衰老与免疫的研究进展

权雅文,李刚,2

1.河北医科大学研究生学院,石家庄 050017;2.河北省人民医院老年心血管科

随着年龄的增长,老年人的生理系统会发生许多变化,其中免疫系统是最重要的变化之一,包括先天免疫系统和适应性免疫系统的变化,使得老年人易患感染性疾病、恶性肿瘤及多种慢性疾病[1],这种免疫功能的生理性下降被称为“免疫衰老”,而免疫衰老及其相关的慢性低度全身性炎症则被称为“炎症衰老”[2]。因此,我们发现免疫与衰老之间的关系得到越来越多学者的关注,逐渐成为相对独立的研究领域。本文主要对衰老与先天免疫、适应性免疫系统及免疫与衰老相关疾病等方面的最新研究进展进行综述。

1 衰老与免疫系统

免疫系统主要由免疫器官、免疫细胞和免疫分子组成,它们的主要作用包括保护宿主抵抗病原体,通过清除死亡细胞维持体内平衡,以及调节愈合过程。这些活动由免疫细胞进行,免疫细胞可以激活一般免疫反应(先天免疫)或针对特定抗原建立专门的持久防御(适应性免疫)。免疫系统的逐渐恶化影响了老年人的这两个系统,增加了感染、癌症和炎症疾病的易感性,同时延缓了伤口愈合过程,降低了对某些类型疫苗产生抗体反应的能力[3]。

1.1 衰老与先天性免疫系统

1.1.1 衰老与中性粒细胞 中性粒细胞参与先天性和适应性免疫系统的激活和调节,在感染、慢性炎症等相关疾病中占据重要地位。在衰老个体中,低度炎症环境会导致中性粒细胞表观遗传的改变,使其代谢与功能呈现出特定的异常,即中性粒细胞免疫衰老。众所周知,中性粒细胞是一个生命周期很短的细胞,在无任何刺激的情况下也可在短时间内迅速凋亡。随着年龄的增长,老年人的中性粒细胞的数量相对较高,同时表现出功能失调的吞噬和趋化能力,可能与慢性炎症激活中性粒细胞导致凋亡减少有关。有研究[4]显示,中性粒细胞免疫衰老后吞噬能力显著下降,可能与参与吞噬功能的肌动蛋白、微管蛋白、肌球蛋白减少及特征性Fc受体(CD16)的减少有关。激活后的中性粒细胞则表现为释放活性氧及蛋白酶的能力受损,呼吸爆发减弱,细胞杀伤能力显著降低。而中性粒细胞免疫衰老后趋化能力降低,可能与衰老个体的病死率有关。另外,衰老中性粒细胞表面Toll样受体(TLR),尤其是TLR1,它的负向调节可能在其功能改变中起着重要的作用,使其在炎症刺激后表现为较低的代谢活性,即糖酵解减少,这也将进一步导致其激活适应性免疫反应能力降低[5]。

1.1.2 衰老与单核细胞和巨噬细胞 单核细胞和巨噬细胞也是吞噬细胞,对先天性抗感染反应很重要。循环单核细胞是组织驻留巨噬细胞的前体;分化后,这些巨噬细胞成为先天免疫的主要防线之一,大量证据[6]表明,老年人的单核细胞和巨噬细胞的功能都发生了变化。一方面,细胞效应能力下降,老年人单核细胞吞噬功能受损,在TLR4的刺激下导致端粒缩短,细胞内肿瘤坏死因子(TNF)-α水平显著升高。同样,巨噬细胞上TLR的表达也降低,表现为刺激后TNF-α和白细胞介素(IL)-6的减少以及IL-10的产生水平的增加,提示单核-巨噬细胞谱系存在年龄相关性功能障碍。另一方面,衰老的巨噬细胞和单核细胞对其他炎症刺激的反应能力也降低。炎症可导致交替激活(M2样)巨噬细胞的积聚,保持促炎症作用,并表达衰老标志物。有研究[7]表明,老化的小鼠巨噬细胞在干扰素(IFN)-γ刺激下表现出信号转导与转录激活因子(STAT)-1α磷酸化降低。此外,衰老巨噬细胞中依赖IFN的超氧阴离子生成也被显著抑制。因此,我们发现单核-巨噬细胞在衰老个体中表现为促炎症因子生成增加,而对外界刺激反应减弱。

1.1.3 衰老与自然杀伤细胞(NK细胞) NK细胞作为衰老细胞免疫监测的主要参与者,随着年龄的增长,数量和表型也发生显著变化。根据表面标志物CD56和CD16的表达,可以细分人类NK细胞群,其中CD56dimNK细胞主要具有细胞毒性,而CD56brightNK细胞主要负责分泌细胞因子,如IFN-γ 和TNF-α[8]。在衰老过程中,存在一种渐进性分化,其中CD56bright群体减少,而CD56dim群体继续扩大并开始表达CD57。CD57通常被认为是细胞衰老和增殖缺陷的标志,具有高度细胞毒性,在终末分化效应T淋巴细胞和成熟细胞毒性NK细胞中的表达最为明显[7]。随着年龄增长,CD57和CD16的表达均增加。另外,NK细胞功能障碍的另一个潜在原因可能是全身环境的变化,主要表现为IL-2水平的下降,一项研究[8]报告称,尽管IL-2分泌减少,但健康老龄捐赠者的IL-2刺激NK细胞仍能持续分泌TNF-α。与IL-2类似,IL-12会增强NK细胞的细胞毒性,并促进NK细胞分泌IFN-γ。随着年龄的增长,NK细胞表达活化受体NKp30或NKp46的百分比下降,而表达抑制性杀伤细胞免疫球蛋白样受体(KIR)的百分比增加。因此,老年人NK细胞的变化可能是外部环境和内部细胞变异的共同结果。

1.2 衰老与适应性免疫系统

1.2.1 衰老与T细胞 随着年龄的增长,T细胞的变化主要包括胸腺退化、T细胞受体(TCR)功能的减少、效应/记忆T细胞的积累、线粒体DNA损伤等[9]。最近,人们发现,由于生理性胸腺退化导致的T细胞输出减少与高度分化T细胞的年龄依赖性积累之间存在联系。具体而言,新的幼稚T细胞的成熟度降低可能导致现有幼稚T细胞的加速T 细胞稳态增殖,从而支持后期分化T细胞的生成。与其他细胞类型相似,DNA损伤随着年龄的增长在T细胞中累积。尽管在老年人中,幼稚T细胞的DNA损伤仍然很低,但健康老年人记忆T细胞的DNA损伤增加。T细胞表现出早衰的特征,端粒缩短和受损,促炎细胞因子产生增加,DNA修复系统受损[10]。

在生物体中,幼稚CD4+T和CD8+T淋巴细胞均起源于胸腺,随着机体的衰老,胸腺开始逐渐退化,T细胞的发育、分化和成熟出现障碍,表现为胸腺向外周输出幼稚T淋巴细胞数目减少,同时CD8+T细胞数量比CD4+T细胞下降快。研究[11]表明,巨细胞病毒(CMV)感染与效应记忆T细胞(TEM)增加有关,使幼稚T细胞逐渐转化成记忆性淋巴细胞。这一过程,导致CD4+T和CD8+T数量增加,分泌TNF-α、IL-4、IL-5、IFN-γ和细胞毒性分子如穿孔素和颗粒酶等。此外,调节性T细胞(Treg)和辅助性T细胞(Th)也发生了年龄相关性的变化,衰老过程中Treg和Th细胞数量增加[12],导致对新抗原的适应性免疫应答进一步降低,记忆反应也随之改变。在老年人CD4+T细胞亚群中,记忆Treg细胞增加,且循环中记忆Treg细胞的数量与老年人的疫苗接种后的体液免疫应答呈负相关。随着年龄的增加,老年人CD4+和CD8+T细胞中CD28的表达呈增龄性减少甚至消失,此已作为免疫老化的重要标志之一。

1.2.2 衰老与B细胞 在衰老过程中,B细胞的功能和数量以及体液免疫也发生相应的改变。研究[13]表明,老年小鼠和人类骨髓中前体B细胞的生成显著减少,这种减少可归因于骨髓微环境的年龄相关变化,包括前体B细胞存活细胞因子IL-7水平降低,以及造血干细胞(HSC)产生髓样细胞而非淋巴细胞的倾向性增大。随着年龄增长,小鼠成熟B细胞室的一个显著变化是年龄相关B细胞(ABC)的积累,从而损害了幼稚B细胞,导致脾脏和内脏脂肪组织中的滤泡性B细胞减少。ABC细胞的特征是转录因子T-Bet以及表面标志物CD11b 和CD11c的表达,这些细胞的生成依赖于促炎症信号[14]。在衰老过程中,持续的炎症反应也可能损害B系限制性祖细胞的分化,通过抑制B细胞中转录因子E2A和EBF1的表达和(或)活性,控制RAG 和SLC基因,并调节Ig链位点的可及性长期低剂量LPS,导致小鼠前B细胞E2A表达减少[15]。此外,在B细胞发育早期,存在两种类型细胞,即B-1和B-2细胞。有报道称[13],B-1a细胞向腹膜和外周CD4+T细胞表达抗原。在腹腔中,B-1a细胞刺激产生IL-10、IL-4和IFN-γ的T细胞的激活,而脾脏B-1a细胞诱导Th17分化。脾脏和浆膜B-1a细胞也可以转化为粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF)产生先天性反应激活剂(IRA)B细胞。随着年龄的增长,老年人的B-1细胞百分比降低,除了分泌IgM的B-1细胞减少外,IgM抗体的多样性也减少。因此，认为人类的B-1细胞功能随着年龄的增长而受损。在外周组织中,B-2细胞构成了成年B细胞群的大部分。与B-1亚群相比,成熟的B-2发育和存活依赖于B细胞激活因子(BAFF)-BAFF受体(BAFFR)信号通路,而BAFF-BAFFR信号的中断导致B-2细胞数量显著减少。将B-2细胞进一步细分为边缘区(MZ)和滤泡(FO)B细胞。在衰老细胞中,由于E47mRNA稳定性和AID基因转录的降低,小鼠和人类老化B-2细胞的同型转换受损,除了抗体亲和力降低外,祖细胞的数量也减少了,且随着年龄的增长,滤泡性B细胞亚群的数量和百分比略有下降。滤泡性B细胞亚群的减少可能也是老年人幼稚和记忆B-2细胞数量下降的原因。除了影响滤泡性B细胞外,衰老还影响边缘区B细胞亚群。边缘区巨噬细胞数量减少导致边缘区年龄相关的破坏可能是边缘区B细胞数量减少的部分原因。除了边缘区B细胞数量减少外,老化边缘区B细胞的抗原捕获和抗体产生存在缺陷,导致T细胞非依赖性免疫反应也减少。因此,衰老影响着B细胞的多样性[13]。

2 免疫衰老与相关疾病的研究

2.1 免疫衰老与心血管系统疾病 老龄化是心血管疾病(CVD)最重要的决定因素。值得注意的是,炎症是所有慢性病和老年综合征(包括CVD)的主要风险因素[16]。促炎细胞因子水平升高有助于炎症过程发展,增加内皮损伤、血管重塑损伤、动脉粥样硬化和胰岛素抵抗的可能性[17]。在心脏应激、缺血性损伤、高血压和代谢综合征期间,坏死细胞释放大量高迁移率族蛋白盒1(HMGB1)和热休克蛋白60(HSP60)。这些损伤相关分子模式(DAMP)主要由天然免疫细胞表达的模式识别受体(PRR)识别。因此,组织细胞(主要是M1巨噬细胞)和非免疫细胞分泌大量促炎细胞因子,以招募吞噬性免疫细胞,清除凋亡细胞和嗜热细胞以及组织更新。心肌细胞和外周组织中TNF-α、IL-6和IL-1β的分泌增加在心肌功能障碍的发病机制和进展中起着重要作用,这些促炎细胞因子的血浆水平可以预测心力衰竭患者的短期和长期存活率。然而,持续的大分子损伤是衰老的标志,也是细胞衰老的诱因。考虑到衰老也是胚胎发育和伤口愈合过程中发生的一个生理过程,衰老细胞的存在可能在某些病理条件下有用。例如,在心肌梗死、心脏纤维化和动脉粥样硬化中存在衰老细胞是有益的,因为它们可以限制组织纤维化[18]。抗炎性M2巨噬细胞在组织修复和重塑中发挥重要作用,从而解决炎症。动脉粥样硬化性颈动脉斑块中的Th1和Th17及其细胞因子(如IL-17、IL-21和IL-23)水平升高,这些研究结果被发现与疾病进展和斑块脆弱性相关。动脉粥样硬化斑块中也存在中度衰老的CD14+CD16+单核细胞,并表达通过内皮细胞黏附和渗出所需的高水平血管黏附分子[19]。

2.2 免疫衰老与神经系统疾病 免疫衰老与认知过程和神经退行性疾病有关,最常见的与年龄相关的神经退行性疾病包括阿尔茨海默病(AD)和帕金森病(PD)[18],其中炎症作用被认为在疾病过程中起着相关作用,渗透中枢神经系统(CNS)并导致直接或间接神经元损伤的血源性免疫细胞在中枢神经系统疾病中也起着重要作用。在免疫细胞中,T淋巴细胞在神经系统疾病中扮演着关键角色,T淋巴细胞会导致中枢神经系统发生有害的炎症,但也参与旨在保护神经元免受炎症损伤的调节机制。AD患者外周血中T细胞亚群的显著波动:幼稚T细胞百分比下降,记忆细胞增多,晚期分化CD28-大量扩增。在非病理条件下,更好的认知能力与较低数量的效应记忆CD4+T细胞和较高数量的幼稚CD8+T和B细胞有关。最近的一项研[19]对AD 患者的外周血单个核细胞进行了大规模流式细胞术,并发现了一种免疫特征,即CD8+T效应记忆CD45RA+(TEMRA)细胞数量增加。然而,AD或血管性痴呆患者的T细胞衰老尚未得到证实[20]。

2.3 免疫衰老与癌症 老年人对病原体的免疫反应失调使他们易患多种癌症。众所周知,免疫系统可以识别和破坏癌症的前体,这在很大程度上是由细胞毒性CD8+T和NK细胞介导的,称为免疫监视。除此之外,免疫系统不仅可以消除恶性细胞,还可以选择免疫原性较低的亚克隆。因此,免疫细胞不仅在肿瘤细胞的形成过程中,而且在肿瘤细胞的进展过程中,均可能与肿瘤细胞发生相互作用,主要通过逃避亚克隆获得的逃避机制,这一过程被称为免疫编辑[18]。细胞介导免疫功能的缺陷主要与衰老期间癌症免疫监测能力差有关。衰老损害先天性和适应性免疫反应,导致肿瘤发生和癌症进展。这些免疫发生变化包括TLR和TCR信号转导、受损的细胞增殖、吞噬和细胞毒性功能以及高度分化的T细胞聚集,衰老还导致Treg和髓源性抑制细胞(MD-SCs)的频率增加。炎症也可能与衰老期间较高的癌症发病率有关。炎症环境有利于癌症的发展。此外,老化的微环境,尤其是肿瘤微环境,将肿瘤细胞重新编程可为调控衰老相关的分泌表型发挥关键作用[21]。研究[22]表明,使用阿司匹林等抗炎药进行预防性干预可以降低结直肠癌的发病率和病死率，这导致了调节癌症相关炎症微环境具有潜在预防和治疗癌症的作用。

3 小结及展望

免疫与衰老作为一个生理过程,其涉及的机制较为复杂,包括先天性免疫和适应性免疫细胞的表型和功能的多种改变,同时伴随慢性低度炎症,使老年人代谢性疾病和自身免疫性疾病、癌症和神经系统疾病发病率逐渐增加,发生严重感染的易感性也增加[2]。目前免疫与衰老的研究尚处在发展阶段,与此同时,免疫系统作为研究衰老的细胞和分子变化的基础已受到越来越多学者的重视。但随着人口老龄化的进展,提高老年人自身免疫力似乎变得非常重要,基于“治未病”思想关注老年健康[23],努力提高老年病的防治水平,延缓细胞衰老进程,是我们进一步研究的方向。