基于ABM模型的TH17在重度哮喘中功能的研究

摘要

哮喘是一般常见病，但其发病机制至今还不十分清楚，全球范围内约有3亿人患有哮喘病，在不同国家发病率为百分之一到百分之十八，其中重度哮喘患者占所有哮喘患者的百分之五.哮喘病已经成为仅次于癌症的世界第二大致死和致残疾病，而我国约有2500万人患哮喘，成为全球哮喘死亡率最高的国家之一。类固醇对一般的哮喘有较好的疗效，但对重度哮喘失效。在普通哮喘中，TH2细胞占主导地位，但重度哮喘患者的肺内和痰中有较多的TH17，那么，TH17在重度哮喘中的作用是什么，至今还没有定论，搞清这一问题对治疗重度哮喘疾病具有重大的现实意义。
　　 普通哮喘是由嗜酸性粒细胞、肥大细胞和T淋巴细胞等多种炎性细胞参与的气道慢性炎症。这种炎症使易感者对各种激发因子具有气道高反应性，并可引起气道缩窄，临床表现为反复发作性喘息、呼吸困难、胸闷或咳嗽等症状。
　　 CD4+T淋巴细胞在不同因子诱导下，其分成三个子集细胞，即TH1，TH2，TH17.对普通哮喘，公认:TH1/TH2失衡是哮喘发生的起因，即遗传背景和环境因素导致呼吸系统和免疫系统发育异常(包括T细胞分化和细胞因子为环境等复杂的免疫过程)，TH1活性下降，不能抑制TH2，而TH2的活性升高，导致了气道炎症反应的发生。大部分带有哮喘的病人是由外界因素过敏引起的，较少部分是由先天性遗传的，而这些病人往往带有较严重的哮喘病情，临床发现，重度哮喘患者肺内包含较多的TH17细胞，这类哮喘包含嗜中性粒细胞远多于嗜酸性粒细胞，炎症主要是由TH17引起的。吸烟哮喘者肺内也有TH17细胞和嗜中性细胞，但TH17作为驱动嗜中性炎症的机制依然不清楚。
　　 TH17细胞主要由IL-23通过激活转变因子RORγt和STAT3进行调整产生IL-17和IL17-F，IL-17与其紧密相关的IL-17F，通过诱导来自气道上皮细胞的CXCL1和CXCL8的释放，吸引嗜中性粒子引起嗜中性炎症。在重度哮喘病人的痰中出现IL-17浓度增加的情况。另外，树突出细胞(DCs)在细菌感染下可诱导IL-23和IL-17，因而它在哮喘中起重要的作用。然而，重度哮喘中DCs，IL-23，TH17之间的关系如何？以及TH17细胞在重度哮喘中的作用有待进一步研究。正如PeterJ.Barnes指出:“TH17作为操纵重度哮喘的中性粒细胞炎症功能机制还不完全清楚，值得更多的研究，了解这些机制可能会产生新的治疗方法，所以需要进一步的研究来理解TH17细胞和它在重度哮喘中的作用，它可能作为未来治疗重度哮喘的新靶标”。
　　 最近的研究报道表明:“在过敏性重度哮喘中，TH17和TH2并存，它们分别产生IL-17和IL-4，对于同一病人可以同时观察到不同的临床表型性状”。这就提出了新的课题:TH17在重度哮喘患者中的作用是什么？IL-23诱导TH17细胞亚群分泌IL-17的具体机制是什么？如何以调节DCs及TH17细胞亚群平衡的关键细胞因子为靶标，制定重度哮喘的有效治疗措施？研究TH17在重度哮喘中的功能将是解决这些问题的关键所在。
　　 由于免疫系统中先天性和获得性免疫细胞间相互作用的复杂性，传统的生化和细胞生物学等实验方法很难定量描述重度哮喘中细胞间的相互作用情况，而ABM(AgentBasedModel)则是一个适宜于研究生物复杂性的一个有效工具。基于ABM方法VirginiaAFolcik等人开发了BIS(BasicImmuneSimulator)仿真系统，该系统平台促进了研究各种疾病症状免疫反应，包括细菌和病毒感染等.BIS又称基本免疫仿真器，是研究免疫系统中先天性免疫与获得性免疫细胞之间相互作用的基本ABM模型。BIS仿真基本细胞模型，调节因子和抗体，产生三个虚拟空间模型:分别代表软组织(1区)、淋巴组织(2区)和血液淋巴的循环(3区)。本文利用BIS仿真TH17的ABM模型，并与已通过BIS仿真出的DCs的ABM模型相比较，讨论DCs与TH17的内在联系，探索重度哮喘的传播路径及治疗重度哮喘的潜在靶标，为临床治疗提供参考依据。
　　 基于BIS仿真平台，应用REPAST软件和JAVA语言我们仿真了TH17对免疫系统的影响，研究了TH17在重度哮喘中的功能和由TH17细胞所引起的先天性免疫和获得性免疫系统中细胞间的相互作用。通过观测BIS仿真三种效应数据:免疫获得(immunewin)、免疫损失(immuneloss)和免疫高反应(immunehyper)，然后与BIS仿真出的DCs模型做对比，结合临床数据探讨了TH17在重度哮喘中的功能。针对TH17具体仿真如下:
　　 1.仿照DCs模型的BIS仿真，确定TH17模型的不同初始条件，观测三种BIS仿真的效应(标准状态)。
　　 2.在激活条件下，仿照DCs模型的BIS仿真，确定TH17模型的不同初始条件(20TH17，50TH17，80TH17三种因子的结合)，增加其它细胞因子的数目，与标准状态(control)相比较，观测三种效应。
　　 3.在激活条件下，仿照DCs模型的BIS仿真，确定TH17模型的不同初始条件(20TH17，50TH17，80TH17三种因子的结合)，减少其它细胞因子的数目，与标准状态(control)相比较，观测三种效应。
　　 此外，本文还用BIS仿真讨论了TH2在重度哮喘中的作用，讨论了吸烟对重度哮喘的影响，验证了仿真模型的正确性。
　　 重度哮喘中也包含TH2因子，那么，TH2在重度哮喘中的功能是什么?TH2与TH17，DCs内在联系是什么？为了进一步探讨重度哮喘的传播路径，我们对TH2作了如下BIS仿真:
　　 1.以BIS为平台确定TH2的不同初始量，通过由此产生的先天性免疫细胞和获得性免疫细胞相互作用的模型，观测三种效应。
　　 2.以BIS为平台，确定TH2的不同初始量，增加某些先天性免疫细胞或获得性免疫细胞数量，观测三种效应。
　　 3.以BIS为平台，确定TH2的不同初始量，减少某些先天性免疫细胞或获得性免疫细胞数量，观测三种效应。
　　 结论如下:
　　 1.免疫高反应与TH17初始数量基本没有关系，当TH17数量增加时，有相应的免疫获得概率和免疫损失概率。
　　 2.仿真模型符合临床实验数据。
　　 3.DCs是TH17细胞增生的刺激物，DCs在细菌感染下能诱导出IL-23，而IL-23再诱导出TH17，由此可知DCs/IL-23/IL-17/嗜中性炎症/重度哮喘可能是产生重度哮喘的路径，DCs凋亡能结束这一循环，树突出细胞凋亡是对控制T细胞激活一个重要的机制。这符合实验结果。
　　 4.吸烟能使哮喘患者病情加重。
　　 (1)CS最初推迟了“内毒素诱导的细胞因子”，如IL-6减少，抑制了炎症，而后来IL-8增加，导致了呼吸道重度哮喘。
　　 (2)IL-8mRNA水平与LPs刺激时间有关，作用时间短，产生的IL-8水平减少，反之，作用时间长，产生IL-8水平增加。
　　 (3)香烟烟雾中的氧化物能激发成熟DC细胞产生IL-8细胞因子，使吸烟的哮喘者加重病情。
　　 5.免疫高反应与TH2初始数量基本没有关系，当TH2数量增加时，有相应的免疫获得概率，免疫损失概率和免疫高反应。
　　 6.DCs也是TH2细胞增生的刺激物，DCs在因子CCL17作用下能诱导出TH2，而重度哮喘中也包含TH2，由此可预测:DCs/TH2/嗜酸性炎症/重度哮喘也可能是产生重度哮喘的另一条路径，这也符合实验结果。
　　 总之，我们用BIS来定量地检查对病毒感染免疫响应的先天性和获得性细胞间相互作用，通过改变初始因子数目进行模型校准，把仿真模型与报道过的临床数据相比较，证实了初始先天响应的程度对获得性免疫响应起着关键作用。先天性免疫细胞过量会导致获得性免疫细胞的极度增加，在先天性与获得性免疫系统中出现的任一免疫系统成分的缺陷均会减少对清除病毒感染成功的概率。
　　 本文利用ABM模型描述了免疫系统中先天性免疫细胞与获得性免疫细胞间相互作用，研究了TH17，TH2在重度哮喘中的功能，并结合临床数据，验证了模型的正确性，证实了TH17，TH2，DCs可能是治疗重度哮喘的潜在靶标，为临床治疗重度哮喘提供了参考。
　　 本文的创新点有如下三点:
　　 1.本课题的选题具有创新意识，其特色是利用BIS仿真平台，建立了重度哮喘的ABM摸型，基于此摸型首次探讨了TH17在重度哮喘中的功能，结合现有的生化试验数据与临床数据，定量分析TH17在重度哮喘中的功能。
　　 2.目前已有报道指出，在细菌感染下DCs能诱导出IL-23，IL-23对激活转变因子RORγt和STAT3进行调整，产生IL-17和IL17-F。IL-17和与其紧密相关的IL-17F，通过诱导来自气道上皮细胞的CXCL1和CXCL8的释放来吸引嗜中性粒子引起炎症。本文以BIS为平台，首次仿真出免疫系统中TH17，TH2与其他细胞间的相互作用模型(ABM)，把TH17，TH2与DCs的BIS仿真模型进行对比，指出免疫系统中可能引起重度哮喘的传播路径，即把DCs与IL-23，TH17，TH2与重度哮喘炎症联系一起，且仿真模型符合临床数据，指出DCs/IL-23/Th17/嗜中性炎症/重度哮喘及DCs/TH2/嗜酸性炎症/重度哮喘可能是引起重度哮喘的路径，验证了重度哮喘传播路径的正确性，探索出治疗重度哮喘的可能新靶标—TH17，DCs，TH2作为临床治疗的理论参考。
　　 3.吸烟能使哮喘患者病情加重.那么，香烟如何影响免疫系统引起重度哮喘？香烟暴露的分子机制是什么？本文引用下列实验结果阐述了上述问题，即:CS最初推迟了“内毒素诱导的细胞因子”，如IL-6减少，抑制了炎症，而后来IL-8增加，导致了呼吸道重度哮喘;IL-8mRNA水平与LPs刺激时间有关，作用时间短，产生的IL-8水平减少，反之，作用时间长产生IL-8水平增加;用香烟烟雾氧化剂激活的DCs，使中性粒细胞趋化因子的数量(如IL-8)有显著增加，而抗氧化物(NAC)在CSE和香烟烟雾中又增强了成熟DCs的PGE2和COX2的分泌。这些研究说明香烟烟雾对直接激活DCs的影响。而有效地控制趋化因子的产生，实际上可能加剧前列腺素的生产和增加吸烟者肺癌的风险，这与基于ABM所观察到的TH17在重度哮喘中的效应是相吻合的。
　　 本文还对本课题的下一步工作进行了展望，具体如下:
　　 1.以BIS为平台，建立由TH17引起的免疫系统中先天性与获得性免疫细胞随时间相互作用的仿真模型，观测三种效应(免疫获得，免疫损失，免疫高反应)模型(ABM)，进一步探讨TH17在重度哮喘中的功能。
　　 2.重度哮喘中也有TH2因子，为了研究TH2在重度哮喘中的作用，要以BIS为平台，建立由TH2引起的免疫系统中先天性与获得性免疫细胞随时间相互作用的仿真模型，观察三种效应(免疫获得，免疫损失，免疫高反应)模型(ABM)，进一步探讨TH2在重度哮喘中的功能，指出重度哮喘的传播路径。
　　 3.以BIS为平台，仿真TH17有效保护机体防止感染的模型，因此当把TH17及其细胞因子作为重度哮喘治疗的靶标时，如何维持其正面功能(1)，而抑制其负面功能(2)——达到有效的平衡。
　　 4.查找获取相关的重度哮喘的临床数据，验证TH17，TH2上述模型(ABM)的正确性，探索重度哮喘的传播路径，为临床治疗重度哮喘提供可靠的参考依据。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 TH17与重度哮喘的关系

第二章 重度哮喘中TH17模型的构建

2．1 ABM在生物医学研究中的作用

2．2 基本免疫仿真器(BIS)简介

第三章 TH17的初始量对免疫系统作用引起的重度哮喘的定量研究

3．1 模型的构建

3．2 模型的仿真

第四章 改变TH17仿真初始条件及加入较多因子和减少某些因子引起免疫系统作用导致重度哮喘模型的定量研究

4．1 模型的构建

4．2 模型的仿真

4．3 仿真结果分析与验证

4．4 产生免疫损失结果建立的机制

第五章 吸烟对重度哮喘中TH17影响的讨论

5．1．CS与IL-6，IL-8及重度哮喘中TH17之间的关系

5．2 IL-8mRNA水平与LPS刺激时间的关系

5．3 IL-8与DCs关系的实验结果

5．4．CSE与DCs细胞及IL-8之间的关系

第六章 TH2的初始量变化及TH17之间的关联对免疫系统作用引起的重度哮喘的定量研究

6．1 资料和方法

6．2 结果

6．3 讨论

第七章 改变TH2仿真初始条件，加入较多因子和减少某些因子及TH17之间的关联对免疫系统作用引起的重度哮喘的定量研究

7．1 仿真条件

7．2 来自初始化免疫响应中降低到每一因子浓度为（0.01）时的仿真输出结果

7．3 讨论

7．4 初始化免疫响应中增加到每一因子浓度为(10)时的仿真效应

7．5 讨论

7．6 结论

第八章 总结与展望

参考文献

附录

攻读学位期间成果

致谢

声明

统计学证明