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1 肿瘤生物学 : 肿瘤免疫 ( 上 ) 邝栋明中山大学生命科学学院 贺丹青堂 kdming@mail.sysu.edu.cn il d 2016 年 5 月

2 为什么要研究肿瘤免疫? 肿瘤免疫研究的必要性 2

3 Tumor =Seeds(cancercells)inSoil(microenvironment) Thebiologyofatumorcanonlybeunderstoodbystudying individualspecializedcellswithinmicroenvironment cells Hanahan&Weinberg. Cell

4 免疫细胞 : 肿瘤微环境重要组分 抗肿瘤 免疫细胞 促肿瘤 免疫微环境 : 双向作用, 肿瘤干预新靶标! 4

5 可见 : 肿瘤组织中同时存在 抗肿瘤 和 促肿瘤 两种的 免疫细胞 ; 促肿瘤 的免疫细胞能够有效削弱 抗肿瘤 免疫 细胞的生物学功能 ; 肿瘤免疫研究的目的 : 恢复患者的 抗肿瘤 免疫应 答, 削弱 促肿瘤 的免疫反应, 最终利用患者的免 疫系统进行肿瘤生物学治疗 5

6 主要内容 : 免疫学基本理论简述 : 免疫系统 免疫细胞 重要的免疫分子 重要的免疫细胞等 肿瘤免疫的基础 : 是否存在肿瘤免疫? 肿瘤抗原种类 抗肿瘤免疫应答 : 主要成分 理论基础 肿瘤免疫逃逸 : 主要策略 对肿瘤治疗的影响 6

7 免疫学基本理论简述 免疫系统 中枢免疫器官 外周免疫器官 造血干细胞 免疫细胞 重要的免疫分子 分化簇 细胞因子 抗原抗体 主要组织相容性复合物 重要的免疫细胞 固有免疫细胞 T/B 淋巴细胞 NK 细胞 免疫应答 抗原加工 递呈与识别 免疫调控 调节性 T 细胞 共抑制分子 B7-H1 7

8 免疫系统 免疫系统 : 是人和高等动物体内识别自我和危险信号从而执 行免疫功能的系统 免疫系统由多种免疫器官 免疫细胞 和独立于血管体系之外的各级淋巴管道组成 免疫器官按其功能不同, 可分为两类 : 中枢免疫器官, 主要包括胸腺和骨髓, 多能造血干细胞也在 这个区域产生, 并发育 成熟为免疫细胞 外周免疫器官, 包括淋巴结 脾和黏膜相关免疫系统, 成熟 的免疫细胞定居在这些部位, 并在此执行功能 8

9 9

10 造血干细胞 干细胞 : 指具有自我更新 高度增殖及多分化潜能的细胞, 它能产生表型和基因型完全相同的子代细胞, 是机体其他细胞的起源细胞 根据其分化潜能可分为全能干细胞 ( 受精卵或胚胎干细胞 ) 和多 功能干细胞 ( 造血干细胞或神经干细胞等 ) 两类 造血干细胞 (haematopoietic stem cell,hsc): 是具有高度 自我更新能力和多能分化潜能的造血前体细胞 (precersor) 造血干细胞的特征 :(1) 自我更新能力 ;(2) 多向分化能力 ;(3) 静止性 ;(4) 不均一性 10

11 造血的基本过程 11

12 免疫细胞 免疫细胞 : 指所有参与免疫应答或与免疫应答有关的细胞 主要分类 (1) 依前体来源细胞分类 髓系细胞 : 单核 / 巨噬细胞 (monocyte/macrophage) 树 突状细胞 (dendritic cell,dc) 淋系细胞 :T 淋巴细胞 B 淋巴细胞 自然杀伤 (NK) 细胞 (2) 按照反应特异性分类 固有免疫细胞 : 单核 / 巨噬细胞 DC 自然杀伤 (NK) 细胞 适应性免疫细胞 :T B 淋巴细胞 12

13 重要的免疫分子 分化决定簇 (cluster of differentiation,cd) 位于细胞表面的一类与细胞分化密切相关的蛋白 ( 分化抗原 ) 例如 : CD14 单核细胞 ( 巨噬细胞或树突状细胞低表达或不表达 ) CD3 T 淋巴细胞 ( 若 CD8 +, 杀伤性 T 细胞 ; 若 CD4 +,T 辅助细胞 ) CD56 NK 细胞 ( 若 CD3 +, 称为 NKT 细胞 ) CD19 B 淋巴细胞 ( 若 CD38hiCD138 +, 称为浆细胞 ) 13

14 重要的免疫分子 细胞因子 (cytokine) 指由免疫细胞或部分非免疫细胞 ( 内皮 成纤维细胞 ) 经刺激而 合成 分泌的一类具广泛生物学活性的小分子蛋白质 例如 : 1 白细胞介素 (interleukin,il): 多来源于白细胞 ; 2 干扰素 (interferon,ifn): 可干扰病毒复制 ; 3 肿瘤坏死因子 (tumor necrosis factor,tnf): 直接杀肿瘤 ; 14

15 重要的免疫分子 抗原 (antigen,ag) 指诱导免疫应答的物质, 包括蛋白质 糖 脂类 一个抗原分子 可含有若干个相同的或不同的对其能产生独特抗体或细胞应答的抗原 决定簇 抗体 (antibody,ab) d 指由 B 细胞产生, 并以高特异性和亲和力结合抗原的糖蛋白 抗体单位 : 两对完全相同的轻链和重链 通过共价二硫键和通过非 共价相互作用结合在一起 这些分子能被蛋白酶裂解产生两个 Fab 片 段 ( 与抗原结合部分 ) 和一个 Fc 片段 ( 担负效应分子功能如补体活化 的部分 ) 15

16 Fab 抗体单位 : 两对完全相同的轻链和重链 通过共价二硫键和通过非共价相互作用结合在一起 这些分子能被蛋白酶裂解产生两个 Fab 片段 ( 与抗原结合部分 ) 和一个 Fc 片段 ( 担负效应分子功能 ) Fc 16

17 重要的免疫分子 主要组织相容性抗原 : 代表个体特异性的抗原, 其中能引起 强而迅速排斥反应的抗原 主要组织相容性复合物 (MHC): 某一染色体上编码主要组 织相容性抗原的一组紧密连锁的基因群, 与免疫应答 免疫 调节和移植排斥等有关 MHC 主要功能是加工好的 异常 或 外源性 抗原呈递至 细胞表面, 供效应免疫细胞识别 17

18 重要的免疫分子 MHC Ⅰ 类分子的分布和功能 :Ⅰ 类分子分布于几乎所有有核分布 细胞表面 ;Ⅰ 类分子主要参与内源性抗原的递呈 MHC Ⅱ 类分子的分布和功能 :Ⅱ 类分子的分布比较局限, 主 要表达于 B 淋巴细胞 单核 - 巨噬细胞和树突状细胞等抗原 递呈细胞上 ;Ⅱ 类分子主要参与外源性抗原的递呈 18

19 MHC 分子递呈抗原肽段 19

20 重要的免疫细胞 (1) 20

21 单核 / 巨噬细胞 (monocyte/macrophage) o ocyte/ op age) 来源与分化 : 髓样干细胞受某些因子 (M-CSF 及单核生长因 子 ) 作用下发育为前单核细胞, 前单核细胞在单核诱导因 子的刺激下发育为单核细胞, 单核细胞进入血流后停留数 小时或数天, 随即移行至全身各组织器官内, 发育成巨噬 细胞 部位骨髓血液组织 细胞名称 干细胞 单核母细胞 前单核细胞 进入血液 单核细胞 进入组织 组织细胞 ( 结缔组织 ) 库普弗(Kupffer ) 细胞 ( 肝 ) 肺泡巨噬细胞 腹腔和胸腔巨噬细胞 游走及固定巨噬细胞 ( 淋巴结 脾和骨髓 ) 破骨细胞( 骨 ) 小胶质细胞( 神经组织 ) 朗格汉斯细胞 ( 皮肤 ) 滑膜 A 型细胞 ( 关节 ) 21

22 肝癌中存在大量巨噬细胞 (CD68 + ) 癌巢 募集巨噬细胞 癌旁 Kupffer cell 固有巨噬细胞 边缘 none/few moderate strong 22

23 单核 / 巨噬细胞的生物学功能 1 免疫防御功能 : (1) 非特异性吞噬. (2) 在抗体等及细胞因子的辅助下, 增强其吞噬杀伤功能, 产 生炎症反应

24 单核 / 巨噬细胞的生物学功能 2 免疫自稳功能 : 可吞噬消化清除衰老细胞及凋亡细胞, 维持内环境稳定 不产生炎症反应

25 单核 / 巨噬细胞的生物学功能 3 免疫监视功能 : (1) 吞噬肿瘤细胞 (2) 通过抗体依赖的细胞杀伤机制杀伤肿瘤细胞胞 (3) 分泌 TNF-α 等间接杀伤肿瘤细胞 (4) 产生活性氧 活性氮等杀伤或抑制肿瘤生长 4 参与促进炎症反应 : 感染部位细胞产生的多种趋化因子募集巨噬细胞至感染部位并被活化, 活化的巨噬细胞分泌 IL-1β TNF-α 等细胞因子参与促进炎症反应 5 提呈抗原功能 : 是专职抗原提呈细胞, 参与摄取处理及提呈抗原, 启动免疫应答

26 树突状细胞 (dendritic cell) 树突状细胞是由美国学者 Steinman 于 1973 年发现的, 是目前所知 的功能最强的抗原提呈细胞, 因其成熟时伸出许多树突样或伪足样突起而得名 树突状细胞 (Dendritic cells, DC) 是机体功能最强的专职抗原递呈细胞 (Antigen presenting cells, APC), 它能高效地摄取 加工处理 和递呈抗原, 未成熟 DC 具有较强的迁移能力, 成熟 DC 能有效激活初始 型 T 细胞, 处于启动 调控 并维持免疫应答的中心环节 2011 年 10 月 3 日, 拉尔夫 斯坦曼因他在 树状细胞及其在适应性 免疫系统方面作用的发现 取得的成就, 获得 2011 年诺贝尔生理学或医学奖的 1/2 令人遗憾的是, 拉尔夫 斯坦曼于 9 月 30 日 ( 上周五 ) 逝世 洛克菲勒大学称 : 4 年前, 拉尔夫 斯坦曼被诊断患有胰腺癌, 他利用自己发 明的基于树突细胞的免疫疗法, 延长了生命 26

27 树突状细胞 (dendritic cell) ) 27

28 树突状细胞的生物学功能 DC 表面具有丰富的抗原递呈分子 (MHC-Ⅰ 和 MHC-Ⅱ) 共刺激因 子 (CD80/B7-1 CD86/B7-2 CD40 CD40L 等 ) 和粘附因子 (ICAM-1 ICAM-2 ICAM-3 LFA-1 LFA-3 等 ), 是功能强大的专职抗原递呈 细胞 (APC) 人体内大部分 DC 处于非成熟状态, 表达低水平的共刺激因子和粘附 因子, 体外激发同种混合淋巴细胞增殖反应的能力较低, 但未成熟 DC 具 有极强的抗原吞噬能力, 在摄取抗原 ( 包括体外加工 ) 或受到某些因素刺 激时即分化为成熟 DC, 而成熟的 DC 表达高水平的共刺激因子和粘附因子 DC 作为目前发现的功能最强的 APC, 能够诱导特异性的细胞毒性 T 淋巴 细胞 (cytotoxic T lymphocyte,ctl) 生成

29 29

30 30

31 重要的免疫细胞 (2) 31

32 T 淋巴细胞 T 淋巴细胞 : 即胸腺 (thymus) 依赖性淋巴细胞, 简称 T 细胞 T 淋巴细胞亚群 : 根据活化阶段 : 初始 效应和记忆性 T 细胞 (1) 初始 T 细胞 : 能识别抗原, 但无免疫效应功能 最终分化为效应 T 细胞和记忆性 T 细胞 (2) 效应 T 细胞 : 表达高水平的高亲和力 IL-2 受体和黏附分子 向外周 炎症组织迁移, 行驶效应功能 (3) 记忆 T 细胞 : 存活期长, 记忆性 T 细胞介导再次免疫应答 根据 CD4 或 CD8 分子 :CD4 + T 细胞和 CD8 + T 细胞 根据功能 : 辅助性 (CD4 + ) 细胞毒性 (CD8 + ) 调节性 T 细胞 (CD4 + ) 32

33 抗原呈递细胞 (APC) T/B 淋巴细胞关系 33

34 细胞毒性淋巴细胞杀伤细胞的机制 穿孔素 颗粒酶 34

35 重要的免疫细胞 (2) 35

36 B 淋巴细胞 B 淋巴细胞 : 即骨髓依赖性淋巴细胞, 简称 B 细胞 与 T 淋巴 细胞相比, 它的体积略大 这种淋巴细胞受抗原刺激后, 会 增殖分化出大量浆细胞 浆细胞可合成和分泌抗体并在血液浆细胞可合成和分泌抗体并在血液 中循环 36

37 抗体分子的中和作用 37

38 病原被抗体包被并由巨噬细胞清除 巨噬细胞能够表达 Fc 受体 38

39 重要的免疫细胞 (2) 39

40 自然杀伤 (NK) 细胞 NK 细胞 : 不同于 T B 细胞 具有直接杀伤靶细胞效应的一 类淋巴细胞, 其对靶细胞的杀伤作用表现为一种速发效应, 为非抗原特异的 40

41 NK 细胞杀伤异常细胞 41

42 免疫应答 : 抗原加工 递呈与识别 抗原递呈细胞 (Antigen-presenting cells, APC) 广义 APC 能将抗原肽段递呈给抗原特异性 T 细胞 ( 或 B 细胞 ) 的一类细胞 机体内所 有细胞 ( 包括肿瘤细胞 ) 均能通过 I 类主要组织相容性复合物 (MHC I) 分子进行抗原递呈 专职 APC 能捕捉 加工和处理抗原, 并将处理后的抗原肽段递呈给抗原特异性 T 细胞 ( 或 B 细胞 ) 的一类免疫细胞 包括树突状细胞 巨噬细胞和 B 淋巴细胞, 主要通过 MHC II 分子进行抗原递呈 42

43 抗原加工 递呈与识别 外源性抗原递呈途径 由专职抗原递呈细胞 (APC, 树突状细胞和巨噬细胞 ) 吞噬或 内吞, 然后在溶酶体内水解为抗原肽段, 由主要组织相容性 复合物 II(MHC II) 类分子途径递呈 内源性抗原递呈途径 主要指细胞内自身抗原 肿瘤抗原和病毒抗原, 由 MHCI 类分 子途径递呈 43

44 外源性抗原递呈途径 -- 诱导特异性免疫应答的关键步骤

45 外源性抗原递呈途径 -- 诱导特异性免疫应答的关键步骤 1. 外源性抗原在吞噬小泡内降解为抗原肽大小约为 13~18 个残基的肽 段, 使之能够与 MHC II 类分子结合 2. MHC II 类分子的合成和转运在粗面内质网 (ER) 中新合成的 MHC II 类分子 α 链和 β 链折叠成二聚体, 在粗面内质网膜上与 Ia 相关恒定链 (Ii 链 ) 的辅助分子结合形成 (αβii) 3 九聚体, 后被高尔基体由 ER 转运到内体, 形 成富含 MHC II 类分子腔室, 在腔内 Ii 被降解, 留下 MHC II 类分子相关的恒 定链多肽 (CLIP) 3. 抗原肽替代 CLIP 与 MHC II 类分子组装 CLIP 占据着 MHC II 类分子上肽 段结合位点, 可以阻止其过早与抗原肽结合 MHC II 类分子中的 HLA-DM 参与催化将抗原肽替换 CLIP, 形成抗原肽 -MHC II 复合物分子, 转运至细 胞膜表面, 供 CD4 + T 细胞 ( 又称 TH 细胞 ;T 辅助细胞 ) 识别 45

46 内源性抗原递呈途径 -- 进行特异性免疫应答的关键步骤 46

47 内源性抗原递呈途径 -- 进行特异性免疫应答的关键步骤 1. 内源性抗原由蛋白酶体消化产生能够被递呈的抗原肽参与抗原递呈的 蛋白酶体包括由 MHC 基因簇编码的两个亚基,LMP2 和 LMP7, 以及一个非 MHC 基因编码的亚基 LMP10 具有这三个亚基的蛋白酶体中活化的肽酶 倾向于将蛋白质消化为能和 MHC I 类分子结合的肽段 2. 抗原肽由蛋白酶体转运至内质网在蛋白酶体中消化好的抗原肽, 借助 抗原加工相关转运器 (TAP) 转运至 ER 腔内, 与新组装的 MHC I 类分子结合 TAP 是由两个亚基组成的异源二聚体,TAP1 和 TAP2 TAP 可选择性 的转运适合与 MHC I 类分子结合的含有 8~10 个氨基酸的抗原肽 3. 抗原肽与 MHC I 类分子在伴侣分子的帮助下组装 MHC I 类分子 α 链和 β2-microglobulin 在 ER 中合成 伴侣分子与 α 链 (chaperone) 结合, 参与 其折叠 保护其不被降解 MHC I 类分子组装成二聚体后, 在 ER 内与 8~ 10 个氨基酸的抗原肽结合, 形成 MHC I- 抗原肽复合物, 经高尔基体转运至 细胞膜上, 递呈给 CD8+ T 细胞 ( 又称 Tc 细胞 ;T 杀伤性细胞 ) 47

48 抗原加工 递呈与识别 Langerhans cells: 朗格汉斯细胞 ; 树突状细胞 B7 分子 : 共刺激分子 ;B7 与 MHC 协同进行抗原递呈 48

49 APC 诱导特异性体液免疫发生 49

50 抗体分子的中和作用 50

51 病原被抗体包被并由免疫系统的效应细胞清除 巨噬细胞和自然杀伤细胞 (NK 细胞 ) 能够表达 Fc 受体 51

52 补体依赖的细胞毒作用 ( CDC ) 52

53 53

54 细胞毒性淋巴细胞杀伤细胞的机制 穿孔素 颗粒酶 专有机制 54

55 免疫反应过程中的 阳 和 阴 55

56 调节性 T 细胞 ;regulatory T cells, Treg CD4 + CD25 + FoxP3 + (Treg) CD4 + IL-10 + (Tr1) CD4 + TGF- + (Th3) 主要在胸腺中发育, 识别自体抗原 抗原特异性激活, 非抗原依赖抑制 自身免疫疾病 移植耐受 肿瘤 56

57 Treg 抑制作用的机制 57

58 58

59 多种调节性免疫细胞 调节性树突状细胞 调节性巨噬细胞 调节性 B 淋巴细胞 调节性 NK 细胞 59

60 60

61 肿瘤免疫的基础

62 动物模型中肿瘤免疫的发现 62

63 肿瘤抗原及其分类 肿瘤抗原 : 在肿瘤细胞中特异或相对特异表达的抗 原, 包括肿瘤特异性抗原和肿瘤相关抗原 肿瘤特异性抗原 (TSA): 只表达于肿瘤细胞而不表 达于正常细胞的肿瘤抗原 肿瘤相关性抗原 (TAA): 既表达于正常细胞也表 达于肿瘤细胞的抗原, 但肿瘤细胞的表达量明显高 于正常细胞的肿瘤抗原 63

64 部分重要的肿瘤抗原及其产生机制 产生机制 肿瘤抗原 肿瘤 致癌病毒产物 人乳头瘤病毒 E6 和 E7 蛋白 宫颈癌 基因突变或 ( 抑 ) 癌基因产物 EBV 核抗原 1(EBNA-1) 1) 蛋白 EBV 相关淋巴瘤 鼻咽癌 突变的 P53 蛋白 突变的 Ras 蛋白 约 50% 人类肿瘤 约 10% 人类肿瘤 过表达的 Her-2/neu 乳腺癌等 糖基化蛋白 神经节苷脂 GM2 和 GD2 黑色素瘤 正常组织中隐蔽抗原 黑色素瘤抗原 (MAGE)-1 等 黑色素瘤等 色素分化抗原 Gp100 MART 黑色素瘤 胚胎抗原癌胚抗原 (CEA) 结肠癌等多种肿瘤 甲胎蛋白 (AFP) 肝癌 分化抗原 CD10 CD20 B 淋巴瘤 前列腺特异抗原 (PSA) 前列腺癌

65 理化因素诱生的肿瘤特异性抗原 化学或物理致癌剂 高特异性 个体特异性 MCA: 化学致癌物, 甲基胆蒽 A B

66 Unique Ag on chemically induced tumors ----Tissue specificity inject carcinogen (MCA) 2 weeks remove tumors A & B isolate tumor cells immunize with irradiated tumor A cells challenge with live tumor A 2 weeks 2 weeks no tumor challenge with live tumor B tumor 2 weeks 2 weeks 66

67 病毒诱生的肿瘤抗原 DNA 病毒 RNA 病毒 SV40: 全名猿猴空泡病毒 40 低特异性 病毒特异性 Polioma virus: 乳头瘤病毒 67

68 Shared Ag on virally induced tumors ----No species and tissue specificity inject an oncogenic virus (SV40) 2 weeks remove tumors A&B isolate tumor cells immunize with irradiated tumor A cells challenge with live tumor A no tumor 2 weeks 2 weeks challenge with live tumor B no tumor 2 weeks 2 weeks 68

69 肿瘤抗原的生物学意义 肿瘤抗原是肿瘤特异性免疫应答的重要靶抗原 ; 病毒相关肿瘤表达的病毒基因编码蛋白可以成为 免疫系统识别此类肿瘤的重要标记抗原 ; 肿瘤抗原可以作为肿瘤诊断和治疗的辅助手段, 如 CEA AFP 和 MAGE-1 等 69

第一章 图 1 1 传染病的特征 9 T h1 T h2 细胞调节机制简图 正调节 负调节 细胞因子与细菌的相互作用机制目前尚未完全明了 有实验表明 细胞因子与细菌之间 存在有互利和互抑双重效应 例如 T N Fα 和 IFNγ 可抑制放线菌的生长而 IL 6 的作用则 反之 IL 1 2 和 GM CSF 可促进某些致病性大肠杆菌生长而 IL 1ra 可抑制之 研究表 明 某些致病性大肠杆菌有与

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