炎症性腸病在發達國家的發病率大約在千分之三，而在發展中國家，隨著居住衛生條件的改善，炎症性腸病的發病率也在逐年上升。目前，學界普遍接受透過衛生假說（hygiene hypothesis）理論來解釋這一現象，即環境中的微生物對於人體免疫系統的建立與成熟不可或缺。遺傳因素以及人體免疫系統對自身腸道菌群的異樣性反應是導致炎症性腸病發病的主要原因。一旦發病，炎症性腸病通常會伴隨終身，不斷復發，導致生活質量的嚴重下降以及高昂的醫療負擔。然而現存的臨床治療手段主要集中於透過抑制非特異性免疫反應來減緩發病症狀，並不能有效地預防疾病的復發。
美國阿拉巴馬伯明翰大學的Dr. Charles Elson是診斷及治療炎症性腸病的專家。其實驗室多年來致力於發現並解決這一疾病的致病因素以減緩病人的痛苦，並在對於克羅恩病的研究中起到了奠基性的作用。克羅恩病是炎症性腸病的主要型別之一，早先的研究發現腸道定植菌群中的抗原，尤其是Lachnospiraceae細菌表達的鞭毛蛋白（flagellins），是克羅恩病異樣免疫反應中的主導抗原【1】。超過半數的病人血清中有針對這些蛋白的抗體【2】，在外周血中針對這些蛋白的記憶性CD4 T細胞也顯著增多【3】，而這一現象與病人的複雜病程顯著相關【4】。與短期生存的效應性T細胞不同，記憶性T細胞可以長期存在於體內，一旦再次遇到抗原可以迅速被啟用並分化為效應性細胞，因此針對Lachnospiraceae鞭毛蛋白的CD4記憶T細胞被認為是導致克羅恩病復發的儲藏庫。
近日， Science Immunology發表了Dr. Charles Elson最新研究：CD4+ T cell activation and concomitant mTOR metabolic inhibition can ablate microbiota-specific memory cells and prevent colitis。他和他的博士後研究員趙清共同設計了一項新的治療策略，透過特異性啟用這些記憶性CD4 T細胞並同時抑制其代謝來清除此類細胞的儲藏庫，同時促進特異性調節T細胞（regulatory CD4 T cell）的分化，從而達到預防克羅恩病復發的效果，這一策略在文中被簡稱為CAMCI（cell activation with concomitant metabolic checkpoint inhibition）。
研究人員在此項研究中使用的代謝抑制藥物包括臨床批准的雷帕黴素（rapamycin）和二甲雙胍（metformin）。雷帕黴素可以抑制調控細胞代謝的mTOR複合體，而二甲雙胍的作用在於啟用mTOR上游的AMPK激酶，從而抑制mTOR。初始T細胞和記憶T細胞代謝水平很低，但是遇到抗原啟用的時候，細胞會急速上調mTOR活性，啟動以有氧糖酵解（aerobic glycolysis）為主的代謝來滿足細胞分化和增生的巨大能量需求。因此作者假設，在特異性啟用鞭毛蛋白反應性初始和記憶T細胞的同時抑制這些細胞的mTOR活性，會導致這些致腸炎性CD4 T細胞凋亡和失能。另一方面，雷帕黴素還可以促進誘導調節性T細胞，達到一箭雙鵰的效果。
文章中，作者主要使用了CBir1 T cell receptor transgenic老鼠模型來證明此策略的可行性。CBir1 鞭毛蛋白由Lachnospiraceae細菌表達，而CBir1 TCR Tg CD4 T細胞特異性地識別CBir1 鞭毛蛋白中的一個表位（CBir1 p456-475），CBir1 TCR Tg CD4 T細胞向Ragulator敲除小鼠移植可以導致小鼠腸炎。為了特異性刺激這些細胞，並且避免先天免疫系統（innate immune system）的啟用，作者首先構造了一種新型短肽（multi-epitope peptide 1, MEP1），這種短肽包含了3個CBir1 p456-475表位重複片段。體外細胞實驗證實同時使用這一短肽和雷帕黴素可以抑制CBir1 TCR Tg CD4 T細胞的mTOR活性，導致細胞葡萄糖攝入量下降，最終引起細胞死亡。剩餘活細胞中調節性T細胞的比例大幅增加，體內和體外試驗證明這些調節性T細胞可以提供抗原特異性和非特異性抑制功能。
接下來，作者透過這一小鼠腸炎模型測試了CAMCI策略。實驗表明，當受體Rag1-/-小鼠同時接受了腸外MEP1和雷帕黴素治療時，腸炎得到了有效的預防。相比於陽性對照，此組小鼠結腸中的效應性CBir1 TCR Tg CD4 T細胞大幅減少。進一步，作者證實了腸道環境會改變lamina propria中CD4 T細胞的代謝，細胞被啟用時並不會以有氧糖酵解為主要途徑供能，因此解釋了為何單獨使用雷帕黴素並不能阻止腸炎的發生。
後續的體內實驗中作者表明了在初始CD4 T細胞第一次接受抗原識別時應用CAMCI策略可以減少抗原特異性記憶性CD4 T細胞和濾泡輔助T細胞的形成，同時促進調節性CD4 T細胞的生成。而對於已經預存的CBir1鞭毛蛋白特異性記憶性CD4 T細胞，同時使用雷帕黴素和二甲雙胍則能達到更好的抑制作用。RNA-seq表明接受CAMCI策略後殘留的CBir1 CD4 T細胞在轉錄水平上與對照組有很大程度的不同，具體表現在促細胞增生基因和促炎症基因的下調，以及促凋亡基因的上調，提示CAMCI策略後殘留的CD4 T細胞在接受後續特異性抗原刺激時並不會呈現出正常的細胞增殖反應。
最後，作者透過富集分選以及體外培養克羅恩病人外周血細胞，成功得到足以用於實驗的Lachnospiraceae鞭毛蛋白特異性CD4 T細胞，並證實CAMCI策略在人體細胞中同樣可以引起靶向細胞凋亡。這一結果為此策略在臨床中的應用提供了有力的證據。
然而在實際的臨床治療中，只靶向打擊一種鞭毛蛋白特異性CD4 T細胞來預防克羅恩病的復發是遠遠不夠的，病人通常攜有針對不同鞭毛蛋白以及其他腸道菌群抗原的特異性CD4 T細胞。此項研究的巧妙之處在於研究者可以根據克羅恩病人的血清抗體反應特異性地構造適用於不同病人的獨特短肽（multi-epitope peptide），從而實現精準醫療。透過間歇性的重複給予CAMCI治療，克羅恩病人體內針對腸道菌群抗原的致病性CD4 記憶T細胞儲存庫將被逐漸清除；同時刺激病人體內調節性T細胞的生成，最終達到預防克羅恩病復發的目的。另外，隨著對其他自身免疫疾病抗原的更深入地研究，這項策略理論上也可以拓展應用於一型糖尿病或多發性硬化症等疾病的治療。
原文連結：
https://immunology.sciencemag.org/content/5/54/eabc6373
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