衰老免疫系统功能重建的新策略：通过肝脏瞬时表达营养因子增强老年免疫力
作者及机构
本研究由Mirco J. Friedrich、Julie Pham、Feng Zhang等来自美国Broad Institute of MIT and Harvard、Howard Hughes Medical Institute、麻省理工学院等机构的团队完成，于2025年11月5日发表在《Nature》期刊上。
学术背景
科学领域
本研究属于免疫衰老（immunosenescence）和再生医学领域，聚焦于通过表观遗传和细胞因子干预逆转年龄相关的免疫功能衰退。
研究动机
衰老导致胸腺（thymus）萎缩（involution），减少初始T细胞（naive T cells）输出，同时外周T细胞功能失调，使老年个体易受感染、肿瘤侵袭和疫苗失效影响。既往尝试（如激素疗法、细胞因子注射或异时共生parabiosis）效果有限且伴随毒性。本研究提出了一种创新策略：利用肝脏作为“临时工厂”，通过mRNA递送在肝细胞中瞬时表达三种关键免疫营养因子——Delta样配体1（DLL1）、Fms样酪氨酸激酶3配体（FLT3L）和白介素-7（IL-7），以系统性重建衰老机体的免疫稳态。
研究目标
1. 鉴定衰老过程中胸腺和外周T细胞信号通路的衰减
2. 开发基于脂质纳米颗粒（lipid nanoparticles, LNPs）的mRNA递送系统
3. 评估联合因子（DFI）对老年小鼠胸腺输出、T细胞库多样性及抗肿瘤免疫的修复效果
4. 验证该策略的安全性和可逆性
研究流程与方法
1. 衰老相关免疫信号通路的鉴定
- 研究对象：从出生至90周龄的小鼠，采集97,000个外周血T细胞转录组和47个胸腺空间转录组（spatial transcriptomics）
- 方法：
- 单细胞RNA测序（scRNA-seq）和TCR测序（TCR-seq）分析外周T细胞状态
- 空间解析的Slide-TCR-seq技术定位胸腺上皮细胞（TECs）与胸腺细胞的相互作用
- 关键发现：
- Notch1/3和IL-7信号通路活性随年龄显著降低
- 胸腺内FLT3L水平下降，导致共同淋巴祖细胞（common lymphoid progenitors, CLPs）减少
2. mRNA-LNP系统的设计与验证
- 载体构建：
- 设计包含5′非翻译区（UTR）、α-珠蛋白3′元件和A30LA70 polyA尾的mRNA
- 通过T7聚合酶体外转录，引入m1ψ修饰（伪尿苷酸）和5′端m7GpppNm帽结构以增强稳定性
- 脂质纳米颗粒（LNPs）配方：
- 使用SM-102可电离脂质，与DSPC、胆固醇、DMG-PEG2000以50:10:38.5:1.5摩尔比混合
- 通过微流控技术封装mRNA，形成直径约75 nm的颗粒（PDI=0.02–0.03）
- 递送效率验证：
- Ribomap技术证实肝细胞内DLL1、FLT3L和IL-7 mRNA的高效翻译
- 免疫荧光显示DLL1在肝细胞表面表达持续48小时
3. DFI对免疫系统的重建效果
- 动物模型：72周龄老年小鼠，每周两次接受DFI或对照（LUC mRNA-LNPs）治疗，持续28天
- 关键实验：
- 胸腺输出评估：通过TCR切除环（TRECs）定量和Rag2-EGFP报告基因追踪胸腺细胞成熟
- 造血干细胞分析：流式细胞术检测骨髓中CLPs和髓系偏斜HSCs（CD150high）
- 疫苗响应：卵清蛋白（OVA）疫苗模型评估抗原特异性CD8+ T细胞扩增
- 抗肿瘤免疫：B16-OVA黑色素瘤模型测试DFI与PD-L1阻断的协同效应
4. 安全性评估
- 自身免疫风险：在NOD（非肥胖糖尿病）小鼠和ACT-mOVA（中枢耐受模型）中监测糖尿病发生和OVA特异性T细胞活化
- 炎症毒性：ELISA检测血清细胞因子（GM-CSF、IL-1β等），组织学评估肝脏炎症
主要研究结果
1. 免疫信号通路的年龄依赖性衰减
- 空间互作分析显示，老年小鼠胸腺皮质上皮细胞（cTECs）与胸腺细胞的Notch和IL-7信号强度下降50%以上（P<0.0001，Mann-Whitney检验）
- 外周血T细胞中，初始T细胞标志物（TCF7、CCR7）减少，衰竭表型（PD-1high、LAG-3+）增加
2. DFI恢复胸腺功能和外周T细胞库
- 胸腺再生：DFI治疗使老年小鼠胸腺重量增加1.8倍，DN1-DN3阶段胸腺细胞扩增2.5倍
- T细胞输出：TRECs水平提升至年轻小鼠的70%，近期胸腺迁出细胞（RTE）标志物Nur77表达上调
- 外周平衡：初始T细胞（CD44−CD62L+）比例从15%升至35%，记忆T细胞未显著增加
3. 增强疫苗和抗肿瘤免疫
- 疫苗响应：DFI预处理使OVA特异性CD8+ T细胞数量增加2倍（P=0.0006），IFNγ分泌量提高3倍
- 肿瘤控制：DFI联合PD-L1阻断使40%老年小鼠完全清除B16-OVA肿瘤，单用PD-L1组全部进展
- 机制解析：scRNA-seq显示肿瘤浸润CD8+ T细胞中衰竭标志物（HAVCR2、TIGIT）下调，克隆多样性（Shannon指数）增加30%
4. 安全性与可逆性
- 毒性：DFI组血清转氨酶和肝组织学正常，而重组细胞因子引发全身炎症（IL-12升高10倍）
- 自身免疫：NOD小鼠6个月监测期未见糖尿病加速，ACT-mOVA模型未打破OVA耐受
结论与价值
科学意义
1. 首次证明肝脏可作为“临时免疫器官”递送跨膜蛋白（DLL1）和分泌因子（FLT3L/IL-7）的组合
2. 揭示了Notch-IL-7-FLT3L协同作用对CLPs迁移和胸腺归巢（CCR9+）的调控机制
应用前景
- 老年免疫重建：可逆性干预避免长期毒性，适用于疫苗增效或癌症免疫治疗辅助
- mRNA-LNP平台：拓展至其他需瞬时表达的膜结合或分泌蛋白
研究亮点
- 多组学驱动：整合空间转录组、单细胞TCR库和功能实验，精准定位衰老缺陷靶点
- 递送创新：SM-102 LNPs实现肝特异性表达，克服重组DLL1无法全身给药的限制
- 协同效应：三因子组合（DFI）优于单一因子，避免IL-7单独使用导致的记忆T细胞过度增殖
- 转化设计：临床兼容的LNP配方（与COVID-19 mRNA疫苗相似）和28天短期疗程
局限与展望
- 长期重复给药的安全性需进一步验证
- 人类胸腺再生效率可能低于小鼠模型
- 未来可探索其他衰老相关因子（如IL-15、TGF-β抑制剂）的联合策略