摘 要： 免疫衰老是人类衰老进程中的重要过程, 主要表现为固有免疫和适应性免疫的进行性退变[1]。使机体长期处于对细菌和病毒的易感状态, 并常伴随动脉粥样硬化、高血压、糖尿病、中枢神经系统退行性变、哮喘、肌萎缩等衰老相关性疾病或衰老状态的产生[2,3,4]。中性粒细胞是机体固有免疫细胞, 作为机体免疫防御的第一道防线, 发挥极其重要的作用。最新研究表明中性粒细胞免疫衰老可能是许多老年病发生和发展的重要病因学基础[5,6]5, 6]。本文对中性粒细胞免疫衰老的功能代谢紊乱和导致老年病的相关分子机制进行综述。
关键词： 免疫衰老; 中性粒细胞; 老年病;
1、 中性粒细胞免疫衰老
中性粒细胞在急性炎症中发挥至关重要的作用, 参与先天性[7]和适应性免疫反应[8]的激活和调节, 并在感染、慢性炎症、自身免疫性疾病、癌症等免疫相关性疾病中发挥着极其重要的作用。研究发现, 慢性、进行性炎症通过活性氧 (ROS) 介导的端粒功能障碍促进转基因小鼠早衰[9];研究发现, 氧化应激可通过损伤DNA前体分子, 从而加速端粒缩短[10]。进一步研究发现, 在衰老个体中, 这种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[[11,12,13]。
2、 中性粒细胞免疫衰老的表现
2.1、 吞噬能力下降
中性粒细胞表面特异性受体——免疫球蛋白的Fc区或补体分子C3b和C3bi, 与微生物上相关颗粒相互反应而发挥吞噬作用。研究显示, 中性粒细胞免疫衰老后吞噬能力显着下降, 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[14,15,16]。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[17], 呼吸爆发减弱, 细胞杀伤能力显着降低。
2.2、 黏附和趋化功能异常
细菌产物及活化的补体分子, N-甲酰基-甲硫氨酰-亮氨酰-苯丙氨酸 (fMLP) 形成趋化因子梯度使中性粒细胞在外周血中募集。研究显示[11], 中性粒细胞免疫衰老后趋化能力降低, 并与衰老个体的死亡率相关。在衰老个体中, 甘油二酯 (DAG) 和三磷酸肌醇 (IP3) 合成不足[18], 导致fMLP介导的中性粒细胞趋化过程异常;与对照组相比, 老年组中性粒细胞趋化蛋白 (CINC) 显着高表达, 提示其也可能参与异常趋化的过程。明确的证据表明, 中性粒细胞免疫衰老迁移效率明显降低, 且这种特征性的迁移精确性异常与磷脂酰肌醇3-激酶 (PI3K) 信号通路的激活密切相关, 靶向抑制PI3Kγ或PI3Kδ可以恢复其迁移精确性[19]。
中性粒细胞通过与血管内皮细胞黏附而进入脉管系统。CD11b是β2整合素的亚单位之一, 储存于中性粒细胞胞质颗粒中, 可与血管内皮细胞表面的配体黏附分子 (ICAM) -1相结合, 介导中性粒细胞的黏附。研究表明, 中性粒细胞免疫衰老与内皮细胞黏附情况显着高于对照组[20], 这可能与CD11b的上调有关[21]。
2.3、 凋亡增加
中性粒细胞是一种公认的短寿命细胞, 其生命周期通常短于1 d[22]22]。细菌产物或细胞因子与中性粒细胞相互作用调节其寿命。中性粒细胞免疫衰老激活Fas/Fas配体 (FasL) 通路[23]23]或caspase3、8介导的线粒体凋亡通路可促进中性粒细胞的凋亡增加[20];而粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子 (GM-CSF) 和肿瘤坏死因子 (TNF) 等炎症介质可延长中性粒细胞的寿命[24]。
GM-CSF是一种已被广泛研究的中性粒细胞功能调节剂。研究发现, 在健康状态下, 免疫衰老的中性粒细胞在数量上与成年人无显着差异;然而在严重感染时, 则表现为对GM-CSF反应迟钝[25]25], 中性粒细胞数量减少, 这被认为与非受体酪氨酸蛋白 (Lyn) 激酶 (非受体酪氨酸蛋白激酶src家族成员) 磷酸化的异常有关[26]。与此同时, 以B细胞淋巴瘤 (Bcl) -2[20,27]为核心的抗/促凋亡失衡可能在其中发挥了重要作用[27,28], 但是具体机制还尚未明确。此外, 衰老个体抗氧化系统的受损[29]可加剧中性粒细胞凋亡。
在一项关于肺纤维化的研究中, 发现肺部B细胞会通过β2整合素与中性粒细胞相互作用从而启动其凋亡, 老年个体B细胞功能障碍可导致中性粒细胞在肺部的大量积累, 使病情恶化[29], 提示适应性免疫在调节中性粒细胞凋亡中的重要作用。
2.4、 中性粒细胞诱捕网 (NETs) 释放异常
2004年, Brinkmann等[30]首先提出NETs概念。这种以核膜破裂为标志、由胞质蛋白及核酸共同形成的网状结构被认为是一种高效抗菌模式[31]31]。尽管NETs具体的形成机制尚未明确, 在哮喘[32]、心血管疾病[33]中发挥的重要作用已经在众多研究中得到证实。中性粒细胞免疫衰老释放NETs的能力尚无定论。有研究发现, 脂多糖 (LPS) 或白细胞介素 (IL) -8诱导的NETs表现为年龄相关性减少;此外, toll样受体 (TLR) 2配体参与的ROS依赖性NETs生成也出现异常, 因此中性粒细胞激活后释放ROS能力改变可能是NETs释放异常的主要原因。此外, 随着机体的衰老, Atg5缺陷及其介导的自噬受损也被认为是NETs释放减少的原因之一。
2.5、 TLR功能异常
中性粒细胞免疫衰老TLR1的负向调节可能在其功能改变中起着重要的作用, 在65岁以上的老年个体中性粒细胞中, 使用TLR1刺激后, 黏附分子 (整联蛋白CD11b和CD18) 减少, IL-8及p38磷酸激酶水平降低[6], 这种改变在另一项针对功能障碍老人的研究中表现得更为显着[34]。然而, 与衰老人类来源的中性粒细胞相比, 衰老小鼠来源的细胞在白色念珠菌感染实验中表现出不同的功能变化, 例如, 老年鼠中性粒细胞中的TLR2和Dectin-1发生改变, 但在人类样本中未能观察到类似的变化。研究认为, 鼠中性粒细胞功能的年龄相关性变化与人类存在一定差距, 提示小鼠可能并不是研究免疫衰老最合适的模式动物[35]。
3、 中性粒细胞免疫衰老与老年病的相关性
3.1、 心血管病
中性粒细胞免疫衰老可能是心血管病的一种重要的起始性因素。众所周知, 中性粒细胞免疫衰老可通过改变细胞内环境, 从而导致衰老个体中NETs含量异常, 这种异常是由于其细胞线粒体氧化应激介导的7-酮基胆固醇上调, 同时也会增加衰老个体罹患高脂或高胆固醇血症及动脉粥样硬化风险[5,36,37]。随着血管病变的加剧, 大动脉弹性下降、外周阻力增强;当病变进一步累及到冠状动脉, 或是随着高血压状态的逐渐恶化, 机体患冠心病和慢性心功能衰竭等常见老年病的概率将升高。此外, 随着血管弹性下降和脆性的增加及血管内压力的增加, 心和脑血管意外的发生风险会大大增加, 而中性粒细胞免疫衰老即可能在其中发挥着重要作用。
3.2、 肿瘤
肿瘤是公认的衰老相关疾病, 免疫衰老的中性粒细胞和肿瘤的相关性已成为新的研究热点。普遍认为, 中性粒细胞的不同表型在肿瘤的发生发展中发挥着重要的作用。苏格兰邓迪大学的研究人员通过分析200万例18～70岁癌症患者的数据发现, 中性粒细胞免疫衰老是导致癌症病发的主要原因[38]。中性粒细胞作为一种重要的免疫细胞, 当其发生免疫衰老时, 自身功能下降、凋亡增加, 可能会造成其免疫识别、清除肿瘤细胞能力异常。综上推测, 中性粒细胞免疫衰老、功能下降, 导致释放NETs能力的异常, 可能是导致老年个体肿瘤易感性增加的重要原因。
3.3、 糖尿病
值得注意的是, 中性粒细胞发生免疫衰老时, 细胞葡萄糖摄取减少, 胞内葡萄糖水平显着降低, 一方面通过干扰糖酵解而影响细胞功能, 另一方面, 中性粒细胞免疫衰老时的类似胰岛素抵抗的状态[6], 会干扰机体对血糖的调节, 可能会增加老年个体罹患2型糖尿病的风险。研究指出, TLR介导的生物能量代谢异常可能是老年高血糖、高血脂和高血压的重要病因[39], 在这方面仍有待进一步研究证实。
柯萨奇病毒、风疹病毒、腮腺病毒等感染机体后, 通过诱导自身免疫反应, 破坏胰岛素β细胞造成1型糖尿病。文献报道, 1型糖尿病常伴随中性粒细胞数量减少, 而其发生可能促进糖尿病的发生发展[40]。免疫衰老所导致的中性粒细胞功能改变可能是老年1型糖尿病的始动环节。深入探究中性粒细胞在血糖调节中的作用, 可能将为老年个体1型糖尿病带来新型治疗策略。
3.4、 感染相关性疾病
研究表明, 黏附、趋化作用的增强及迁移精确性的异常是导致老年机体广泛性炎症的重要原因[19]。肺部感染是老年人最常见的感染性疾病, 约占50%以上[41]。肺部感染时, 老年患者肺炎链球菌易感性增加, 与中性粒细胞迁移能力受损密切相关[42]。临床研究发现, 60岁以上的烧伤患者较年轻患者更容易发生肺部并发症。利用烧伤模型小鼠, Nomellini等[43]发现细胞表面趋化因子 (CXCR) 2介导的趋化作用在烧伤后肺部并发症的发生发展中起关键作用, 给予CXCR2抗体后, 中性粒细胞数量恢复正常, 组织损伤减少。Brubaker等[44]发现老年患者皮肤伤口处中性粒细胞趋化能力下降, 组织浸润减少, 细菌大量定植, 伤口愈合延迟。
在研究社区获得性肺炎相关脓毒症时, 研究人员发现, 老年个体中性粒细胞形成NETs能力下降, 抗微生物功能受损, 最终导致脓毒血症的发展[45]。此由可见老年个体免疫防御机能下降, 尤其是中性粒细胞免疫衰老, 易诱发幽门螺杆菌感染导致的消化性溃疡及大肠埃希菌、克雷白杆菌和变形杆菌感染引起的慢性前列腺炎。值得注意的是, 中性粒细胞免疫监视功能的下降, 会增加老年患者的癌变风险。这提示靶向中性粒细胞治疗意义深远。
3.5、 白内障
白内障是常见的老年病, 而氧化损伤是白内障发生发展的关键机制。研究表明:与青年组相比, 老年组未激活状态中性粒细胞释放活性氧含量显着上调。可能是因为衰老个体中升高的IL-6水平将中性粒细胞置于一种预激活的状态[17]。随着年龄增长, 中性粒细胞倾向于在血管壁内皮细胞周围组织中释放更多的ROS和一氧化氮 (NO) , 这种失调的氧化还原反应会极大地削弱细胞功能, 加快氧化损伤和衰老的进程[20]。Masuda等[46]发现, 在遗传性白内障大鼠模型中, 随着刺激物 (佛波醇肉豆蔻酸酯乙酸酯) 浓度的增加, 中性粒细胞释放大量的活性氧, 导致血管内皮细胞受损。由此可见中性粒细胞免疫衰老可能在老年个体白内障的发生发展中起到了重要的作用。
3.6、 退行性疾病
体力衰退及肌肉退行性改变是老年人常见的病理状态[5]。体力衰退表现为机体维持稳态的能力下降, 中性粒细胞免疫衰老时CD11b和TNF-α的上调参与该病理状态的形成[13]。PI3K-蛋白激酶B (AKT) 通路失调所导致的白细胞无效迁移参与衰老个体肌肉组织的广泛炎症损伤, 可能是因为细胞高表达IL-6、TNF-α通过促使皮质醇活化, 导致肌肉的进一步退化[3]。
研究显示老年患者的中性粒细胞改变可能在老年认知功能障碍的发生发展中发挥了重要的作用[47]。与对照组相比, 老年患者的中性粒细胞表现为一种特殊的低反应性, 其杀伤功能也存在不同程度的降低, 可能与老年痴呆的发展密切相关。由此猜想, 中性粒细胞免疫衰老时免疫自稳功能下降, 异常代谢产物无法及时清除, 最终造成脑内β淀粉样蛋白或α-突触核蛋白的大量沉积, 促进阿尔兹海默症或帕金森病的发生发展。同理, 中性粒细胞发生免疫衰老也可导致关节内代谢产物或衰老细胞清除障碍, 最终诱发关节退行性病变。
3.7、 精神性疾病
值得注意的是, 一项针对老年个体中性粒细胞功能变化的研究指出, 精神性疾病发病率与中性粒细胞吞噬能力成负相关[48]。提示中性粒细胞免疫衰老与精神性疾病的发生存在联系, 详细的机制有待进一步研究。由此可见, 在特定的社会背景下, 中性粒细胞免疫衰老会增加上述老年病发病概率, 加重精神负担, 引起精神情绪失控, 最终增加老年个体精神性疾病发生概率。
4、 展 望
近年来, 中性粒细胞免疫衰老在老年病中所发挥的重要作用正逐渐受到重视, 以中性粒细胞免疫衰老异常信号转导为靶标的药物研制也有了较好的进展[19]。活化的SHIP1通过抑制PI3K信号传导可以调节免疫衰老中性粒细胞的迁移和活化, 洛司普托 (AQX-1125) 可通过与SHIP1 C2结构域结合发挥作用, 目前已处于临床试验阶段, 其对老年病的治疗作用值得期待[49]。此外, 研究表明, microRNA (如miR-146a/b、miR-223等) 可以靶向调节凋亡相关基因, 进而延缓中性粒细胞的免疫衰老[50,51]。目前, 临床上很多老年疾病只能对症治疗, 疗效并不理想;而靶向干预中性粒细胞免疫衰老过程的最新治疗手段, 为老年病的防治指明了新方向, 意义重大[50]。
参考文献
[1].Author correction: the twilight of immunity:emerging concepts in aging of the immune system[J].Nat Immunol, 2018;19 (1) :1146.
[2] 丛秀丽, 赵启明.免疫系统与机体衰老[J].中国美容医学, 2017;26 (1) :16-20.
[3] Wilson D, Jackson T, Sapey E, et al.Frailty and sarcopenia:the potential role of an aged immune system[J].Ageing Res Rev, 2017;36:1-10.
[4] 孙称心, 杜秋爽, 段乃超.免疫衰老与老年变应性鼻炎、哮喘相关性研究进展[J].中国老年学杂志, 2014;34 (24) :7152-5.
[5] 徐唯.炎性衰老、肌肉丢失与抗阻运动[J].中国老年学杂志, 2016;36 (23) :6035-7.
[6] Qian F, Guo X, Wang X, et al.Reduced bioenergetics and toll-like receptor 1 function in human polymorphonuclear leukocytes in aging[J].Aging, 2014;6 (2) :131-9.
[7] Kobayashi SD, DeLeo FR.Role of neutrophils in innate immunity:a systems biology-level approach[J].Wiley Int Rev Sys Biol Med, 2009;1 (3) :309-33.
[8] Pelletier M, Maggi L, Micheletti A, et al.Evidence for a cross-talk between human neutrophils and Th17 cells[J].Blood, 2010;115 (2) :335-43.
[9] Jurk D, Wilson C, Passos JF, et al.Chronic inflammation induces telomere dysfunction and accelerates ageing in mice[J].Nat Commun, 2014;2:4172.
[10] Fouquerel E, Lormand J, Bose A, et al.Oxidative guanine base damage regulates human telomerase activity[J].Nat Struct Mol Biol, 2016;23 (12) :1092-100.
[11] Niwa Y, Kasama T, Miyachi Y, et al.Neutrophil chemotaxis, phagocytosis and parameters of reactive oxygen species in human aging:cross-sectional and longitudinal studies[J].Life Sci, 1989;44 (22) :1655-64.
[12] Chatterjee A, Stockwell PA, Rodger EJ, et al.Genome-wide DNA methylation map of human neutrophils reveals widespread inter-individual epigenetic variation[J].Sci Rep, 2015;5:17328.
[13] Verschoor CP, Loukov D, Naidoo A, et al.Circulating TNF and mitochondrial DNA are major determinants of neutrophil phenotype in the advanced-age, frail elderly[J].Mol Immunol, 2015;65 (1) :148-56.
[14] Butcher S, Chahel H, Lord JM.Review article:ageing and the neutrophil:no appetite for killing[J]? Immunology, 2000;100 (4) :411-6.
[15] Wessels I, Jansen J, Rink L, et al.Immunosenescence of polymorphonuclear neutrophils[J].Sci World J, 2010;10:145-60.
[16] 沃兴德, 卢德赵, 王亮, 等.衰老对外周血淋巴细胞蛋白质组影响的研究[J].中国免疫学杂志, 2008;24 (3) :210-5.
[17] Sauce D, Dong Y, Campillo-Gimenez L, et al.Reduced oxidative burst by primed neutrophils in the elderly individuals is associated with increased levels of the CD16bright/CD62ldim Immunosuppressive subset[J].J Gerontol Ser A, 2017;72 (2) :163-72.
[18] Lipschitz DA, Udupa KB, Indelicato SR, et al.Effect of age on second messenger generation in neutrophils[J].Blood, 1991;78 (5) :1347-54.
[19] Sapey E, Greenwood H, Walton G, et al.Phosphoinositide 3-kinase inhibition restores neutrophil accuracy in the elderly:toward targeted treatments for immunosenescence[J].Blood, 2014;123 (2) :239-48.
[20] Dubey M, Nagarkoti S, Awasthi D, et al.Nitric oxide-mediated apoptosis of neutrophils through caspase-8 and caspase-3-dependent mechanism[J].Cell Death Dis, 2016;7 (9) :e2348.
[21] Nogueira-Neto J, Cardoso AS, Monteiro HP, et al.Basal neutrophil function in human aging:implications in endothelial cell adhesion[J].Cell Biol Int, 2016;40 (7) :796-802.
[22] Lahoz-Beneytez J, Elemans M, Zhang Y, et al.Human neutrophil kinetics:modeling of stable isotope labeling data supports short blood neutrophil half-lives[J].Blood, 2016;127 (26) :3431-8.
[23] Liles WC, Kiener PA, Ledbetter JA, et al.Differential expression of Fas (CD95) and Fas ligand on normal human phagocytes:implications for the regulation of apoptosis in neutrophils[J].J Exp Med, 1996;184 (2) :429-40.
[24] Lee A, Whyte MK, Haslett C.Inhibition of apoptosis and prolongation of neutrophil functional longevity by inflammatory mediators[J].J Leukocyte Biol, 1993;54 (4) :283-8.
[25] Pera A, Campos C, Lopez N, et al.Immunosenescence:implications for response to infection and vaccination in older people[J].Maturitas, 2015;82 (1) :50-5.
[26] Fulop T, Witkowski JM, Le Page A, et al.Intracellular signalling pathways:targets to reverse immunosenescence[J].Clin Exp Immunol, 2017;187 (1) :35-43.
[27] Fulop T Jr., Larbi A, Linteau A, et al.The role of Mcl-1 and Bax expression alteration in the decreased rescue of human neutrophils from apoptosis by GM-CSF with aging[J].Ann N Y Acad Sci, 2002;973:305-8.
[28] Croker BA, O′Donnell JA, Nowell CJ, et al.Fas-mediated neutrophil apoptosis is accelerated by Bid, Bak, and Bax and inhibited by Bcl-2 and Mcl-1[J].Proc Nat Acad Sci U S A, 2011;108 (32) :13135-40.
[29] Kim JH, Podstawka J, Lou Y, et al.Aged polymorphonuclear leukocytes cause fibrotic interstitial lung disease in the absence of regulation by B cells[J].Nat Immunol, 2018;19 (2) :192-201.
[30] Brinkmann V, Reichard U, Goosmann C, et al.Neutrophil extracellular traps kill bacteria[J].Science, 2004;303 (5663) :1532-5.
[31] Jorch SK, Kubes P.An emerging role for neutrophil extracellular traps in noninfectious disease[J].Nature Med, 2017;23 (3) :279-87.
[32] Toussaint M, Jackson DJ, Swieboda D, et al.Host DNA released by NETosis promotes rhinovirus-induced type-2 allergic asthma exacerbation[J].Nature Med, 2017;23 (6) :681-91.
[33] Doring Y, Soehnlein O, Weber C.Neutrophil extracellular traps in atherosclerosis and atherothrombosis[J].Circ Res, 2017;120 (4) :736-43.
[34] Juthani-Mehta M, Guo X, Shaw AC, et al.Innate immune responses in the neutrophils of community dwelling and nursing home elders[J].J Aging Sci, 2014;2:1000115.
[35] Mestas J, Hughes CC.Of mice and not men:differences between mouse and human immunology[J].J Immunol, 2004;172 (5) :2731-8.
[36] 张会娟, 陈雪侠, 杨艳秋, 等.老年高血压患者外周血管动脉粥样硬化相关危险因素分析[J].中国老年学杂志, 2013;33 (2) :304-5.
[37] 杨丽丽, 凌文华.氧化型低密度脂蛋白与动脉粥样硬化[J].国际内科学杂志, 2000; (2) :58-60.
[38] Palmer S, Albergante L, Blackburn CC, et al.Thymic involution and rising disease incidence with age[J].Proc Nal Acad Sci U S A, 2018;115 (8) :1883-8.
[39] Anisimov VN.Metformin:do we finally have an anti-aging drug[J]? Cell Cycle, 2013;12 (22) :3483-9.
[40] Valle A, Giamporcaro GM, Scavini M, et al.Reduction of circulating neutrophils precedes and accompanies type 1 diabetes[J].Diabetes, 2013;62 (6) :2072.
[41] 虞华英, 方宁远.112例老年人肺部感染临床分析[J].中国老年学杂志, 2005;25 (5) :607-8.
[42] Sapey E, Patel JM, Greenwood HL, et al.Pulmonary infections in the elderly lead to impaired neutrophil targeting, which is improved by simvastatin[J].Am J Respir Crit Care Med, 2017;196 (10) :1325-36.
[43] Nomellini V, Faunce DE, Gomez CR, et al.An age-associated increase in pulmonary inflammation after burn injury is abrogated by CXCR2 inhibition[J].J Leukocyte Biol, 2008;83 (6) :1493-501.
[44] Brubaker AL, Rendon JL, Ramirez L, et al.Reduced neutrophil chemotaxis and infiltration contributes to delayed resolution of cutaneous wound infection with advanced age[J].J Immunol, 2013;190 (4) :1746-57.
[45] Greenwood H, Patel J, Mahida R, et al.Simvastatin to modify neutrophil function in older patients with septic pneumonia (SNOOPI) :study protocol for a randomised placebo-controlled trial[J].Trials, 2014;15:332.
[46] Masuda M, Ihara N, Komiyama Y, et al.Flow cytometric study of injuries in cultured endothelial cells by neutrophils of the inherited cataract rats[J].Atherosclerosis, 1990;84 (2-3) :245-54.
[47] Le Page A, Lamoureux J, Bourgade K, et al.Polymorphonuclear neutrophil functions are differentially altered in amnestic mild cognitive impairment and mild Alzheimer′s disease patients[J].J Alzheimer′s Dis, 2017;60 (1) :23-42.
[48] Bartlett DB, Fox O, McNulty CL, et al.Habitual physical activity is associated with the maintenance of neutrophil migratory dynamics in healthy older adults[J].Brain Behav Immun, 2016;56:12-20.
[49] Luo HR, Mondal S.Molecular control of ptdins (3, 4, 5) P3 signaling in neutrophils[J].EMBO Rep, 2015;16 (2) :149-63.
[50] Aalaei-Andabili SH, Rezaei N.MicroRNAs (MiRs) precisely regulate immune system development and function in immunosenescence process[J].Int Rev Immunol, 2016;35 (1) :57-66.
[51] Ward JR, Heath PR, Catto JW, et al.Regulation of neutrophil senescence by microRNAs[J].PLoS One, 2011;6 (1) :e15810.
