李慧倩綜述 永 勝審校

(青海大學(xué)醫(yī)學(xué)部，青海 西寧 810016)

低氧可以觸發(fā)免疫細(xì)胞中低氧誘導(dǎo)因子(hypoxia-inducible factors，HIFs)的表達(dá)并使之趨于穩(wěn)定，同時(shí)HIFs作為免疫細(xì)胞功能的調(diào)節(jié)器影響免疫反應(yīng)。闡明低氧在固有和適應(yīng)性免疫中的作用是低氧與免疫研究方向備受關(guān)注的課題，相關(guān)研究已經(jīng)衍生出許多新的觀點(diǎn)和結(jié)論，但部分觀點(diǎn)仍存有異議。本文主要就低氧在固有和適應(yīng)性免疫細(xì)胞的調(diào)節(jié)中發(fā)揮的作用進(jìn)行綜述。

1 低氧對(duì)固有免疫細(xì)胞的影響

1.1 對(duì)中性粒細(xì)胞的影響

多項(xiàng)研究顯示低氧影響中性粒細(xì)胞的脫顆粒反應(yīng)。據(jù)報(bào)道，從急性缺氧的健康志愿者動(dòng)脈血中分離的中性粒細(xì)胞彈性蛋白酶(neutrophil elastase，NE)釋放(脫顆粒，在體外)增加[1]；研究發(fā)現(xiàn)與常氧條件相比，低氧條件下分離的人外周血中性粒細(xì)胞會(huì)釋放更多的去甲腎上腺素、髓過(guò)氧化物酶和基質(zhì)金屬蛋白酶等顆粒物質(zhì)，以增強(qiáng)抗菌作用[2，3]；Hoenderdos等發(fā)現(xiàn)[2，4]，低氧可以通過(guò)HIF非依賴途徑增強(qiáng)中性粒細(xì)胞的脫顆粒反應(yīng)。目前，低氧影響中性粒細(xì)胞脫顆粒研究的總體共識(shí)是低氧通過(guò)增加顆粒胞吐作用增強(qiáng)中性粒細(xì)胞的抗菌功能，中性粒細(xì)胞顆粒亞型的不同，會(huì)導(dǎo)致抗菌功能的不同。低氧增強(qiáng)中性粒細(xì)胞的脫顆粒反應(yīng)是一把“雙刃劍”，這種反應(yīng)既能增強(qiáng)抗菌能力，又能在反應(yīng)過(guò)程中釋放有毒顆粒造成周圍組織廣泛損傷[5]。

此外，大量研究表明低氧對(duì)中性粒細(xì)胞的凋亡有重要影響。如曹潔等報(bào)道，中性粒細(xì)胞的凋亡在低氧環(huán)境下受到嚴(yán)重抑制，且HIF-1信號(hào)通路在持續(xù)低氧條件下是調(diào)節(jié)中性粒細(xì)胞凋亡的關(guān)鍵通路[6]。有研究發(fā)現(xiàn)，HIF-1α可以抑制中性粒細(xì)胞凋亡[7]。Thompson等人發(fā)現(xiàn)[8]，中性粒細(xì)胞中HIF-2α基因的特異性缺失會(huì)增加中性粒細(xì)胞在體內(nèi)的凋亡數(shù)量。另外，體外培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，與常氧培養(yǎng)相比，低氧-常氧的培養(yǎng)條件延遲了中性粒細(xì)胞的凋亡[9]。目前，對(duì)低氧抑制中性粒細(xì)胞凋亡的機(jī)制研究集中在與HIF、NF-κB相關(guān)的通路上。

1.2 對(duì)巨噬細(xì)胞的影響

有研究認(rèn)為，巨噬細(xì)胞根據(jù)其表型特征和生物學(xué)功能的不同通常可極化為兩個(gè)亞群細(xì)胞，包括經(jīng)典激活的巨噬細(xì)胞(M1)和替代激活的巨噬細(xì)胞(M2)[10]。低氧影響巨噬細(xì)胞的極化反應(yīng)和效應(yīng)功能。例如，有研究將從健康志愿者外周血中分離誘導(dǎo)獲得的巨噬細(xì)胞置于常氧和低氧條件下培養(yǎng)，并采用流式細(xì)胞術(shù)檢測(cè)M1、M2的表面標(biāo)志物表達(dá)和細(xì)胞因子釋放情況，發(fā)現(xiàn)低氧培養(yǎng)的M1細(xì)胞CD206的mRNA表達(dá)明顯高于常氧培養(yǎng)的M1細(xì)胞，其細(xì)胞培養(yǎng)上清液中TNF-α、IL-12的分泌減少，而IL-1β的分泌增加；與常氧M2細(xì)胞相比，低氧M2細(xì)胞的CD80陽(yáng)性細(xì)胞百分率顯著降低，其細(xì)胞表面標(biāo)志物CD206的表達(dá)水平顯著升高，細(xì)胞培養(yǎng)上清液中TNF-α、CCL18(趨化因子-18)和CCL24的釋放被缺氧所抑制，但I(xiàn)L-12與TGF-β的分泌未受影響[11]。上述研究結(jié)果提示，低氧環(huán)境阻礙巨噬細(xì)胞向經(jīng)典激活表型極化，并促進(jìn)一些替代激活表型的典型分泌特征的獲得。Ke Xixian等人的研究得出了與此相似的結(jié)論：低氧可以影響巨噬細(xì)胞的極化，不同的是，低氧降低了M1細(xì)胞中促炎介質(zhì)的分泌，對(duì)M2細(xì)胞的影響不明顯[12]。眾所周知，巨噬細(xì)胞適應(yīng)低氧的過(guò)程涉及許多基因的表達(dá)，其中主要的基因是HIF-1。然而研究表明，在低氧通過(guò)調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞極化影響A549肺癌細(xì)胞惡性行為的調(diào)控過(guò)程中，參與調(diào)控的關(guān)鍵因子是p38蛋白，而不是HIF-1α[12]，這與Rodrigues等人的研究結(jié)論有出入[13，14]。Gondin等人的研究也發(fā)現(xiàn)，在無(wú)菌炎癥模型中，敲除骨髓HIF-1或HIF-2對(duì)巨噬細(xì)胞的極化反應(yīng)和效應(yīng)器功能沒(méi)有影響，提示HIF-1、HIF-2可能不是巨噬細(xì)胞極化的關(guān)鍵因子[15]。因此，以上研究提示低氧可以通過(guò)HIF依賴與非依賴途徑影響巨噬細(xì)胞的極化反應(yīng)和細(xì)胞因子分泌功能，但關(guān)于低氧如何調(diào)控巨噬細(xì)胞極化反應(yīng)過(guò)程，參與調(diào)控此過(guò)程的關(guān)鍵分子及介導(dǎo)通路是哪些等問(wèn)題，有待進(jìn)一步探索。

另外，一些研究證明HIF-1α在巨噬細(xì)胞感染過(guò)程中發(fā)揮重要作用。Braverman等人發(fā)現(xiàn)[16]，HIF-1α缺乏的巨噬細(xì)胞在控制IFN-γ依賴的結(jié)核分枝桿菌感染時(shí)存在缺陷，而HIF-1α蛋白水平的升高有助于協(xié)調(diào)巨噬細(xì)胞向有氧糖酵解的代謝轉(zhuǎn)移，以及大量免疫效應(yīng)物質(zhì)的產(chǎn)生，對(duì)于控制IFN-γ依賴的巨噬細(xì)胞感染至關(guān)重要。Knight等人證明，HIF-1α介導(dǎo)形成的IFN-γ依賴性巨噬細(xì)胞內(nèi)脂肪滴，是巨噬細(xì)胞對(duì)結(jié)核分枝桿菌免疫反應(yīng)的關(guān)鍵因素[17]。有研究觀察到肺結(jié)核病的小鼠模型中巨噬細(xì)胞HIF-1α的表達(dá)水平升高，于是做了進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)：在結(jié)核病早期，將HIF-1α阻斷會(huì)導(dǎo)致小鼠疾病病情加??；而在結(jié)核病晚期，抑制HIF-1α則會(huì)使巨噬細(xì)胞凋亡數(shù)量增加、細(xì)菌載量降低，提示HIF-1α在結(jié)核病的早晚期發(fā)揮著不同的作用。

此外，多數(shù)學(xué)者對(duì)于HIF-1α在利什曼原蟲感染中發(fā)揮的保護(hù)性作用持一致結(jié)論。Mesquita等人證明[18]，HIF-1α的遺傳缺陷能夠?qū)е鹿撬杓?xì)胞的抗利什曼原蟲感染功能受損，巨噬細(xì)胞中敲除HIF-1α使巨噬細(xì)胞更容易感染利什曼原蟲[14]。Alonso等在體外觀察發(fā)現(xiàn)[19]，低氧增強(qiáng)了巨噬細(xì)胞對(duì)利什曼原蟲感染的抵抗力。然而，部分學(xué)者對(duì)此持有不同意見(jiàn)：Singh等人認(rèn)為[20]，利什曼原蟲在受感染的巨噬細(xì)胞中因利用HIF-1獲得細(xì)胞內(nèi)生存優(yōu)勢(shì)而受益；Schatz等人認(rèn)為[21，22]，單核吞噬細(xì)胞中的HIF-1α在利什曼原蟲誘導(dǎo)的皮膚利什曼病中具有保護(hù)作用，而在內(nèi)臟利什曼病中是有害因素，其穩(wěn)定激活促進(jìn)了脾臟和骨髓中利什曼病的發(fā)生。因此，在內(nèi)臟和皮膚利什曼病中，使HIF-1α穩(wěn)定的不同背景很可能影響HIF-1α激活的功能后果，需要進(jìn)一步研究來(lái)揭示最終導(dǎo)致HIF-1α依賴性固有免疫細(xì)胞功能差異的不同信號(hào)。

1.3 對(duì)樹突狀細(xì)胞的影響

多項(xiàng)研究表明，低氧可促進(jìn)樹突狀細(xì)胞(dendritic cells，DCs)的遷移和遷移能力。Kohler T等人發(fā)現(xiàn)[23]，暴露在低氧環(huán)境中的未成熟DCs以HIF-1α依賴的方式上調(diào)CCR7，而CCR7與其配體CCL21、CCL19的結(jié)合是控制DCs向引流淋巴結(jié)遷移的重要方式[24]；Irene Filippi等[25]通過(guò)單核細(xì)胞體外遷移實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，短期缺氧可增強(qiáng)人的單核細(xì)胞源性DCs的遷移能力。以上研究表明，低氧可以促進(jìn)未成熟DCs的遷移能力。另外，有報(bào)道稱DCs的糖酵解代謝重編程部分受到HIF-1α的調(diào)節(jié)，HIF-1α在低氧條件下穩(wěn)定，可促進(jìn)糖酵解基因的表達(dá)，糖酵解的增加對(duì)DCs向引流淋巴結(jié)的遷移至關(guān)重要[26-28]。然而，也有報(bào)道顯示，低氧微環(huán)境可以通過(guò)抑制DCs膜表面膜1型金屬蛋白酶(membrane type 1 metalloprotease，MT1-MMP)和MMP-9的產(chǎn)生抑制單核細(xì)胞衍生性DCs的遷移活性，從而減弱能夠引起適度免疫反應(yīng)的刺激[29]。以上結(jié)果表明，雖然低氧影響DCs遷移能力的研究已經(jīng)得到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，但缺乏共識(shí)，推測(cè)上述結(jié)果出現(xiàn)差異的原因可能與DCs的成熟程度及低氧刺激的時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)。

此外，低氧可以影響DCs介導(dǎo)的T細(xì)胞反應(yīng)。Akil Hammami等人認(rèn)為[30]，在低氧和炎癥的微環(huán)境中，HIF-1α的穩(wěn)定表達(dá)抑制DCs產(chǎn)生IL-12，從而限制了Th1細(xì)胞的發(fā)育，并干擾慢性內(nèi)臟利什曼病期間保護(hù)性Th1反應(yīng)的啟動(dòng)和維護(hù)。缺失HIF-1α基因的DCs激活的T細(xì)胞釋放顆粒酶B的水平顯著降低，提示HIF-1α可以促進(jìn)DCs介導(dǎo)的T細(xì)胞活化[31]。Flück K等人將敲除DCs特異性 HIF-1α基因的結(jié)腸炎小鼠模型與野生型小鼠同時(shí)暴露在低氧環(huán)境下飼養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)DCs HIF-1α的缺失損傷了其對(duì)調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(Tregs)的誘導(dǎo)，導(dǎo)致小鼠出現(xiàn)更嚴(yán)重的腸道炎癥[32]。這些結(jié)果均表明HIF-1α的穩(wěn)定存在有助于DCs介導(dǎo)的T細(xì)胞適應(yīng)性免疫反應(yīng)的發(fā)生。

2 低氧對(duì)適應(yīng)性免疫細(xì)胞的影響

2.1 對(duì)B淋巴細(xì)胞的影響

低氧和HIFs在B細(xì)胞的發(fā)育和其他功能中起重要作用。B細(xì)胞在發(fā)育和分化過(guò)程中暴露于不同的氧水平。Cho等人證明，生發(fā)中心(Germinal center，GC)明區(qū)是缺氧的，這誘導(dǎo)了B細(xì)胞中HIF的表達(dá)[33]。最近的研究顯示，HIF活性在骨髓B細(xì)胞的不同發(fā)育階段有所不同。例如在人和小鼠骨髓祖B細(xì)胞和前B細(xì)胞中HIF活性較高，而在未成熟B細(xì)胞階段活性較低，且HIF-1α活性異常與B細(xì)胞譜系多樣性受限、B細(xì)胞受體(BCR)編輯和存活率降低均有關(guān)聯(lián)，B細(xì)胞發(fā)育過(guò)程中低氧依賴基因的表達(dá)與糖酵解和細(xì)胞周期基因表達(dá)的增加也有關(guān)聯(lián)[34，35]。這些結(jié)果表明HIF的活性變化對(duì)B細(xì)胞的正常發(fā)育十分重要。另外，Jellusova等人認(rèn)為，在代謝適應(yīng)過(guò)程中，GC B細(xì)胞分別通過(guò)HIF和糖原合成酶激酶3(GSK3)促進(jìn)糖酵解和線粒體生物合成，以支持低氧微環(huán)境中B細(xì)胞的生長(zhǎng)和增殖[36]。在脾臟和淋巴結(jié)的GC中，靜止的B細(xì)胞受到抗原刺激后增殖、分化，產(chǎn)生高親和力抗體，并促進(jìn)抗體類別轉(zhuǎn)換。通過(guò)敲除B細(xì)胞中的VHL來(lái)穩(wěn)定HIF導(dǎo)致促炎性IgG2c亞型的成熟和類別轉(zhuǎn)換受損，以及記憶B細(xì)胞和整體B細(xì)胞的形成減少[33]。Abbott等人得出了與之相反的結(jié)論，認(rèn)為低氧條件下Ig的類別轉(zhuǎn)換增加[37]。因此，以上研究表明缺氧和HIF之間存在復(fù)雜的關(guān)系，上述結(jié)果的出現(xiàn)可能受刺激的類型和低氧暴露時(shí)間長(zhǎng)短的影響。

此外，Meng等人的研究證明了HIF-1α在驅(qū)動(dòng)B細(xì)胞IL-10表達(dá)及控制其在炎癥性疾病中的保護(hù)活性方面的關(guān)鍵作用[38]。Qian等人的研究也發(fā)現(xiàn)了HIF-1α誘導(dǎo)的B細(xì)胞CD11b分子的表達(dá)上調(diào)與B細(xì)胞在某些炎癥性疾病中的保護(hù)作用有關(guān)[39，40]。因此，HIF-1α對(duì)B細(xì)胞介導(dǎo)的保護(hù)性抗炎反應(yīng)具有重要作用，或許可以作為一些炎癥性疾病的治療靶點(diǎn)。

2.2 對(duì)T淋巴細(xì)胞的影響

目前，已有多項(xiàng)研究認(rèn)為HIF-1α與Th17/調(diào)節(jié)性T(Treg)細(xì)胞的免疫平衡調(diào)節(jié)密切相關(guān)。有研究者發(fā)現(xiàn)，木香烴內(nèi)酯通過(guò)抑制Th17細(xì)胞的糖酵解過(guò)程和分化程度降低Th17/Treg細(xì)胞的比例，從而減輕了潰瘍性結(jié)腸炎(UC)的促炎損傷，此過(guò)程中，木香烴內(nèi)酯對(duì)HIF-1α泛素化-蛋白酶體降解途徑的觸發(fā)是主要的分子機(jī)制[41]。有報(bào)道認(rèn)為，芍藥湯能夠通過(guò)抑制HIF-1α的活化來(lái)調(diào)節(jié)Th17/Treg細(xì)胞的免疫平衡，從而改善UC大鼠的炎癥反應(yīng)[42]。也有研究表明，敲除骨髓細(xì)胞中的HIF-1α導(dǎo)致葡聚糖硫酸鈉(DSS)誘導(dǎo)的小鼠結(jié)腸炎的臨床癥狀減輕，并且使Tregs的存活率增高；而敲除骨髓細(xì)胞中的HIF-2α導(dǎo)致由DSS誘導(dǎo)的小鼠結(jié)腸炎炎癥反應(yīng)加劇，且促炎因子IL-17的表達(dá)升高：提示HIF-1α與HIF-2α在DSS誘導(dǎo)的小鼠結(jié)腸炎中發(fā)揮的作用不同[43]。因此，上述研究結(jié)果提示，HIF-1參與了Th17/Treg細(xì)胞的發(fā)育及分化平衡調(diào)節(jié)，準(zhǔn)確地說(shuō)，T細(xì)胞中HIF-1的穩(wěn)定維持可以促進(jìn)Th17細(xì)胞的發(fā)育，抑制Treg的分化及其他功能。

有報(bào)道發(fā)表了與之相反的結(jié)論，Astrid M等人將從結(jié)腸炎相關(guān)性結(jié)腸癌小鼠模型的結(jié)腸固有層淋巴細(xì)胞中分離出的CD4+效應(yīng)T細(xì)胞和Treg細(xì)胞，置于常氧和低氧條件下培養(yǎng)，并檢查其表型和功能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)小鼠結(jié)腸中嚴(yán)重缺氧，伴隨著CD4+效應(yīng)T細(xì)胞分化減少，Treg細(xì)胞數(shù)量和抑制活性增加；且體內(nèi)外補(bǔ)充研究表明，低氧條件下的T細(xì)胞刺激抑制了Th1細(xì)胞的分化、增殖和IFN-γ的產(chǎn)生，并增強(qiáng)了Treg的抑制能力[44]。由此可見(jiàn)，HIF-1影響免疫細(xì)胞間功能平衡的深入機(jī)制尚待進(jìn)一步探討。此外，有研究發(fā)現(xiàn)哮喘患者體內(nèi)高表達(dá)的甲基化CpG結(jié)合域蛋白2(MBD2)通過(guò)HIF-1α介導(dǎo)調(diào)節(jié)Th17細(xì)胞的分化，為中性粒細(xì)胞主導(dǎo)的炎性哮喘表觀遺傳調(diào)控提供了新的見(jiàn)解[45]。Ruifang Wu等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，HIF-1α參與銀屑病患者外周血單核細(xì)胞和CD4+T細(xì)胞中microRNA-210基因的轉(zhuǎn)錄激活調(diào)控，而microRNA-210的過(guò)表達(dá)能夠促進(jìn)Th1、Th17細(xì)胞的分化，抑制Th2細(xì)胞的分化，進(jìn)而加重銀屑病患者外周血與皮損中的免疫失衡和炎癥反應(yīng)[46]。

總之，通過(guò)以上研究能夠得出下述結(jié)論：HIF-1α是參與調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞間功能平衡的關(guān)鍵分子，并且與炎癥性疾病的發(fā)展密不可分，或可成為多種炎癥相關(guān)性疾病的治療靶點(diǎn)。

此外，低氧在調(diào)節(jié)細(xì)胞毒性T(CD8+T)細(xì)胞功能中也起重要作用。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，低氧以HIF-1α依賴的方式影響CD8+T細(xì)胞的糖酵解代謝，缺乏HIF-1α的CD8+T細(xì)胞顯示糖酵解代謝相關(guān)基因的表達(dá)受損，同時(shí)，研究證明HIF-1α的缺失導(dǎo)致終末分化的CD8+T細(xì)胞存活率降低，其產(chǎn)生效應(yīng)細(xì)胞因子TNF-α和IFN-γ的數(shù)量也降低[47]。Yael Gropper等人的研究得出了相似的結(jié)論，低氧條件下CD8+T細(xì)胞的存活和成熟良好，效應(yīng)產(chǎn)物顆粒酶B的產(chǎn)量更高，溶細(xì)胞能力更強(qiáng)，且與糖酵解相關(guān)的基因表達(dá)水平更高[48]。另外，Liikanen等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明CD8+T細(xì)胞中HIF的激活促進(jìn)了CD8+T細(xì)胞在腫瘤組織中的駐留、積累及其抗腫瘤能力，為過(guò)繼性T細(xì)胞療法在癌癥治療中的應(yīng)用提供了新的參考依據(jù)[49]?？傊?，以上研究表明低氧對(duì)CD8+T細(xì)胞的功能具有增強(qiáng)作用。

然而，也有一些學(xué)者發(fā)表了相反的觀點(diǎn)。Multhoff G等認(rèn)為，低氧通過(guò)降低CD4+、CD8+T細(xì)胞等效應(yīng)細(xì)胞的生存能力、溶細(xì)胞毒性和遷移活性，負(fù)向調(diào)節(jié)機(jī)體的抗腫瘤免疫反應(yīng)[50]。Charles等人發(fā)現(xiàn)DCs中HIF-1α的條件性缺失增強(qiáng)了它們誘導(dǎo)CD8+T細(xì)胞反應(yīng)的能力，而表達(dá)HIF-1α的DCs則表現(xiàn)出驅(qū)動(dòng)效應(yīng)CD8+T細(xì)胞功能的能力降低，產(chǎn)生的抗炎介質(zhì)增加[51]。

目前，關(guān)于低氧影響CD8+T細(xì)胞功能的具體機(jī)制尚不明了，出現(xiàn)上述兩種不同的觀點(diǎn)，可能與CD8+T細(xì)胞的分化狀態(tài)及激活環(huán)境有關(guān)。進(jìn)一步探討低氧及HIFs參與增強(qiáng)或抑制CD8+T細(xì)胞效應(yīng)功能的深層機(jī)制，將為腫瘤及炎癥等相關(guān)疾病的治療提供新的思路。

3 結(jié)語(yǔ)

低氧影響免疫細(xì)胞功能的各個(gè)方面，在固有免疫和適應(yīng)性免疫調(diào)節(jié)過(guò)程中發(fā)揮重要作用。目前，盡管多數(shù)關(guān)于低氧和HIFs與免疫細(xì)胞的研究仍處于初步探索階段，且部分結(jié)論尚存有差異，但隨著生物信息學(xué)的快速發(fā)展及分子實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，相信低氧和HIFs調(diào)控免疫細(xì)胞功能的深層作用機(jī)理將逐步得到闡明，且HIFs在不同的免疫細(xì)胞類型和不同的環(huán)境中表現(xiàn)出的功能差異，將使其成為一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的疾病治療靶點(diǎn)。