肠道粘膜免疫系统抗原提呈细胞研究进展

免疫学杂志 第25卷 第2期 2009年3月 #综 述#

[文章编号]1000-8861(2009)02-0225-04

肠道粘膜免疫系统抗原提呈细胞研究进展

周维英,张卫军综述,邹全明审校

[摘 要] 肠道粘膜免疫系统持续暴露于大量种类繁多的抗原,是病原体入侵的最大门户,因此抗原识别以及产生迅速有效的免疫反应对机体来说至关重要。免疫反应产生的一个限制性步骤是抗原识别、处理与呈递。参与肠道粘膜抗原提呈的细胞及分子数量多、种类多,相互作用复杂,并且有其特有的性质。

[关键词] 肠道;粘膜免疫;抗原提呈细胞

[中图分类号] R392.12 [文献标志码] A

*

Progressinantigenpresentingcellintheintestinal

ZHOUWeiying,ZHANGWeijun

DepartmentofClinicalMicrobiologyandClinicalImmunology,CollegeofMedicalLaboratory,ThirdMilitaryMedicalUniversity,Chongqing400038,China

[Abstract] Antigenpresentationisnotonlyakeyprocedureinimmuneresponsebutalsoacomplicatedinteractionandcross-talkbe-tweenmoleculesandcells.Thisarticlereviewsthenewdevelopmentonantigenpresentationandprocessingpathwayinthelocalmicroenviron-mentoftheintestinalimmunesystem,anddiscusseswhichcellsandmoleculesparticipateandpromotetheprocess.

[Keywords] gastrointestinaltract;mucosalimmunity;antigenpresentationandprocessingcell 肠道粘膜免疫系统在对无害抗原的免疫耐受和对有害抗原的免疫应答中必需处于微妙的平衡,才能维持机体健康。因此准确识别有害、无害抗原以及对有害抗原产生迅速有效的免疫反应对机体来说至关重要。参与肠道粘膜抗原提呈的细胞及其分子非常复杂,有其特有的性质,本文就肠道粘膜部位抗原提呈细胞的新近研究进展作一综述。

lymphoidtissue

CD11c

Peyer.spatcheslaminapropria

MLNs

+

表1 结肠粘膜和其它淋巴组织DCs的分布

Tab1 ThemainsubsetsofDCsinintestinalandotherlymphoid

tissues

subsetpercentage

CD11b

+

-+

-+

+

--

CD8ACD11cCD11bCD8ACD11cCD11bCD8A

30-4050-6030-40

30-3515-2030-35

30-3515-2030-40

1 肠道粘膜专职抗原提呈细胞(professionalant-igen-presentingcell)

1.1 树突状细胞(dendriticcells,DCs)

1.1.1 粘膜DCs来源与特点 粘膜组织的淋巴样器官(集合淋巴结-Peyer.spatches,PP结)和固有层内(LaminaProria,LP)存在大量的DCs,主要亚型及分布见表1[1-2],其来源有2种:1)骨髓CD34+或CD14+前体细胞;2)血中单核细胞。粘膜DCs具有其它组织DCs所不具备的特性[3]:1)在体外倾向性诱导Th2型反应;2)具有独特的选择性标记胃肠道归巢T细胞的能力,CD8+T淋巴细胞被PP结DCs预处理之后可以获得消化道趋向性。PP结DCs诱导已接触抗原的CD8+T淋巴细胞高表达肠道归巢整合素A4B7和趋化因子受体CCR。3)在稳态或未受侵扰状态下,粘膜DCs以快速的更新率(2~4d)不断地迁移至引流淋巴结。在粘膜感染或炎症的情况下,诱导产生的细胞因子可以极大增强DCs的迁移和活化。

作者单位:第三军医大学临床微生物学及临床免疫学教研室收稿日期:2007-06-11;修回日期:2007-10-16

*通信作者:周维英,第三军医大学临床微生物学及临床免疫学教研室,重庆400038;Tel:023-68753591;E-mail:flywithme0118@http://www.77cn.com.cn

1.1.2 粘膜DCs活化 未成熟DCs具有很强的吞噬能力,高表达细胞内MHC分子,低表达共刺激分子。一旦受到刺激,DCs开始活化成熟的过程)))失去吞噬能力,激活抗原加工机制,细胞表面开始呈现捕获抗原的MHC分子,高表达共刺激分子,合成TNFA、IL-1B、IL-12、IL-4等细胞因子,随后,

DCs失去最初引导其进入并使其定居在组织部位的趋化因子受体CCR1、2和5,继而进入淋巴循环,同时细胞表面CCR7表达上调(CCR7是DCs归巢至二级淋巴器官的必需分子)[4]。DCs活化刺激因素可以是细胞因子(如IL-1B、TNF-A、IL-6、TGF-B、GCF、IL-4)、细菌产物(脂多糖,LPSs)、毒素、物理创伤或紫外照射等,它们能有效活化集合淋巴结的DCs和肠上皮层基底膜下面的DCs[5-6]。现已证明Toll样受体(Tol-llikereceptors,TLRs)信号途径是一种非常重要的DCs信号活化途径。

1.1.3 粘膜DCs功能 粘膜DCs在诱导免疫应答和免疫耐受双方面均起到非常重要的作用,本文着重介绍其具有粘膜特质的功能。对同样一个刺激,PP结和MLNs的DCs产生抑制性细胞因子;而脾脏的DCs则产生刺激性细胞因子[7]。未

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成熟的DCs能够迁移至外周淋巴样器官,在那里DCs递呈内源性抗原至T细胞,导致自身反应性T细胞的缺失或者是失活,从而诱导免疫耐受[2,8],新近研究表明这个过程同时还涉及IL-10和TGF-B等细胞因子以及粘膜DCs与调节性CD4+CD25TR细胞、肠上皮细胞的相互作用

+

[9-10]

单核细胞。肠道巨噬细胞不表达LPS,IgA,IgG,CR3(CD11bPCD18),CR4(CD11cPCD18),IL-2和IL-3的受体,或者整合素LFA-1(CD11aPCD18),而这些分子组成性或诱导表达在血单核细胞。肠道巨噬细胞也不产生致炎因子,包括IL-1,IL-6,IL-10,IL-12,RANTES,TGF-B,和TNF-A。这是因为固有层间

质细胞通过释放TGF-B下调单核巨噬细胞表达促炎反应因子受体,和促炎症细胞因子的产生,但肠道巨噬细胞保留了吞噬功能和杀菌活性[22]。

来源于单核巨噬细胞和B细胞的2种肠道巨噬细胞均可直接摄取抗原或吞噬由M细胞转运的抗原。但二者以不同类型的免疫反应发挥作用:单核巨噬细胞从细胞外环境摄取抗原的能力是由其表面表达的免疫球蛋白受体、补体受体、激素受体、多糖受体等所赋予的,并且主要产生Th1型或NK型反应,从而增加其表面共刺激分子的表达,加强巨噬细胞的效应功能。此类细胞在IFN-C(C-干扰素)丰富的环境中发挥功能较佳,并可促进细胞介导的免疫反应;B细胞来源的巨噬细胞可组成性表达多种细胞表面分子,包括B2、CD40、ICM1、MHCÒ类分子,从而有效的刺激T淋巴细胞。此类细胞主要提呈细菌或细胞膜成分,在Th2型环境(如IL-4丰富)中可更好地发挥功能,主要促进体液免疫。

1.3 B细胞 B细胞的独特性质是可分泌抗原特异性免疫球蛋白,这使B细胞可以选择性地结合来自血清蛋白库的少量外源蛋白,因此使B细胞成为有效的APC。B细胞提呈抗原的一个优势在于T细胞识别抗原的过程中,相互反应的T、B细胞均可被激活。另外,B细胞可组成性地表达MHCÒ类分子、共刺激分子CD80(B71)和CD86(B72)。小鼠PP节的DCs摄取抗原后与PP节的B细胞相互作用,诱导IgA+B细胞通过淋巴和血液再循环归巢至肠固有层成为浆细胞,分泌IgA穿过上皮细胞层结合共生菌,作为保护性负反馈机制限制细菌穿过上皮细胞层[23]。

。值得注意的

是在缺失趋化因子受体CCR7的小鼠体内,DCs不能从肠迁移至肠系膜淋巴结,口服耐受诱导受阻[11-12]。

粘膜DCs的很多功能是与肠上皮细胞相互作用来实现的,二者的相互作用对肠道粘膜天然屏障作用和获得性免疫应答来说都具有重要的调节作用[13]。粘膜DCs表达紧密连接蛋白,其水平受细菌或细菌产物调节,DCs通过紧密连接蛋白与附近的上皮细胞在结构上建立紧密的连接,因此上皮屏障结构及功能得以保持。在感染时,固有层DCs能够打开邻近上皮细胞间的紧密连接,延伸树突至肠腔捕获细菌直接穿越粘膜上皮。无数个延伸的突触形成网络结构(图1)[14],并且这种抗原摄取方式受到CX3CL1(上皮细胞产生的一种趋化因子)的调节[15-16]。在CX3CR1受体基因敲除的小鼠体内,DCs被趋化至肠腔,但不能延伸树突穿越上皮细胞,小鼠对沙门氏菌感染敏感性提高。这种调节的分子机制可能是CX3CR1与它的配体相互作用调节紧密连接蛋白的表达,因为紧密连接蛋白是DCs在上皮细胞间匍匐延伸所必需的分子[17]。JuliaMallegol[18]揭示了另一种粘膜上皮细胞与粘膜DCs相互作用的抗原提呈的机制:肠粘膜上皮细胞释放的带有外原性肽与MHCÒ复合物的囊泡可优先与粘膜DCs相互作用,使肽复合物能够进一步提呈至T细胞。Auray[19]报道在小球隐孢子虫感染状态下,肠上皮细胞能够产生多种吸引DCs迁移的趋化因子,驱使DCs迁移至效应部位发挥功能。

在防御的第一线,粘膜DCs在功能上还可以作为效应细胞。DCs被IFN-C活化后,通过氧依赖机制抑制鼠弓形体的复制[20]。免疫初级阶段,NK细胞表现为与DCs相互作用[21],DCs也能激发NK细胞功能。目前关于粘膜DCs还有很多未知的问题,如DCs是如何感应粘膜上皮的顶膜细菌的存在,又是如何识别致病菌和共生菌?DCs识别有害抗原和无害抗原是本能,还是局部的微环境赋予DCs的这种能力?

这些问题还需进一步研究。

2 肠道粘膜非专职抗原提呈细胞

2.1 肠上皮细胞(intestinalenterocyte,IEC) 肠粘膜上皮细胞除了是天然防御屏障,还可作为APC。这是因为IEC是与抗原接触的主要部位,并且IEC可表达多种与抗原提呈相关的分子(表2、3)[24],可选择性地将抗原有效地提呈给IEC下面与之相邻的淋巴细胞。IEC的抗原提呈功能主要是由其表达的抗原提呈相关分子来实现的。

2.1.1 IECMHCII类分子抗原递呈 IEC表达MHCII类分子受炎症因子影响表达上调,如IFN-C,体外功能研究表明这些IEC可提呈内源性可溶性肽抗原(如病毒复制蛋白),从而激活致敏T细胞。在正常状态下,IEC优先刺激CD8+T细胞,产生抑制性反应,这种抑制机制可能在粘膜免疫耐受中起作用,使全身免疫系统对食物等无害抗原不起反应。从患有慢性自发性肠炎症,溃疡性结肠炎患者分离出来的IEC高表达MHCÒ类分子,可优先且有效地激活CD4+T细胞,但不能诱导CD8+T细胞的抑制活性,可能为这些疾病发病的免疫损伤机制提供了一个重要证据。

2.1.2 IECMHCÑ类样分子抗原递呈 人类IEC表达的MHCÑ类样分子有MHCI类相关分子(如MICA,MICB,HLA-E)和MHCÑ类不相关分子(如CD1d,FcRn)。其中,MICA分

图1 固有层CX3CR1DCs延伸突触形成网状结构Fig1 Anetworkofmyeloid-derivedCX3CR1DCs

inthelaminapropria

1.2 巨噬细胞(macrophages) 研究表明尽管肠道巨噬细胞也来源于血单核细胞,但肠道巨噬细胞的表型明显不同于血

+

+

#

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子可能与经典HLAÑ类分子一样,有抗原递呈的功能。MI-CA分子在与TCR和肽结合的区域有高度的变异性支持这种说法。

与经典的MHCÑ和MHCÒ类分子相比,CD1d分子可以结合较大的抗原肽。CD1d分子可以通过gp180与CD8T细胞结合;CD1d也可以提呈糖脂质抗原至CD4+T细胞和带有不变的T细胞受体A链(VA24JAQ)的双阴性T细胞(CD4-CD8-)。在小白鼠体系内其它TCR特异性的CD8+T细胞也能识别CD1d,这一点可以解释CD8+T细胞对IEC做出应答反应时会增大,这个现象可被抗CD1d的单克隆抗体所阻断,而不能被MHCÑ或MHCÒ类分子的特异性抗体所阻断;IEC上的CD1d还可以递呈脂类抗原至NK-T细胞。

FcRn显著高表达在成人IEC[24]。FcRn结合IgG表现为pH依赖性(pH6.0结合,pH7.4解离)。在新生儿期,FcRn功能性参与IgG的被动获得。成人时期的表达表明其具有另外潜在的功能。利用体外FcRn功能模式系统,发现FcRn在成人上皮细胞的转运是双向的并且是依赖内涵体酸性的,这一点与FcRn与其配体IgG结合是pH依赖的相一致。FcRn涉及一种独特的肠腔抗原免疫监视机制,这种机制是肠腔抗原以与IgG形成免疫复合物的形式被摄取、递送至基底膜外侧面使其与APC接触的机制[24]。 表2 肠上皮细胞上的跨细胞受体 Tab2 Transcytosingreceptors

itemsstructureexpres-sionhumanratspecificityvectoraldirection

intestinalepithelialcellshepatocytePolymericIgMPIgABasolateralyApical

IEC(adultandneonate)IEC(neonate)IgGBasolateral

PolymericIgreceptorIg-superfamily

FcRn

MHCclassÑ-like

+

泡相关上皮或微皱褶细胞[25],分布于肠全段淋巴滤泡圆顶区之上,远段结肠及直肠粘膜。M细胞的来源至今还不清楚。M细胞具有不规则的刷状缘和少量多糖-蛋白复合物,可有效地摄取和转运肠腔内各种大分子和微生物至上皮下PP结的免疫细胞[26]。M细胞与运送物质的结合可以是非特

异性的,也可以是由一些分子(如,整合素、外凝集素)之间的相互作用而介导的特异性粘附,或者是细胞内吞机制。例如,沙门氏菌鞭毛操纵子的产物、假结核耶尔森(氏)菌的外源凝集素可以与表达在M细胞顶端的B1-整合素高亲和力地结合。最近研究进一步揭示了在粘膜界面,细菌、上皮细胞和免疫系统之间复杂的相互作用,提出了M细胞在介导穿越滤泡上皮的抗原转运时会迅速地因暴露于不同的细菌而被改造,因此可以通过这条途径寻找新的方法以获得更有效的粘膜抗原递送[27]。另外,研究M细胞特异性结合可以更好地开发粘膜疫苗:例如,通过结合M细胞特异性分子提高口服疫苗摄取效率;M细胞特异性活载体,如减毒沙门氏菌,也可以用来递送其它微生物的抗原表位;粘膜疫苗的效力还可以通过暂时性增加M细胞的数量来提高。

2.4 CD70+APC Laouar[28]报道在C57BLP6小鼠小肠粘膜分离到一种非血系来源的固有层专有的特殊细胞群。该细胞组成性表达共刺激分子CD70并具有抗原递呈功能,因此称为CD70+细胞或CD70+APCs。表型分析CD70+细胞不表达T细胞表面标志CD3、CD4和CD8,B细胞表面标志CD19,巨噬细胞标志CD11b、F4P80、MOMA-1和MOMA-2,DCs的表面标志CD11c、CD11b、DEC-205和MHC12-14,没有典型的树突,且不能受归巢受体的作用迁移到别处。因此认为CD70+细胞是肠道固有层专有的、具有不寻常表型的一群特殊的细胞群。研究发现小鼠口服感染单核细胞增多性李斯特杆菌,肠道粘膜感染部位发生抗原特异性T细胞的增殖、分化,用抗CD70的单克隆抗体阻断CD70的共刺激就会阻断粘膜抗原特异性T细胞的分化和效应功能;用CFSE(carboxyfuores-ceindiacetatesuccinimidyldiester)标记的单核李斯特杆菌感染固有层中细胞,通过流式细胞技术证明了CD70+细胞能够有效地摄取单核李斯特杆菌。利用荧光显微镜也观察到了CD70+细胞内CFSE-标记的单核李斯特杆菌的存在。并且证明这种吞噬作用不是靠简单的非特异性结合,甚至,在小鼠口服感染单核李斯特杆菌模型中,也证实了活体内CD70+细胞能够吞噬单核李斯特杆菌。LaouarL这一发现为探索黏膜T细胞反应是怎样被诱导和调控提出了一个新的途径。

表3 肠上皮细胞上的免疫调节分子

Tab3 Immunoregulatorymoleculesonintestinalepithelialcells

TcellbindingPcostimulationCD58E-cadherinCD23gp80CD66aCD1dMHCclassÑMHCclassÒMICA,MICB

cytokinereceptorsIL-2RIL-15RIL-1RIL-6RIL-10RTNF-RGM-CSF-RIFN-CR

IL7,IL8,MIP1BIL-1IL-6

C-X-CchemokineC-CchemokineTGF-A,IL10TGF-B

cytokines

3 结论

参与粘膜抗原提呈的细胞,分子及其机制多而复杂,且有其独特的性质和特点,深入研究粘膜抗原提呈细胞、分子

及其诱导免疫应答、免疫耐受机制,以发展有效的策略消除针对自身抗原免疫反应或增强针对粘膜表面侵入或复制的病原体的抵抗力反应,从而更为合理地设计粘膜疫苗,控制感染和自身免疫性疾病的发生。

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分子,因此对经固有层吸收的食物抗原表现出耐受。2.3 粘膜M细胞(microfoldcells,M细胞) M细胞又称滤

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331-341.

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(编辑 侯 瑞)

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