蘇 可，王經(jīng)琳，任昊楨，施曉雷

南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬鼓樓醫(yī)院肝膽外科，江蘇 南京 210008

傳統(tǒng)觀點認(rèn)為只有適應(yīng)性免疫才能建立免疫記憶，但近幾年發(fā)現(xiàn)固有免疫也具備這種特征。在缺乏適應(yīng)性免疫的生物體中，先天免疫系統(tǒng)可增強(qiáng)對再感染的抵抗力，這種現(xiàn)象被稱為“訓(xùn)練免疫（trained immunity，TI）”或“先天免疫記憶”［1-2］。TI是由外源性或內(nèi)源性損傷引起的先天免疫細(xì)胞的長期功能性重編程，并導(dǎo)致在細(xì)胞恢復(fù)到非激活狀態(tài)后，對非特異性刺激的次級反應(yīng)發(fā)生增強(qiáng)或減弱的改變，進(jìn)而產(chǎn)生環(huán)境、時間調(diào)節(jié)的反應(yīng)。重要的是，TI 代表了先天免疫細(xì)胞而不是特定的轉(zhuǎn)錄或功能程序的長期適應(yīng)的概念［3］，它基于兩個主要支柱，細(xì)胞的表觀遺傳重新編程和新陳代謝重新編程，通過表觀遺傳重編程來調(diào)控基因表達(dá)和細(xì)胞生理上的持續(xù)變化［4］，不涉及突變和重組等永久性遺傳變化，而這些變化對定義TI的性質(zhì)和影響至關(guān)重要［5］。最近研究表明，不同免疫信號誘導(dǎo)的細(xì)胞代謝重組是確定TI 表觀遺傳學(xué)變化的關(guān)鍵一步，如糖酵解、三羧酸循環(huán)中的谷氨酰胺補(bǔ)充和富馬酸鹽的積累以及甲羥戊酸途徑等在其中起著至關(guān)重要的作用［6］。本文主要介紹TI 的訓(xùn)練激活物、訓(xùn)練相關(guān)細(xì)胞、代謝和表觀遺傳重組的機(jī)制以及在疾病中的重要作用。

1 訓(xùn)練激活物

以往研究證明能夠促進(jìn)TI 的因素包括致病信號（真菌、細(xì)菌、病毒）以及非致病信號，如胰島素、細(xì)胞因子、脂肪因子或激素。

1.1 脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）

革蘭氏陰性細(xì)菌外膜中發(fā)現(xiàn)的LPS，在生物學(xué)中執(zhí)行各種功能。長時間暴露于LPS 等的免疫細(xì)胞，可誘導(dǎo)一種先天免疫記憶，并隨后鈍化對不相關(guān)病原體的反應(yīng)，即LPS耐受，后者通過LPS持續(xù)刺激骨髓源性巨噬細(xì)胞（bone marrow?derived macro?phage，BMDM）實現(xiàn)。巨噬細(xì)胞的這種功能性重編程（耐受），是由于LPS誘導(dǎo)大多數(shù)基因被轉(zhuǎn)錄沉默［7］，當(dāng)耐受的巨噬細(xì)胞被LPS 再刺激后，轉(zhuǎn)錄沉默的同時不能對耐受基因啟動子上的組蛋白進(jìn)行標(biāo)記［8］。但是，TI 相關(guān)的造血過程增加又表現(xiàn)出LPS 再刺激后的有益一面，比如其保護(hù)小鼠免受化療誘導(dǎo)的骨髓抑制［9］。部分?jǐn)?shù)據(jù)表明，經(jīng)LPS 訓(xùn)練誘導(dǎo)造血干細(xì)胞的變化，可顯著改善對繼發(fā)性細(xì)菌（如銅綠假單胞菌感染）的反應(yīng)［10］。

1.2 幾丁質(zhì)

釀酒酵母天然存在于哺乳動物的皮膚和腸道中，同白色念珠菌一樣，在宿主定殖的真菌物種中具有普遍的保護(hù)特性［11］，并且可能影響宿主的免疫。幾丁質(zhì)，是真菌細(xì)胞壁的主要成分，Jiang 等［12］證實了其可以訓(xùn)練先天免疫，經(jīng)過訓(xùn)練的單核細(xì)胞第2 次接觸病原體時腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）?α和白介素（interleukin，IL）?6的產(chǎn)生增加。同時，組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶抑制劑可削弱幾丁質(zhì)對單核細(xì)胞的TI，這表明組蛋白甲基化水平的表觀遺傳變化在幾丁質(zhì)TI的重編程中起著重要作用。

1.3 β?葡聚糖

β?葡聚糖（一種真菌衍生的TI 典型激動劑）預(yù)處理小鼠可導(dǎo)致腫瘤生長減弱，與其誘導(dǎo)TI介導(dǎo)粒細(xì)胞生成和中性粒細(xì)胞的表觀遺傳重編程導(dǎo)致抗腫瘤表型改變有關(guān)，并且該過程需要I型干擾素（in?terferon，IFN）信號，而與宿主的獲得性免疫無關(guān)。將中性粒細(xì)胞從β?葡聚糖訓(xùn)練的小鼠過繼轉(zhuǎn)移到幼稚荷瘤受體，則是以一種活性氧依賴的方式抑制后者的腫瘤生長［13］。亦有報道β?葡聚糖可通過抑制免疫反應(yīng)基因1的表達(dá)從而減弱人類內(nèi)毒素血癥模型誘導(dǎo)的耐受性，這突出了β?葡聚糖誘導(dǎo)TI逆轉(zhuǎn)免疫耐受的潛力［14］。

1.4 卡介苗（bacille calmette?guerin，BCG）

作為世界上應(yīng)用最多的疫苗［15］，卡介苗能保護(hù)兒童免受不相關(guān)的感染，特別是呼吸道感染和新生兒敗血癥。研究表明BCG 接種可能是一種有效的預(yù)防新型冠狀病毒（severe acute respiratory syn?drome coronavirus 2，SARS?CoV?2）感染的措施，它可作為開發(fā)針對SARS?CoV?2 的特異性疫苗的橋梁，從而控制大流行趨勢［16-17］。此外，BCG 接種在造血干細(xì)胞水平上引起的轉(zhuǎn)錄變化可以“傳遞”給多能祖細(xì)胞和骨髓源性巨噬細(xì)胞，從而增強(qiáng)對結(jié)核分枝桿菌感染的保護(hù)能力。該過程主要通過Ⅱ型IFN或IL?1 反應(yīng)對骨髓中的造血干細(xì)胞進(jìn)行重新編程，從而提供針對結(jié)核桿菌的保護(hù)性TI。但有文章發(fā)現(xiàn)，與BCG 不同，結(jié)核分枝桿菌通過IFN?I 反應(yīng)對造血干細(xì)胞進(jìn)行再編程，結(jié)果顯示造血干細(xì)胞轉(zhuǎn)錄譜的改變持續(xù)了至少1 年，這表明結(jié)核分枝桿菌對造血干細(xì)胞TI產(chǎn)生持久的影響［18］。

1.5 乙型肝炎病毒（hepatitis B virus，HBV）

HBV 是慢性感染者導(dǎo)致肝臟炎癥和癌癥的主要原因，也能夠引發(fā)一種TI狀態(tài)。由于新生兒免疫系統(tǒng)不成熟，HBV 從受感染的母親傳染給新生兒，通過誘導(dǎo)免疫耐受狀態(tài)促進(jìn)HBV 持續(xù)存在［19］。與之相反，胎兒在子宮內(nèi)暴露于HBV會觸發(fā)TI，不僅促進(jìn)先天免疫細(xì)胞成熟和1 型輔助性T 細(xì)胞（T helper 1 cell，Th1）發(fā)育，還增強(qiáng)了臍帶血免疫細(xì)胞體外對細(xì)菌感染的反應(yīng)能力。這些TI 效應(yīng)與細(xì)胞微環(huán)境有關(guān)，以低IL?10、高IL?12p40和IFN?α2為特征。相關(guān)數(shù)據(jù)亦揭示了相似的TI狀態(tài)［20］。

1.6 各類代謝產(chǎn)物

胰島素抵抗的巨噬細(xì)胞基礎(chǔ)哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）復(fù)合物1活性增加從而具有M2樣表型，可降低LPS反應(yīng)，同時又表現(xiàn)出糖酵解增加和關(guān)鍵糖酵解酶的表達(dá)增加［21］。因此，引起巨噬細(xì)胞對病原體的反應(yīng)減弱和代謝改變的胰島素抵抗本質(zhì)上是一種TI。此外，臨床證據(jù)強(qiáng)調(diào)了胰島素抵抗患者中巨噬細(xì)胞對病原體或代謝產(chǎn)物反應(yīng)的改變，這與細(xì)胞培養(yǎng)和動物模型研究一致［22］。Du等［23］發(fā)現(xiàn)低氧預(yù)處理的人間充質(zhì)干細(xì)胞可分泌胰島素樣生長因子（insulin like growth factor，IGF）?2，訓(xùn)練正在成熟的小鼠巨噬細(xì)胞向M2 樣表型，從而抑制自身免疫性炎癥。從嗜鉻細(xì)胞瘤/副神經(jīng)節(jié)瘤患者分離的單核細(xì)胞，長期暴露于高兒茶酚胺水平可能對其功能、轉(zhuǎn)錄和表觀遺傳學(xué)具有很大影響［24］。再刺激后醛固酮通過鹽皮質(zhì)激素受體，可增加單核細(xì)胞來源的巨噬細(xì)胞中促炎因子、活性氧的產(chǎn)生。脂肪酸合成是誘導(dǎo)TI 的關(guān)鍵途徑，對該途徑的藥理抑制可削弱醛固酮誘導(dǎo)的TI［25］。持續(xù)性高膽固醇血癥誘導(dǎo)單核細(xì)胞具有TI表型，造成個體患心血管疾病的風(fēng)險增加，即便他汀類藥物也不能逆轉(zhuǎn)這種促炎癥表型［26］。

1.7 各類受體激活劑

研究表明，先天免疫細(xì)胞通過激活模式識別受體（pattern recognition receptor，PRR）識別病原體相關(guān)分子模式后，其功能重編程可在隨后的微生物接觸時產(chǎn)生增強(qiáng)的非特異性抗菌反應(yīng)［27-28］。肝臟X受體（liver X receptor，LXR）是膽固醇和脂肪酸穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，LXR 激動劑的激活伴隨著TI 的特征，如激活炎癥基因啟動子上的組蛋白標(biāo)記和代謝重編程，從而增加乳酸產(chǎn)生和降低耗氧率［29］。CL429 是一種嵌合Toll 樣受體（toll?like receptors，TLR）?2/核苷酸寡聚化結(jié)構(gòu)域（nucleotide binding oligomerization domain，NOD）?2 激動劑，可模擬乳桿菌的調(diào)節(jié)作用，并減輕由先天免疫記憶引起的鉤端螺旋體病的急性期反應(yīng)［30］。波形蛋白是C型凝集素受體（Dectin?1）的內(nèi)源性激活配體，有助于動脈粥樣硬化中的脂質(zhì)氧化和膽固醇積累。TLR4 是激活天然免疫和細(xì)胞因子釋放的關(guān)鍵受體，它是依賴高遷移率族蛋白B1（high mobility group box 1 protein，HMGB1）激活巨噬細(xì)胞TNF釋放所必需的。在同種異體移植排斥反應(yīng)中，波形蛋白和HMGB1 通過Dectin?1 和TLR4 激活的局部巨噬細(xì)胞可以驅(qū)動TI相關(guān)細(xì)胞因子的產(chǎn)生［31］。此外，雖然TLR10介導(dǎo)先天免疫與炎癥抑制，但相關(guān)研究卻顯示其在BCG與β葡聚糖訓(xùn)練中影響甚微［32］。

2 訓(xùn)練細(xì)胞

TI可發(fā)生于固有免疫細(xì)胞，如單核細(xì)胞/巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、自然殺傷細(xì)胞（natural killer cell，NK）等和非免疫細(xì)胞，如成纖維細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞等［33］。

2.1 吞噬細(xì)胞

專業(yè)吞噬細(xì)胞包括中性粒細(xì)胞、單核/巨噬細(xì)胞，通過PRR 對入侵微生物進(jìn)行識別和應(yīng)答。已在包括單核［24］/巨噬細(xì)胞［34］、中性粒細(xì)胞［13］的幾種細(xì)胞群中研究先天免疫記憶特性，而初步觀察表明，類似的特性也存在于其他類型細(xì)胞中，如先天淋巴樣細(xì)胞（innate lymphoid cell，ILC）或多形核白細(xì)胞等。

2.2 NK細(xì)胞

已發(fā)表的數(shù)據(jù)表明NK 細(xì)胞免疫記憶是復(fù)雜的。首先，與T、B 細(xì)胞相似，NK 細(xì)胞在遇到半抗原或病毒等刺激后可形成免疫記憶，從而產(chǎn)生抗原特異性記憶NK細(xì)胞［35］。其次，NK細(xì)胞可記憶炎性細(xì)胞因子環(huán)境，而這些環(huán)境會影響非抗原特異性NK細(xì)胞效應(yīng)器的長期功能［36-37］。此外，最近研究表明NK 細(xì)胞的記憶也受表觀遺傳變化的調(diào)控［38］。因此，NK 細(xì)胞可表現(xiàn)為抗原依賴（在某些情況下抗原特異性）記憶，以及TI中所見的表觀遺傳重編程。

2.3 ILC

最近研究表明，ILC 能夠?qū)υ俑腥井a(chǎn)生有效的記憶［39］，而第二組天然淋巴樣細(xì)胞（ILC2）是定義最明確的ILC，其雖不直接識別過敏原，但能被細(xì)胞因子（如IL?33）所激活［40］，進(jìn)而產(chǎn)生IL?5 和IL?13。在過敏反應(yīng)的背景下［41］，ILC2以非特異性方式對過敏原產(chǎn)生免疫記憶，表現(xiàn)出與記憶T 細(xì)胞相似的特征。因此，有研究者建議修改免疫記憶的定義，即記憶先前被激活的能力，并在重新激活時做出更有效的反應(yīng)，而不考慮抗原的特異性。

2.4 非經(jīng)典免疫細(xì)胞

TI 不僅存在于先天免疫細(xì)胞，也存在于非經(jīng)典免疫細(xì)胞中。目前研究最多的是造血干細(xì)胞維持免疫細(xì)胞的終身產(chǎn)生［10，42-43］。亦有報道骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞介導(dǎo)的免疫調(diào)節(jié)包括先天免疫系統(tǒng)和適應(yīng)性免疫系統(tǒng)［44］。此外，上皮細(xì)胞［33，45］及上皮干細(xì)胞［46］的TI均有報道。

3 TI的機(jī)制

TI 主要基于細(xì)胞的表觀遺傳和代謝重編程。相關(guān)研究探討TI誘導(dǎo)背后的表觀遺傳學(xué)機(jī)制，以及不同細(xì)胞代謝物和代謝網(wǎng)絡(luò)在TI誘導(dǎo)、調(diào)節(jié)和維持中的作用［5］。但要破譯TI 誘導(dǎo)背后的表觀遺傳機(jī)制，還需要先了解特定代謝物和代謝網(wǎng)絡(luò)在該過程中的作用（圖1）。

圖1 訓(xùn)練免疫的機(jī)制［6］Figure 1 The mechanism of trained immunity［6］

3.1 代謝重組機(jī)制

TI 的誘導(dǎo)和維持涉及多種代謝途徑，包括有氧糖酵解、谷氨酰胺分解、膽固醇代謝和脂肪酸合成［5，47］，例如在人類巨噬細(xì)胞炎癥驅(qū)動下，Dectin?1、蛋白激酶B（Akt）、mTOR 和缺氧誘導(dǎo)因子（hypoxia inducible factor，HIF）?1α介導(dǎo)細(xì)胞從氧化磷酸化到有氧糖酵解的代謝轉(zhuǎn)換（沃伯格效應(yīng)）［2，48］。糖酵解的增加和三羧酸循環(huán)中間代謝物的積累，如富馬酸鹽和谷氨酸鹽，形成β?葡聚糖誘導(dǎo)TI的代謝基礎(chǔ)［3］。但當(dāng)未成熟巨噬細(xì)胞經(jīng)IGF?2訓(xùn)練后表現(xiàn)M2極化時，會發(fā)生氧化磷酸化偏向性進(jìn)而產(chǎn)生抗炎作用［23］。除了葡萄糖代謝，膽固醇合成途徑中幾種關(guān)鍵酶的表達(dá)增加亦是誘導(dǎo)TI的先決條件［49］，例如甲羥戊酸的積累上調(diào)了IGF?1R?mTOR途徑和糖酵解的代謝轉(zhuǎn)換［50］。除了熟知的代謝途徑外，Ji 等［51］揭示了細(xì)胞內(nèi)L?精氨酸?肌酸代謝對IFN?γ、IL?4 介導(dǎo)的巨噬細(xì)胞活化中的重要影響。

3.2 表觀遺傳重編程機(jī)制

不同的代謝途徑作為持續(xù)的能量來源和構(gòu)建模塊，為細(xì)胞表觀遺傳的主動重塑提供燃料，但也為改變?nèi)旧|(zhì)和基因組相應(yīng)區(qū)域的結(jié)構(gòu)提供必要的底物。表觀遺傳變化表現(xiàn)為組蛋白的化學(xué)修飾（甲基化和乙?；?，導(dǎo)致染色質(zhì)可及性增強(qiáng)，并使抗菌反應(yīng)中的重要基因更易轉(zhuǎn)錄和改善細(xì)胞功能［52］。先天免疫細(xì)胞暴露于刺激（包括β?葡聚糖、BCG 和白色念珠菌）下，顯示了表觀遺傳標(biāo)記的全基因組變化，包括組蛋白第3 亞基4 號賴氨酸的單甲基化（histone H3 lysine 4 monomethylation，H3K4me1）、組蛋白第3 亞基4 號賴氨酸的三甲基化（histone H3 lysine 4 trimethylation，H3K4me3）和組蛋白第3 亞基27 號賴氨酸的乙?；╤istone H3 lysine 27 acetyla?tion，H3K27ac）［3，5］。例如Set7 通過在增強(qiáng)子的一個子集上寫入一個持久的H3 K4me1 信號從而調(diào)節(jié)TI［5，53］；H3K27ac在參與巨噬細(xì)胞M1激活的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子如Mir155的啟動子和增強(qiáng)子中顯著減少［54］，而在一些基因（如Mecp2）中增強(qiáng)，已知其抑制巨噬細(xì)胞的炎癥［23］。雖然這些只是部分反映了巨噬細(xì)胞極化與組織微環(huán)境相關(guān)的表型復(fù)雜性，在該組織微環(huán)境中，許多促炎和促穩(wěn)態(tài)信號可能同時存在［55］。此外，研究發(fā)現(xiàn)一些長鏈非編碼RNA在TI基因啟動子上建立表觀遺傳標(biāo)記的機(jī)制［56-57］。幼稚、效應(yīng)和記憶性NK 細(xì)胞具有不同的染色質(zhì)可及性狀態(tài)，由ATAC?seq 和H3K4me3 染色質(zhì)免疫沉淀和測序確定，這揭示了鼠巨細(xì)胞病毒感染后記憶性NK 細(xì)胞階段的“平衡”調(diào)節(jié)程序［39，58-59］。

4 TI在相關(guān)疾病中的進(jìn)展

了解TI 的特性將有助于更好地理解宿主防御機(jī)制和免疫介導(dǎo)疾病的發(fā)病機(jī)制，這一新興科學(xué)領(lǐng)域的概念和機(jī)理進(jìn)展將為疫苗接種以及疾病預(yù)防和治療的臨床應(yīng)用開辟新的途徑［3］。

4.1 炎癥疾病

與100多年前“細(xì)菌感染時代”不同，如今，西方生活方式等引起的無菌性炎癥反應(yīng)誘導(dǎo)TI 是慢性炎癥疾病發(fā)展的基礎(chǔ)［60］。在家族性高膽固醇血癥患者中，單核細(xì)胞產(chǎn)生細(xì)胞因子的能力明顯增強(qiáng)，其啟動子上H3K4me3富集，即使降膽固醇他汀治療3個月后仍存在［26］。嚴(yán)重冠狀動脈粥樣硬化患者的循環(huán)單核細(xì)胞在細(xì)胞因子產(chǎn)生能力、糖酵解代謝和組蛋白甲基化水平的表觀遺傳重編程方面亦表現(xiàn)訓(xùn)練免疫表型［33］。另一種由單核細(xì)胞來源誘導(dǎo)TI的臨床無菌性炎癥是器官移植，Braza等［31］用特異性抑制髓樣細(xì)胞mTOR的高密度脂蛋白納米生物制劑進(jìn)行短期治療，能夠防止有氧糖酵解和TI基礎(chǔ)上的表觀遺傳修飾，從而提高了同種異體移植物的存活率。

4.2 神經(jīng)系統(tǒng)疾病

在阿爾茨海默病小鼠模型中，外周炎性持續(xù)刺激可導(dǎo)致小膠質(zhì)細(xì)胞的長期訓(xùn)練，并加劇了腦β?淀粉樣變性［61］，這是由于小膠質(zhì)細(xì)胞的功能變化伴隨著HIF1A基因位點的活化表觀遺傳變化。在另一種與全身炎癥及癡呆相關(guān)的大腦小血管疾病的患者中［62］，外周血來源的單核細(xì)胞顯示出TI特征，例如在體外刺激后IL?6、IL?8的產(chǎn)生增加，這也與疾病的嚴(yán)重程度和進(jìn)展有關(guān)［63］。綜上表明慢性而非急性炎癥狀態(tài)，與TI以及其誘導(dǎo)神經(jīng)炎癥和神經(jīng)退行性變有關(guān)。

4.3 新型冠狀病毒肺炎

新型冠狀病毒肺炎是一種新型呼吸道感染，可并發(fā)嚴(yán)重肺炎和急性呼吸窘迫綜合征［64］。研究發(fā)現(xiàn)BCG能夠增強(qiáng)先天免疫反應(yīng)，有助于新型冠狀病毒肺炎疫苗的研發(fā)［65］。事實上，目前正在荷蘭、澳大利亞和希臘評估BCG 接種人群的試驗效果，美國、英國、法國等也計劃進(jìn)行其他試驗。雖然免疫衰老可能會導(dǎo)致老年人接種后效果減弱，但最近一項研究表明，老年群體中很大程度上保留先天免疫功能，而適應(yīng)性免疫反應(yīng)（特別是IFN γ/IL?22 的產(chǎn)生）缺乏。因此，通過全微生物疫苗誘導(dǎo)TI 可能是降低SARS?CoV?2 易感性和嚴(yán)重性的重要工具［16］，但不建議在對照臨床試驗之外使用BCG 治療新型冠狀病毒肺炎［66］。

5 結(jié)論及展望

本文闡述了TI 的訓(xùn)練激活物、訓(xùn)練細(xì)胞、代謝和表觀遺傳重編程機(jī)制，以及在不同疾病方面的最新進(jìn)展，但仍有許多問題和重要的研究方向需要繼續(xù)探索，介導(dǎo)TI 的分子機(jī)制需要更深入詳細(xì)的研究。未來一個重要領(lǐng)域是利用TI 誘導(dǎo)機(jī)制設(shè)計新一代療法和疫苗，將經(jīng)典適應(yīng)性免疫記憶的誘導(dǎo)和TI相結(jié)合。此外，未來最關(guān)鍵的研究方向之一是探索TI對疾病的影響：一方面，TI如何促進(jìn)免疫介導(dǎo)疾病的發(fā)病機(jī)制；另一方面，如何將TI作為治療目標(biāo)，利用TI在健康和疾病中發(fā)揮作用。