专职性抗原呈递细胞

专职性APC把抗原肽-MHC分子复合物呈递给抗原特异性CD4+T细胞识别,称为T细胞活化的第一信号。APC还表达其他与T细胞活化相关的分子,如共刺激分子CD80、CD86,这些分子与T细胞表面的CD28结合后产生第二信号,第二信号对于激活初始化T细胞尤为重要。此外,APC还分泌细胞因子,如IL-2、IFN-γ,对T细胞的活化、亚型分化起至关重要的作用,这些细胞因子的作用有时被称为第三信号。

DC和巨噬细胞表达Toll样受体(Toll-like receptors,TLR)和其他模式识别受体(pattern recognition receptor,PRR),这些受体识别微生物病原体相关分子模式(pathogen-associated molecular pattern,PAMP)后,上调APC表面的MHC分子、共刺激分子及黏附分子的表达,刺激APC分泌细胞因子,这些信号共同作用促进T细胞活化。此外,DC还表达趋化因子受体,使DC捕捉抗原后从外周组织迁移到淋巴组织的T细胞区中以增加与抗原特异性T细胞接触的机会,因此PAMP分子通过活化固有免疫系统而启动并增强适应性免疫应答。人们在很早以前就发现,纯化的蛋白并不能引起很好的免疫反应,如果在其中混合加入微生物或其成分,如灭活的分枝杆菌,混合物所诱导的免疫反应明显增强,这类物质被称为佐剂(adjuvant),佐剂实则增强了APC提供给T细胞的多种活化信号。

APC呈递抗原给T细胞并提供第二、第三信号活化T细胞,但此种细胞-细胞之间的作用并非单向的,活化的T细胞分泌细胞因子如INF-γ,反过来刺激APC,使其抗原加工呈递能力增强,MHCⅡ类分子和共刺激因子表达增加,进一步分泌细胞因子。这种APC与T细胞的双向作用形成正反馈,使得免疫应答增强,也是Th细胞辅助细胞免疫和体液免疫的基础(详见下述)。

(一)树突细胞

一般情况下,外来抗原的进入是病原微生物突破了皮肤、黏膜屏障,如皮肤、呼吸道、消化道上皮细胞,遍布皮肤和黏膜的毛细淋巴管可以将组织回流来的淋巴液聚集到局部淋巴结。一些抗原被APC如DC捕获后转运至局部淋巴结,另有抗原可以进入毛细淋巴管直接回流至局部淋巴结,因此淋巴结浓缩了外周组织回流的抗原。

DC广泛分布于外周皮肤、黏膜,以及各器官实质及淋巴组织中,处于免疫防御的第一线。由于DC在形态上具有特征性的树状突起,故被称为树突细胞,这些树状突起大大增加了细胞的表面积,从而增强其捕捉抗原及呈递抗原的功能。DC作为吞噬细胞参与固有免疫防御,由于DC能够活化初始化T细胞而启动适应性免疫应答,故DC被称为联系固有免疫和适应性免疫的桥梁。

1.DC的类型 DC源于骨髓前体细胞。根据其表面标志性抗原及其在免疫反应中的作用,DC分为许多亚型,最重要的两个亚型为经典DC(conventional DC,cDC)和浆细胞样DC(plasmacytoid DC,pDC)。经典DC是最早被发现的DC,也是存在于外周组织和淋巴器官中数量最多的DC,其最重要的功能为呈递抗原。pDC主要存在于血液中,在淋巴结及脾脏中也有少量存在。pDC形态与浆细胞相似而得名。pDC在活化后具备DC的形态和功能,也能够呈递抗原给T细胞,但pDC最重要的功能为在病毒感染时分泌Ⅰ型干扰素(typeⅠinterferon,IFN-α和IFN-β)。此外,淋巴结中的滤泡DC(follicular DC)形态上有许多树状突起,但不具备抗原呈递的能力,不是专职性APC。在此主要介绍经典DC。

2.经典DC的成熟 外周DC为未成熟(immature)DC,如皮肤上皮组织中的DC为朗格汉斯细胞(Langerhans cell)。小肠和呼吸道上皮组织中的DC能够把树状突起经上皮间隙延伸到小肠腔或呼吸道内,有利于捕获抗原。未成熟DC有很强的摄取及加工入侵病原体的能力,但由于其MHCⅡ类分子、共刺激分子(如CD80、CD86)和黏附分子(如ICAM-1)的表达水平较低,因而呈递抗原及活化T细胞的能力较弱。未成熟DC表达识别微生物的吞噬受体,如C-型凝集素受体(C-type lectin receptors)、甘露糖受体(mannose receptor),以及参与调理作用的Fc受体,故DC可通过这些受体捕获、吞噬病原微生物及其分子。除了受体介导的吞噬作用,DC还能够通过胞饮作用摄取细胞环境中的可溶性蛋白。DC把吞噬的蛋白抗原剪切成肽段并装载到MHC分子上。DC表达模式识别受体如TLR和其他受体,能够被微生物PAMP分子活化。此外,PAMP分子能够刺激组织中炎性因子如TNF-α、IL-1β分泌,炎性因子也能够刺激DC,被活化的未成熟DC发生表型和功能的变化而转变为成熟(mature)DC。

在成熟过程中,DC失去在外周组织的附着力,并上调趋化因子受体CCR7。CCR7的两个主要配体——趋化因子CCL19和CCL21,存在于淋巴结的T细胞区。在趋化因子的作用下,捕获了微生物抗原的成熟DC迁移至回流淋巴结的T细胞区。由于初始化T细胞也表达CCR7,初始化T细胞与携带抗原的DC归巢至淋巴结的同一区域,大大增加了T细胞寻找到特异性抗原的可能性。成熟DC上调细胞表面抗原肽-MHC分子复合物、共刺激分子及黏附分子的表达,将抗原呈递给T细胞从而启动适应性免疫反应,同时成熟DC识别、摄取及加工抗原的能力减弱。因此,DC成熟的过程(maturation)是使DC从抗原捕获细胞转变成具有抗原呈递功能的细胞(图5-1,表5-1)。淋巴结T细胞区的并指状DC (interdigitating DC)即为成熟DC。

图5-1 树突细胞的成熟过程

表5-1 未成熟与成熟DC特点的比较

抗原除了被DC捕捉后进入回流淋巴结,还能够以可溶性分子的形式通过毛细淋巴管直接进入淋巴结。当回流的淋巴液经输入淋巴管进入淋巴结时,首先进入被膜下窦,被膜下窦中有巨噬细胞和DC,能够摄取抗原并运送至皮质T细胞区。此外,淋巴结中还具有与被膜下窦相连的由纤维网状细胞环绕的管道系统(conduit system),仅分子量较小的抗原能够进入此管道系统。这些管道被DC包围,DC的树状突起延伸至管腔内,摄取管道系统中的抗原并呈递给T细胞。

除了淋巴结外,一些淋巴样组织也能够收集并浓缩抗原。在黏膜组织中,除了毛细淋巴管回流至淋巴结外,黏膜相关的淋巴样组织直接监控肠腔和气道中的抗原,如小肠派氏结和咽部的扁桃体。直接来自于血液或由胸腺导管进入血液的外源性抗原的监控依赖于脾脏中的APC。

3.DC作为专职性APC的重要特性 DC具备下述性质使其成为最有效的APC以启动初始化T细胞的免疫应答。①未成熟DC分布于接触外来抗原的第一线,如皮肤和黏膜。因此,DC被称为免疫系统的哨兵(sentinel)。②DC表达吞噬性受体,通过受体介导的吞噬作用和胞饮作用有效捕获抗原,因此,DC参与固有免疫应答;同时DC将蛋白加工成可供呈递的抗原肽而启动适应性免疫反应。③DC表达模式识别受体,使其能够对微生物PAMP分子产生应答,分泌多种细胞因子,促进DC成熟并决定T细胞的分化,如DC分泌IL-12诱导初始化Th0细胞分化成Th1。④DC具有迁移功能,在外周捕获抗原后迁移至淋巴结的T细胞区,并将抗原展现给循环至淋巴结的T细胞供其筛查。⑤成熟DC高表达抗原肽-MHC分子复合物、共刺激分子、黏附分子,分泌细胞因子,促进初始化T细胞的活化。

初始化T细胞的活化需要DC捕获和呈递抗原,人们开始发现初始化CD4+T细胞的活化需要DC,后来发现CD8+T细胞免疫应答的启动也需要DC。DC能够吞噬被病毒感染的细胞并将病原抗原呈递给CD8+T细胞,是能活化初始化CD8+T细胞最有效的APC。

(二)其他专职性抗原呈递细胞

DC在启动初始化T细胞免疫应答过程中起非常重要的作用,巨噬细胞和B细胞通过抗原呈递对Th细胞效应的发挥起关键作用。

1.单核-巨噬细胞 单核细胞来源于骨髓前体细胞,循环的单核细胞可以被募集到感染炎症发生部位而分化成巨噬细胞。募集和组织原住(tissue resident)的巨噬细胞表达多种吞噬受体和模式识别受体,能够通过吞噬作用、胞饮作用及受体介导的内吞作用等方式吞噬、杀灭入侵的病原体。正常情况下,单核-巨噬细胞表达低水平MHC分子和共刺激分子,抗原呈递能力较弱,但在PAMP分子和细胞因子如IFN-γ刺激后,细胞表面MHC分子和共刺激分子水平上调,能够将抗原肽-MHCⅡ分子复合物呈递给CD4+Th细胞。病原体特异性的CD4+Th细胞识别抗原后活化,分泌细胞因子如IFN-γ,反过来刺激巨噬细胞,增强其杀伤能力进而清除致病微生物。这一抗原呈递过程对于T细胞发挥细胞介导的免疫反应及迟发型变态反应都非常重要。

2.B细胞 B细胞是体液免疫反应的重要细胞。B细胞持续性表达MHCⅡ类分子,但表达低水平共刺激分子如CD80、CD86,B细胞通过BCR有效识别、富集和内吞蛋白抗原,此外还可通过胞饮作用摄取抗原,B细胞将抗原加工成抗原肽后,将抗原肽-MHCⅡ复合物呈递给Th细胞,活化的Th细胞通过共刺激分子CD40、CD80、CD86等及分泌细胞因子促进B细胞增殖,并分化成浆细胞,此抗原呈递过程对T细胞依赖型抗体的产生起关键作用(表5-2)。

表5-2 专职性抗原呈递细胞特性和功能的比较