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給疲乏戰士捎來體力藥水:提升 CD8+ T 細胞對抗 C 型肝炎病毒的戰鬥力

1980 年代的台灣人民一度活在 B 型肝炎病毒的陰影之下。當時全國的 B 型肝炎帶原率約爲 15% 至 20%,帶原者約爲 350 萬人。因此台灣政府首當其衝在 1986 年便開始全面在新生兒身上接種疫苗,比世界衛生組織所訂立的目標早 10 年開始推動這樣大規模的預防注射計劃。2018年的帶原率更下跌至 1%。台灣在這場肝炎聖戰中,打出了公共衛生史上漂亮的一仗 [1]!

然而 C 型肝炎病毒(Hepatitis C Virus,  HCV)作爲導致慢性肝病的第二大凶手,卻沒有預防性疫苗可以接種。遭 HCV 感染后,約有 20% 至 40% 的感染者能夠藉助免疫系統在短時間内清除體内的病毒,餘下 60% 至 80% 的病人則會因爲病毒持久地殘留體内而逐漸演變爲慢性發炎 [2],甚至步上有名的肝癌三部曲「肝炎—肝硬化—肝癌」。

許多研究指出在慢性感染的患者體内,CD8+ T細胞大多呈現耗竭(exhaustion)的狀態。持續性的病毒抗原刺激就是導致 CD8+ T 細胞功能障礙的原因 [3]。耗竭細胞表面大量呈現免疫抑制的受體並發生大量代謝機制的改寫(metabolic reprogramming),使 CD8+ T 細胞無法有效分泌白血球介素-2(Interleukin-2, IL-2)促進擴增以及抑制病毒複製的細胞因子如干擾素-γ(Interferon-γ, IFN-γ)與腫瘤壞死因子-α(Tumor necrosis factor-α, TNF-α)[4]。

目前對於耗竭 CD8+ T 細胞失調的基因輪廓和代謝機制已經有一定的瞭解,但這些改變對於 CD8+ T 細胞功能不全的貢獻與造成這些改變的原因仍然處於未知的狀態。就在 1 月30 日,Dr. Valeria Barili 的團隊在 Nature Communication 上發表了他們如何利用全基因轉錄體分析配合多種代謝功能檢定去解密 CD8+ T 細胞過渡到耗竭狀態的分子機轉,以及如何利用標靶藥物逆轉細胞的耗竭狀態,是一個十分振奮人心的研究成果!

研究團隊首先分別從 T1 早期感染(肝功能判斷指標血清轉氨酶,ALT 達到峰值後的一個月内)和 T2 晚期感染(ALT 上升及達到峰值的一年内)的病人身上各收集了兩種 HCV 專一的 CD8+ T 細胞,可細分爲 T1/急性自限性、T1/急性轉慢性、T2/康復以及 T2/慢性發炎。將以上四種細胞進行主成分分析以及拓撲分析後發現 T1 和 T2 的細胞失調的基因有不同的變化趨勢(Figure 1)。因此他們將實驗分爲 T1 和 T2 兩個大方向去進行。

Figure 1
圖片來源:Barili, V., Fisicaro, P., Montanini, B. et al. Targeting p53 and histone methyltransferases restores exhausted CD8+ T cells in HCV infection. Nat Commun 11, 604 (2020). DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-019-14137-7
圖片說明:左圖為 T1 與 T2 CD8+ T 細胞基因表現的主成分分析;中間的圖為 HCV 專一 CD8+ T 細胞在 T1 與 T2 共同失調的 15 個基因;右圖爲 14 個單獨在 T1 HCV 專一 CD8+ T 細胞的基因表達變異。

與 T1 自限性病人相較之下,T1/ 急性轉慢性感染的耗竭 CD8+ T 細胞通過基因功能富集(Gene Set Enrichment Analysis,GSEA)以及代謝功能分析後發現醣解相關蛋白下調同時伴隨著粒線體代謝缺失(Figure 2),導致細胞的能量供給不足無法進行有效擴增並促成耗竭的發生。

Figure 2
圖片來源:Barili, V., Fisicaro, P., Montanini, B. et al. Targeting p53 and histone methyltransferases restores exhausted CD8+ T cells in HCV infection. Nat Commun 11, 604 (2020). DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-019-14137-7
圖片說明:左上為 HCV 專一性 CD8+ T 細胞經過抗 CD3 和 CD28 刺激以後的染色示意圖。由中上至右下依序為葡萄糖吸收、GLUT1(Glucose Transporter 1)蛋白、粒線體膜去極化比例、粒線體自由基、細胞質自由基以及 H2O2 在 T1/ 急性轉慢性、T1/ 急性自限性以及流感康復病人的 CD8+ T 細胞的情況。


循著這些失調基因的調控網路反向延伸,科學家們意外發現 p53 和上游的 ATM(Ataxia Telangiectasia Mutated)kinase 就是身處整個互動網路中心的蛋白,並且因爲表現量和磷酸化程度的上升而抑制了 CD8+ T 細胞的代謝。爲了更加瞭解在 T1 時期導致 CD8+ T 細胞進展到耗竭狀態的信息傳遞路徑,研究團隊使用了該路徑的抑制劑(ATM,p53, AMPK, p38a blockade)。結果顯示藥物不止重新活化 CD8+ T 細胞的葡萄糖攝取、醣解等能力,甚至還提升了抗病毒細胞因子(IL-2,IFN-γ,TNFα)的分泌以及降低免疫抑制受體 PD-1,CTLA4 等的表現(Figure 3)。

Figure 3
圖片來源:Barili, V., Fisicaro, P., Montanini, B. et al. Targeting p53 and histone methyltransferases restores exhausted CD8+ T cells in HCV infection. Nat Commun 11, 604 (2020). DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-019-14137-7
圖片說明:圖片由左上至右下分別爲在接受ATM-p53訊息傳遞阻斷劑前後葡萄糖吸收、 PD-1表現、抗病毒細胞因子 IFN-γ、TNFα、IL-2 在 HCV 專一性 CD8+ T 細胞的改變倍率


與 T1 形成强烈的對比,T2 的 CD8+ T 細胞在許多和 T1 共同失調的基因裏有大量被下調的現象,在細胞内的表現爲粒線體内自由基過高以及功能不全,還出現了未摺叠蛋白堆積的問題。他們通過 EpiFactors 數據庫比較 T1 與 T2 基因轉錄體後得出了這樣的假設:上調的 HMT(Histone Methyltransferases)以及 EZH2(Enhancer of zeste homolog 2) 對核苷酸的甲基化修飾也許就是導致基因表達靜默的主謀。在使用了 HMT 和 EZH2 抑制劑以後,細胞的代謝以及抗病毒能力就得到大大的提升,由此證明他們的假設是正確的。

狡猾的病毒總是挾持其它細胞幫助它進行複製,面對不斷增加的敵人,再驍勇的 T 細胞也會有疲憊的一天。本篇文章利用 p53 和 HMT 抑制劑調配成了給戰士的體力恢復劑,不僅幫助 CD8+ T 細胞重新建立起能量產生的機制(醣解以及粒線體代謝功能)還協助它增强對抗病毒的兵器(抗病毒細胞因子)。新藥開發的速度趕不上病毒一日千里的演化,强化我們自身的免疫力也許才是對抗病毒大流行的不二法門。團隊的發現不僅限於 HCV的感染,在其它如 B 型肝炎病毒、人類免疫缺失病毒的慢性感染中也觀察到類似的現象以及基因轉錄圖譜的改變,暗示著活化耗竭細胞的思維也許能夠應用在各種病毒的感染中。也許在未來,這類活化疲憊免疫細胞的療法甚至能夠應用在非病毒性的慢性發炎如癌症的治療,這一切指日可待!

參考文獻:

  1.       許須美, 台灣B型肝炎疫苗史. 疫情報導 1998年. 第14卷 第3期.
  2.       Barili, V., et al., Targeting p53 and histone methyltransferases restores exhausted CD8+ T cells in HCV infection. 2020. 11(1): p. 1-20.
  3.       Mueller, S.N. and R.J.P.o.t.N.A.o.S. Ahmed, High antigen levels are the cause of T cell exhaustion during chronic viral infection. 2009. 106(21): p. 8623-8628.
  4.       Rehermann, B.J.N.m., Pathogenesis of chronic viral hepatitis: differential roles of T cells and NK cells. 2013. 19(7): p. 859.

撰文|馮家鳴

審稿|鄭藹華

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鄭藹華

目前為長庚大學醫學系一年級學生。畢業於香港中文大學生物化學系,並曾於中文大學醫學院擔任研究助理的工作,主要負責心血管疾病有關的臨床研究。在工作中與病患和醫護的接觸讓我再度萌生報讀醫學系的想法。在機緣巧合下,我便來到台灣。以往臨床的工作環境讓我體會到基礎研究和臨床應用之間的差距,我希望能在日後扮演連接兩者的角色,讓科研成果能幫助更多的人。我希望透過Investigator這個平台推廣生醫、促進不同生醫領域人士之間的交流,並結織更好志同道合的朋友,增廣見聞。

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