共刺激分子与免疫调节.ppt

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1、共刺激分子与免疫调节,苏州大学 医学部医学生物技术研究所省/部共建干细胞与生物医用材料重点实验室江苏省临床免疫研究所张学光,生命活动的基本形式：刺激 应答,免疫（Immunity）是从拉丁语Immunitas而来，其原意是指免税（Except from“charges”），引伸为免除疾病。免疫（Immunity）是指机体接触抗原性异物（如多种微生物后），产生一种特异性排除这些抗原异物的保护性生理反应。免疫学(Immunology)源于疫苗的研制和各种传染病的特异预防，进而以研究机体的免疫系统对非己抗原（包括肿瘤）的应答及其机理、免疫生理和病理的细胞及分子基础为基本内容。,固有免疫与适应性免疫,

2、固有免疫应答是宿主抵御病原微生物入侵的第一道防线，并启动和参与适应性免疫应答,执行固有免疫功能吞噬细胞、NK 细胞执行适应性免疫功能T、B 淋巴细,11th century:Chinese used dried crusts of smallpox as“vaccine”,The notion of immunity to disease is ancient,Noticed that milkmaides that had contracted cowpox did NOT get smallpoxTest on an 8 year old boy,injected cowpox into

3、himFollwed by exposure to smallpoxVaccine was invented(latin vacca means”cow”),1798:Edward Jenner smallpox vaccine,2011诺贝尔医学/生理奖,今年的诺贝尔生理/医学奖授予了三位免疫学家ules A.Hoffmann、Bruce A.Beutler和Ralph M.Steinman，Bruce Beutler和Jules Hoffmann，获奖理由是“先天免疫激活方面的发现”；Ralph Steinman，获奖理由是“发现树突状细胞及其在获得性免疫中的作用”。,这三位科学家发现了免

4、疫系统激活的关键原理，而且已经成为对抗传染病的疫苗和对抗癌症的新方法的发展关键。诺贝尔生理学与医学奖评委会对他们成果的评论是：“发现了免疫应答的守门人，从而彻底革新了我们对于免疫系统的认识”，美国白血病和淋巴瘤协会认为，“三人科学家的研究工作形成免疫治疗的基础，为癌症治疗的发展奠定了基础”。,自身和非己分辨的失误与疾病的发生,自身免疫性疾病和肿瘤均与自我识别异常相关 导致免疫应答异常（免疫耐受改变）外因（抗原）免疫系统 免疫应答异常（体液、细胞免疫）内因（遗传）,免疫系统的自我感知和反馈调节,机体免疫应答反馈调节及其机制一直是本领域研究的热点科学问题。,内环境稳定,自身抗原,非己抗原,T,免疫

5、细胞,应答,T,识别,生理性自身免疫,抗病性免疫,效应,免疫应答的四大要素特异性免疫应答的核心是淋巴细胞识别抗原后的有效活化,Specific immune response,一、共同刺激分子概述,共刺激信号（costimulatory signals）及共刺激分子（costimulatory molecules）又称协同信号（cosignal)和协同信号分子（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实的。,A,B,T细胞激活的协同信号模式,共刺激分子（costimulatory molecules）调节性表达、相

6、互作用及其信号传递在非常复杂的免疫应答过程中，起着极其重要的作用：有效激发、适度效应和适时中止。,共刺激分子的分类,（一）根据分子结构分类：1、免疫球蛋白超家族2、TNF/TNFR 家族3、Tim家族和SLAM家族,Immunoglobin Superfamily,TNF/TNFR Family,TIM Family,SLAM(signaling lymphocyte activation molecule),6个免疫球蛋白样受体：SLAM(CD150)2B4(CD244)Ly-9(CD229)NK-T-B抗原（NTB-A）CD84 CD2样受体,（二）根据功能分类：1、正性共刺激分子2、负性

7、共刺激分子,正性共刺激分子介导正性信号,负性共刺激分子介导负性信号,共刺激分子的本质取决于两个因素,同一配体由于与其结合的特异性受体不同，可产生协同刺激或协同抑制作用,正性共刺激分子/协同刺激分子 增强TCR信号介导的免疫应答负性共刺激分子/协同抑制分子 抑制TCR信号介导的免疫应答,根据共刺激分子介导的功能：,共刺激分子和共抑制分子,（一）均以受体与配体相互作用的形式介导信号，其中一个呈持续性表达，另一个为诱导性表达，形成调节网络。,共刺激分子信号传递特点,伴随共刺激分子的双向信号现象的发现，全面认识共刺激分子和信号在特异性免疫应答中的作用，不仅要探讨正向信号介导的生物学效应，而且要研究逆向

8、信号所致的免疫调节作用。,（二）共刺激分子不论受体还是配体，均可以介导相应的信号，形成“逆向共刺激信号”或“双向信号”的新观点。,正性共刺激分子CD28/B7-1/2、ICOS/GL50、4-1BB/4-1BBL、OX40/OX40L等和负性共刺激分子CTLA-4/B7-1（B7-2）、PD-1/PD-L1（PD-L2）、BTLA/HVEM等的受体/配体在T细胞活化过程中呈现调节性共表达，这对效应T细胞在外周免疫应答中实现自我调节，从而使机体能够有效地启动特异性免疫应答、维持该应答的精确与平衡并适时终止之具有重要的调控作用。,What is immunological synapse?,the

9、 interface between T cells and APC,免疫突触在T细胞活化中起重要作用，并有多种共刺激分子参与和调节免疫突触的形成和信号的转导，如B7-CD28、ICAM-1-LFA-1。“突触”源于希腊语，即“接触”的意思。近几年Paul and Seder等借鉴生理的“神经突触”和“神经肌肉连接”概念而首先提议使用“免疫突触”的概念。,CD40配基化能募集LMP1分子与其他分子一起形成脂筏（lipid rafts)并传递信号,A：未刺激细胞CD40（绿）和LMP1（红）的表达B：CD40L刺激后CD40（绿）和LMP1（红）的表达,Kaykas A et al.EMBO J

10、.2001,20(11):2641,3种不同活化方式下T细胞上OX40和OX40L的共表达,OX40和OX40L在T细胞活化过程中呈现共表达,RT-PCR检测T细胞上OX40和OX40L在mRNA水平的转录A.anti-CD3 mAb;B.anti-CD3 mAb+anti-CD28 mAb;C.PHA,例分析：OX40和OX40L在T细胞共表达及其生物学意义,Graves病患者CD4+T上OX40和OX40L 表达水平均升高,Graves患者的CD4+T 细胞上OX40的表达增加,两例健康志愿者和Graves患者CD4+T细胞上OX40和OX40L共表达的流式图,高TRAb患者CD4+T细胞

11、上OX40和OX40L表达更高,高TRAb Graves病患者CD4+T细胞上OX40和OX40L的表达更高,治疗前后CD4+T细胞上OX40和OX40L表达及共表达变化与TRAb密切相关,TRAb仍偏高的，CD4+T细胞上OX40表达无显著变化,TRAb恢复至正常范围，CD4+T细胞OX40表达显著下降,TRAb仍偏高的，CD4+T细胞上OX40L表达无显著变化,TRAb仍偏高的，CD4+T细胞上OX40/OX40L共表达无显著变化,TRAb恢复至正常范围，CD4+T细胞OX40L表达显著下降,TRAb恢复至正常范围，CD4+T细胞OX40表达显著下降,sFasL、sOX40、s4-1BBL

12、、sB7H3sCD40、sCD40L、sICOS、sCD28,共刺激分子信号传递特点,（三）共刺激分子，不论是受体/配体，均存在膜型（表达于细胞膜上）和可溶性（分泌于体液中）两种形式，均参与了共刺激信号的介导和调节。,血清,关节液,Wan B,et al.J Immunol 2006(177)8844,(Unpublished data),我们前期工作发现：多种自身免疫性疾病患者外周血中均存在高水平sPD-1。,异常高表达sPD-1导致PD-1+细胞“逃逸”PD-1/PD-L1负性调控？,sPD-1 和sPD-L1在HBV患者血清中的表达水平,sPD-1和sPD-L1在肺癌患者血清中的表达水平

13、,sPD-L1增强PD-1/PD-L1负性信号参与肿瘤免疫功能的改变？,利用自行研发的ELISA试剂盒，本研究首次证实人机体中存在可溶性形式的B7-H3蛋白，且其来源为单核细胞、树突细胞以及活化的T细胞。,可溶性B7-H3的发现：,例分析：可溶性B7H3和疾病感染,sB7-H3的临床意义：,与健康人和病毒性疾病患者相比，细菌感染性疾病患者体内sB7-H3水平明显升高。,sB7-H3与临床参数的相关性分析,sB7-H3与炎症细胞因子相关性分析,可溶性B7-H3的发现,发明了定量分析B7-H3的ELISA试剂盒，首次证实人体内存在可溶性形式的B7-H3，并确定了B7-H3在不同年龄段人群中的参考值

14、，该研究为分析可溶性B7-H3在疾病诊断中的价值奠定了基础。,Zhang Guangbo et al.Immunology.2008,123(4):538-46.,sB7-H3在肺癌诊断中的意义,Zhang Guangbo et al.Lung Cancer.2009，66：245-9.,证实sB7-H3在肺癌早期诊断以及鉴别诊断中具有重要价值，作为血清学肿瘤标志物，sB7-H3在与其他肺部疾病鉴别诊断中具有重要价值。,肺癌患者外周异常高表达sPD-L1 且与淋巴结转移密切相关,A.肺癌患者外周异常高表达sPD-L1。B.sPD-L1并与淋巴结转移密切相关。,小 结,1.共刺激分子构成调节网络

15、，参与免疫应答的启发，抗原信息传递，免疫应答类型及效应；2.共刺激分子在免疫细胞表达呈多样化，与其调节功能相关，一系列共信号分子可以形成免疫突触形式，达到整个信号更加精确调节；3.共刺激以膜型分子和可溶性分子两种形式存在，构成调节网络。参与免疫应答的启动，抗原信息传递，免疫应答类型及效应；,一个世纪的观念：肿瘤是局部组织/器官细胞异常生长形成的疾病 肿瘤是个系统性疾病 肿瘤是一种组织（间质、血管、微环境），不是一堆肿瘤细胞 免疫功能失控，肿瘤患者的免疫系统不是简单的低下：保护肿瘤生长的免疫细胞：功能增强 抑制肿瘤细胞的免疫细胞：功能低下,肿瘤发生和发展三种起因基因突变10-16 微环境刺激（炎

16、症等）机体免疫抑制10-8,二、共刺激分子与肿瘤免疫逃逸及肿瘤微环境 肿瘤研究肿瘤细胞研究,研究背景：肿瘤免疫应答,肿瘤微环境,正常细胞与其周围的组织环境之间存在动态平衡，两者共同作用可以调控细胞增殖、分化、凋亡以及细胞表面相关因子的分泌和表达。在肿瘤发生恶变的过程中，这一平衡遭到破坏。肿瘤细胞无限增殖，就需要不停地建立适于自己生长的外部组织环境，此即肿瘤微环境。肿瘤微环境中，存在着正性和负性免疫成分，包括巨噬细胞M、粒细胞、效应T细胞(Tc)、调节性T细胞(Tregs)、失能状态T细胞(Anergic T cell)等。,研究背景:免疫细胞与肿瘤微环境,肿瘤浸润免疫细胞几乎囊括了宿主免疫系统

17、的所有成分：T 淋巴细胞，B淋巴细胞，巨噬细胞，树突状细胞，肥大细胞等，形成一个肿瘤局部微环境下的免疫系统。其中的淋巴细胞成分被定义为肿瘤浸润性淋巴细胞（Tumor infiltrating lymphocytes，TIL）,巨噬细胞被定义为肿瘤相关性巨噬细胞（Tumor associated macrophagel，TAM）。,Tc1,Th1,M1,M2,Th17/Tc17,Th2/Tc2,Treg/Anergic,Myeloid,-,Derived,Suppressor Cells(MDSC),Macrophage,Tc1,Th1,M1,M2,Th17/Tc17,Th2/Tc2,Treg/

18、Anergic,Treg/Anergic,Myeloid,-,Derived,Suppressor Cells(MDSC),Macrophage,肿瘤发展过程中三个动力学时相,免疫系统具有抵抗肿瘤的保护性功能，同时又对肿瘤具有塑型作用（sculpt），即对肿瘤细胞实施免疫选择压力，使弱免疫原性肿瘤细胞得以逃逸并进一步生长。免疫系统和肿瘤的相互作用过程中，免疫系统发挥了双重作用，此即肿瘤免疫编辑学说。,早期诊断,预后判断,治疗反应,复发监测,负性共刺激分子抑制性免疫细胞,肿瘤微环境,生物治疗,干预共刺激信号（激发型、阻断型单抗）,激发免疫细胞（DC、CTL）,阻断负性信号,从免疫监视到免疫逃逸共

19、刺激分子及其调节网络起着关键作用,机制研究 临床诊断,免疫监视 平衡状态 免疫逃逸,B7家族的负性协同刺激分子,B7家族负性分子及其调节网络有效的保持着内环境的稳定。其在多种肿瘤组织中异常表达，是构成肿瘤微环境的重要部分，也是介导免疫逃逸的重要分子。,52,科学问题,B7家族分子在肿瘤微环境中表达的调控机制,B7家族负性分子在肿瘤组织的表达及意义,B7-H1在人类肿瘤中的表达及意义,B7-H1分子异常表达在胃癌，其表达与肿瘤浸润深度、肿瘤大小及淋巴结转移密切相关，B7-H1的表达和患者5年生存率负相关。,B7-H1分子在胃癌组织的表达及临床意义,Wu Changping et al.Acta

20、Histochem.2006,55,B7-H1分子诱导肿瘤浸润T细胞凋亡,Sun Jing et al.Tissue Antigens.2007,B7-H1分子在肿瘤组织的表达水平与浸润T细胞数量成负相关。,肿瘤表达B7-H1分子可以促进效应T细胞的凋亡，B7-H1阻断型抗体可有效阻断肿瘤B7-H1信号引起的活化T细胞凋亡。,56,B7-H1分子在肿瘤免疫应答中的作用机制,表达在肿瘤细胞表达的B7-H1分子通过与表达在T细胞上的受体PD-1的结合，通过PD-1分子的胞内段效应引起肿瘤特异性T细胞的凋亡及IL-10的释放，而B7-H1分子则在肿瘤细胞上形成一个“Shield”从而帮助肿瘤细胞逃逸

21、免疫监视。,57,B7-H3在人类肿瘤中的表达及意义,B7-H3分子在胃癌/肠癌组织中的表达及临床意义,B7-H3分子在肿瘤组织异常高表达，与肿瘤进展密切相关，并通过下调T细胞的浸润参与肿瘤免疫应答。,Sun Jing et al.Cancer Immunol Immunother 2010Wu Changping et al.World J Gastroenterol.2006,59,B7-H3分子在肿瘤免疫应答中的作用机制,B7-H3分子的功能目前还颇具争议，其表达在肿瘤细胞上，可能通过其未知受体（表达在T细胞及抗原递呈细胞上等）发挥相应生物学作用。,B7-H4在肿瘤中的表达和其免疫、临床

22、及病理联系,B7-H4分子在食管癌组织表达的意义,Sun Jing et al.Unpulished,B7-H4分子异常表达在食管癌及胃癌中，与患者的分期及生存率密切负相关，并介导了CD8+T细胞的浸润数量下降。,Gastritis tissue(Lower expression),Gastric polyp tissue(Lower expression),Gastric cancer(Higher expression),The positive staining was found in 70 out of 156 gastric cancer specimens(the positiv

23、e rate was 44.9%).,B7-H4在胃癌组织中表达的意义,Data suggest that B7-H4 is an important prognostic marker for cancer survival.It is particularly useful for identifying early stage patients with potentially worse prognosis.,结论：B7-H4的高表达与胃癌患者的生存时间成负相关，证实了B7-H4为一负性调节分子，也可作为判断胃癌生存期指标之一。,65,B7-H4分子在肿瘤免疫应答中的作用机制,在肿瘤微

24、环境中，调节性T细胞可促使抗原体呈细胞上调表达B7-H4分子，并与其表达在T细胞上的未知受体结合，抑制肿瘤特异T细胞的活化及增殖。,66,B7家族负性分子异常表达在多种肿瘤组织中，与肿瘤的分期及转移等密切相关，并与患者的生存时间密负相关，显示其参与了肿瘤的进展，在肿瘤的预后诊断中具有重要的价值。B7负性分子在肿瘤微环境的表达调节着免疫细胞的浸润和功能，能下调T细胞的浸润从而能抑制肿瘤免疫应答。,小 结,67,科学问题,B7家族负性分子在肿瘤组织的表达及意义,B7家族分子在肿瘤微环境中表达的调控机制,1、TNF-a调节B7-H3分子在肿瘤组织中的表达,TNF-a 在肿瘤组织中异常高表达，可促进B

25、7-H3的表达及可溶型B7-H3的分泌，从而促使肿瘤患者外周存在高水平的可溶型B7-H3分子。,69,2、MicroRNA-570调节肿瘤B7-H1的表达,miR-570可以下调肿瘤细胞株中B7-H1分子的表达。肿瘤组织中B7-H1gene 3-UTR中的突变导致了miR-570的不结合，从而上调B7-H1分子在肿瘤组中的表达。,70,3、B7-H1基因3-UTR 突变的临床意义,肺癌组织中B7-H3表达与淋巴结转移相关并在不同病理分期有显著差异,4、B7-H3在肺癌相关巨噬细胞TAM表达及临床意义,B7-H3在肺癌微环境TAM表达高于外周血与正常组织,72,5、B7-H3分子可促进肿瘤微环境

26、中M2型巨噬细胞的分化,B7家族负性分子在肿瘤微环境中受到多种因素的调节，包括细胞因子以及转录后水平的调控。TNF-a是肠癌的发生中的重要炎性分子，可通过上调B7-H3分子在肿瘤的表达，参与肠癌的进展。miR570可直接调控B7-H1分子表达，B7-H1基因与其结合部位的突变导致了B7-H1分子在胃癌的上调表达，SNP的发生与胃癌的发展密切相关。B7-H3分子在肿瘤微环境中通过调节巨噬细胞的功能分化参与肿瘤的免疫抑制。,73,小 结,展 望寻找肿瘤演进过程中的关键分子,B7-Hx？,在肿瘤发生和发展的不同阶段，由于微环境中免疫细胞亚群数量和功能的改变，以及产生不同的细胞因子和介导不同的免疫应答

27、，导致免疫系统从免疫监视阶段到对肿瘤耐受呈现共生存阶段、最后产生促进肿瘤细胞生长和形成肿瘤免疫逃逸。,75,负性B7家族协同刺激分子在肿瘤微环境中广泛表达，并且与癌症患者的临床指标和病理参数之间存在密切联系，然而，这些研究都是在“特定时间点”对这些分子在癌组织中的表达进行评价，对于肿瘤发生和发展不同阶段微环境表达规律及表达细胞和表达部位及其意义有待进一步研究。,展 望寻找肿瘤演进过程中的关键分子,三、共刺激分子在固有免疫和适应性免疫应答中的调节作用,Relative cell Number,4-1BB,4-1BBL,Pre-DC 3d DC 5d DC AP-DC CD40-24h-DC CD

28、40-48h-DC,Pre-DC 3d DC 5d DC AP-DC CD40-24h-DC CD40-48h-DC Log Fluroescence intensity 4-1BB、4-1BBL,41BBL/41BB信号在固有免疫和适应性免疫中的调节作用,Figure Synergy with CD40 in the induction of CD8 T cell proliferation and differentiation is a property of multiple TLR agonists.,Combined TLR and CD40 Triggering Induces

29、Potent CD8+T Cell Expansion with Variable Dependence on Type I IFN J.EXP.MED 2004,199:775-784,FIGURE：Ligands for TLR9 and TLR7/8 inhibit B7h down-regulation and shedding on B cells.For flow cytometric histograms,B7h staining with treatment(shaded)and without treatment(heavy dashed line)are shown wit

30、h background staining levels(light dashed line).,ICOS-Induced B7h Shedding on B Cells Is Inhibited by TLR7/8 and TLR9 The Journal of Immunology,2006,177:23562364.,4-1BBL transduces signal through TLR,TLR44-1BBL complex appeared on macrophage between 2 h and 12 h after LPS exposure.Because TLR4 and o

31、ther TLRs interact with 4-1BBL,and because TLRs form dimers,it is possible that 4-1BBLTLR interactions promote crosslinking of 4-1BBL.,Indexed from Nature Immunology,2007,8:601-609.,免疫系统的自我感知和反馈调节,机体免疫应答反馈调节及其机制一直是本领域研究的热点科学问题。,内环境稳定,自身抗原,非己抗原,T,免疫细胞,应答,T,识别,生理性自身免疫,抗病性免疫,效应,CD95L,CD95,The expressio

32、n,interaction&signal transduction of costimulatory molecules play an important role in the complicated process of IR.,总 结,1.共信号分子构成调节网络，参与免疫应答的启发，抗原信息传递，免疫应答类型及效应；2.共信号分子在免疫细胞表达呈多样化，与其调节功能相关，一系列共信号分子可以形成免疫突触形式，达到整个信号更加精确调节；3.协同信号以膜型分子和可溶性分子两种形式存在，构成调节网络。参与免疫应答的启动，抗原信息传递，免疫应答类型及效应；4.共信号分子在肿瘤细胞的异常表达，参与肿瘤的发生和发展，并参与肿瘤免疫逃逸；5.共刺激分子参与炎症和感染性疾病免疫应答的调节，负性共刺激信号缺乏和正性共刺激信号异常增强参与炎症和感染性的发生发展，其信号的干预为临床诊断/治疗开拓新途径。,谢谢,