Cell新进展带你一览新生儿出生前后免疫系统发育模式

niwanmao

人体免疫系统是内在和外在环境因素的适应性系统。与其他适应性系统非常相似，免疫系统在其发育过程中依赖于刺激因素的输入，例如无菌小鼠就会存在严重的免疫系统缺陷。此外，在人类中，免疫系统感知能力的早期暴露，可能反而会导致免疫介导的疾病的风险增高，例如过敏、哮喘和1型糖尿病。 目前认为，发育中的免疫系统与定植于新生儿的肠、皮肤和气道的微生物之间的相互作用是重要的。生命的前100天似乎是一个关键时期，因为这一时期的微生物生态失调与人类出生队列中哮喘的发展有关，这一发现符合卫生学假设。新生儿也容易感染，尤其是早产儿，但其基础尚不完全清楚。 因此，需要深入了解人类儿童的免疫系统发育，才能更好地保护新生儿免受感染，开发更有效的疫苗，并减少生命后期发生的免疫介导疾病的负担。 但在人类新生儿中进行纵向免疫系统发育的研究受到以下因素的阻碍：（1）难以从健康儿童获得血液样本;（2）即使获得少量血液，获取足够信息量的技术受限。

Olin, A.等人对100例新生儿（50例早产儿、50例足月儿，排除已知先天性疾病），跟踪了出生、1周、4周、12周等时间点的免疫系统发育指标，仅用100ul血，完成了267种免疫相关蛋白质和21类（手工分析）、46类（降维分类）免疫细胞的分析。

1、早产与强烈的炎症反应相关
早产通常由与宫颈异常、胎膜早破和感染（如绒毛膜羊膜炎相关的炎症）等引起。为了比较出生时早产儿和足月儿的免疫系统状态，作者分析了脐带血样本中的血浆蛋白浓度，在早产儿脐带血中，存在很明显的促炎特征：趋化因子CXCL11的高表达，T细胞主效应趋化因子IL-8/CXCL8的高表达；而足月儿的Leptin水平较高，反映了他们在最后三个月积累较多的脂肪：

对所有267种血浆蛋白进行主成份分析，可发现早产和足月分娩的新生可明显区分开：

在手工分析21种经典免疫细胞群体的比例时，发现早产儿和足月儿的细胞组成显著不同，差异主要是因为早产与胎龄相关的中性粒细胞比例较低，而早产儿出生后3个月，则免疫细胞群体接近足月儿出生时的水平，这就是平时我们常说的输在起跑线上：


2、脐血检测无法预测出生后免疫力
新生儿免疫系统的大多数现有数据都是用脐带血测量，通过脐带血免疫细胞与第1周（中位数3天）测量值之间的相关系数，发现21个免疫细胞中只有6个存在显著相关：

究其原因，不仅仅是因为脐带血和外周血之间固有的组织差异，而且在出生当天（第0天）抽取外周血样品的7名儿童中，免疫细胞组成与第1周也不同。这意味着脐带和外周血之间的组织差异以及出生后随时间的变化，都使得免疫系统在动态变化。

利用质谱流式和Barnes-Hut SNE（bhSNE）来降低单细胞数据的维度，发现脐带血和新生儿第1周样品之间，显著不同，成人和新生儿之间也存在显著差异，这说明细胞组成、血浆蛋白浓度以及细胞表型的急剧变化，均发生在出生后的头几天。这说明了对新生儿进行更多次纵向分析的必要性，以便了解生命早期的出生后免疫发育和免疫系统状态：


3、用拓扑结构反应免疫系统发育
拓扑数据分析（TDA）为异构数据类型的这种综合分析和可视化提供了一种方法（Lum等，2013），用该方法以无人监督的方式重建免疫系统的发育，见下图：

该网络中的节点表示相关样本集，每个样本可以出现在多个节点中，并且边连接共享至少一个样本的节点，按平均日期对节点着色，并且在这样做时，可以看到从左到右的时间轨迹。值得注意的是，脐带血样本形成了一个独立的簇，强调了脐带血和出生后免疫系统的离散性。

4、早产和足月儿免疫系统在出生后的收敛性
通过拓扑数据分析，早产儿和足月儿的免疫系统在出生后沿着共同的轨迹发展，并且男孩和女孩或季节对发育模式没有显着影响：


5、出生后免疫细胞组成的变化
新生儿免疫细胞比例的CV比成人更大，这就说明动态监测的重要性。 分析了队列中所有100名儿童的脐带血样本（n = 52）和出生后样本（n = 131）中10个关键免疫细胞群的比例，发现脐带血样本异质性非常明显，相反，按出生后天数排序的出生后样品显示，细胞组成随时间呈规律性变化，主要表现为从出生开始中性粒细胞逐渐减少，CD4 +和CD8 + T细胞比例的增加，单核细胞在出生后短暂扩增随后减少，B细胞从1个月开始比例增加


6、微生物的驱动作用
新生儿免疫系统发育分为五个不连续的发育阶段，见下图：

在这些发育阶段中，调节性细胞因子IL-27和IL-10在脐带血中是最丰富的，出生后减少，但在出生后大约1个月左右再次增加，可能作为对环境因素的免疫应答的一种方式。 Fc受体PIgR可将上皮细胞中的免疫球蛋白A（IgA）抗体转运到粘膜表面上，并可被微生物产物诱导，作者发现从第4阶段开始PIgR特异性表达增高，说明新生儿与与微生物相互作用的阶段主要是在4-5期，伴IL-8、IL-17A和IL-12B的水平升高，以及多个细胞群的变化。另外一个与微生物有关的证据是 表达CD161受体的CD8+T细胞群增多，这类细胞可能是粘膜相关固有T（MAIT）细胞群，能参与粘膜表面细菌的反应。 此外，在前50天出现肠道菌群失调的新生儿，在随后3个月内血液样本中有更多的循环内皮细胞、活化T细胞、胰腺外肽酶CPA1，而且异质性更强，说明最初几周的免疫系统和肠道菌群之间的相互作用很重要。 总的来说，这些研究结果表明，对微生物的反应，特别是在粘膜表面，是出生后最初几周内新生儿的免疫系统发育中起着重要的驱动作用。

研究结果总结
1、脐带血不能代表出生后免疫力
2、早产儿和足月儿在出生时有所不同，但之后迅速趋同
3、在生命的早期，免疫系统的发展遵循一种较为固定的模式
4、早期免疫发育在固定模式的同时，存在动态参数，这些参数与微生物相互作用有关

参考文献：Olin, A., Henckel, E., Chen, Y., et al. (2018). Stereotypic Immune System Development in Newborn Children. Cell, 174(5), 1277–1292.e14. doi:10.1016/j.cell.2018.06.045