胸腺的功能及胸腺五肽的調節作用

　　廣州第一軍醫大學　郭明秋教授

　　胸腺是T細胞分化、成熟的場所，骨髓來源的前胸腺細胞，即前T細胞(Pre-T)進入胸腺后成為胸腺細胞，在胸腺微環境中發育分化，經過陽性選擇和陰性選擇，最后分化為能識別自身MHC分子和異己抗原的成熟CD4+或CD8+T淋巴細胞。胸腺基質細胞分泌的胸腺激素、細胞因子及粘附分子，構成胸腺細胞發育極其重要的微環境，并與神經內分泌系統構成互相調節的網絡。胸腺生成素是一種重要的胸腺激素，對胸腺細胞的分化生長具有重要的調節作用，胸腺五肽是胸腺生成素的功能活性部分，對因年齡或應激損傷等因素造成的胸腺萎縮、功能下降及免疫功能失調有重要的調節作用。

　　一、胸腺的結構
　　胸腺表面有結締組織被膜，被膜伸入實質形成小梁，將胸腺分隔成許多胸腺小葉，是胸腺的基本結構單位。胸腺小葉的外周是皮質，中心為髓質，皮質又分為外皮質層（即淺皮質層）和深皮質層。胸腺實質是由胸腺細胞和胸腺基質細胞組成，前者屬于不同發育階段的T-細胞，后者則包括上皮細胞、樹突狀細胞和巨噬細胞等。外皮質層中有較幼稚的前胸腺細胞（即前T細胞）和一種特殊的胸腺上皮細胞，稱為胸腺哺育細胞（thymus nursecells, TNCs）其胞質內有數個至數十個不等的胸腺細胞，電鏡觀察可見胸腺細胞從胸腺哺育細胞膜的少數幾個孔中遷入和移出。深皮質層內主要是小的皮質胸腺細胞，也有胸腺上皮細胞和樹突細胞。髓質中有髓質胸腺細胞，可發育為成熟的T細胞，另外也有胸腺上皮細胞等基質細胞。在正常的胸腺髓質內還可見到一種圓形的環狀結構，稱為胸腺小體或哈氏小體（Hassall’s corpusle），它的存在是胸腺發育正常的標志，但功能尚未闡明。

　　二、胸腺的功能
　　現已證明，胸腺是T細胞分化、成熟的場所，也是機體形成對自身抗原耐受性的主要器官，胸腺上皮細胞等基質細胞產生的多種胸腺激素和細胞因子是構成胸腺微環境的主要因素，在T細胞的分化和調節中起重要的作用。

　　（一）構成T細胞分化成熟的微環境
　　胸腺是T細胞發育的主要場所。骨髓來源的前T細胞在胸腺微環境作用下逐步發育成熟。胸腺微環境是指由胸腺基質細胞及其所分泌因子組成的哺育T細胞成熟的胸腺內環境。現已知胸腺基質細胞由多種細胞組成，包括胸腺上皮細胞、巨噬細胞、樹突狀細胞、并指狀細胞、哺育細胞、成纖維細胞和網狀細胞等，它們具有各自的功能，并相互連接成網狀結構，形成胸腺微環境，培育具有免疫活性的T細胞并將其誘導分化為各種T細胞亞群。
　　目前了解，以胸腺上皮細胞為主的胸腺基質細胞產生多種肽類胸腺激素，如胸腺素（Thymosin）、胸腺生成素（thymopoietin）、胸腺刺激素（thymulin）、淋巴細胞刺激因子（lymphocyte slimulating factor）和胸腺體液因子（thymic humoral factor）等。這些胸腺激素作用于胸腺細胞，誘導T細胞表面標志的出現，促使胸腺細胞成熟為T細胞并分化成亞群而獲得免疫活性。胸腺基質細胞還可分泌多種細胞因子，如IL-1、IL-3、IL-6、IL-7、白血病抑制因子和集落刺激因子（CSF）等，它們也都有促使胸腺細胞增殖、分化和成熟的功能，此外，胸腺細胞自身也可分泌多種因子（如IL-1、IL-2、IL-4和IL-6等）對細胞的分化進行調節。
　　除分泌上述介質外，胸腺基質細胞與胸腺細胞之間通過表面分子的相互作用，也影響胸腺細胞的發育、成熟和獲得功能。例如膜表面表達主要組織相容性復合體（MHC）分子的哺育細胞，與胸腺細胞相互作用，使T細胞獲得MHC限制性和區分“自己”與“異己”的功能。另外，胸腺基質細胞上表達的許多粘附分子-1（ICAM-1），與T細胞表面相應配體（如CD2、LFA-1）相互作用，在促進T細胞的分化發育中起到重要的作用。

　　（二）胸腺是T細胞分化、成熟的場所
　　1．胸腺細胞的發育階段 當來自胚肝或骨髓的前T細胞（pre-T）進入胸腺后，T細胞在胸腺的發育可分為三個階段，即早期T細胞發育為雙陰性細胞，其主要表型為CD4-和CD8-，故稱為雙陰性細胞（DN），第二階段在皮質區受胸腺哺育細胞（TNCs）哺育開始按順序重排γ、δ、β、αT細胞受體（TCR）基因，最終產生兩個主要的T細胞群：γδTCR T細胞和αβTCR T細胞，前者繼續保持雙陰性，離開胸腺后在三級淋巴組織中進一步分化，后者轉化為雙陽性細胞（DP），其表型為CD4+和CD8+。第三階段為DP細胞經陽性和陰性選擇過程，分化為具有免疫功能的成熟T細胞，只表達CD4+和CD8+，故稱為單陽性細胞（SP），然后遷出胸腺，移居于周圍淋巴器官。

　　2．胸腺選擇過程 主要發生在DP階段，此時TCRαβ基因重排、轉錄及表達，形成TCRαβ-CD3復合分子，并具有識別配基（自身MHC分子+自身抗原分子）的功能。DP細胞與不同胸腺基質細胞相互作用，可導致不同的結果。
　　（1）陽性選擇 主要發生在DP細胞與皮質型上皮細胞之間的相互作用。凡TCR與自身MHC分子有親和性的胸腺細胞可與之結合導致克隆增殖，而無親和性的胸腺細胞將導致死亡。在此過程中大部分DP細胞死亡，只有小部分DP細胞存活并增殖。此過程可排除所有非己MHC限制性T細胞克隆，保存自身MHC限制性T細胞克隆和潛在的有害的自身反應性T細胞克隆。陽性選擇可使DP細胞分化為SP細胞（CD4+CD8-或CD4-CD8+）。
　　（2）陰性選擇 主要發生于DP細胞與胸腺內巨噬細胞，樹突狀細胞或髓質上皮細胞間的相互作用。胸腺細胞TCR與上述細胞上的自身抗原——自身MHC復合物有高親合性者結合，可導致自身反應性T細胞克隆死亡并排除，稱為克隆排除（clonal deletion）或克隆存在但受抑制不能活化，稱為克隆不應答（clonal anergy）。經胸腺陰性選擇作用后，排除了自身反應性T細胞克隆，只有識別非己抗原與自身MHＣ分子結合的T細胞克隆存活，并由DP（CD4+和CD8+）細胞分化為具有功能的單陽性（SP）細胞（CD4+和CD8+T細胞）。所以成熟的T細胞庫表現為自身MHC限制性和自身耐受兩種性征。
　　經過胸腺的陽性選擇和陰性選擇以后，95%以上的胸腺細胞通過凋亡的途徑死亡，只有不到5%的胸腺細胞最后發育為成熟的CD4+和CD8+T細胞，最后遷移出胸腺，進入外周淋巴組織或循環，這些成熟的T細胞具有正常的免疫功能。

　　三、胸腺—神經內分泌網絡
　　免疫系統與神經內分泌系統之間存在雙向調節關系，胸腺作為免疫系統中樞器官和內分泌器官的雙重角色在神經內分泌網絡中有特殊重要的作用。近年來，隨著對胸腺和神經內分泌系統研究的深入提出了胸腺—神經內分泌網絡的概念。

　　（一）神經系統對胸腺功能的調控作用
　　胸腺有較復雜的神經分布，主要受植物神經支配。迷走神經、膈神經、喉下神經和舌下神經降支均發出纖維到達胸腺。人胎兒11周時胸腺中即出現神經纖維，22周時皮質和髓質均有神經纖維分布，出生后至少可維持15年。胸腺的神經分布對胸腺功能有重要的意義，當生理性退化或因嚴重疾患導致胸腺意外退化時，總伴有神經纖維分布缺失。體外培養的胸腺細胞用兒茶酚胺處理后，可影響胸腺細胞的分化和生長。裸鼠胸腺不能正常發育與交感神經的抑制作用有關，新生鼠用β受體阻斷劑處理后可阻止胸腺的正常發育。已證明胸腺細胞具有β-腎上腺素受體，胸腺上皮細胞有乙酰膽堿受體，這從另一方面提示了植物神經對胸腺的調節作用。中樞神經系統對免疫功能也有調控作用，并且腦的不同部位對胸腺功能調控作用不同，另外發現，垂體和下丘腦等腦組織提取液及腦啡肽等可促進胸腺細胞自發增殖和調節胸腺激素的分泌。因此，神經系統可通過神經分布、神經遞質和活性因子直接或間接地調節胸腺功能。

　　（二）內分泌系統對胸腺功能的調節作用
　　垂體及其激素對胸腺具有重要調節作用，去垂體大鼠或先天性垂體低下癥的Snell侏儒小鼠，均有胸腺萎縮和外周T細胞功能降低；用生長激素（GH）治療垂體低下癥患者可恢復其低下的細胞免疫功能。還發現外源性GH能有效地重建衰老的胸腺功能。甲狀腺功能低下或亢進可分別使胸腺體積縮小或增大，正常動物給予甲狀腺制劑后，中樞及外周淋巴器官體積增大，胸腺向外周輸出的T細胞增多。另外，三碘甲腺原氨酸（T3）在體外能促進胸腺上皮細胞分泌活性因子，說明甲狀腺激素對胸腺的免疫功能和內分泌功能均有促進作用。胸腺細胞和胸腺上皮細胞均有糖皮質激素受體，應激時腎上腺皮質激素增加可使胸腺和淋巴組織萎縮，皮質激素處理正常動物可使胸腺細胞排空，而摘除腎上腺后胸腺則增生。性激素可影響胸腺的功能，胸腺上皮細胞等基質細胞中有性激素受體，性激素與這些受體結合后可調節胸腺激素的產生以致影響胸腺細胞的分化成熟。

　　（三）胸腺及其激素對神經內分泌系統的影響
　　胸腺可以影響神經內分泌系統的功能，新生期去胸腺小鼠或裸鼠下丘腦組織的激素含量改變，甲硫腦啡肽含量降低。青年猴去胸腺后血漿β-內啡肽降低，注射胸腺素F5（一種胸腺肽混合物）可使β-內啡肽增加。給新生期去胸腺小鼠或裸鼠注射胸腺提取物或移植胸腺，可使垂體組織學異常得到改善，垂體激素含量增加。一般認為，胸腺對于下丘腦垂體系統的神經內分泌功能的正常發育是不可缺少的，這在生命的早期顯得更加重要。胸腺對甲狀腺也有作用，注射胸腺提取物使甲狀腺增生，去胸腺使甲狀腺重量減輕，甲狀腺激素T3、T4水平降低。胸腺通過下丘腦——垂體——腎上腺皮質軸對腎上腺皮質功能有間接影響。新生期去胸腺小鼠或裸鼠生殖功能明顯降低，青春期延遲，卵巢重量減輕，血清性激素水平和受孕率降低，胸腺激素能提高血清性水平，因此，胸腺對生殖系統也有重要影響，并認為胸腺的存在對雌性動物的生殖內分泌是必不可少的。此外，胸腺本身也產生神經內分泌激素，大鼠的胸腺提取物中有阿片肽樣肽類成分，Geenen等從胸腺組織中提取垂體后葉的催產素，且其濃度遠高出循環水平，接著用分子雜交的方法證明人胸腺中存在加壓素和催產素的mRNA，并證實這兩種神經激素是在胸腺上皮細胞中合成的。因而有理由認為，胸腺也可看成神經內分泌器官。
　　人工合成的胸腺五肽（Thymopentin, TP-5）與胸腺生成素Ⅱ（Thymopoietin Ⅱ）的32-36位氨基酸順序相同，是胸腺生成素Ⅱ的功能活性部分，最近發現，TP-5能阻斷應激時腎上腺皮質激素的反應，增強機體的抗應激能力。另外，TP-5能特異性地與乙酰膽堿受體（nAchR）結合，具有類似非競爭性阻斷劑作用，在神經肌肉接頭處阻斷乙酰膽堿（Ach）與nAchR的結合，誘導nAchR緩慢失活。TP-5還能通過調節腎上腺嗜鉻細胞的nAchR使去甲腎上腺素分泌減少。

　　四、年齡和應激損傷對胸腺功能的影響

　　（一）年齡對胸腺的影響
　　隨著年齡的逐漸增大，老年人免疫系統功能下降，年齡增長對免疫系統的影響，特別是對胸腺的影響非常明顯。新生兒胸腺重量為10-15g，出生后2年迅速增大，至青春期達高峰，可重達30-40g，青春期后開始緩慢退化，至中年前一直保持每年3%的速度遞減，中年后則以每年不到1%的速度減少，按這個速度推算，胸腺功能到120歲才能完全退化。隨著年齡增長胸腺體積縮小的同時伴隨著胸腺結構的變化，小孩的胸腺結締組織和脂肪細胞小，而老年人的胸腺組織則大部分由結締組織和脂肪組織代替，此時盡管老年人的胸腺重量還有15g以上，但真正的胸腺細胞則已很少，因上隨著年齡的增長，胸腺細胞數量減少比重量養活更為明顯。胸腺萎縮以皮質最為明顯，皮質中CD4+CD8+胸腺細胞數量下降，髓質中CD4+CD8-、D4- CD8+胸腺細胞也下降。除胸腺萎縮、細胞減少外，殘留的胸腺組織效率低下，胸腺細胞IL-2受體（IL-2R）表達下降，對絲裂原的增殖反應減弱，產生的T細胞減少，如老年鼠（24月齡）的胸腺產生的T細胞僅是新生鼠的0.7%。因此，胸腺萎縮可使外周的T細胞數量減少，從而使細胞免疫功能下降。
　　胸腺隨著年齡的增長而退化的機制尚未明了，可能與神經內分泌有關。性成熟期胸腺開始退化，而去除性腺可使胸腺增生肥大，正常動物給予性激素可使胸腺萎縮，說明胸腺退化可能跟性激素的分泌有關。用生長激素（Gli）和甲狀腺激素治療也可使老年動物的胸腺功能恢復，而隨著年齡的增長，GH和甲狀腺激素分泌下降，也可能與胸腺退化有關。
　　胸腺萎縮時，胸腺細胞及胸腺基質細胞減少，分泌活性明顯衰退，體內胸腺激素水平隨之下降，免疫功能低下，易發生腫瘤及自身免疫性疾病，對各種感染的抵抗力下降。給老年動物移植新生期胸腺或注射胸腺激素（胸腺素、胸腺生成素等），可使因衰老而降低的免疫功能恢復活力。胸腺五肽（TP-5）是胸腺生成素Ⅱ的功能活性部分，能促進胸腺細胞的生長和分化，使失衡的免疫功能正常化，因而可用TP-5調節因年齡因素而減退的胸腺功能及其引起的免疫功能低下。

　　（二）應激對胸腺的影響
　　各種應激，如嚴重感染、創傷、高溫、高滲、缺氧、輻射和氧化應激等都能引起免疫器官的損傷。胸腺對應激很敏感，應激損傷能影響胸腺細胞發育，誘導胸腺細胞凋亡，引起胸腺萎縮，胸腺細胞數量下降，其中胸腺皮質萎縮最明顯，減少的胸腺細胞主要為4+CD8+雙陽性胸腺細胞。胸腺細胞減少，可能與到下幾個因素有關：（1）應激引起的骨髓多能干細胞減少，從而進入胸腺的前T細胞（pre-T）減少；（2）應激時通過產生的糖皮質激素（GC）、前列腺素E2（PGE2）、TNF-α、活性氧等多種效應分子介導胸腺細胞凋亡；（3）應激通過神經酰胺途徑活化白介素-1β轉化敏（ICE）介導胸腺細胞凋亡；（4）應激時誘導胸腺細胞表達CD95（Fas）分子，以及通過CD3介導胸腺細胞凋亡。
　　應激除造成細胞損傷外，還能誘導一些保護胸腺細胞的機制，如應激時合成的熱休克蛋白能降低細胞對應激損傷的敏感性，增強細胞對應激損傷的抵抗力。應激也通過神經酰胺信號途徑激活視網膜母細胞瘤基因產物（Rb），導致受損細胞生長周期停止，分化增殖中斷，使受損的細胞得以修復，防止應激狀態進一步損傷細胞。另外，應激信號激酶（stress-signalling-kinase）Sek1能保護胸腺細胞免于CD95（Fas）和CD3介導的凋亡，這提示，Sek1是介導T細胞發育過程中免于死亡的信號。值得注意的是，一氧化氮既能誘導胸腺細胞凋亡，也能抑制胸腺細胞的凋亡，其對凋亡的抑制可能與熱休克蛋白的合成有關。
　　對應激造成的胸腺細胞損傷，可通過減少糖皮質激素的分泌及作用，以及提高超氧化物歧化酶（SOD）的水平等來加以保護。如大鼠燒傷應激前，給予糖皮質激素阻斷劑Ru486或切除腎上腺，能抑制燒傷誘導的胸腺細胞凋亡。胸腺五肽（TP-5）是一種免疫調節劑，除能恢復受損的免疫功能外，還能通過阻斷應激時的腎上腺皮質激素反應，增強機體的抗應激能力。此外，TP-5還具有抗輻射應激作用，并能通過提高血中超氧化物歧化酶的水平來增強抗氧化應激作用。

　　五、胸腺五肽對胸腺及免疫功能的調節作用

　　（一）胸腺五肽對胸腺的調節作用
　　年齡和各種應激損傷引起胸腺萎縮，胸腺細胞和胸腺基質細胞數量減少，胸腺產生的胸腺激素（胸腺素、胸腺生成素等）和細胞因子也逐漸減少，胸腺微環境遭到破壞。已知胸腺生成素等胸腺激素的參與T細胞在胸腺中的分化，因此胸腺素的減少使胸腺萎縮進一步加重，功能更加低下，胸腺依賴性免疫功能也更低下，使機體易發生腫瘤，自身免疫性疾病，對病毒、真菌和細菌的抵抗力下降。胸腺五肽是胸腺生成素Ⅱ的功能活性部分，能使機體失衡的免疫功能正常化，促進胸腺細胞的生長和分化，因此，可應用TP-5調節因年齡或其他因素減退的胸腺功能。化學致癌劑DMBA造成的胸腺損傷與因年齡關系形成的胸腺變化十分相似，表現為T細胞IL-2R表達下降，胸腺細胞絲裂原反應減弱；細胞免疫和體液免疫受到抑制；胸腺淋巴細胞亞群CD4+ CD8+、CD4+CD8-細胞數量下降，胸腺體積縮小，以胸腺皮質萎縮最明顯，微環境遭到破壞。由于胸腺功能低下，免疫監視功能削弱，DMBA能誘導60%-70%的大鼠形成乳腺癌。但如在DMBA灌胃前一周開始皮下注射，則能明顯改善DMBA造成的免疫功能低下和抑制腫瘤生長，表現為胸腺細胞和脾細胞對ConA和PHA刺激的增殖反應加強，胸腺CD4+CD8+和CD4+ CD8-淋巴細胞亞群數量以及IL-2R表達量增加，尤其是TP-5幾乎能完全阻止DMBA引起的胸腺萎縮，并能明顯延遲腫瘤的出現和生長。可見TP-5對年齡和各種損傷造成的胸腺萎縮及功能減退具有重要的調節作用。

　　（二）胸腺五肽對免疫功能的調節
　　TP-5能調節和提高受損的細胞免疫功能。發現HIV感染的病人，心肺大手術后，老年病人及腫瘤病人細胞免疫功能受損，Th/Ts細胞亞群比例下降，同時Th細胞亞群的Th1細胞分泌的IL-2、IFN-γ、INF-α等細胞因子減少，相反，Th2分泌的IL-4、IL-10濃度卻上升，使病人的細胞免疫功能降低。體外實驗證實，TP-5盡管對正常幼年及成年鼠的Th1、Th2細胞產生細胞因子無影響，但卻能明顯促進老年鼠脾細胞產生IL-2、IFN-γ和INF-α。體內實驗也證實TP-5皮下注射能使所有老年鼠產生IL-2、IFN-γ和INF-α顯著增強，同時降低老年鼠的IL-4水平，使老年鼠下降的細胞免疫功能得以恢復。因此，給老年鼠注射TP-5，能提高機體對感染的抵抗力。實驗性損傷鼠模型應用TP-5后，也由于提高IL-2水平和降低IL-4水平，增強了對細菌的抵抗力，從而使死亡率下降。此外，臨床實驗研究表明，由于TP-5能提高受損的細胞免疫功能，故能使無癥狀的HIV攜帶者CD4+T細胞水平上升，延緩或阻止疾病的惡性發展；反復復發性單純性皰疹、帶狀皰疹以及人類乳頭瘤病毒感染具有治療作用，并能使這些病毒的再感染間期顯著延長；對放射損傷、創傷、手術感染等應激情況能引起機體免疫功能下降，具有明顯的保護作用。此外，TP-5還能預防慢性支氣管炎和泌尿系統的感染，輔助EPO治療慢性腎衰性貧血。
　　TP-5不僅能提高受損的細胞免疫功能，還能糾正過強的免疫功能，從而治療一些自身免疫性疾病，如類風濕性關節炎（RA）、系統性紅斑狼瘡和多發性硬化等。發現RA患者體內Ts細胞過少，或關節局部的Ts細胞過少，不足以控制Th細胞的功能，使得巨噬細胞產生過量的IL-1及B細胞過度產生抗體，最終導致組織損傷、軟骨破壞。現有的治療RA的藥物大都有較大的毒副作用，且效果不理想。TP-5因其較好的免疫調節作用和無副作用而成為有價值的治療RA藥物。此外發現，TP-5使變應性皮炎（AD）患者外周血單核細胞分泌IFN-γ水平上升，IL-4水平下降，使得IL-4刺激的IgE合成也減少。從而減輕AD患者的臨床癥狀。
　　綜上所述，TP-5是一種有獨特生物學作用的免疫調節劑，它對機體免疫功能具有雙向調節作用，即能使過強或受到抑制的免疫反應恢復正常。