快报 | BCG诱导的训练免疫的历史、机制和潜在应用

作者：陈晶晶，高利，吴新雅，范雨鑫，刘玫肖，彭莉，宋杰琴，李冰雪，柳爱华，宝福凯

第一作者及单位：陈晶晶、高利和吴新雅，昆明医科大学云南省高校热带传染病重点实验室/云南省儿童重大疾病研究重点实验室，昆明市儿童医院/昆明医科大学生物化学与分子生物学系/昆明医科大学病原生物学与免疫学系

通信作者及单位：柳爱华和宝福凯，昆明医科大学云南省高校热带传染病重点实验室/云南省儿童重大疾病研究重点实验室，昆明市儿童医院/昆明医科大学生物化学与分子生物学系/昆明医科大学病原生物学与免疫学系/云南省热带病示范型国际科技合作基地

BCG-induced trained immunity: history, mechanisms and potential applications.

Chen J, Gao L, Wu X, Fan Y, Liu M, Peng L, Song J, Li B, Liu A, Bao F.

J Transl Med, 2023, 21(1):106.

doi: 10.1186/s12967-023-03944-8.

PMID: 36765373.

摘  要

卡介苗（Bacillus Calmette-Guérin，BCG）的发现和应用已有百年历史。BCG不仅可以预防结核病，还能对机体产生非特异性保护作用。BCG诱导的训练免疫由单核细胞、巨噬细胞和自然杀伤细胞等先天免疫细胞介导发挥作用。训练免疫的机制包括表观遗传重编程、代谢重编程和造血干细胞介导的长期保护作用等。到目前为止，训练免疫对癌症、病毒、自身免疫病，以及其他多种疾病发挥有利的作用，尤其对治疗膀胱癌、呼吸道病毒和1型糖尿病等疾病有效。BCG对免疫反应的调节作用，推动了多种重组疫苗的发展，从而提供更多治疗疾病的手段。尽管BCG预防与治疗疾病的具体机制还没有完全明确，但BCG的潜在作用值得进一步挖掘，这对治疗疾病具有重大意义。

关键词：卡介苗；训练免疫；表观遗传重编程；代谢重编程；病毒感染；癌症

正文

BCG是通过连续传代获得的牛分枝杆菌减毒菌株。1908年，在里尔巴斯德研究所，Albert Calmette和Camille Guéri通过甘油胆汁马铃薯培养基首次分离出牛分枝杆菌。从1908年到1921年，他们对该菌株进行了连续传代，最终发现该菌株可保护机体免受毒性结核分枝杆菌的攻击，将其命名为BCG。训练免疫是先天免疫细胞在外源性或内源性刺激物诱导下的长期功能重编程，在恢复到非活性状态后，经再次刺激后产生的效应因子功能增强。与经典的免疫记忆相比，训练免疫首先涉及与经典免疫记忆不同的细胞（如髓系细胞和自然杀伤细胞）、模式识别受体和细胞因子；其次，在训练免疫过程中，对再次刺激的反应性增加并不针对特定的病原体；最后，经过训练的免疫依赖于先天免疫细胞功能状态的变化，这种变化在初始刺激消除后持续数周至数月，而不是数年。

BCG诱导的训练免疫史

1921年7月18日，BCG首次作为疫苗在巴黎的一家医院接种给一名母亲死于结核病的男婴。1924年，随着BCG的广泛接种，人们开始发现BCG的作用不仅仅是预防结核病。1928年，Pearl在尸检研究中发现结核病患者的癌症发病率较低，随后的流行病学研究也表明，BCG可以降低儿童死亡率，但这并不依赖于它对结核病的影响。1964年，MacKaness研究表明，某些病原体的感染会使宿主对其他不相关病原体产生高度抵抗力，既宿主具有非特异性保护。有研究表明，BCG可以诱导宿主对抗其他感染。1988年，Bistoni等报道这种非特异性保护在无胸腺小鼠中也能被诱导，并且不依赖T/B细胞。2003年，Garly等研究表明，西非儿童接种BCG可以降低除结核病以外的其他感染引起的发病率，从而降低总体死亡率，这得益于BCG的非特异性保护。

直到2011年，研究发现这些非特异性保护作用是由先天免疫细胞介导的。2012年的一项研究表明，训练免疫是由BCG诱导先天免疫细胞的表观遗传重新编程而产生的。2014年，Saeed证明了表观遗传调节在单核细胞到巨噬细胞分化和训练性免疫途径的重要性。2016年的一项研究进一步表明，细胞代谢重编程是BCG诱导的训练免疫的核心过程，代谢和表观遗传修饰相互交织（图1）。

图1 BCG和训练免疫史

训练免疫机制

诱导训练免疫发展的分子机制之一是表观遗传重编程。不同类型的表观遗传修饰包括DNA修饰、非编码RNA、组蛋白修饰和染色质重塑。除表观遗传重编程外，不同的细胞代谢途径参与单核细胞、巨噬细胞和NK细胞训练免疫的调节和发展。表观遗传重编程是由免疫细胞代谢通量的改变所调节的。训练免疫可以起到抗感染的长期保护作用，是通过与造血干细胞的相互作用的结果（图2）。

图2

BCG通过与NOD2受体结合诱导训练免疫。Akt/mTOR通路随后被激活，代谢转向糖酵解。BCG诱导先天免疫细胞表观遗传和代谢重编程，以训练先天免疫。通过与造血干细胞的相互作用，对感染起到长期的保护作用。当机体再次受到BCG刺激时，训练免疫后的细胞产生更多的促炎细胞因子

表观遗传重编程

BCG通过与细胞内模式识别受体核苷酸结合寡聚化结构域蛋白2（nucleotide-binding oligomerization domains 2，NOD2）受体结合诱导训练免疫。BCG接种诱导人类单核细胞中编码炎性细胞因子的基因启动子位点的组蛋白修饰和表观遗传重编程。经过训练的单核细胞和巨噬细胞表现出功能性和表观遗传重编程，导致促炎细胞因子IL-6、IL-1、TNF-α和趋化因子的产生增加，并提高了吞噬和杀伤能力。同时，BCG还促进NK细胞产生IL-1β、IL-6等促炎细胞因子，协调局部和全身炎症反应。TNF-α和IL-1β依次激活局部内皮细胞，增加血管通透性，将血清蛋白和白细胞招募到感染部位。此外，IL-1β与IL-6一起激活肝细胞产生急性期蛋白，从而激活补体。中性粒细胞功能增强可持续至少3个月，这与赖氨酸4的组蛋白3三甲基化（trimethylation of lysine 4 on histone H3 protein subunit，H3K4me3）的全基因组表观遗传修饰有关。巨噬细胞经过训练免疫后各种模式识别受体（TLR4、CD206和CD14）、趋化因子受体（CCR2和CXCR4）及共刺激和（或）信号分子（CD43、CD14、CD40）的表达增强，这些因子的改变与染色质重塑标志H3K4me3相关。这些受体有利于刺激T细胞、血管生成和伤口愈合。BCG可能改变骨髓的微环境，影响细胞因子的产生和病原体相关分子模式，还可能间接影响造血干细胞和祖细胞的功能。IL-1β可能是BCG对单核细胞和巨噬细胞的外周刺激与骨髓祖细胞水平上的长期功能重编程之间的内源性介质。

代谢重编程

BCG接种后，外周血单个核细胞中糖酵解、氧化磷酸化和谷氨酰胺分解代谢途径上调。单核细胞的糖酵解代谢增加，导致细胞的代谢程序从氧化磷酸化转变为有氧糖酵解（Warburg效应）。Arts等研究表明，BCG诱导单核细胞的训练性免疫伴随着通过激活Akt/mTOR通路向糖酵解的代谢转移。代谢物不仅为生物合成提供底物，还通过信号通路和基因表达调控免疫应答。大多数代谢物是表观遗传酶活性的重要底物和辅助因子。健康个体服用哺乳动物雷帕霉素依赖的糖酵解靶点抑制剂二甲双胍后，训练免疫反应降低，并且组蛋白H3K9三甲基化（trimethylation of lysine 9 on histone H3 protein subuni，H3K9me3）下降。

潜在的应用

一、预防和治疗结核病

一项在乌干达进行的试验表明，1962—1970年间，接种BCG对该地区儿童早期结核性麻风病具有主要且持续的保护作用。近年发现，在严格的结核菌素试验测试后，给予婴儿或学龄期儿童接种BCG，可以预防肺部疾病，而且对结核性脑膜炎和粟粒型结核病的保护作用似乎大于对肺结核的保护作用。因此，早期接种BCG有利于降低这些疾病的发病率。

二、癌症治疗

1959年，Old LJ等首次直接证明了BCG具有抗肿瘤作用后，人们发现BCG可以通过诱导免疫刺激效应来减缓肿瘤的进展。1976年，Morales等首次使用BCG治疗浅表性膀胱癌，结果显示良好。直到现在，BCG疗法仍是治疗非肌肉浸润性膀胱癌的标准疗法。BCG还可以降低罹患黑色素瘤的风险，而且还是III期黑色素瘤患者的治疗选择。儿童早期接种BCG与降低患肺癌和白血病的风险有关。研究表明，BCG对肾癌和前列腺癌可能有效。

三、抗病毒效应

BCG可针对多种病毒发挥效应。BCG诱导的单核细胞全基因组表观遗传重编程被证明能够保护人类免受黄热病减毒疫苗株的实验性感染。一项小鼠实验研究表明，BCG可以预防各种DNA和RNA病毒，包括疱疹和流感病毒。接种BCG还可以增强对抗破伤风类毒素和脊髓灰质炎病毒疫苗的异源反应。一项双盲随机对照研究表明，皮内注射BCG在一定程度上治疗病毒性疣更有效。近年来，人们发现BCG对新型冠状病毒感染（COVID-19）具有巨大的潜力。出生时接种BCG诱导的训练免疫可能保护宿主不受COVID-19的感染。然而，另一项分析未发现BCG的保护作用。BCG对COVID-19的作用尚无明确证据，有待进一步研究。

 四、治疗自身免疫性疾病

研究发现，BCG接种与晚期1型糖尿病患者高血糖的降低有关。在小鼠实验中，BCG感染可抑制实验性自身免疫性脑脊髓炎的发展。BCG还可以延缓多发性硬化症和脑病变的进展。有趣的是，一项队列研究表明，BCG不影响儿童时期哮喘、湿疹或花粉热的患病率。但有研究发现，新生儿接种BCG与低哮喘发病率相关。

五、其他疾病和潜在的不良反应

BCG对膀胱癌的免疫治疗与罹患阿尔茨海默病和帕金森病的风险显著降低有关；而且，BCG也减少了部分志愿者感染人类疟疾的机会，但通过接种BCG预防疟疾的证据并不充足。BCG还可促进慢性炎症性疾病的进展，这表明训练免疫对治疗癌症、病毒感染和自身免疫性疾病有好处，但训练免疫也可能存在有害的作用。

讨论

关于训练免疫还有很多需要研究的地方。首先，应深入研究训练免疫的机制，包括所涉及的不同细胞的分子机制和信号通路，并进一步阐明代谢重编程和表观遗传过程是必需的。其次，为了促进其应用于更多的临床疾病，有必要明确训练免疫对不同疾病的影响。最后，训练免疫的非特异性保护可用于开发新一代疫苗，实现不同疫苗的交叉保护潜力。

注：除非特别声明，本公众号刊登的所有文章不代表《中国防痨杂志》期刊社观点。

供稿：陈晶晶

编辑：孟莉

审校：范永德

发布日期：2023-02-17

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