【重磅综述】免疫衰老的开始：T细胞衰老的现象和特征

T细胞是免疫系统的重要组成部分，在细胞介导的免疫反应中起着核心作用。了解T细胞在衰老过程中发生的变化，是延缓免疫衰老，加固老年人机体防火墙的重要基础。

撰文：步步先生

来源：干细胞者说

人老了，不一定都患病，但衰老却会给疾病可乘之机。免疫系统是机体应对各种内外危机的防火墙（对外可御敌，对内可维稳）。随着机体逐渐衰老，免疫系统也逐渐被岁月侵蚀。随之而来的是，机体面对病原体和癌细胞的反应能力也逐渐减弱。

2021年6月份西班牙Severo Ochoa分子生物学中心的Maria Mittelbrunn团队和法国Institut Gustave Roussy 研究所的Guido Kroemer团队在Nature Immunology上发表的题为“Hallmarks of T cell aging”的综述文章，详细介绍了T细胞衰老过程中的十个分子标志以及对应的生理学变化。

（本文通讯作者，左：Maria Mittelbrunn 右：Guido Kroemer 图片源于网络）

免疫衰老与T细胞衰老

衰老适应性免疫的特征是表现出进行性功能障碍和自身免疫的增强，从而导致了感染增加、癌症易感性增加以及疫苗效力的降低。研究表明，CD4+T细胞发生变化会诱发慢性炎症，并加重全身范围内的衰老表型，支持T细胞衰老在机体全身衰老中起主要作用的观点。

T细胞衰老可能是“免疫衰老”的主要特征之一。免疫系统的衰老会干扰其防火墙功能（外来病原体或体内变异细胞的消除），同时诱发炎症和自身免疫病。T细胞早衰可能具有“传染性”，即加速多个器官和系统的衰老。敲除穿孔素导致的免疫缺陷会导致衰老细胞加速积累，从而加速衰老过程，这表明免疫监视失效就可能导致机体出现全身衰老。

图1：T细胞衰老的十大特征

在这篇经典综述中，作者建议对T细胞衰老的十大特征进行区分，分为四个主要标志：胸腺退化、线粒体功能障碍、遗传和表观遗传改变、蛋白质稳态失衡；四个次要标志：TCR库的减少、初始记忆细胞失衡、T细胞衰竭、效应细胞可塑性的丧失；还有两个综合特征：免疫缺陷和炎症。

四个主要特征

1、胸腺退化

免疫系统发生衰老，最有据可查的变化就是胸腺的退化，胸腺是负责产生 T 细胞的主要器官。人类胸腺的退化开始于童年，退化巅峰于青春期。与年龄相关的胸腺退化表现为组织结构的破坏、胸腺质量的减少以及胸腺细胞数量的下降。这导致到达外周血里的初始T细胞减少，记忆T细胞的代偿性克隆性扩增，外周T细胞库多样性减少，影响了对病原体的检测。

性类固醇水平的增加和生长因子（如生长激素、IGF-1和KGF）的产生减少，可促进胸腺退化。因此，通过手术或化学阉割导致的性类固醇减少，可诱导胸腺功能的恢复。相反，压力、感染、肥胖、怀孕和抗肿瘤治疗会加速胸腺退化。

图2：胸腺退化

在化疗、电离辐照和感染引起损伤后，老年人无法恢复免疫功能，从而增加了疾病的发病率和死亡率。因此，制定增强胸腺功能和促进免疫重建的策略至关重要。

推荐阅读：CCTV《健康之路》| 人体的免疫力会随着年龄一起衰老

通过额外施用生长激素/瘦素/生长激素释放肽（ghrelin）等可防止压力介导的胸腺萎缩。注射Ghrelin可显著增大年老小鼠的胸腺、提升细胞数量和T细胞输出。Ghrelin输注可以使老年小鼠胸腺大小、细胞数量和T细胞输出显著增加。另外，IL-22也可能促进小鼠胸腺再生。值得注意的是，经常锻炼的人初始T细胞和新迁出胸腺细胞（RTE）的频率增加，以及IL-7的循环水平升高。除了激素和生长因子外，胸腺移植和过继细胞治疗也可能刺激小鼠胸腺发育。

值得注意的是，胸腺萎缩和胸腺输出减少的机制在很大程度上仍然是难以捉摸的。阐明这些关键途径可能为预防免疫衰老和延缓炎症反应的新策略铺平道路。

一句话：胸腺强则免疫强，胸腺弱则免疫弱。

2、线粒体功能障碍

线粒体功能障碍大多发生在衰老的组织和细胞类型中（当然也包括T细胞）。比起年轻个体，老年个体的T细胞中含有更丰富的线粒体蛋白，但它们被氧化磷酸化而受损，这表明细胞中累积着大量功能失调的线粒体。究其原因可能是线粒体的自噬的无效循环造成的。

线粒体不仅对生物能量学和细胞代谢（包括维持NAD/NADH比值）至关重要。线粒体还是产生、传递和响应活性氧（ROS）或钙峰的信号中枢。而在老化的T细胞中，这些信号通路失调。T细胞线粒体功能障碍通过多种分子机制（包括炎症代谢物的积累、表观遗传改变、转录后蛋白修饰），导致促炎症表型的获得。在T细胞中，线粒体衰退与衰老表型的获得有关。因此，低剂量鱼藤酮可以抑制线粒体中呼吸链复合物I，加速CD4+T细胞的免疫衰老。此外，敲除T细胞线粒体转录因子A（英文缩写：TFAM），可导致线粒体衰竭。

目前，二甲双胍正在开展延缓衰老的临床试验。使用二甲双胍，可增强小鼠CD8+T细胞中的TFAM表达和线粒体功能，有助于解决结核分枝杆菌的感染。线粒体功能恢复增强策略已被用于恢复耗尽的TIL。GDF15是一种线粒体应激或功能障碍产生的线粒体因子。GDF15可以维持Treg细胞的免疫抑制功能并减缓炎症。干预内分泌因素（包括GDF15）可能为改善老年人免疫提供一种新的策略。

一句话：恢复线粒体功能可能有助于T细胞功能紊乱的恢复。

3、遗传和表观遗传的改变

随着年龄增长，T细胞也会发生遗传和表观遗传改变。染色体变化在老化的T细胞中积累，T细胞白血病发病率的增加，在这方面日本人比欧洲人更易发生。T细胞基因组不稳定可能是由线粒体应激，ROS的过度产生和端粒磨损以及修复酶的活性降低导致的。

所有主要的T细胞亚群，都表现出与年龄相关的端粒长度减少，这与人类中受到慢性感染关系很大，尤其是巨细胞病毒（CMV）。特发性肺纤维化（IPF）是人类短端粒综合征最常见的表现。接受肺移植的IPF患者T细胞对CMV的免疫力受损，证实端粒变短会损害T细胞功能。因此，端粒酶突变可能会发展为T细胞免疫缺陷。越接近健康的百岁老人，T细胞端粒越长、端粒酶活性越高和细胞增殖能力越强。

表观遗传改变可能一直伴随着T细胞衰老。其影响DNA甲基化以及组蛋白编码及其多重翻译后修饰，这在一定程度上解释了T细胞的老化过程。在白细胞端粒长度较短的个体中，DNA甲基化年龄特别高，与低水平的记忆CD8+T细胞和高水平的初始CD8+T细胞相关。据报道，DNA甲基组与年龄相关的表观遗传变化在30岁末或40岁初首次激增，时间和女性相似；第二次高峰更早（5-6年后），男性更强，这与男性预期寿命的降低有关。

一句话：不论是遗传还是表观遗传，均可能造成 T 细胞衰老，进而影响整体健康状况，甚至寿命。

4、蛋白稳定性丧失

对于错误折叠或老化蛋白质的降解，机体是分两种途径介导的，分别是蛋白水解酶和自噬。这两个任何一个出现缺陷都会导致T细胞老化。

自噬是机体内大蛋白聚集体和细胞器循环利用的唯一机制，自噬体通过与溶酶体融合以大量降解管腔内容物。随着年龄的增长，自噬功能趋于不足，这些因素可能包括：

伴随代谢综合征的营养物质（葡萄糖和游离脂肪酸）和生长因子（胰岛素和IGF1）的增加，过度激活抑制自噬的mTORC1通路；
由于烟酰胺二核苷酸（NAD）的年龄相关性下降，营养传感器（如Sirtuin-1）的激活水平降低；
降低了促自噬蛋白的催眠依赖性翻译所需的亚精胺水平；
降低了自噬转染因子级联的激活，如FOXO1-TFEB轴。

从理论上讲，自噬可以通过减少热量摄入（通过热量限制或间歇性禁食）和提供NAD前体（如烟酰胺、精胺）膳食补充剂来重建，从而增加健康寿命和寿命。

自噬的年龄依赖性下降也会影响T细胞。记忆T细胞和Treg细胞比效应T细胞更依赖氧化磷酸化，特别容易受到自噬抑制的影响。自噬的药理学抑制会干扰人类记忆CD8+ T细胞的组织驻留重编程。自噬具有至少部分由Treg细胞介导的抗炎作用。

雷帕霉素（mTORC1抑制剂）的短期给药可提高小鼠CD8+ T记忆细胞对病毒感染的免疫反应，并提高老年人对流感病毒疫苗的免疫反应。在属于长寿家庭的个体中，与对照组相比，CD4+ T细胞显示出改善激活诱导的自噬活性。总之，自噬是对抗T细胞衰老的有效靶点，诱导自噬可以减少炎症同时提高免疫反应的灵敏度。

一句话：自噬作用恢复或增强有效延缓衰老，控制热量摄入和间歇性饮食是个好主意。另外，NAD前体、精胺、雷帕霉素也值得研究。

四大次要特征

1、TCR多样性减少

TCR多样性随着年龄的变化而变化，这与随时间变化的多种因素有关：

胸腺减少了幼稚T细胞的生成；
克隆造血细胞赋予部分T细胞生长优势；
外周抗原的持续选择；
由于克隆扩增的限制导致的T细胞亚群的衰老。

现有证据表明，内外因素都可能降低T细胞的TCR多样性（尤其在CD8+ T效应记忆器CD45RA+（TEMRA）亚群中），损害免疫功能，并导致耗竭T细胞不成比例的扩增。

在衰老的个体中，初始T细胞的TCRβ CDR3长度、NDN插入和非模板添加N核苷酸的数量逐渐减少，以及CDR3环核心部分的物理化学性质的显著改变。这些改变在初始T细胞的CD4、CD8、富含RTE的细胞和成熟的CD4亚群中被发现。

TCR库的多样性会随着年龄的增长而发生变化和部分收缩。施用IL-7会增加体内TCR库的多样性，这可能是由于幼稚T细胞增殖水平的增加。

2、初始T和记忆T比例的失衡

T细胞能识别的特异性抗原的数量与初始T细胞库中存在的克隆数量成正比。初始T细胞库的维持依赖于现有克隆细胞的外周分裂，而非新克隆的产生。因此，如果没有胸腺输出新的T细胞，初始T细胞可以作为干细胞发挥作用。

随着年龄增长，初始库高度分化，随着记忆细胞积累而收缩，这说明T细胞谱系中干细胞样库的枯竭。与CD4+初始T细胞相比，CD8+初始T细胞表现出体内稳态增殖减少。另外，人类T细胞初始记忆平衡的研究主要在外周血中，而远比组织驻留T细胞库要多得多。独立研究表明，肠道相关淋巴组织、淋巴结和脾脏中的原始T细胞随年龄的增加而减少。

对人进行高水平的IL-7治疗性给药，短至1周即会促进原始T细胞的大量增加。IL-7治疗可诱导体内CD4+和CD8+ T细胞扩增，优先增加具有不同TCR库特异性的T细胞。这些效应主要是通过外周T细胞的增殖和存活的增加来介导的。当稳态失衡时，初始T细胞向记忆T细胞分化。

总之，现有数据表明，由于胸腺退化、持续的抗原刺激和炎症环境，高度分化的记忆T细胞富集，而初始库里的初始T细胞减少。与老年期产生的记忆反应相比，青年期或成年期产生的记忆反应似乎更持久

3、T细胞衰竭

衰老伴随着功能失调、终末分化的T细胞的积累。由于长期抗原刺激或慢性病毒感染中，T细胞出现衰老或衰竭表型，这限制了T细胞免疫反应。虽然衰老和衰竭的T细胞在TCR触发的增殖方面都有缺陷，但在分子信号传导和分泌表型方面还是有所不同的。衰老T细胞分泌大量促炎因子（如TNF和骨钙蛋白），与衰老相关的分泌表型（SASP）有关。衰老T细胞具有的衰老特征，还包括低端粒酶活性和短端粒、DNA损伤迹象、抗凋亡和β-半乳糖苷酶活性。

人类CD4+T细胞和CD8+T细胞对衰老的敏感性不同，CD8+T细胞能更快地获得免疫衰老表型。有报道称Treg细胞在衰老过程中比效应T细胞衰老得更严重。慢病毒感染可加速T细胞的衰老。

炎症应激信号、葡萄糖供应不足或线粒体功能障碍也可能导致T细胞的过早衰老。衰老T细胞参与了某些年龄相关疾病的发病机制，如心血管、代谢和神经退行性疾病。据报道，多酚、益生菌和omega-3脂肪酸等植物化学物质也可以逆转免疫衰老。

图3 T细胞衰老的特征和后果

总之，随着衰老，衰老T细胞会不断积累，免疫功能降低但促炎功能升高。清楚衰老T细胞（衰老溶解）可能为干预衰老和年龄相关病（包括代谢综合征和神经退行性疾病）提供靶点。

4、效应T细胞可塑性丧失

CD4+T细胞可分化为不同亚群，包括Th1、Th2、Th9、Th17、Th22、Tfh和Treg细胞。在抗原诱导下，Th细胞会发育成不同的谱系。随着年龄增长，T细胞从静止状态的初始T细胞进入终末分化的效应T细胞阶段，这可能会导致发育偏差，可塑性丧失，降低免疫系统应对新抗原刺激的反应能力。

衰老小鼠的CD4+ T细胞可以鉴定出耗竭的、细胞毒性的和激活的调节T细胞，通常具有极端的抗炎和促炎特性，主要亚群是Th1和Th17亚群，这些亚群的出现与循环炎症细胞因子（主要是IFN-β、IL-6和IL-27）升高有关。这说明炎症与CD4+T细胞衰老是相互作用的。

在百岁老人中，发现与衰老相关的CD4+ CTL细胞的扩增。在老年人或小鼠中，CD8+细胞群体的特征是T细胞的寡克隆和耗竭群体的扩增，这些T细胞分泌颗粒酶K（GZMK），可刺激其他细胞（例如成纤维细胞）的衰老。

简而言之，T细胞的衰老与其可塑性降低和终末分化表型相关，影响它们在应对新抗原刺激中的弹性范围。在肿瘤免疫学中，T细胞浸润肿瘤的功能功效可以被诱导多能干细胞（iPSC）技术恢复。但是否可以选择类似的方法来恢复衰老T细胞的可塑性仍有待确定。

两大综合特征

1、免疫缺陷

在老年人中T细胞表面受体减少、初始细胞、效应细胞/记忆细胞和Treg细胞之间比例发生变化，同时衰老T细胞会不断积累，可能会导致老年人容易被严重甚至致命的病原体感染。此外，免疫功能缺陷也可能导致非传染病（如癌症或动脉硬化）的发作。

事实上，随着衰老，老年人患癌风险增加可能是由于免疫功能下降，而非体细胞DNA突变的积累。因此，免疫逃逸可能是衰老过程中癌症的主要驱动因素。T细胞功能缺陷会导致衰老细胞不能及时清除，这可能有助于衰老细胞在不同组织中的积累，不过这仍有待证实。

目前，没有明确的证据表明衰老T细胞的特定功能损伤会影响衰老细胞的清除，从而加速衰老过程。因此，需要进一步的实验证据来证实T细胞特异的免疫监视缺陷会有助于衰老进程。

2、慢性炎症

衰老相关慢性炎症，指的是随着年龄增长而发展的低度慢性炎症状态。它的特点是血清中存在高浓度的炎性因子，如C反应蛋白（CRP）、IL-6、IL-8和TNF。

炎症发生与衰老相关的多种疾病的发生和死亡率的风险增加有关。尽管，炎症发生最初被认为是衰老相关疾病的生物标志物，但很多证据表明炎症发生与年龄相关组织退化之间存在因果关系。临床试验表明，一些非甾体抗炎药以及IL-1和TNF的中和作用可以延缓心血管疾病的发展。

炎症发生被归因于衰老缺陷的组合（例如肠道通透性增加、慢性感染和衰老细胞的积累）。证据表明，T细胞的时间依赖性退化通过产生炎性因子和未能消除衰老细胞，及影响不同骨髓细胞（比如巨噬细胞亚型）的功能或通过调节肠道通透性，来直接或间接地促进炎症发生。

推荐阅读：趁年轻！将健康有活力的免疫细胞存储起来，给未来的自己保驾护航

T细胞代谢应激反应可加速炎症发生。长期慢性炎症还可抑制特异性免疫反应，降低疫苗接种效果。有意思的是，虽然炎症发生，但IL-10也在老年人中有所增加。IL-10是一种抗炎因子，可能在对抗炎症和促进健康衰老方面发挥重要作用，由Tfh细胞的产生。IL-21对于维持这种平衡至关重要，因为缺乏IL-21的小鼠降低了IL-10（并失去了产生IL-10的Tfh细胞）但增加了IL-6的表达，这表明细胞因子与炎症调控存在复杂的串扰，说不清楚。

二甲双胍已成功用于糖尿病患者的长期治疗，能激活AMP激活的蛋白激酶信号通路。据报道，二甲双胍可通过增加T细胞的自噬作用和改善线粒体生物能来改善Th17炎症反应。长期、低剂量的白藜芦醇逆转了老年小鼠的免疫衰老和炎症表型，因为它纠正了8-羟基-2'-脱氧鸟苷（一种氧化性DNA损伤的标志物）与年龄相关的升高。科学家们正在尝试结合不同的策略，包括抗炎药、衰老细胞裂解和免疫检查点抑制剂，以最佳阻断炎症。

炎症的发生可部分归因于功能障碍或衰老的T细胞。改善炎症是一个研究热点，以防止衰老相关的疾病的发生和免疫反应的下降。

文末小结

“逝者如斯夫”，随着年龄不断增长，机体的免疫系统失去了对新抗原、感染或肿瘤刺激做出快速而精确反应的能力，免疫系统产生和刺激记忆细胞分化的能力也降低了。不只如此，免疫系统衰老后还会促进炎症和自身免疫病的发生。衰老的T细胞会持续诱发炎症，会加速人体衰弱和死亡相关的病理特征的出现（如心血管和代谢疾病、慢性肾病、非酒精性脂肪肝和神经退行性疾病）。

文章上面也提到了，T细胞衰老的特征可分为三个类型：

主要特征有四个：胸腺退化、线粒体功能障碍、遗传和表观遗传改变以及蛋白质稳态失衡。这四大主要特征导致了最初的损伤。
次要特征有四个：TCR的减少、记忆库的扩大、效应细胞可塑性丧失和T细胞衰老。这四大次要特征是四大主要特征的结果。
综合特征有两个：免疫缺陷和慢性炎症。这两大特征更具体化，直接造成免疫衰退。

图4：十大特征的三大分类

推荐阅读：最强“打工人”免疫细胞也会精疲力尽，如何让它们“满血复活”？

从理论上讲，T细胞衰老可能涉及内源性免疫过程、淋巴器官的改变、宿主内在代谢或淋巴器官外的神经内分泌因子、感染风险的增加和肠道微生物群的变化。这意味着很难区分与衰老相关的T细胞功能障碍的真实原因，因为它们是相互关联的。异体组织转移实验（即用年轻T细胞移植到老年小鼠），不同年龄小鼠之间淋巴器官移植，异体共生（即循环系统的连接）不同年龄小鼠之间的连接系统，粪便微生物移植，这些实验应以系统的方式进行整合探索。

图5：可能改善T细胞衰老的干预措施

延缓T细胞衰老（T细胞亚群的重新激活）是否足以延缓整个机体衰老，或至少延缓机体衰老的部分表型，这个问题的答案将对免疫学的研究和实践产生巨大的影响。衰老研究是一条任重而道远的路。

原文链接：https://www.nature.com/articles