抗病毒的免疫反应

病毒是专性胞内感染病原体,寄生于宿主细胞内,必须利用宿主细胞提供的原料和蛋白质合成系统来复制子代病毒。病毒利用宿主细胞表面分子作为病毒受体进入感染细胞,如HIV利用宿主T细胞表面CD4分子以及趋化因子受体(CXCR4、CCR5)作为病毒受体进入宿主细胞。进入细胞后,病毒在复制过程中通过多种机制引起组织损伤和功能障碍从而导致疾病。例如,病毒复制可以干扰正常细胞的蛋白合成及功能,引起感染细胞的损伤和最终死亡,这是病毒造成细胞病变的常见机制之一。病毒复制完成后主要以两种方式释放子代病毒,即细胞裂解方式或芽生方式。病毒也可以引起潜伏感染。病毒感染引起的人类疾病及其致病机制举例见表10-1。

表10-1 病毒感染引起的人类疾病及其致病机制举例

续 表

不同病毒诱导的抗感染固有免疫和适应性免疫不尽相同,抗病毒感染免疫应答的主要目的在于阻断病毒感染和清除被感染细胞。例如,固有免疫反应产生的Ⅰ型干扰素和适应性免疫应答产生的中和性抗体可以抑制病毒复制和阻断病毒感染。一旦病毒成功感染细胞,固有免疫反应中的NK细胞以及适应性免疫反应中的CTL均可杀伤病毒感染靶细胞(图10-1)。

1.抗病毒固有免疫 Ⅰ型干扰素(IFN-α/β)抑制病毒感染和NK细胞杀伤病毒感染细胞是抗病毒固有免疫的主要机制。许多病毒感染的细胞可以产生Ⅰ型干扰素。病毒颗粒被吞噬细胞吞噬后形成胞内吞噬小体,进而裂解病毒释放出病毒核酸。病毒RNA和DNA被内体TLR受体识别或病毒RNA激活胞质RIG样受体后,经过不同的信号转导,活化IRF转录因子刺激干扰素基因的转录。产生的Ⅰ型干扰素主要诱导不同抗病毒蛋白的表达,进而通过不同的机制干扰病毒的复制,在病毒感染和非感染细胞中均可发挥抗病毒作用。Ⅰ型干扰素还可以增强NK细胞的杀伤能力。

NK细胞可以杀伤多种病毒感染的靶细胞,是病毒感染早期适应性免疫应答启动之前的重要抗病毒免疫机制。在适应性免疫应答启动之后,NK细胞也可以杀伤因病毒感染降低MHCⅠ类分子表达而逃逸CTL杀伤的病毒感染靶细胞。其他固有免疫分子如细胞因子、趋化因子和补体以及其他固有免疫细胞如NKT细胞、γδT细胞和DC等在病毒感染的早期也发挥重要的抗病毒作用。

2.抗病毒适应性免疫 抗体阻断病毒结合和入侵宿主细胞以及CTL杀伤病毒感染细胞清除感染是抗病毒适应性免疫应答的主要机制。

(1)抗病毒体液免疫应答:病毒特异性抗体作为中和性抗体结合病毒衣壳蛋白阻止病毒入侵宿主细胞,同时还可通过其Fc段与巨噬细胞上FcR结合促进对病毒的调理吞噬作用,激活补体后也可促进吞噬或直接裂解病毒,因此可阻断病毒的早期感染和病毒在细胞之间感染扩散。分泌型抗体sIgA在呼吸道、尿道、生殖道和消化道等黏膜中发挥重要的中和病毒作用。针对脊髓灰质炎病毒的口服免疫可以通过诱导黏膜免疫发挥保护作用。

(2)抗病毒细胞免疫应答:体液免疫应答虽然可以阻断病毒感染和入侵,但并不能清除已经建立的病毒感染以及非裂解性病毒,这类病毒的清除主要依赖于CTL介导的细胞免疫应答。许多病毒特异的CTL主要为CD8+T细胞,识别经过MHCⅠ类分子呈递或者交叉途径呈递的病毒-抗原肽复合物后活化、增殖、分化为效应性CTL。效应性CTL主要通过穿孔素-颗粒酶途径杀伤靶细胞、FasL-Fas途径诱导靶细胞凋亡,特异性清除已经感染宿主细胞的病毒,也可通过激活病毒感染细胞内的核酸酶降解病毒核酸和分泌TNF、IFN-γ等细胞因子,激活吞噬细胞发挥抗病毒作用。某些DNA病毒如EB病毒和肝炎病毒感染时,常见病毒特异性CTL可以控制感染但不能彻底清除病毒,会导致病毒在被感染细胞内持续存在造成潜伏感染。

图10-1 抗病毒的固有免疫和适应性免疫应答

A.抗病毒固有免疫和适应性免疫应答的动态变化;B.防止和清除病毒感染的固有免疫和适应性免疫应答机制。Ⅰ型干扰素和NK细胞介导的固有免疫应答分别防止病毒感染和杀伤被感染的细胞从而清除感染。抗体和CTL介导的适应性免疫应答也分别阻断病毒感染和杀伤被感染的细胞。

3.抗病毒的免疫损伤 在某些病毒感染情况下,组织损伤可能是由CTL或者其他免疫反应介导的。例如,HBV感染时CTL介导的免疫应答是彻底清除HBV并导致肝炎损伤的主要原因。在急性自限性乙型肝炎患者肝活检标本中,存在大量活化的肝炎病毒特异性、MHCⅠ类分子限制性的CD8+CTL;在慢性乙型肝炎患者体内,CTL应答微弱且抗原谱狭窄,无法清除肝脏中HBV感染,反而导致肝炎及损伤;但是HBV感染的免疫缺陷患者一般不会出现肝炎等疾病症状,而是作为病毒携带者传染其他健康人群;提示CTL可能介导了HBV感染造成的肝脏组织损伤。此外,在HBV感染的患者体内还发现病毒抗原和特异性抗体形成的免疫复合物,可沉积在血管中导致全身性血管炎。另外,某些病毒感染时,病毒抗原可以通过分子模拟等作用,导致抗病毒的免疫应答对宿主自身抗原产生免疫反应,从而造成宿主组织损伤。

4.病毒的免疫逃逸 病毒在进化过程中发展了多种免疫逃逸机制,而各种病毒往往综合利用多种机制抑制或破坏免疫系统从而逃逸免疫应答,造成持续性感染。

(1)抗原变异:发生变异的病毒抗原主要是抗体结合的表面糖蛋白,而T细胞表位也可能发生变异。抗原变异的主要机制是由点突变和RNA基因组重组(RNA病毒)造成的小幅度抗原变异即抗原漂移(antigenic drift)或大幅度抗原变异即抗原转换(antigenic shift)。流感病毒容易发生变异的两种主要病毒包膜蛋白是血凝素和神经氨酸酶,病毒编码这类蛋白的基因组发生点突变造成抗原漂移,逃逸已建立的抗体中和及阻断作用。流感病毒感染时其核酸需要整合进入宿主细胞的基因组内,通过不同方式重组后复制产生的病毒抗原结构发生较大变化即抗原转换,导致产生不同的流感病毒如禽流感或者猪流感病毒,因而可以抵抗宿主针对未变异病毒抗原产生的免疫反应。流感病毒通过多种抗原变异机制造成1918年、1957年、1968年和2009年等多次世界范围内的流感大流行和不断的地区性小流行。引起AIDS的HIV包膜蛋白也高度变异。引起肝炎的HBV基因组经常发生若干点突变,使抗原变异,逃避宿主已建立的抗感染免疫的攻击。因此,预防性的病毒疫苗需要针对不易发生变异的病毒抗原产生保护性免疫防御反应。

(2)干扰抗原肽的MHCⅠ类呈递、抑制CTL功能:病毒感染可编码一系列蛋白干扰抗原的加工、转运和呈递,阻断MHCⅠ类分子的组装和表达以及病毒抗原肽转运至内质网,导致病毒感染细胞不能被CD8+T细胞识别和杀伤。例如,腺病毒感染后可编码病毒蛋白阻断TAP通道蛋白或抑制MHCⅠ类分子转录,HCMV编码病毒蛋白阻断TAP通道蛋白、降解MHCⅠ类分子或竞争结合β2微球蛋白,阻断MHCⅠ类抗原呈递途径,从而不能有效诱导抗病毒CTL应答。HIV可以下调MHCⅠ类分子表达,逃避特异性CTL的细胞毒性作用。

(3)抑制NK细胞的抗病毒杀伤功能:NK细胞是重要的抗病毒感染的固有免疫细胞,可以通过多种机制直接杀伤病毒感染细胞,也可以杀伤逃逸CTL细胞毒作用的低表达或不表达MHCⅠ类分子的病毒感染靶细胞。但某些病毒在进化过程中可以编码一类蛋白作为配体,与NK细胞抑制性受体结合,抑制NK细胞的活化,从而逃逸NK细胞的杀伤。

(4)杀伤或抑制免疫细胞活化:T细胞是介导特异性细胞免疫应答的重要效应细胞。HIV与CD4分子结合后入侵CD4+T细胞并在靶细胞内复制,通过直接杀伤、间接杀伤及诱导细胞凋亡等机制损伤CD4+T细胞及其功能。HIV感染后还可以通过激活T细胞的抑制性信号通路如PD-1信号抑制CTL细胞应答。此外,HIV可以感染单核-巨噬细胞,损伤其趋化、黏附、杀菌和抗原呈递等功能。

(5)阻断补体激活途径:补体活化后可裂解病毒,而病毒可以产生与补体成分结合的蛋白,抑制补体活化。单纯疱疹病毒编码一种糖蛋白,可与C3b结合,抑制补体的经典和替代激活途径。痘病毒可以产生与C4b结合的蛋白,阻抑补体经典激活途径。

(6)编码抑制免疫反应的分子:许多病毒可以产生抑制免疫反应的分子,从而抑制抗感染免疫效应。例如,痘病毒可以使感染细胞分泌产生细胞因子的分泌型受体,与TNF、IFN-γ、IL-1、IL-6、IL-18等细胞因子或者趋化因子结合,作为细胞因子的竞争性拮抗剂发挥作用,从而中和细胞因子的抗病毒及免疫调节作用。EB病毒产生抑炎细胞因子IL-10的类似物,抑制巨噬细胞和DC的活化,也可抑制Th1细胞产生IL-2、TNF-α和IFN-γ,因此抑制细胞免疫应答。EB病毒、HSV、HBV等可以编码Ⅰ型IFN的类似物,阻断IFN的抗病毒作用。此外,病毒感染后产生内源性的抑制免疫反应的分子从而可以在宿主体内成功感染和扩散。