程序性死亡受体1及其配体在支气管哮喘中的作用研究进展

甘劭丁,倪海阳综述 聂汉祥审校

支气管哮喘(bronchial asthma)是一种以多种细胞,尤其是肥大细胞、嗜酸性粒细胞和T淋巴细胞及多种炎性因子参与的慢性气道炎性疾病,发病机制与诱导CD4+T细胞增殖并分泌多种细胞因子导致Th1和Th2失衡有关。目前认为,程序性死亡受体1(programmed death 1, PD-1)及其配体程序性死亡受体配体1(programmed death ligand-1, PD-L1)和程序性死亡受体配体2(programmed death ligand-2, PD-L2)可以影响调节性T细胞活化,控制免疫平衡[1]。因此,PD-1是传统CD4+T细胞的负向调节剂。此外,生理状态下PD-1/ PD-Ls信号通路可以保护机体自身组织免受攻击。文章综述了PD-1及其配体的基本特征及其在支气管哮喘中的作用。

1 PD-1及其配体PD-L1、PD-L2基本特征

1.1 PD-1及其配体 PD-L1、PD-L2 的结构 PD-1(也称为CD279)是一种 55 kDa的Ⅰ型跨膜蛋白,属于 CD28受体家族。除单核细胞、巨噬细胞和树突状细胞(dendritic cells, DCs)外,它主要在免疫细胞如T细胞、B细胞和NK 细胞表面表达。虽然 PD-1通常在初始T 细胞上不存在,但通过与T 细胞受体(T cell receptor, TCR)结合的抗原结合后表达显著上调。一旦该抗原清除,PD-1随之下调。然而,在慢性感染或癌症时,完全消除抗原效率低下,PD-1 表达仍然很高。研究表明,在慢性抗原暴露(即慢性感染和癌症)时,T 细胞发生免疫无能,导致无法分泌细胞因子、增殖或发挥效应功能[2]。在这种情况下,PD-1的高表达是T细胞耗尽的标志。

1.2 PD-1及其配体PD-L1、PD-L2的信号表达通路 PD-1存在PD-L1(也称为B7-H1或CD274)和PD-L2(也称为B7-DC或CD273)2种配体。PD-L1在心脏、肺脏、肾脏和肝脏等器官的多种细胞上表达,包括T 细胞、B细胞、巨噬细胞、DCs和肥大细胞。然而,PD-L2仅在抗原递呈细胞(antigen presenting cells, APCs)如巨噬细胞和DCs上表达,其表达受细胞因子如干扰素-γ(interferon γ, IFN-γ)、人巨细胞集落刺激因子(giant macrophage colony stimulating factor, GMCSF)和白介素-4(interleukin 4, IL-4)的调节。PD-L1的表达受到多种细胞因子的调节,如Ⅰ型和Ⅱ型干扰素、IL-10、IL-17、IL-6、IL-4、IL-1β和IL-27。此外,许多信号通路如核因子κB(nuclear factor kappa-B, NF-κB)、丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)、信号转导因子和转录激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3, STAT3)参与诱导PD-L1的产生[3]。 PD-L1的表达也受到模式识别受体Toll样受体4(Toll-like receptor 4, TLR4)和TLR3调节[4]。研究表明,PD-1优先与PD-L1结合而非 PD-L2[5]。与PD-L1 结合后,活化的PD-1通过多种机制拮抗TCR 信号转导通路。PD-L1与PD-1结合导致PD-1受体的构象改变,从而导致Src家族激酶2个酪氨酸基序磷酸化(ITIM和ITSM)[6]。随后,蛋白酪氨酸磷酸酶-1(SH1-containing protein tyrosine phosphatase, SHP-1)和SHP-2被激活,导致几种激酶去磷酸化,抑制TCR和CD28介导的信号传导,从而导致T细胞增殖和细胞因子产生减少[7-8]。PD-1与PD-L1结合也可以发生双向信号转导,但这一领域研究有限。Gato-Canas等[9]发现,在PD-L1的胞质结构域中识别了功能调节信号基序,它可能导致PD-L1的反向信号传递。虽然PD-L1反向信号诱导的特定信号通路尚不清楚,但有报道显示经可溶性PD-1(soluble PD-1, sPD-1)处理的DCs成熟程度降低,IL-10产生增加[10]。

T细胞上PD-1表达的调节依赖于抗原暴露的情况。因此,急慢性感染或肿瘤抗原在癌症环境中的持久性决定调节其表达的转录途径。T细胞通过TCR被激活,诱导转录因子、活化T细胞核因子1c(nuclear factor of activated T cells 1c, NFAT1c)[11]。这些转录因子对于维持慢性感染过程中PD-1的表达必不可少。转录因子叉头盒蛋白O1(forkhead box protein O1, FoxO1)的高表达抑制T-bet的表达。因此,FoxO1是慢性炎性反应期间PD-1表达的关键调节因子。T-bet是PD-1上的抑制因子,通过FoxO1抑制T-bet导致PD-1在T细胞上的积聚[12]。此外,巨噬细胞中也检测到PD-1的调节因素。在巨噬细胞中,NF-κB信号活化介导PD-1的表达[13]。虽然PD-1主要通过TCR信号上调T细胞对抗原的反应,但也存在抗原非依赖性PD-1的调节。Kinter等[14]研究显示,IL-2、IL-7、IL-15和IL-21等细胞因子可以诱导外周血T细胞上PD-1的表达。此外,抗炎细胞因子如IL-10和转化生长因子-β可以调节T细胞上PD-1的表达[15]。

2 PD-1及其配体 PD-L1、PD-L2与支气管哮喘

2.1 PD-1及其配体 PD-L1、PD-L2与支气管哮喘免疫耐受的联系 在PD-1-/-小鼠中发现PD-1在诱导T细胞耐受性中发挥关键作用。研究显示,PD-1缺乏可以导致T细胞过度增殖;与PD-1+/+小鼠比较,引入lpr突变基因的PD-1-/-小鼠发生更严重的狼疮样疾病[16]。另有研究显示,在胸腺发育过程中,CD4 CD8双阴性T细胞表达PD-1[17];在缺乏PD-1时,CD4 CD8双阳性T细胞数量增加。在抗原识别后,T细胞被APC阻止从免疫突触迁移,但随着T细胞的激活和细胞因子的产生,T细胞可以恢复活性,并减少细胞因子的产生。在T细胞与APC的相互作用中,T细胞表面PD-1表达上调。在缺乏PD-1时,T细胞-APC相互作用的信号链增加,因此导致促炎细胞因子的产生增加[18]。此外,PD-1/PD-L1和PD-1/PD-L2的相互作用在维持外周T细胞耐受方面并不一致。在糖尿病小鼠模型中,阻断PD-L1可以抑制T细胞耐受性,而阻断PD-L2不影响T细胞免疫耐受[19]。PD-1在TCR结合后迅速上调,并有效阻止T细胞从初始T细胞向效应性T细胞的转变,然而免疫无能T细胞具有与效应性T细胞相似的PD-1表达水平,且不会在PD-1阻断后活性增强[20]。

PD-1/PD-L1轴除调节效应T 细胞活性外,PD-1还在调节性T细胞(regulatory T cells, Tregs)的发育和功能形成中发挥关键作用。研究报道,PD-1可以维持 Foxp3的表达,其中PD-L1通过下调mTOR通路对体外诱导Tregs至关重要[21]。体内研究表明PD-1与Th1细胞结合可以诱导Th1细胞向Tregs 的可塑性和持续转化,这依赖于 PD-1的下游信号传导[22]。Tregs的免疫抑制能力不局限于T细胞,Tregs能以PD-1/PD-L1依赖的方式特异性抑制自身反应性PD-1+B细胞活化和自身抗体产生[23]。

PD-1对免疫耐受的影响不仅仅局限于T细胞,巨噬细胞、 DCs和B 细胞也可以表达PD-1。研究表明,小鼠肿瘤相关巨噬细胞(tumour associated macrophages, TAMs)高表达PD-1与其吞噬肿瘤细胞的能力相关[24]。与巨噬细胞相似,表达PD-1的人类DCs通过抑制 CD8+T 细胞分泌IL-2和IFN-γ抑制抗肿瘤免疫[25]。表达PD-1的B细胞可以在甲状腺肿瘤中积聚,尽管它们分泌白介素-10低于PD-1阴性B细胞,但可以通过PD-1/PD-L1依赖方式抑制 T细胞反应[26]。

2.2 PD-1及其配体 PD-L1、PD-L2与支气管哮喘治疗 目前,大多数研究通过小鼠模型探讨PD-1在哮喘发病中的作用。研究发现PD-1和PD-L2在卵清蛋白诱导的哮喘小鼠肺组织中的表达水平增高。此外,研究发现DCs表面PD-L2表达水平明显增高,而T和B细胞表面PD-1表达水平明显增高。研究人员采用IFN-γ、IL-4和IL-13等细胞因子对骨髓来源的DCs进行体外处理,导致PD-L2表达水平增加;进一步与小鼠IgG Fc结构域融合的重组PD-L2-Fc用于确定PD-L2体内和体外模型的功能,发现体外PD-L2-Fc可以降低T 细胞的增殖能力并降低IL-4、IL-5和IL-13分泌水平,提示PD-L2 对哮喘发病的抑制作用[27]。与体外结果相反,PD-L2-Fc体内给药导致哮喘小鼠T和B细胞反应、嗜酸性粒细胞和淋巴细胞气道浸润增加,从而加重气道炎性反应。体外和体内结果之间的差异可能反映了PD-L2与细胞相互作用时间的重要性,从而导致体内恶化。另一种可能性是重组PD-L2可与第二个受体相互作用并增强T细胞活化[28]。

研究认为,PD-L1与Tregs的产生有一定相关性。PD-L1可以促进T细胞转化为诱导性调节性T细胞(induced regulatory T-cells, iTregs)[29]。研究发现,PD-1通过诱导iTregs逆转小鼠哮喘模型气道高反应性和气道炎性反应[30]。有研究显示PD-L2小鼠哮喘模型对恒定自然杀伤细胞T(invariant natural killer T cells, iNKT cells)的影响,发现不存在PD-L2时,iNKT细胞可以增加卵清蛋白诱导的PD-L2-/-小哮喘鼠模型AHR和气道炎症,且分泌IL-4水平明显增高,提示PD-L2抑制iNKT功能和细胞因子的产生。而PD-L1-/-小鼠AHR和气道炎性反应降低,iNKT细胞分泌IFN-γ增加[31]。

第2组固有淋巴细胞(group 2 innate lymphoid cells, ILC2s)是促进哮喘AHR和气道炎性反应的Th2细胞因子的重要来源。Helou等[32]证明,在IL-33诱导的气道炎性反应中,PD-1抑制ILC2的活性并降低其效应功能。此外,使用 PD-1激动剂可以降低小鼠肺部炎性反应模型AHR。因此,PD-1激动剂抑制AHR和气道炎性反应支持其在哮喘治疗中的潜在临床价值。

迄今为止,没有关于使用 PD-1激动剂治疗哮喘患者的报道。然而,在轻度持续和中度至重度年轻哮喘患者中发现PD-1+Tregs数量增高和 PD-L1+Tregs显著降低,提示PD-1/PD-L1信号通路异常导致Tregs数量减少。另一方面,与健康对照组相比,轻度持续和中重度持续组哮喘患儿PD-1+Th17百分比显著升高,PD-L1+Th17百分比下降,提示PD-1/PD-L1通路异常与Th17细胞数量的增加有关。改变PD-1/PD-L1信号通路可能诱导Th17 细胞数量增加并导致Tregs数量减少,打破Tregs/Th17平衡,促进哮喘的发生发展[33]。Bratke等[34]在哮喘患者中使用支气管内过敏原激发,发现支气管 PD-1+CD4+T细胞减少,伴随支气管mDCs和pDCs表面PD-L1表达水平增加。这些发现提示PD-L1在免疫检查点受体和哮喘的免疫失调中发挥重要作用。

PD-L2表达水平与哮喘患者严重程度正相关。过敏原导致小鼠哮喘模型肺mDCs表面PD-L2表达水平增高,而阻断PD-L2可以降低AHR。这些研究提示PD-L2可以促进或增强哮喘AHR[28,35],然而,这些结果与之前PD-L2 抑制哮喘AHR的研究不同[31]。综上所述, PD-1激动剂可用于降低哮喘AHR,但对于PD-L1和PD-L2的作用存在一定争议。

3 结语

越来越多的证据表明 PD-1及其配体在支气管哮喘中发挥重要作用。动物研究表明,使用PD-1激动剂可以显著降低哮喘气道高反应性和气道炎性反应;PD-L2通过下调IL-4同时上调IFN-γ表现出抑制作用,导致哮喘AHR降低,而PD-L1可以通过诱导Tregs产生介导免疫耐受。这些研究提示,调节PD-1配体介导的通路,激活PD-L2或PD-L1可能是支气管哮喘的一个有希望的治疗靶点。