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    T細胞交叉反應的利弊:自身免疫和癌癥新療法的挑戰和機遇

    2023-07-11 14:50:40    來源:維科號

    前言

    T細胞是免疫系統的主要參與者,在抵抗病原體和癌癥方面發揮著重要作用。參與這項絕對核心任務的分子關鍵事件是特異性T細胞受體與肽MHC復合物的相互作用,該復合物啟動T細胞啟動、激活和記憶,從而控制一系列下游功能。雖然成熟T細胞的種類非常多樣,但很明顯,這種多樣性不可能涵蓋生命中可能遇到的所有潛在外來肽段。TCR交叉反應性,即單個TCR識別不同肽的能力,為這一生物學挑戰提供了最佳解決方案。

    事實上,TCR的交叉反應性高得驚人。因此,T細胞面臨著一種困境:盡可能具體地識別和區分外來危險與自我,同時能夠對各種威脅情況做出反應。這對自身免疫性疾病和癌癥都有重大影響,對T細胞療法的發展也有重要意義。

    TCR交叉反應

    T細胞是適應性免疫的重要參與者,不僅負責長期免疫記憶,還協調先天和適應性免疫反應。未成熟的T細胞在胸腺中經過嚴格的選擇,從而釋放出成熟的、自我耐受的T細胞。這些細胞中的每一個都攜帶一種獨特的T細胞受體(TCR),這種受體是由兩個重組的TCR鏈(α和β)組裝而成的。在病原體感染后,TCRαβ與抗原呈遞細胞(APC)或靶細胞上主要組織相容性復合體(pMHC)結合,以肽形式呈遞抗原。

    TCRαβ T細胞庫的多樣性很高,但并非無限。根據V、D和J片段在兩個鏈位點的重組,估計單個TCR的理論數量至少達到1015個。事實上,據估計,人類血液中存在的所有不同TCR的總和要小得多,幼稚T細胞在2.5x107的范圍內,記憶T細胞低約100倍。在整個生命周期中以pMHC形式呈現的潛在病原體(和腫瘤)衍生表位的數量可能遠遠超過T細胞克隆的數量。因此,越來越清楚的是,克隆選擇理論需要修正,該理論提出每個單個抗原都有一個淋巴細胞和受體,而交叉反應性,即單個TCR識別多個肽序列的能力,是一個經常發生的事件。

    一項研究中提供了一個非常令人信服的證據,即我們的T細胞免疫是由交叉反應形成的。在未暴露于病毒的健康供體的血液中搜索對HIV、CMV和HSV衍生的表位特異性的HLA-DRB1*0401限制性CD4+T細胞顯示,盡管這種細胞的頻率非常低,但仍在CD45RO+亞群中發現了很大一部分。并且,這些HIV特異性T細胞克隆與一系列細菌或藻類衍生肽的交叉反應表明,這些細胞是由不相關的抗原引發的。

    盡管有明確的證據表明TCR的交叉反應性質,但目前尚不清楚一個獨特的TCR在“現實”中能識別多少個肽。據估計,應該約為106。幾項研究表明,在單個MHC分子的背景下,單個T細胞克隆確實可以感知超過一百萬種不同的肽。然而,基于只有1%的肽最終會出現在MHC上的假設,估計最終交叉反應的“真實”頻率約為104。

    TCR交叉反應和自身免疫

    T細胞交叉反應最明顯和最有害的后果是產生自身免疫的風險。盡管自反應性T細胞在胸腺中缺失,但弱交叉反應性T淋巴細胞可能通過識別感染源的表位而在外周存活并被激活,這種現象被稱為“分子模仿”。在自身免疫中,CD4+T細胞的TCR交叉反應性被認為優先在自身免疫性疾病發展中起到核心作用。這與癌癥相反,在癌癥中,細胞毒性CD8+T細胞的交叉反應更為重要。

    急性風濕熱(RF)是感染后發生系統性自身免疫的典型例子,即a組β-溶血性鏈球菌。它會影響滑膜關節、心臟瓣膜和大腦,導致關節炎、心肌炎、舞蹈病、邊緣紅斑和皮下結節等臨床特征。Kaplan于1960年首次描述了A組鏈球菌和心臟組織之間的分子模擬?;撔枣溓蚓砻娲嬖诘娜N類型的蛋白質抗原是M蛋白、T蛋白和R蛋白。M蛋白是毒性最強的一種,與各種宿主蛋白具有結構相似性,包括心肌肌球蛋白、層粘連蛋白、波形蛋白和原肌球蛋白。在這種細胞反應過程中,鏈球菌抗原通過MHC II類分子呈遞,并激活自身反應性T細胞。此外,在RF患者的瓣膜組織和心肌中,發現了具有三種交叉反應模式的T細胞:1)心肌肌球蛋白和瓣膜衍生蛋白,2)心肌肌蛋白和鏈球菌M肽,以及3)心肌肌肽、鏈球菌M肽和瓣膜衍生蛋白。

    多發性硬化癥是中樞神經系統最常見的自身免疫性疾病之一,其特征是神經元軸突周圍的保護性髓鞘丟失。其病理生理學已被廣泛研究,然而多發性硬化癥的病因尚不清楚。對多種中樞神經系統蛋白,例如髓鞘堿性蛋白(MBP)或髓鞘少突膠質細胞糖蛋白(MOG)具有特異性的自身抗體存在于MS患者的血清、腦脊液(CSF)和大腦中。類似地,在血液中發現了對髓磷脂抗原具有特異性的CD4+T細胞??乖R別研究表明,多發性硬化癥患者的CD4+自身反應性、MBP特異性T細胞與來源于細菌或病毒蛋白的肽可以發生交叉反應。這些發現產生了這樣一種概念,即最初由傳染源激活和擴展的免疫反應可能與介導中樞神經系統炎癥的自身抗原發生交叉反應,并誘導大腦破壞。迄今為止,已經發現了許多感染誘導針對腦特異性表位的交叉反應性T細胞。例如,來自HSV和綠膿桿菌的與MHC分子結合的肽被交叉反應性髓鞘特異性T細胞識別。此外,來自結核分枝桿菌、鼠傷寒桿菌和大腸桿菌的肽導致MBP特異性T細胞的體外強增殖,并在小鼠中誘導EAE。

    TCR交叉反應和癌癥

    除了罕見的抗原異常序列,例如突變抗原,腫瘤通常在其MHC分子上呈遞自身抗原,并且免疫原性較差。這是胸腺陰性選擇的結果,在胸腺陰性選擇中,高自我反應性T細胞被消除以防止自身免疫性疾病的發展。然而,這也使T細胞靶向腫瘤成為一項艱巨的任務,因為它會削弱有效和強大的免疫反應。因此,與自身免疫疾病的情況相反,潛在病原體特異性T細胞對腫瘤細胞特異性呈遞自身抗原的交叉反應可能會產生有利的抗腫瘤免疫。

    一項研究在對NSCLC中腫瘤浸潤淋巴細胞的TCR進行測序后,鑒定出了一種源自上皮蛋白TMEM161A的新型TAA。識別該肽的TCR被證明易與來自EBV的表位發生交叉反應。在另一種基于計算的方法中,研究人員在癌癥肽數據庫中確定了許多與病毒序列具有相同同源性的TAA。與腫瘤抗原序列最常見的病毒是HIV-1、HSV和人乳頭瘤病毒(HPV)。除了序列同源性外,研究還報道了這些肽與HLA分子和TCR之間的接觸模式具有結構相似性。最近的一份研究報告了三名轉移性結直腸癌患者在SARS-CoV-2感染后腫瘤縮小??傊?,這些研究表明,病原體和腫瘤抗原交叉反應性T細胞反應可能在抗癌免疫中發揮重要作用。

    此外,研究還報道了腫瘤特異性T細胞與細菌表位之間的交叉反應性。細菌衍生抗原的主要體內來源是微生物群,人類腸道由大約1014個微生物定植。定殖微生物的數量之多意味著免疫細胞在一生中暴露于這些細菌是不可避免的,這導致了對共生肽的免疫反應的產生。研究人員將癌癥肽數據庫中的所有TAA與微生物物種厚壁菌和擬桿菌序列進行了比較,發現這些物種的肽和腫瘤抗原具有高度同源性,它們占所有腸道微生物群的90%。另外一項研究中,在黑色素瘤患者中可以檢測到識別癌癥抗原GPD1-L并與源自多毛腸球菌噬菌體TMP蛋白表位交叉反應的T細胞克隆。此外,對荷瘤小鼠進行環磷酰胺治療,可以誘導腸球菌從腸腔轉移到腸系膜和脾臟免疫組織,從而改善抗癌CD8+T細胞反應。這種抗腫瘤作用在給小鼠服用抗生素后被消除。

    其他研究也表明,在臨床結果良好的癌癥患者中,發現CD4+和CD8+T細胞對腸球菌、脆弱擬桿菌、瘤胃球菌和粘液性阿克曼菌具有特異性。因此,腸道微生物組可能是對腫瘤產生免疫反應以及對免疫療法產生反應的重要調節劑。

    TCR交叉反應性的治療意義

    在自身免疫性疾病中,Th1和Th2細胞的作用已被充分證明。特別地,啟動信號(pMHC/TCR的特異性、親和力和親和力,APC/T細胞相互作用)控制T細胞的成熟、分化和功能。因此,肽及其與MHC結合的改變可能會影響免疫反應的強度。對于自身免疫性疾病的藥物開發,通過將炎癥性Th1反應轉變為Th2反應、誘導調節性T細胞(Tregs)或完全抑制T細胞來沉默抗自身T細胞活性都是很好的策略。

    Nicholson及其同事首次證明了在MS的小鼠EAE模型中,源自原始抗原肽的修飾肽序列,即修飾肽配體(APLs)能夠將Th1反應轉變為更有利的Th2反應。研究使用了腦髓鞘脂蛋白PLP139-151肽段,并在兩個主要TCR接觸殘基產生突變(L144/R147),這種類似物被證明是體外PLP特異性T細胞克隆的強大TCR拮抗劑。注射這種類似物可以保護動物免受EAE的侵襲。

    除了自身免疫性疾病,基于TCR交叉反應目前也正在開發新的和更有效的癌癥治療。提高TAAs免疫原性的一種方法是利用TCRs的交叉反應。通過雜環肽的設計,其中替換某些氨基酸來提高肽和MHC分子之間相互作用的穩定性,被證明是提高體外CTL反應性和控制小鼠腫瘤生長的強大策略。重要的是,這些雜環肽需要被與天然序列交叉反應的T細胞識別,因此可以驅動殺死自然呈遞原始肽的腫瘤細胞。

    另一方面,腫瘤抗原與許多病原體衍生的表位具有同源性,因此,這些表位可以驅動具有相同TCR的T細胞的激活,使這成為一種有吸引力和前景的策略。在治療性癌癥疫苗接種中利用這種交叉反應性的優點是多方面的:首先,它可以克服天然TAA的低免疫原性和親和力;其次,與幼稚的T細胞相比,記憶T細胞可以被低得多的肽濃度激活;第三,免疫后回憶T細胞反應顯然比啟動新的效應物更容易實現,尤其是考慮到目前缺乏金標準的強佐劑;第四,利用感染后已經在體內擴增的“天然”T細胞可能會降低自身免疫的風險。

    小結

    交叉反應是我們的適應性免疫系統應對病原體的一個非常聰明的特性,它在諸如自身免疫和癌癥等不同的病理狀態中也發揮著重要作用。在自身免疫性疾病中,交叉反應在治療中的應用在很大程度上取決于它們抑制免疫反應性的能力,因此,識別和預測特定TCR識別的自身表位和模擬表位對于這種抗原特異性方法的成功至關重要。

    在癌癥免疫治療中,TCR交叉反應性正在成為一個重要的考量因素,這不僅是為了設計更有效的基于T細胞的治療,也是為了預防嚴重的副作用??紤]到治療方法的不斷個性化,對于TCR開發新的精細預測方法至關重要,由于可能影響交叉反應性的許多方面,這是一個非常具有挑戰性的過程。

    參考文獻:

    1.Thegood and the bad of T cell cross-reactivity: challenges and opportunities fornovel therapeutics in autoimmunity and cancer. Front Immunol.2023 Jun 19;14:1212546

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