调节性T(T reg)细胞是免疫耐受的关键调节器。大多数T调节细胞是根据CD4、CD25和转录因子FoxP3的表达来定义的。然而,这些标记物已被证明在唯一定义人类的这种特殊T细胞亚群方面存在问题。我们发现IL-7受体(CD127)在CD4亚群上下调+外周血中的T细胞。我们证明这些细胞中的大多数是FoxP3+包括那些表达低水平或无CD25的。CD4、CD25和CD127的组合产生了高度纯化的T调节细胞群,这使得之前根据其他细胞表面标记鉴定的细胞数量显著增加。在功能抑制试验中,这些细胞具有高度抑制性。事实上,仅基于CD4和CD127表达分离的细胞是无活性的,尽管至少是细胞数量的三倍(包括CD25和CD27)+CD4细胞+和CD25−CD4细胞+T细胞亚群),与“经典”CD4一样具有抑制作用+CD25型你好T细胞亚群。最后,我们证明CD127可用于量化1型糖尿病患者的T调节细胞亚群,支持将CD127用作人类T调节细胞的生物标记物。
在过去十年中,我们对控制免疫耐受的基本过程的理解取得了巨大进展。CD4的鉴定+CD25型+调节性T(T reg)细胞作为自我耐受的一个重要组成部分,开辟了免疫学研究的一个主要领域,许多研究表明,T reg细胞在抑制自身免疫性疾病、移植和移植物抗宿主病的病理免疫反应方面具有强大的作用(有关综述,请参阅参考文献1–6). T reg细胞具有独特而强大的治疗特性。这些细胞需要特异性TCR介导的激活来产生调节活性,但其效应器功能似乎是非特异性的,通过细胞接触和抑制细胞因子的产生来调节局部炎症反应(7–9). 此外,有几种治疗干预似乎可以促进T调节细胞的发育和功能(10,11). 这种所谓的“适应性”T调节细胞群体具有胸腺依赖性天然T调节细胞的许多属性,但在关键细胞表面生物标记物和功能属性上可能有所不同(12). 例如,已描述Tr1和Th3细胞分别产生IL-10和TGFβ(13,14). 这些结果导致了免疫治疗的新方法,正如在小鼠中分离和扩大这种细胞亚群的能力导致了免疫疾病的新治疗干预(6,15). 然而,在人类环境中研究和应用T调节细胞的一个主要障碍是缺乏特定的细胞表面生物标记物来定义和区分T调节细胞与其他调节或效应T细胞亚群。
尽管许多研究表明CD25是调控亚群的关键细胞表面标记物(16,17)与小鼠不同,一些研究表明只有CD4+表达最高水平CD25(称为CD25)的T细胞亚群你好)具有体外抑制活性(16). 此外,其他标记物如HLA-DR的加入表明,即使CD4的百分比更低(通常<1%)+T细胞构成抑制性T细胞亚群。最后,一些标记物,如CTLA-4和GITR,据报道在T调节细胞上表达(18–21),也在强效效应T细胞上表达,因此使免疫表型和确定其功能作用成为问题(22,23). 这导致了一些关于疾病环境中T调节细胞定量的不同报告。例如,一些研究表明CD4的数量+CD25型你好1型糖尿病(T1D)患者的T调节细胞缺乏(24)而其他人则认为T1D中这些细胞的数量和功能正常(25). 此外,从外周血中仅分离出有限数量的这些细胞的能力,使得这种调节细胞群的扩大成为问题。
小鼠和人类T调节细胞研究的一个重要进展是发现了转录因子FoxP3,它是T调节细胞发育和功能的主要标记物和功能调节器(26–29). 在一系列优雅的小鼠和人类遗传学研究中,研究人员证明FoxP3基因突变与Scurfy小鼠和患有免疫失调、多内分泌疾病、肠病、X连锁综合征(IPEX)疾病的人类的自身免疫表现有关(28). 随后对小鼠的研究表明,缺乏FoxP3的动物缺乏T调节细胞,而过表达Fox P3蛋白会导致严重的免疫抑制(30). 尽管最近的研究质疑是否所有的T调节细胞都是FoxP3+或是否所有FoxP3+T细胞是调节性的,FoxP3蛋白仍是迄今为止T调节细胞最好和最特异的标记物(30). 在这方面,流式细胞术和免疫组织化学分析表明,FoxP3在T细胞中的表达明显多于之前使用其他可用的细胞表面标记物(包括CD25)确定的T细胞。在CD25低CD4和阴性CD4中发现FoxP3蛋白+T细胞和某些条件下的CD8+T细胞(30,31). 因此,在当前的生物标记物研究中,很可能遗漏了许多天然和适应性T调节细胞,从而对某些自身免疫环境中的缺陷或缺陷相关结论提出了质疑。重要的是,由于FoxP3是一种细胞内蛋白,因此不能用于分离人类T调节细胞用于功能研究或用于细胞治疗的体内扩增,从而限制了其在人类环境中的使用。
为了确定人类T reg细胞的新生物标志物,我们结合了基因表达微阵列、流式细胞术和功能测定来鉴定区分人类T reg细胞的新细胞表面蛋白。我们观察到IL-7R(CD127)在激活后在所有人类T细胞上下调。与报道的CD127在大多数效应和记忆T细胞上的再表达相反(32–35),福克斯P3+T细胞保持CD127lo/−事实上,CD127lo/−,福克斯P3+T细胞占CD4的显著百分比+外周血中的T细胞。我们证明FoxP3与CD127启动子相互作用,并且考虑到其所谓的阻遏功能,可能导致T调节细胞中CD127的表达降低。最后,我们发现分离的CD4+CD127型lo/−T细胞亚群是无能的,在体外抑制同种异体抗原反应。总的来说,这些数据表明记忆性T细胞之间存在两分法,即IL-2R洛白细胞介素-7R你好和监管FoxP3+T细胞,在大多数情况下上调IL-2R,同时保留IL-7Rlo/−(30). 因此,CD127生物标记物可用于选择性富集人类T调节细胞,用于体外功能研究和潜在的体内治疗。
为了鉴定与T reg细胞的功能和表型相关的额外细胞表面标志物,进行微阵列分析,比较CD4表达的mRNA+CD25型你好带有CD4的T细胞+CD25型否定从健康供体PBMC分离的T细胞。从三名献血者中制备mRNA,并在Affymetrix U133A基因芯片上制备和测试cRNA。分类参数基于已发表的研究,其中CD4的前1–2%+CD25型+T细胞被选为T调节细胞亚群的原型(16,37). 在两个亚群之间存在差异的基因中,CD4中IL-7R(CD127)的表达水平低2.4倍+CD25型你好T细胞与CD4的比较+CD25型否定T细胞。为了证实这一发现,从三个独立的CD4中分离出mRNA+CD25型你好和CD4+CD25型否定用实时定量PCR(qPCR)检测T细胞制剂。CD127 mRNA的表达与CD25的表达呈负相关。事实上,CD4细胞的表达水平降低了3.14+CD25型你好T细胞与CD4的比较+CD25型−T细胞(范围:2.26–4.21倍)。
正如基因表达研究预测的那样,大多数CD4+CD25型+细胞,尤其是CD4+CD25型你好T细胞CD127低表达(图2 a). 然而,并非所有的CD4+CD127型lo/−T细胞为CD25+事实上,CD4的显著百分比+CD127型−T细胞(该个体中15.8%)为CD25阴性。也就是说,大多数CD4+CD25型−T细胞为CD127明亮型(73.8%),占基因阵列分析中观察到的差异表达。更重要的是,流式细胞术分析CD127阳性和阴性T细胞亚群中FoxP3的表达表明+CD127中有T细胞lo/–T细胞亚群(图2b). 有趣的是,CD127的相对表达与FoxP3呈负相关,FoxP3表达CD4最高+表达最低水平CD127的T细胞。这些结果在20多名受试者中得到一致观察。
在小鼠中也观察到类似的结果。CD4细胞+对FoxP3-GFP敲除小鼠分离的T细胞进行CD127染色(36,38). 绝大多数小鼠CD4+福克斯P3+T细胞为CD127lo/−(图3 a). 对这些小鼠的进一步分析表明,CD4+CD25型+福克斯P3+T细胞为CD127lo/−然而,与人类一样,CD127是一个比CD25更好的标记物,因为所有CD4+T细胞为CD127lo/−独立于CD25表达(图3b).
使用多参数流式细胞术进一步研究CD4、CD127、FoxP3和CD25的关系(图4). 绝大多数CD4+CD25型+CD127型lo/−T细胞表达FoxP3(该个体中94%)(图4a). 然而,CD4的显著百分比+CD25型−CD127型lo/−细胞也是FoxP3+(该个体为35%),尽管平均荧光通常小于CD4+CD25型你好细胞。与此形成鲜明对比的是,FoxP3很少+CD4中的T细胞+CD127型+除表达CD25的人群中的一小部分外(图4b). 有趣的是,CD4的回馈+CD127型+福克斯P3+亚群显示CD25在这些T细胞中的表达是中间的,与CD25不同你好该子集被描述为“经典”T调节细胞(未发表的数据),表明它们可能是一个过渡细胞。最后,值得注意的是,在这个个体中(这是大多数受试个体的代表),FoxP3的显著百分比+CD4中的T细胞+CD25型−CD127型lo/−T细胞亚群。后门控显示这些细胞落在CD25内整数人口(未发布的数据)。从10名健康供体获得的PBMC中,先对CD4、CD127、CD25的细胞表面表达进行染色,然后用FoxP3特异性单克隆抗体进行细胞内染色,也观察到类似的结果(图4c和表一). 对多人的检查证实,大多数CD4+福克斯P3+T细胞位于CD25内+CD127型lo/−子集;然而,在一些个体中,CD25的显著百分比−CD127型lo/−和/或CD25+CD127型+T细胞为FoxP3+。如中所示表一,~40%的CD4+CD127型lo/−细胞为FoxP3+相比之下,只有2.5%的CD4+CD127型+值得注意的是,CD4平均>85%+CD25型+CD127型lo/−细胞为FoxP3+因此,CD127是一种比CD25更好的细胞表面标记物,用于识别CD4+福克斯P3+T细胞;然而,细胞表面标志物的最佳组合是CD4+CD25型+CD127型lo/−占FoxP3的约80%+取决于个人。因此,CD4的广泛门控策略+CD25型+CD127型lo/−产生高纯度FoxP3+T细胞群与其他亚群的比较(图4b).
T调节细胞作为维持免疫耐受的重要途径的出现,为更好地理解免疫稳态和治疗干预的潜力提供了机会。然而,与小鼠不同的是,T reg细胞的人类表型一直很复杂。通常,研究人员已经注意到,最具抑制性的T调节细胞与CD4一致+CD25染色最亮的T细胞。不幸的是,CD25的精确选通能力相当武断,因为没有其他细胞表面标记可用于明确识别子集。Baecher-Allen建议其他标记物,如HLA-DR,可以对CD4进行细分+CD25型你好子集进一步丰富T调节细胞活性(41). 然而,这个额外的标记表明,T reg细胞的数量甚至比之前建议的还要少,尽管同一组最近发表的一篇论文表明,DR−T调节细胞也有抑制作用,但具有不同的动力学和机制(42). FoxP3作为标记这些细胞的特异转录因子的鉴定表明,人类外周血中的T调节细胞数量可能比以前估计的要多,尽管这是由于一些活化CD25中的意外表达而引起的争议−T细胞群(30,38). 然而,由于FoxP3不能用作纯化细胞功能的手段,这些研究因缺乏可用于分离这些和其他T细胞亚群以检测T调节细胞活性的细胞表面标记而受到损害。在本文中,我们证明CD127的表达是人类T调节细胞的一个极好的生物标志物,尤其是当与CD25结合时。这些标记物的组合识别了占CD4的7-8%的T调节细胞+T细胞,比以前的方法识别出的比例大得多。此外,这些细胞抑制MLR中同种异体反应T细胞的增殖反应,并且自身对相同刺激无反应,这是CD4的共同特征+CD25型你好人类T调节细胞。
这些结果提出了几个关键问题。首先,因为大多数CD4+福克斯P3+T细胞可能不属于人类T调节细胞的典型大门,用于功能和免疫表型分析的研究可能缺少大量假定的T调节细胞。这对确定各种疾病患者的数量差异具有重要意义。其次,CD4+CD127型−CD25型−T细胞抑制异基因MLR使那些表明FoxP3不是T调节细胞活性“良好”标记物的研究受到质疑。这可能是因为FoxP3是一个很好的标记物,在正常T细胞激活期间出现的小群体实际上是适应性T调节细胞,由于次优或超优的TCR信号传导而扩张。然而,应该强调的是,并非所有FoxP3+T细胞必然是T reg细胞,它们的活性可能取决于FoxP3的表达水平和所表达的蛋白质的亚型。然而,这些CD4+CD25型+CD127型lo/−一旦分离,可在体外用TGFβ或其他因子处理,以增强这些细胞中的T调节细胞功能。第三,在基于CD25表达的任何分离策略中,对T调节细胞的低估可能会阻碍选择T调节细胞进行体外扩增的努力。识别和选择大量循环在人类外周血中的T调节细胞的能力,特别是那些患有自身免疫性疾病的患者,可能会更容易为免疫治疗扩大足够的细胞数量。最后,CD127作为区分效应器/记忆与T调节细胞的标记物的鉴定可能表明,抗CD127治疗可能适合于治疗自身免疫性疾病,如T1D、系统性红斑狼疮或多发性硬化症。
遗传观察预示着CD127是一个有用的标记。首先,对单个T细胞亚群mRNA的微阵列分析表明,CD127在CD4中的表达水平显著降低+CD25型你好与CD4相比+CD25型−T细胞。与大多数活化的T细胞快速再表达CD127和记忆性T细胞表达高水平CD127不同,T调节细胞群仍然是CD127lo/−。这可能有两个原因。首先,T reg细胞可能持续受到CD28依赖的抗原刺激,导致持续的信号传导关闭CD127 mRNA转录。在这方面,值得注意的是,通过抗CD3加抗CD28而非仅抗CD3激活原始T细胞导致CD127的快速下调(未公布的数据),这表明CD28信号是唯一参与调节CD127下调的信号。另外,并非相互排斥的是,该T细胞亚群中FoxP3的表达可能控制CD127的表达。出现这种情况有几个原因。如流式细胞术染色图谱所示,FoxP3表达越多,CD127越少(图2b). 此外,FoxP3在转基因小鼠中的过度表达导致CD127均匀分布lo/−具有抑制活性的细胞群。最后,使用CHiP分析产生的数据(首先是CHiP-CHiP,然后是CHiP-qPCR)表明CD127启动子是FoxP3结合的靶点。确定CD127的低表达是否确实是体内持续抗原暴露或FoxP3上调导致CD127基因抑制的结果至关重要,尽管这些并不相互排斥。
CD4+CD127型lo/−CD25型−尽管FoxP3的百分比+这个亚群中的T细胞可以是非常可变的。这些结果表明,CD127标记可能有助于识别不同类型的T调节细胞,包括Tr1和TH3细胞。在这方面,目前有几种设置,包括用抗CD3诱导具有调节表型的T细胞治疗T1D患者(11,31,43,44). 这些研究模拟了用非致瘤性CD3抗体治疗的T调节细胞缺乏小鼠的类似结果(10),表明除了先前在这些细胞上观察到的较低CD25表达外,还可以使用CD127作为生物标记物来识别“适应性”T reg细胞反应。
研究结果中更有趣的一个方面是记忆性T细胞与T调节细胞中细胞因子受体表达似乎存在二分法。虽然现在有很高比例的T调节细胞表现为IL-7R低和IL-2R阳性,但记忆性T细胞具有相反的表型,表达高水平的IL-7R和低水平的IL-2R。这种差异表达的理论基础尚不清楚,但它可能反映了细胞存活和这些T细胞亚群扩张不同途径的进化。例如,T调节细胞可能在正常体内平衡中发挥关键作用。因此,细胞试图调节在没有致病反应的情况下可能发生的最早的免疫扰动。由于IL-2是由引流淋巴结中活化的T细胞迅速产生的“早期细胞因子”,IL-2可能是唤醒T调节细胞反应的关键信号,该反应可以有效抑制T细胞在这些淋巴组织中的扩张(45). 相反,IL-7通常在炎症部位局部产生,导致效应细胞的存活和扩张。如果这种局部IL-7表达促进了T调节细胞的扩增,可能会适得其反。此外,避免这些受体使用共同γ链的竞争将增强细胞因子功能的功能。最后,应该注意的是,当所有前T细胞和未成熟T细胞都是CD127时,胸腺中的情况可能会非常不同+和CD25+在发育的这个阶段,其他因素可能会发挥作用,以确定决定T细胞是成为T reg细胞还是原始的传统T细胞的分化途径。
一些研究已经检测了自身免疫性疾病患者T调节细胞的数量和功能。在一些情况下,如多发性硬化、T1D和自身免疫性多腺体综合征II,数据基于CD4的数量和功能+CD25型你好T调节细胞,表明患病个体中的T调节细胞或功能性T调节细胞较少(24,46–48). 然而,在T1D和其他自身免疫性疾病中,有相互矛盾的结果(25,49). 在本研究中,我们重新评估了T1D患者与正常人的T调节细胞。使用新的标记物FoxP3和CD127,我们分析了CD4的频率+CD25型+福克斯P3+CD127型lo/−T细胞。在这项研究中,很明显,CD4、CD25、CD127和FoxP3表达定义的人类T调节细胞与无自身免疫的对照个体在相同的百分比范围内(图8、a和b)。此外,从T1D患者分离出的T调节细胞的功能无法与健康对照者区分(未公布的数据)。我们无法解释我们的研究与其他研究在T1D领域的差异的基础。有人认为,这种差异可能是基于流式细胞术的细胞分离技术的细微差异或所使用的不同单克隆抗体造成的。然而,我们使用不同的标记物来识别人类外周血中绝大多数的T reg细胞,这可能是对这一患者群体中T reg细胞数量和功能潜力的更明确的评估。最后,值得注意的是,与大多数对照组和T1D受试者相比,一些T1D患者的T调节细胞数量较高。这与其他自身免疫性疾病的一些研究一致,其中CD4的频率+CD25型你好据报道,与对照组相比,T细胞增加。此外,这些结果与小鼠研究相符,表明T1D疾病发病时T调节细胞数量增加,以及其他免疫疾病情况(未公布的数据)。我们假设,与其说T调节细胞缺陷是疾病沉淀的原因,倒不如说T调节基因细胞活性增加,以阻止可能确实对T调节细胞产生耐药性的攻击性更强的效应细胞。
总之,我们已经确定CD127是人类外周血T调节细胞的一个优秀标记物。细胞表面标记物在绝大多数T调节细胞上低水平表达,可区分高达10%的CD4+T细胞作为潜在的T调节细胞。此外,在没有CD25的情况下,可以使用细胞表面标记物来分离抑制性T细胞亚群,因此将成为用于诊断和治疗应用的T细胞选择和扩增的有用工具。