共刺激分子在器官移植作用机制的研究进展

摘要：通过阻断共刺激通路诱导免疫耐受， 已成为当今移植免疫的研究热点，所谓共刺激通路，就是T细胞活化时所必须的信号。实验研究结果表明在T细胞只接受T细胞受体信号而不接受共刺激的情况下T细胞呈现出无反应性。共刺激通路对T细胞有活化和抑制的双向作用，阻断共刺激信号可显著降低排斥反应。因此， 研究共刺激通路的联合阻断、探究新型共刺激分子的抗排斥作用对诱导移植免疫耐受具有重要意义。

关键词：共刺分子； 器官移植； 免疫耐受

1 引言

新型免疫抑制剂的开发及其他创新技术的发展降低了移植器官排斥反应的发生几率，大大延长了移植器官的短期存活时间，但在移植物的长期存活时间上并未得到明显改善[1]。T 细胞在器官移植排斥反应中起核心作用[2]。通过影响T细胞活化来调节排斥反应的发生从而延长移植物存活时间。T细胞活化涉及多个信号及调节途径，第一信号是由T 细胞受体（ TCR） 与抗原递呈细胞（APC） 表面的MHC- 抗原复合物（ 即/ 抗原肽- MHC- TCR0三元体） 相互作用时产生，启动T细胞的活化，但是单独启动第一信号并不能使T细胞完全活化[3]第二信号模型最初由Lafferty 和Cunningham在1975年提出， 第二信号为共刺激信号， 由可溶性共刺激分子或APC 表面的分子配体提供，能使T细胞分化活化及克隆扩增。T 淋巴细胞必须有这两个信号， 才能激活、增殖， 分泌各种细胞因子， 发挥其作用； 如果缺乏共刺激信号， T 淋巴细胞无法进行分化活化及克隆扩增，最终进入无反应状态[4] 。

2.共刺激分子

共刺激分子（costimulatory molecules）又称协同信号（cosignal ）和协同信号分（cosignal molecules） 是1970年由Brestcher和Cohn在T细胞激活双信号学说基础上首先提出并证的。共刺激分子可以依据其功能属性及结构进行分类，根据功能分为：（1）正性共刺激分子：增强TCR信号介导的免疫应答，促进T细胞活化、分化及增殖；（2）负性共刺激分子：对抗TCR信号和抑制T细胞活化； （3）第三类为TIM家族的新成员，是一类T细胞表面分子，主要参与T细胞的调节分化和调节T细胞的功能。根据结构分类，共刺激分子大致可分为4个不同的类型：（一）免疫球蛋白（Ig）家族（例如，CD28，CTLA4，PD-1，ICOS），（二） 肿瘤坏死因子 - 肿瘤坏死因子受体家族（如CD40，CD137，OX40），（三）TIM家族 及（iv）细胞粘附分子（如CD2，LFA-1）。（四）此外还有在共刺激通路阻断研究较早的经典的一类分子，如（CD28， CD154）[5]。本文将从目前研究最为深入的几类共刺激途分子进行阐述。

2.1.正性共刺激分子

2.1.1.免疫球蛋白超家族共刺激分子

2.1.1.1. CD28/ B7途径。CD28是鼠和人类免疫反应中T细胞活化最为重要及具有特征性的一个共刺激分子，它是由同源二聚体形成的一类跨膜蛋白，存在于小鼠所有的T细胞亚群。人类95%的CD4+T细胞和50%的CD8 + T细胞表面都表达CD28分子[ 6]。CD28与 B7.1（CD80）结合，能够诱导表达B7.2（CD86）[7]。CD28对共刺激信号的产生起到一个触发作用并对T细胞增殖及T细胞细胞因子的产生具有重要意义。CD28 / B7与TCR结合后刺激增加了IL-2受体（CD25）和CD40配体的（CD40L和CD154）的表达，并且能够诱导细胞因子的产生，其中包括IL-2和γ干扰素。在体外研究中缺乏CD28信号传导的TCR刺激可诱导T细胞无能，促使T细胞的增殖、分化和细胞因子的产生就会受到抑制。B7 分子主要分布在APC上， APC在被抗原激活后B-7分子可大量表达，B-7分子包括B7- 1（CD80） 、B7- 2（ CD86）。B7 分子的受体分别为：CD28 和CTLA- 4（ 细胞毒性T淋巴细胞相关抗原4） ， 同属CD28 家族， 都位于T 细胞表面。B7 与CD28 结合可产生正常的免疫应答， CTLA4在与B7结合后主要提供负共刺激信号（共抑制性信号），抑制TCR-和CD28介导的信号转导，从而导致抑制T细胞活化和诱导的T细胞无反应性[8]。目前针对这一共刺激通路的制剂主要有人源化单抗如抗- CD80、抗- CD86以及CTLA- 4Ig（ 细胞毒性T 淋巴细胞相关抗原4 免疫球蛋白），通过抗体竞争性结合B7分子来阻断CD28/ B7共刺激通路诱导免疫耐受。

2.1.1.2.ICOS/ B7H途径。ICOS 为I型跨膜糖蛋白， 与CD28 不同， ICOS 表达在激活的T 淋巴细胞表面， 基于ICOS 为CD28同源的一类共刺激分子， 推测ICOS可向T 淋巴细胞提供共刺激信号，其激活后可表达在CD4 +和 CD8 + T细胞表面。 ICOS的配体B7H（B7同系物； B7-H2，ICOSL），B7H结构上与B7-1/2相似，但不能结合CD28或CTLA 4 [9]。通过ICOS信号可使T细胞的增殖能力、寿命得到增强同时也促使细胞因子的产生[10]。由于在大多数APC 未发现B7h， 提示ICOS-B7h主要不是作用在T 淋巴细胞的激活阶段， 而是作用在B 淋巴细胞及巨噬细胞被激活以后[ 11] 。通过实验研究表明ICOS-B7h 通路在器官移植排斥反应中扮演重要角色。Pan 等[ 12]报道， ICOS-B7h 不仅参与了急性排斥反应， 而且在慢性排斥反应中也起作用， 通过用ICOS 单克隆抗体或ICOS- Ig 融合蛋白可以阻断该通路， 与传统免疫抑制剂联合应用后， 移植物可以长期存活。因此，联合阻断ICOS/ B7H和CD28/ B7和CD40/ CD40配体对预防移植排斥反应有重要意义。

2.1.2.肿瘤坏死因子/ TNFR家族共刺激分子

2.1.2.1. CD40/ CD154途径。CD40是肿瘤坏死因子受体超家族的成员，为I 型跨膜糖蛋白， 主要表达于B 淋巴细胞、树突状细胞、造血干细胞及内皮细胞表面， 几乎表达于B 淋巴细胞分化和发育的全过程。CD40是DC激活的关键，它对B细胞激活、成熟，和免疫球蛋白形成起到一个开关的作用。 CD40分子的下游信号可对MHC分子和B7家族共刺激分子表达起到上调作用，而且可诱导炎性细胞因子的产生[13]。CD154 是CD40分子已知的唯一的配体，属于T NF 家族成员， 主要存在于活化的CD4+ T 淋巴细胞表面， 亦少量表达于CD8+ T 淋巴细胞、B 淋巴细胞、NK 细胞、嗜酸性粒细胞亚群和血小板[14]。目前， 在许多动物实验中已经证实CD40-CD40L 通路参与了移植排斥， 阻断该通路可以有效抑制淋巴细胞活化，诱导免疫耐受。通过联合DST、CTLA4Ig和雷帕霉素可使CD40/ CD154阻断治疗效果增加 [15]。抗CD154单克隆抗体与DST联合应用到胰岛细胞和心脏移植的小鼠移植模型可导致供体特异性免疫耐受，进而降低慢性排斥反应的发生[16]。虽然抗CD154单克隆抗体被证明与CTLA4Ig有协同作用，但是抗人CD154抗体在I期临床试验中发现有严重血栓栓塞并发症，目前研究者对其临床应用持谨慎态度[17]。抗CD40单克隆抗体是一种阻断CD40/ CD154共刺激信号的替代方法，而无需干扰血小板的聚集。最近对抗CD40单克隆抗体的实验研究获得较为满意的结果，在移植模型中通过嵌合抗CD40单克隆抗体（Chi220）大幅延长胰岛移植物后猕猴的存活时间，研究证实抗CD40单克隆抗体与belatacept有协同作用[18]。

2.2.负性共刺激分子

2.2.1.CTLA4/ B7

CTLA4（CD152）是免疫球蛋白超家族成员，CTLA4全称细胞毒性淋巴细胞相关抗原，与 CD28高度同源，但其与B7结合力是CD28的10-20倍。[19]。不同于CD28，CTLA4仅在活化的T细胞中表达，不在幼稚T细胞、静息T细胞中表达。CTLA4在调节性T细胞中高水平表达，可抑制其功能 [20]。 CTLA4在与调节性T细胞结合后主要提供负共刺激信号（共抑制性信号），抑制TCR-和CD28介导的信号转导，从而导致抑制T细胞活化和诱导的T细胞无反应性[21]。在小鼠移植模型中敲除CTLA4基因，由于不受控制的B7共刺激信号，小鼠迅速死于淋巴组织增生导致的一系列病理反应 [22]。CD28和CTLA4在共刺激通路中产生免疫反时共刺激信号之间协调平衡的细节，仍然需要进一步研究。 CTLA4的重要作用是削弱排斥反应，促进免疫耐受诱导。CTLA4信号通过抑制潜在的饱和状态的B7分子来阻断CD28/ B7通路以诱导免疫耐受，因此治疗用途的CTLA4Ig的引起了广泛关注[23]。CTLA4在诱导移植免疫耐受中扮演重要角色。

2.2.1.1.PD-1/ PD-L1/ 2。程序性死亡-1（PD-1）属于免疫球蛋白超家族，与 CTLA4和CD28具有同源性。广泛表达于造血组织细胞、活化的B细胞、外周血T细胞，NK细胞和巨噬细胞，并结合PD-L1（B7-H1）和PD-L2（B7-DC）。 PD-L1表达在T细胞上（包括调节性T细胞），B细胞，骨髓细胞（包括肥大细胞）和 树突状细胞[24]。B7-1/2，PD-L1在非造血细胞和非淋巴器官（心脏，肺和肌肉）上表达，因此可调节外周免疫耐受。功能研究表明，B7-1：PD-L1的相互作用可抑制T细胞增殖和细胞因子的产生。PD-L2的表达是由细胞因子诱导的并局限表达在巨噬细胞，肥大细胞和树突状细胞上。事实上PD-1/2的表达在肥大细胞上可通过PD-L1/ 2通路在Treg细胞/肥大细胞的相互作用中形成外周免疫耐受。PD-1在自身免疫性疾病的治疗和免疫耐受诱导中是一个很好的作用靶点 [25]。 通过相应的作用机制，PD-1的信号可抑制T细胞活化、增殖和细胞因子的产生[26]。PD-1 / PD-L1 /2通路在移植免疫中的作用相当复杂。PD-1 /PDL-1 和PD-1 /PDL-2是很有前途的免疫治疗靶点，激活PD-1 /PDL-1 和PD-1 /PDL-2 通路对诱导免疫耐受有广阔的临床应用前景。

2.3.TIM家族分子

T细胞免疫球蛋白（Ig）和粘蛋白结构域（TIM）分子都是I型跨膜糖蛋白家族的成员。最初， 为区分Th1和Th2细胞之间的差异，TIM分子被归类为一类细胞表面蛋白。目前其作为在自身免疫疾病和过敏性疾病中热门的免疫调节治疗靶点而获得了广泛关注[27]。在最新的研究中小鼠TIM家族已知的有8类（TIM1-4和推测的TIM5-8），在人类中有3类（TIM1，3和4），所有这些编码的跨膜蛋白都有一个IgV结构域，粘蛋白样结构域和胞质尾。TIM分子具有广泛的免疫功能，包括诱导T细胞活化，诱导T细胞凋亡及提升APC清除凋亡细胞的能力[28]。

2.3.1. TIM1/4

在小鼠的免疫细胞中，TIM1可在活化的CD4+ T细胞上表达。Th细胞中，只有分化成熟的Th2细胞表达的TIM，而Th1和Th17细胞不表达TIM1。肥大细胞和一些B细胞也表达TIM1 [29]。人类 TIM1最初被当做A型肝炎病毒的细胞受体（HAVCR）以及被认为是肾损伤分子 1（KIM1）。TIM1几个配体包括TIM 1本身[30]，TIM4，IgA和磷脂酰丝氨酸。不像其他的TIM家族成员，TIM4表达在APC上，但其缺乏胞质信号序列[31]。 TIM1为T细胞的增殖，存活和细胞因子的产生提供了共刺激信号 [32]。不同的TIM1单克隆抗体识别TIM1的不同表位，诱发反应的类型不一产生完全不同的效果。TIM1共刺激阻断能抑制调节性T细胞的功能和减少的FoxP3表达，从而防止调节性T细胞的产生。由于抗TIM1单抗能够增强Th17细胞分化，TIM1在调控调节性T细胞和Th17之间的平衡中发挥重要作用。虽然抗TIM1单克隆抗体能够阻止胰岛移植模型的免疫耐受诱导 ，但低亲和力抗TIM单克隆抗体协同雷帕霉素通过抑制同种异体反应性的Th1应答的作用可以延长移植心脏存活时间[33]。 TIM1共刺激信号通过诱导TH1-Th2细胞因子开关、调节的Treg/ Th17的平衡来调整T细胞反应，但是确切的机制仍有待确定。

3.问题及展望

共刺激分子研究的不断深入为器官移植排斥反应和诱导免疫耐受提供了一条崭新的治疗途径。随着现代分子生物学和免疫学的发展， 未来还会有新的共刺激分子被发现。在该领域的最新研究进展表明，共刺激信号通路是一个非常复杂庞大的网络，目前仍有很多分子作用机制未能完全阐明，因此， 充分认识共刺激分子的组成、结构、表达、功能以及相互间的作用对移植免疫耐受的研究具有重要意义。我们有理由相信，随着分子生物学和免疫学的不断发展，未来通过联合阻断共刺激通路和联合免疫抑制剂的方法，终将实现器官移植免疫耐受。

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