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肠黏膜中微生物免疫识别的研究

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发表时间:2021-05-07 09:54作者:武汉新启迪Xinqidibio

摘要

哺乳动物黏膜免疫系统在机体功能和大量的微生物殖民者之间起着多任务中介的作用。根据宿主-微生物相互作用的类型,粘膜免疫反应具有不同的功能.对病原体感染的免疫可以限制组织损伤,清除或包含原发感染,并通过赋予特定的长期适应性免疫来预防或降低继发性感染的严重程度。对非致病性共生或互惠微生物的反应相反,其作用是容忍持续的定植。黏膜天然免疫和上皮细胞利用有限的先天受体来规划相应的适应性免疫反应。病原体和非病原体的免疫识别似乎非常强大,因为大多数个体成功地与他们的非致病性微生物保持了终生的互惠关系,同时对致病性微生物的感染进行了免疫防御。然而,这一过程是不完善的,这可能有免疫病理的后果,但也可能被医学利用。正常情况下,一些人体内无害的肠道辅助性物质可能会引发严重的自身炎症免疫,而无害的疫苗可以用来欺骗免疫系统,使其产生保护性的抗病原体免疫反应。本文综述了肠黏膜细菌免疫识别的最新进展,重点是T。H17肠道病变与疫苗诱导T的反应及共性H17答复。

黏膜免疫与微生物的矛盾关系

从出生的那一刻起,哺乳动物就经历了无数短暂或持续的接触,粘膜表面有大量的微生物种类。粘膜免疫系统对许多免疫系统都有反应,如果不是全部的话。根据微生物的种类及其宿主相互作用的类型,微生物诱导的粘膜免疫结合了三大功能:一是有效清除(或控制)致病力的初级感染并存活;二是防止(或至少降低)同一或类似病原体继发感染的严重程度;三是容忍有益和无害微生物的生理定植。正如在以下章节中进一步讨论的那样,刻板印象的致病性相关微生物行为,如上皮细胞粘附或宿主细胞和组织侵袭,都与免疫反应的定型类型有关[1]。例如,侵袭性细菌倾向于诱导“1型”,上皮贴壁和组织侵入细胞外细菌和真菌病原体是典型的炎症“3型”免疫诱导剂,与T的诱导有关。H1和TH17辅助T细胞2]。这些表现形式与非致病性微生物诱导的调节免疫有很大的区别,表现为外周诱导的调节性T细胞(PT)的诱导。雷格) [3, 4],这对于控制对土著非病原体的炎症反应是很重要的,这些非病原体不断地在宿主体内定居。所有这些和其他概念化的免疫反应类型可能产生长寿命的抗原特异性循环和组织驻留的T细胞和B细胞群体。它们还能产生抗原特异性抗体、亲和力抗体和适合于目标微生物的亚型抗体。免疫反应类型和T细胞介导的肠黏膜免疫的概念在其他地方得到了详细的评述。4,5,6].

重要的是要强调黏膜免疫系统的正确决策是至关重要的。北半球约有0.1%的人患有慢性炎症性肠病,表现为对非致病性肠道微生物的炎症免疫反应,认为这是非致病性肠粘膜适应性免疫失调的结果。这些疾病的确切病理机制仍然是个谜。7同样不清楚的是,其他99.9%的人口是如何分享相同的环境和相似的生活方式,成功地维持了宿主-微生物的共生关系。

微生物感染的天然免疫识别

先天免疫系统如何区分病原体和非病原体,根据微生物的威胁充分而有力地激活和规划免疫反应?正如珍妮薇在1989年首次假定的那样[8],天然免疫利用生殖线编码的受体(所谓的模式识别受体,PRRs),通过感知保守的微生物相关分子模式(所谓的mmps)来通知免疫系统微生物的存在或活动,这些分子模式是至少一种微生物的整体结构成分或产物。例如脂多糖(LPS)、鞭毛素或病毒核酸分子[9]。T细胞样受体(TLR)和C型凝集素受体(CLR)表达于免疫细胞、上皮细胞和其他细胞表面对细胞外MAMPs的反应[10, 11],而胞浆PRRs(如NOD样受体(NLRs)和钻机-I样受体(RLRs)则扫描细胞质中是否存在MAMPS[12,13,14,15]。TLR、CLRs、NOD 1和NOD 2的激活导致促炎症细胞因子(包括亲IL1β和亲IL18)和/或Ⅰ型和Ⅲ型干扰素的转录上调,这取决于PRRs激活的组合。其余的NLR通过激活炎症体来响应多种刺激,导致IL1、β和IL-18的蛋白水解和释放。关于PRR和炎症体激活和信号通路的深入综述可在其他地方找到[16,17,18]。重要的是要注意的是,大多数PRR激动剂是保守的深层系统发育群的微生物,因此不能直接区分病原和非病原微生物。然而,目前已知的病原体特异性模式原则上允许通过PRRs直接检测病原体.例如,细菌3型分泌系统针状蛋白和胞浆单聚鞭毛蛋白往往被鞭毛型3型分泌系统注射到宿主细胞胞浆中,它们都是奈普-NLRC4炎症体的强激活因子,也是随后产生的炎症性IL-1家族细胞因子和类伊糖释放的强激活因子。19,20,21,22,23,24,25,26,27]。吡喃类炎症体虽然不能感觉到任何常规意义上的MamP,但被宿主小的Rho GTP酶的常见操作所激活,被各种细菌毒素所激活。28]。此外,也有报道称,过量的细菌毒素介导的rho gtp酶激活激活了细胞质膜肽特异性PRR NOD 1。29].

任何通常无菌的微生物在身体组织中的存在都可以被认为是一种很好的替代物,要么是被突破障碍的侵入病原体所感染,要么是由于屏障失效而渗透到微生物群中。PRR信号在组织、巨噬细胞和其他类型的细胞中,然后在微生物入侵的地方局部激活免疫反应。每当微生物或它们的碎片变成血液传播时,血液中性粒细胞、血小板和全身各种细胞类型上表达的PRR就会被激活,从而引发全身免疫反应。

粘膜边界宿主微生物互作的先天和适应性免疫维持

这一天然免疫识别的基本模型需要几个概念上的修改,以解释非病原体和病原体的独特的亲免疫能力,以及在密集定居的黏膜屏障上的积极免疫监视。在这篇综述中,我们将把重点放在肠道粘膜,这是特别深入的研究和构成微生物和粘膜免疫细胞在体内最大的积累。首先,黏膜系统是与一个多样化和极其密集的微生物群落相互作用,不断产生大量的MAMP,而病原体可能只在短暂和低相对丰度发生。一些研究表明,TLRs仅在正常非微生物区系暴露于肠上皮细胞的基底外侧细胞表面进行战略性表达或信号,以适应这种情况。30, 31],载于[32]。新发现显示上皮细胞TLRs也在顶部表达,并能感知腔内MamP的暴露,但在胃肠道上以复杂的解剖模式表达。TLR的表达量和亚细胞定位取决于胃肠段和年龄。33]。然而,这是否能解释入侵病原体与非致病性微生物细胞(或微生物碎片)之间的区别?肠黏膜屏障由组织内的天然免疫细胞组成,包括大量的肠巨噬细胞。静息结肠中巨噬细胞的主要数量(在小鼠中)被描述为Ly6C。CD11b+、MHCII+、CX3CR1F4/80+CD 64+CD11c+细胞[34, 35]。Ly6C血液循环单核细胞通过完全分化为非炎症表型(也称为“调节性”或“微生物缺乏性”的巨噬细胞),不断更新这个巨噬细胞群。它们是自发迁移(通常无害)微生物的有效清除剂,但对促炎刺激(包括TLR激动剂)反应不足[36, 37]。它们可以被看作是吞噬细胞缓冲液,消除了粘膜固有层中的低级别微生物污染,从而确定了一个免疫设定点,在此基础上不会引发炎症反应。这些巨噬细胞表型通过有效清除微生物和直接产生抗炎细胞因子(如IL-10)间接维持局部抗炎细胞因子环境。这维持了局部状态的先天免疫低反应性,以维持组织的完整性。

局部免疫稳态通过非感染相关微生物抗原的适应性免疫监测的活跃过程进一步稳定。由于非致病性微生物黏液和上皮屏障的低通透性,再加上常住巨噬细胞清除残留的微生物组织污染物,非致病性微生物的稳态免疫表现依赖于腔粘膜表面微生物的主动免疫取样。这主要是通过Peyer‘s斑块的滤泡相关上皮细胞(M细胞)和较小的分离淋巴滤泡(通过细胞学将腔内微生物转移到基础抗原递呈树突状细胞)中发生的。38]。这种稳态免疫监测促使非致病性微生物结合T细胞依赖性和非依赖性肠分泌IgA的持续诱导。39]和微生物特异性外周诱导调节性T细胞(PT)雷格)表示RORγt和FoxP 3。PT雷格回到肠道粘膜,抑制炎症免疫反应的产生,从而稳定宿主与微生物的相互作用。3, 40,41,42以抗原特有的方式[43]。PT雷格饮食和微生物代谢物,如维生素A和丁酸[44, 40, 45]。丁酸盐是一个完整的厌氧结肠微生物群落所积累的主要发酵终产物之一,也是成人结肠肠细胞的主要碳源,因此意味着完整的宿主-微生物相互作用。在一个复杂的微生物群中,不同种类的微生物是否是PT的强诱导剂?雷格与其他动物实验相比,gnotobitic小鼠实验仍不清楚。41, 44]。这种由本地肠道微生物进行的黏膜适应性免疫教育对于稳定互动性也很重要,在饮食、药理学或致病性微生物侮辱肠道上皮细胞的过程中也是如此。上皮屏障损伤易诱发致病性TH1或TH17对土著旁观者的反应,这将破坏宿主-微生物的相互作用[46]。在这种情况下,先前诱发的PT雷格据报道,细胞在对同源微生物抗原的反应中迅速膨胀,以避免重新诱导促炎抗共刺激的T细胞反应。47].

然而,感染强毒的粘膜病原体可以(或需要)暂时破坏宿主-微生物的相互作用.宿主组织广泛的组织损伤和/或细胞内或间质微生物感染使细胞因子环境向炎症状态转移,由上皮细胞和固有淋巴样细胞等多种细胞释放IL-1β、IL-18、IL-6和TNF-α等促炎症介质所驱动。在急性炎症早期,激活的内皮细胞和释放的趋化因子促使主要中性粒细胞从循环中流入,这些细胞通过病原体直接接触或被细胞因子激活,释放杀灭和含有微生物的杀菌物质。在强毒病原体的情况下,急性炎症可能不足以清除感染,在这种情况下,炎症渗出物随后变得更多地被吸收的单核细胞所控制,而在炎症细胞因子微环境中,单核细胞分化为炎性巨噬细胞[34],以及T细胞。炎性T细胞浸润以大量产生效应T细胞的细胞因子为主.这些已在许多细菌感染模型中被证明对于清除原发感染至关重要(包括[医]牙本质雪铁龙杆菌 [48]和非伤寒肠沙门氏菌感染[49]感染模型)。

产生所谓“T”的IL-17和IL-22H17“细胞是CD4+T细胞主要由细胞外上皮粘附性肠道病原体诱导。研究得最好的例子之一是老鼠的病原体。[医]牙本质雪铁龙杆菌,人EHEC和EPEC感染的代孕小鼠模型[48]。T型H17细胞对于早期抑制是很重要的。C.牙本质IL-22信号通路增强上皮屏障功能的感染[50]。通过细胞内感染侵入粘膜的粘膜病原体,如肠沙门氏菌,另外诱导产生γ的CD4效应细胞,称为T细胞。H1细胞和CD8效应T细胞(见[6, 51])也被吸收到感染的粘膜组织中。T细胞反应的这些成分对于控制细胞内感染很重要,尽管不同T细胞亚群对细胞内感染的精确贡献沙门氏菌由于在野外使用的小鼠感染模型的多样性,感染仍不清楚。

效应T细胞可以在炎症感染的黏膜组织中高度富集,并产生循环效应记忆细胞(T)。埃姆)和非循环组织驻留记忆细胞(T)雷姆)解决原发感染后可能长期存在,以防止继发性感染。许多研究人员使用各种感染模型所做的工作提供了充分的证据,证明与天然免疫防御一样,炎症效应T细胞介导的对抗强毒粘膜病原体的防御通常是PRR信号依赖的[52].

稳态病理诱导的免疫反应

TH17T细胞反应已被广泛研究,不仅因为它们在促进粘膜炎症和清除强毒黏膜病原体的原发感染方面起着关键作用。特别的研究重点也集中在肠道诱发T的因果作用上。H17细胞作为自身免疫性疾病的驱动者,如小鼠实验性自身免疫性脑脊髓炎[53],人类多发性硬化症的模型。TH17负责的T细胞通常被称为“致病性”T细胞。H17细胞。然而,TH17细胞最初被描述为对某些肠道细菌的生理免疫反应,其中最好的定义是分段丝状细菌(SFB);节形念珠菌SP.[54])。长期以来,SFB一直被认为是啮齿类动物生理微生物诱导肠道IgA的主要诱导剂[55],这与粘膜炎症和病理无关,尽管SFB与肠上皮细胞有密切的粘附关系,这让人联想到附着细菌的病原体。SFB被发现是T基线水平的主要诱因。H17在大多数商业上可获得的传统小鼠品系中发现了细胞,而无菌小鼠几乎没有T细胞。H17肠固有层细胞[56]。SFB是一种常见于健康宿主中的微生物模式,被称为“病理生物学”。病理生物学一词试图对共生微生物进行分类,其与宿主的相互关系取决于正常的免疫系统,从而可能导致免疫缺陷宿主的组织或免疫病理学[57]。尽管它们具有致病潜力,但它们通常似乎发挥着最有益的免疫刺激作用。例如,小鼠sfb定植相关的稳态肠T。H17细胞对无关T细胞具有一定程度的“交叉保护作用”。H17-诱导病原C.牙本质 [56],因为它们产生保护上皮的细胞因子。尽管SFB或类似物种在人类中的相关性尚不清楚[58],健康的人体也被证明是肠道T的共同窝藏者。H17诱导细菌种[1].

现在确定的是“稳态”TH17如sfb在免疫活性宿主中诱导的细胞,以及强毒感染诱导的“致病性”T细胞。H17细胞的表型是不同的。前者极低,后者有较高的参与炎症病理和系统传播的倾向[59]。Lee和同事最近的工作发现血清淀粉样A蛋白(SaaS)是“致病”T分化的关键启动子H17细胞。由sfb诱导的T细胞产生的局部上皮细胞SAA 1和2可促进细胞因子的产生。H17细胞替代转化生长因子β和IL-23,虽然最初的T细胞启动机制尚不清楚.系统性SSAs是广泛性炎症性疾病的已知标志,被认为是“致病性”T的关键介导因子。H17细胞介导的系统免疫病理60]。T型H17细胞表现出高度的可塑性,最近被证明可以转分化为滤泡辅助T细胞(T细胞)。FH),这对T依赖性肠IgA反应至关重要[61]。图形1概述了新出现的概念。最近的工作进一步证实,在没有炎症的情况下,TH17也可以转化为PT雷格细胞[62所有微生物诱导的PT雷格,就像TH17细胞表达RORγt,明显来源于TH17细胞[3]。肠道微生物诱导PT的反式分化研究雷格入肠TFH其在肠IgA诱导中的作用仍存在争议。61, 63]。此外,在何种程度上处于稳态状态的TH17免疫应答在“稳态”病理诱导的粘膜T中具有免疫相关性。H1T细胞,正如最近的工作表明的[64],或粘膜CD8 T细胞目前尚不清楚。

图1:T的诱导H17通过上皮调节微生物和微生物毒素而具有不同表型的细胞。
figure1

微生物和微生物毒素对上皮内的调节促进T细胞分化H17驱动全身免疫病理的表型(“致病T”)H17或转分化为滤泡辅助T(T)FH)肠相关淋巴组织(GALT)中的细胞。SIgA,分泌IgA;SAA,血清淀粉样蛋白。

黏膜病变与疫苗诱导免疫的共性

所有这些信息表明,黏膜疫苗对保护性高亲和力IgA的有效诱导可能还取决于主要诱导T的能力。H17细胞(见图1.1)。因此,在黏膜疫苗的设计方面,可能有重要的经验教训可以从肠道病理组织学到。

首先,刻板印象中的亲密微生物与上皮间的相互作用似乎意味着T的诱导。H17以及由此引起的T依赖性IgA反应。因此,在小鼠中存在上皮附着缺陷的大鼠sfb分离物,如上皮附着/脱落缺陷突变体。C.牙本质,无法诱导保护性TH17答复[1]。上皮粘连可能是驱动T的一种常见的微生物行为模式H17答复[1],而且其他亲密的微生物-上皮相互作用可能会驱动T。H17高亲和力IgA。霍乱毒素(CT)是一种经证实的小鼠IgA偏倚性黏膜佐剂,是一种有效的T细胞。H17诱导剂[65, 66]。此外,CT依赖于T。H17细胞诱导CT特异性肠IgA61]。野生型CT的毒性使其不适合直接作为辅助药物应用于人体.然而,也有一些无毒的CT变异体是为此目的而开发的,并且已经被证明与此T有共同之处。H17-极化效应,这取决于其残余毒性[66]。在我们实验室进行的工作[67]系统地探讨了细菌上皮侵袭性(而非粘附性)在非伤寒侵袭性沙门氏菌病微生物诱导保护性黏膜免疫中的特异性作用。无菌小鼠粘膜暂时性定植模型[68]用于对一株非复制的生长素菌株进行侵袭性和非侵袭性的黏膜免疫。肠沙门氏菌[医]伤寒血清S。[斑疹伤寒][67]。由于不能在宿主细胞和组织内增殖,侵袭性生长素S。香豆素是一种毒性物质,但能短暂限制上皮细胞的侵袭。67]。高亲和力IgA介导的69]营养不良的功效S。Typhimurium强烈依赖于这种限制侵袭性的上皮细胞,因为用活的但非侵入性的突变体免疫效果很差,可与化学灭活细菌相媲美。T型H17而其他效应T细胞亚群则未被直接研究.

第二种新的模式是PRR信号在病理组织中的显著冗余,以及粘膜活疫苗诱导的免疫。小鼠SFB诱导正常T细胞数H17缺失TLR和IL1R家族信号(MYD 88/TRIF双缺陷)或NOD 1/NOD 2信号转导的敲除动物的细胞也存在[56, 70]。Gavin和他的同事早期的研究表明,MYD 88-/TRIF-缺乏的小鼠也能对模型抗原产生佐剂依赖性的血清抗体应答。71],首先提出了这样一个假设,即主要的哺乳动物PRRs对于抵御病原体的先天防御至关重要,但对于诱导适应性免疫来说却可能是多余的。自那以后,这一假说得到了证明,即先天免疫和适应性免疫在保护黏膜机会性感染(包括CD4 T细胞依赖性抗体免疫)方面具有广泛的合作灵活性。72]。在我们自己的工作中使用生长素S。我们在活疫苗诱导的免疫方面也做了类似的观察。在没有炎症的情况下,通过MYD 88和TRIF(ALL TLR和IL1R家族信号)、NOD 1和NOD 2、Caspase1/11(典型和非典型炎症体激活)和NLRC 4的主要PRR信号通路对于保护性免疫诱导来说都是多余的,尽管它们在抗强毒的(炎症)天然免疫防御中具有明显的作用。S。伤寒杆菌感染[73,74,75].

最后结论和展望

强大的人类减毒活疫苗,如黄热病疫苗,很可能通过包括TLRs在内的几种不同的PRRs发出信号,尽管对疫苗效力的详细PRR要求仍未得到充分研究。76]。结合强效的TLR或炎症激活佐剂提高非活疫苗的免疫原性,无疑是一种行之有效的肠外免疫策略。然而,有效的黏膜免疫保护对粘膜感染是最充分的诱导通过黏膜途径。新的黏膜佐剂的发展已成为疫苗学和黏膜免疫学的优先研究领域。然而,上文审查的工作突出了第二个优先领域的重要性,即发展更有效的疫苗提供系统,这是一个有希望的未来方向。致病物质、病原体和细菌毒素在诱导保护性黏膜免疫过程中触发关键的诱导步骤,重要的是,这些步骤似乎与驱动免疫病理的不利炎症过程系统地脱钩。然而,优化黏膜疫苗成为T的强诱导剂的想法H17有一个重要的警告,我们仍然缺乏对哪些因素可以偏离稳态T的明确理解。H17对病原T产生的反应H17可以驱动自身免疫病理的细胞。按照目前的速度,未来对粘膜免疫学和疫苗学的研究肯定会填补这一空白和其他知识空白


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