一个多世纪前，法国科学家卡尔梅特(Calmette)和介朗(Guérin)开始对一种牛结核分枝杆菌的菌株进行减毒培养，从而研发出了以他们的名字命名的卡介苗（BCG）；一个多世纪后，人们发现，这种原本只为了对抗结核病而研发出的疫苗，还带给了人类新的惊喜——除了预防结核病，卡介苗对免疫反应的调节作用及其机制的揭秘，影响了后续各类重组疫苗的开发，卡介苗本身甚至对一些意想不到的非传染性疾病具有治疗作用。

卡介苗对人体有一种非特异性的保护作用，即由单核细胞、巨噬细胞和自然杀伤细胞等先天免疫细胞介导的训练免疫。训练免疫的机制包括表观遗传重编程、代谢重编程和由造血干细胞介导的长期保护。迄今为止的多项研究证明，训练免疫对癌症、病毒感染、自身免疫性疾病和各种其他疾病，特别是膀胱癌、呼吸道病毒和1型糖尿病都具有益处。

虽然卡介苗预防非结核类传染病与其他非传染性疾病的具体机制尚未完全阐明，但卡介苗的潜在作用值得进一步探索，这对于更深入地发掘各种疫苗的预防和治疗作用具有重要意义。

简单来说，与特异性免疫相比，训练免疫作为一种特别的非特异性免疫，具有许多特别之处：

与特异性免疫记忆不同，训练免疫涉及的免疫细胞是髓系细胞、自然杀伤细胞，以及模式识别受体和细胞因子等；

训练免疫并不会针对某种特定的病原体发挥免疫作用；

训练免疫依赖于先天免疫细胞功能状态的变化，这种变化在初始刺激消除后持续数周至数月。

近期，一篇发表于Journal of Translational Medicine杂志的文献，系统地阐述了BCG诱导的训练免疫的历史、机制和潜在应用。

BCG诱导的训练免疫历史

1921年7月18日，巴黎Charité医院首次为一名母亲死于结核病的男婴接种了卡介苗，迈出了结核病防治的第一步。1924年开始，卡介苗因其对结核病优良的防治效果得到大规模生产。随着世界各地更多年龄、更多种族、更多体质的人群广泛接种卡介苗，人们发现，卡介苗的作用似乎不只有预防结核病。

1928年，Pearl等人在尸检研究中发现，结核病患者的癌症发病率较低。随后的流行病学研究表明，在结核病之外，卡介苗似乎可以降低儿童人群的死亡率。这引起了人们的极大兴趣，并为研究卡介苗在其他疾病中的作用提供了一个新的入口(图1)。

图1.卡介苗与训练免疫的历史

1964年，MacKaness GB等人的研究表明，一部分人在感染某些细菌病原体后，会获得一种奇妙的非特异性保护，这种保护可以使机体对其他毫不相干的病原体产生高度抗性，因此被称为“交叉保护”。研究表明，卡介苗的保护机制就包括诱导宿主产生“交叉保护”，使机体对其他病原体的感染产生抗性。随后几年的研究发现，接种卡介苗的小鼠可以预防如疟原虫、曼森血吸虫等感染，进一步证明了卡介苗诱导的非特异性保护的存在。

1988年，Bistoni等人为无胸腺小鼠接种白色念珠菌疫苗，使小鼠获得了对感染的实质性保护，证明细胞毒性T细胞和B淋巴细胞在预防白色念珠菌感染中不发挥关键作用。这种保护作用独立于，有猜测提出，卡介苗可能就是通过这种独立于以T细胞与B细胞为主的特异性免疫的机制，发挥了它的非特异性保护作用。

2003年，Garly等对西非儿童的研究表明，接种卡介苗可以降低除结核病以外的其他感染，从而降低人群总体发病率和死亡率，这同样得益于卡介苗的非特异性保护。

种种研究都指向一个结论：卡介苗具有对其他感染的非特异性保护作用。但这一保护作用诞生于怎样的生理、生化作用，经历了怎样的反应路径，等待着人们的探索。直到2011年，有研究发现，这些非特异性保护作用是由单核细胞(Mo)、巨噬细胞(Mφ)、自然杀伤细胞(NK)、树突状细胞(DC)和中性粒细胞等先天免疫细胞介导的。Netea MG等人证明，这种先天免疫赋予了机体的一道奇特的防御屏障，这一作用被称为“训练免疫”。

2012年，一项体内和体外结合研究证明，NOD2介导的组蛋白甲基化水平的表观遗传变化(H3K4me3)是卡介苗增强先天免疫反应的机制。

2014年，Saeed等人在证明了表观遗传调控在单核细胞分化为巨噬细胞等训练免疫发生途径中的重要性。Cheng等人同时证明，代谢途径向糖酵解的转变是维持训练免疫的关键。

2016年，关于表观遗传学和新陈代谢诱导的训练性免疫之间的关系研究表明，细胞代谢重编程是卡介苗诱导训练免疫的核心过程；新陈代谢和表观遗传调控息息相关，二者之间的正反馈循环可增强训练免疫的水平。

针对单核细胞等成熟的先天免疫细胞的寿命比训练免疫的持续时间短的问题，2018年的一项研究表明，将卡介苗引入骨髓(BM)，可改变造血干细胞(HSC)和多能祖细胞(MPPs)的转录模式，经BCG诱导的HSC重编程培养的单核/巨噬细胞在体内可持续存在，并提供了更好的保护作用，进一步将训练免疫机制延伸到造血干细胞的水平。

BCG诱导的训练免疫的机制

卡介苗通过与NOD2受体结合作用，诱导出先天免疫细胞的表观遗传重编程和代谢重编程，表观遗传重编程和代谢重编程这两种分子机制之间同样相互影响，最终使机体获得训练免疫。训练免疫通过与造血干细胞相互作用，长期保护机体免于病原体侵袭。当机体再次受到卡介苗刺激时，训练免疫使免疫系统产生更多的促炎因子.

01表观遗传重编程

表观遗传调控是一种控制基因表达的路径，其机制包括DNA修饰、非编码RNA、组蛋白修饰和染色质重塑等不同类型。卡介苗的接种可诱导人类单核细胞中的组蛋白修饰和表观遗传重编程位于编码炎性细胞因子的基因的启动子位置，如肿瘤坏死因子IL-α、IL-1β和IL-6。重新编程后的单核细胞和巨噬细胞的功能性和表观遗传学发生改变，促进NK细胞产生炎症因子IL-6、IL-1、肿瘤坏死因子-α和趋化因子等，并增强细胞吞噬功能。

炎症细胞因子和趋化因子作为先天免疫触发的炎症反应的主要参与者，可协调局部和全身炎症反应，在宿主抵御微生物感染中发挥着关键作用。肿瘤坏死因子-α和白介素1-β激活局部血管内皮细胞，诱导血管扩张，增加血管通透性，使血清蛋白和白细胞聚集到感染部位，肿瘤坏死因子α和IL-6的释放增加也可预防结核病和病毒感染。IL-1β与IL-6协同刺激产生急性期蛋白质（APP），随后激活补体，并诱导巨噬细胞和中性粒细胞吞噬病原体。

卡介苗降低感染后病毒血症发生率的机制与IL-1β的上调相关；巨噬细胞在训练免疫介导下，增加了各种模式识别受体(TLR4、CD206和CD14)、趋化因子受体(CCR2和CXCR4)以及与染色质重塑标记H3K4me3相关的共刺激和/或信号分子(CD43、CD14、CD40)的表达。这些受体有助于刺激T细胞分泌、促血管生成和伤口愈合。

除了表观遗传重编程，不同的细胞代谢途径也参与单核细胞、巨噬细胞和NK细胞训练的免疫的调节和发展，表观遗传修饰也需要细胞代谢的协调。在与造血干细胞相互作用后，训练免疫开始发挥对感染起到长期的保护作用。

图2.卡介苗通过与NOD2受体结合诱导训练免疫的过程

02 代谢重编程

接种卡介苗后，外周血单核细胞糖酵解、氧化磷酸化和谷氨酰胺分解代谢上调。单核细胞糖酵解代谢增加，引导了细胞代谢程序从氧化磷酸化转变为有氧糖酵解的沃伯格效应。Art等人证明，卡介苗通过激活Akt/mTOR途径，诱导了单核细胞训练免疫伴随着向糖酵解的代谢转变。

代谢物不仅为生物合成提供底物，还通过信号通路和基因表达调节免疫反应。大多数代谢产物是表观遗传酶活性的重要底物和辅助因子。体外训练免疫模型展示出，抑制代谢可以逆转表观遗传变化，使重新刺激免疫系统后产生的细胞因子反应减少。

BCG的潜在应用

01 癌症治疗

卡介苗也具有抗肿瘤作用。1959年，Old LJ等人证明卡介苗可通过诱导免疫刺激作用延缓肿瘤进展，并具有抗肿瘤作用。1976年，Morales A.等人首次使用BCG治疗浅表性膀胱癌。从那时起，卡介苗疗法逐步成为非肌层浸润性膀胱癌的标准治疗中的一环。当然，事有两面，卡介苗在治疗非肌肉浸润性膀胱癌过程中，常常对患者睡眠质量有不良影响，但其疗效的确有目共睹。

研究发现，卡介苗通过促表达更高水平的PAMP分子，可以提高训练免疫水平和抗肿瘤效果。这进一步证明了卡介苗治疗膀胱癌的机制所在。除了膀胱癌外，卡介苗还可以降低患黑色素瘤的风险，现在也同样已有关于使用卡介苗治疗III期黑色素瘤患者的报告。

最近的新研究表明，卡介苗可以激活淋巴细胞，增强免疫细胞的抗肿瘤活性，可以诱导胃癌细胞的凋亡和自噬，也可能对肾癌和前列腺癌有疗效。在儿童人群中，早期接种卡介苗与罹患肺癌和白血病的风险降低有关，也可能降低肿瘤死亡率。

由此可见，探讨卡介苗的作用机制对肿瘤的治疗同样具有重要意义。

02 抗病毒作用

卡介苗可以对多种病毒起到抗病毒作用。有实验证明，卡介苗诱导的单核细胞全基因组表观遗传重编程可以保护人类免受黄热病减毒疫苗株的接种后毒力恢复感染，单核细胞产生的IL-1β功能可能是保护效果的关键所在。

以此类推，接种卡介苗或许对老年人的健康安全而言，是一条新的保障策略——由于老年人的身体免疫力随着年龄的增长有不同程度的下降，较易感染病毒，接种卡介苗可能是一种有效的预防选择。有研究证明，连续三个月、每个月为老年人群接种1剂次卡介苗，可以显著预防急性呼吸道感染。

一项小鼠实验研究表明，卡介苗可以预防疱疹和流感病毒在内的DNA和RNA病毒的感染。而一项安慰剂对照的随机研究中发现，在接种流感疫苗之前接种卡介苗，可以显著提高对甲型H1N1流感抗体的抗体水平和免疫速度，还可以加强流感疫苗对细胞因子产生能力的影响，这一现象的出现可能是因为卡介苗在流感疫苗接种过程在起到了佐剂的作用，强化了接种流感疫苗后的体液和细胞反应，增强了人体对流感的免疫反应。除了流感病毒外，卡介苗还可以增强针对破伤风类毒素和脊髓灰质炎病毒疫苗的免疫反应。

最近，一项研究通过插入EB病毒的BZLF1和LMP2基因生成了重组卡介苗，表达这两个基因的重组卡介苗对EB病毒阳性的肿瘤显现出明显的有效免疫抑制作用，这为继续开发更有效的抗病毒疫苗提供了一个很好的思路。

卡介苗也可能是儿童常见的扁平疣的局部免疫治疗中的一种新的、有效的、安全的选择。当然，不同类型的疣对卡介苗的反应是不同的。一项双盲随机对照研究表明，皮内注射卡介苗在对治疗病毒性疣相对更有效。此外，早期接种卡介苗可能有利于缓解尖锐湿疣临床症状及其长期结果。综上所述，卡介苗接种的时间、方式和剂量对不同的疾病有不同的效果。

在COVID-19大流行时，有人提出，卡介苗可能有新的作用潜力。有研究认为新生婴幼儿接种卡介苗后产生的训练免疫可能对SARS-CoV-2有预防作用，也有一项研究表示没有发现卡介苗对SARS-CoV-2有保护作用。也就是说，接种了卡介苗人群及特征不同，其免疫结果可能会有所不同。总的来说，卡介苗也没有人们想象的那样全能，现在还不足以应用于预防新冠肺炎。

03 治疗自身免疫性疾病

卡介苗可能在治疗自身免疫性疾病方面具有巨大潜力。研究发现，接种卡介苗与降低晚期1型糖尿病患者的高血糖有关。血糖的降低是葡萄糖产生减少和葡萄糖消耗增加的共同作用，卡接种介苗可稳定甚至降低糖化血红蛋白水平，诱导产生的肿瘤坏死因子-α加速胰岛自身反应性T细胞的死亡，而葡萄糖代谢从氧化磷酸化向有氧糖酵解的系统性转变显示了葡萄糖的高利用率。在上述机制的综合作用下，即可达到降血糖的目的。

卡介苗在治疗自身免疫性脑部疾病方面或许也可以发挥重要作用。在一项小鼠实验中，接种卡介苗可抑制实验性自身免疫性脑脊髓炎的发展。此外，卡介苗还可以减缓多发性硬化症的进展，延缓脑部病变的进展。

有趣的是，一项队列研究表明，卡介苗并不影响儿童时期哮喘、湿疹或花粉热的流行。然而，新生儿接种卡介苗似乎能通过抑制哮喘特异性辅助性Th2型细胞的免疫反应，降低哮喘发病率有关。

同时，由于卡介苗可能会改变骨髓的微环境，卡介苗可能会在早期甚至整个过程中调节免疫细胞产生成熟细胞因子，从而达到长期的保护作用。虽然接种卡介苗现在还不是有效预防过敏相关疾病发展的初级预防策略，但仍有研究表明，早期接种卡介苗可通过调节免疫成熟过程来预防哮喘。虽然卡介苗治疗哮喘的疗效尚无明确证据，但卡介苗对其他自身免疫性疾病的治疗价值，值得更深入的研究。

04 其他疾病和潜在的不良影响

卡介苗对许多其他疾病可能有一定的疗效。例如，除了上文提到的膀胱癌、自身免疫性疾病外，还与阿尔茨海默症和帕金森病风险的显著降低有关。虽然没有明确的研究，但有报告称BCG降低了志愿者的疟疾感染率。

当然，卡介苗也并非全然无害，结合其诱导免疫反应的机制，不难看出BCG同样可以导致慢性炎症性疾病的进展。这表明训练免疫虽然在治疗癌症、病毒和自身免疫性疾病方面有有益的效果，但也可能有不良影响。

BCG诱导训练免疫的作用，有许多已经在临床或研究中得以发现，还有一些仅仅停留在个例甚至理论阶段，这种训练免疫的部分治疗效果的证据仍然不足，还有很多治疗需要得到更深入的学习和研究。

需要更深入地研究训练性免疫的机制，包括不同细胞上的分子机制和信号通路，以及代谢重编程和表观遗传过程的进一步阐明；

为了便于将其应用于更多的临床疾病，有必要条分缕析地研究训练免疫对不同疾病的影响；

训练免疫的非特异性保护可用于开发新一代疫苗，以实现不同疫苗的交叉保护潜力

撰写 | Vaccine前沿

校稿 | Gddra  

编审 | Hide / Blue sea

编辑  设计 |  Alice