长期以来,肥大细胞( mast cell,MC) 一直被认为是变态反应和机体抵抗寄生虫入侵的关键效应细胞,但最新的研究发现 MC 不仅可作为效应细胞起作用,也可在免疫应答中起调节作用。本文现就这方面做一综述。
1、 MC 的一般生物学特征
MC 起源于造血干细胞,其前体细胞通过血液循环主要进入与外界想通的组织,如皮肤、呼吸道、肺组织、胃肠道和呼吸系统,在这些部位 MC 前体发育成熟。MC 与单核细胞、巨噬细胞一样是长寿命细胞,但在适当刺激下,可以进入细胞增殖周期而增生。MC 根据分布部位和颗粒中含有类胰蛋白酶、糜蛋白酶的不同,主要分为黏膜 MC 和结缔组织MC 两个亚群,前者颗粒中仅含类胰蛋白酶,主要分布在呼吸道和胃肠道黏膜组织; 后者类胰蛋白酶、糜蛋白酶都含有,主要分布在皮肤、呼吸道和胃肠道黏膜下组织。两种亚群的 MC 不是固定不变的,在适当的微环境中可以相互转化,如黏膜 MC 在SCF、NGF、IL-6、IL-4 存在情况下可以转化为结缔组织 MC。多做刺激物( 包括特异性抗原和 IgE 抗体)能通过 FcεRⅠ依赖和非依赖性( 如 c-Kit、TLR) 的方式激活 MC。激活的 MC 可以产生三种类型的效应分子: 第一类是已存储在颗粒中的物质,如 5 - 羟色胺、组胺、肝素、类胰蛋白酶、糜蛋白酶等; 第二类是受刺激后新合成的物质如脂类介导物、前列腺素、白三烯等; 第三类是细胞因子,如 IL-1、3、5、8、10、GM-CSF、TNF-α、TGF-β、VEGF 等。正是因为产生这么多种类的效应分子,因此 MC 可以参加机体内多种生物学过程。
2、 MC 的激活
2. 1 FcεRⅠ依赖的 MC 激活 抗原依赖的 MC 激活是一个复杂的细胞内信号转导事件,这一事件启动于 FcεRⅠ的聚集。FcεRⅠ是由 α、β 链和两条 γ链组成的四聚体,由 α 链负责结合 IgE。FcεRⅠ信号的起始是首先活化 Src 家族激酶 LYN,在脂筏中聚集的 FcεRⅠ与 LYN 的相互作用,使 FcεRⅠ成为磷酸化状态。FcεRⅠβ 链和 γ 链 ITAM 基序中的酪氨酸一旦被 LYN 磷酸化后分别成为含 SH2 结构域的 LYN 和 ZAP70 相关的酪氨酸激酶 SYK 的停泊位点。SYK 结合 FcεRⅠ后通过磷酸转移或自身磷酸化作用而获得催化活性,进一步激活下游的跨膜衔接蛋白 LAT,通过 LAT 启动下游两条主要的信号转导通路,一条是 PLCγ 介导的磷脂酰肌醇途径,另一条是 Ras 蛋白参与的 MAPK 途径。
2. 2 非 FcεRⅠ依赖的 MC 激活 除 FcεRⅠ可以启动激活外,MC 还可以通过 c-Kit 等受体介导其活化。c-Kit 受体是一条单链跨膜蛋白,属于Ⅲ型酪氨酸激酶受体,它的特异性配体是 SCF。c-Kit 胞外区包括 5 个 Ig 样结构域,胞内部分包括 2 个酪氨酸激酶区。SCF 启动的 c-Kit 激活在 MC 生长、分化、存活、归巢中起到关键作用,因此体内 FcεRⅠ启动的 MC 激活可能发生在 SCF 介导的 c-Kit 激活背景下。c-Kit 受体激活的主要下游信号包括 PI3K、Src激酶、MAPK、磷脂酶 C 和 D 途径等。但与 FcεRⅠ介导的信号相比,c-Kit 启动的信号要来的慢,强度也低,这也可能是为什么单独 c-Kit 信号不足以导。TLR 介导的激活也是 MC活化的一种方式,MC 表达多种 TLR,人和啮齿类动物在 TLR 表达和细胞分布上略有不同,人 MC 表达TLR1-9。同其他细胞一样,MC 中 TLR 诱导的信号可以导致刺激物特异的转录激活和细胞因子的产生。运用 TLR 的激动剂预处理 MC,可以增强 IgE依赖的 FcεRⅠ介导的脱颗粒效应。除了这些受体外,MC 还可以通过补体受体、FcγR、细胞因子受体等激活 MC,体内 MC 的激活可能是这些受体启动信号的一个整合效应。
3、 MC 的研究模型
关于人体内 MC 的研究,如果要控制其数量、表型及功能非常困难,因此研究者采取了较易控制的MC 动物实验模型。如要分析 MC 的功能或其在某一生物学过程的作用,常采用 Kit 突变小鼠( WBB6F1-KitW / W-v或 C57BL/6-KitW-sh / W-sh) ,这种小鼠几乎完全缺乏 MC。Kit 突变小鼠可以通过过继转移体外来源 MC 的方式恢复 MC 数目。为了进一步研究 MC 的功能,过继转移的 MC 可以不是野生型的,根据实验需要可以进行基因修饰( 如通过RNA 干扰技术降低某种基因的表达) ,Kit 突变小鼠过继转移 MC 后称为 MC 敲入型小鼠。C57BL/6-KitW-sh / W-sh型小鼠比 WBB6F1-KitW / W-v小鼠的应用更为广泛,因为前者呈现较少的表型异常,如贫血、不育、骨髓和粒细胞数目减少等。这种小鼠遗传背景的差异会影响研究的结论。如有研究证明自身抗体并不能诱导 WBB6F1-KitW / W-v型小鼠产生关节炎症 状,但 其 他 的研究却报道MC缺陷的C57BL /6-KitW-sh / W-sh小鼠形成了自身抗体介导、中性粒细胞依赖的免疫复合物型关节炎,研究者把这种差异归结于 WBB6F1-KitW / W-v型小鼠存在中性粒细胞的缺陷。
4、 MC 可作为抗原递呈细胞 ( antigen-presentingcell,APC)
MC 表达 MHCⅠ、Ⅱ类分子,体外实验表明,MC能加工、递呈抗原给 T 细胞,诱导抗原特异性 T 细胞克隆扩增。MC 也能通过 FcεRⅠ结合的 IgE增加抗原递呈,但这种方式并非是 MHC 分子依赖性的,它源于 MC 凋亡后被其他 APC 吞噬后介导。
目前关于体内 MC 递呈抗原的报道较少,Stelekati等人的研究报道体内抗原负荷的 MC 可以促进CD8+T 细胞激活增生产生 IL-2、颗粒酶 B 等效应分子。
5、 MC 的免疫调节作用
5. 1 MC 募集 T 细胞 MC 通过产生的不同化学因子控制着 T 细胞的迁移。MC 可以通过产生白三烯 B4( leukotriene B4,LTB4) 募集表达 LTB4 受体的CD4+Th1、Th2、CD8+效应 T 细胞( 但不包括 CD8+记忆性 T 细胞) 到达炎症区域。MC 也可以通过产生的 TNF-α 上调内皮细胞 ICAM-1、VCAM-1、E-选择素等黏附分子的表达,而有利于循环中的淋巴细胞进入炎症区。最近,有报道称,MC 表面 TLR3的激活能导致 CXCL10、CCL5 的表达上调,而有利于 CD8+T 细胞的募集。MC 分布在血管、神经周围是有意义的,通过其释放的血管活性胺类( 如组胺) ,MC 能调节血管的通透性而打开血 - 脑屏障,导致激活的 T 细胞进入脑组织,并且组胺与 PGE2一起能激活 DC 优先产生 CCL17 和 CCL22 而募集Th2 细胞。
5. 2 MC 的正向免疫调节作用 MC 可以表达多种协同刺激分子,如 B7 家族成员、TNF-α 及其受体家族成员、CD28、CD40L 等。体外研究已证实MC 有协同刺激效应,如 Nakae 等的研究结果显示,MC 表面的 OX40L 与 T 细胞表面 OX40 的相互作用对 T 细胞的增生与细胞因子的产生是必需的。
外周免疫器官中,B 细胞表面 CD40 与 T 细胞表面CD154 的相互作用对 Ig 的类别转换及生发中心的形成是非常重要的。有报道称 MC 系及某些组织中的 MC 可以表达 CD154,这些 MC 在 IL-4 或腺苷存在的情况下,可以与 B 细胞相互作用诱导 IgE 的产生,这种效应完全是在 T 细胞不存在的情况下发生的。大鼠 MC 也能在 IL-4 和 LPS 存在的情况下,增加 B 细胞 IgE 和 IgG1 的产生。另外 MC 还可通过产生 IL-4、IL-5、IL-6、IL-13 等细胞因子影响 B 细胞的发育。DC 作为体内能激活初始 T 细胞的APC,在启动适应性免疫应答中起到了重要作用。
现在有很多证据表明,MC 及其产物可以调控 DC 的迁移、成熟和功能。MC 起源的 IL-16、IL-18、CCL5、PGE2 能促进 DC 募集到免疫反应局部,而别的分泌物像 TNF-α、IL-1 除有利于 DC 的迁移,还可以通过上调 α6β4、α6β1 整合素、CD80、CD86、CD40、MHCⅡ类分子,而促进其功能成熟。MC 产生的组胺可以通过 H1、H2 受体增加 DC MHCⅡ类分子和协同刺激分子的表达促进其发育成熟。MC 的另一个分泌产物 CCL20 可以募集 DC 前体从血管迁移到感染局部,扩大了免疫反应中的 DC 群体。在Th2 相关的免疫反应中,MC 通过产生的 TSLP、IL-25 可以调控 DC 的功能,IL-25 可以促进特定亚群的DC 产生 IL-4、IL-5、IL-13,而 TSLP 能促进 DC 成熟和产生可以诱导 Th2 细胞迁移的 CCL17。
现在的研究表明,MC 对于病原微生物感染模型动物的存活至关重要。Orinska 小组证明 MC 在保护脓毒症模型小鼠的存活中起到了重要作用,他们的研究结果显示 MC 起源的糜蛋白酶通过诱导产生中性粒细胞趋化因子在这一现象中起到了关键作用,而 MC 胞内存在的 IL-15 可以阴性调节糜蛋白酶的表达而负反馈控制这一现象。在大肠杆菌感染的动物模型中,MC 起源的 TNF-α 对淋巴结的增生是必须的,在这个过程中一方面携带有特异性抗原信息的 DC 进入淋巴结,另一方面淋巴细胞滞留,MC 增加了淋巴细胞对特异性抗原应答的可能性,因此野生型小鼠比 MC 缺陷型小鼠针对大肠杆菌的特异性抗体滴度增加。MC 起源的蛋白酶 6( MCP-6) 也被证明能促进宿主防御,Thakurdas等的研究结果显示,MCP-6 缺陷型小鼠肺炎克雷伯菌感染后,死亡率明显增加并且感染局部中性粒细胞浸润减少,而 Shin 研究小组则发现 MCP-6 可以通过募集嗜酸性粒细胞在抵抗旋毛虫感染中起到重要作用。
现已证明,继发淋巴器官存在寄居的 MC,并且在炎症因子的调控下 MC 前体可以迁移到脾、淋巴结等外周免疫器官,而 T 细胞的分化主要发生在继发淋巴器官,在这些部位 MC 与 T 细胞的相互靠近允许 MC 可以影响 T 细胞的极化状态,例如 MC 来源的组胺可以通过 H1 受体促进 Th1 细胞的极化。
在髓磷脂碱性蛋白( MBP) 诱导的实验性自身免疫性脑脊髓炎( EAE) 中,MC 能增加疾病的发病率和严重性。MC 起源的分子,如蛋白酶类、氧自由基在这一过程中起到关键作用。这些产物能降解髓磷脂成分碱性蛋白,导致脱髓鞘,引起大量炎症细胞的浸润,产生局部炎症; 组织破坏的产物进一步激活 MC,导致更多的产物释放、组织破坏、大量炎性细胞的浸润和持续的炎症。MC 缺陷型小鼠 EAE 病情程度降低,并且进入 CNS 的自身反应性 CD4+、CD8+T 细胞数目减少,而这种小鼠过继转移 MC 后,CNS 出现明显加重的炎症和大量自身反应性 T 细胞的浸润。
总之,MC 有正向的免疫调节作用,表现为淋巴结或炎症局部的 MC 通过表面的协同刺激分子或产生的介质、细胞因子增加宿主的防御反应或促进疾病的发生。
5. 3 MC 的负向免疫调节作用 MC 可以正向调节免疫应答,但在一定条件下,它也可以阻止免疫反应。近来的报道称 MC 具有维持外周耐受和阻止过量炎症反应的重要作用。在膀胱感染时,MC 针对大肠杆菌的激活信号在启动前炎症反应时,也伴随着产生免疫抑制分子 IL-10,促使膀胱炎症消退。除了 IL-10,MC 也可通过产生 TGF-β 抑制体内 DC 和巨噬细胞的功能,对于巨噬细胞来说,TGF-β 减少了 TLR 激活的 TNF-α 和 CCL3 等细胞因子的转录,其也可通过阻止 iNOS 的表达减少 NO的产生。
现已有报道表明,MC 可以降低免疫反应的规模、大小和持续时间。Hart 等在小鼠的接触性皮炎模型中,证明 MC 介导了紫外线 B 诱导的系统性免疫抑制,MC 有这种负向免疫调节作用要归结于其产生组胺的缘故。Grimbaldesto 研究小组则在小鼠变应性接触性皮炎模型中意外发现,MC 持续地限制了模型小鼠病变局部粒细胞、巨噬细胞、T 细胞的浸润及表皮的水肿、坏死,MC 的这种效应是由于其产生的 IL-10 介导的抗炎及免疫抑制作用。
MC 也可在其他动物模型起免疫抑制作用,Lu 等人证明 MC 在 Treg 细胞依赖的同种异体移植耐受中起关键作用,并且激活的 Treg 细胞通过产生大量的IL-9 募集与激活 MC 介导了局部的皮肤移植耐受。Huang 等的报道称 SCF 激活的 MC 通过释放腺苷和增加局部微环境中浸润 Treg 数目,而抑制T 和 NK 细胞的功能,从而加重肿瘤微环境的免疫抑制。
血清素通常被认为是一种神经递质,但近来发现它也参与了免疫反应。有研究认为血清素能促进 T 细胞增生,被认为是 T 细胞激活的辅助信号。
MC 可以表达血清素特异的转运蛋白,因此可以吸收和存储血清素。因此在免疫反应中,MC 的存在有可能导致局部微环境血清素的减少,从而不利于T 细胞的激活和增生。除了分泌具有免疫抑制效应的分子外,MC 也被报道其表面表达具有抑制功能的协同刺激分子 PDL1、PDL2,因此 MC 也可能通过直接接触抑制表达 PD1 分子 T 细胞的功能。
6、展望
在这篇综述里,我们讨论了 MC 在免疫反应中既可具有正向也可具有负向的免疫调节作用。如何利用 MC 这种双向免疫调节作用的特点,对于临床上开展以 MC 为靶点的治疗非常重要。对于肿瘤、感染性疾病,可以采用 MC 疫苗佐剂的方法,在疫苗接种的同时,激活 MC 释放 TNF 及其他产物以增强抗原特异性免疫应答; 而对于变态反应、自身免疫性疾病,如何有效诱导 MC 产生 IL-10 或 TGF-β分子可能会是一个好的方案。关于这两方面的研究都将是未来研究的重点。
