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NK細胞50年發(fā)展史

2024-06-18 點擊量：1162

自1973年首次有研究報道淋巴細胞對腫瘤細胞的“非特異性”殺傷現(xiàn)象后，1975年，卡羅琳斯卡醫(yī)學(xué)院的Rolf Kiessling及其同事將參與這種活動的介質(zhì)命名為“自然殺傷”(NK) 細胞。在隨后的五十年中，許多實驗室對NK細胞進行體外研究，以證明它們在體內(nèi)與宿主防御腫瘤和微生物病原體、以及它們在調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)中的作用。

本文簡要介紹NK細胞近50年的研究進展

自然殺傷 (NK) 細胞是先天淋巴細胞家族中第一個被表征的細胞，通過直接的細胞毒活性分泌細胞因子和趨化因子，來防御腫瘤和病原體。由于早期未發(fā)現(xiàn)用于鑒別NK的標(biāo)記物，NK細胞通常被稱為“空細胞”。隨著技術(shù)的進步，可以使用單細胞RNA測序和流式細胞術(shù)或質(zhì)譜檢測對NK細胞進行詳細分類。延伸閱讀：NK細胞發(fā)現(xiàn)史四十載玩轉(zhuǎn)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

NK細胞研究發(fā)現(xiàn)時間表

第一個十年：1973–1982

具有非抗原特異性細胞介導(dǎo)的細胞毒性淋巴細胞群

20世紀60年代末，隨著簡單的體外用于定量測量細胞技術(shù)發(fā)展，許多免疫學(xué)家使用51Cr釋放法來研究細胞毒性T淋巴細胞殺死同種異體細胞和腫瘤細胞的能力。

1974年，Herberman和同事通過這種檢測方法報告稱，健康個體的外周血淋巴細胞表現(xiàn)出殺死多種人類淋巴母細胞和一些個體的自體淋巴母細胞系的能力。1975年，Jondal和Pross報告了類似的觀察結(jié)果。

在一篇具有里程碑意義的論文中，Kiessling、Klein 和 Wigzell 還描述了使用來自幾種品系的非腫瘤近交系小鼠的淋巴細胞對同源和同種異體莫洛尼白血病細胞的溶解活性。他們將這種自發(fā)殺死腫瘤細胞的能力稱為“自然殺傷”，并指出：“該效應(yīng)細胞似乎是一種新型淋巴細胞，具有尚不為人所知的生物學(xué)特性”。

在后續(xù)研究中，Kiessling通過證明幼稚小鼠體內(nèi)排斥YAC-1白血病細胞以及將富含NK細胞的脾細胞過繼轉(zhuǎn)移到與白血病細胞共同給藥的小鼠體內(nèi)，證實NK細胞的活性不僅僅是一種體外現(xiàn)象。

1971年，Cudkowicz和Bennet報道F1受體小鼠排斥親本骨髓移植，他們將這一過程稱為“雜交抗性”。

1977年，人們發(fā)現(xiàn)了這種無法解釋的現(xiàn)象與NK細胞之間的重要聯(lián)系。1977年還發(fā)現(xiàn)了NK1.1同種抗原，它至今仍是 C57BL/6 小鼠的原型NK細胞標(biāo)記物。隨后人們建立了耗竭性抗NK1.1單克隆抗體克隆PK136，該克隆被廣泛用于確定體內(nèi)NK細胞的作用。

第二個十年：1983-1992

“缺失自我”假說和NK細胞在皰疹病毒防御中的作用

第二個十年科學(xué)界專注于NK細胞的表型表征，以便對其進行精準(zhǔn)檢測和定量。介導(dǎo)NK細胞介導(dǎo)的細胞毒性的細胞的形態(tài)學(xué)描述，將它們稱為“大顆粒淋巴細胞”，因為它們比典型的淋巴細胞相對較大，并且存在細胞質(zhì)顆粒，后來發(fā)現(xiàn)這些顆粒含有溶解活性所必需的穿孔素和顆粒酶。

1983年，首次鑒定出人類 NK 細胞功能不同的亞群。此后不久，人們意識到未成熟和成熟的人類 NK 細胞均表達 CD56 ( NCAM1)，并且外周血中NK細胞的主要亞群可通過表型 CD56 bright、CD16^?和 CD56^dim、CD16⁺來區(qū)分，這些表型在細胞溶解活性和細胞因子產(chǎn)生方面有所不同。

在健康個體的外周血中，通過單細胞轉(zhuǎn)錄組分析可以辨別出三種主要的 NK 細胞亞群——NK1、NK2 和 NK3。該圖描繪了每個亞群特有的轉(zhuǎn)錄因子、分泌分子和細胞表面受體。

最早對人類和小鼠NK細胞的研究已清楚表明，與T細胞不同，NK細胞不受“MHC 限制”，因為NK細胞能夠溶解同基因和異基因腫瘤。

20世紀80年代，人們一直在爭論NK細胞是否可能是某種非常規(guī)T細胞。隨后隨著T細胞受體基因的克隆，人們能夠區(qū)別NK細胞和T細胞。

1989年之前，人們對NK細胞在人體中的生理意義進行了大量討論。Biron及其同事發(fā)現(xiàn)了第一例完全缺乏NK細胞但擁有B和T 淋巴細胞并能產(chǎn)生抗體的人。這名患者患有嚴重的皰疹病毒感染，指明了研究NK細胞識別皰疹病毒的機制的方向。后續(xù)研究表明，該患者NK細胞缺陷的原因是GATA2的一個功能喪失等位基因，而GATA2突變是許多NK細胞缺陷患者的原因。

第二個十年還標(biāo)志著許多激活和抑制性NK受體基因的分子鑒定和克隆的進展。

在小鼠6號染色體上發(fā)現(xiàn)了一組基因，包括Ly49 (Klra) 和NKR-P1 (Klrb1)，被稱為“NK細胞基因復(fù)合體”(NKC) 。Scalzo及其同事發(fā)現(xiàn)NK細胞也能保護小鼠免受巨細胞病毒 (CMV) 感染。

令人驚訝的是，發(fā)現(xiàn)人類NK細胞表達CD3ζ ，是T細胞中T細胞受體復(fù)合物的關(guān)鍵組成部分。在NK細胞中，CD3ζ被證明為CD16提供信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，CD16 是人類最有效的激活NK受體。

早期研究證實，NK細胞產(chǎn)生的IFN-γ在針對細胞內(nèi)病原體和腫瘤的免疫反應(yīng)中發(fā)揮重要作用。直到Trinchieri及其同事發(fā)現(xiàn)“NK 細胞刺激因子”之前，誘導(dǎo)NK細胞產(chǎn)生 IFN-γ的因素尚不清楚。這種細胞因子現(xiàn)被命名為IL-12，主要由髓系細胞產(chǎn)生，對NK細胞產(chǎn)生IFN-γ至關(guān)重要。此外，IL-12是幼稚T細胞分化為T輔助細胞1 (Th1) 的關(guān)鍵因素，并可誘導(dǎo)強大的CD8 + T細胞抗腫瘤活性。

第三個十年：1993–2002

確定抑制和激活NK受體及其配體

隨著 NK受體和啟動NK細胞活化的信號通路的發(fā)現(xiàn)，研究取得了持續(xù)進展。Moretta團隊發(fā)現(xiàn)了“天然細胞毒性受體”—NKp30 (NCR3)、NKp44 (NCR2)和NKp46 (NCR1)，并證實它們參與NK細胞對腫瘤的識別。

NKG2D是一種孤兒受體，經(jīng)證實需要DAP10銜接蛋白才能在細胞表面表達和信號傳導(dǎo) 。已在人類（MHC I 類多肽相關(guān)序列A、MHC I類多肽相關(guān)序列B和UL16結(jié)合蛋白）和小鼠（Rae1、H60 和 Mult1 蛋白）中發(fā)現(xiàn)了NKG2D的配體，它們由細胞應(yīng)激誘導(dǎo)，形成NK細胞“改變自我”識別的基礎(chǔ)。

NKG2D 廣泛表達于幾乎所有NK細胞和T細胞亞群，是癌癥和自身免疫性疾病中激動劑和拮抗劑療法開發(fā)的重點。

2002年，有研究表明小鼠NK細胞具有針對小鼠CMV (MCMV) 抗原的精確抗原特異性受體。MCMV編碼的m157是一種與 MHC I 類同源的糖蛋白，在病毒感染細胞的表面表達，可被激活的Ly49H受體識別。這些發(fā)現(xiàn)為其他“配對”激活和抑制受體的進化提供了概念基礎(chǔ)。

第四個十年：2003–2012

NK細胞的“記憶”和“許可”

傳統(tǒng)免疫學(xué)教科書中說，先天免疫細胞對先前的感染或抗原接觸沒有記憶。

2006年，von Adrian及其同事的觀察結(jié)果對這一觀點提出了質(zhì)疑，他們發(fā)現(xiàn)小鼠NK細胞會介導(dǎo)半抗原特異性接觸性超敏反應(yīng)。NK細胞發(fā)起精細的抗原特異性反應(yīng)的能力已得到驗證，當(dāng)MCMV引發(fā)的記憶NK細胞被過繼轉(zhuǎn)移到幼稚宿主時，Ly49H+NK細胞能夠進行克隆擴增并對MCMV感染發(fā)起保護性反應(yīng)，這奠定了該過程的分子基礎(chǔ)。

盡管人們認為抑制性受體只是抑制NK細胞活化，但矛盾的研究結(jié)果表明，缺乏自身MHC I 類同源配體的NK細胞亞群的反應(yīng)性低于具有自身MHC I類抑制性Ly49受體的NK細胞。這被歸因于缺乏抑制性受體的 NK 細胞的“解除武裝”或帶有自抑制受體的 NK 細胞的“許可”。

最近提出的一種解釋這一事件的機制是 SHP-1 磷酸酶的更多表達和募集，以激活“未經(jīng)許可”的NK細胞（缺乏自身MHC I 類受體）中的免疫突觸，導(dǎo)致其解除戒備。

第五個十年：2013年至今

NK細胞多樣性和NK細胞進入臨床

近十年來，新技術(shù)推動了 NK 細胞生物學(xué)的發(fā)展。

2013年，Horowitz 等人使用新發(fā)明的質(zhì)譜流式細胞術(shù)（飛行質(zhì)譜流式細胞術(shù)）研究了健康成人外周血中NK細胞群的表型多樣性。研究者使用重金屬標(biāo)記的單克隆抗體對12名健康個體的NK細胞進行染色，發(fā)現(xiàn)了單個個體中有6,000-30,000種不同的表型亞群，而接受檢查的捐贈者中有超過100,000種表型——與早年的“空”細胞假說相去甚遠。

這種多樣性很大程度上可以歸因于NK細胞群中KIR基因的多樣化表達，因為KIR基因是繼MHC基因之后最具多態(tài)性的人類基因（15個基因座，2,219個等位基因）。NK細胞的單細胞轉(zhuǎn)錄分析進一步強調(diào)了NK細胞驚人的多樣性。

表征NK細胞表觀遺傳變化的能力揭示了小鼠和人類 NK細胞如何被CMV感染所印記。在人體中的NK細胞通常通過甲基化其FCERIG和SYK基因來沉默，并且像T細胞一樣使用CD3ζ和ZAP70通過其基于ITAM的受體進行信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，從而增強抗體依賴性細胞毒性。在由CMV感染驅(qū)動的小鼠 Ly49H +記憶 NK 細胞中不會發(fā)生 Syk 和 FcεR1γ 的丟失。

使用CRISPR技術(shù)有效傳導(dǎo)NK細胞并對其進行基因改造的方法的發(fā)展，使得人們能夠?qū)?NK細胞進行改造，將其用作癌癥患者的細胞療法。

2020年，CD19嵌合抗原受體NK細胞首次在淋巴腫瘤患者中進行臨床應(yīng)用，取得了令人鼓舞的結(jié)果，并引起了人們對提高NK細胞療法療效的極大興趣。

需要解決的挑戰(zhàn)是大多數(shù)NK細胞的壽命較短，并且它們會被實體瘤中的惡劣微環(huán)境滅活。盡管如此，臨床使用NK細胞及其進化而來的受體和殺死應(yīng)激或轉(zhuǎn)化細胞的機制的安全經(jīng)驗，為其臨床應(yīng)用提供了希望。另一個令人興奮的機會是NK細胞接合劑（例如，靶向激活NK受體和腫瘤相關(guān)抗原的多聚體抗體）在臨床上的進展。

NK細胞在宿主防御和免疫調(diào)節(jié)中的作用概念進展的演變

NK細胞最初被發(fā)現(xiàn)是因為它們能夠在沒有暴露的情況下自然殺死腫瘤和病毒感染的細胞。此后不久發(fā)現(xiàn)病毒感染期間誘導(dǎo)的I型IFN可顯著增強NK細胞功能，并且它們通過產(chǎn)生IFN-γ發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)功能，IFN-γ可激活巨噬細胞和其他免疫細胞并上調(diào)主要組織相容性II蛋白，從而使CD4⁺T細胞受益。

有證據(jù)表明，NK 細胞與其他先天細胞（如樹突狀細胞和其他髓系細胞群）之間存在關(guān)鍵的串?dāng)_，先天細胞對病原體的感知提供了NK細胞激活、細胞因子產(chǎn)生和增殖所必需的細胞因子（例如 IL-12、IL-15 和 IL-18）。反過來，NK細胞提供趨化因子來吸引其他免疫細胞到該部位，并分泌因子（如FLT3 配體和IFN-γ）以促進樹突狀細胞的成熟和激活。這種相互作用已被證明在對微生物病原體和腫瘤的初始免疫反應(yīng)中非常重要。

盡管NK細胞最為人所知的是直接殺傷作用，但NK細胞也具有免疫調(diào)節(jié)功能。在免疫反應(yīng)期間提供重要的負反饋以防止病理發(fā)生。

在沒有NK細胞的情況下，T細胞可能變得過于反應(yīng)劇烈并導(dǎo)致健康組織的損害。早期研究表明，IL-10缺陷型小鼠會患上結(jié)腸炎，令人驚訝的是，NK細胞產(chǎn)生的IL-10可以限制小鼠CMV感染期間的病理發(fā)生和CD8⁺T細胞擴增。而NK細胞的促炎功能與調(diào)節(jié)功能取決于環(huán)境，有證據(jù)表明其在自身免疫性疾病中起著有益或有害的作用。

展望未來，為了加深我們對NK細胞的了解，還有許多有趣的問題需要解決。NK細胞如何獲得抗原特異性記憶？有人提出NK細胞可以控制引起自身免疫性疾病的T細胞——其機制是什么？這能成為一種新的治療方法嗎？我們?nèi)绾卧趷毫拥哪[瘤微環(huán)境中預(yù)防功能障礙或重新激活NK細胞？我預(yù)測，在未來五十年內(nèi)，對這些神奇免疫細胞的研究將取得令人興奮和意想不到的進展。

作者：摩西 | 編輯：暖風(fēng)

References

J Exp Med (2024) 221 (8): e20231222.

https://doi.org/10.1084/jem.20231222