王秋懿 綜述,靳建亮 審校

0 引 言

衰老是指隨著年齡增長,機體出現(xiàn)多種生理性或病理性的變化,各組織器官功能下降。衰老可引起機體多種病變。胸腺最早出現(xiàn)變化,也最明顯。胸腺從青春期開始即不斷退化,在中年時期完全被脂肪組織取代。作為T細胞分化、發(fā)育、成熟的主要器官,胸腺功能降低,產(chǎn)生的T細胞不斷減少[1]。同時,老年人炎性因子明顯變化,發(fā)生炎癥反應,使老年人對于傳染病的易感性增加[2]。

在衰老的過程中如何調節(jié)、增強免疫功能,減少老年人炎癥性疾病發(fā)生的研究尚有待于系統(tǒng)深入的分析。T細胞在免疫系統(tǒng)中起關鍵作用,本文主要就衰老對T細胞發(fā)育的影響以及T細胞功能衰退所致炎癥反應的干預機制作一綜述。

1 免疫系統(tǒng)與T細胞

1.1 T細胞的發(fā)育和功能

1.1.1 胸腺中T細胞的分化T細胞在骨髓中產(chǎn)生,遷移到胸腺發(fā)育成熟,未分化的T細胞依據(jù)其T細胞受體(T cell receptor, TCR)分為αβT細胞和γδT細胞。γδT細胞從胸腺直接進入黏膜和皮下組織發(fā)揮作用,αβT細胞識別由主要組織相容性復合物(major histocompatibility complex, MHC)提呈的蛋白質抗原,是介導機體特異性免疫調節(jié)的主要細胞,需在胸腺中經(jīng)過一系列分化過程[3]。

T細胞祖細胞CD4和CD8表達均為陰性,稱為DN(雙陰性)細胞。DN期細胞以CD44和CD25的表達情況分為:DN1期(CD44+CD25-),DN2期(CD44+CD25+),DN3期(CD44-CD25+)和DN4期(CD44-CD25-)[4]。DN3期的T細胞表面TCR的β鏈發(fā)生重排,與前α鏈形成前T細胞受體(pre-TCR),DN4期的T細胞進一步分化為CD4+CD8+T細胞,此時T細胞重排α鏈,形成成熟的TCR,并開始表達CD3[4]。經(jīng)過陽性選擇和陰性選擇分化為CD4+或CD8+陽性T細胞,進入外周器官發(fā)揮作用。

1.1.2不成熟的T細胞——γδT細胞γδT細胞也在免疫系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。先天性免疫是個體出生就具有的,可通過遺傳獲得,不針對某個特定異物抗原,也稱非特異性免疫[5]。而γδT細胞在機體中發(fā)揮的作用與先天性免疫類似,分布于肝臟,腸及其他上皮組織,根據(jù)不同的Vδ 基因片段和位置,γδT細胞發(fā)揮不同的作用[6]。

與αβT細胞不同,γδT細胞不需通過MHC分子識別抗原。γδT細胞可識別胸腺上皮細胞(thymic epithelial cells, TECs)表達的skint-1,對于胸腺細胞的成熟十分重要[7];Vδ1+γδT細胞可識別MHC相關分子MICA和MICB, 使γδT細胞可不依賴于腫瘤相關的抗原發(fā)揮作用[6]。

盡管γδT細胞在感染,腫瘤和自身免疫性疾病中的作用得到廣泛認可,但是關于γδT細胞的胸腺內分化機制尚無無確切研究。目前認為,弱TCR信號促進生成αβT細胞,強信號會誘導產(chǎn)生γδT細胞。較弱的TCR信號進一步促進表達IL-17的γδT17細胞生成[8]。Sox13和Maf可能通過下調γδT祖細胞中的TCR信號,驅動γδT17譜系分化中發(fā)揮作用[8]。雖然關于T細胞發(fā)育的研究還只停留在初級階段,但是這依舊為我們了解免疫系統(tǒng)功能提供了理論依據(jù),也是我們探究衰老對免疫系統(tǒng)影響的重要基礎。

2 衰老與免疫系統(tǒng)的變化

2.1 衰老與T細胞的變化衰老導致免疫系統(tǒng)功能下降,這一變化被稱為免疫衰老。免疫衰老最顯著的變化之一是胸腺退化。胸腺需要持續(xù)輸入骨髓祖細胞,衰老小鼠的造血干細胞(hematopoietic stem cells, HSCs)表現(xiàn)出向淋巴細胞成熟的能力下降,因此老年小鼠中早期T細胞系祖細胞(early T lineage progenitors, ETPs)的數(shù)量更少,并表現(xiàn)為增殖和分化潛能降低,凋亡水平增加[9]。

老年小鼠幼稚T細胞輸出減少(CD44lowCD62Lhigh),記憶T細胞(CD44highCD62Llow)占比明顯增加[10]。在記憶CD4+T細胞中,表達PD-1和CD153的T細胞被稱作衰老相關-T(SA-T)細胞,TCR反應性因衰老而下降可歸因于SA-T細胞比例的增加[11]。將從幼鼠體內分離的幼稚CD4+T細胞轉移至衰老小鼠,會發(fā)現(xiàn)幼稚CD4+T細胞穩(wěn)態(tài)增殖,并向SA-T細胞轉化這些細胞產(chǎn)生常規(guī)細胞因子的能力下降,卻產(chǎn)生大量的促炎細胞因子和趨化因子[12]。衰老細胞自發(fā)分泌炎癥細胞因子和趨化因子,統(tǒng)稱為衰老相關分泌表型(senescence-associated secretory phenotype, SASP),在SA-T細胞中,SASP的表達與T細胞表面分子的表達存在一定的相關性[13]。

衰老過程中T細胞代謝改變:其一,T細胞的細胞色素氧化酶缺失,使T細胞中線粒體活性氧(ROS)增高,氧化磷酸化(OXPHOS)水平降低,NF-κB活性增加,引起糖酵解激活,有利于增殖和細胞因子的合成[14];其二,脂肪酸氧化(Fatty acid oxidation, FAO)為免疫細胞活動提供了能量,促炎細胞中更易出現(xiàn)脂肪酸合成和脂質積累,脂肪酸氧化明顯下降[15];其三,免疫細胞內的谷氨酰胺合成酶被過量的ROS氧化,使谷氨酸轉化為谷氨酰胺的效率降低,促炎細胞被激活[16]。然而是否可通過調節(jié)衰老后代謝通路調控T細胞活動,還需要更深入的討論研究。

T細胞是細胞免疫的關鍵細胞,衰老首先誘導T細胞發(fā)育障礙,外周T細胞衰老表型增高,分泌促炎因子增多。T細胞因衰老出現(xiàn)代謝障礙后,促炎通路被進一步激活,炎癥被不斷放大,形成惡性循環(huán)。要想充分了解免疫衰老并進行防治,T細胞可以作為一個主要的靶點。

2.2衰老的表觀遺傳對免疫系統(tǒng)的影響表觀遺傳學是指基因功能發(fā)生了可遺傳的變化,并最終導致了表型的變化,主要的調節(jié)機制包括:DNA修飾、組蛋白修飾、非編碼RNA調控、染色質重塑等。衰老細胞中組蛋白普遍缺失,且組蛋白激活和抑制失衡[17]?；蚪M重排是調節(jié)免疫細胞生長的潛在機制,這種機制由轉錄因子和染色質修飾協(xié)同調控;后期為防止持續(xù)炎癥造成的組織損傷,負調控階段占據(jù)主導地位[18]。

表觀遺傳調控巨噬細胞的發(fā)育,轉錄因子、組織特異性增強子和啟動子都參與了巨噬細胞發(fā)育。以肝臟巨噬細胞庫普弗細胞為例,TGF-β和Notch配體分別激活SMAD4和RBPJ,進一步激活單核細胞中誘導巨噬細胞的決定因子,如LXRα[19]。樹突狀細胞(DCs)的發(fā)育也受到表觀遺傳的調控,核因子IL-3(Nfil3)誘導的Id2抑制Zeb2,在41 kb處增強子上滅活E蛋白,導致32 kb處增強子發(fā)揮作用,形成成熟的樹突狀細胞[20]。固有淋巴細胞可發(fā)揮天然免疫作用。以NK細胞為例,其發(fā)育受轉錄因子的調控,組蛋白H2A去泛素化酶MYSM1通過使組蛋白K119去泛素化,在Id2基因啟動子處與Nfil3結合,促進Id2的轉錄,調控NK細胞轉錄[21]。

無論是衰老調控的T細胞免疫,還是表觀遺傳調控先天免疫系統(tǒng),與免疫衰老密不可分的重要因素是炎性因子。炎癥反應在免疫系統(tǒng)中的作用是一把雙刃劍,一方面有助于清除機體內有害的病原微生物,但慢性炎癥反應的積累又易導致多種疾病,這引起對于炎性衰老的探討研究。

3 衰老與炎癥

3.1 炎性衰老機制炎性衰老是指衰老過程中,機體由于持續(xù)性的抗原刺激和壓力誘導,出現(xiàn)應對應激能力下降,促炎反應慢性進行性加重,是免疫衰老最顯著的后果之一。炎性衰老是對衰老網(wǎng)絡理論和重塑理論的擴展:衰老的網(wǎng)絡理論認為衰老是由細胞和分子防御機制網(wǎng)絡間接控制的;而重塑理論則是指機體在對抗惡性損傷的過程中出現(xiàn)逐漸適應[22]。當感染和組織損傷中的促炎因素被清除,機體病理生理調節(jié)平衡狀態(tài)恢復,炎癥反應就會消失。持續(xù)低強度刺激存在時,炎癥不能進入穩(wěn)定的抗感染和組織損傷修復狀態(tài),最終炎癥持續(xù)發(fā)展[23]。

目前關于炎性衰老的機制可以概括為:①應激理論,促炎狀態(tài)可以幫助老年人處理慢性抗原應激源產(chǎn)生的刺激,但是過度的應激反應,以及伴隨出現(xiàn)的促炎反應,最終導致炎性衰老[24];②自噬理論,自噬可去除細胞中的有害物質以維持穩(wěn)態(tài)和正常代謝,在衰老過程中,自噬清除能力逐漸下降,導致線粒體紊亂和異常蛋白質積累,活性氧(ROS)增加,激活Nod樣受體3(NLRP3),引發(fā)炎癥級聯(lián)反應,加速衰老[25];③DNA損傷理論,持續(xù)端粒DNA和線粒體DNA損傷反應(DNA damage response, DDR),可誘導DNA復制或翻譯錯誤,導致細胞衰老。衰老細胞的DDR激活有助于促炎分泌表型的增加,加劇炎性衰老[26];④干細胞衰老理論,干細胞衰老是衰老的細胞基礎,促炎因子誘導細胞分泌大量炎癥活性細胞因子,抑制干細胞的再生能力,干細胞功能失調,微環(huán)境破壞,最終衰老[27];⑤細胞因子理論,促炎因子在慢性炎癥引起的炎癥衰老中起重要作用,促炎狀態(tài)增加的重要原因是血液循環(huán)中促炎因子水平升高[28]。

炎性衰老的起因在于抗炎和促炎的失衡。炎性因子在體內慢性累積,為組織器官提供炎性環(huán)境,這也是炎性衰老對人體器官產(chǎn)生影響的重要原因。

3.2炎性衰老對組織器官的影響

3.2.1 炎性衰老對肺的影響2020年,新型冠狀病毒(2019-nCoV)席卷全球,患有新型冠狀病毒的患者表現(xiàn)出血清炎癥介質“風暴”,如IL-6和C反應蛋白(C-reactive protein, CRP)的水平急劇升高。通過阻止細胞因子下游的免疫激活和炎癥反應失調的治療方式,如針對IL-6受體(IL-6R)或IL-6的單克隆抗體,從而改善嚴重的新冠肺炎[29]。

COVID-19患者出現(xiàn)嚴重的淋巴細胞減少癥和中性粒細胞大量增加,中性粒細胞的增加反映了與細胞因子有關的急性炎癥反應,淋巴細胞減少表明細胞介導的免疫反應有重大改變[30]。COVID-19患者中存在SARS-CoV-2特異性的CD4+T細胞和CD8+T細胞免疫應答,然而細胞毒性T細胞反應的過度激活決定了COVID-19的嚴重性,CD8+T細胞異常激活是嚴重COVID-19引起心臟損傷的一種潛在機制[31]。

老年人對COVID-19表現(xiàn)出更強的易感性,增齡相關的炎性衰老被認為是易感性增加的主要原因。衰老相關的I型干擾素(Interferon, IFN)應答受損是流感病毒復制增強的原因,SARS-CoV可抑制I型IFN反應,導致對病毒作用的CD8+T細胞反應不良[32]。因此,衰老相關的I型IFN反應減弱和直接病毒抑制作用可被看作關鍵的免疫機制,使老年人對SARS-CoV-2的易感性增強。

3.2.2炎性衰老對心臟的影響健康成年小鼠的心臟包含所有主要白細胞,分布在整個心臟。心臟中基質細胞產(chǎn)生細胞因子、趨化因子和生長因子,可刺激白細胞做出反應,并表達可識別白細胞產(chǎn)物的受體:T細胞分泌的IL-17,可刺激心臟成纖維細胞;巨噬細胞產(chǎn)生轉化生長因子β(TGFβ),血管內皮生長因子(VEGF)和白細胞介素10(IL-10),促進新血管發(fā)生以及炎癥的消退[33-34]。

隨著年齡的增長,心臟的間質纖維化,炎癥細胞及因子浸潤,導致心臟疾病,降低心臟供血能力。衰老過程與心臟白細胞構成和數(shù)量變化相關:老年心臟中含有更多單核細胞衍生的巨噬細胞及CD8+T細胞[35]。免疫系統(tǒng)因衰老發(fā)生變化,罹患心臟病的風險也會增加,但是需要進一步研究以闡明這兩種現(xiàn)象之間的聯(lián)系。

以心肌梗塞為例,95%以上由中、老年人冠狀動脈粥樣硬化所致,冠狀動脈粥樣斑塊破裂后,血小板在破裂的斑塊表面聚集,形成血栓,突然阻塞冠狀動脈管腔,導致心肌缺血壞死[36]。在心肌梗塞局部缺血早期,壞死心肌釋放損傷信號激活肥大細胞,引起脫顆粒并釋放預先形成的促炎性細胞因子和血管活性物質,從而激活內皮細胞[37]。在缺血性損傷后24～96 h,由Ly6c募集的單核細胞從血液進入缺血的心臟組織,分泌促炎細胞因子和趨化因子,如IL-23,驅動先天的γδT細胞產(chǎn)生IL-17A。IL-17A通過CXC趨化因子誘導中性粒細胞浸潤,并通過調節(jié)凋亡蛋白與抗凋亡蛋白之比誘導心肌細胞死亡[38]。

4 免疫系統(tǒng)衰老的干預機制

4.1 表觀遺傳調節(jié)免疫功能如前所述,表觀遺傳調控對于免疫功能有重要影響。在對T細胞組蛋白修飾的研究中發(fā)現(xiàn),抗原特異性CD8+T細胞從幼稚T細胞分化為記憶T細胞的過程中存在表觀遺傳變化,如激活型組蛋白H3K4me3修飾積累,以及抑制性組蛋白H3K27me3減少[39]。

年齡相關的DNA甲基化可以通過調節(jié)免疫相關因子和免疫細胞類型的比例來促進免疫衰老。對新生兒和老年人的CD4+T細胞比較發(fā)現(xiàn),總體DNA甲基化隨年齡增長而下降[40]。通過表觀遺傳調控,如組蛋白修飾或DNA甲基化,改善T細胞衰老情況,為免疫衰老治療提供了新的理論依據(jù)。

4.2工程免疫細胞——CAR T細胞的應用嵌合抗原受體(chimeric antigen receptor, CAR)是一種融合蛋白,包含源自抗體的單鏈可變片段(scFv)的細胞外靶結合域,以及含有CD3z的細胞內信號傳導域,與共刺激分子如CD28,CD137,CD134結合,使用基因轉移技術將T細胞改造為表達CAR的T細胞能夠通過scFv結合域特異性識別其靶抗原,以不依賴MHC的方式被激活[41]。NK細胞通過衰老細胞表面表達的NKG2D識別和殺死衰老細胞。同樣,CAR-T細胞也可靶向癌細胞上的特異性分子NKG2D,具有巨大的抗癌治療潛力。因此,通過工程T細胞識別衰老細胞表面的NKG2D配體清除衰老細胞,使免疫衰老治療成為可能[42]。

癌癥疫苗也可應用于衰老細胞清除,雖然細胞衰老的標志物尚未確認,但衰老的細胞膜暴露于免疫細胞可能會引起免疫反應。衰老特異性抗原暴露于樹突狀細胞以及抗原提呈細胞,經(jīng)過加工,被T細胞識別,最終達到清除衰老細胞作用[43]。

4.3清除衰老T細胞衰老免疫細胞不斷積累會引起免疫功能下降,并占用有能力的免疫細胞所需的免疫空間。T細胞在抗原刺激下大量增殖,這一過程會因為衰老T細胞的存在受到抑制,通過去除衰老性免疫細胞可以增強免疫力[43]。

一種方法是使用與磁珠相連的抗體來過濾血液,去除不需要的衰老免疫細胞;另一種方法是使用藥物特異性殺死衰老免疫細胞或產(chǎn)生免疫細胞的衰老造血干細胞[44]。藥物靶向衰老干細胞使衰老的組織干細胞年輕化,恢復衰老免疫細胞的活力,逆轉其有害表型,以改善免疫功能,可能比清除衰老細胞更有效。

4.4線粒體功能調節(jié)線粒體對于細胞的代謝和氧化還原平衡至關重要。線粒體內氧化反應過程中會產(chǎn)生活性氧(ROS),導致DNA損傷,端粒區(qū)域單鏈斷裂,促進端粒的縮短和細胞衰老。mtDNA受到ROS侵害,繼而損傷氧化磷酸化功能,進一步增強了ROS的釋放。過量的線粒體ROS可以作為信號分子,觸發(fā)p53/p21WAF1和Rb/p16INK4a途徑,導致細胞衰老和細胞周期停滯[43]。

線粒體功能障礙也會影響正常的T細胞功能。相對于來自年輕人的CD4+T細胞,來自老年人的CD4+T細胞中被吞噬到自噬體中的功能障礙線粒體數(shù)量增加,這些有缺陷的線粒體可進一步引起炎癥,使老年人免疫防御系統(tǒng)受損[45]。因此清除功能障礙的線粒體可能會對T細胞衰老起到一定的補救作用,進而緩解免疫衰老。

4.5衰老相關信號通路調節(jié)衰老細胞的特征包括DNA損傷反應、衰老相關的β-半乳糖苷酶(senescence-associated-β-gal, SA-β-gal)活性增強、細胞周期蛋白依賴性激酶(cyclin-dependent kinase, CDK)抑制劑p16INK4a和p21的表達增加、衰老相關分泌表型和衰老相關異染色質的形成[46]。p53在細胞衰老的情況下會出現(xiàn)高表達,而Akt和p21是p53誘導細胞衰老所必需的下游分子;另外,AMPK介導的p38信號傳導通過抑制端粒酶活性、細胞增殖和細胞受體信號體分子的表達誘導T細胞的衰老[47]。

針對信號通路的調控機制得到了極大的關注。如阻斷p38和PD-1可以增強細胞增殖,抑制p38 MAPK信號傳導可以誘導衰老的CD8+T細胞的自噬并增強端粒酶活性[48]。通過抑制些信號通路延緩細胞衰老,可以達到免疫衰老治療的效果。

4.6胸腺移植對去胸腺小鼠進行胸腺移植,可以支持小鼠T細胞的正常發(fā)育分化,小鼠細胞免疫功能恢復。異種胸腺移植可能為艾滋病晚期患者或其他由于胸腺功能障礙引起的免疫缺陷性疾病等提供新的治療手段。臨床上,胸腺移植主要針對由于原發(fā)性無胸腺癥,導致功能性T細胞缺乏而患有嚴重原發(fā)性免疫缺陷病的兒童[49]。但是,將年輕人的胸腺移植給老年人,以此改變老年人的T細胞分化發(fā)育狀態(tài),也有望成為免疫衰老一種治療方法。

另一種方式則是通過T細胞祖細胞(pro T)移植改善胸腺退化。Pro T細胞移植后,宿主胸腺內CD4單陽性或CD8單陽性T細胞明顯增多,pro T細胞促進了胸腺中T細胞的重構[50]。但是如何將pro T細胞療法應用于臨床,仍有待進一步的探索。

5 結語與展望

我國已步入老齡化社會,衰老相關疾病發(fā)病率增高,這些疾病嚴重降低了老年人的生活質量,也影響了社會發(fā)展,加重我國的經(jīng)濟及醫(yī)療負擔。

隨年齡增長出現(xiàn)的免疫功能降低是導致老年人對病原微生物易感性增加的重要原因。從根本上增強老年人抵御病原體的能力,提高老年人免疫功能至關重要。本文歸納了衰老對免疫系統(tǒng)的影響,并從多個角度探討了炎性衰老的作用機制,分析了現(xiàn)階段關于免疫衰老干預機制的可行性,如CAR-T應用于腫瘤細胞的清除。胸腺移植可考慮作為免疫缺陷病的治療途徑。雖然目前尚不可能阻止免疫衰老的發(fā)生,但是通過不斷地研究和實踐,有望發(fā)現(xiàn)更多的延緩免疫衰老的方法和手段,提高老年人群體的健康水平。