获得性免疫耐受的机制与临床意义

获得性免疫耐受的机制与临床意义作者：Thomas E.Starzl 王槐志 陈耿    作者单位：PA 15213 美国匹兹堡大学医学中心Thomas E.Starzl移植研究所 400038 重庆，第三军医大学西南医院全军肝胆外科研究所、中国人民解放军西南肝胆外科医院     【关键词】  获得性免疫耐受； 嵌合； 肝移植　　【Abstract】  The first unequivocally successful bone marrow cell transplantation in humans was recorded in 1968 by the University of Minnesota team of Robert A. Good. This achievement was a direct extension of mouse models of acquired immunologic tolerance that were established 15 years earlier. In contrast, organ （i.e. kidney） transplantation was accomplished precociously in humans （in 1959） before demonstrating its feasibility in any experimental model and in the absence of a defensible immunologic rationale. Because of the striking differences between the outcomes with the 2 kinds of procedure, the mechanisms of organ engraftment were long thought to differ from the leukocyte chimerism-associated ones of bone marrow transplantation. This and other concepts of alloengraftment and acquired tolerance have changed over time. Current concepts and their clinical implications can be understood and discussed best from the perspective provided by the life and times of Bob Good.    【Key words】  Acquired immunologic tolerance;Chimerism;  Liver transplantation    获得性免疫耐受是移植免疫学家Bob Good所提出的最著名的理论之一。该理论指出：移植物的成功植入与白细胞嵌合依赖的供者特异性耐受有关，维持稳定的移植物功能所需的免疫抑制剂的剂量可以直接反映耐受的程度。自从Billingham、Medawar及Main等通过实验证实同种异体移植物的耐受与供者白细胞嵌合程度高度相关以来，实现获得性免疫耐受已经成为临床移植医生所追求的最终梦想。本文重点讨论获得性免疫耐受的机制及临床意义。1  获得性免疫耐受的发现　　1.1  来自早期移植受者的免疫耐受现象    早在1963年，科罗拉多大学的研究报告就指出：肾同种异体移植排斥反应是高度可逆的，而非以前所认为的无法挽回。排斥反应的逆转被认为是可变的获得性耐受。丹佛移植中心在1962-1963年完成的46例亲属间同种异体肾移植中，9例受者的移植物有40年的功能。其中7例在完全停用免疫抑制剂后的7～40年内没有发生排斥反应。目前仍有8例受者健在，其移植肾有功能的时间已经超过了42年，成为世界上生存时间最长的有功能移植物。    在肝移植受者中也发现了类似的现象。某些肝移植受者已经连续30年完全不使用免疫抑制剂。在日本，上述情况经常发生在供肝来源为父母，并且术后免疫抑制剂用量极低的移植受者中。事实上，在20世纪60年代所进行的一系列动物实验中就发现了这种自发的免疫耐受现象。例如：在用不相关的远系杂交狗作为供者和受者的实验中，当移植后硫唑嘌呤治疗限制在120 d时，长期或终生的肝脏移植物的存活比肾脏移植物更常见。利用杂种猪进行的肝移植证实有20%的受者不经过任何治疗仍然获得了移植肝的终身存活。近交系大鼠及小鼠肝移植受者中也出现了自发耐受。　　1.2  免疫抑制剂与自发免疫耐受    免疫抑制剂的临床应用在很大程度上促进了器官移植的发展。1962-1963年，丹佛移植中心采用硫唑嘌呤辅以强的松治疗，使多数活体同种异体肾移植受者生存期超过了1年。这在移植史上无疑是一个里程碑。然而该免疫抑制方案以硫唑嘌呤为单一基础用药，仅仅在需要时才使用强的松，因此仍有15%的移植肾发生不可逆的排斥反应。为了解决这个问题，各移植中心从1964年开始在服用硫唑嘌呤的同时常规加用大剂量强的松。    环孢素A和他克莫司最初仅作为单一药物应用于临床，在治疗突发排斥反应时才临时加用类固醇药物。抗人淋巴细胞球蛋白在1966年首次使用时，通常只用于预处理，或在移植后作为强的松的替代品用于治疗对激素耐受型的排斥反应。为了进一步降低排斥反应的发生率，多联免疫抑制方案开始广泛使用。上述药物的剂量明显加大以进行预防性的免疫抑制。    多联免疫抑制方案的应用使得急性排斥反应的发生率显著下降，几乎不再成为影响移植物长期存活的主要因素，受者及移植物均获得了较好的短期和中期的生存率。但也有诸多局限性，慢性排斥反应和长期使用免疫抑制剂所带来的毒副作用一度成为困扰人们的难题。特别需要指出的是，在早期的器官移植受者中常见的、可以完全停用免疫抑制剂的耐受现象几乎再也见不到了。2  获得性免疫耐受的机制探讨　　2.1  实质器官植入的可能机制    实质器官移植和骨髓移植之间的差异给学者们提出了两个问题：（1）为什么在看起来似乎违背了所有的免疫学原则的情况下，几乎所有的实质器官移植却是可行的?（2）实质器官植入与耐受之间究竟有什么关系?这成了当时生物学上的两个难题。导致这一困难的根本原因是实质器官植入无法用常见于小鼠移植耐受模型和临床骨髓移植中的供者白细胞嵌合机制来解释。学者们纷纷就这一现象提出了一些潜在的可能机制。　　2.1.1  免疫忽视：1968年，Clyde Barker与Rupert Billingham报道了将供者皮肤移植到受者的一块除去了淋巴管但保留有血管蒂的皮瓣上，移植的皮肤没有被排斥。这个简单的实验揭示，至少存在一种途径可以使同种异体移植物逃避免疫反应。也就是说,宿主免疫系统不能识别没有与宿主淋巴样组织接触的抗原。基于克隆耗竭清除的获得性耐受假说的关键环节是：除非抗原与淋巴样组织接触，否则不能发生免疫激活。直到25年以后Barker和Billingham才真正证实了上述结论。这是因为在移植模型中阻止移动抗原（如白细胞）与宿主的淋巴样器官接触是非常困难的。　　2.1.2  克隆耗竭清除：我们在1969年就提出假说，认为肝脏或其他任何器官移植成功的主要机制是克隆耗竭清除。我们还提出需要或不需要免疫抑制剂的同种异体移植物植入的延长是可变耐受的一种形式。即使上述假设都是正确的，但要使它们成为可信的，还有很多环节需要弥补。与免疫忽视一样，克隆耗竭清除仅仅成为一个理论。直到20世纪90年代早期，它的存在和重要性才得以证实。　　2.2  供者白细胞迁移在器官植入与耐受中的作用    1969年，有学者采用男性供肝的女性肝移植受者进行了染色体核型分析，发现移植100 d后，移植肝的肝细胞、胆管上皮细胞及血管内皮细胞仍保留供者的性别（男性），而大多数骨髓源性的过客白细胞则被受者（女性）细胞所替代。尽管这是一个重要的发现，但学者们仍认为这种白细胞嵌合现象仅存在于肝移植中。直到1992年，学者们才发现其他类型的器官移植受者体内也存在多谱系供者白细胞微嵌合现象。现在已经明确，实质器官移植和骨髓移植在本质上是一样的，仅仅在供者和受者细胞比例上有所不同。    在上述两种类型的移植受者中，存活的少量细胞群显然是移植术后前几天经历双重免疫反应后幸存的造血祖细胞或多能干细胞的后代。我们推测移植物的植入发生在共存的供者和受者相互反应导致彼此克隆耗竭和周围克隆清除之后。白细胞的迁移分为两个阶段：第一阶段，供者白细胞选择性的迁移到发生免疫反应的宿主淋巴组织中；第二阶段为1～3周后，此时细胞已经逃避了初次的免疫破坏并转移到皮肤和其他非淋巴部位。第二阶段通常在30～50 d后结束，最终可以达到不同程度的白细胞嵌合。    在此统一的耐受模式下，先前所讨论的实质器官移植自发耐受模型中的器官植入可以很自然的与下列现象联系起来：1945年Ray Owen所观察到同卵双生牛自然耐受现象；从1953年开始Billingham、Brent和Medawar等观察到小鼠获得性耐受现象；Bob Good观察到异种共生模型等。　　2.3  移植耐受与感染耐受的相似性    无论是感染，还是任何一种移植，针对非细胞疾病性微生物和异体移植物的破坏性免疫总是相同的。在移植耐受和感染耐受假说中，正是这种高度特异的适应性免疫反应导致了异体移植物和感染病原体的耗竭和清除。在感染和移植模型中所得的研究结论被归纳为：抗原的迁移和分布决定了针对感染、肿瘤、异种或异体移植物的免疫反应的发生。上述免疫反应的最终结果取决于进入宿主淋巴器官中可移动抗原的数量与在淋巴部位诱导的抗原特异性细胞毒性T淋巴细胞数量之间的平衡。其免疫反应结果为以下几种情况。　　2.3.1  不反应：如果病毒分布于非淋巴部位，或通过淋巴外途径进行扩散（如人乳头状瘤病毒），则不会诱导产生免疫反应（免疫忽略）。在移植领域也存在类似的情况，如将甲状旁腺及其他内分泌组织移植于非淋巴部位，或将上述组织置于过滤小室内，只允许营养物质和激素分子通过，不允许供者和受者细胞通过。用于整个器官或造血淋巴增殖细胞移植的、纯粹的或占据优势地位的免疫忽略仍然是一个难以实现的目标。　　2.3.2  “完全携带者”状态：如果病毒的快速扩散不能被病毒特异性T细胞反应所控制，那么免疫反应会被耗竭和清除，最终导致疾病携带状态。这种无症状的“完全携带者”与出现近乎完全的淋巴造血细胞嵌合的理想骨髓移植受者很相似。　　2.3.3  疾病控制与移植排斥：在多数感染实验中，通常有足够数量的病毒特异性细胞毒性T淋巴细胞被诱导出来。如果病毒被完全清除，那么免疫反应就会停止并且不能产生T细胞记忆。这与器官移植物的排斥反应将移植物中散布的迁移细胞完全清除的情形很相似。然而，这种将病毒完全清除的情况在感染模型中几乎是见不到的。相反，通常少量的活性病毒会残留在较少与宿主效应器结构相接触的非淋巴部位中。残留的病毒可以从这些部位周期性地迁移到宿主淋巴器官从而导致持续的病毒特异性免疫反应。这种持续进行的病毒特异的保护性免疫反应与器官移植失败后残留的微嵌合所导致的抗原呈递状态很相似。一旦在器官移植受者中建立了微嵌合，要想彻底清除供者淋巴细胞则是非常困难的。    持续的移动性抗原实际上是一把双刃剑。在某些感染模型中，非淋巴部位与淋巴部位之间极少量的病毒迁移就可以维持最初诱导的耗竭清除状态。因此无论在有无免疫抑制保护伞的情况下，耐受仅仅意味着移动性抗原超过了抗原反应性T细胞反应。尽管高水平的嵌合标志着出现耐受的几率会增加，但两者之间并没有一个可以换算的公式。因此白细胞嵌合是移植耐受的必要条件，但两者并不等同。按照这种观点，所有的实验和临床移植所导致的结果都与感染结果类似。进而言之，所有免疫抑制依赖性或非依赖性的异体移植物长期存活，都与感染性疾病携带状态相似。3  获得性免疫耐受的临床意义    可移动抗原与抗原特异性T细胞之间的平衡控制着免疫反应的发生。这一简单概念对临床治疗有着重要的意义。通过免疫抑制下调同种T细胞反应将这种平衡向抗原的方向倾斜，是器官移植的基本手段。其所付出的代价就是机体丧失了对感染和恶性肿瘤的监控能力。    来自动物实验模型的大量研究表明，通过增加输入的供者白细胞数量可以改善移植物的存活情况。然而大量临床研究显示联合输入供者白细胞的效果并不尽如人意。移植后过度的免疫抑制治疗可能是导致该疗法失败的原因。事实上，目前被世界广泛应用于传统器官移植的免疫抑制不利于诱导耐受。我们认为强力的免疫抑制大大降低了急性排斥反应的发生率，使得免疫耐受形成过程中所需要的供者白细胞驱动的克隆激活、耗竭和清除等环节不再存在。其结果就是术后前几周有机会诱导耐受的惟一“窗口”被缩小。我们建议在所有传统的和联合白细胞移植的器官移植受者中，同时或部分采用下述两种方法来避免上述不令人满意的结果。　　3.1  降低移植后免疫抑制    在自发耐受的器官移植实验模型中，不需要做任何治疗。因为抗供者反应微弱到已经无需清除供者抗原，供者抗原已经被耗竭和清除。随后这种清除耐受通过微嵌合来维持。在其他啮齿动物中，通过短时间的使用单一免疫抑制剂可以将普通的排斥反应转变为终身耐受。然而在非近交系的人类中，组织相容性和其他因素使得难以预测该疗法的效果。　　3.2  受者预处理    通过在供者抗原到达前降低机体免疫反应力的方式来清除抗供者反应是容易的，同时也是高度特异性的。在骨髓移植中通过术前进行破坏或清除细胞来进行受者预处理，但是存在移植物抗宿主病的风险。采用抗淋巴细胞免疫球蛋白或其他淋巴耗竭性抗体来进行受者预处理被认为是一种有效果、比较温和的方式，并且降低了发生移植物抗宿主病的风险。