- 临床检验一万个为什么:免疫学检验分册
- 陈福祥 彭奕冰 盛慧明
- 7294字
- 2020-08-28 08:37:56
第三节 适应性免疫应答
71.为什么适应性免疫应答可应对多样性的抗原物质
答:适应性免疫应答是指T细胞、B细胞通过其抗原受体(TCR/BCR)识别抗原,经活化、增殖、分化,并产生一系列生物学效应的全过程。TCR/BCR特异性识别抗原多肽,从而导致特异性T、B细胞克隆激活,即一种TCR或BCR仅能识别一种抗原分子。 BCR和 TCR基因由V、(D)、J和C基因片段组成,在淋巴细胞分化成熟过程中,不同区段的基因片段发生重排:首先D-J基因组合,然后V-J和V-DJ组合,最后加上C基因,最终分别形成TCR的α链和β链,以及BCR的轻链和重链。在V、(D)、J基因重排时,只能分别在众多的V、 (D)、J基因片段中各取一个,因而可产生众多V(D)J片段组合。同时,各基因片段连接时往往伴有插入、替换或缺失核苷酸的情况发生,如密码子错位、框架移位及N序列插入等,则会产生新的序列。上述V、(D)、J和C基因的组合多样性和连接多样性,另外BCR还涉及体细胞高频突变,这些机制导致了带有不同BCR的B细胞克隆数目达到10 11~10 13,带有不同TCR的T细胞克隆数目达到10 15~10 18。因此,所有T细胞克隆和B细胞克隆的总和组成了T细胞库和B细胞库,任何抗原都可以从这些克隆库中选择出其TCR/BCR与之相匹配的克隆,从而赋予了免疫系统可识别周围环境中几乎所有抗原的能力。
72.为什么抗原提呈细胞有不同的分类
答:抗原提呈细胞(antigen presenting cell,APC)是能够加工抗原并以抗原肽-MHC分子复合物(pMHC)的形式将抗原肽提呈给T细胞的一类细胞,在机体的免疫识别、免疫应答与免疫调节中起重要作用。根据提呈抗原肽的主要组织相容性复合体(histocompatibility complex)分子的不同,APC分为以下两类。
(1)通过MHCⅡ类分子提呈抗原的APC:
能够摄取、加工外源性抗原并以抗原肽-MHCⅡ类分子复合物的形式将抗原肽提呈给CD4 +T细胞的APC,即通常所称的APC。此类APC又分为两类:①专职APC:包括DC、巨噬细胞和B细胞,它们组成性表达MHCⅡ类分子、共刺激分子和黏附分子,具有直接摄取、加工和提呈抗原的功能;②非专职APC:包括内皮细胞、上皮细胞和成纤维细胞等,其通常不表达或低表达MHCⅡ类分子,但在炎症过程中和某些细胞因子作用下,可被诱导表达MHCⅡ类分子和共刺激分子成为APC,但加工和提呈抗原能力较弱。
(2)通过MHCⅠ类分子提呈抗原的APC:
此类APC能够降解、加工细胞内抗原(内源性抗原)并以抗原肽-MHCⅠ类分子复合物的形式将抗原肽提呈给CD8 +T细胞。内源性抗原包括被胞内寄生病原体感染而产生病原体抗原或细胞突变产生的突变蛋白抗原等。此类APC提呈抗原给CD8 +T细胞而自身被识别、杀伤,故一般被称为靶细胞。
73.为什么专职抗原提呈细胞功能不同
答:专职APC包括DC、巨噬细胞和B细胞,其对T细胞的激活和免疫效应各有不同。
(1)DC:
能够刺激初始T细胞的活化、增殖和分化,是启动适应性免疫应答的重要细胞。未成熟DC低表达MHCⅡ类分子和共刺激分子,但其高表达模式识别受体,具有很强的摄取和加工处理抗原能力。在感染和炎症时,未成熟DC摄取抗原后,从局部组织迁移进入外周免疫器官,并在迁移的过程中逐渐成熟。成熟DC高表达MHCⅡ类分子和共刺激分子,能有效地提呈抗原和激活初始T细胞;DC分泌多种细胞因子,促进T细胞的活化、增殖和分化为不同的效应T细胞。但成熟DC低表达模式识别受体,因此其摄取和加工处理抗原能力弱。
(2)巨噬细胞:
静止的巨噬细胞低表达MHCⅡ类分子和共刺激分子,抗原提呈能力较弱。在IFN-γ等细胞因子作用下,巨噬细胞可诱导性高表达MHCⅡ类分子和共刺激分子,将抗原肽提呈给CD4 +效应T细胞;同时,巨噬细胞也在T细胞的作用下被激活,有效地清除被吞噬的病原体。
(3)B细胞:
通过BCR浓集和摄取抗原,以抗原肽-MHCⅡ类分子的形式表达于细胞表面,提呈给Th细胞。B细胞在激活Th细胞的同时接受Th的辅助作用而活化并对抗原应答产生抗体,发挥体液免疫效应。
74.为什么抗原提呈细胞加工提呈抗原的途径不同
答:抗原加工(antigen processing)又称抗原处理,是APC将摄取入胞内的外源性抗原或胞质内自身产生的内源性抗原降解并加工成一定大小的多肽片段,使抗原适合与MHC分子结合,形成pMHC并转运到细胞表面供T细胞识别的过程,后一过程又称抗原提呈(antigen presenting)。根据抗原的性质和来源不同,APC通过以下四种途径进行抗原的加工和提呈:
(1)MHCⅠ类分子途径:
内源性蛋白质抗原在胞质中被蛋白酶体降解,降解后的抗原肽经内质网膜上的抗原加工相关转运物转移至内质网腔内,与MHCⅠ类分子结合形成抗原肽-MHCⅠ类分子复合物,此复合物再经高尔基体转运至细胞膜上供CD8 +T细胞识别。
(2)MHCⅡ类分子途径:
外源性抗原被APC识别摄取,在胞内形成内体或吞噬体并与MHCⅡ类小室(MⅡC)融合,在MⅡC中抗原被降解为多肽;随后,MHCⅡ类分子与抗原肽形成抗原肽-MHCⅡ类分子复合物,然后转运至细胞膜表面,供CD4 +T细胞识别。
(3)MHC分子对抗原的交叉提呈途径:
某些外源性抗原也可通过MHCⅠ类分子提呈,而某些内源性抗原也可通过MHCⅡ类分子提呈。
(4)脂类抗原的CD1分子提呈途径:
脂类抗原可与一种结构与MHCⅠ类分子相类似的CD1分子结合,再被转运至细胞膜表面激活NKT细胞。
75.为什么细胞免疫是适应性免疫应答的重要组成部分
答:细胞免疫通常指T细胞介导的免疫应答。胸腺中发育成熟的初始T细胞迁出胸腺后,随血液循环定居于外周淋巴器官,并周而复始地在体内循环,以便随时识别进入机体的抗原。初始T细胞通过其TCR与APC表面的pMHC特异性结合后,在其他辅助因素作用下,分化、增殖、转化为致敏T细胞;当相同抗原再次进入机体,致敏T细胞对靶细胞的直接杀伤作用及致敏T细胞所释放的淋巴因子的协同杀伤作用,进而完成对抗原的清除和免疫应答的调节。细胞免疫在机体主要发挥以下作用:
(1)抗感染作用:
针对细胞内寄生病原体感染,例如胞内寄生细菌、病毒、真菌或寄生虫感染等。
(2)抗肿瘤作用:
细胞免疫是主要的抗肿瘤机制,包括CTL对肿瘤细胞的杀伤,细胞因子对肿瘤的直接抗肿瘤作用,细胞因子激活巨噬细胞或NK细胞的细胞毒作用以及细胞因子的其他抗肿瘤作用等。
(3)免疫病理作用:
T细胞介导的细胞免疫效应与迟发型超敏反应、移植物排斥反应密切相关,还参与了某些自身免疫病的发生和发展。
76.为什么T细胞对抗原的识别具有MHC限制性
答:初始T细胞的TCR与APC提呈的pMHC特异性结合的过程称为抗原识别。TCR在特异性识别APC所提呈的抗原的同时,也必须识别pMHC中的MHC分子,这种特性称为MHC限制性(MHC restriction)。T细胞对抗原的识别受MHC限制包含两方面的内涵:①TCR只能识别MHC提呈的抗原肽表位;②TCR对MHC和肽表位进行的是双重识别,因而识别某一种MHC分子所提呈抗原肽的TCR,并不一定识别另一种MHC分子所提呈的同一抗原肽。因此,MHC限制性决定了任何T细胞仅识别同一个体APC提呈的pMHC。
77.为什么免疫突触的形成能增强T细胞与抗原提呈细胞的相互作用
答:进入外周淋巴组织的T细胞利用其表面的黏附分子(LFA-1、CD2)与APC表面相应配体(ICAM-1、LFA-3)结合,有利于T细胞与APC相互作用。因为均匀分布于T细胞表面的TCR与pMHC相互作用后,多个TCR-pMHC向T细胞与APC接触面的中央移动,形成以多个TCR-pMHC为中央,周围是LFA-1-ICAM-1等共刺激分子环绕的免疫突触(immunological synapse)。免疫突触的形成不仅加强T细胞与APC的结合,还引发胞膜相关分子的一系列重要变化,促进T细胞信号转导分子的相互作用及细胞骨架系统和细胞器的结构及功能变化,从而引起T细胞的激活和效应作用的发挥。此外,免疫突触中多对共刺激分子的相互作用,有助于维持和加强T细胞与APC直接接触,并为T细胞的活化提供共刺激信号,在细胞免疫应答启动中起着重要的作用。
78.为什么T细胞的完全活化需要双信号和细胞因子的共同作用
答:初始T细胞特异性识别抗原后发生活化和增殖的过程,需要来自抗原提呈细胞的两个信号刺激和细胞因子的作用。TCR-CD3复合受体识别pMHC后,通过CD3分子的胞内段以及CD4/CD8分子与MHC分子的结合,传入抗原特异性识别信号,称为第一信号。T细胞还通过CD28分子与APC表面共刺激分子(costimulatory molecule)如B7等相互作用产生T细胞活化的第二信号。除了双信号外,T细胞活化后,还有赖于多种细胞因子的共同作用才能进一步增殖和分化。
79.为什么共刺激分子是T细胞免疫应答的调控靶点
答:在T细胞活化、增殖和分化过程中,共刺激分子决定了T细胞是被激活或被诱导凋亡(apoptosis)或进入无能(anergy)状态。此外,活化一旦启动,共刺激分子还进一步决定T细胞应答的特征和强度。调控T细胞免疫应答的共刺激分子主要分为以下两类:①免疫球蛋白超家族:主要包括CD28家族,其中CD28/B7通路介导激活通路,而CTLA-4/B7通路介导抑制信号,ICOS/ICOSL通路是诱导表达的共刺激通路,能促进T细胞的活化和增殖;其他诱导性表达的共刺激分子还包括CD2/LFA3、PD-1/PD-L1及BTLA/B7-H4等;②肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF)超家族:主要包括CD40L-CD40共刺激通路以及4-1BBL/4-1BB、OX40L/OX40等诱导性表达共刺激分子。因此,通过调控上述共刺激或共抑制通路来调控T细胞免疫应答以应用于肿瘤、自身免疫和移植免疫的临床诊疗。
80.为什么活化的T细胞能分化为不同的效应T细胞
答:初始T细胞被双信号激活后增殖至一定数量即开始向功能各异的效应T细胞分化,其分化方向受局部微环境中细胞因子等多种因素的影响。
(1)CD4 +T细胞的分化:
初始CD4 +T细胞在接受抗原刺激并得到双重信号后先分化成Th0细胞,Th0细胞在微环境中受不同细胞因子的调控进一步向各类效应细胞分化。如IL-12和IFN-γ可诱导向Th1分化,IL-4可诱导向Th2分化,TGF-β和IL-6(小鼠)或IL-1β和IL-6可诱导向Th17分化,IL-21和IL-6诱导向Tfh分化,TGF-β和IL-2诱导向Treg分化。
(2)CD8 +T细胞的分化:
初始CD8 +T细胞的激活主要由两种形式:①Th细胞依赖性:靶细胞低表达或不表达共刺激分子,初始CD8 +T细胞需要APC和Th细胞的辅助才能分化为细胞毒性T细胞(CTL);②Th细胞非依赖性:见于高表达共刺激分子的病毒感染DC,可不需要Th细胞的辅助而直接刺激CD8 +T细胞增殖并分化为CTL。
81.为什么不同的辅助性T细胞亚群功能不同
答:辅助性T细胞(Th)主要包括Th1、Th2、Th17和Tfh等,不同的Th细胞通过产生不同的效应分子特别是细胞因子在免疫应答中发挥不同的作用。
(1)Th1细胞:
通过释放细胞因子募集和活化巨噬细胞和淋巴细胞,诱导细胞免疫反应,在宿主抗胞内病原体感染中起重要作用。Th1细胞通过表达CD40L与巨噬细胞表面CD40相互作用,以及通过分泌IFN-γ和TNF-β等细胞因子,激活巨噬细胞;激活的巨噬细胞可有效地吞噬和杀伤病原体以及介导炎症反应。
(2)Th2细胞:
通过产生IL-4、IL-5、IL-10和IL-13等细胞因子,协助和促进B细胞的增殖和分化为浆细胞,参与体液免疫应答。Th2细胞还可参与超敏反应的发生和抗寄生虫感染。
(3)Th17细胞:
分泌IL-17、IL-22和IL-21等细胞因子,刺激上皮细胞、内皮细胞、成纤维细胞和巨噬细胞等分泌多种炎症因子,在固有免疫中发挥重要作用。此外,Th17细胞还参与了炎症反应、感染性疾病和自身免疫病的发生。
(4)Tfh细胞:
主要分泌IL-21,并通过表面分子与B细胞相互作用,辅助B细胞在生发中心的存活、增殖,促进B细胞向浆细胞分化、抗体类别转换和抗体亲和力成熟。
82.为什么细胞毒性T细胞能高效和特异性地杀伤靶细胞
答:被靶细胞致敏的细胞毒性T细胞(cytotoxic T lymphocyte,CTL)再次与靶细胞相遇后,TCR可特异性识别靶细胞表面MHCⅠ类分子提呈的抗原肽,并发生细胞表面黏附分子及其受体的相互作用,CTL胞内细胞器(细胞骨架、高尔基体、胞质颗粒等)开始向效-靶细胞紧密接触的部位重新排列和分布,使效应物质局部集中并释放至胞外,可以有效地对靶细胞发动致死性攻击,而不损害正常细胞。CTL杀伤靶细胞的机制包括:①通过颗粒胞吐(granule exocytosis)作用释放胞质中的穿孔素和颗粒酶,诱导靶细胞凋亡;②表达FasL或分泌TNF-α,分别与靶细胞表面的Fas受体和TNF受体结合,通过激活胱天蛋白酶(caspase)级联反应,诱导靶细胞凋亡。
83.为什么经免疫记忆产生的再次细胞免疫应答显示高效性
答:免疫记忆是适应性免疫应答的重要特征之一,表现为免疫系统针对已接触过的抗原能启动更为迅速和更为有效的免疫应答。这是因为机体内存在着一群发生过克隆扩增,具有抗原特异性的记忆性淋巴细胞即记忆T细胞(memory T cell,Tm cell)。这是一群对抗原显示特异性的记忆Tm细胞克隆,可长期留存。与初始T细胞相比,Tm具有以下特点:①更易被激活,只需较低浓度的抗原即可;②再活化时对共刺激信号(CD28/B7)的依赖性较低;③属于克隆性应答,有较多的特异性Tm细胞参与,可以迅速活化和增殖并分化为效应T细胞,产生更强、更快和更有效的再次细胞免疫应答。
84.为什么B细胞是介导体液免疫的主要细胞
答:体液免疫主要由B细胞和浆细胞介导。B细胞通过BCR识别抗原,发生活化、增殖,分化为浆细胞即抗体形成细胞,通过产生抗体发挥免疫效应。由于抗体存在于体液,故此过程也称为体液免疫应答。B细胞对抗原的免疫应答有两种情况:一种是针对非胸腺依赖抗原(thymus-independent antigen,TI-Ag),大多为多糖类和脂类抗原,可不需要T细胞的辅助,直接激活B细胞,最终产生IgM类抗体,其抗原受体多样性有限,特异性较差;另一种是针对胸腺依赖抗原(TD-Ag),多为蛋白类抗原,激活B细胞发生免疫应答需要T细胞的辅助,随后B细胞经历中央母细胞、中央细胞两个阶段,完成体细胞高频突变、亲和力成熟和类别转换等一系列生发中心反应,最终分化成浆细胞,并产生抗体介导体液免疫;同时可生成记忆B细胞。再次应答时,记忆B细胞可快速活化分泌特异性IgG型抗体介导体液免疫应答。
85.为什么胸腺依赖抗原活化B细胞需要辅助性T细胞
答:胸腺依赖抗原(TD-Ag)刺激初始B细胞活化也需要双重信号。首先是BCR-Igα/Igβ复合体通过BCR识别抗原表位,由Igα/Igβ复合体向B细胞内传递第一信号,B细胞表面CD21、CD19和CD81组成BCR共受体复合体,可使B细胞对抗原刺激的敏感性增强,促进第一信号传入B细胞内。但是第一信号不足以使B细胞活化,其完全活化还有赖于Th细胞提供的辅助信号即第二信号。来自两方面:一是Th细胞表面CD40L与B细胞表面CD40的结合向B细胞提供第二信号。二是Th释放的细胞因子发挥的辅助作用,如IL-4、IL-5及IL-6等细胞因子参与B细胞活化:IL-4可诱导B细胞依次表达细胞因子受体;IL-5和IL-6可促进B细胞后期活化。因此,B细胞的充分活化依赖于Th细胞的辅助。
86.为什么生发中心是B细胞分化成熟的重要场所
答:血液循环中的B细胞穿过外周淋巴组织中的高内皮小静脉进入T细胞区,抗原特异性B细胞与抗原特异性Th细胞在这一特定部位相遇,B细胞在Th细胞辅助下活化后进入淋巴滤泡进一步分裂、增殖,形成生发中心。生发中心的B细胞每6~8小时分裂一次,这些增殖的B细胞被称为中心母细胞,其分裂能力极强,但不表达m Ig。中心母细胞分裂增殖产生的子代细胞称为中心细胞,其分裂速度减慢或停止且体积较小,表达m Ig。因而生发中心分为两个区域:一个是暗区,中心母细胞在此紧密聚集;另一个是明区,中心细胞在此聚集,但聚集不甚紧密并与众多的滤泡树突状细胞(follicular dendritic cell, FDC)接触。生发中心中,FDC和滤泡协助性T细胞(follicular helper T,Tfh)以及B细胞三者发生相互作用:FDC将抗原浓缩并使其滞留在细胞表面,B细胞的BCR识别和结合FDC滞留的抗原后发生体细胞高频突变和亲和力成熟;Tfh分泌IL-21可促进B细胞分化为浆细胞及Ig类别转换。因而,明区中的中心细胞在FDC和Tfh细胞协同作用下继续分化,经过阳性选择完成亲和力成熟过程,只有表达高亲和力m Ig的B细胞才能成活,最终分化成浆细胞或记忆B细胞。因此,生发中心是B细胞分化成熟的重要场所。
87.为什么免疫球蛋白亲和力成熟与体细胞高频突变关系密切
答:B细胞在生发中心增殖分裂时,其免疫球蛋白重链和轻链的V区基因可发生高频率的点突变,大约每1000个碱基对(bp)就有一个bp发生突变(一般体细胞分裂时DNA分子的突变率为1/10 10~1/10 7),被称为体细胞高频突变。使B细胞增殖成一群其BCR与抗原亲和力高低不同的异质性细胞群。大多数突变B细胞克隆中BCR亲和力降低甚至不表达BCR,不能结合FDC表面抗原而发生凋亡;只有与抗原高亲和力相结合的B细胞表达抗凋亡蛋白才能免于死亡,继续发育成为记忆B细胞或浆细胞。经过增殖、分化、突变和抗原选择后最终形成的后代B细胞,其Ig与抗原的平均亲和力得到了提升,称为亲和力成熟(affinitymaturation)。体细胞高频突变和Ig亲和力成熟使得再次免疫应答仅有少量抗原出现时,表达高亲和力BCR的B细胞克隆会优先结合抗原并得到扩增,最终产生高亲和力抗体。
88.为什么针对同一抗原B细胞可以产生不同类别的抗体
答:在生发中心分裂增殖的B细胞其重链V区基因保持不变,但C区基因则会发生不同的重排。IgM是体液免疫应答中首先分泌的抗体,但随着B细胞受抗原刺激和T细胞辅助而活化及增殖,其重链由Cμ转换为Cγ、Cα或Cε,因而使得Ig基因的类别发生了改变,B细胞产生的抗体从IgM转变成IgG、IgA或IgE,称为Ig类别转换(class switching)或称同种型转换(isotype switching)。类别转换时VDJ区和轻链并不变化,故识别抗原的特异性保持不变。因此,Ig类别转换使得B细胞针对同一抗原产生不同类别的抗体并有助于发挥不同的免疫功能。
89.为什么血清IgM型抗体检测可用于感染性疾病的诊断
答:患者初次感染某种病原体时,B细胞识别抗原并在T细胞等的辅助下活化,产生针对抗原表位的特异性抗体。初次免疫应答B细胞产生的抗体数量少,亲和力低,主要为IgM。IgM是初次免疫应答中最早产生的抗体,是机体抗感染的 “先头部队”,血清中检测出IgM含量上升即提示新近发生了感染,可用于早期诊断,但是持续时间不长。另外,相对于婴儿而言,母体的免疫球蛋白仅有IgG能透过胎盘屏障进入胎儿血液,其他免疫球蛋白分子无法透过,所以脐带血IgM升高提示胎儿有宫内感染(如风疹病毒或巨细胞病毒等感染),患儿的抗体来源于感染而非母体来源。因此,血清中检测出IgM可用于感染性疾病的诊断。
90.为什么体液免疫再次应答较初次应答更快、更强
答:体液免疫初次应答后机体生成了抗原特异性记忆B细胞克隆,其可长期在体内存留。记忆B细胞不分裂或分裂非常慢,高表达m IgM,几乎不分泌抗体。当很低浓度的相同抗原再次入侵,记忆B细胞即可被迅速激活,发生更快、反应更强的再次免疫应答,再次应答时产生抗体的速度、性质、数量、亲和力、维持时间等都与初次应答有很大的不同,具有如下特征:①潜伏期短;②血清抗体浓度增加快并且滴度高;③抗体维持时间长;④诱发再次应答所需抗原剂量小;⑤再次应答主要产生高亲和力的IgG类抗体。IgG类抗体在体内广泛分布,是机体抗感染的主力军。此外,再次应答的效应可持续存在数月至数年,故在很多情况下机体一旦受病原体感染后,可在相当长时间内具有防御该病原体的免疫力。
(盛慧明 阎淑)