CD4+T细胞相关细胞因子在人兽共患寄生虫感染中的作用研究进展

陈晓娣,康润敏,魏 勇,叶勇刚*

(1.西南民族大学畜牧兽医学院,四川成都 610041;2.四川省畜牧科学研究院/动物遗传育种四川省重点实验室,四川成都 610066)

细胞因子是由免疫细胞等受抗原或丝裂原刺激后产生的非抗体、非补体的具有激素样活性的多功能多肽或蛋白质分子。细胞因子主要包括白细胞介素、干扰素、集落刺激因子、肿瘤坏死因子、生长因子和趋化因子家族等。在寄生虫感染中,细胞因子可发挥抗感染、病理作用、参与虫体免疫逃避等,其中抗感染作用机制包括激活巨噬细胞、介质直接作用、诱导急性蛋白合成等;病理作用机制包括抑制保护性免疫功能、参与损害免疫反应、影响血管内皮细胞功能;免疫逃避机制包括屏障功能、抗原伪装、逃避相关受体以及抑制宿主肉芽肿等[1]。T细胞根据其CD分子可分为CD4+T和CD8+T细胞,CD4+T细胞又可分为Th1、Th2、Th17、Treg、Th9及Tfh细胞等亚群,当寄生虫(如血吸虫、棘球蚴、弓形虫等)感染宿主时,CD4+T细胞亚群分泌的细胞因子参与宿主的免疫应答,导致相关疾病。本文就与CD4+T细胞亚群相关细胞因子包括γ干扰素(interferon-γ,IFN-γ)、白介素4(interleukin-4,IL-4)、白介素10(interleukin-10,IL-10)、白介素17(interleukin-17,IL-17)、白介素9(interleukin-9,IL-9)及白介素21(interleukin-21,IL-21)在寄生虫感染中如何引起宿主的免疫保护或免疫损伤作用进行综述,以期为寄生虫病的防控策略与临床治疗提供参考。

1 IFN-γ

1.1 IFN-γ 在弓形虫感染中的作用

IFN-γ诱导的先天性免疫应答在抑制弓形虫感染中起重要作用,研究发现IFN-γ 介导小鼠体内弓形虫的清除需要免疫相关GTP酶、鸟苷酸结合蛋白(guanylate binding protein,GBPs)、自噬蛋白等的参与。但在IFN-γ 刺激的人类细胞中,免疫相关GTP酶与GBPs表现为不表达或功能不显著。有研究表明,IFN-γ 诱导的小鼠清除弓形虫的过程中GABA-A受体关联蛋白样蛋白2(recombinant GABA-A receptor associated protein like protein 2,GABARAPL2)发挥着重要功能,学者用弓形虫感染GABARAPL2基因敲除的人宫颈癌细胞系(HeLa cells,HeLa),结果显示GABARAPL2基因的缺失导致细胞中IFN-γ 不能抑制弓形虫生长,当添加外源性GABARAPL2后,细胞恢复了对弓形虫的抑制作用,免疫荧光检测发现经IFN-γ 诱导的HeLa细胞中GABARAPL2能够被募集至弓形虫附近,以抑制弓形虫生长[2]。但在Balb/c小鼠经灌胃感染弓形虫包囊后,在急性感染期,与未感染对照组相比,弓形虫感染组小鼠血清中IFN-γ 上调,差异具有统计学意义;在IFN-γ 缺陷型小鼠分别灌胃感染弓形虫包囊后,与弓形虫感染的野生型小鼠相比,IFN-γ 缺陷型小鼠的小肠病理损伤评分和寄生虫虫荷明显降低,表明在IFN-γ 缺陷型Balb/c小鼠中,缺乏IFN-γ 减轻了小鼠的肠道病理损伤和寄生虫虫荷[3]。

1.2 IFN-γ 在包虫病感染中的作用

在包虫病感染中,早期主要由Th1型细胞发挥作用,分泌IFN-γ 细胞因子,抑制虫体的生长发育,有利于增强宿主免疫保护作用,在感染后期Th2细胞占优势,分泌细胞因子IL-4,有利于包虫在宿主体内的免疫逃逸。在患者使用阿苯达唑治疗痊愈后表现出IFN-γ 分泌水平上升,而未治愈患者则表现IFN-γ 分泌水平下降。在多房棘球蚴感染小鼠过程中[4],小鼠血清中IFN-γ 的变化进一步证明,机体的免疫早期以Th1为主,并逐渐向晚期Th2过渡,当IFN-γ 的早期表达增加时,上调炎症分子的分泌,增强炎症反应。当Th1型免疫细胞有过强烈的炎症反应时,较高浓度的IFN-γ 可诱导CD4+T细胞分化为Treg细胞,抑制疾病的炎症反应,减少机体损伤,这可能是IFN-γ 在感染后期仍保持在较高浓度的原因。有研究发现,在包虫感染小鼠中,同时接受阿苯达唑和IFN-γ 与单独接受IFN-γ 治疗小鼠包囊的数量、重量和大小等参数显著降低,且与未经治疗的感染小鼠相比,接受阿苯达唑和IFN-γ 治疗组的小鼠血清IL-10浓度显著降低[5]。

2 IL-4

2.1 IL-4在利什曼原虫感染中的作用

IL-4可促进变态反应,对蠕虫及其他寄生虫感染具有免疫致病作用。但在不同宿主不同虫种不同时期IL-4发挥的作用可能不尽相同,既有抗感染的免疫保护作用又有免疫损伤作用。Farlane等发现在杜氏利什曼原虫感染小鼠模型中,杜氏利什曼原虫的耐药性不依赖于T细胞传递的白细胞介素4受体α(IL-4Rα)信号[6]。杜氏利什曼原虫是内脏利什曼原虫病的病原体,可调节宿主单核细胞/巨噬细胞以确保虫体存活。研究人员在仓鼠和Balb/c小鼠心脏注射杜氏利什曼原虫后,发现在两种小鼠肝脏与脾脏中IL-4与IL-10 mRNA水平上升,IL-4 mRNA的表达水平与寄生虫虫荷无相关性,仅在仓鼠感染模型中发现,脾脏组织中IL-10 mRNA与寄生虫虫荷呈正相关。但在人类内脏利什曼原虫病中,未出现IL-4 mRNA表达水平上升[7]。有学者在利什曼原虫阳性献血者中发现IL-4表达水平上升,但在研究对象中,没有观察到IL-4的显著差异,这表明IL-4在利什曼原虫感染过程中没有区别性表达[8]。

2.2 IL-4在血吸虫感染中的作用

日本血吸虫感染可引起肉芽肿性炎症,并可引起小鼠肝脏组织损伤,有学者发现在感染小鼠肝脏中存在大量的IL-4和CD4+T细胞,且在感染6周后,小鼠脾脏和肠系膜淋巴结中发现IL-4与Th2细胞,用吡喹酮治疗血吸虫感染小鼠后发现IFN-γ 和IL-4降低,且脾脏中与IFN-γ 和IL-4相关的淋巴细胞数量也减少[9]。在日本血吸虫感染IL-4与IL-13缺陷型小鼠中,其肝脏中寄生虫卵周围的肉芽肿性炎症比感染的野生小鼠更严重,且感染的IL-4与IL-13缺陷型小鼠也显示出中性粒细胞浸润增加,并伴有更严重的病理变化,表现为肝细胞坏死加重[10]。在IL-4或白细胞介素4受体(IL-4R)缺失的小鼠,感染曼氏血吸虫后无法分泌IL-4或者IL-4无法与受体正常结合,难以建立有效的Th2免疫反应。现有研究提示,在血吸虫感染过程中,Th2型细胞因子,尤其是IL-4和IL-10可以抑制强烈的炎症反应,降低免疫病理损伤尤其是肝细胞损伤。

2.3 IL-4在包虫病感染中的作用

研究表明,在包虫病患者外周血单核细胞(peripheral blood mononuclear cells,PBMC)中IL-4的表达水平显著增加,在慢性包虫病患者中IL-4的高水平表达,是宿主形成纤维层作为对包虫囊肿的保护反应,纤维层中IL-4的高水平表达,提示IL-4在调节寄生虫的免疫反应中发挥关键性作用[11]。当IL-4分泌累积达到一定数量时,就会诱导成熟的Th1细胞向Th2细胞转变,并继续产生IL-4,在感染初期,Th1和Th2均呈现低度活化,IL-4增长缓慢,但随着Th1活化后,经过一个短暂的延迟期,IL-4急剧升高。但在包虫病所致过敏性休克患者中发现与对照组(未发生过敏性休克)相比,患者血清中IL-4的表达水平明显低于对照组,且差异具有统计学意义,提示可能是IL-4水平及特异性转录因子Foxp3表达水平下降,引起宿主免疫耐受状态异常,从而发生过敏性休克[12]。

此外,研究人员在探究重组蛋白P9对绵羊细粒棘球蚴的免疫保护作用时,发现P9免疫绵羊后诱导的保护性反应高达94.5 %。2次免疫后,IL-4水平显著升高,且发现在接种疫苗后IFN-γ 和IL-4水平均明显升高,表明Th1和Th2 免疫应答均被rEg.P9激活,学者在长链非编码RNA 08466对P9介导的保护性免疫能力作用中发现,IL-4介导的免疫抑制可能是寄生虫逃避和存活的关键[13]。

3 IL-10

3.1 IL-10在利什曼原虫感染中的作用

在皮肤型利什曼病中,IL-10能抑制T细胞来源的IFN-γ,并促进寄生虫生长。在犬感染利什曼原虫后,无症状犬肝脏中IL-10水平与该器官中的寄生虫虫荷水平呈线性正相关,同样,犬脾脏中的寄生虫虫荷也与IL-10水平呈正相关[14]。这表明,宿主体内IL-10可能参与了寄生虫的存活与生长。Elham等在利什曼原虫感染Balb/c小鼠病灶内注射小鼠间充质干细胞可减少小鼠IL-10的产生和寄生虫负荷,说明IL-10可能在利什曼原虫感染Balb/c小鼠中起病理损伤作用[15]。有学者利用转基因小鼠感染利什曼虫模型观察小鼠脾脏和肝脏的寄生虫虫荷,以及IL-10诱导后的组织病理学变化,发现IL-10水平在利什曼虫感染的早期阶段显著增加,而后期几乎没有变化,因此,IL-10介导的宿主易感性可能在特定的时间发挥作用[16]。研究发现IL-10与人类利什曼原虫感染的进展有关,表现为IL-10可以抑制巨噬细胞对利什曼原虫的杀伤作用,且高水平的IL-10与疾病进展和寄生虫虫荷相关,在疾病治疗成功后IL-10的表达水平随之下降[17]。

3.2 IL-10在血吸虫感染中的作用

研究发现,在曼氏血吸虫感染过程中,IL-10增加,曼氏血吸虫在感染后造成的免疫病理损伤取决于虫荷数和IL-10水平。学者用C57BL/6小鼠经皮感染日本血吸虫尾蚴,来检测Treg细胞、IL-10、Foxp3 mRNA以及IL-10的表达,结果显示,日本血吸虫感染可上调小鼠肝脏Treg细胞,IL-10和Foxp3 mRNA的表达水平,同时血清中和脾细胞上清中IL-10浓度升高。但在IL-33缺陷型C57BL/6小鼠中,IL-10和 Foxp3 mRNA表达水平下降,在注射外源性IL-33后肝脏Treg细胞增多,IL-10浓度上升,表明IL-10浓度可能与外源性IL-33注射有关。综上所述,在日本血吸虫感染小鼠中,IL-33在小鼠日本血吸虫病中上调了Treg细胞,使IL-10的表达水平升高,表明IL-10与IL-33在小鼠日本血吸虫病的免疫机制中起重要作用[18]。研究人员用IL-10R阻断抗体处理被日本血吸虫感染的小鼠,发现该组小鼠较对照组的单个虫卵肉芽肿变大,肝脏促炎性巨噬细胞增多,提示IL-10R阻断抗体处理后的小鼠会出现更严重的肝脏炎症和纤维化,表明IL-10在感染小鼠中对肝脏炎症和纤维化发挥着重要的作用[19]。研究发现,在晚期肝纤维化患者的PBMC上清液中发现IL-10、IL-9和IL-17水平较高,提示这些细胞因子在人类血吸虫病晚期纤维化的免疫发病机制中可能具有重要作用[20]。

3.3 IL-10在弓形虫感染中的作用

在人和小鼠感染中均观察到弓形虫可抑制宿主的免疫反应,弓形虫原发性感染可导致严重的异常妊娠结局,如流产和死胎。有学者在弓形虫感染早孕期C57BL/6野生型小鼠中发现,感染组孕鼠胎盘/胎儿体积较正常组小,坏死严重,流产率明显增加,未感染对照组孕鼠精神状况良好,胎盘/胎儿体积正常,IL-10缺陷型孕鼠精神状态、妊娠结局更严重[21]。且发现在弓形虫感染妊娠小鼠中,抑制性分子B7-H4在树突状细胞中大量表达,在免疫耐受中起重要作用。学者用野生型和B7-H4敲除(B7-H4-/-)妊娠小鼠建立了弓形虫感染模型,结果发现,B7-H4-/-妊娠小鼠中细胞因子 IL-10表达下降,最终出现异常妊娠结局[22]。有学者比较了弓形虫其产物对感染小鼠IL-10表达的影响,发现在细胞培养中提取的弓形虫抗原组IL-10基因表达水平均上调[23]。IL-10主要是刺激宿主产生体液免疫因子来抗弓形虫感染,而抑制宿主的细胞免疫,可能是细胞内弓形虫长期寄生而宿主未能有效清除的重要原因之一。

3.4 IL-10在包虫病感染中的作用

在包虫病患者血清中发现IL-10的表达水平上升,提示IL-10可能在寄生虫生长、逃避宿主的免疫杀伤方面发挥作用,从而产生倾向于与免疫抑制相关的Th2型反应。有学者发现,在肝包虫病患者中,其IL-10的表达水平明显高于健康组,其差异具有统计学意义,在手术切除包虫病患者病灶及药物治疗后,患者血清IL-10表达水平下降。已有研究表明,包虫病患者血清中IL-10表达水平明显上升,且IL-10的调节似乎是免疫抑制的,提示机体内高水平的IL-10可能有利于寄生虫的存活[24]。

同样,在包虫病患者中,与健康对照组相比,患者外周血中Treg细胞比例均显著升高,在PBMC中Foxp3 mRNA水平显著升高;血清中IL-10水平显著升高;用Pearson相关法分析了患者Treg细胞与IL-10的相关性,发现患者Treg细胞和IL-10的表达水平均正相关,IL-10与寄生虫虫荷呈正相关,表明IL-10可能促进了细粒棘球蚴的生长[25]。

4 IL-17

4.1 IL-17在血吸虫感染中的作用

IL-17家族细胞因子具有强大的促炎作用,以诱导宿主的各种免疫反应来对抗寄生虫感染,且能够促进组织的损伤修复。在曼氏血吸虫感染不同品系小鼠中发现,C57BL/6小鼠出现了相对温和的肝脏病变,相比之下,CBA小鼠发生了更严重的病变,表现为明显的肝肉芽肿性炎症,且在CBA小鼠中发现肝脏IL-17的表达水平更高,提示其病变可能是与Th17细胞产生的IL-17相关[26]。在曼氏血吸虫感染晚期肝纤维化患者的PBMC上清液中发现IL-17和IL-9的表达水平升高,且IL-17和IL-9的表达水平与患者肝脏大小、门静脉直径和门静脉周围增厚具有相关性,严重肝纤维化患者中IL-17表达水平更高,表明IL-17在人类曼氏血吸虫病晚期肝纤维化的免疫发病机制中起重要作用[20]。在感染日本血吸虫小鼠肝脏中发现IL-17水平与肝纤维化程度呈正相关;阻断IL-17可以减轻虫卵所致的慢性肝纤维化。同样,有学者在感染日本血吸虫尾蚴的小鼠模型中发现,在感染后28 d,小鼠肝脏表面开始出现白色肉芽肿,并逐渐加重,42 d达到高峰;在小鼠局部肝脏匀浆上清液中发现IL-17表达水平在感染28 d明显增加,42 d到达高峰,提示日本血吸虫感染小鼠后,肝脏肉芽肿的严重程度、肝脏的损伤可能与IL-17的水平密切相关[27]。有可能IL-17是通过抑制肝细胞的凋亡来减少肝纤维化,另一方面又通过对肝星状细胞以及枯否细胞的激活加剧肝纤维化。

4.2 IL-17在包虫病感染中的作用

在包虫感染小鼠中,IL-17的表达水平与空白对照组相比明显上升,可能IL-17参与了包虫感染中机体的免疫调节,以促进包虫的组织浸润生长与虫体的长期存活。当Th17细胞增多后,IL-17的表达水平也相继升高,可能使宿主产生了免疫耐受,从而有利于棘球蚴的免疫逃避[28]。同样,研究发现在肝包虫病患者肝脏病灶组织中IL-17 mRNA的表达水平明显上升,提示IL-17可能与包虫感染中所导致的免疫损伤以及炎性肉芽肿有关[29]。在包虫病患者血清发现IL-17A和IL-17B的表达水平较健康组明显上升,在不同年龄组间的变化差异也有统计学意义[30]。

在多房棘球蚴感染小鼠中,研究人员检测了IL-17的表达水平,发现随着感染时间的延长,其表达量持续上升,并在后期达到峰值。在感染的晚期,高水平的IL-17可能与慢性肝病中的肝纤维化和肝硬化密切相关[4]。在Balb/c小鼠感染囊型包虫过敏反应中,IL-17显著升高,表明IL-17在囊型包虫病所致过敏性反应中发挥非常重要的作用[31]。

5 IL-9

5.1 IL-9在血吸虫感染中的作用

肝肉芽肿性炎症和纤维化是日本血吸虫感染小鼠主要病理变化,有学者研究了C57BL/6小鼠感染日本血吸虫后肝脏中IL-9的变化,发现感染后IL-9的表达水平显著增高,IL-9与Th9细胞的峰值出现在感染早期,表明IL-9可能是参与日本血吸虫感染诱导肝损伤进展的一种重要的细胞因子[32]。同样,有学者在体内外研究了IL-9在血吸虫病中的作用,在感染血吸虫的小鼠中发现,IL-9的中和作用减少了肝肉芽肿性炎症;体外研究发现,用IL-9治疗原发性肝星状细胞可诱导胶原蛋白和平滑肌肌动蛋白的显著增加;此外,IL-9比IL-4出现得更快,表达水平更高,提示IL-9可能在血吸虫感染早期阶段所致的肝纤维化中发挥作用,成为调节肝纤维化的一种途径[33]。同样,在日本血吸虫感染C57BL/6小鼠中发现,感染组肝脏表面出现白色斑点,肝脏形成脓性肉芽肿,且感染组小鼠相对于未感染对照组,其肝脏免疫荧光结果显示肉芽肿周围可见大量的Th9细胞,经RT-qPCR方法检测到小鼠肝淋巴细胞中IL-9基因的表达,提示IL-9能够介导日本血吸虫感染诱导的肝损伤[32]。

5.2 IL-9在包虫病感染中的作用

包虫病患者IL-9 mRNA的表达水平显著高于健康者,提示在包虫病感染中,Th9通过上调IL-9 mRNA的表达,促使IL-9分泌增加,在包虫病感染的发生和发展过程中发挥重要作用。在肝型包虫病患者PBMC中IL-9 mRNA的表达较健康者显著升高,提示IL-9可能参与了虫体的清除,与慢性肉芽肿的形成有关,包虫病患者中IL-9和其转录因子PU.1在病灶组织中的表达明显高于病灶邻近组织和正常肝脏组织,提示在虫体感染过程中通过上调Th9细胞、IL-9、转录因子PU.1的表达,从而参与包虫病慢性肉芽肿的形成[34]。

包虫病患者中IL-9与Th9细胞水平明显升高,患者经手术切除和阿苯达唑治疗后,体内IL-9与Th9细胞水平显著降低。这些研究提示IL-9与Th9细胞可能参与了细粒棘球蚴感染过程中的免疫应答,Th9细胞和IL-9水平的降低可能作为预后因素,总的来说,包虫病患者中Th9细胞和IL-9表达上调,在经手术和药物治疗恢复后表达水平下降,提示Th9/IL-9可能参与了包虫病感染中的免疫应答[35]。

6 IL-21

6.1 IL-21在血吸虫感染中的作用

有研究表明IL-21/IL-21R信号通路会促进血吸虫对宿主的组织损伤,IL-21的生物学功能是通过与相应的受体IL-21R结合来介导的,IL-21R由多种免疫细胞表达,包括T细胞和B细胞、NK细胞等。在曼氏血吸虫感染缺乏IL-21/IL-21R信号轴的小鼠中发现,IL-21/IL-21R轴的缺失使小鼠的肉芽肿性炎症和肝纤维化形成减弱;在野生型小鼠感染曼氏血吸虫期间IL-21促进的组织炎症和免疫病理可能通过其他独立于IL-17/STAT3(白介素17/信号传导与转录激活因子)信号轴的信号通路发生,很可能是通过STAT1或STAT5信号通路[36],小鼠IL-21/IL-21R信号通路的缺失显著降低了寄生虫诱导的组织纤维化,表明这一信号轴可能在寄生虫诱导的组织损伤中发挥重要作用,可能为开发新的治疗靶点提供了一种方法,可用于预防不同种类的血吸虫在人类感染过程中发生的纤维化反应。

6.2 IL-21在包虫病感染中的作用

人体感染棘球蚴后,IL-21在患者血清中表达水平上升,与健康组相比差异具有统计学意义,在治疗后,包虫病患者血清中IL-21水平下降。此外,学者发现在IL-21和转录因子BCL-6的相关性研究中,IL-21与BCL-6的表达水平呈正相关,且BCL-6对Tfh细胞的表达有上调作用,而IL-21又是Tfh细胞的主要效应分子,提示Tfh、BCL-6、IL-21参与包虫病患者的免疫调节[37]。学者在肝泡型包虫病患者中发现IL-21在患者血清中的表达水平高于对照组。在机体被棘球蚴感染后,虫体刺激宿主的免疫反应,促进CD4+T辅助细胞分化为Tfh,产生IL-21,而后IL-21与相应受体结合,增强机体对棘球蚴的清除能力,且刺激免疫细胞分泌抗体,以杀伤虫体。IL-21在肝功能受损严重的患者血清中表达量更高,即随着肝功能的严重损伤,IL-21的表达水平升高,表明IL-21可能在一定程度上反映了患者肝脏的损害程度,有可能IL-21在清除肝包虫、控制感染、促进愈合发挥了积极效应[38]。

这些结果表明,Tfh细胞可能通过表达的典型细胞因子,参与了与人类包虫病相关的宿主免疫或免疫病理。然而,包虫病患者中Tfh细胞与细胞因子的潜在机制仍需进一步研究。

7 展望

寄生虫感染宿主后的免疫应答是极其复杂的,细胞因子在寄生虫感染中发挥着重要效应。由于多种因素,包括寄生虫的抗原变异和免疫逃避的复杂机制,目前能有效用于抗寄生虫病的疫苗种类较少,同时耐药性寄生虫的日益出现,需要不断开发新的治疗方法。已发现宿主可通过多种途径调控先天免疫和适应性免疫来抵抗寄生虫的感染,但关于寄生虫的致病机制仍需大量的研究工作来证实,在寄生虫感染中细胞因子作为参与免疫应答和病理损伤的重要成分,同时发挥抗寄生虫感染的免疫保护作用和免疫病理反应,全面了解宿主与寄生虫互作以及寄生虫感染后的细胞因子变化,探索保护性和有害性免疫反应的调节机制,有助于设计对抗寄生虫感染的新策略和降低寄生虫病的发病率和死亡率,为寄生虫病防控提供新思路。