[摘 要] 由于新型的醫學生物學研究方法與技術的不斷涌現及應用，傳統免疫學的研究理念已不適應當今的發展需要。因此應用系統的方法探索人體免疫學的奧秘已成為必需，本文就系統免疫學的研究現狀與進展作一綜述。

　　[關鍵詞] 系統免疫學; 免疫學; 模型; 疫苗; 腫瘤; 進展

　　進入 21 世紀后，隨著高通量、高帶寬的方法的應用，各種“組學”研究的進展使醫學生物學的各項數據庫逐漸成形并越加豐富。以還原論為指導的研究理念和方法已經不能適應當今數據信息的發展速度，阻礙了我們對數據背后事實真相的探索步伐。因此，以系統的方法解決人類生命體的問題更符合醫學生物學的本質需求。系統免疫學( Systems immunology) 是應用系統的方法研究免疫系統中所有組分的構成以及這些組分間的相互關系，并分析免疫系統特定時間內的動力學過程。

　　1 系統免疫學研究內容

　　系統免疫學的研究內容分為以下 4 個方面: ① 免疫系統結構及其相互關系: 明確免疫系統的免疫細胞組成，細胞因子及化學因子種類，及其相互作用關系，了解免疫網絡拓撲關系。②免疫系統行為分析: 對免疫系統在時間、空間發生改變的過程中產生的內在變化進行分析。③系統模型的操控: 應用現有或已知的研究成果，進行數字化建模，構建系統模型的運算規律。④免疫系統模型設計: 通過設計出最完美最健康的系統模式，讓疾病系統恢復到健康狀態。

　　2 系統免疫學研究過程

　　系統免疫學的研究過程參照系統生物學也可分為 4 個階段: ①免疫系統初始模型的構建。②系統的干擾和整合: 系統地改變研究對象的內部組分或外部環境，觀測其中的變化，整合相關信息。③系統模型的調整與修正: 通過比較實際數據與預測數據，對初始模型進行修正。④免疫系統模型的進一步檢驗及重復[1]: 通過設定新的系統環境對修改后的系統模型進行再干擾、再整合、再調整與修正，從而對系統進行周而復始的完善。

　　3 系統免疫學研究特點

　　整合是系統免疫學的核心研究內容，包括以下 3 方面: ①免疫系統各組分、各層次間整合，指系統內不同性質的構成要素( 免疫器官、免疫細胞亞群、 CD 抗原、mRNA、細胞因子及化學因子等) 從基因到細胞、組織、個體的各個不同層次的整合。②研究思路的整合，包括橫向與縱向整合，為立體的三維性整合。③研究方法的整合，目前來講是建立系統研究所需要復雜的高水平團隊，包括多個學科。這也是系統免疫學研究項目的開展過程中最大的障礙。干擾是系統免疫學研究的鑰匙，只有對系統模型進行不同成分或條件的干擾，才能真正理解所建免疫模型內部各組分之間的網絡調控關系。

　　4 系統免疫學研究方法

　　系統免疫學的研究方法主要有以下 2 個方面，各種組學實驗和仿真建模。將組學研究中的生物信息轉換為數字化數據，并通過計算機技術進行數字化建模，進一步通過推斷，提出我們的設想，將設想構建于模型，從而達到驗證的目的。再通過周而復始的整合與干擾，完善模型，從而得出免疫系統真正的工作原理。

　　5 系統免疫學研究現狀與進展

　　隨著各種高通量、高帶寬的研究方法的普及應用，以及統計學及信息學的進步，生成大型數據集的能力也相應提高，從而使建立綜合性的免疫反應模型成為可能[2]，系統免疫學也得到了相應的發展。

　　5. 1 疫苗反應和感染性疾病領域的研究 疫苗在免疫系統中可以啟動多種免疫反應，因此應用系統免疫學方法在不同的研究群體中比較不同的疫苗反應是卓有成效的，進而產生了“免疫疫苗學”這一分支學科[3]。對疫苗效果的第一次全面系統的分析是黃熱病疫苗的研究，由于它非常高的免疫應答率，被認為是最成功的疫苗之一[4，5]。而應用系統免疫學的方法進一步對血清細胞因子、細胞表型和功能免疫學進行檢測，以分析疫苗對相關疾病反應的機制，在肺炎、麻疹和流感等疾病中都取得了不錯的進展[6-10]。在研究抗瘧疾的候選疫苗 RTS，S /AS01 的過程中，證明了系統分析方法在識別和保護與免疫原性有關的分子和細胞標志方面的實用性[11]。此外，縱向研究特別適合推斷疫苗的作用機制[12，13]。系統免疫學給疫苗研發領域帶來了新的生機，更適合針對目前應用經典標準方法無法形成有效免疫的病原體( 例如人類免疫缺陷病毒、瘧疾、登革熱病毒或成人結核病等) 進行研究。

　　5. 2 有關衰老的研究 人類疫苗作為免疫系統多種成分的普遍激動劑，用于研究各種條件下的免疫學后果，如遺傳學，腫瘤形成等。大多數人隨著年齡的增長，免疫系統的有效性明顯下降，特別是在 65 ～ 70 歲的時候。早期的研究提示隨著年齡的增長，CD28 - CD8 + T 細胞數量急劇增加[14]，但應用目前的方法，可以對免疫系統進行更多方面的研究。 TCR 庫的多樣性隨年齡增加而逐漸降低，可能與胸腺退化有關[15]，隨之新的 T 細胞產生速度減慢。然而，一個人在 20 多歲就會發生胸腺退化，而幾十年后細胞庫枯竭才發生[16]，那么這是真正的原因嗎? 有關衰老的研究已經證明了免疫系統中的慢性炎癥與心血管疾病之間的緊密聯系。老年人的縱向研究顯示 STAT 家族的磷酸化轉錄因子普遍升高，特別是在 70 和 80 歲受試者的淋巴細胞中，表明這些淋巴細胞已經暴露于炎性細胞因子[17]。由于淋巴細胞在整個體內不斷循環，因此可能“報告”身體上距離較遠的病癥。那些高度磷酸化 STAT 分子的存在通常與血液中炎性細胞因子的升高相關，并且這些受試者的細胞對體外細胞因子刺激的應答能力降低，對細胞因子無反應性與動脈粥樣硬化和心血管疾病的其他方面相關。另一項縱向隊列研究從超過 5 年的轉錄數據中發現，某些編碼炎癥基因組的基因模塊的高表達與老年人持續高血壓和缺乏長壽家族史相關[18]。代謝組學分析發現受試者中存在異常的核苷酸代謝，以及兩個以前未知的與高血壓危險相關的分子模式，顯示出如何用系統方法來建立一個網絡，從而對一種常見但發病機制尚不明確的人類疾病( 如高血壓) 產生重要的認識。

　　5. 3 腫瘤領域的研究 雖然腫瘤形成有多種形式，但特定的癌癥類型與免疫系統之間的關系是一個復雜且鮮為人知的話題。盡管免疫檢查點抑制劑和嵌合抗原受體( CAR) T 細胞的新型免疫治療方法展示出明顯的抗腫瘤效果，但前者僅在部分患者中有效，而后者尚未對實體瘤有效。迄今為止針對腫瘤抗原的臨床免疫性疫苗的研究還未達到預期目的[19]。旨在了解檢查點抑制劑效果的研究( 通過基因組學、系統免疫學與生物信息學分析聯合應用) 發現，該免疫療法與 T 細胞對突變腫瘤抗原的應答相關，這種應答通常被免疫檢查點抑制劑激活[20-22]。此外，癌癥小鼠模型的系統分析已經表明，涉及免疫系統的多個組成部分，并提供了沿此路線進行人類研究的模板和基本原理[23]。近年來，單細胞轉錄組測序技術逐漸被廣泛應用于腫瘤浸潤免疫細胞的研究。腫瘤浸潤免疫細胞的響應機制一直以來是研究人員關注的重點，與傳統測序手段相比，單細胞測序在研究細胞群體內部異質性上具有極大優勢。研究人員利用單細胞轉錄組測序技術，首次在單細胞水平先后描繪出肝癌及肺癌微環境 T 細胞免疫圖譜[24，25]。研究者發現肝癌中耗竭的 CD8 + T 細胞和 Treg 優先富集，并可能在肝細胞癌中克隆擴增; 肝癌微環境中活化的 CD8 + T 細胞和 Treg 上的 layilin基因表達上調，并在體外抑制 CD8 + T 細胞功能。而在肺癌浸潤 CD8 + T 細胞群中發現與耗竭細胞可能存在狀態轉換關系的“耗竭前”細胞，“耗竭前”細胞相對于耗竭細胞的比例與肺腺癌患者的預后相關。另外，肺癌的浸潤 Treg 中存在一群處于激活狀態的 Treg，且該群 Treg 表達更高的抑制功能相關基因，提示其為腫瘤中真正發揮抑制功能的 Treg 細胞，激活態 Treg 的比例與肺腺癌患者的預后相關，可作為另一可靠的臨床標志物。

　　5. 4 自身免疫性疾病的研究 系統研究在自身免疫領域中有巨大的潛力，而目前的研究中可以被認為是系統免疫學的研究很少。有一研究顯示，向乳糜瀉患者施用麩質刺激后 6 d 不僅誘導了麥醇溶蛋白特異性 CD4 + T 細胞的激增，而且還誘導了以相似的動力學從血液中出現和消失的寡克隆 CD8 + αβT 細胞和 γδT 細胞[26]。這表明在乳糜瀉患者中 T 細胞反應的復雜性尚未被認識到，這也可能是一致病因素。因為大多數自身免疫性疾病是有性別差異的，所以男性和女性的免疫細胞的活性是不同的。由于系統免疫學在該領域的應用剛剛開始，初步數據應包括健康年輕成人中自身免疫性疾病的性別差異，外周血中含中性粒細胞的細胞亞群及其成熟狀態和系統性紅斑狼瘡患者血清學反等應[27]。關于系統性紅斑狼瘡的研究表明，系統方法應用于此類患者能夠準確識別疾病活動的分子網絡[28]。

　　5. 5 遺傳學領域的研究 由于強大的遺傳分析方法的普遍使用，可以開展許多針對各種免疫性疾病的大型研究，尤其是自身免疫疾病的基因或遺傳多態性。有研究對單卵雙胞胎和雙卵雙胞胎進行分析，結果表明，對于 200 多種免疫學性狀( 包括對抗流感病毒疫苗的應答) 在大多數情況下并非是遺傳影響為主，同時發現巨細胞病毒對其中的大部分有質的影響[29]。此研究說明免疫系統是具有高度適應性的系統，不僅體現在產生特定的 T 淋巴細胞或 B 淋巴細胞，而且在其整體構成中也體現出這種適應性。由于免疫系統利用了數百甚至數千個基因，意味著大多數人會有一些無功能或功能不佳的基因。這種情況通過雜合常常得以改善，但如果在系統中不斷出現冗余，仍是有害的。因此可以解釋有的研究發現，雖然有遺傳負荷，對不太嚴重的疾病易感性并不罕見，但對嚴重傳染病的易感性是非常罕見的[30，31]。

　　5. 6 有關 BCR 和 TCR 庫的分析研究 對系統免疫學而言，建立 T 淋巴細胞和 B 淋巴細胞的應答庫 ( Repertoire) 是研究免疫應答的一個重要方面。隨著 DNA 測序技術的迅速發展、檢測 B 細胞、T 細胞應答多樣性軟件的開發應用，使得這一切成為可能。在抗體反應的研究中，首先使用高通量測序來分析 B 細胞應答[32，33]，數百萬 B 細胞的單細胞測序工作的開展進一步推動了這項工作[34]。研究者也注意到，常見的免疫球蛋白序列模式與特定的特異性相關，這表明可能僅從序列就可推斷出特異性和潛在的效應[35]。對特定病原反應的 BCR 和 TCR 數據庫似乎將成為解釋適應性免疫反應的越來越寶貴的資源。BCR 或 TCR 反應的多樣性以及在免疫防護中的作用在疫苗研發中變得非常重要。是否存在對免疫防護至關重要的特異性 BCR 或 TCR? 在 T 細胞反應中，非特異的免疫反應重要還是特異性免疫反應重要? 仍然是未知的。因此，希望這些方法不僅能啟發人們理解宿主內免疫反應的進化，而且還能在分子水平理解免疫防護的特點。

　　6 總結

　　目前，一般的醫療實踐和診斷并沒有利用太多的免疫學，也不了解過去幾十年來免疫學的進步。盡管系統免疫學已經取得了一個良好的開端，但還有更多的工作要做，在定義相關機制和因果關系方面還存在諸多問題。許多疾病都涉及炎癥反應，但是還沒有運用系統方法進行探索，很多細節還沒有被發現。此外，與先天性免疫應答相比，對感染的適應性免疫反應的生物學意義的理解則更加困難。目前在免疫學領域的研究很大程度上依賴于近交系小鼠模型，但近交系小鼠不能模仿人類的免疫途徑。在這種情況下，人源化的小鼠是一種選擇，但仍在探索中。應該更廣泛地開發體外的細胞和器官系統，使其具有人體內的功能，才能成功地研究其中的機制。總之，系統免疫學在探索人類健康和疾病的進程中打開許多方便之門，這是它對醫學最重要的意義。

　　參考文獻:

　　[1] Dubitzky W. Understanding the computational methodologies of systems biology [J]. Briefings Bioinforamtics，2006，7 ( 4 ) : 315-317.

　　[2] Kidd BA，Peters LA，Schadt EE，et al. Unifying immunology with informatics and multiscale biology[J]. Nat Immunol，2014，15 ( 2) : 118-127.

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