我眼中的NK细胞——田志刚院士讲座(二)

公众号新闻

2023-07-12 23:07

中国工程院院士

中国科技大学学术委员会副主任

中国科学技术大学免疫学研究所所长

中科院天然免疫与慢性疾病重点实验室主任

田志刚院士与免疫学界的同行们一起，有效地推动了中国免疫学的发展，特别是推动了中国免疫学研究的国际化。

欢迎来到院士讲座系列的第二篇文章。

上一篇文章介绍了NK细胞的“3D”和“2R”，以最快的方式让大家了解到目前教科书中有关NK细胞最核心的知识。

但是过去20多年中，研究人员的一些重要发现，让传统免疫学中的经典概念受到巨大挑战。

究竟有哪些重要的发现？这些发现又带来了哪些挑战呢？

本文将带你走近NK细胞的研究前沿，一窥究竟！

关于NK细胞最早的推测之一就是，它不仅仅是个杀手。

尽管为NK细胞命名时，称其为Natural Killer，但是学者们发现有很多NK细胞亚群，其功能并不是以杀伤为主，而是产生很多Cytokine，使其具有高度的调控功能。

△图1 NK细胞不仅仅是Killer

如图1所示，经典概念中具有杀伤功能的NK细胞是一大类；另外还有一大类NK细胞，它们会分泌重要的蛋白质，叫做细胞因子（即Cytokine）。这类NK细胞对其他免疫细胞有调控的功能。

这一调控功能是一个重要的信息，说明NK细胞不仅仅只能针对“外敌”，它对免疫系统本身，即系统内整体的调控，以及稳态的维持起到至关重要的作用。

这一个重要信息可能会导致NK细胞的概念需要重新进行更改，即“NK cell is not just a killer”。

为了证明这句话的真实性，研究人员付出了巨大的努力。其实在国际上，约1997就有学者提出了“NK细胞的免疫学调节功能”，并且通过实验获得了部分证据。

2001年，国际上有学者发了一篇短文，也证实了之前的研究发现，但是这个国际实验室之后并没有继续沿着这个方向继续进行研究。

△图2 不同器官中发现大量NK细胞

田院士团队对这个研究方向非常感兴趣，后期分别在机体的肺脏、肝脏、胰腺、肠道、皮肤和子宫相关的疾病发生的器官里发现了大量的NK细胞（如图2所示）。这些NK细胞以分泌细胞因子为主，而不是以杀伤为主。

△图3 母胎界面中含有高比例的NK细胞

田院士的研究组中，魏海明教授课题组最早发现母胎界面中的NK细胞比例远远高于T细胞。

在这个时期，父亲的那一半的基因相当于移植物，正常情况下会被排斥。但是母胎界面要想让他不被排斥，就需要有能够对免疫系统进行调控的细胞。

器官排斥理论认为T细胞会在器官排斥反应中起作用，但是此处为什么存在数量如此庞大的NK细胞呢？

后续的研究证明NK细胞在此处的作用是为了防止T细胞过度应答，产生排斥反应。此时NK细胞不是一个杀手，它在这里的作用是对免疫系统内部进行有效调控。

研究还发现NK细胞会分泌促进骨骼生长的细胞因子，即“成骨因子”，只有骨骼发育，小胚胎才能长大。可以看出，NK细胞不仅仅能对免疫系统内部的细胞进行调控，它还能够对免疫系统之外的其他组织器官进行调控。

这些研究成果将NK细胞从“杀手”这一概念扩展开，证明NK细胞远远不止是一个“杀手”。

在中国，肝病是一类非常重大的疾病，特别是乙肝病毒（HBV）对肝脏的感染所引起的疾病。

病毒本身并不导致肝脏损伤，它能够致病的主要原因是免疫系统为了清除这个病毒，T细胞会对病毒感染的肝细胞发起攻击。

当T细胞攻击过度时，人的炎症症状就会比较严重，甚至会产生长期的炎症，最终可能导致肝癌等。

△图4 NK细胞像一个公正的裁判

肝脏中有一大群NK细胞，如图4中的白色细胞，它像一个裁判，当T细胞要把病毒从肝脏当中清除掉的时候，裁判不会阻止T细胞。但是当T细胞攻击过度时，可能导致肝脏衰竭造成病人的死亡，此时，NK细胞会叫停，控制T细胞不让他过度攻击。很显然，NK细胞在这个过程中扮演的并不是“杀手”的角色。

在免疫过度所导致的各种疾病中，NK细胞是重要的控制者，它像一个公正的裁判防止T细胞过度进攻，进而维持肝脏的生理稳态。

正因如此，国际最权威的NK细胞专著在十年前邀请田院士的团队，撰写了书中一个章节，这也是全球首次有欧美学者之外的作者参与本书的写作。

涉及免疫系统，有一大类疾病非常重要，即“自身免疫性疾病”，例如关节炎，红斑狼疮，肾病等等，都是T细胞过度应答所导致的。

NK细胞可以控制T细胞这一发现至关重要，专门研究自身免疫疾病的国际最权威杂志，每隔五年都会请田院士的团队写一些文章，内容就是关于调节性NK细胞在自身免疫疾病当中的重要作用，这说明调节性NK细胞的存在与作用，逐渐被学界认可。

可能会有人产生这样的疑惑：这么长的时间跨度仅仅只是证明了调节性NK细胞的存在，究竟有什么价值呢？

△图5 新的免疫细胞亚群发现历史

这群细胞的存在本身就具有巨大价值。现代免疫学的历史就是新的免疫细胞亚群不断被发现的历史。

三大淋巴细胞中，B细胞的亚群不太多，被发现更多的是T细胞的亚群，分别有杀伤性T细胞和辅助性T细胞，辅助性T细胞又分为Treg和Th17等等（共约有6～7种分类）。

在NK细胞这一个大的板块证明亚群的存在，对免疫学的理论有很大的启发意义。

研究人员将具有以杀伤功能为辅，以分泌细胞因子功能为主的天然免疫淋巴细胞后期重新命名为ILC。

从10年前国际上重新对NK细胞进行新的命名中可以看出，早期ILC1、ILC2、ILC3和早期的NK1、NK2、NK3之间的命名有很高的重叠性，这个命名方式可以被认为是由NK细胞亚群发现的历史延续过来的。

△图6 组织驻留NK细胞

早期课本中关于NK细胞的介绍只有一句话，即NK细胞由骨髓产生，存在于外周血，作为淋巴细胞在全身循环。因此早期学者们都是以外周血中的NK细胞为研究对象。

经典免疫学概念认为，NK细胞是在免疫器官里面通过血液循环来形成的。

而田院士团队研究发现有NK细胞不仅在血液循环中存在，而且还在机体重要的组织器官中驻留，例如非经典的免疫器官肺、肝、肠、子宫等脏器，这就是组织驻留的NK细胞。

△图7 2007年田院士实验室研讨会

早在2007年时，田院士和学生开研讨会中的一个主题就讨论过肝脏当中有没有组织驻留的NK细胞（如图7），因为他们在研究中发现NK细胞在肝脏当中含量很高。

从2007年到现在近15年，他们不断沿着这个方向进行深入挖掘，最终发现肝脏中有一群其他脏器几乎都没有的NK细胞。这些NK细胞有一个特点，它只存在于肝脏中，不会通过血液进行循环。

△图8 验证肝脏中存在组织驻留NK细胞

研究团队通过手术将两个小鼠皮肤连在一起（如图8），一般情况下，这两个小鼠的血液会慢慢均衡，就像两条河中间如果开了一道渠，这两条河里的水就互通了。

但是组织驻留的NK细胞，是不会随着血液循环流动的，经过验证，肝脏中确实存在组织驻留细胞，因为它们没有在两个小鼠体内互通。

△图9 验证肝脏中存在组织驻留NK细胞

如图9所示，绿色的是之前国际上公认的，经典的随着全身循环的NK细胞。

田院士团队发现的是图9中橙色的NK细胞，它们只存在于肝脏中，这些细胞的发现是田院士实验室近30年对NK细胞研究的重要标签，是对国际研究进程最实在的贡献。

△图10

驻留NK细胞被发现4年之后，田院士在2012年国际大型学术会议进行相关研究报告，这个会议每次基本包括60个报告的汇报交流。

从图10中可以看出，在2016年的报告中，有九个报告是关于“肝脏特有NK细胞”。其中除了田院士团队以外，其他相关的报告均来自欧美的实验室，共有八个报告。

说明在听取田院士团队前几年的相关报告后，国际上的其他实验室就对此方向进行了相关的跟踪研究，田院士团队的研究结果带动了组织驻留NK细胞这个领域的研究与发展。

田院士团队首先对组织驻留NK细胞的来源进行研究。

在实验中，利用致死剂量的放射线照射小鼠，如果没有骨髓移植，小鼠就会死亡。在研究中出现了对传统观念有巨大冲击的研究结果：传统免疫学认为骨髓成年以后，肝脏就没有造血功能了，但是研究人员发现仅仅把成年肝脏的单个核细胞输送进去，小鼠也能够存活。

常规的NK细胞是骨髓造出的，但是组织驻留NK细胞是由肝脏里面的造血干细胞造出的。

田院士的团队找到了组织驻留NK细胞的来源，随后他们用更复杂的嵌合骨髓移植模型来证明，也重复出了同样的实验结果。

△图11 组织驻留NK细胞的来源

去年（2021年）此实验的结果正式刊登于Science杂志。

如图11所示，胚胎期肝脏造血分成两部分，一部分造血干细胞继续留在成年肝脏中，制造出的特有的细胞（即组织驻留NK细胞）。另外一部分就是教科书里面常规描述的，造血干细胞从胚胎肝脏，再到骨髓，骨髓再造各种各样的细胞，然后也可以再分布到肝脏。但这是常规的NK细胞（即图中成年肝脏中的黄色细胞），而不是肝脏特有的NK细胞。

田院士的团队继续对肝脏中的这类特有的NK细胞进行验证。