免疫学拾遗-第33章：继发性免疫缺陷病-OncoLab实验室

本章介绍了几种继发性免疫缺陷疾病，其中最重要的是艾滋病，其发病率高，并且可造成严重的免疫缺陷。继发性免疫缺陷病与原发性免疫缺陷病一样都会导致机体感染和肿瘤的诱发。而所受感染的具体类型则取决于继发性免疫缺陷具体影响的是免疫系统的哪部分。

HIV感染

目前世界上约有4000万人感染了艾滋病病毒，每年新增感染数约200万，并且其中10％的新增病例为儿童，且每年约120万人死于艾滋病。

了解HIV的发展历史及其与免疫系统相互作用的方式，可以帮助我们了解抗HIV药物如何发挥作用，HIV病毒的检测方法，以及理解为什么难以开发具有针对性的疫苗等问题。

人类免疫缺陷病毒(HIV)侵入宿主细胞

HIV是⼀种结构简单的病毒(Fig 33.1A)。尽管经过RNA拼接和肽处理，它可以编码大约九种不同的蛋白质，但是它的基因组却只包含三个基因。

HIV是一种逆转录病毒，它的RNA基因组会在宿主细胞中逆转录成DNA，它的基因组和一些酶会被包膜包裹，而这种包膜则是由gp120和gp41这两种糖蛋白组成，且这两种糖蛋白在HIV结合和进入宿主细胞中发挥重要作用(Fig 33.1 B~E)。

Fig 33.1 HIV借助CD4和趋化因子受体感染宿主细胞。B ~ E 是 HIV 与靶细胞相互作用的示意图。

HIV侵入人体的具体过程如下：

1.首先，HIV上的gp120与CD4分子结合。HIV可以很容易地与CD4分子结合。虽然这种相互作用并不能使病毒接近宿主细胞表面，但宿主细胞上CD4的存在是HIV得以侵入的先决条件，因此HIV只感染CD4⁺T细胞、单核细胞和单核细胞来源的巨噬细胞及树突状细胞(见Fig 33.1B)。

2.随后，gp120与几种趋化因子受体中的⼀种相结合(见Fig 33.1C)，通常是与CCR5结合。

3.由于趋化因子受体的胞外区较短(第24章)，所以gp120与趋化因子受体的结合会使gp120能够接近宿主细胞。同时，与趋化因子受体的结合也会引起gp41分子的变化。gp41分子的结构类似于封闭的拉链，但当gp120与趋化因子受体结合时，gp41会解开并穿透宿主细胞细胞膜(见Fig 33.1D)。

4.最后gp41恢复为原本的长度，并有效地融合病毒的包膜和细胞膜。(见Fig 33.1E)。

HIV基因组的逆转录

逆转录酶随RNA基因组⼀起进入宿主细胞。逆转录酶利用RNA基因组制造双链DNA转录本，将其自身基因序列插入宿主基因组（Fig 33.2A，B)。

逆转录酶是一种容易出错的酶，在逆转录过程中，每10,000个碱基中就有1个发生突变，而艾滋病毒本身不具备纠正这些突变的机制。这就意味着艾滋病毒的每三个生命周期中，就会产生一个含有新变异的病毒。由于这种高变异率，在感染一种HIV病毒后的几周内，大多数患者体内都会检测到许多不同的病毒株。

Fig 33.2：逆转录是一个容易出错的过程。这个过程中， HIV 能够改变其抗原结构、对不同趋化因子受体的亲和力以及对抗逆转录病毒药物的敏感性。

HIV的潜伏期与转录

⼀旦插入宿主基因组，HIV的三个基因就与宿主基因保持协同一致。大多数情况下，这些基因是沉默的，不会进行转录，处于病毒潜伏期，且大多数受感染的细胞病毒会长期处于潜伏期。这些被感染的细胞，特别是巨噬细胞，渐渐成为了感染的“蓄水池”（积累了许多可以导致感染的因素）。在没有DNA复制的情况下，HIV肽不会表达，故感染的细胞也不会被免疫系统识别。

一旦宿主细胞被激活，HIV肽会开始转录。在受感染的T细胞中，HIV基因的调控方式与控制免疫反应的基因相同。例如，T细胞激活过程中产生的核转录因子NF-κB和NF-AT(第11章)也会促进艾滋病病毒基因的转录，形成新的病毒RNA，合成HIV前体蛋白。随后由HIV编码的蛋白酶会裂解该前体蛋白，形成⼀种新的病毒株(见Fig 33.2C，D)。

高水平的病毒复制导致宿主细胞受到破坏是病毒性细胞病变效应，而这只是HIV损害CD4⁺T细胞的方式之一。

对HIV的免疫反应

先天免疫反应

先天免疫系统的浆细胞样树突状细胞会分泌I型干扰素以应对HIV(Fig 33.3A)。但这些细胞只能够在体外通过该机制抑制HIV的复制，在被感染患者体内时，它们的功能往往会受到损害。

抗体反应

受感染的患者会产生高水平的艾滋病病毒抗体，这些抗体有助于HIV检测，目前通常用ELISA进行检测。检测使用的抗体通常识别gp120或gp41的表位，而这些表位不参与HIV病毒与CD4分子或趋化因子受体的结合，也不能预防感染。同时，gp120中与CD4分子和趋化因子受体结合的位点隐藏在分子深处，抗体通常无法接近(参见Fig 33.3B)。所以，这些抗体通常不能用于预防T细胞感染。

细胞毒性T淋巴细胞反应

细胞毒性T淋巴细胞(CTL)在HIV感染中起着最为重要的作用，它们能够杀死主动表达和呈递HIV多肽的细胞(见Fig 33.3A)，但CTL不能杀死处于潜伏期的受感染细胞。此外，已经产生的CTL不能识别基因突变后的HIV肽，所以HIV也能够通过突变来逃避CTL反应。

一个受感染的人每天至少产生10⁵种新病毒。每三个感染者中就有⼀个会携带新的HIV突变基因，因此，CTL和抗体每天必须与至少3×10⁴个新的病毒株作斗争。然而，免疫球蛋白G(IgG)抗体的产生和CTL发挥作用都需要CD4⁺T细胞的协助，而HIV会杀死或破坏CD4⁺T细胞，因此免疫系统产生新CTL及抗体反应的能力都下降了。

综上所述，HIV可以通过三种方式逃避免疫系统：(1) 隐藏gp120的重要表位；

(2) 利用自身高突变率；

(3) 在受感染的巨噬细胞中沉默不表达。

Fig. 33.3 虽然有先天(I 型干扰素)和获得性(细胞毒性 T 淋巴细胞[CTL]和抗体)免疫系统对 HIV 的反应，但这些反应难以跟上 HIV 变异的步伐。

HIV如何杀死受感染细胞

随着时间的推移，HIV会杀死受感染的T细胞，这在一定程度上是因为该病毒进入T细胞后会产生细胞病变效应。而被感染的T细胞也是CTL的目标，所以即便这些T细胞未被HIV杀死，最终也会被CTL消灭。此外，免疫系统对T细胞的持续激活也会诱导CD4⁺T细胞凋亡。第18章描述了T细胞的持续激活诱导细胞凋亡的机制。

人类免疫缺陷病毒(HIV)感染的临床特点

一些新感染HIV的病人会出现皮疹、不适或发烧的症状。这⼀阶段被称为HIV血清转换期，大概发生在HIV抗体出现的时候。

在接下来的几周里，前文所述机制使病毒复制得到控制。随后，较低水平的病毒会继续在淋巴结中进行复制，病毒的产生、CD4⁺T细胞死亡及CD4⁺T细胞的产生在一定程度上保持相互制约的稳定状态。在这一阶段，患者没有任何症状，但可能会出现淋巴结的病变，艾滋病病毒感染的这种无症状阶段可能会持续几年。

病毒复制程度是可以通过病毒载量测试来衡量的。在无症状感染期间，机体内每天产生多达10⁹个病毒，其中许多抗原肽含有突变基因。在大多数个体中，HIV最终会逃脱抗体和CTL的控制，随后，由于死亡的T细胞增加，CD4细胞计数(循环CD4⁺T细胞数量)开始下降。

随着CD4⁺T细胞数量的下降，患者更容易受到感染。HIV同时还会影响辅助性T细胞1(TH1)和TH17细胞，由此增加患者感染细胞内生物(如分枝杆菌、病毒)和细胞外生物(如念珠菌、吉罗维氏肺孢子虫)的风险。

最初，HIV病人会感染白念珠菌(见Box16.4)和结核分枝杆菌等易感的有害生物。在CD4细胞数量进⼀步下降后，患者容易感染机会性微生物，如肺孢子虫(Fig 33.4)。最后，当机体免疫反应几乎完全消失时，低毒力的分枝杆菌和巨细胞病毒(CMV)等生物体也会引起患者机体感染。此外，非霍奇金淋巴瘤和卡波西肉瘤等肿瘤也会相继发生。

Fig. 33.4 在 HIV 引起不同程度的免疫缺陷之后会发生不同的机会性感染

影响HIV疾病进展的因素

疾病进展的速度因人而异，并受遗传因素影响。例如，CCR5趋化因子受体的多态性降低了HIV与粘膜巨噬细胞、树突状细胞和T细胞结合和融合的能力。这种多态性纯合子使个体在性接触后感染HIV的风险降低，且即便感染了艾滋病病毒，比如通过输血感染，疾病进展速度也会延缓。同时，CCR5基因多态性不会对免疫系统造成任何不利影响。

针对HIV的CTL反应程度也因患者而异。人类白细胞抗原(HLA)基因多态性可能通过两个重要方面决定机体产生抗HIV的CTL的能力：第一，不同的HLA等位基因与HIV多肽结合并将其呈递给CTL的能力可能不同；第二，所有HLA等位基因纯合的个体可用于呈递HIV的肽不同，HLA分子的数量是所有等位基因杂合个体的一半。所以HLA等位基因均为杂合子的人在感染HIV后往往对其有更强的抵抗力(Box 3.1)。

疫苗

到目前为止，还没有一种疫苗可以持续有效地对抗艾滋病病毒感染。许多开发HIV疫苗的实验都集中在诱导抗gp120的抗体上，研究希望通过针对gp120和gp41分子在HIV结合和进入细胞期间暴露的表位的免疫球蛋白G(IgG)来抑制HIV感染(Fig 33.3C)。此外，人们还希望生殖器分泌物中存在的抗HIV的IgA抗体能对机体起到保护作用。然而，在疫苗的临床试验中，尽管试验者机体已成功产生了抗HIV的IgG和IgA抗体，但到目前为止还没有研究发现这些抗体对HIV感染有保护作用。

正如前面所讨论的，强烈的CTL反应在预防HIV感染方面起着重要的作用。但是，为了激活这些反应，疫苗需要将抗原输送到细胞质，使其携带的抗原肽最终能在MHC-I类分子上表达。

艾滋病疫苗研发正面临着重大困难。由于艾滋病病毒的快速变异，导致从不同位置获得的病毒样本中存在巨大的抗原性变异。同时这种快速变异导致一种疫苗可以杀死一个患者身上的艾滋病病毒，但不一定对其他人有效。综上所述，尽管疫苗已经被证实能够成功诱导CTL反应，但到目前为止，在临床试验中尚未发现由疫苗诱导的CTL反应能有效的保护机体免受艾滋病病毒感染。

艾滋病病毒感染的治疗方式

高效抗逆转录病毒疗法(HAART)可以极大地改善HIV感染的预后。HAART由多种抗逆转录病毒药物组合而成，目前有四类药物获得使用许可(Fig 33.5)：

逆转录酶抑制剂通常是可以被合并到DNA转录本中的核苷类似物。因为逆转录酶不能纠正错误，所以在合并了这些药物后，DNA链的合成会被终止(Fig 33.5B)。
整合酶抑制剂可以阻止病毒DNA链整合到宿主基因组中(Fig 33.5B)。
蛋白酶抑制剂可以抑制负责产生HIV结构蛋白的酶的作用(Fig 33.5C)。
与gp41结合的融合抑制剂可以阻止HIV病毒与宿主细胞接触及融合(Fig 33.5A)。

如果只服用一种药物，艾滋病病毒会迅速变异并产生抗药性。基于此，抗HIV逆转录病毒药物必须联合使用，通常是三种药物联合使用，以降低出现耐药毒株的风险。经过HAART后，病毒载量应该会有所下降，CD4⁺T细胞计数应该会有所恢复，且免疫功能得到一定的恢复，机会性感染发生可能性也会降低。HAART可以使艾滋病成为⼀种慢性的、可控制的疾病，但由于潜伏期病毒可以持续存在于存活的细胞中，所以目前的治疗方法依旧无法完全治愈艾滋病病毒感染。

Fig 33.5 抗逆转录病毒治疗的四大类药物

其他继发性免疫缺陷

除了HIV病毒外，其他因素也可能导致继发性免疫缺陷，且这些因素往往是共同作用的。其中继发性免疫缺陷在住院期间很容易发生，因为患者暴露在压力、药物和可能存在的机体营养不足的环境中。

年龄的影响

新生儿的免疫系统

在刚出生的第一年里，新生儿的特异性免疫系统仍未发育成熟，虽然体内有大量的T细胞，但都尚未发育完全，对抗原的反应能力低（第17章)。

胎儿的抗体在20周时开始合成，但要达到成人的IgG水平大约需要5年。在最初的几个月，婴儿需要依赖母体的IgG，在雌激素的作用下，孕妇会产生更多的免疫球蛋白，在怀孕的最后10周，IgG会通过专门的Fc受体和胎盘转运到婴儿体内。

此外，母乳中的免疫球蛋白(IgA)是生命早期的另一种保护措施，它可以预防新生儿肺部和胃肠道感染。奶瓶喂养的婴儿在出生后的前3个月患肺炎的可能性是母乳喂养婴儿的60倍。

早产儿在怀孕后期接受母体免疫球蛋白的时间较短，所以他们面临的感染风险更大。先天免疫（如肺表面活性物质）(第20章)的不成熟会增加呼吸道感染的风险。

许多婴儿在出生的第一年可产生低水平的抗体。婴儿期暂时性低丙种球蛋白血症是由于母体抗体水平下降时免疫球蛋白合成与成熟的延迟所导致的。

老年人的免疫系统

老年人比年轻患者更易受到感染。随着年龄增长而出现的轻度免疫缺陷主要影响的是T细胞，而记忆T细胞免疫力的丧失似乎比记忆B细胞更快(Fig 25.4)。同时，老年人轻度缺陷的免疫系统也很难产生更多新的记忆T细胞(Fig 33.6)。

在整个中年时期，胸腺每年萎缩约3%，胸腺中幼稚T细胞的生成量也会随之下降，这导致在机体晚年时从胸腺中产出的T细胞较少。

虽然外周T细胞的增殖可以使成人机体维持足够数量得T细胞，但是T细胞的复制增殖次数是有限的。这是因为细胞每分裂一次，端粒DNA就会逐渐缩短，当端粒长度显著缩短时，细胞就不能再分裂了。在大约40次分裂后，这种复制性衰老就会对T细胞产生影响。

第三个影响老年人体内T细胞的因素是CMV，这是一种疱疹病毒，可以推动T细胞数量的增加。在老年人机体中，T细胞反应通常是高度寡克隆，具有CMV特异性的T细胞在免疫系统中几乎不会给其他特异性细胞留下空间，由此影响了其他特异性T细胞的正常功能。老年人T细胞数量和功能受损会导致对疫苗的反应不佳，感染可能性增加，以及患恶性肿瘤风险增加。

不过老年人的B细胞功能并没有下降。如第25章所述，针对疫苗携带入机体的抗原的记忆性抗体反应，可能维持长达50至60年，即老化的B细胞仍可以保持功能。但是免疫球蛋白合成增加，B细胞克隆的增多可能会导致血液中出现单克隆免疫球蛋白或导致B细胞恶性肿瘤发生(第35章)。此外，虽然在老年人中自身抗体更常见，但其通常与疾病无关。

Fig. 33.6 为什么T细胞在晚年会减少。

其他因素

药物

药物是诱导继发性免疫缺陷的常见原因，而停止使用违规药物通常会改善免疫反应。在恶性肿瘤的细胞毒性治疗过程中，患者因为使用药物经常出现中性粒细胞减少症(Box 21.1)。

对T、B细胞的损伤是糖皮质激素、细胞毒性药物以及用于自身免疫性疾病和预防移植排斥的免疫抑制疗法的常见副作用。服用这些药物的患者很容易发生机会性感染，其中⼀些药物可能还会导致抗体的缺失，但这种副作用并不常见。其中对免疫系统影响最大的是用于治疗癫痫的抗惊厥药物。

B细胞恶性肿瘤

骨髓瘤和慢性淋巴细胞白血病是B细胞相关的恶性肿瘤(第35章)。虽然两者都可能产生大量的单克隆免疫球蛋白，但它们都可导致低水平的病原体抗体。骨髓瘤和慢性淋巴细胞白血病是老年人出现继发性免疫缺陷的常见原因，此外，胸腺瘤也可导致免疫缺陷，但其较罕见。

肾脏和肠道疾病

在肾病综合征(第30章)中，IgM正常的患者可能会出现明显的肾脏蛋白丢失、血中IgG和IgA水平降低的症状。在严重的腹泻疾病中，免疫球蛋白也可能通过肠道丢失。肾功能衰竭和糖尿病也会导致继发性吞噬细胞缺陷，其机制尚不清楚。

营养

缺锌、缺镁会损害细胞免疫，尤其是降低TH1类细胞因子的分泌。这种类型的微量营养素缺乏很常见，例如在术后患者身上。虽然免疫系统也需要维生素，特别是维生素A和E，但它们的作用不如矿物质营养素那么重要。

生理应激

压力对适应性免疫系统有很大的影响。淋巴细胞既有肾上腺素受体，也有皮质类固醇受体。这些激素是在压力调节下分泌的：肾上腺素介导快速发作的短期效应，而皮质类固醇调节长期效应。因此，生理压力，如耐力训练，可以抑制机体的免疫反应。

传染病

感染也会导致免疫缺陷。疟疾和先天性风疹也可能会导致抗体的缺乏。麻疹会导致细胞免疫缺陷——有时甚至会重新激活结核病。上述因素中的一部分会共同作用于急性疾病患者(Box 33.2)。

BOX 33.1 监测艾滋病病毒感染

29岁女性患者因颈部肿块在普通内科诊所就诊，无发烧、出汗症状。20多岁时两次正常怀孕，26岁时有一次盆腔炎(由衣原体感染引起)，目前是单亲妈妈，孩子都很健康。

医生检查发现她患有全身性淋巴结病，已经影响到她的颈部、腋窝和腹股沟淋巴结。这种全身性淋巴结病并不是癌症或局部感染的特征，而是 HIV 感染可能会出现的特征。患者同意进行 HIV 抗体测试，结果呈阳性，进一步检测显示其体内CD4细胞减少(约为310×10⁶/L，而正常值在500×10⁶/L 以上)，病毒载量为 2×10⁵/mL。尽管她没有艾滋病相关症状，但这些结果与中期的艾滋病感染的表现是一致的。她担心她的孩子是否有被感染，在医生检查她的产前记录后，确认她在两次怀孕期间的艾滋病病毒筛查测试都是阴性的。

因为第一次的CD4细胞计数也可能是由于心理压力而降低的，所以医生对CD4细胞进行了重复计数，第二次的计数结果是 290×10⁶/L。确诊后，她接受了高效抗逆转录病毒治疗(HAART)，使用由三种不同逆转录酶抑制剂组合而成的药物。她对逆转录酶抑制剂组合药物耐受性高，开始治疗后，她体内的病毒载量迅速下降，CD4细胞计数逐渐改善(Fig. 33.7)。

Fig. 33.7 高效抗逆转录病毒疗法(HAART)对 HIV 病毒载量和CD4细胞计数的影响。病毒载量在其复制周期被阻断后迅速下降，CD4细胞计数需要更长的时间才能恢复

HIV感染的患者需要免疫学(CD4细胞计数)和病毒学(病毒载量)监测。CD4细胞计数的结果代表着不同程度的机会性感染风险。例如，CD4细胞计数低于 200×10⁶/L 的患者患吉罗维氏肺孢子虫肺炎(PJP)的风险很高，应该接受预防性药物治疗(预防性治疗)。病毒载量测试可以测量HIV病毒血症，并反映疾病进展的长期风险。病毒载量和CD4细胞计数用于确定使用抗逆转录病毒药物治疗的预后效果。上述这名患者的病毒载量非常高，并且检测表明她的CD4⁺T细胞显著消耗。CD4细胞计数采用流式细胞仪(Fig. 5.7)，其数量受激素影响。例如，CD4细胞计数随着皮质类固醇在一天的不同时间段分泌量的不同而出现变化，在早上时CD4细胞计数最低，当机体出现急、慢性应激时皮质类固醇的分泌会抑制CD4细胞计数。此外，CD4细胞计数也会受到雌激素水平的影响，因此在月经周期的不同阶段也会有所不同。在监测CD4细胞计数时需要综合考虑上述因素。