加强免疫：免疫记忆能否跑赢疾病发病进程？

TLR：Toll 样受体

Hib：b 型流感嗜血杆菌

DTaP：白喉 – 破伤风 – 无细胞百日咳疫苗

HPV：人乳头瘤病毒

摘要

目前几乎所有疫苗的作用机制都是通过诱导血清或黏膜产生抗体，从而阻断病原体黏附于上皮细胞或干扰微生物入侵血液。然而，如果不再接种疫苗，接种后抗体水平通常会下降至无法检测的程度。由于持续的“自然”免疫增强或其他免疫机制，疫苗诱导的抗体通常会持续存在，远远超过其本应下降至无法检测的水平。记忆性 B 细胞和 T 细胞的产生显然至关重要，但在缺乏保护性循环抗体水平的情况下，记忆性免疫应答能否快速产生，可能取决于特定病原体的致病速度。本文将以血杆菌为例讨论这一概念。   卢斯   b 型流感病毒 、 肺炎链球菌和奈瑟菌   流感 ；甲型和乙型肝炎；白喉、破伤风和百日咳；脊髓灰质炎、麻疹、腮腺炎、风疹和水痘；轮状病毒；以及人乳头瘤病毒。对于发病速度较慢的传染病，一些个体在免疫记忆反应完全激活和发挥作用之前就会感染。对于发病速度较慢的传染病，免疫记忆应该足以预防疾病。 儿科学 2009;124:1633–1641

过去十年间，大量新疫苗相继问世，未来还有更多疫苗即将问世，临床医生经常被问到（或自己也在思考），所有这些疫苗是否都需要加强针。疫苗公司已建立哨点人群研究，作为上市后第四期评估，旨在提前告知公共卫生部门和临床医生是否需要加强针。本文将介绍目前已知的 B 细胞和 T 细胞免疫记忆、先天免疫以及我们目前通过疫苗预防的疾病的发病机制，并探讨随着自然免疫增强机制的变化，情况的动态变化。

抗体的重要性

正如 Robbins 等人 ¹ 和 Plotkin² 所观察到的，目前几乎所有疫苗的作用机制都是通过诱导血清或黏膜（通过局部产生或血清渗出）产生抗体，从而阻断病原体黏附于上皮细胞或干扰微生物入侵血液。为了发挥保护作用，诱导产生的抗体必须能够有效对抗相关病原体，或作为调理素辅助免疫系统；或者，如果病原体通过产生毒素发挥致病作用，则抗体必须能够中和该毒素 ²。抗体在疫苗诱导的保护作用中的重要性毋庸置疑，被动接种疫苗能够预防或减轻疾病的研究以及母体抗体对新生儿的保护作用的观察结果均支持了这一点 ³。所有母体对胎儿和新生儿的保护作用都源于抗体，因为母体 B 细胞和 T 细胞无法穿过胎盘。

特定水平的抗体与多种疾病的保护作用相关（表1）。这些与保护作用相关的抗体水平通常来源于人群研究，这些研究观察到，具有一定抗体水平的个体总是或几乎总是能免受疾病侵害。然而，特定水平的抗体并非对每个人都具有绝对的保护作用，因为重要的不仅是抗体的数量，还有抗体的功能。此外，个体对疾病的易感性存在遗传变异，不同病原体菌株的毒力存在差异，个体间的先天免疫反应存在差异，病原体的接种量也存在差异，并且并发疾病或合并感染也可能产生影响。因此，特定的保护性抗体水平应被视为适用于大多数宿主的相对保护作用的近似估计值。

如果不再受到抗原刺激，抗体水平通常会随着时间推移下降至无法检测的程度，因为抗体的半衰期约为30天。然而，疫苗诱导产生的抗体持续时间通常远远超过根据其半衰期计算出的抗体消失时间。这可能是由于持续的“自然”免疫增强或其他免疫机制所致，下文将对此进行讨论。

自然增强免疫可通过病原体的无症状定植或表达交叉反应抗原的非病原体引起。随着疫苗使用量的增加和/或群体免疫的建立，病原体在人群中的传播范围逐渐缩小​​，自然增强免疫也会随之减少。对于多种疫苗而言，这是一个持续存在的问题，因为疫苗接种者缺乏自然增强免疫可能导致其再次易感疾病。

对于抗原暴露后循环抗体水平长期低下的现象，人们提出了其他解释。一种假说是，少量抗原被保留并持续存在于外周淋巴结和脾脏中。这些少量抗原足以维持免疫反应的持续进行。⁴ 第二种假说认为，一些记忆 B 细胞被隔离在骨髓中，在那里它们周期性分裂、成熟为浆细胞，并在血清中产生少量抗体。⁵ 第三种假说是，非特异性多克隆 B 细胞激活剂维持着一个持续存在的少量记忆 B 细胞库。这些假说中的非特异性 B 细胞激活剂包括几种刺激 Toll 样受体（TLR）（稍后讨论）的微生物产物，也可能通过旁观者 T 细胞辅助发挥作用。^6,7

表 1 疫苗接种后保护作用的定量相关因素

ELISA 表示酶联免疫吸附试验；ELU 表示 ELISA 单位；SN 表示血清中和；gpELISA 表示糖蛋白 ELISA 酶联免疫吸附试验；Ig 表示免疫球蛋白。

 记忆B细胞的作用   

记忆 B 细胞的产生是一个复杂的发育过程，发生在淋巴结和脾脏的生发中心。在记忆 B 细胞生成过程中，会发生一个称为亲和力成熟的选择过程。⁸ 疫苗接种后，随着抗原的减少，免疫球蛋白基因会发生随机突变，表面表达对逐渐减少的疫苗抗原具有最高亲和力抗体的 B 细胞会脱颖而出，并持续存在，成为记忆 B 细胞。高功能抗体与对疫苗抗原具有高亲和力的抗体之间存在很强的相关性。疫苗诱导的 B 细胞介导的免疫记忆的特征包括：(1) 抗体快速产生；(2) 主要为免疫球蛋白 G 抗体；(3) 抗体水平高于初次接触后；(4) 由于亲和力成熟的过程，产生对抗原具有更高亲和力的抗体（以及更高亲合力的抗体群）。

为了评估免疫记忆的持续时间，接种疫苗的受试者会在接种疫苗后的一段时间内提供血清和淋巴细胞进行体外分析。随后可以测量抗体水平、B 细胞记忆细胞和 T 细胞记忆细胞的持久性。评估免疫记忆的最佳方法是进行攻毒试验，即给予受试者五分之一到十分之一的标准抗原剂量，然后评估其免疫反应。这种模拟方法并不完美，因为：（1）我们不知道实际的病原体特异性抗原剂量；（2）通过肠外途径递送抗原显然与自然界的实际情况不同，在自然界中，几乎所有的暴露都是通过皮肤、呼吸道、消化道或泌尿生殖道发生的；（3）模拟的背景并非处于并发疾病期间（例如，自然界中常见的病毒性上呼吸道感染）。

T 细胞   记忆

T 细胞免疫在终止疾病或维持长期抗病保护中发挥着重要作用。事实上，最近在小鼠 ^9,11 和人类 ¹² 中都发现了依赖于 T 细胞和不依赖于抗体的抗感染保护机制。细胞免疫一词通常与 T 细胞免疫同义使用。

目前已知存在两种记忆性 T 细胞群。效应记忆性 T 细胞存在于外周组织中，而另一种称为中央记忆性 T 细胞的细胞群则存在于淋巴器官中。¹³ 这两种记忆性 T 细胞群均表达表面蛋白，使其与初始 T 细胞区分开来。¹⁴ 效应记忆性 T 细胞持续循环进入组织是免疫系统的一个关键特征，它确保了具有特定抗原的记忆性 T 细胞能够分布于全身。

已有充分证据表明，记忆性 CD4+ T 细胞的反应速度更快，且释放的细胞因子种类更多；记忆性 CD8+ T 细胞释放的细胞毒性分子（穿孔素和颗粒酶 B）的量也高于初次免疫应答时的水平。¹² 此外，与初始 CD4 T 细胞相比，记忆性 CD4+ T 细胞在辅助 B 细胞方面更为有效。^15,16

更快、更广泛的记忆性 T 细胞反应有可能在再次接触病原体后迅速控制感染。^17-19 在 CD4 和 CD8 体外模型中，抗原刺激后约 2 至 7 天即可观察到 T 细胞效应功能（细胞介导免疫）的产生。^20-23 T 细胞记忆的维持时间因抗原而异。接种小蛋白片段疫苗后获得的 T 细胞记忆比接种减毒但可复制病毒疫苗后获得的 T 细胞记忆要短得多。^24-27

先天   免疫

除了适应性免疫外，先天性免疫反应也能减缓病原体的进展速度。²⁸ 过去十年来的新信息表明，先天性免疫系统已经发展出一种策略，能够识别哺乳动物细胞上不存在的微生物保守结构：即所谓的病原体相关分子模式（PAMP）。²⁹ 此外，一种名为 Toll 样受体（TLR）的识别和信号传导系统也已被发现，该系统能够启动人类宿主细胞中的一系列免疫事件，从而控制感染，为适应性免疫反应争取时间。^30,31TLR2 是革兰氏阳性菌脂磷壁酸、细菌脂蛋白和酵母聚糖（酵母）的受体；TLR3 是病毒双链 DNA 的受体；TLR4 是革兰氏阴性菌脂多糖的受体； TLR9 是细菌 DNA 的受体 ^32,33。一旦 TLR 被病原体相关分子模式（PAMP）激活，免疫效应细胞无需增殖或成熟，即可立即释放多种促炎和抗炎介质及细胞因子。由于产生足够数量的抗体和效应 T 细胞需要 2 至 7 天，宿主依靠先天免疫系统暂时控制感染。如果先天免疫反应不足，即使存在免疫记忆，也可能发生感染。

通过免疫反应清除感染

在缺乏保护性循环抗体水平的情况下，B 细胞或 T 细胞记忆反应能否足够迅速地发挥作用，很大程度上取决于特定病原体感染的发病速度（表 2）。以下列举几个例子来说明这一点。

流感嗜血杆菌 b 型，   肺炎链球菌 ，以及   脑膜炎奈瑟菌

荚膜呼吸道细菌（如嗜血杆菌） 的致病速度   流感   b 型流感嗜血杆菌（Hib）， 链球菌   肺炎链球菌和奈瑟菌   脑膜炎   传播速度非常快。短短几小时内，细菌就能黏附于鼻咽部，进入血液循环，大量繁殖，并开始侵袭脑膜。针对荚膜多糖的功能性抗体的存在，可以阻止这些荚膜细菌的感染。

已对流感嗜血杆菌（Hib）和脑膜炎奈瑟菌的记忆 B 细胞刺激后产生可测量抗体反应的速度进行了测量。^34-37 在这两种情况下，抗原暴露后至少 2 至 7 天才能观察到可检测的抗体反应。从抗原暴露到抗体产生需要一定时间，因为抗原必须被抗原呈递细胞（例如树突状细胞和巨噬细胞）摄取和处理；然后，抗原呈递细胞必须与 B 细胞和辅助性 T 细胞相互作用；B 细胞必须增殖并成熟为浆细胞；最后，浆细胞将抗体释放到血液循环中。

Hib 结合疫苗问世后，关于在未检测到抗体的情况下免疫记忆的保护作用的争论开始出现。³⁸ 这种情况出现在白喉-破伤风-无细胞百日咳（DTaP）疫苗与 Hib 结合疫苗联合使用时，因为一些 DTaP-Hib 联合疫苗产生的抗体水平不如单独接种两种疫苗。^39,40 当 Hib 疾病开始在英格兰和威尔士出现时，这场争论结束了。在这两个地区，DTaP-Hib 联合疫苗获得了许可，研究人员发现，对于某些儿童来说，循环中存在一定水平的功能性抗体是获得长期保护的必要条件。^41-43 脑膜炎球菌结合疫苗问世后，同样的情况在英国再次出现。尽管免疫记忆持续存在，但抗体水平的下降与疫苗效力的下降有关。44-46 由于疾病突破性病例的出现，英国修订了其疫苗接种计划，要求接种 Hib 和脑膜炎球菌结合疫苗的加强剂量，以维持血液中的保护性抗体水平。

婴儿期完成 Hib 结合疫苗的基础免疫程序后，只需在两岁时接种一次加强针，即可提供保护直至 5 岁左右。这是因为在 3 至 5 岁期间，儿童的胃肠道会因大肠杆菌的定植而产生对 Hib 的“自然”免疫力。   该菌株表达一种与 Hib 多糖荚膜几乎完全相同的多糖荚膜（K1 荚膜）47（图 1）。人体也会产生针对脑膜炎奈瑟菌和肺炎球菌的天然抗体，但目前尚不清楚这种天然抗体的产生频率是否足以补充疫苗诱导的免疫力。脑膜炎奈瑟菌和肺炎球菌疾病在人的一生中偶有发生，这表明可能需要加强免疫接种。

表 2 发病速度、记忆机制和加强针需求

a 接触病毒后可以接种加强针，因为发病速度较慢。

肝炎  B 和 A

乙型肝炎和甲型肝炎的发病机制进展缓慢。临床上，在乙型肝炎和甲型肝炎疫苗问世之前，肌注β-球蛋白形式的被动抗体，可在感染后2周进行，且仍然有效。自然感染乙型肝炎和甲型肝炎后，可终身获得免疫力。

乙肝疫苗诱导的抗体水平会随时间推移而下降，接种疫苗 10 年后，仅约三分之一的接种者体内仍能检测到抗体水平。⁴⁸ 然而，迄今为止尚未出现突破性病例。这一成功归功于在接触病原体后能及时产生的记忆性抗体反应，从而提供保护（图 2）。然而，最近一份关于乙肝疫苗接种后 15 至 18 年仍能保持免疫记忆的报告引发了人们的担忧。⁴⁹ 由于甲肝疫苗引入时间较晚，因此关于甲肝疫苗接种后免疫力和免疫记忆的持久性信息较少。

图  1

疫苗可提高血清中针对 Hib 的抗体水平，随后抗体水平会下降。然而，由大肠杆菌菌株定植于胃肠道后，人体可产生针对 Hib 荚膜多糖的“天然”血清抗体。   大肠杆菌   它表达一种与 Hib 荚膜几乎完全相同的多糖荚膜，因此无需额外加强免疫即可维持保护作用。Hib 结合疫苗是指将 Hib 多糖与蛋白质载体疫苗结合而成的疫苗。

图  2

接种疫苗可提高血清中乙型肝炎表面抗原的抗体水平，随后抗体水平会逐渐下降。接触乙型肝炎病毒后，会在 2 至 14 天内产生记忆性抗体反应。由于乙型肝炎的发病机制较为缓慢，因此记忆性抗体反应能够及时产生，从而预防感染。HBsAg 指乙型肝炎表面抗原；HBsAb 指乙型肝炎表面抗体。

图 3

接种疫苗可提高血清中针对 HPV 的抗体水平（这些抗体有可能渗出到黏膜上），之后血清抗体水平会下降。自然感染 HPV（例如，自然增强免疫或其他免疫机制）可能导致血清抗体水平持续高于保护性水平。

白喉、破伤风和   珀特 ·乌西斯

白喉、破伤风和百日咳是由毒素释放引起的疾病，不伴有菌血症。从感染到产生足够毒素致病，白喉和破伤风的发病时间约为数天，百日咳则约为数周。自然感染并不能使人体终身免受这三种疾病的侵害。研究表明，破伤风的记忆性免疫反应会在感染后数天至两周内出现。⁵⁰

20 世纪 80 年代，前苏联爆发的白喉突破性病例引发了一场疫情，其中许多接种过疫苗的人也未能幸免。⁵¹ 众所周知，破伤风突破性病例也会发生在疫苗接种者中，因此建议每 10 年接种一次加强针。⁵² 研究表明，使用全细胞百日咳疫苗后会出现免疫力减弱的情况，^53-56 导致接种过疫苗的青少年和成人出现病例，^57-59 如果不进行加强针接种，未来使用无细胞百日咳疫苗后也可能出现这种情况。就发病机制而言，可以预测，百日咳的长期前驱期（通常在咳嗽发作前 1 至 3 周出现类似上呼吸道症状）应该足以使免疫记忆在疾病发展之前发挥作用。然而，这种情况很可能并未发生，因为该病原体的复制仅限于黏膜表面（而非血液中），而且当其存在于气管支气管树中时，本身并不会引发强烈的炎症/免疫反应。或许只有当百日咳毒素产生到足够量时，免疫系统才会被激活。

脊髓灰质炎，  麻疹，  腮腺炎   风疹，  水痘

脊髓灰质炎、麻疹、腮腺炎、风疹和水痘的发病过程均以两个病毒血症期为特征。第一个病毒血症期发生在接触病毒后2至4天，之后有1至3天的病毒血症间歇期，随后是第二个病毒血症期，该期病毒传播范围更广。之后，出现前驱症状，随后出现疾病的典型表现。自然感染后可获得永久免疫力。

对于脊髓灰质炎、麻疹、腮腺炎、风疹和水痘，其发病机制可能足够缓慢，从而使免疫记忆反应得以介入，并在大多数个体中阻止重要的、致病性的第二阶段病毒血症的发生。目前不建议接种脊髓灰质炎、麻疹、腮腺炎、风疹和水痘疫苗的加强剂，但免疫力减弱的问题已引起关注。^60-64 有研究建议，对于初次接种疫苗后未产生免疫反应的一小部分个体，可以考虑接种额外的疫苗剂量以产生免疫力。^65,66 与灭活病毒疫苗相比，减毒活疫苗更能模拟自然感染，而自然感染产生的免疫力已知是终身的。潜伏疫苗病毒的再激活有可能诱导抗体水平的升高。增强型灭活脊髓灰质炎疫苗的免疫持续时间正在前瞻性研究中。⁶⁷

轮状病毒

自然感染轮状病毒并不能提供完全保护，但再次感染的症状通常比初次感染轻微。⁶⁸ 目前可用的两种轮状病毒疫苗均为减毒活疫苗。轮状病毒的致病过程从感染到发病需要数天时间。虽然感染后免疫力可能不完全，接种疫苗后免疫力也可能减弱，但由于较大儿童的感染率远低于其他儿童，因此不太可能建议在儿童后期接种加强针。

人类   乳头瘤病毒

人乳头瘤病毒 (HPV) 疫苗接种后的保护机制似乎是中和抗体的产生。^69-72 HPV 在人体内的致病速度尚不清楚。在动物模型中，病毒需要 30 分钟至 24 小时 ^73-77 才能进入基底上皮细胞（并感染细胞）；此后，病毒基本上无法被抗体识别。因此，似乎在接触病毒时，黏液中需要存在最低水平的抗体（无论是局部产生的还是血清渗出的）才能预防感染（图 3）。HPV 疫苗接种后，目前尚不确定“自然”宫颈 HPV 感染是否足以刺激产生保护性抗体反应（自然加强免疫）。^78-83 虽然免疫记忆的作用仍不确定，但高且持续的中和抗体滴度被认为是疫苗接种后预防 HPV 感染的最佳替代标志物。⁸⁴

结论

通常情况下，宿主接触潜在病原体后，B 细胞记忆细胞和 T 细胞记忆细胞（细胞介导免疫）需要约 2 至 5 天的时间才能扩增并分化为成熟的免疫效应细胞。在记忆反应出现之前，先天免疫系统和预先存在的循环抗体水平必须阻止疾病进展。对于发病速度较快的传染病，一些个体可能在记忆反应完全激活和发挥作用之前就已感染。而对于发病速度较慢的传染病，免疫记忆通常足以预防疾病。一些新型疫苗是否会导致突破性感染尚不确定。这是一个正在积极研究的领域，未来有望解答这一重要问题。