胞溶酶体

15、中停留,因此,微生物抗原一般仍以完整的活性形式跨 过 M 细胞,被转运至上皮下淋巴组织。上皮下淋巴滤泡生发中心内有抗原递呈细胞如巨噬 细胞、树突状细胞,由 M 细胞转运来的抗原由抗原递呈细胞呈递给 T 、 B 淋巴细胞,产生 105抗原特异性 B 淋巴母细胞,其在生发中心增殖后,通过血流迁移到远处的黏膜和腺体组织, 分化成熟为浆细胞,浆细胞随即产生分泌型 IgA 15-16。由此可见,跨越 M 细胞转运抗原是 启动肠黏膜免疫应答的最重要的第一步,因而, M 细胞起着“第一信息通道”的作用。 (2 M 细胞不是对所有抗原都进行黏附和吸收,其黏附和吸收肠腔内的抗原具有选择性,这保 证了机体对病原体

16、发动黏膜免疫应答,而对食物和正常菌群不产生免疫应答; M 细胞黏附 110的抗原通常能够引发较强的分泌型免疫应答,产生分泌型 IgA ,这是启动黏膜免疫的关键步 聚。(3 M 细胞是否具有抗原递呈功能仍存在争议,因为 MHC 类分子在 M 细胞表面的 表达与 M 细胞内溶酶体存在的实验观察并不一致 17;(4在 M 细胞“口袋”上方的基顶 膜内侧有少量多泡状内体,胞质内缺乏溶酶体,也无含酸性磷酸酶的结构,所以 M 细胞弯 窿内的淋巴细胞可以很方便的和肠腔中的抗原接触,抗原在转运中也不会被降解,因此, M 115细胞黏附的抗原通常能引起较强的分泌型免疫应答。2.2抗原递呈细胞对抗原的摄取、处理和

17、递呈巨噬细胞和树突状细胞是两种专职抗原呈递细胞 (Antigen presenting cell, APC , 可表达MHC 类分子。在黏膜免疫系统中,巨噬细胞分布于整个黏膜相关淋巴组织的黏膜上皮下的浅表层。 巨噬细胞可吞噬和杀灭多种病原微生物并处理凋亡损伤的细胞, 是机体非特异性120免疫的重要组成部分。 免疫应答过程中, 巨噬细胞将外源性抗原物质摄取进入胞内后, 经酶降解,与 MHC-类分子结合形成抗原肽 -MHC 类分子复合物,在细胞表面供免疫活性细胞识别,因此,巨噬细胞是一种重要的抗原递呈细胞。此外,活化的巨噬细胞还能合成和分泌多种生物活性因子。关于淋巴集结中的抗原呈递细胞最初认为主要

18、是 M 细胞,因为 M 细胞能摄取和转运抗原,将其递呈给其下方的淋巴细胞,然而许多研究表明, M 细胞并不表125达 MHC-类分子, 而 MHC-类分子对于 T 细胞与抗原呈递细胞之间的相互作用必不可少,因此 M 细胞不属于抗原递呈细胞。 淋巴集结中的专职抗原递呈细胞是树突状细胞 (简称 DC 和巨噬细胞。 树突状细胞是主要的抗原递呈细胞, 它能将活的共生菌从肠腔转运到肠系膜淋巴结, 肠道树突状细胞能保持共生菌数天, 这使得树突状细胞能选择性诱导 IgA 的产生, 以帮助黏膜阻止共生菌的入侵。载有共生菌的树突状细胞被肠系膜淋巴结限制在黏膜淋巴组130织, 这样就可以确保针对共生菌特异的 Ig

19、A 免疫反应局限在肠黏膜, 而不激发系统免疫反应18-21。 此外, 覆盖在肠道黏膜表面的上皮细胞也作为非专职抗原呈递细胞参与黏膜抗原的摄取、处理、递呈。3肠道黏膜免疫的效应因子 SIgASIgA (Secretory immunoglobulin A是 20世纪 60年代初由 Tomasi 等人在人体外分泌135液中发现的一种 IgA 抗体,主要存在于唾液、泪液、 乳汁以及呼吸道、胃肠道和泌尿生殖道等外分泌液中,是黏膜免疫的主要抗体 22。3.1 SIgA分子的结构与特点IgA 有 2个相互独立的体系,即血清型 IgA 和分泌型 IgA 。此外,根据分布和分子形式又可将其分为 IgA1和 I

20、gA2两个亚型 23,血清型 IgA 属于 IgA1类,分泌型 IgA 属于 IgA2140类。黏膜免疫所产生的 IgA 主要为分泌型 IgA(SIgA。分泌型 IgA 是由两个 IgA2、 J 链分子和分泌片段 (Sectreory component, SC 构成。人 SIgA 是由 IgA 与肠上皮细胞分泌的 SC 结合而成;鼠 SIgA 是由 IgA 与有肝细胞和胆管上皮细胞合成的 SC 结合形成。 SIgA 结构稳定,能够耐受肠道局部 pH 值、温度等理化环境的变化及蛋白酶的消化。同时, SIgA 的合成转运也受抗原和肠固有层 IgA 分泌细胞的影响。 IgA 分泌细胞在黏膜淋巴滤泡

21、中发育, 多沿上145皮层分布,弥散分布于黏膜下层。小肠黏膜尤其是十二指肠的 IgA 分泌细胞数量最多。 IgA的 Fc 段既不亲细胞,也不通过胎盘,即使在聚合状态也不与 C3b 结合,所以与炎性细胞、炎症介质无关, 不通过激活补体等途径杀伤抗原, 因此局部肠道黏膜免疫一般不会引起局部损伤,这对于黏膜免疫具有重要的意义。3.2 SIgA的功能150SIgA 作为黏膜免疫的主要效应因子,通过非炎性途径清除抗原的能力对机体的防御作用是非常重要的。其具体功能有以下四点:抗感染、 抗肿瘤、促进天然抗菌因子的抗菌作用以及抗过敏。研究表明, SIgA 能够抗病毒、中和毒素及其它生物活性抗原,具有广泛的免疫

22、保护作155用, 但其最主要的保护作用是阻止细菌对上皮细胞表面黏附。 黏附是病原体入侵机体的第一步, 对于病原体致病作用是非常重要的, SIgA 可抑制并阻断病原体对黏膜的黏附, 例如 SIgA能阻断禽流感病毒 A 的黏附 24。此外, SIgA 可有效中和黏膜上皮内毒素、酶等有害物质;SIgA 不需要补体就可与呼吸道、 消化道等部位黏膜表明的病毒形成免疫复合物排出 25。 SIgA与病原微生物抗原结合形成复合物后, 又可刺激呼吸道、 消化道等黏膜中的杯状细胞分泌大160量黏液,“冲洗” 黏膜上皮细胞,阻止微生物黏附。此外, SIgA 与补体、溶菌酶的协同作用还具有杀菌作用。 研究发现, 二聚 /多聚体 IgA 与 SC 结合后可以更有效的保护小鼠免遭呼吸道细菌感染。推测可能是 SC 通过糖基将抗体有效的固定于黏膜表面,从而影响细菌定植26。165SIgA 不仅能抗细菌、病毒及中和毒素,而且在肿瘤的发生中也起着重要作用 27。研究表明肠黏膜中含 85%以上的 IgA 分泌细胞,而小肠恶性肿瘤组织中 IgA 分泌细胞的量极少。相关资料认为有些肿瘤细胞能产生某种抑制因子,抑制 IgA 分泌细胞进入癌组织。因此Mandressi 等人提出从组织中分离出 IgA 抗体的特异性部分,在体外或体内直接作用于肿