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MSC外泌体

MSC外泌体会被免疫细胞攻击吗？

2023-06-08

将细胞外囊泡 (EV) 作为治疗手段使用时，必须考虑的一个问题就是免疫排斥的问题。在细胞移植中，免疫排斥始终是一个无法回避的问题；在异体移植（移植他人的细胞）的情况下，据说移植的细胞会受到受体免疫细胞的攻击，难以在体内存活。这正是异体干细胞移植中必须使用免疫抑制剂的原因所在。

　有研究提示，从干细胞中提取的细胞外囊泡（外泌体）能够解决这一免疫排斥问题，使异体移植和给药成为可能。然而，据说外泌体也会表达主要组织相容性复合体 Major Histocompatibility Complex（MHC，主要组织相容性基因复合体），它是判断免疫细胞是否进行攻击的标志。那么，为什么外泌体能够避开免疫细胞的攻击呢？

本次，我们将围绕主要组织相容性复合体 Major Histocompatibility Complex（MHC），并结合间充质干细胞 Mesenchymal Stem Cells（MSC）以及外泌体进行说明。

MHC的定义与作用

主要组织相容性复合体 Major Histocompatibility Complex（MHC，主要组织相容性基因复合体）是一组编码细胞表面蛋白的基因，免疫系统借此识别外来物质。那么，MHC为什么如此重要呢？

MHC在免疫应答中的重要性

MHC在免疫应答中的作用就像机场的安全检查。MHC蛋白将作为”乘客”的抗原呈递给T细胞，发挥迅速处理有害物质的作用。

MHC是存在于细胞表面的一种特殊蛋白，在识别自我与非自我方面发挥着重要作用。MHC的主要工作是捕获细胞内的异物（例如病毒或细菌等病原体的一部分），并将其呈递到细胞表面。这一过程为免疫系统的其他组成部分，尤其是T细胞，提供了发起攻击的”信息”。

MHC主要有两种类型。

MHC I类存在于所有有核细胞（即大多数体细胞）中，主要识别被病毒感染的细胞和癌细胞。这些细胞通常会产生异常蛋白。MHC I类将这些异常蛋白呈递给T细胞。

识别MHC（主要组织相容性复合体）I类分子的细胞主要有以下两种：

  1. CD8+ T细胞：这些细胞识别由MHC I类分子呈递的抗原。CD8+ T细胞会直接攻击被病毒感染的细胞、癌细胞等异常细胞。与MHC I类分子结合的抗原通过T细胞受体（TCR）被CD8+ T细胞识别，结果使CD8+ T细胞被激活，并获得杀死攻击目标细胞的能力。
  2. 固有免疫淋巴细胞（NK细胞）：NK细胞同样会识别存在于细胞表面的MHC I类分子。然而，NK细胞将MHC I类分子的存在识别为”自我”的标志，当其存在时，NK细胞通常不会进行攻击。但当细胞在病毒感染或癌症等状态下不表达MHC I类分子时，NK细胞便将其视为异常并攻击该细胞。

因此，CD8+ T细胞和NK细胞都识别MHC I类分子，但其识别的方式和结果存在差异。

另一方面，MHC II类主要存在于作为免疫系统一部分的特定细胞（称为抗原呈递细胞）中。这些细胞捕获侵入体内的异物并将其分解，结合到MHC II类上并运送到细胞表面。它们主要向辅助性T细胞呈递抗原，由此启动免疫应答。

因此，MHC是细胞的”旗舰”，它表明细胞是健康的、被病原体感染的，还是显示出其他异常的。由此，免疫系统能够决定攻击哪些细胞、忽略哪些细胞。也就是说，MHC是控制免疫应答、保护身体不可或缺的要素。

对MSC的理解与特性

接下来，让我们详细了解一下多功能干细胞MSC。

MSC的起源与功能

MSC源自许多组织的间质细胞，具有分化为各种细胞类型的能力，在再生医学领域发挥着重要作用。然而，是什么使它们如此特殊呢？详情请见这里。

MSC的免疫调节特性

间充质干细胞（MSCs: Mesenchymal Stem Cells）不仅以其广泛的分化能力而闻名，还以其强大的免疫调节特性而著称。MSCs作用于各种免疫细胞，通过调节它们的功能来控制免疫应答。MSCs的免疫调节能力在医疗领域非常重要，包括其在抑制炎症反应和组织修复方面的作用，以及在自身免疫疾病和移植物抗宿主病（GvHD）治疗中的应用。

下面列举几种MSCs调节免疫应答的机制。

  1. 对T细胞的抑制： MSCs能够抑制T细胞的增殖和功能。这主要通过分泌一氧化氮（NO）、前列腺素E2（PGE2）、转化生长因子β（TGF-β）、白细胞介素10（IL-10）以及人类白细胞抗原G5（HLAG5）等分子来实现。
  2. 对B细胞的抑制： 据报道，MSCs能够抑制B细胞的增殖、分化和抗体产生。这一过程同样依赖于PGE2、TGF-β以及IL-10的分泌。
  3. 对自然杀伤（NK）细胞的抑制： MSCs抑制NK细胞的细胞毒性和增殖。这主要通过抑制白细胞介素2（IL-2）和白细胞介素15（IL-15）的作用来实现，PGE2、TGF-β以及白细胞介素6（IL-6）的分泌也参与其中。
  4. 对抗原呈递细胞（APCs）的抑制： MSCs抑制树突状细胞（一种APC）的成熟和功能。通过抑制MHC II类以及共刺激分子（如CD80、CD86）的表达，降低其对T细胞的抗原呈递能力。

通过这些机制，MSCs在控制免疫应答、维持适当平衡方面发挥着重要作用。因此，MSCs已成为免疫调节疗法和再生医学领域治疗策略中的重要细胞。

免疫系统细胞是如何识别颗粒或整个细胞（例如细菌或病毒）的？

免疫系统识别并攻击整个细胞或颗粒（例如细菌或病毒）的机制，主要基于以下这些过程：

  1. 通过模式识别受体（Pattern Recognition Receptors，PRRs）进行识别：免疫系统的细胞使用称为模式识别受体的特定类型受体，来识别异物或病原体所特有的结构（模式）。这些模式被称为病原体相关分子模式（Pathogen-Associated Molecular Patterns，PAMPs）或损伤相关分子模式（Damage-Associated Molecular Patterns，DAMPs）。
  2. 吞噬作用（Phagocytosis）：一部分免疫细胞（例如巨噬细胞和中性粒细胞）具有吞入细菌等整个病原体的能力。这些细胞将病原体摄入细胞内，通过称为溶酶体的细胞内囊泡将其分解，最终予以破坏。
  3. 抗原呈递：进行了吞噬作用的细胞将分解后的病原体的一部分（抗原）结合到MHC分子上，并展示在细胞表面。识别到这一点的T细胞会对该抗原作出反应，引发免疫应答。
  4. 固有免疫淋巴细胞（Natural Killer Cells，NK细胞）的作用：NK细胞具有区分自我细胞和非自我细胞的能力。当识别到特定的配体或识别到MHC I类分子的缺失时，NK细胞便会攻击该细胞。

如上所述，免疫系统通过许多不同的机制来识别并攻击病毒、细菌、寄生虫以及其他病原体。这些机制在免疫应答的早期阶段（固有免疫应答）和后期阶段（获得性免疫应答）中都发挥作用。

外泌体：发挥重要作用的微小颗粒

外泌体是在细胞间通讯中发挥重要作用的微小囊泡。详情请见这里。

细胞间通讯中的外泌体

这些纳米尺寸的囊泡将蛋白质、脂质、核酸从一个细胞运送到另一个细胞，影响着各种生理和病理过程。它们就像细胞之间的短信一样的存在。

MSC来源外泌体上的MHC表达

MHC class1

MSC（Mesenchymal Stem Cells，间充质干细胞）来源的外泌体具有载着源细胞的蛋白质、RNA、DNA等信息并运送到其他细胞的能力。因此，MSC所表达的MHC I类分子也可能包含在外泌体中。

不过，已知MSC本身具有免疫抑制性质，MHC I类分子的表达相对较低。因此，MSC来源外泌体内的MHC I类水平也可能是有限的。

此外，外泌体中所含的成分会因细胞的状态和培养条件而发生很大变化。因此，MSC来源的外泌体也可能并不总是含有MHC I类。

MHC class2

由于MSC几乎不表达MHC II类分子，MSC来源的外泌体同样可能MHC分子的表达有限。由此，外泌体对免疫系统来说可能变得”更难被看见”。不过，已知MSC的MHC表达会因其环境而变化。特别是在炎症条件下或在特定细胞因子（例如干扰素-γ）存在的情况下，据报道MSC会增强MHC I类和II类分子的表达。在这种情况下MHC表达的增强可能会影响MSC的免疫调节功能。

MSC外泌体本身会被免疫排斥吗？

如前所述，识别MHC class 1的细胞主要是CD8 T细胞和NK细胞。那么，CD8 T细胞和NK细胞能够攻击非自我的MSC外泌体吗？

虽然有可能激活CD8 T细胞和NK细胞……

CD8+ T细胞和NK细胞主要参与针对细胞本身的免疫反应。这些细胞具有攻击异常细胞的能力，但基本上不具备直接攻击外泌体这类微小颗粒的能力。

外泌体是从细胞分泌的非常小的囊泡（直径约30-150nm），具有运送多种生物物质（例如蛋白质、脂蛋白、RNA、DNA等）的作用。由于其大小和结构特性，外泌体被认为不易被免疫系统识别为”细胞”。

不过，由于外泌体的表面存在各种蛋白质和抗原，它们有可能引发免疫应答。特别是当外泌体含有非自我抗原或由异常细胞分泌时，这些抗原可能被抗原呈递细胞（APC）识别，结果可能引发T细胞的激活。因此，虽然外泌体有可能间接诱导CD8+ T细胞的反应，但并不会进行直接的”攻击”。

同样地，NK细胞也不会直接攻击外泌体。NK细胞主要发挥识别并攻击细胞的作用，其活动主要由细胞表面MHC I类分子的有无来调节。然而，关于外泌体是否间接参与NK细胞激活的可能性，目前尚未被完全理解。

Costimulatory molecules的表达也较低

共刺激分子（Costimulatory molecules）是指一组为促进T细胞激活而提供必需的第二信号的分子。这些分子存在于抗原呈递细胞（APC）上，当仅靠T细胞受体（TCR）对抗原的识别（第一信号）不足时，辅助T细胞的激活。具体的共刺激分子包括以下这些：

  1. CD28：存在于T细胞上的CD28与APC上的B7分子家族（CD80或CD86）相互作用。这是典型的共刺激相互作用，促进T细胞的激活和增殖。
  2. CD40L（CD154）：T细胞上的CD40L与APC上的CD40相互作用，辅助T细胞的激活。CD40-CD40L的相互作用在辅助性T细胞（CD4+ T细胞）与B细胞之间尤为重要。
  3. ICOS（诱导性共刺激分子）：ICOS是属于CD28家族的T细胞上的分子，与APC上的ICOSL结合。ICOS的信号对于滤泡辅助性T细胞的功能尤为重要。

这些只是一个例子，此外还存在许多其他的共刺激分子。而且，每种分子都发挥着针对特定免疫应答或细胞种类专门化的作用。

然而，关于间充质干细胞（Mesenchymal Stem Cells，MSC）的CD28、CD154（CD40L）、ICOS的表达，通常被认为非常低或不存在。

一般来说，这些分子主要表达于T细胞和抗原呈递细胞（APC）上，在免疫应答的控制中发挥重要作用。例如，CD28和CD154（CD40L）主要见于T细胞上，而ICOS特别见于被激活的T细胞上。

因此，通常不认为这些分子表达于MSC上。这是因为MSC在与免疫系统的相互作用中发挥着独特的作用，并作为其中的一部分，具有特定的细胞表面分子表达模式。

MHC引起免疫排斥的机制是什么？

MHC（主要组织相容性复合体）分子引起免疫排斥反应的机制如下。

  1. MHC I类和II类分子具有将其所在细胞的状态传达给身体免疫系统的作用。具体而言，它们捕获细胞内生成的肽，并将其展示在自身表面，从而将该信息传达给T细胞等免疫细胞。
  2. 通常，与自我MHC分子结合的肽不会被自我免疫系统识别，也不会受到攻击。然而，在移植的情况下，当供体与受体（接受者）之间MHC分子的型别不一致时，供体的MHC分子在受体体内会被识别为”非自我”。
  3. 受体的免疫系统将来源于供体的”非自我”MHC分子视为异物，并启动针对它的免疫应答（由T细胞进行的攻击）。这就成为移植物抗宿主病（Graft-versus-Host Disease，GvHD）和移植物排斥反应的基本机制。
  4. 为防止这一反应，在移植前要评估供体与受体之间MHC分子型别的相容性。一般认为，这一评估越高，移植物排斥反应的风险就越低。

因此，MHC分子的相容性是移植成功的重要因素。然而，通过使用免疫抑制药物来控制身体的免疫反应，即使在MHC分子相容性并不完全的情况下，移植也可能成为可能。

这些见解为免疫学、外泌体生物学以及MSC的治疗性应用研究开辟了新的前景。

结论

理解MSC来源外泌体上的MHC表达与自身免疫排斥反应之间的关系，对于发挥MSC和外泌体的治疗潜力至关重要。这些要素之间复杂的相互作用就像芭蕾舞的复杂步伐一样吸引着研究人员，预示着未来令人振奋的飞跃。

常见问题

1. 什么是MHC？ MHC是一组编码细胞表面蛋白的基因，免疫系统借此识别外来物质。

2. MSC的特异性特性是什么？ MSC是源自许多组织的间质细胞、具有分化为各种细胞类型能力的干细胞。此外，它还具有调节免疫应答的特性。

3. 外泌体如何参与细胞间通讯？ 外泌体将蛋白质、脂质、核酸从一个细胞运送到另一个细胞，在细胞间的信息传递中发挥着重要作用。

4. MSC来源外泌体上的MHC表达对免疫排斥反应有怎样的影响？ MSC来源外泌体上的MHC表达会影响与免疫细胞的相互作用，并可能引发免疫排斥反应。

5. 这些相互作用的意义可能对未来的研究和治疗产生怎样的影响？ 对这些相互作用的理解，有可能为免疫学、外泌体生物学以及MSC的治疗性应用研究开辟新的前景。

参考论文

  1. Phinney, D. G., & Pittenger, M. F. (2017). Concise Review: MSC‐Derived Exosomes for Cell‐Free Therapy. Stem Cells, 35(4), 851-858.
    • 本论文聚焦于MSC来源外泌体的无细胞治疗。同时也提及了外泌体的免疫调节能力以及MSC来源外泌体如何影响免疫应答。
  2. Del Fattore, A., Luciano, R., Pascucci, L., Goffredo, B. M., Giorda, E., Scapaticci, M., … & Muraca, M. (2015). Immunoregulatory Effects of Mesenchymal Stem Cell-Derived Extracellular Vesicles on T Lymphocytes. Cell Transplantation, 24(12), 2615-2627.
    • 本论文详细阐述了MSC来源外泌体对T淋巴细胞的免疫调节效果。
  3. Di Trapani, M., Bassi, G., Midolo, M., Gatti, A., Kamga, P. T., Cassaro, A., … & Adamo, A. (2016). Differential and transferable modulatory effects of mesenchymal stromal cell-derived extracellular vesicles on T, B and NK cell functions. Scientific Reports, 6, 24120.
    • 本论文详细调查了来自MSC的外泌体如何影响T细胞、B细胞、NK细胞的功能。

这些论文各自从不同的角度研究了MSC来源外泌体与免疫细胞之间的关系，对于加深我们对MSC外泌体是否会被免疫细胞攻击的理解会很有帮助。然而，根据目前的科学知识和理解，答案是MSC来源的外泌体主要具有免疫调节的效果，被认为不易受到免疫细胞的攻击。