台灣醫界 2005,4月,第48卷第4期


學術

免疫樹突狀細胞之簡介

林建中 陳光偉* 陳證文** 王世輝***


前 言

  人體對外來異物具有辨識和啟動一連串反應的防禦機轉,這防禦系統就是免疫系統。免疫系統擁有不同作用的白血球及淋巴細胞、不同功能的蛋白質因子,如免疫球蛋白、介白質 (interleukin, IL) 及細胞激素 (cytokine) 等,互相協調合作,形成人體的防禦力。免疫反應依其特異性及記憶性的有無,分為先天性及後天性。先天性免疫系統包括可溶性化學因子、干擾素、補體系統、嗜中性淋巴球及巨噬細胞 (macrophage) 的吞噬作用和自然殺手細胞的毒殺作用等。後天性免疫系統包括體液免疫及細胞免疫,前者包括抗體生成系統,後者包括淋巴細胞、淋巴激素及免疫記憶系統。記憶的功能使免疫系統對已對付過的抗原,引發強而快速的次發反應,可將外來危害因子有效去除(1)。

  免疫反應對抗原會有不同反應是由於主要組織相容複合物 (major histocompatibility complex, MHC) 的作用。外來抗原通常需要經過細胞處理與 MHC 分子結合後,才能被免疫系統所認知。因此 MHC 的類型與個人對特定因子的免疫力有關,是造成個體對疾病易感性的重要因素。人類的 MHC 又名人類白血球抗原 (human leukocyte antigen, HLA)。HLA 可分為 class I、class II,為結構相似的醣蛋白,與抗原呈現功能有關。HLA class I 抗原表現於所有體細胞上,而 class II 只表現於巨噬細胞、B 細胞及樹突狀細胞(dendritic cell) 的細胞表面上(2-3)。

抗原呈現細胞

  人體內有一種高度分化的免疫細胞,叫做抗原呈現細胞 (antigen presenting cells, APC)。一般 APC 是指巨噬細胞、B 細胞、樹突狀細胞這三種免疫細胞,可以吞噬細胞外部的抗原,將抗原利用細胞內的蛋白酵素加以處理,把具有抗原性的小片斷蛋白 (胜月太,peptide) 放在主要組織相容複合物 (MHC II) 上,讓 T-helper 細胞所辨識(3-4)。但是只有 MHC-胜月太複合物不能引發特異性 T 細胞免疫反應;要激活特異性抗原的 T 細胞免疫反應必需同時存在二種免疫信號 (二把鑰匙) 才行。第一個信號是經由 APC 表面的 MHC- 胜月太複合物與 T 細胞上的 T 細胞接受器 (T cell receptor, TCR) 結合,將信號傳給 T 細胞;第二信號來自於 APC 表面上的共激分子 (co-stimulatory molecule) 與 T 細胞表面上的特定接受器結合而傳遞。當 TCR 與大量 MHC- 胜月太複合物緊密結合時,只須少量的共激分子就可以激活 T 細胞;同時當大量的共激分子存在時,TCR 與 MHC- 胜月太複合物結合數目約原來的 20% 就可以激活 T 細胞(5)。

  儘管巨噬細胞、B 細胞、樹突狀細胞這三種 APC都能呈現抗原並使原始或有記憶的作用性 T 細胞 (effector T cell) 活化,但是只有樹突狀細胞能使從來未對付過抗原的處女 T 細胞 (nave T cell) 啟動。樹突狀細胞也可以啟動 B 細胞,並藉由分泌 IL-12 而使 B 細胞轉變成漿細胞;因此樹突狀細胞被視為「專業的」(professional) APC(3-4)。

樹突狀細胞

  樹突狀細胞於 1973 年首先由 Steinman 等從小鼠淋巴結中分離出來,因為細胞表面有許多樹狀突起而得名。目前認為樹突狀細胞是體內抗原呈現最強的細胞。其含量只佔週邊單核細胞的 1% 左右,但分布廣泛,幾乎所有組織都有。樹突狀細胞來自 CD34+ 的造血幹細胞,在週邊血中循環,在形態上是不均一的 (heterogenous) 細胞群,在細胞膜上有樹狀突起的叫做髓性的 (myeloid) 樹突狀細胞;似漿細胞狀 (plasmacytoid) 型態的稱為淋巴樣的 (lymphoid) 樹突狀細胞。在皮膚,樹突狀細胞以蘭氏細胞 (Langerhans cells) 存在。在次級淋巴組織的 T 細胞區域,樹突狀細胞有明顯的細胞膜樹突,被稱做交錯(interdigitating) 樹突狀細胞;在心臟、肺臟、肝臟、消化道稱為間質樹突狀細胞;在胸腺稱胸腺(thymic) 樹突狀細胞(3-4,6)。在發炎的地方,單核白血球可分化成相似樹突狀細胞的細胞(7)。雖然目前仍不清楚不同族群樹突狀細胞的真正身份及它們的分化途徑,但可確定的是樹突狀細胞的發育必須仰賴許多不同的生長因子及細胞激素的作用;樹突狀細胞的移動必須許多化學驅化因子 (chemokine) 的指導;樹突狀細胞的功能受許多可溶性分子的影響。

樹突狀細胞的製備

  目前常用實驗或免疫治療用的樹突狀細胞製備有三種。第一種是由單核白血球誘導出的樹突狀細胞(monocyte-derived dendritic cell, MoDC)。最早的培養方式是由 Sallusto 等(8)在 1994 年提出,以 granulocyte macrophage colony stimulating factor (GM-CSF) 與interleukin 4 (IL-4)不同濃度,在體外 (in vitro) 培養 5-7 天,會產生所謂「未成熟」MoDC。自從 1996 年以後Bender 等(9) 及 Romani 等(10) 改良上述方法,用 GM-CSF 及 IL-4 與 PBMC 共同培養 7 天後,再加上單核白血球條件培養基 (monocyte-conditioned medium, MCM)可從 40 mL 週邊血成功誘導出約 3×106/mL 成熟的樹突狀細胞,也因此促進了樹突狀細胞各方面研究的進步(9-10)。

  第二種是直接由周邊血分離純化出樹突狀細胞,此稱 peripheral blood dendritic cell (PBDC)。從週邊血分離出樹突狀細胞主要牽涉到純化的技術。一些研究指出PBDC 至少有 2 組不同的細胞群,這 2 組存在著不同的表面抗原(11-12)。第一組是 CD11c+ 族群,這群之型態為似單核白血球;另一群為 CD11c- 族群,其形態為淋巴樣的。這 2 群細胞形成成熟樹突狀細胞是走不同的發育路線。CD11c+ PBDC 像單核白血球的共同前驅細胞,可以跑到週邊組織以攫取抗原,再遷移至淋巴節去呈現抗原。CD11c- 樹突狀細胞是淋巴節似漿細胞狀細胞的血液前驅細胞。目前可以用單株抗體來做樹突狀細胞的篩選,使用 CMRF-44 或 CMRF-56 單株抗體可以得到純化的樹突狀細胞(13)。
第三種是由人類 CD34+ 造血前驅細胞來產生樹突狀細胞。由臍帶血或骨髓中的單核細胞分離出 CD34+ 的造血前驅細胞,加上腫瘤壞死因子 (tumor necrosis factor a,TNF-a) 及 IL-3 (或 GM-CSF) 來誘導出樹突狀細胞,估計起來可從 1×106 CD34+ 造血前驅細胞產生 2×107 Cdla+ 細胞(6,14)。這 CD1a+ 細胞可由其典型的形態,有樹突狀細胞的表型 (高表現的 MHC class II、CD4、CD40、CD45、CD58、CD80、CD86、CD83)、有高效率刺激 nave T 細胞的能力及可呈現抗原給 CD4+ T 細胞來證明是一種樹突狀細胞。此 Cdla+ 細胞有 20% 的細胞存在 Birbeck granules (Langerhans cell 之特徵) (14)。

樹突狀細胞的發育階段

  不管樹突狀細胞是由何種方法取得,樹突狀細胞的發育有二階段。第一階段是未成熟樹突狀細胞,另一階段為成熟樹突狀細胞。由前述三方法獲得的樹突狀細胞一般是未成熟的,有很強的抗原攫取及處理的能力,很弱或沒有抗原呈現的能力。未成熟樹突狀細胞會經由化學驅化因子及化學驅化因子接受器的作用而聚集在發炎的地方,吃入外來物,並由週邊組織遷移到淋巴器官,並引發成熟化。樹突狀細胞攫取抗原主要由吞噬作用,胞飲作用 (macropinocytosis) 及內吞作用 (endocytosis);需要許多細胞膜上的接受器及內在蛋白質來參與抗原攫取及抗原處理的工作(3-4, 6, 15)。

  樹突狀細胞能夠調控免疫反應主要取決於成熟樹突狀細胞的抗原呈現、啟動T細胞的能力及細胞激素的分泌。許多因素可以引發樹突狀細胞的成熟,例如細菌全部或部分抗原 (如 lipopolysaccharide, LPS)、發炎性細胞激素、病毒產物 (雙股 RNA)、MCM 及與特別細胞表面接受器 (CD40 ligand) 結合(6,14)。當樹突狀細胞由未成熟轉化成熟,樹突狀細胞在表現型及功能上有許多改變。樹突狀細胞成熟的過程一般來說包含以下幾個過程:MHC 分子從細胞內各分室 (endocytic compart-ments) 至細胞表面的再分布,減弱抗原攫取作用,增加樹突狀細胞共激分子在細胞表面的表現,形態的改變,細胞骨架的再組織,分泌化學驅化因子、細胞激素、蛋白瓷,吸附分子及化學激素接受器在膜表面的表現(3-4)。

  當樹突狀細胞成熟,他們獲得形成及傳遞 MHC class II 分子及至細胞表面的能力。人類週邊血單核細胞在 GM-CSF/IL-4 活化樹突狀細胞的系統中,MHC II 分子在未成熟樹突狀細胞會被很快的內化及再循環利用,其半生期約 10 小時。在樹突狀細胞暴露在能導致成熟的因子時,MHC II 半生期大於 100 小時,當樹突狀細胞成熟時 MHC II 半生期變得更長,MHC II 分子不再循環。當抗原被表現到細胞表面之同時,共激分子 (如 B7-1/CD80,B7-2/CD86) 在細胞表面的表現也增加了,這些共激分子可放大 T 細胞接受器 (TCR) 的訊號及促進T細胞的活化(5, 16)。樹突狀細胞也可以呈現抗原到 MHC I分子上以供 CD8+ 毒殺 T 細胞 (cytotoxic T cell, CTL) 辨識。假若樹突狀細胞被病毒感染,其內的蛋白瓷體 (proteasome) 可分解病毒蛋白成小片斷胜月太,然後運輸這些胜月太從細胞質到內質網上與 MHC I 分子結合;樹突狀細胞可以同時呈現抗原到 MHC I 及 MHC II 分子上,因此具有交互啟動 (cross-priming) T 細胞的能力(3,17)。

樹突狀細胞與癌症

  樹突狀細胞的特性使其在癌症疫苗的研究中是最受囑目的成員之一。病理學家長久以來發現在人類腫瘤周邊常圍繞著一些單核細胞,其中最主要的是 T 細胞。在不同的腫瘤,巨噬細胞、樹突狀細胞、B 細胞可能以不同比例存在著。在腫瘤的地方樹突狀細胞主要負責攫取處理抗原,並將腫瘤相關抗原 (tumor-associated antigen) 呈現給 nave T 及記憶性 T 細胞,因此對於產生毒殺腫瘤的 T 細胞,樹突狀細胞占有重要地位。因為在有腫瘤的個體上抗腫瘤的免疫反應是不足的,長久以來大家均假設樹突狀細胞也被腫瘤所改變;有人提出腫瘤產生的因子可使樹突狀細胞凋亡或阻撓樹突狀細胞的成熟,從腫瘤分離出的樹突狀細胞有高比例是死亡的;但在 IL-2 及 IL-15 存在下腫瘤的樹突狀細胞可以存活而不凋亡,這些細胞激素可以調節樹突狀細胞的存活。目前已證實是因為 IL-2 及 IL-15 促進抗凋亡基因 Bcl-l 及Bcl-xL 的表現而使樹突狀細胞免於凋亡(18-19)。

  許多報告指出從腫瘤周邊單核細胞來的樹突狀細胞其HLA-DR 及共激分子的表現均比正常的低,且樹突狀細胞的數目比正常顯著的少了許多,但當腫瘤被手術移除後樹突狀細胞的比例恢復正常。這個結果說明樹突狀細胞的失衡及樹突狀細胞上缺少共激分子是腫瘤所造成的;但真正的機轉目前還是未明。一些報告指出腫瘤中存有樹突狀細胞是有較好的預後,而且病人的壽命是顯著的加長,能減少腫瘤再復發機會,及減少腫瘤的轉移(18-20)。

結 語

  樹突狀細胞是最奇特的抗原呈現細胞,可以啟動及調節免疫反應,能夠處理外源性及內源性抗原並將其呈現在 MHC class I 及 II 分子上,並提供活化 T 細胞必要的共激分子;即使少量的樹突狀細胞及低濃度的抗原就可以引發強大的免疫反應。樹突狀細胞能呈現抗原、能激發新的免疫反應,許多研究人員都相信樹突狀細胞是癌症疫苗未來發展的方向。

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