造血幹細胞具免疫記憶,為COVID-19疫苗開發鋪路?

造血幹細胞可以分化出各種血球,對人體兼具保護和治療的功能。最近的研究顯示經過教育的造血幹細胞可產生先天性免疫作用,還有免疫記憶的能力,而且這種免疫記憶具有廣泛的保護作用,並不限於最初接觸的病原體。此外,可誘導先天性免疫記憶的卡介苗也作用於造血幹細胞,這種疫苗也正在進行研究以測試其對COVID-19的有效性及安全性。因此,這些研究成果應有助於COVID-19疫苗的開發。

文/陳淵銓

●造血幹細胞的認識

造血幹細胞(hematopoietic stem cell, HSC)可以分化出血液細胞與免疫細胞,如運輸氧氣的紅血球、抵抗感染的白血球、幫助凝血的血小板及產生抗體的淋巴球等。HSC具有多潛能性(multipotency)和自我更新(self-renewal)的特性,分化出的血球可以分成骨髓群系(myeloid lineage)和淋巴群系(lymphoid lineage)兩種,前者包含單核球、巨噬細胞、嗜中性白血球、嗜鹼性白血球、嗜酸性白血球、肥大細胞(mast cell)、紅血球及血小板;後者則有自然殺手細胞、殺手細胞、T細胞、B細胞及漿細胞([plasma cell)等。HSC已知可用來治療許多血液、腫瘤、先天代謝異常及免疫缺陷等疾病。此外,治療癌症使用的抗癌藥物、化學治療或放射線療法雖可殺死癌細胞,但也時常傷害到健康的HSC,如果移植新的HSC給病人,可製造出新的血液與免疫細胞而延續患者生命。

圖片來源: pixabay

●C/EBPβ依賴性的表觀遺傳記憶可在HSC中誘發訓練免疫作用

在2020年,法國國家健康與醫學研究院、國家科學研究中心及德國德勒斯登再生治療中心的研究人員發現HSC不僅能製造新的血液細胞和免疫細胞,還具有「免疫記憶 (immune memory) 」的能力,能追蹤過去被細菌或病毒感染的情況,以便將來可以引發更快及更有效的免疫反應,相關研究結果已刊登於國際期刊《Cell Stem Cell》,內容的重點有四:(1)預先暴露過脂多醣(lipopolysaccharide, LPS)的HSC可保有先前感染挑戰(previous infectious challenge)的表觀遺傳記憶(epigenetic memory);(2)開放性骨髓增強子(myeloid enhancer)可促進二次刺激(secondary stimulation)的轉錄反應;(3)免疫記憶可改善骨髓分化和對二次感染(secondary infection)的抵抗力;(4) LPS誘導的免疫記憶產生需要先導轉錄因子(pioneer transcription factor)-C/EBPβ的輔助。

已知先天性免疫作用(innate immunity)能對感染產生即時保護,並具有某種形式的記憶,但詳細的機制仍不清楚,所以這個研究團隊推測先天性免疫作用的記憶可能是在HSC中形成的。他們為驗證此假設,首先將取自大腸桿菌表面LPS注射到免疫勝任(immunocompetent)小鼠體內,再將從這些小鼠身上獲得的HSC轉殖到未受細菌感染的免疫功能低下的(immunocompromised)小鼠體內,利用這些HSC重建免疫功能低下小鼠的免疫系統,接著在動物挑戰測試(animal challenge test)時使用綠膿桿菌(Pseudomonas aeruginosa)感染這組小鼠,結果顯示這些小鼠的死亡率僅為25%,但是未注射HSC的對照組小鼠的死亡率則高達75%。

他們更進一步發現LPS誘導的免疫記憶需要C/EBPβ的輔助才能進行,已知骨髓增強子富含C/EBPβ標靶,而C/EBPβ 缺失會消除LPS誘導的表觀遺傳標記(epigenetic mark)和基因表現的長期印記(long-term inscription)。因此,在二次感染期間,短期免疫訊息傳遞能誘導C/EBPβ依賴性的染色質可獲得性(chromatin accessibility),進而誘導HSC的訓練免疫作用(trained immunity),預先暴露過 LPS的HSC表現更有效率的骨髓增強子反應,以增加骨隨的分化、顯現較佳的細菌清除率和小鼠存活率,這建立了一種機制來敘明感染歷史(infection history)如何在HSC被表觀遺傳化而促成先天性免疫作用的整體記憶功能。此外,他們發現該機制並不限於特定的病原體,因為在另一個實驗中,先前暴露於病毒抗原的HSC,亦能保護小鼠免於受到綠膿桿菌的二次感染。結果顯示HSC具有免疫記憶能力,若將接觸過病原體的HSC移植到小鼠內,便能增強先天性免疫作用,而且這種免疫記憶不會侷限於最初遇到的病原體,可產生廣泛的免疫保護作用。

●卡介苗教育HSC產生保護性的先天性免疫作用以對抗肺結核

在2018年,加拿大研究人員證明教育HSC可以誘發訓練免疫作用。他們發現肺結核疫苗-卡介苗(Bacillus Calmette–Gue´rin, BCG)進入骨髓後可改變HSC和多功能前驅細胞(multipotent progenitor)的轉錄作用,導致局部細胞擴增和骨髓生成作用增強。此外,BCG可訓練HSC產生表觀遺傳修飾過的巨噬細胞,與原來的巨噬細胞相比,這種細胞更能提供較好的保護以抵抗結核桿菌(Mycobacterium tuberculosis)。他們使用生物共生和嵌合小鼠(parabiotic and chimeric mice)及過繼轉移(adoptive transfer)方法,證明藉由BCG誘導的HSC重新編程(reprogramming)以訓練單核細胞/巨噬細胞的作用在活體內是可持續的,證明針對HSC艙室(compartment)的標靶作用(targeting)可提供新的疫苗開發方法。

●結論

HSC經過教育訓練後具有潛力誘發先天性免疫作用,並具有免疫記憶能力,可提供一定程度的保護以抵抗細菌的感染,目前也正在進行相關研究以測試其對新冠肺炎(COVID-19)疫苗的影響。上述研究結果不僅增加人們對免疫系統和HSC功能的理解,還有助於推動疫苗的研發,特別是在COVID-19仍蔓延全球的情形下,應深具潛力協助開發既安全又有效的疫苗。

參考資料:

  1. de Laval B, Maurizio J, Kandalla PK, Brisou G, Simonnet L, Huber C, Gimenez G, Matcovitch-Natan O, Reinhardt S, David E, Mildner A, Leutz A, Nadel B, Bordi C, Amit I, Sarrazin S, Sieweke MH. CEBPβ-Dependent Epigenetic Memory Induces Trained Immunity in Hematopoietic Stem Cells. Cell Stem Cell. 2020 May 7;26(5):657-674.e8. doi: 10.1016/j.stem.2020.01.017. Epub 2020 Mar 12.
  2. Kaufmann E, Sanz J, Dunn JL, Khan N, Mendonça LE, Pacis A, Tzelepis F, Pernet E, Dumaine A, Grenier JC, Mailhot-Léonard F, Ahmed E, Belle J, Besla R, Mazer B, King IL, Nijnik A, Robbins CS, Barreiro LB, Divangahi M. BCG Educates Hematopoietic Stem Cells to Generate Protective Innate Immunity Against Tuberculosis. Cell. 2018 Jan 11;172(1-2):176-190.e19. doi: 10.1016/j.cell.2017.12.031.
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