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脓毒症被定义为由宿主对感染的反应失调导致的危及生命的器官功能障碍。 这一最近实施的定义并未涵盖脓毒症的炎症反应综合征的异质性或潜在的病理生理学，该综合征特征是并发失衡的炎症和免疫抑制。在此，我们回顾了脓毒症期间异常免疫反应的最新知识和治疗方法，以及从临床和/或病理生物学角度将脓毒症患者分为更相似的亚组的举措，这可能是识别更可能受益于特定免疫干预的患者的关键。
图1. 脓毒症的演变意义。用于脓毒症的历史定义从希波克拉底时代开始描述。 SIRS：全身炎症反应综合征；SOFA：序贯性器官衰竭评估。 最近一份全球疾病负担报告强调脓毒症很常见，全球每年有近 5000 万病例。所有年龄段均可发生脓毒症。虽然脓毒症的感染部位和致病病原体因脏器位置和年龄而异，以呼吸系统和胃肠系统的细菌感染最为常见。2017年脓毒症的估计死亡率为1100万，相当于每10万人中148人的年龄标准化死亡率，占全球总死亡人数的近 20%。当脓毒症患者需要入住重症监护病房时，三分之一的患者无法存活 30 天，且死亡率因年龄、合并症状态、器官功能障碍的数量和类型而异。此外，脓毒症存活下来的患者有再住院和死亡的长期风险。近 50% 的脓毒症幸存者在一年内至少再住院一次，六分之一的脓毒症幸存者在第一年无法存活。 尽管进行了30多年的研究和 200 多项随机对照试验，但我们没有一种治疗方法能够持续挽救脓毒症患者的生命。脓毒症的治疗在很大程度上仍然是支持性的，如感染源头控制、及时的抗生素、复苏和器官功能障碍的支持性治疗。为了获得更成功的临床试验和更好的结果，重症监护界现在考虑对脓毒症患者进行分组，要么根据可测量的特征来决定治疗反应（预测性强化）或结果（预后强化），要么识别两个或多个具有共同临床和实验室特征（亚表型）或特定病理生物学异常的同质亚组，这些亚组可以作为靶向治疗目标（内型）。 在此，我们回顾了脓毒症免疫失调的最新知识。我们描述了在细菌接触期间和之后有助于（恢复）稳态的机制，随后关注了以并发促炎症和免疫抑制异常为特征的免疫失衡。本文综述侧重于细菌源性脓毒症的免疫改变。我们注意到脓毒症可能由病毒、真菌或寄生虫感染引起，非免疫性改变是脓毒症中宿主反应失调概念的一部分。目前，脓毒症仍然是一种定义不明确的综合征，我们认为成功实施额外技术和床边计算支持可以实现个体患者的实时免疫学分析，并为患者选择靶向治疗的临床试验提供信息。 免疫系统配备了一系列细胞膜相关和细胞内模式识别受体 (PRR)，它们可以通过识别病原体相关分子模式 (PAMP)和微生物表达的保守基序来检测病原体。主要 PRR 类别包括 Toll 样受体 (TLR)、核苷酸结合寡聚化结构域和富含亮氨酸重复序列的基因家族 (NLR)、维甲酸诱导基因 (RIG)-I 样受体 (RLR)、C 型凝集素受体 (CLR) 和 DNA 传感分子。通过炎症小体细胞溶质多蛋白寡聚体进一步诱导先天免疫，这些寡聚体在激活和组装时促进许多下游事件，包括 caspase-1 介导的促炎细胞因子白细胞介素 1β (IL-1β) 和白细胞介素-18（IL-18）的裂解。对病原体的平衡免疫反应通常是局部的，以炎症、抗炎和修复反应为特征，同时消除微生物并恢复正常的体内平衡。在这种保护性免疫反应中，不同类型的细胞通过 PAMPs 和 PRRs 之间的相互作用被激活，触发细胞内信号转导途径和关键转录因子的激活，如协调炎症反应的核因子κB (NF-κB) 和激活蛋白 (AP)-1。预期感染反应的可溶性成分包括促炎细胞因子、趋化因子、活化中性粒细胞和血小板释放的蛋白质、补体产物和凝血因子。血管内皮通过增加其粘附分子的表达和扩大其间隙连接来支持保护性免疫反应，使免疫细胞能够粘附并迁移到感染部位。此外，适应性免疫系统是通过树突状细胞和其他细胞将抗原呈递给B淋巴细胞和T淋巴细胞来触发的，从而产生病原体特异性抗体和记忆，以便应对随后同一病原体的感染。 数以万亿计的肠道共生细菌在体内平衡和宿主防御病原体入侵方面也发挥着重要作用。健康的微生物群通过利用直接和间接机制来抵抗有害微生物的定植和入侵。微生物群直接竞争营养，维持上皮屏障功能，并产生抗菌肽。微生物群还可以调节宿主细胞产生的抗菌蛋白。一个例子是胰岛衍生蛋白 IIIγ (REGIIIγ) 的再生，该蛋白由 Paneth 细胞在 TLR 介导的共生微生物相关分子模式（如脂多糖 (LPS) 和鞭毛蛋白）刺激上皮细胞和树突细胞后产生的。短链脂肪酸 (SCFA) 是微生物群产生的主要代谢物，其多效作用包括驱动单核细胞向巨噬细胞分化和抑制组蛋白脱乙酰酶 3 的能力。通过这种抑制作用，丁酸盐介导巨噬细胞代谢并进一步诱导抗菌肽的产生以增强小鼠感染模型的抗菌活性。其他肠道细菌与肠道上皮细胞相互作用，以增强 B 细胞产生 IgA 并诱导 T 辅助 17 (Th17) 细胞分化。 肠道微生物群的破坏可导致从稳态到疾病的转变。大型观察性患者研究提供了间接证据，表明肠道微生物群破坏易患脓毒症。肠道微生物群的改变可增加肠道屏障通透性和促进病原体向远处器官的移位。肠道微生物群的破坏还会影响骨髓和肺等远处器官，导致宿主防御感染的有效性降低。Deshmukh 及其同事通过 对大肠杆菌脓毒症新生小鼠模型进行研究，发现微生物群调节中性粒细胞内稳态。共生γ-变形菌，革兰氏阴性菌，表达细胞表面 LPS，通过 TLR4 诱导的信号级联反应激活先天淋巴细胞产生 IL-17A，从而引发血浆粒细胞集落刺激因子的增加。这随后可以刺激中性粒细胞从骨髓募集到血液中，以对抗入侵的病原体，如大肠杆菌。肠源性SCFAs可影响肺部的免疫环境。与对照组相比，肠道微生物群被抗生素破坏的小鼠在肺炎链球菌、肺炎克雷伯菌、类鼻疽伯克霍尔德氏菌或结核分枝杆菌肺部感染期间，细菌传播、炎症和死亡率增加。此外，肠道微生物群缺失小鼠的肺泡巨噬细胞表现出代谢途径的上调和细胞反应的改变，致使吞噬肺炎链球菌的能力降低，从而导致免疫调节反应不明显。在严重感染患者中，生物失调与不良预后相关。脓毒症患者的肠道微生物群的特征是多样性减少，厚壁菌和拟杆菌的相对丰度降低，共生菌（如粪杆菌、布氏杆菌和瘤胃球菌属）数量减少，以及机会性病原体（如肠杆菌、肠球菌和葡萄球菌）过度生长。最新数据不仅显示了脓毒症反应（包括治疗效果）对细菌微生物群组成的破坏性影响，而且还显示了对其他领域，如病毒、真菌和原生动物产生了破坏性影响。这些肠道王国的改变对免疫途径和宿主抵御入侵病原体的影响尚不明确。 脓毒症被认为是一种不平衡的免疫反应，其病原体逃避免疫防御机制并持续增殖，导致宿主细胞持续受到刺激和损伤，并与无法恢复体内平衡有关。在这种不平衡的反应中，许多最初被激活以提供保护的免疫机制已经变得有害，它们都与过度炎症和免疫抑制有关。缺乏对从早期病原体-宿主相互作用到临床表现的人类脓毒症的免疫反应的纵向分析，这使得在向“脓毒症-宿主反应”推测的病理生理学路径中，连续促炎和免疫抑制反应的时间依赖性重建。入院后，脓毒症患者的宿主反应表现为并发炎症和免疫抑制，涉及部分不同的细胞类型和器官系统（图 2）。重症脓毒症患者并发的过度炎症和免疫抑制以及持续的纵向免疫系统变化的机制基础尚未阐明。脓毒症中的持续免疫刺激不仅是由入侵的病原体引起的，而且是由“损伤相关分子模式”（DAMPs，或警报素）的释放引起的，即从受损细胞释放的内源性分子。DAMP 激活 PRR，而 PRR 通常也会感知 PAMP，从而引发持续免疫激活和功能障碍的恶性循环。在采取主要治疗措施后仍然依赖重症监护的患者经常会患上称为“持续性炎症、免疫抑制和分解代谢综合征”或 PICS 的慢性危重病，其涉及多种不同的细胞类型、器官系统和病理生理机制，并伴有长期的炎症反应，以肌肉萎缩和恶病质为主要特征的免疫抑制、骨髓生成失调和分解代谢。
图 2. 脓毒症期前、中期和后期的免疫轨迹和结果。 这种与结果相关的脓毒症前、中和后免疫轨迹的概念模型表明，在脓毒症中，炎症和免疫抑制反应同时发生。传统上，对入侵病原体或危险信号的早期促炎反应与多器官衰竭和早期死亡的发生有关，而抗炎反应与潜伏病毒感染的重新激活和延迟死亡有关。在住院期间在脓毒症早期存活下来的患者中观察到的宿主反应的特征是持续炎症、免疫抑制和分解代谢综合征（也称为 PICS）。促炎和免疫抑制反应的程度及其对脓毒症相关免疫病理学理论的相对贡献因个体患者而异。从脓毒症中康复的患者可以在数周到数月后恢复到脓毒症前的健康状态，但也可能因认知障碍、脑功能障碍、心血管事件等持续性损害而存活下来，并导致出院后数周至数月内再入院率增加。这些晚期后遗症与生活质量下降和医疗保健利用率增加有关，最终可能导致健康状况进一步恶化和死亡。患者的个体临床病程取决于病原体毒力、感染的大小和部位、合并症、医疗保健资源的可用性等。 脓毒症 3.0 定义中的“宿主对感染的失调反应”与并发不平衡的过度炎症和免疫抑制有关。与脓毒症相关的过度炎症有关的许多不同细胞类型和介质网络中，白细胞（中性粒细胞、巨噬细胞、自然杀伤细胞）、内皮细胞、细胞因子、补体产物和凝血系统具有突出的特点（图 3）。早期的临床前研究引入了“细胞因子风暴”一词，以表明在静脉注射活菌或其产物的实验动物中，促炎细胞因子的强烈全身释放；另一方面，这些动物模型已经证明，消除促炎细胞因子，如肿瘤坏死因子（TNF）、IL-1β、IL-12 和 IL-18，可提供强有力的保护，防止器官损伤和死亡。虽然目前已达成共识，即急性全身激发模型与人类脓毒症的相关性不大，但促炎细胞因子的不受控制的活性仍被认为是导致脓毒症损伤的原因之一。
图 3. 脓毒症免疫发病机制和免疫调节干预 宿主对脓毒症的反应始于免疫系统识别入侵病原体。细胞表面和细胞内模式识别受体，如 Toll 样受体 (TLR)、核苷酸结合寡聚结构域样受体 (NLR)、C型凝集素受体 (CLR) 和维甲酸诱导基因样受体（RLR）识别致病相关分子模式（PAMPs）之后，炎症反应开始。个体免疫反应的范围取决于病原体（例如微生物负荷量和毒力）和宿主因素（例如年龄、遗传、合并症和药物）。失调的宿主反应可导致器官衰竭和死亡。促炎反应的特点是多种细胞类型释放促炎介质（如细胞因子、蛋白酶和活性氧），激活补体系统、凝血系统和血管内皮。这可能导致警报素或损伤相关分子模式 (DAMP) 的释放，从而进一步加剧促炎反应并导致组织损伤。抗炎反应的特征是免疫细胞功能受损（例如 T 细胞、B 细胞和树突细胞的凋亡，T 细胞衰竭，调节性 T 细胞和髓源性抑制细胞的扩增，以及由抗原呈递细胞表达的人类白细胞抗原复合物-DR 同种型 (HLA-DR)的减少）和产生促炎细胞因子的能力减弱，其中促炎因子部分受表观遗传机制、抗炎细胞因子的释放和 TLR 信号传导的负调节因子的调节。绿色框表示一系列干预措施，专门针对脓毒症炎症反应的不同步骤，范围从细胞因子和补体阻断剂到免疫刺激药物，如检查点抑制剂。 中性粒细胞可通过释放蛋白酶和活性氧，导致脓毒症发生炎症反应。中性粒细胞还可以释放中性粒细胞细胞外陷阱（NET），该陷阱由含有抗微生物肽和蛋白酶（包括髓过氧化物酶、弹性蛋白酶和组织蛋白酶G）的染色质纤维网络组成。NETs 通过捕获杀死细菌来促进抗菌防御机制，而脱氧核糖核酸酶抑制 NET 形成导致血液中细菌负荷增加，并降低腹部脓毒症小鼠的存活率。然而，与先天免疫的许多组成部分一样，NETs 在感染中起着双刃剑的作用。脓毒症期间过度的网状内皮增生可能通过各种机制造成损害，包括诱导血管内血栓形成和多器官衰竭。NETs富含组蛋白，在脓毒症期间，NETs 可以粘附并激活内皮细胞，导致组蛋白依赖性的血管损伤。NETs 和组蛋白可直接损伤内皮细胞和上皮细胞，在小鼠模型中，无细胞组蛋白介导高剂量 LPS 或 TNF 诱导的致死性，以及盲肠结扎和穿刺 (CLP) 诱导的脓毒症。此外，巨噬细胞也可以产生细胞外陷阱。它们在脓毒症中的潜在作用尚未被详细研究。 凝血系统和补体系统之间存在着密切的联系，可以将其视为源自共同祖先途径的两个进化级联。补体激活导致过敏性毒素C3a和C5a的释放，这两种物质具有强大的促炎活性，包括白细胞、内皮细胞和血小板的募集和激活。虽然补体激活是保护性先天免疫的重要组成部分，但不受控制的激活会损伤组织并导致器官衰竭。凝血系统的激活可被视为对入侵病原体的先天免疫反应的一部分，引入术语“免疫血栓形成”以支持这一概念。业界一致认为，凝血系统的元件可以触发重要的先天防御机制，并且在几种感染模型中已经证明抑制凝血会损害抗菌防御。在脓毒症中，凝血系统的激活变得不平衡，导致微血管血栓的形成。脓毒症相关凝血病最严重的表现是弥散性血管内凝血 (DIC)，除血栓形成外，还可能由于凝血因子、抗凝蛋白和血小板的消耗而导致出血。组织因子通过与凝血因子 (F)VIIa 形成复合物，从而通过激活 FX 和 FIX 来引发凝血，是凝血的主要引发剂。组织因子由血管周围细胞组成性表达，例如成纤维细胞、周细胞和上皮细胞，这对止血和血管完整性很重要。微生物制剂和多种炎症介质（包括细胞因子和补体因子）在内皮细胞、单核细胞和巨噬细胞上诱导组织因子。在病理条件下，来自多种细胞来源的微泡中存在大量生物活性组织因子，这些微泡可与其他细胞（如活化的血小板、中性粒细胞和内皮细胞）结合，从而增强凝血功能。早期研究已证明组织因子FVIIa在脓毒症相关模型中的关键作用：在人类和非人灵长类动物中抑制该途径可分别显著降低LPS或细菌输注后的凝血激活。三种主要抗凝途径（即抗凝血酶、组织因子途径抑制剂 (TFPI) 和蛋白 C 系统）的活性同时受损会加剧脓毒症中的促血栓形成状态。在此，炎症驱动的糖萼（覆盖内皮细胞的糖蛋白多糖层，对维持其生理抗凝特性至关重要）的破坏与血栓调节蛋白的表达降低一起起着关键作用。糖萼是一种内皮细胞受体，在与凝血酶形成复合物后对天然抗凝剂活化蛋白C的产生进行催化。血小板直接通过细胞间接触（例如与白细胞形成复合物）和间接通过释放蛋白酶和其他介质进一步促进凝血和炎症。血小板增加炎症部位的内皮细胞粘附和白细胞外渗，并增强中性粒细胞的激活。血小板和血小板衍生微粒表达磷脂（包括磷脂酰丝氨酸），可增加组织因子 FVa 和 FXa 的活性，从而促进凝血。 凝血和先天免疫之间存在双峰相互作用。中性粒细胞弹性蛋白酶和组织蛋白酶 G 以及外显核小体，通过增强组织因子和 FXII 依赖性凝血以及凝血抑制剂 TFPI 的局部蛋白水解，刺激体内凝血和血管内血栓生长。血小板通过部分由中性粒细胞引起的机制导致炎症反应和血栓形成。活化的血小板可将白细胞吸引到感染部位，与中性粒细胞形成复合物，降低其释放 NET 的阈值，并增强其杀死病原体的能力。NETs 反过来促进血小板粘附、活化和聚集。在脓毒症血小板聚集的小鼠模型中，凝血酶激活和纤维蛋白凝块形成发生在体内NETs，这对于脓毒症诱导的血管内凝血的发展至关重要。NETs 诱导的血管内凝血依赖于NETs 中的组蛋白 H4、血小板和无机多磷酸盐释放之间的协同作用。NET 形成的程度可以预测脓毒症患者 DIC 的发展和死亡率，进一步指出 NET 在脓毒症相关凝血病中的作用。 组织因子和凝血因子FVIIa、FXa、凝血酶和纤维蛋白可诱导促炎症信号，特别是通过激活G蛋白偶联蛋白酶激活受体家族的成员。补体因子可以激活凝血蛋白酶，反之亦然。例如，FIXa、FXa、FXIa 和凝血酶可分别将 C3 和 C5 转化为 C3a 和 C5a，而 C5a 和膜攻击复合物 (C5b-9) 可刺激内皮细胞上组织因子的表达。C5a可通过干扰内皮糖萼功能进一步促进凝血。最近的研究表明炎症小体和Gasdermin D (GSDMD) 参与炎症和凝血之间的相互作用。炎症反应的触发导致炎症性半胱氨酸酶的激活。其中，caspase-1可由细菌产物鞭毛蛋白和Ⅲ型分泌系统（T3SS）蛋白激活，而caspase-11可由细胞质LPS激活。caspase-1 和 caspase-11 均可裂解 GSDMD，后者可在质膜中形成孔洞，从而促进 IL-1β 释放、IL-18 释放和细胞焦亡。最近的研究表明，GSDMD 介导的单核细胞和巨噬细胞的焦亡，由 caspase-1 或 caspase-11 介导，通过允许从焦亡细胞中释放含有微泡的组织因子来激活凝血系统。通过静脉注射大肠杆菌 T3SS 内杆蛋白 EprJ 引起的组织因子介导的 DIC 在 Casp1-/- 和 Gsdmd-/- 小鼠中被消除；同样，感染活大肠杆菌和使用来自其他细菌菌株（伯克霍尔德菌 BsaK 和沙门氏菌 PrgJ）的杆蛋白会触发野生型而非 Gsdmd-/- 小鼠的严重凝血激活。IL-1β 或 IL-18 受体的基因消融不影响 EprJ 诱导的凝血，证实了本文中细胞焦亡的作用。细胞焦亡对于 LPS 诱导的凝血激活也是至关重要的，这一点可以通过LPS激发的野生型小鼠的系统性凝血病得到证实，该野生型小鼠用poly I:C启动，而在Casp1-/- 和 Gsdmd-/- 的小鼠中则不然。在感染大肠杆菌后或在 CLP 诱导的多种微生物脓毒症期间也进行了类似的观察。GSDMD 通过诱导白细胞上的钙释放和随后的磷脂酰丝氨酸暴露来增强组织因子活性。值得注意的是，一些数据表明 GSDMD 介导的磷脂酰丝氨酸暴露增加足以释放组织因子，不需要细胞焦亡。除 caspase-1 和 caspase-11 之外的其他 caspase 也可以通过 GSDMD 裂解促进凝血活化。跨膜蛋白 173 (TMEM173) 是一种内质蛋白，可作为炎症放大器。最近，在 CLP、大肠杆菌或肺炎链球菌诱导的小鼠实验性脓毒症中，发现髓样细胞TMEM173 (STING)通过 GSDMD 激活驱动组织因子释放和血液凝固。参与 TMEM173 介导的 GSDMD 裂解的 Caspase 依赖于激发病原体：大肠杆菌的 caspase-11 和用于肺炎链球菌的 caspase-8。脓毒症凝血激活的另一种机制可能是由高迁移率族蛋白B1（HMGB1）介导。这种核蛋白一旦释放到细胞外环境中就充当 DAMP，临床前脓毒症模型中发现抑制 HMGB1 将发挥保护作用。外源性 HMGB1 可与 LPS 形成分子复合物，可通过晚期糖基化终产物受体(RAGE)转运至巨噬细胞和内皮细胞的溶酶体，导致 HMGB1 介导的溶酶体膜失稳，随后LPS释放到胞浆中，激活caspase 11依赖性细胞焦亡、NLRP3 炎症小体和致死性凝血。HMGB1 介导的 GSDMD 激活和孔隙形成是通过磷脂酰丝氨酸暴露激活组织因子所必需的，而不是通过 GSDMD 介导的细胞焦亡。总之，这些数据将caspase介导的 GSDMD 裂解，导致组织因子释放，置于 DIC 的中心阶段，并将炎症小体激活作为炎症和凝血之间的重要联系。 脓毒症患者的免疫抑制涉及不同的细胞类型和特征，与免疫细胞凋亡增强、T 细胞耗竭、细胞通过表观遗传变化重新编程以及活化细胞表面分子表达减少有关。免疫抑制性变化与脓毒症患者对继发感染（通常由机会性病原体引起）和病毒再激活的易感性增加有关。细胞凋亡尤其发生在 CD4+ T 细胞、CD8+ T 细胞、B 细胞、自然杀伤 (NK) 细胞和滤泡树突细胞中，并且涉及死亡受体和线粒体介导的途径。脓毒症相关 B 细胞耗竭与细胞凋亡增强或辅助性 T 细胞支持不足有关，其发生在激活后，对记忆 B 细胞亚群影响最大，剩余的 B 淋巴细胞具有耗竭表型，其特征是主要组织相容性复合体 II 类（MHC II 类）表达减少、抗炎细胞因子 IL-10 的表达和产量增加。抑制或预防细胞凋亡的干预措施可在几种临床前脓毒症模型中提供保护，表明增强细胞凋亡功能的重要性。自噬受损，即去除多余或功能失调的细胞成分的过程，也可能导致免疫抑制，即由于 Atg5 或 Atg7 的细胞特异性缺失而导致淋巴细胞自噬能力降低的小鼠在腹部脓毒症中表现出死亡率增加和免疫功能障碍，且T 细胞中的 Atg5 缺乏导致这些细胞在脓毒症期间释放更多的 IL-10。 脓毒症患者的血液以及脾脏和肺中的 T 细胞产生细胞因子的能力降低。CD8+ T 细胞显示出细胞增殖减弱、细胞毒性功能受损以及 IL-2 和干扰素 (IFN)-γ 生成减弱。脓毒症中的抗炎环境进一步受到调节性 T (Treg) 细胞和髓源性抑制细胞 (MDSCs) 数量增加的影响，这两种细胞代表了抑制效应免疫细胞，特别是T细胞的主要未成熟髓样细胞的混合群体。MDSCs可通过多种机制阻碍免疫功能，包括剥夺 L-精氨酸（T 细胞功能所必需的）、刺激 Treg 细胞扩增以及抑制巨噬细胞和树突细胞功能。MDSCs的扩增与脓毒症危重患者继发感染的风险增加有关。中性粒细胞在脓毒症中表现出一些免疫功能受损的特征，包括迁移到各种化学引诱剂、细胞内髓过氧化物酶和乳铁蛋白含量降低以及氧化爆发能力降低。与未感染的危重患者相比，中性粒细胞的激酶谱分析发现脓毒症患者的中性粒细胞激酶活性受损，进一步表明中性粒细胞表型受到免疫抑制。 最近的研究表明，检查点调节剂参与脓毒症诱导的免疫抑制。检查点调节剂是膜结合蛋白，作为第二个信号将免疫反应（抑制性或刺激性）导向特定抗原。在脓毒症领域广泛研究的检查点调节剂是程序性细胞死亡-1 (PD-1)。T 细胞上 PD-1 的触发导致免疫抑制分子的释放，并可能导致细胞凋亡。PD-1 外周血T细胞表达增强与T细胞增殖能力减弱、医院感染发生率增加以及脓毒症患者死亡率增加有关。此外，脓毒症患者的血液单核细胞和粒细胞上的 PD-1 表达增强，一项尸检研究报告T 细胞上的 PD-1 表达增加，树突状细胞PD-L1 和 PD-L2 表达增加。脓毒症患者T细胞上的PD-1和抗原呈递细胞上的PD-L1的表达与淋巴细胞减少、T细胞凋亡和死亡率相关。用抗 PD-1 抗体对脓毒症患者的 CD8+ T 细胞进行体外治疗后，发现细胞凋亡减少和 IFN-γ 产生增加，这些发现支持这些观察报告的功能相关性。此外，中性粒细胞和单核细胞上PD-L1表达的增加与这些细胞的吞噬能力受损相关，使用抗PD-1抗体进行体外治疗可提高脓毒症患者血液白细胞的吞噬能力。PD-1 通路的病理生物学意义进一步得到了 PD-1 被阻断或基因消除后脓毒症小鼠存活率提高的报告支持。这些结果提出了 PD-1 和/或 PD-L1 通路抑制剂可能逆转脓毒症诱导的免疫抑制的假设，并在脓毒症患者中进行了多项使用抗 PD-L1 抗体的 I 期和 II 期临床试验；抗 PD-L1 治疗耐受性良好并诱导绝对淋巴细胞计数和单核细胞人类白细胞抗原-DR 同种型（HLA -DR） 表达增加。尽管大量文献暗示了其他检查点调节剂在免疫抑制中的可能作用，但直接研究它们在脓毒症中作用的相关研究很少。其中，细胞毒性T淋巴细胞抗原 (CTLA)-4是一种在T细胞上表达的阴性检查点调节因子，可结合 B 细胞活化抗原 B7-1 (CD80) 和 B7-2 (CD86)。在小鼠腹部脓毒症诱导后，CD4+ T 细胞、CD8+ T 细胞和 Treg 细胞的 CTLA-4 表达增加，并且用抗 CTLA-4 抗体治疗可减少脓毒症诱导的脾脏细胞凋亡并提高存活率。抗TLA-4治疗还可降低小鼠半致死性盲肠结扎和穿刺引起的细菌性脓毒症后真菌性脓毒症引起的死亡率，同时伴有脾细胞产生的 IFN-γ的增加 免疫抑制的一个关键特征是单核细胞和巨噬细胞的重编程，在细菌激动剂的体外刺激下产生促炎细胞因子的能力受损（也称为“LPS 耐受性”）和 MHC II类的表面表达减少。脓毒症患者的血白细胞在体外刺激后释放促炎细胞因子（如 TNF、IL-1α、IL-6 和 IL-12）的能力减弱，而其释放抗炎介质如IL-1受体拮抗剂和IL-10的能力则没有影响或增强。如脓毒症患者体外刺激的单核细胞、CD4+ T 细胞、CD8+ T 细胞、B 细胞和中性粒细胞的细胞内流式细胞术分析所示，再刺激血液白细胞后的促炎反应减少可能与细胞 NF-κB 磷酸化能力受损有关。在LPS耐受状态下，血液白细胞中观察到的抗炎表型也在器官特异性单核细胞中得到证实，包括在动物腹膜炎和死后脓毒症患者的肺部。交叉耐受是指发现用一种细菌激动剂刺激可导致多种其他激动剂产生促炎细胞因子的能力降低。例如，从体内注射 LPS 的人类受试者获得的血液白细胞显示出响应 TLR2、TLR4、TLR5 和 TLR7 配体以及整个细菌的体外细胞因子产生减少。DAMP 还诱导与 LPS 的交叉耐受，表明可以诱导脓毒症中单核细胞重编程的多种机制。值得注意的是，小鼠研究表明，某些细胞类型并没有表现出这种“耐受”表型，反而被激发，包括肺泡巨噬细胞、库普弗细胞、小胶质细胞以及肠上皮和皮肤中的淋巴细胞。脓毒症的一个特征是血液单核细胞上 HLA-DR 的表达减少，这是脓毒症诱导免疫抑制的一个公认的替代标志物，与受损结果相关，例如更高的医院感染发生率和更高的死亡率。 基因表达的表观遗传调控——特别是通过组蛋白修饰和 DNA 甲基化——有助于脓毒症中免疫细胞的重编程。基因转录是由染色质上的基因位点组织成转录活跃或沉默状态来调控的。组蛋白在染色质结构中塑造DNA，因此，特定组蛋白修饰可以缠绕或解开染色质，使其分别无法进行转录（异染色质）或可进行转录（常染色质）。赖氨酸的组蛋白乙酰化通常支持转录，而甲基化可以支持活性常染色质或沉默异染色质的形成，这取决于甲基化的赖氨酸。在不同的组蛋白修饰中，组蛋白3赖氨酸-4（H3K4）和组蛋白3赖氨酸-27（H3K27）的甲基化分别与转录的激活和抑制高度相关。在一项关键性研究中，组蛋白3赖氨酸-4三甲基化（H3K4me3）等开放染色质标记的下调已被证明是LPS诱导单核细胞耐受的基础。耐LPS的巨噬细胞在编码 IL-1β 和 TNF 基因的启动子区域显示出更多的抑制性组蛋白修饰H3K9me2。在脓毒症患者耐LPS的血单核细胞中也获得了类似的结果。LPS 影响基因转录表观遗传调控的分子机制包括通过 NF-κB 激活增加组蛋白去甲基化酶 KDM6B (JMJD3) 的表达和组蛋白去乙酰化酶 Sirtuin-1 在 TNF和 IL1B 启动子处的积累，从而抑制基因转录。脓毒症患者外周血单核细胞和树突状细胞的单细胞转录组学揭示了独特的CD14+单核细胞群MS1的扩增，其（相对于其他CD14单核细胞）表现出免疫抑制表型，即减少MHC II类表达，降低LPS体外刺激时激活NF-kB和产生TNF的能力。这项研究表明，单细胞分析可能有助于深入了解脓毒症中不同的细胞表型（促炎与免疫抑制）。 感染引起的表观遗传变化是持久的。从腹部脓毒症中恢复的小鼠表现出树突状细胞衍生的IL-12持续抑制，持续时间至少为6周，这是由组蛋白修饰影响编码IL-12P35和IL-12p40的基因转录引起的。此外，小鼠肺炎会引起持久的表观遗传变化，使巨噬细胞耐受并降低其吞噬抗原非特异性、无关细菌的能力。最近的小鼠研究表明，脓毒症可诱导骨髓细胞的表观遗传学改变。从腹部脓毒症恢复的小鼠中获得的骨髓源性巨噬细胞显示混合谱系白血病1（Mll1）的表达降低，Mll1是一种表观遗传酶，并损害炎症基因启动子NF-κB结合位点的H3K4me3（激活标记）。骨髓移植实验表明，脓毒症后骨髓祖干细胞中启动的表观遗传修饰导致外周巨噬细胞功能的长期损害。因此，这些结果表明免疫抑制的变化在随后的白细胞世代中持续存在，这可能与长期的发病率和死亡率有关。 中枢神经系统 (CNS) 参与免疫反应的调节。CNS 可通过神经免疫炎症反射改变外周免疫功能，神经免疫炎症反射包括从外周组织通过传入迷走神经到中枢神经系统的感觉输入和刺激传出迷走神经导致乙酰胆碱介导的 TNF 产生抑制。神经-免疫相互作用紊乱在脓毒症诱导的免疫抑制中的作用仍有待确定。 虽然脓毒症 3.0 定义将脓毒症（与感染相关的器官功能障碍）与感染本身区分开来，但它并未涵盖该综合征的异质性和潜在的病理生理学。这种异质性被认为是脓毒症患者免疫调节试验失败的一个主要因素，有人提出，将患者分为具有共同特征的亚组可以提高针对特定病理生理机制的治疗效果，特别是如果患者分类基于宿主反应的特征。在这方面，精确医学指的是考虑到患者个体特征的诊断和治疗策略，在脓毒症领域还处于起步阶段。精确医学的关键概念是患者群体的预后和预测性富集。预后富集与选择脓毒症相关疾病结局（通常为死亡率）可能性高的患者有关。预测性富集是指根据生物学机制选择更有可能对特定疗法产生良好反应的患者。对于脓毒症，由于对驱动这种复杂综合征的主要病理生物学机制的理解相对有限，预测性富集受到阻碍。人们普遍认为，为了成功地在脓毒症中实施精确医学，同时应用预后和预测性富集是必要的。用于表示子组的术语不一致；在这里，我们使用术语“内型”来表示由不同病理生理机制定义的生物亚型，而术语“亚表型”则表示以一组不一定由共同的病理生理机制联系的特征为特征的组。由于内型和亚型来自不同的患者特征，因此它们不容易相互关联。 近年来，人们尝试使用临床和/或宿主反应数据以及无偏计算分析工具（如机器学习、潜在类别分析和K均值聚类）将成人脓毒症患者细分为不同的组。这些努力包括预后和预测性富集策略，由 Hector Wong 及其同事在儿科脓毒症领域率先开展。在成人患者中，几位研究人员使用现成的临床和常规实验室数据确定了具有不同疾病结果和（在某些研究中）生物学机制的脓毒症亚组。一项研究基于重复温度测量的轨迹模型确定了四种亚型；确定了四个温度轨迹组：“高温、慢速分解器”（14.9%）、“高温、快速分解器”（23.2%）、“常温”（32.8%）和“低温”（29.1%），它们具有不同的年龄，合并症频率和死亡率（在体温过低的受试者中最高），以及炎症标志物浓度（高温、慢速分解剂中较高）。另一项调查发现，四种亚型在器官功能障碍类型（呼吸、神经系统、多器官）和死亡率方面具有不同的特征，与静脉输液反应相关（在与多器官功能障碍和最高死亡率对应的特征中更好）。使用在急诊科获得的数据确定了四种临床亚型：α亚型（患病率33%；器官功能障碍较少，死亡率2%）、β亚型（患病率27%；慢性病和肾功能障碍较多，死亡率5%）、γ亚型（患病率27%；炎症多、体温高、死亡率15%）和 δ亚型（患病率13%；乳酸高、低血压多、死亡率32%）。在模拟模型中，报告有益、有害或无影响的临床试验比例随研究人群亚表型频率的变化而变化。 虽然许多早期研究已经评估了个体宿主反应生物标记物在脓毒症患者中的预后价值，但迄今为止，基于宿主反应测量的脓毒症试验中使用富集策略是有限的。 在这方面，MONARCHS 试验代表了一个早期的例子：该试验测试了抗 TNF 抗体对脓毒症患者的影响，其中用于疗效分析的优先人群是基线 IL-6 量高的患者，如阳性快速试验结果所定义。通过这种策略，研究人员试图用更严重的全身炎症患者来丰富人群，预计抗 TNF 将在该亚组中发挥最大作用。几项评估免疫刺激剂在脓毒症中的作用的试验试图通过 HLA-DR 在循环单核细胞上的低表达和/或低淋巴细胞计数来丰富患有免疫抑制的患者群体。SCARLET 试验评估了可溶性血栓调节蛋白对脓毒症相关凝血病患者的影响，该试验使用血小板计数和国际标准化比率来丰富人群，以便更有可能从这种抗凝治疗中受益。对测试重组 IL-1 受体拮抗剂在脓毒症中的疗效的临床试验数据的回顾性分析表明，虽然这种治疗并未在整体人群中带来益处，但它确实降低了由高基线（内源性）IL-1 确定的亚组的死亡率受体拮抗剂浓度或肝胆功能障碍和 DIC。随后的研究表明，高血浆铁蛋白浓度可鉴别出具有“巨噬细胞激活样综合征”的脓毒症患者，且高铁蛋白血症目前被评估为炎症反应的生物标志物，可在研究抗炎策略的临床试验中指导患者选择。 其他研究使用“组学”技术来深入了解宿主反应并确定患者亚组。作为使用组合蛋白质组学、代谢组学数据进行预后富集分析的一个例子，发现脂肪酸转运和β-氧化、糖异生和柠檬酸循环的相对损害与更高的脓毒症相关死亡风险有关；代谢组的变化与蛋白质组的改变相关，一个由七种代谢物组成的组合可以预测急诊科就诊时的死亡率。一项结合人类遗传学、代谢物和细胞因子测量以及小鼠模型测试的研究揭示了蛋氨酸补救途径在脓毒症的病理生理学中的参与。该途径底物甲基硫代腺苷的高血浆浓度与脓毒症患者的死亡率相关，并与促炎细胞因子浓度相关，表明血浆甲基硫腺苷的增加标志着患者发生歧化性炎症。甲基硫腺苷和其他变量的联合预测死亡率的准确率为80%。 迄今为止发表的大多数研究都使用血液白细胞转录组数据，根据免疫反应对脓毒症患者进行分层。在一个包含 98 名脓毒性休克儿童的前瞻性队列中，Hector Wong 及其同事使用无监督分层聚类法确定了三种内型，命名为A、B 和 C亚类。A亚类表现出与适应性免疫和糖皮质激素受体信号相关的基因表达减少，并表现出更严重的疾病和更高的死亡率。由治疗医师酌情开出的皮质类固醇治疗与A亚类儿童的死亡率独立相关，表明这种分类方法可能有助于治疗决策。这项在儿科脓毒症方面的开创性基因组学工作已被用于生成基于蛋白质生物标志物的死亡风险分类和回归树模型，不仅适用于儿童，也适用于成人。几个小组根据成人脓毒症患者的全血白细胞基因表达谱独立描述了脓毒症内型。在一个由265名社区获得性肺炎（CAP）引起的脓毒症患者组成的前瞻性队列中，确定了两种不同的脓毒症反应特征（SRS），分别命名为SRS1和SRS2，并在CAP或粪性腹膜炎患者的独立队列中进行了验证。SRS1 与较高的死亡率相关，其基因表达谱表明存在免疫抑制表型，具有 LPS 耐受性、HLA-II 下调和 T 细胞耗竭。SRS1 和 SRS2 内型也可在一项随机临床试验 (“VANISH”) 的二次分析中确定，该试验旨在研究皮质类固醇治疗对脓毒性休克的影响。有趣的是，使用一个包含7个基因的简化模型，发现皮质类固醇治疗与SRS2内型的死亡率增加相关，且对SRS1患者无治疗效果，这表明该分类方法可能与治疗决策相关。然而，在这方面，需要确认，同时考虑到虽然 SRS1 显示出与儿童 A 亚类的相似性，两者都表明免疫抑制，皮质类固醇治疗与 A 亚类死亡率增加有关，但与 SRS1 无关；此外，最近对上述 VANISH 试验的重新分析提供了进一步的证据，表明皮质类固醇暴露可能与成人A型脓毒性休克患者的死亡率增加有关。其他研究人员根据来自不同感染源的脓毒症患者的血液白细胞全基因组 RNA 表达数据，确定了四种脓毒症内型，命名为 MARS1-MARS4。MARS 内型在两个独立的队列中得到验证，包括用于推导出 SRS1 和 SRS2 的患者组，并且与不同的宿主反应谱和临床结果相关。MARS1始终与不良预后相关，其免疫状况表明先天性和适应性免疫减弱。MARS3 的死亡风险相对较低，其 RNA 表达模式与适应性免疫的上调和 T 细胞功能的增加一致。比较分析表明，MARS3 和早先描述的 SRS2 内型之间存在相当大的重叠。在另一项分析中，使用来自一系列小型研究的全血基因组RNA表达数据，确定了三个亚组，分别为“炎症性”（以先天性免疫激活和较高死亡率为特征）、“适应性”（适应性免疫激活；较低死亡率）和“凝血性”（血小板脱颗粒和凝血功能障碍；较高的死亡率和老年人）。这一发现与之前描述的脓毒症内型重叠：炎症亚组最接近 SRS1 和儿科 B 亚型，而适应性亚组对应 SRS2；以上没有与 MARS 内型进行比较。 总的来说，这些数据表明血液白细胞基因组数据可用于将脓毒症患者分为不同的组，这些组具有不同的免疫特征和临床结果，并且可能对某些脓毒症治疗有不同的反应。然而，仍有许多工作需要完成。虽然不同研究小组描述的亚型和内型之间的相似性令人鼓舞，但仍然存在明显的差异。在这方面，针对脓毒症患者血液白细胞基因组内型达成共识的国际努力将大有裨益，肿瘤学领域提供了极好的例子。衍生出一组相对较小的反映（共识）内型特征的基因，随后将允许进行更多的独立研究，以在更大范围内评估脓毒症病理生理学和治疗反应的相关性 尽管近几十年来我们对脓毒症免疫学的理解有所提高，但这些见解并未转化为有效的治疗方法。这使得我们有必要对脓毒症的免疫发病机制有一个更全面、更深入的了解。越来越多的研究人员寻求通过高维数据分析来解开脓毒症的复杂性，这得益于“组学”免疫分析技术的进步，允许同时分析多个分子层，如 RNA、蛋白质、脂质和代谢物。此外，不仅要更好地了解全身免疫，还要更好地了解脓毒症中的局部组织特异性反应，这将是关键。未来，治疗选择可能基于患者的免疫学特征，结合临床表型。免疫抑制试验就是一个例子，在该试验中，脓毒症患者分别服用炎症抑制剂IL-1受体拮抗剂或免疫抑制剂IFN-γ，以升高铁蛋白（表示炎症过度）或降低单核细胞HLA-DR含量（表示免疫抑制；https://www./）（ClinicalTrials.gov 标识符：NCT04990232）。预后和预测性富集策略将减少异质性，从而有助于设计未来的临床试验，以更好地针对可能受益于免疫疗法的患者群体。对于脓毒症定义的下一个迭代，即 脓毒症 4，我们已经设想脓毒症和脓毒性休克不再被定义为一种综合征，而是一组可识别的疾病，每种疾病都以特定的细胞改变和相关的生物标志物为特征。这里的一个主要挑战是不仅要区分现在归类为“脓毒症”的患者群体中的病理生物学亚组，而且还要通过对患者的深入观察研究和实验室的机制研究相结合来发现病理生理学和靶向途径驱动的个别患者的疾病。机器学习是人工智能 (AI) 的一个分支，它使用数据和算法来模拟人类学习，可以帮助处理大量数据，检测有意义的信息模式，从而帮助诊断、预测和治疗脓毒症。 考虑到大部分脓毒症幸存者的健康状况受损，如认知障碍、脑功能障碍、心血管事件以及出院后数周至数月内再入院率增加，因此有必要更多地关注并预防脓毒症的长期后果。脓毒症的这些晚期后果导致生活质量下降，并且通常无法恢复先前的工作。这些脓毒症后后遗症的潜在分子机制仍然不明确。最近的一项研究表明，在人类中，感染后免疫重编程可以在炎症消退后持续长达 6 个月，这为脓毒症后患者对复发性感染的易感性增加提供了潜在机制。这与几项研究一致，这些研究表明，脓毒症患者从ICU 出院一年后炎症和免疫抑制增加的轨迹，例如高敏感性 C 反应蛋白 (CRP)、IL-7、可溶性PD-1和可溶性PD-L1的全身浓度持续升高。进一步了解脓毒症后免疫可以确定治疗目标，以纠正这些免疫紊乱，同时改善脓毒症的长期预后。 在首次使用“脓毒症”一词近三个世纪后，以及首次对脓毒症进行临床定义30 多年后，脓毒症仍然是一种定义不明确的综合征，无法通过特定疗法进行治疗。为脓毒症患者实施精准医学，其中免疫治疗由宿主反应生物标志物指导，反映以时间和个体依赖性方式驱动病理学的靶向病理生理学变化，这将是未来几年的主要挑战。 来源：Immunity 54, November 9, 2021 |
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