Foxp3 +调节性T细胞与心肌缺血再灌注损伤概述

李俊霖 韩虎魁 程攀科, 李刚, 陶剑虹,

(1.电子科技大学医学院,四川 成都 611731; 2.电子科技大学附属医院 四川省医学科学院·四川省人民医院心血管内科,四川 成都 610072)

随着社会经济发展,心血管疾病危险因素对居民健康的影响日益显著。虽然心肌梗死的治疗方式在过去几十年间得到了迅速发展,但中国急性心肌梗死(acute myocardial infarction,AMI)的死亡率仍呈总体上升趋势[1]。早期溶栓或介入治疗是目前减少心肌梗死面积和改善临床结果最有效的方法,但再灌注可能造成心肌缺血再灌注损伤(myocardial ischemia reperfusion injury,MIRI)。因此,亟需寻找新的治疗方法以缩小心肌梗死面积、保护左心室收缩功能、预防心力衰竭的发生,提高再灌注AMI患者的生存率。MIRI与局部炎症微环境密切相关。随着对免疫学和炎症反应的深入研究,调节性T细胞(regulatory T cell,Treg)因在各种疾病中具有调节免疫和促进康复的作用,受到了人们的广泛关注。叉头框蛋白P3(forkhead box protein P3,Foxp3)是叉状头转录因子家族中的一个成员,在Treg的发育和发挥功能中起关键作用[2]。Foxp3+Treg参与维持免疫平衡和控制炎症。AMI后,Foxp3+Treg可通过抑制炎症和直接保护心肌细胞来防止心室重塑,改善心脏功能[3]。因此,对Foxp3+Treg在MIRI中的作用进行综述具有重要的理论和临床意义。

1 MIRI的定义

AMI后,当持续缺血的心肌再次接受血液供应,可引发各种形式的细胞死亡,并可能导致冠状动脉微循环的毛细血管破裂和出血等损伤,这种在缺血组织细胞恢复血流灌注过程中发生的心肌损伤称为MIRI[4]。MIRI会进一步加重心肌缺血性损伤的程度。研究[5]表明,MIRI所增加的梗死面积可能占最终心肌梗死面积的50%。MIRI可分为4种类型,包括心肌顿抑、无复流现象、再灌注心律失常及致死性再灌注损伤[6]。其中无复流现象不可逆,心肌顿抑及再灌注心律失常在一段时间后可恢复。因此,研究聚焦于致死性再灌注损伤。致死性再灌注损伤与缺血性损伤不同,再灌注会加重缺血心肌细胞损伤并参与决定心肌梗死的最终面积[5]。涉及MIRI的因素很多,包括炎症、氧化应激和细胞死亡等。这些因素中,炎症在诱发和加重损伤中起着重要作用。虽然免疫炎症对于心脏损伤和修复是必需的,但持续的促炎反应可能导致左心室重塑不良。因此,及时消除炎症渗入并将炎症反应和修复反应限制在梗死区,是实现梗死区最佳愈合的关键[7]。

2 Foxp3+Treg的定义及其参与的免疫调节

1970年,Gershon和Kondo[8]最初发现T细胞不仅可增强免疫反应,还可抑制免疫反应,并称之为“抑制性T细胞”。直到2003年,有研究[2]才确定了Foxp3是Treg的主要转录调节因子,在Treg的发育和发挥功能中起关键作用。Foxp3是由X染色体编码的叉状头转录因子,当Foxp3编码的转录因子存在遗传缺陷时,会导致Treg缺乏并诱导人类和小鼠的自身免疫和炎症综合征[9]。

Foxp3+Treg占CD4+T细胞的5%～10%,根据发育部位的不同,Foxp3+Treg可分为3种主要类型:胸腺诱导的Treg、外周诱导的Treg、体外诱导的Treg。Foxp3+Treg是一把“双刃剑”。它们介导的免疫抑制是负调节炎症反应的重要机制,在自身免疫性炎症、变态反应、急慢性感染、癌症和代谢性炎症中发挥关键作用[10]。增加Foxp3+Treg数量或增强其抑制功能可能对治疗自身免疫性疾病和抑制同种异体移植排斥反应有益。然而,免疫反应的过度抑制同样会维持宿主稳态,从而增加病原体的存活率,进而提高病原体生存的长期持久性[11]。此外,Foxp3+Treg介导的免疫抑制是肿瘤免疫逃逸机制之一,也是肿瘤免疫疗法的主要障碍[12]。尽管耗竭Foxp3+Treg可有效唤起小鼠的抗肿瘤免疫力,但可能对自身免疫产生不利影响[13]。因此,在利用Foxp3+Treg作为治疗手段时,需平衡其作用和不良后果之间的关系。

3 Foxp3+Treg与MIRI

心肌再灌注治疗是目前减少心肌梗死面积和改善临床结果最有效的方式。然而,MIRI削弱了再灌注治疗的获益。Foxp3+Treg已被证明通过多种途径对MIRI有改善作用(图1)。缺血心肌组织中的Foxp3+Treg可发挥抗细胞凋亡、抗炎、抗氧化和减轻左心室重塑的作用[14]。在MIRI前选择性地耗竭Foxp3+Treg会增加梗死面积。动物模型中心肌缺血再灌注后7 d,耗竭Foxp3+Treg小鼠的心脏扩张性和肥厚性重构显著增加[15]。DEREG小鼠模型可完全耗竭Foxp3+Treg。在MIRI后24 h,DEREG小鼠的心肌梗死面积明显增加,肌钙蛋白T水平明显升高,心脏功能下降。但通过过继转移Foxp3+Treg可减少梗死面积并改善心脏功能[16]。

注:LAG-3,淋巴细胞活化基因-3;MHC,主要组织相容性复合体;CTLA-4,细胞毒性T淋巴细胞相关抗原4;IL,白细胞介素;TGF-β,转化生长因子-β;OX40,肿瘤坏死因子受体超家族成员4;OX40L,OX40配体;PD-1,程序性死亡受体1。

3.1 Foxp3+Treg主动靶向缺血心肌

AMI后,Foxp3+Treg可主动靶向缺血心肌。有研究[16]表明,在再灌注后,缺血心肌中的Foxp3+Treg数量在5 min后开始升高,6 h到达峰值,并持续增加至24 h,但全身Foxp3+Treg总数无明显变化。类似研究发现,在再灌注后的7 d内,梗死区域Foxp3+Treg不断增加,并在第3天达到峰值。进一步研究[17]发现,大约95%的Foxp3+Treg在心肌梗死后由循环系统中募集到梗死的心肌。多种途径可能促使Foxp3+Treg募集于心肌中。其中趋化因子受体5的作用尤为重要,它参与介导心肌梗死后缺血心肌Foxp3+Treg的募集并增强白细胞介素(interleukin,IL)-10的表达[18]。此外,IL-33/可溶性生长刺激表达基因2蛋白也可能介导了Foxp3+Treg从循环系统募集到心脏[17]。

3.2 Foxp3+Treg调节先天性免疫反应

Foxp3+Treg在调节先天性免疫反应中发挥重要作用。Foxp3+Treg可能通过诱导中性粒细胞产生具有免疫抑制特性的IL-10、转化生长因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)、吲哚胺2,3-双加氧酶和血红素加氧酶-1来直接调节先天性免疫反应[19]。此外,Foxp3+Treg具有直接调节中性粒细胞功能和寿命的能力,激活的Foxp3+Treg可抑制中性粒细胞产生活性氧中间产物和细胞因子,影响中性粒细胞的功能和存活,并参与诱导中性粒细胞凋亡和死亡[20]。MIRI后,Foxp3+Treg被迅速激活,而在再灌注前给予IL-2/抗IL-2复合物可以诱导心脏和脾脏的Foxp3+Treg增殖,减少辅助性T细胞(helper T cell,Th)1和Th17的数量,改善心脏功能,减轻炎性细胞浸润和细胞凋亡[21]。Foxp3+Treg同样可调节在先天性免疫反应中发挥关键作用的巨噬细胞。Foxp3+Treg可通过调节单核细胞-巨噬细胞的分化来有利地影响AMI后的伤口修复。此外,Foxp3+Treg还可以活化肌成纤维细胞,增加促进伤口修复的单核细胞-巨噬细胞衍生蛋白表达,促进巨噬细胞极化为抗炎M2表型,抑制其极化为促炎M1表型[22]。细胞因子在Foxp3+Treg的调节功能中也发挥重要作用。Foxp3+Treg分泌的抑制性细胞因子,如IL-10和TGF-β,对改善MIRI具有重要作用。IL-10可抑制肿瘤坏死因子-α和一氧化氮的产生,并抑制MIRI中的中性粒细胞浸润[23]。TGF-β则可以通过减轻心肌细胞凋亡及抑制基质金属蛋白酶-1的产生,从而改善MIRI[24]。然而,一些研究[16]认为IL-10及TGF-β并非Foxp3+Treg在MIRI后心脏保护作用的关键介质,敲除IL-10或抑制TGF-β并不能消除Foxp3+Treg对MIRI的改善作用。相反,这些研究者[16]认为CD39可能介导了Foxp3+Treg的心肌保护作用,CD39可能通过促进腺苷产生,调节Akt和ERK通路、抑制心肌细胞凋亡和减少中性粒细胞浸润实现其作用。Foxp3+Treg通过TGF-β的抑制作用可有效抑制自然杀伤细胞(natural killer cell,NK细胞),尽管活化的NK细胞对Foxp3+Treg的抑制作用具有抵抗能力[25]。此外,Foxp3+Treg还能通过颗粒酶B和穿孔素依赖的方式诱导NK细胞和CD8+T细胞死亡[26]。另外,Foxp3+Treg可以阻断树突状细胞的功能和成熟,诱导其分泌抑制因子TGF-β,从而有效抑制效应T细胞的启动和分化。活化的Foxp3+Treg也被证明能消除ATP相关效应,它们表达的CD39还可以将ATP或ADP降解为AMP,从而抑制ATP驱动的树突状细胞成熟[27]。

3.3 Foxp3+Treg调节适应性免疫反应

Foxp3+Treg在适应性免疫反应中同样扮演重要的调节角色。通过表达诱导细胞程序性死亡的颗粒酶,Foxp3+Treg可以诱导效应T细胞凋亡,从而影响其功能[28]。Foxp3+Treg还可以通过高表达CD25,竞争性地利用IL-2,从而导致效应T细胞的代谢紊乱并诱导其凋亡[29]。此外,Foxp3+Treg既可以抑制帮助B细胞产生自身抗体的Th,也可以通过颗粒胞吐途径(包括穿孔素和颗粒酶)直接抑制B细胞反应,而不需要先抑制Th[30]。Foxp3+Treg可以通过程序性死亡受体1(programmed death-1,PD-1)直接抑制自身反应性B细胞的增殖和活化,这种抑制是抗原特异性的,并且PD-1还可以诱导B细胞凋亡[31]。肥大细胞在适应性免疫反应中具有重要的调节作用,激活的肥大细胞是促炎介质的重要来源,表达肿瘤坏死因子受体超家族成员4(tumor necrosis factor receptor superfamily member 4,OX40)的Foxp3+Treg和表达OX40配体的肥大细胞之间的相互作用在体外抑制了肥大细胞脱颗粒的程度,并抑制了体内即刻超敏反应的程度[32]。

3.4 Foxp3+Treg改善心室重塑

与心室重塑相关的多个过程,如间质基质的降解和胶原沉积、剩余心肌细胞的肥大和凋亡、瘢痕形成和心室扩张,都与炎症有关。Foxp3+Treg通过抑制炎性细胞浸润和直接保护心肌细胞,从而抑制不利的心室重塑和维持心脏功能[17]。Foxp3+Treg还分泌IL-10激活心脏中的神经调节素-1,促进前体细胞的增殖并通过控制中性粒细胞和诱导巨噬细胞极化间接调节心肌再生[22]。过继转移的Foxp3+Treg可通过产生IL-10和直接的细胞-细胞相互作用来减少心肌细胞肥大、炎症和纤维化[33]。此外,Foxp3+Treg抑制成纤维细胞向肌成纤维细胞分化,下调促纤维化基质金属蛋白酶,从而防止不利的左心室重塑[15]。同时,Foxp3+Treg通过细胞-细胞相互作用和IL-10的表达介导心肌细胞免受内毒素诱导的细胞凋亡[3]。值得注意的是,浸润心肌的Foxp3+Treg高度表达富含半胱氨酸的酸性分泌蛋白,其可提高心肌梗死瘢痕中的胶原含量和成熟度,防止心肌梗死后心脏破裂并提高心肌梗死小鼠的存活率[17]。

然而,有研究[34]认为Foxp3+Treg在促进心肌纤维化方面可能具有双重作用,其可释放促纤维化因子TGF-β,同时也可分泌IL-10抑制Th17介导的心肌纤维化。AMI后,Foxp3+Treg的增加可能促进细胞外基质的沉积和瘢痕形成,进一步促进心肌纤维化,因为通过Foxp3+Treg与巨噬细胞的体外共培养发现,Foxp3+Treg增加骨桥蛋白和精氨酸酶-1等与愈合相关的基因表达[22]。虽然Foxp3+Treg对心肌纤维化和心力衰竭的作用仍存在争议,但以上研究结果证实了Foxp3+Treg在心室重塑中的重要性,进一步加深了对Foxp3+Treg、心肌细胞和心脏成纤维细胞之间密切关系的认识。

4 Foxp3+Treg治疗MIRI的研究

基于Foxp3+Treg对MIRI的改善作用,已有大量相关研究聚焦于通过增加缺血心肌组织中的Foxp3+Treg数量以改善MIRI。在缺血早期应用N,N-二甲基鞘氨醇可能通过PI3K/Akt途径募集Foxp3+Treg,在体内对MIRI具有保护作用[35]。再灌注前应用瑞舒伐他汀可减轻心脏损伤,减少炎性细胞浸润,并增加Foxp3+Treg在心脏中的聚集[36]。再灌注前,将维达利汀纳入MIRI标准治疗方案可以通过募集Foxp3+Treg来提高其疗效[37]。趋化因子受体4阻断剂可增强MIRI后体内Foxp3+Treg的动员,促进梗死区域Foxp3+Treg的募集,增强器官免疫调节功能,减少梗死面积并改善左室射血分数[38]。口服盐酸芬戈莫德(FTY720)可减少小鼠血液中淋巴细胞的数量,提高血液、脾和淋巴结中Foxp3+Treg的百分比,有效改善小鼠MIRI后左心功能并减小梗死面积[39]。骨髓间充质干细胞也被证实可促进Foxp3+Treg上调IL-10和TGF-β的表达,从而减轻MIRI所引起的心肌炎症和细胞凋亡[40]。然而,由于AMI发展迅速,而细胞扩增又需要一定的时间。直接移植细胞仍然面临着多方面的挑战,例如免疫介导的排斥反应、细胞来源的遗传物质不稳定性或功能丧失以及细胞存活受限[41]。因此,提出了许多新的治疗方案,例如用血小板膜伪装Foxp3+Treg纳米颗粒制备Foxp3+Treg仿生纳米颗粒,已被证明可显著减轻MIRI小鼠左心室重塑,改善心脏功能[14]。移植包含Foxp3+Treg的再生相关细胞所分泌的细胞外囊泡,也能通过将血管生成、抗纤维化、抗炎微RNA传递到缺血组织中,来增强MIRI后的心脏功能[42]。此外,有研究利用心肌梗死后微环境的改变,构建了一个时间响应性凝胶微球复合系统,该系统可将高表达酸性分泌蛋白的Foxp3+Treg所衍生的细胞外囊泡靶向扩增到梗死心肌,来减少MIRI后心肌损伤,促进心脏功能的改善[43]。虽然这些治疗策略目前尚未应用于临床实践,但可以预见,Foxp3+Treg治疗MIRI具有广阔的前景。

5 讨论

在过去的30年中,实验研究已发现了一些心脏保护策略以减轻MIRI,然而目前还无有效的MIRI保护策略应用于临床实践。

Foxp3+Treg是CD4+T细胞的一个亚群,其可通过抑制效应T细胞的功能活性来维持免疫稳态。Foxp3+Treg在抑制CD4+和CD8+T细胞的增殖及γ干扰素的产生、抑制树突状细胞的成熟和功能、增强抗炎M2巨噬细胞的分化以及减少单核细胞分泌促炎细胞因子等方面发挥重要作用。本文探讨了Foxp3+Treg通过调节免疫反应在MIRI的作用。Foxp3+Treg是被广泛认知的Treg类型,通过选择性扩增Foxp3+Treg可有效改善MIRI引起的炎症反应。虽然目前尚未进行临床试验,但可以肯定的是,充分利用Foxp3+Treg是一种很有前途的防治MIRI的新策略。未来的研究应进一步解决如何扩增Foxp3+Treg的数量并保持其稳定性,如何引导它们靶向梗死区域以及如何提高其在输注后的驻存时间等问题,以便将这一新策略成功地转化为治疗MIRI的有效临床方法。