史福军 译
新乡医学院 组织胚胎学教研室 （河南 新乡 453003）
在生物医学的研究中，很让人感到困惑的问题之一是-为什么机体用来对付感染的保护性盾牌，会攻击自身的重要细胞、组织以及器官？对这一问题的回答对于理解一系列自身免疫疾病，如风湿性关节炎、I型糖尿病、系统性红斑狼疮以及斯鸠格兰氏综合症都至关重要。当机体的一些细胞蛋白被免疫细胞--淋巴细胞认为是"外来的"时，一系列的破坏性的炎症便会发生。现在对付这些"细胞误认"的病例的治疗是抑制机体的免疫反应，但却使患者易于受到危胁生命的感染。现在干细胞方面的研究提供了新的方法--除去受到误导的免疫细胞，而恢复机体正常的免疫细胞。这里所介绍给大家的是在成人及胚胎干细胞新发现指导下的一些基础性的科研。
简介
机体抵抗感染性微生物入侵的主要防线是免疫系统。若想正常履行此功能，该免疫系统必须能把自身机体的多种细胞成分（自已）与入侵微生物的成分（异已）区分开。"异已"将受到攻击而"自己"则不能。因此，免疫系统可能出现两种通常类型的错误。若免疫系统未能快速发现并破坏入侵的微生物，则将发生感染。然而，若免疫系统未能识别出自身细胞或成分并错误地对其进行了攻击，则将发生所谓的自身免疫疾病。一般自身免疫疾病包括类风湿性关节炎、系统性红斑狼疮、I型糖尿病、多发性硬化症、斯鸠格兰氏综合症以及炎性肠道病。尽管这之中每种疾病都有不同的临床症状，他们确有一种共同的不幸的事实，即因为某种原因机体的免疫系统对自身成分产生了作用。
免疫系统系统通常怎样保持我们的健康？
免疫系统的"士兵"是白细胞，包括T淋巴细胞和B淋巴细胞，他们由骨髓的造血干细胞演化而来。每天机体都和多种病原微生物如细菌、病毒及寄生虫等接触。如果不遇到抵抗，这些微生物将可能造成严重的感染，如肺炎或爱滋病。当一个健康的个体受到感染时，机体会通过激活多种免疫细胞而作出反应。首先，入侵的细胞或病毒会被抗原提呈细胞吞噬，他们的成分蛋白（抗原）会被切成不同的片段并呈现于细胞的表面。外源性蛋白（抗原）的片段会与主要组织相容性复合体（MHC）蛋白（又称为人白细胞抗原（HLA））结合在一起并出现在APC细胞的表面。这一由外源性蛋白和MHC蛋白组成复合体，会与另一种类型的免疫细胞--CD4辅助性T细胞表面的T细胞受体结合。他们之所以被这样命名是因为他们"帮助"免疫反应继续进行并且他们的表面有一种称为CD4的表面蛋白。这一复合体使得这些T细胞的免疫反应能针对一种特定的入侵的微生物。该抗原特异性CD4辅助性T细胞分裂并增殖，同时分泌细胞因子，这些因子引起炎症并帮助激活其他免疫细胞。由CD4辅助性T细胞分泌的特殊细胞因子作用于所谓的CD8"细胞毒性"T细胞（因为他们可以杀死入侵微生物感染的细胞并且在这些细胞的表面有称为CD8的蛋白）。辅助性T细胞还可激活抗原特异性B细胞产生抗体，从而中和并帮助消除体内的细胞和病毒。某些被激活的抗原特异性T细胞和B细胞可转变为长寿命的"记忆"细胞。记忆细胞有在再次遇到同种感染性微生物快速反应的能力。正是记忆细胞使得我们对相同的微生物再次感染具有了"免疫"。
机体的免疫细胞怎样知道是否攻击某种成分？
所有的免疫细胞和血细胞均从骨髓的多能造血干细胞转化而来。一旦离开骨髓，未成熟的T细胞会在胸腺这一位于上胸部的小的器官中进行一系列变化而成熟。在胸腺中，T细胞进行一个非常重要的过程使得他们得以分辨自己（自身机体的蛋白）与非已（入侵微生物的）抗原。在这里，T细胞由于结合个体产生的MHC蛋白的能力不同而受到选择。不同个体的MHC的特定序列有所不同，而这种不同正是移植器官受到排异的基础之所在。MHC分子与其他特异性较低的所谓的非主要组织相容性抗原均由基因决定，这也是为什么患者亲属所捐献的器官比非亲属的更合适的原因。
在骨髓中，T细胞具有多种随机产生的序列。一般地，这些T细胞能够识别几乎无数多种抗原。因为产生T细胞的过程具有随机性，很多未成熟的T细胞都有和和自身蛋白进行反应的可能。为了防止这一潜在的破坏，胸腺提供了一种环境，在其中可识别自身抗原（自动反应或自身反应性T细胞）的T细胞因一种称为耐受诱导的过程而被除去或失活。耐受通常可保证T细胞不会攻击身体的自身抗原（自体蛋白）。基于这一过程的重要性，机体中存在多个破坏或灭活自身反应性T细胞的机制，也就不足为奇了。
当诱导或保持这种耐受的复杂系统出现错误时，自身免疫性疾病便发生了。这些疾病导致抗原特异性CD8细胞毒性T细胞或自身反应性抗体（针对自身蛋白的抗体）破坏自身的细胞或组织，同时伴随有炎症过程的发生。这些机制可导致类风湿关节炎中关节的破坏，I型糖尿病中分泌胰岛素的B细胞的破坏，或者狼疮病中肾脏的破坏。导致耐受失常的原因目前尚不清楚。然而，基因以及环境和激素的影响，以及某些特定的感染，可能是导致这种耐受失常及自身免疫疾病发生发展的原因。
自身免疫疾病的造血干细胞治疗
目前对多种自身免疫疾病的治疗包括抗感染药物的系统应用、有效的免疫抑制和免疫调节药物（即：甾体类药物及阻止炎性细胞因子作用的抑制性蛋白）。然而，这些治疗除了对正常免疫反应有强的影响之外，这些治疗在某些病例中无法使患者免受再次患病之苦。近年来，学者们一直在探索如何用干细胞来治疗自身免疫的异常。这里要讨论的是这一方法的基本原理，主要是针对狼疮、类风湿关节炎以及I型糖尿病的实验性干细胞治疗。
自身免疫疾病中免疫介导的损伤可以是器官特异性的，如I型糖尿病是胰岛B细胞受损的结果，多发性硬化症是覆盖神经的鞘磷脂断损的结果。这些自身免疫疾病可通过修复或替换受损的细胞和组织来治疗（参见第七章：干细胞与糖尿病及第十一章：实验性基因治疗中基因校正后干细胞的应用）。相比而言，非器官特异性自身免疫性疾病如狼疮，则表现出因针对多种不同的器官和组织的免疫反应而造成的广泛性损伤的特点。 有一种治疗方法正在身体反应差、有生命危险的狼疮患者身上进行早期临床实验并进行评估。这是一种影响包括肌肉、皮肤、关节以及肾脏、脑和神经等多种器官损伤的严重疾病。超过239，000名美国人，其中超过90%是妇女，患有狼疮。另外，狼疮还不同比例地折磨着非洲裔美国人及西班牙妇女[11]。在治疗诸如狼疮之类的非器官特异性自身免疫性疾病的一个主要障碍是无法找到可用于治疗的一个单一的、特定的目标。
造血干细胞治疗狼疮的目标是破坏成熟的、长寿命的并具有自身反应能力的免疫细胞并生成一个新的、能正常履行功能的免疫系统。这些实验中，大多数患者自身的干细胞都使用了一种所谓的自身固有的（即从"自身"）造血干细胞移植。首先，患者接受一种生长因子的注射，使得大量的造血干细胞从骨髓进入血液中。然后从血液中收集这些细胞，并将其与成熟的免疫细胞中分离开来，再进行存储。当获取足够量的干细胞后，对患者用细胞毒（杀细胞的）药物和/或放射治疗，以除去成熟的免疫细胞。然后，将造血干细胞通过输血的方式输入到循环血中，他们会进而移居至骨髓并开始分化成为成熟的免疫细胞。机体的免疫系统由此会得以重建。然而，这一恢复的过程一直到免疫系统的重建完成，将使患者处于对细菌、真菌和病毒感染的高度易感之中，从而使这一治疗变得极具风险。 最近的报告表明这一置换疗法可根本性地改变患者的免疫系统。RICHARD BURT与他的同事[18]对7位患有狼疮并进行了这种治疗的患者进行了一项长期的跟踪调查（1-3年），发现患者在移植后不使用免疫抵制治疗的情况下没有活动性狼疮的发生，病情也持续好转。狼疮的特点之一是在疾病的自然过程中，T细胞识别抗原的种类减少，表明患者具有自身反应性的T细胞所占比例呈上升趋势。BURT和他的同事发现在进行干细胞移植后，患者T细胞种类恢复到了健康人的水平。这一发现证明干细胞移植可能有利于重建T细胞自身耐受，因此可降低疾病再次发生的可能性。
为移植而进行的造血干细胞系的研究
在体外生成并扩增不限量的造血干细胞的能力--不管是从成人、脐血、胎儿或胚胎--将对干细胞移植的安全性、费用、可行性产生重要的影响。目前从患者自身外周血中提取造血干细胞的方法使得患者有重新患上同种自身免疫疾病的危险。这是使用使造血干细胞从骨骼进入血流以获取足够移植所需的干细胞而重复注射干细胞生长因子所造成的潜在可能。另外，在某些病例中，由于提纯造血干细胞时受到了患者成熟的自身反应性T细胞和B细胞的污染，也影响到了治疗的成功。实验室内的纯化的细胞系的扩增防止了这些潜在的障碍，并使得干细胞的数目对每位患者都足够用，因此也就缩短了完全的免疫重建之前的危险期。
目前还无法确定胚胎干细胞是否比从脐血的或成人的骨髓造血干细胞更好。然而，从脐带或骨髓中获取的造血干细胞，其自身更新的能力要比多能胚胎干细胞的差。尽管要引导胚胎干细胞使之定向分化为造血干细胞仍需一定的研究，造血细胞已经能用人胚胎干细胞以及人胎儿获取的胚胎干细胞经分化培养而获得。 对自身免疫病患者使用造血干细胞系进行移植的优点之一在于从健康人或在基因因素已知的情况下，可从该基因因素未受影响的胚胎干细胞中取得所需的造血干细胞。另外，使用基因选取的或基因工程处理过的细胞可以进一步减小疾病进展或再次患病的可能性。
使用非自身造血干细胞的一个危险是机体对移植细胞的免疫排斥。免疫排斥是由供者与患者（受者）的MHC蛋白存在差异而造成的。在这种情况下，被移植细胞及其后代会受到患者骨髓中残存造血干细胞分化而成的T细胞的排斥。出于这种考虑，在防止移植排斥发生时，使用胚胎干细胞分化而成的造血干细胞要比脐血以及骨髓造血干细胞系更合适。理论上，表现三种最严格的MHC蛋白的不同组合的胚胎干细胞库可产生与患者MHC序列相配的干细胞。
另外，有证据表明，胚胎干细胞比造血干细胞更适合于基因方面的操作（见11章：实验性基因治疗中经基因修饰的干细胞的使用）。
这一特性意味着胚胎干细胞在防止被患者残余的免疫细胞识别方面很有用。例如，可以通过目标基因转移的方法将受者的MHC蛋白导入到胚胎干细胞中。做为选择，理论上可以通过对MHC蛋白的基因修改或剔除的方法制造一种万能的供者胚胎干细胞系。研究人员通过修改一只老鼠的基因使其任何细胞或组织的表面均几乎或完全不表达MHC分子而成功地做到了这一点。当将这些基因修改过的老鼠的胰B细胞移植至MHC完全不匹配的老鼠体内时未发生排斥反应[13]。至于在人类进行基因修改而防止移植排斥的可能性方面还需要进一步的实验。
Jon Odorico 和他的同事的研究表明在MHC蛋白表达方面，鼠胚胎干细胞和分化的胚胎干细胞后代比成年鼠细胞要少的多，甚至缺如。这些初步的发现使得人们认为从胚胎干细胞得到的细胞系要比从成年细胞得到的细胞系受到受者的免疫排斥的可能性要小。使用通过干细胞技术获得提纯的供者胚胎干细胞的另一个可能的好处是降低的移植物抗宿主病发生的可能性和严重性，这种病是骨髓移植中另一种潜在的致命的并发症。在移植时若供者器官中残留有成熟的T细胞时会造成对受者组织的发生免疫损害，从而导致移植物抗宿主病的发生。在经提纯多能造血干细胞来源中不存在这种成熟的供者的同种反应性T细胞，并且在理想的受者胸腺中免疫耐受诱导的情况下，供者来源的成熟T细胞群将会对受者产生耐受。
自身免疫疾病治疗中的基因治疗与干细胞方法
基因治疗是指通过对细胞进行基因修改进行治疗的方法。在大多数实验中，载有治疗性基因的DNA被导入培养的细胞中，然后这些细胞被导入动物或患者。DNA也可以直接注射，并在注射点或血流中进入细胞。在理想的情况下，细胞会吸纳这些DNA并且在其基因的编码下产生治疗性的蛋白。
目前，还有相当量的基因治疗的研究正在自身免疫疾病的动物模型上进行。这样做的目的是修正自身免疫反应疾病特有的异常炎性免疫反应[15，19]。研究者们通常用两种方法来进行对免疫系统的调节。第一种是阻止一种炎性细胞因子（由特定的激活的免疫细胞或组织分泌），方法是通过将一种基因导入到细胞中使其产生一?quot;诱骗"该细胞因子的受体。或者，将一种编码抗炎性细胞因子的DNA序列导入细胞，从而使自身炎性免疫反应进入到一种相对更"耐受"的状态。在很多动物实验的研究中，通过使用这种方法已获得了很多有前景的结果，这些实验也使我们对疾病的过程以及疾病过程中特定炎性细胞因子的作用有了进一步的了解[15，19]。
然而，对人进行有效基因治疗的研究中仍然存在着较大的障碍。这其中最主要的是缺乏可靠的将基因物质转移入成熟的和缓慢分裂的细胞中（包括造血干细胞）的方法，在产生与疾病活动状态高度一致的、长效的所期望蛋白表达水平方面也存在着困难。重要的是，胚胎干细胞与成年细胞以及进行自身更新并进行蛋白表达的胚胎细胞相比，其更适合于基因的转移。目前尚未能确定除造血干细胞以外的成人来源的干细胞是否也一样适合于基因的转移。
在自身免疫疾病的免疫调节治疗中，干细胞基因治疗应该能够提供足够好的方法。通过对造血干细胞或已分化组织细胞的基因修改以产生一个针对炎性细胞因子γ干扰素的"诱骗性"受体来治疗狼疮就是一个例子。例如，在狼疮的鼠模型上，通过基因注射的方法将该诱骗性受体的基因转入细胞中使得疾病进程得中止[12]。其他的实验者则在鼠I型糖尿病模型上使用一种相关联但又截然不同的方法。白介素12（IL-12）是一种炎性细胞因子，其在这些鼠糖尿病的发展中起重要作用。这些实验者将一种可以阻止正常IL-12功能的修饰过的IL-12的基因转入鼠胰腺B细胞（即I型糖尿病中自身免疫损伤的目标）中。这种胰岛细胞基因治疗阻止了这些鼠的糖尿病的发作。理论上，用于移植的胚胎干细胞或成体干细胞在转化成胰岛细胞之前或期间均可进行基因方面的修饰。结果所得到的免疫调整后的胰岛细胞可使正在进行中的自身免疫损伤不再发生，并增加了移植细胞长期起效的可能性，并免除了移植后所需的免疫抑制治疗。
研究者们还在尝试用类似的基因方法在动物类风湿关节炎模型上尝试阻止关节破坏的进程以及软骨成分的损失和损伤关节的修复。类风湿关节炎是一种以急性和慢性炎症兼有为特点的进行性损伤性自身免疫疾病，免疫系统主要攻击身体的关节。在最近的研究中，研究者们用基因的方法将一种抗炎性细胞因子白介素4（IL-4）转入一种可有效提呈抗原的树突状细胞中，再将这些分泌IL-4的细胞注射给患有与人类风湿关节炎相类似的关节炎的鼠体内。这些分泌IL-4的树突状细胞可能作用于CD4辅助性T细胞以重新产生对自身蛋白的耐受。经处理的大鼠从病态中完全解脱出来，而且免疫特性也已改变，IL-4阻止了骨的再吸收（一种类风湿关节炎的严重的并发症），这使得该细胞因子在该病的治疗中显得颇有吸引力[10]。然而，该方法有一个存在障碍，即人树突状细胞很难大量地提取和分离。
研究者们也用鼠胚胎干细胞进行了向树突状细胞分化的尝试，表明以干细胞为基础的方法可能对类风湿关节炎患者有效[5]。在将这种方法应用于人类之前，还需要更长期的调查和进一步的特性研究。在类似的研究中，使用其他的针对炎性细胞因子抑制因子，如针对α肿瘤坏死因子（在受累的关节中占主要地位的炎性细胞因子）的诱骗性受体，如针对κB核因子（一种位于细胞内可启动多种炎性细胞因子的蛋白）的抑制因子，如白介素13（一种抗炎性细胞因子）等等，研究者们将其用于类风湿关节炎动物模型身上都取得了很有希望的结果。由于免疫系统信号网络的复杂性和冗余性，很可能一种包括数种不同的炎性细胞因子的抑制因子综合运用的治疗方法会取得成功，而针对单个细胞因子的方法却可能失败或只取得短期的效果。另外，在这种疾病的基因治疗中很可能其他种类的细胞更适合于用作运载基因的工具。
软骨细胞，即在关节生成软骨的细胞，可能为类风湿关节炎的干细胞治疗提供另一种途径。这些细胞从来源于人骨髓中的骨髓基质干细胞[14]。目前关于这种最终分化为软骨细胞的中间细胞知道的还很少。除成人骨髓可以做为基质干细胞的来源，人胚胎干细胞可以分化成最终分化为基质干细胞的前体细胞[16]。然而，在如何有效地获得从胚胎干细胞分化而成的基质干细胞并使基质干细胞分化为软骨细胞方面仍需进行大量的研究。
最适宜进行软骨修复的理想细胞可能是比软骨细胞更幼稚的细胞，如基质细胞，或者在分化为软骨细胞过程中的中间细胞（比如结缔组织前体细胞）。在兔模型中基质干细胞可以产生新的软骨细胞并且进行软骨的修复[3]。这些细胞也可能会成为免疫调节性基因治疗的理想目标。造血干细胞，基质干细胞已经在动物模型中用于基因治疗中基因的传递[1]。例如，一个最近的研究表明经基因工程处理的表达生长因子的软骨细胞可以加强所移植的软骨细胞的功能。
成人基质干细胞或软骨细胞的应用于治疗有两个困难，即获取这些细胞的数量有限和在实验室制备这些细胞时的困难。使用基因修饰过的但未分化为结缔组织干细胞的胚胎干细胞可能是一个有吸引力的选择。
总的来说，这些结果表明在治疗类风湿关节炎和其他自身免疫疾病时上述这些细胞具有巨大的潜力。
结论
干细胞在自身免疫疾病的新治疗方法甚至根治此类疾病的发展方面提供了令人兴奋的诸多可能性。完全实现这些可能和阐明很多遗留的问题，如怎样才能最好地实现向特定细胞类型的分化、对每种治疗方法哪种特殊类型的干细胞是最佳选择等，仍需具有挑战性的努力。与细胞因子或其抑制因子一起进行的基因治疗仍处在早期发展阶段，但干细胞或其子代细胞却可能为未来免疫治疗的发展提供了一个较好的途径。最终，使用以干细胞为基础的技术来缓解这些具破坏性的慢性疾病的潜力是非常巨大的。
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