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JCI 重磅:王福生院士团队发现 HIV 感染者体内 T 细胞损耗元凶!

丁香学术

作者|协和小卒 来源|丁香学术(ID:dingxiangshiyan)

背景介绍

人类免疫缺陷病毒 1 型 (HIV-1) 的感染会导致体内 CD4+ T 细胞的进行性丢失,这是因为 HIV-1 主要感染 CD4+ T 细胞,而 CD4+ T 细胞的耗竭则反映了一种细胞感染病毒的病变效应。长期以来,这一现象也被认为是 HIV-1 发病机制的核心,但其详细的分子机制仍待完全阐明。

不过,越来越多的研究表明,那些未被病毒感染的 CD4+ T 细胞也会发生广泛而严重的损耗,这一现象被称为「旁观者效应」。然而,在 HIV-1 感染期间,旁观者 CD4+ T 细胞耗损的机制仍然是领域内尚未解决的科学问题。

2021 年 3 月 15 日,中国人民解放军总医院第五医学中心感染性疾病科 & 国家传染病临床研究中心王福生院士团队在 JCI 发表了题为 NLRP3 inflammasome induces CD4+ T cell loss in chronically HIV-1–infected patients 的研究性论文,该研究揭示了 NLRP3 依赖的细胞焦亡在 HIV-1 感染患者的 CD4+ T 细胞损耗中扮演着重要角色,并提示细胞焦亡信号可作为 HIV-1 治疗的一个潜在靶点。

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图片来源:JCI

近年来,科学家们对细胞死亡途径的认识有了很大的进展,其中,细胞凋亡和细胞焦亡都被认为是导致 CD4+ T 细胞死亡的原因。机制层面上发现,caspases 家族可以介导调控细胞死亡过程,比如 caspase-3 依赖的细胞凋亡和 caspase-1 依赖的细胞焦亡。 近期的研究表明,大约 5% 的 CD4+ T 细胞耗竭是通过凋亡发生的,而剩下的 95% CD4+ T 细胞的死亡是由于细胞间病毒传播诱导的感染进而触发 caspase-1 介导的焦亡引起的。

不过,上述的实验要么借助了体外体系,要么借助了模式动物,迄今为止,仍缺乏 HIV-1 感染患者体内关于细胞凋亡和细胞焦亡的深层次研究,同时,在 HIV-1 感染患者的不同发病阶段,细胞凋亡和细胞焦亡是如何耗竭 CD4+ T 细胞这一科学问题也仍待进一步研究。

研究内容

慢性 HIV-1 感染期间 CD4+ T 细胞中 caspase 的激活增加

为了分析 HIV-1 感染患者细胞凋亡和细胞焦亡的分布,研究人员使用氟铬标记的 Caspases 抑制剂 (FLICA) 以及用特异性识别 caspase-1 和 caspase-3 激活形式的抗体进行胞内染色。

随后,研究人员纳入了 80 例 Viremic HIV-1-Infected 患者(VIR),41 例进行了成功的抗逆转录病毒治疗的患者(ART),7 例病毒得到严格控制的患者(EC)以及 19 例健康对照。纳入人群的详细临床特征如下表所示。

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图片来源:JCI

首先,研究人员比较了四组人群中 CD4+ T 细胞表达活化的 caspase-1 和 caspase-3 的情况,结果发现,无论是 caspase-1,还是 caspase-3,其活化比例均在 VIR 患者中显著升高;ART 患者组中的活化比例显著低于 VIR 组,但却明显高于健康对照组。值得注意的是,EC 组保持了较低水平的 caspase-1 和 caspase-3 的活化比例,与健康对照相当,并无显著差异。

接下来,他们研究了 caspase 活化的增加与 CD4+ T 细胞损耗之间是否存在直接关系。为此,他们在 VIR 患者中对 CD4+ T 细胞进行了计数,并将结果与 caspase-1 和 caspase-3 活化之间进行了相关性分析,结果表明两者均与 CD4+ T 细胞数量呈现显著负相关。

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图片来源:JCI

CD4+ T 细胞中 caspase-1 的激活与病毒载量和炎症相关

前期的体外体系的研究结果表明,细胞焦亡主要发生在静息的 CD4+ T 细胞中。为了探究 CD4+ T 细胞中 caspase 的活化是否依赖于 HIV-1 的感染,研究人员从 VIR 患者获取外周血单个核细胞,并分析了 caspase 激活细胞中 HIV DNA 的存在和水平。结果显示,携带 HIV DNA 的细胞频率极低,更令人惊讶的是,与对照细胞相比,caspase-1 和 caspase-3 激活的细胞都没有显示出 HIV DNA 的显著差异。因此,这些数据表明,HIV-1 感染并不是 VIR 患者外周血 CD4+ T 细胞中 caspase 激活的主要原因。

此外,活化诱导的细胞死亡也被认为是 HIV 感染中 CD4+ T 细胞损耗的重要机制。研究人员也发现,活化的 CD4+ T 细胞 (HLADR+CD38+) 与 caspase-3 的激活呈较强的正相关,这表明活化诱导的细胞死亡是通过凋亡发生的,而 CD4+ T 细胞中 caspase-1 活化的机制尚不清楚。

接下来,为了阐明在 HIV 疾病进展过程中 CD4+ T 细胞焦亡的角色,他们探索了 CD4+ T 细胞中 caspase-1 的激活与临床参数或相关生物标志物的潜在相关性。结果发现,在 VIR 组中,CD4+ T 细胞 caspase-1 活化的频率与血浆 HIV-1 病毒载量和活化状态的 CD8+T 细胞呈显著正相关。

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图片来源:JCI

在随后的分析中,他们发现,CD4+ T 细胞 caspase-1 的激活与血浆中炎症标志物(如 IL-6,h-CRP,CD14)呈正相关。更加有意思的是,这种与血浆炎症标志物的相关性在 ART 患者组并没有观察到。这些结果提示,在 VIR 患者中,CD4+ T 细胞的焦亡可能与持续性炎症密切相关。

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图片来源:JCI

HIV-1 感染患者淋巴结 GSDMD 激活增加 Gasdermin D (GSDMD) 被认为是细胞焦亡的主要执行者,通过 N 端插入、寡聚化和激活炎性半胱天冬酶裂解后膜孔形成等方式来发挥作用。随后,为了在解剖学上表征 GSDMD 活化的 CD4+ T 细胞,研究人员对来自 HIV-1 阴性受试者、VIR 患者和 ART 患者的淋巴结切片进行了染色。

结果发现,在 VIR 患者中,10.8% ± 2.8% 的淋巴结切片中有活化的 GSDMD 区域,这明显高于其他两组的阳性比例。更重要的是,对于 VIR 患者,淋巴结切片中 GSDMD 活性染色百分率与病毒载量呈正相关,表明细胞焦亡可能是由 HIV-1 复制触发的。

图片来源:JCI

NLRP3 炎症小体激活有助于 CD4+ T 细胞中 caspase-1 的激活

随后,为了分析 CD4+ T 细胞中参与 caspase-1 激活的上游信号,他们对纯化的 CD4+ T 细胞中炎性小体相关基因的表达进行了定量逆转录酶 PCR 分析。结果显示,在 ART 患者中,HIV-1 感染会诱导炎性小体相关基因的广泛激活 (如 NLRP9,NLRP3, NLRP1, CASP1, IL1B)。其中 NLRP3、CASP1、IL1B、GSDMD 与 CD4+ T 细胞 caspase-1 激活、病毒载量、CD4+ T 细胞数量呈现强相关性。这些数据表明了 NLRP3 炎症小体在介导 CD4+ T 细胞 caspase-1 激活和细胞焦亡中的潜在作用。

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图片来源:JCI

接下来,为了确定 NLRP3 炎症小体是否在 HIV-1 感染期间参与 CD4+ T 细胞的 caspase-1 激活,他们从 VIR 患者中获得的外周血单个核细胞,并使用 NLRP3 抑制剂(MCC950)与之共培养。结果表明,与对照组相比,MCC-950 的添加会显著抑制 CD4+ T 细胞 caspase-1 的激活、IL-1β 的分泌以及上清中乳酸脱氢酶的释放。

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图片来源:JCI

研究总结

综上所述,在本研究中,研究人员探讨了 HIV-1 感染患者 CD4+ T 细胞焦亡和凋亡的发生及其临床意义,发现 CD4+ T 细胞的焦亡和凋亡与 HIV-1 疾病进展显著相关。

机制层面,他们发现 NLRP3 炎症小体是一种传感器,通过依赖 ROS 产生的机制驱动 CD4+ T 细胞中 caspase-1 的激活和细胞焦亡,这些发现不仅为进一步了解 HIV-1 的发病机制提供了依据,而且为 HIV-1 感染患者的宿主免疫重建提供了潜在的新策略。

NLRP3/caspase-1/GSDMD/IL-1β 轴可能会为 HIV-1 感染患者提供新的治疗靶点,改善患者预后。

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图片来源:JCI

文章链接:

1. J Clin Invest. 2021;131(6):e138861. https://doi.org/10.1172/JCI138861.

2. Ghosn J, et al. HIV. Lancet. 2018;392(10148):685–697.

3.  Finkel T, et al. Apoptosis occurs predominantly in bystander cells and not in productively infected cells of HIV- and SIV-infected lymph nodes. Nat Med. 1995;1(2):129–134. 

4.  Doitsh G, Greene WC. Dissecting how CD4 T cells are lost during HIV infection. Cell Host Microbe. 2016;19(3):280–291. 

5. Garg H, Joshi A. Host and viral factors in HIV-mediated bystander apoptosis. Viruses. 2017;9(8):237.

编者按:本文转载自微信公众号:丁香学术(ID:dingxiangshiyan)


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