免疫細(xì)胞培養(yǎng)∶ 常用的細(xì)胞因子及其功能解析

在免疫細(xì)胞培養(yǎng)的世界里，細(xì)胞因子猶如一把神奇的鑰匙，能夠解鎖細(xì)胞潛能，定向引導(dǎo)細(xì)胞命運(yùn)。掌握這些關(guān)鍵因子，精準(zhǔn)調(diào)控，事半功倍！

Section.01
用于 T 細(xì)胞培養(yǎng)和
分化的細(xì)胞因子

T 細(xì)胞是適應(yīng)性免疫的核心，其功能與分化由細(xì)胞表面的特征性標(biāo)記物決定，其中最核心的是 T 細(xì)胞受體 (TCR) 和分化群分子 (CD molecules)。根據(jù) TCR 類型，T 細(xì)胞可分為 αβ T 細(xì)胞和 γδ T 細(xì)胞兩大亞群。占主導(dǎo)地位的 αβ T 細(xì)胞通過抗原由細(xì)胞自身的 MHC (主要組織相容性復(fù)合體) 分子攜帶時識別，并進(jìn)一步分化為兩個亞型： CD4⁺ T 細(xì)胞作為“輔助性” T 細(xì)胞，通過協(xié)調(diào)抗原呈遞細(xì)胞 (APCs) 來調(diào)控全局免疫應(yīng)答；而 CD8⁺ T 細(xì)胞作為“細(xì)胞毒性” T 細(xì)胞，則直接識別并殺傷異常靶細(xì)胞。與這些常規(guī) αβ T 細(xì)胞不同， γδ T 細(xì)胞是一種特殊的 T 細(xì)胞亞群，它僅占外周血的少部分 (0.5%-5%)，但其功能獨特。它無需 MHC 呈遞即可識別多種抗原，兼具先天免疫的快速應(yīng)答和適應(yīng)性免疫的記憶功能。這一特性使其在抗腫瘤免疫中具有巨大潛力^[1][2]。

無論是常規(guī)的 αβ T 細(xì)胞還是特殊的 γδ T 細(xì)胞，其功能的充分發(fā)揮都離不開精細(xì)的調(diào)控機(jī)制。以 CD4⁺ T 細(xì)胞為例，初始 CD4⁺T 細(xì)胞在活化后，其分化高度依賴于局部微環(huán)境中的細(xì)胞因子信號。特定的細(xì)胞因子組合通過激活不同的轉(zhuǎn)錄因子(如 T-bet, GATA3, RORγt, FoxP3, Bcl-6 等)，驅(qū)動特定的分化程序^[1]。

圖 1. CD4⁺ T 細(xì)胞亞群培養(yǎng)和分化所需的細(xì)胞因子^[3]。

Section.02
用于 B 細(xì)胞培養(yǎng)和
分化的細(xì)胞因子

B 細(xì)胞表達(dá) B 細(xì)胞受體 (BCR)，可以特異性地與抗原結(jié)合，產(chǎn)生抗體。在體外培養(yǎng)中，B 細(xì)胞在受到多種細(xì)胞因子刺激后，可以經(jīng)歷免疫球蛋白類別轉(zhuǎn)換 (class switching) 和分化等事件，最終成為免疫球蛋白分泌細(xì)胞，產(chǎn)生抗體和分泌調(diào)節(jié)細(xì)胞因子^[4]。

該過程始于 CD40L 提供的關(guān)鍵共刺激信號，它模擬了 T 細(xì)胞的輔助作用，是 B 細(xì)胞活化和增殖的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，IL-4 是驅(qū)動 B 細(xì)胞增殖和誘導(dǎo)抗體類別轉(zhuǎn)換 (特別是向 IgE 和 IgG1) 的核心因子；IL-21 則強(qiáng)力促進(jìn)其終末分化為漿細(xì)胞并調(diào)節(jié)抗體分泌。B 細(xì)胞的存活與穩(wěn)態(tài)則由 BAFF 和 APRIL 主導(dǎo)，它們是維持成熟 B 細(xì)胞和長壽命漿細(xì)胞存活的關(guān)鍵。此外，其他因子在特定情境下發(fā)揮重要作用： IFN-γ 誘導(dǎo)向 IgG2a (鼠) /IgG1 (人) 的類別轉(zhuǎn)換；IL-6 和 IL-10 支持漿細(xì)胞的分化與存活；而 IL-2、IL-7 和 IL-15 則主要提供增殖支持信號^[5][6]。
 
圖 2. 細(xì)胞因子誘導(dǎo)的人類 B 細(xì)胞體外分化^[6]。

Section.03
用于 NK 細(xì)胞培養(yǎng)和
分化的細(xì)胞因子

自然殺傷 (NK) 細(xì)胞與其他淋巴細(xì)胞 (包括 B 細(xì)胞、T 細(xì)胞和 NKT 細(xì)胞) 不同，NK 細(xì)胞不表達(dá)抗原特異性受體，例如 BCR 或 TCR。相反，NK 細(xì)胞以不依賴于抗原的方式發(fā)揮作用，具有內(nèi)在的細(xì)胞毒性潛力和細(xì)胞因子產(chǎn)生能力^[7]。

NK 細(xì)胞的體外擴(kuò)增、活化及功能維持依賴于一個精細(xì)的細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)調(diào)控。其中，IL-15 是最核心的因子，它主導(dǎo)著 NK 細(xì)胞的發(fā)育、存活、增殖并增強(qiáng)其細(xì)胞毒性。為了獲得功能更強(qiáng)的 NK 細(xì)胞，常將 IL-15 與 IL-12、IL-18 聯(lián)用，后者能協(xié)同強(qiáng)烈誘導(dǎo) NK 細(xì)胞分泌 IFN-γ，極大增強(qiáng)其抗腫瘤和抗病毒能力^[8]。IL-21 則能調(diào)節(jié) NK 細(xì)胞的分化狀態(tài)，增強(qiáng)其抗體依賴性細(xì)胞毒性 (ADCC)，常用于 CAR-NK 細(xì)胞的制備。此外，I 型干擾素 (IFN-α/β) 可直接激活 NK 細(xì)胞。而在從造血干細(xì)胞或祖細(xì)胞誘導(dǎo)生成 NK 細(xì)胞時，則需要 FLT3L 和 IL-3 來擴(kuò)增和維持早期前體細(xì)胞池。需要注意的是，TGF-β 和 IL-10 是 NK 細(xì)胞功能的強(qiáng)效抑制因子，在腫瘤微環(huán)境中常見，在體外培養(yǎng)時需中和其活性以優(yōu)化 NK 細(xì)胞功能^[9][10]11]。
 
圖 3. NK 細(xì)胞活化的調(diào)控機(jī)制^[12]。

Section.04
用于單核細(xì)胞/巨噬細(xì)胞
培養(yǎng)和分化的細(xì)胞因子

單核細(xì)胞是血液中的“預(yù)備役”，它們從血液遷移到組織后，分化為執(zhí)行具體任務(wù)的“常駐軍”——巨噬細(xì)胞 (Macrophages, M0) 或樹突狀細(xì)胞。它們是先天免疫的核心，承擔(dān)三大職責(zé)：吞噬清除病原體、抗原呈遞以激活適應(yīng)性免疫、以及分泌細(xì)胞因子指揮全局免疫反應(yīng)。

在體外細(xì)胞培養(yǎng)中，需要各種細(xì)胞因子來維持單核細(xì)胞，激活其分化，并擴(kuò)增為巨噬細(xì)胞及其亞型。例如，人源巨噬細(xì)胞源自純化的 CD14⁺ 單核細(xì)胞，使用 M-CSF 培養(yǎng)使其分化為未極化的 M0 巨噬細(xì)胞，更換特定極化因子組合進(jìn)一步培養(yǎng)誘導(dǎo)為 M1 和 M2，LPS 結(jié)合 IFN-γ 可以驅(qū)動極化為 M1 表型 (促炎)，而 IL-4 和 IL-13 可以誘導(dǎo)極化為 M2 表型 (抗炎)。每個巨噬細(xì)胞極化狀態(tài)都表現(xiàn)出獨特的細(xì)胞因子譜和細(xì)胞表面標(biāo)志譜，通常通過 ELISA 或流式細(xì)胞術(shù)進(jìn)行驗證 (例如 M1 巨噬細(xì)胞上調(diào)表達(dá) CD86、MHCⅡ 等)，可用于表征組織炎癥狀態(tài)下的巨噬細(xì)胞群體，從而進(jìn)一步理解疾病的發(fā)病機(jī)制^[13][14][15]。
 
圖 4. 巨噬細(xì)胞在不同環(huán)境因素作用下的分化方向^[14]。

Section.05
用于樹突狀細(xì)胞培養(yǎng)和
分化的細(xì)胞因子

樹突狀細(xì)胞 (Dendritic Cells, DCs) 是一組不同類型的造血細(xì)胞，在先天免疫系統(tǒng)和后天免疫系統(tǒng)之間起著通道的作用。它最重要的功能是將抗原處理后呈遞給免疫系統(tǒng)的 T 細(xì)胞，是目前公認(rèn)的最有效的抗原呈遞細(xì)胞，已成為癌癥免疫治療的重要靶點^[16]。目前，已有文獻(xiàn)描述了從各種樣本中對 DC 細(xì)胞的培養(yǎng)擴(kuò)增方法，包括骨髓、循環(huán)單核細(xì)胞和誘導(dǎo)多能干細(xì)胞 (iPSC) 等。無論是什么來源，DC 細(xì)胞的體外培養(yǎng)、激活和成熟需要各種細(xì)胞因子協(xié)同作用。例如， FLT-3 Ligand、SCF 和 GM-CSF 對血液來源 DC 亞群 (經(jīng)典和漿細(xì)胞樣) 的發(fā)育中起著決定性作用。

表 1. DC 的體外來源與誘導(dǎo)策略^[17-21]。
 

 
Section.06
用于粒細(xì)胞培養(yǎng)和
分化的細(xì)胞因子

粒細(xì)胞是一類細(xì)胞質(zhì)中包含顆粒體的白細(xì)胞，根據(jù)其在瑞氏染色下的染色特性主要分為三種類型：中性粒細(xì)胞、嗜酸性粒細(xì)胞、嗜堿性粒細(xì)胞^[22]。體外培養(yǎng)和分化粒細(xì)胞 (尤其是原代中性粒細(xì)胞) 極具挑戰(zhàn)性，因為它們是終末分化細(xì)胞，壽命短、體外增殖能力極低。目前主要依賴從外周血或骨髓中直接分離成熟粒細(xì)胞，或通過  CD34⁺ 造血干細(xì)胞定向分化來獲得。IL-3 作為一種有效的造血生長因子，參與骨髓祖細(xì)胞的分化和嗜堿性粒細(xì)胞的活化。IL-5 可以活化嗜酸性粒細(xì)胞，并與 IL-3 和 GM-CSF 協(xié)同作用，促進(jìn)其發(fā)育成熟^[23][24]。 

重組細(xì)胞因子在免疫細(xì)胞培養(yǎng)具有多方面的優(yōu)勢：
1. 能夠維持免疫細(xì)胞的生存狀態(tài)，同時激活和分化免疫細(xì)胞，直至達(dá)到期望的表型。
2. 有助于優(yōu)化體外免疫細(xì)胞的功能。這些因子能夠提供必要的信號，促進(jìn)免疫細(xì)胞的活化、增殖、分化和存活，從而增強(qiáng)其在體外環(huán)境中的適應(yīng)性和活性。
3. 實現(xiàn)細(xì)胞培養(yǎng)條件的標(biāo)準(zhǔn)化。重組細(xì)胞因子具有高純度、高生物活性、低內(nèi)毒素水平和批次間一致性等特點，使用它們可以創(chuàng)建一個標(biāo)準(zhǔn)化的細(xì)胞培養(yǎng)環(huán)境。這種標(biāo)準(zhǔn)化的環(huán)境有助于減少實驗結(jié)果的變異性，提高實驗的可重復(fù)性和可靠性。
 

產(chǎn)品推薦

IL-2 高劑量擴(kuò)增效應(yīng) T 細(xì)胞 (CAR-T)；低劑量維持 Treg 功能。

TGF-β1 低濃度下誘導(dǎo) Treg 或 Th17 分化；高濃度抑制免疫反應(yīng)、促進(jìn)纖維化；誘導(dǎo) B 細(xì)胞向 IgA 類別轉(zhuǎn)換。

IFN-γ 經(jīng)典激活 M1 型巨噬細(xì)胞；增強(qiáng)抗原提呈；促進(jìn) Th1 應(yīng)答。

GM-CSF 誘導(dǎo)單核細(xì)胞分化為巨噬細(xì)胞 (傾向 M1) 或樹突狀細(xì)胞 (DC)；與 IL-5 協(xié)同支持嗜酸性粒細(xì)胞生成。

TNF-α 誘導(dǎo) DC 成熟，上調(diào)共刺激分子 (CD80/86) 和 MHC-II 表達(dá)；促炎。

CD40L 提供 B 細(xì)胞活化的關(guān)鍵第二信號，驅(qū)動增殖、生發(fā)中心形成和類別轉(zhuǎn)換；促進(jìn) DC 成熟。

IL-1β 協(xié)同誘導(dǎo) Th17 分化；激活炎癥小體。

 

 
[1] Dong C. Cytokine Regulation and Function in T Cells. Annu Rev Immunol. 2021 Apr 26;39:51-76.
[2] Silva-Santos B, et al. γδ T cells: pleiotropic immune effectors with therapeutic potential in cancer. Nat Rev Cancer. 2019 Jul;19(7):392-404.
[3] Jiang H, et al. T Cell Subsets in Graft Versus Host Disease and Graft Versus Tumor. Front Immunol. 2021 Oct 5;12:761448.
[4] Cooper MD. The early history of B cells. Nat Rev Immunol. 2015 Mar;15(3):191-7.
[5] Marasco E, et al. B-cell activation with CD40L or CpG measures the function of B-cell subsets and identifies specific defects in immunodeficient patients. Eur J Immunol. 2017 Jan;47(1):131-143.
[6] Moens L, et al. Cytokine-Mediated Regulation of Plasma Cell Generation: IL-21 Takes Center Stage. Front Immunol. 2014 Feb 18;5:65.
[7] Hammer Q, et al. Natural killer cell specificity for viral infections. Nat Immunol. 2018 Aug;19(8):800-808.
[8] Romee R, et al. Cytokine activation induces human memory-like NK cells. Blood. 2012 Dec 6;120(24):4751-60.
[9] Vivier E, et al. Innate or adaptive immunity? The example of natural killer cells. Science. 2011 Jan 7;331(6013):44-9.
[10] Horowitz A, et al. Activation of natural killer cells during microbial infections. Front Immunol. 2012 Jan 3;2:88.
[11] Gaggero S, et al. Cytokines Orchestrating the Natural Killer-Myeloid Cell Crosstalk in the Tumor Microenvironment: Implications for Natural Killer Cell-Based Cancer Immunotherapy. Front Immunol. 2021 Jan 29;11:621225.
[12] Xiao J, et al. Natural Killer Cells: A Promising Kit in the Adoptive Cell Therapy Toolbox. Cancers (Basel). 2022 Nov 17;14(22):5657.
[13] Yunna C, et al. Macrophage M1/M2 polarization. Eur J Pharmacol. 2020 Jun 15;877:173090.
[14] Xia T, et al. Advances in the role of STAT3 in macrophage polarization. Front Immunol. 2023 Apr 4;14:1160719.
[15] Gao J, et al. Shaping Polarization Of Tumor-Associated Macrophages In Cancer Immunotherapy. Front Immunol. 2022 Jun 30;13:888713.
[16] Palucka K, et al. Cancer immunotherapy via dendritic cells. Nat Rev Cancer. 2012 Mar 22;12(4):265-77.
[17] Luo XL, et al. The quest for faithful in vitro models of human dendritic cells types. Mol Immunol. 2020 Jul;123:40-59.
[18] Karsunky H, et al. Flt3 ligand regulates dendritic cell development from Flt3+ lymphoid and myeloid-committed progenitors to Flt3+ dendritic cells in vivo. J Exp Med. 2003 Jul 21;198(2):305-13.
[19] Patente TA, et al. Human Dendritic Cells: Their Heterogeneity and Clinical Application Potential in Cancer Immunotherapy. Front Immunol. 2019 Jan 21;9:3176.
[20] Xiao Z, et al. Dendritic cells instruct T cell anti-tumor immunity and immunotherapy response[J]. The Innovation Medicine, 2025, 3(2): 100128-1-100128-18.
[21] Fucikova J, et al. Induction of Tolerance and Immunity by Dendritic Cells: Mechanisms and Clinical Applications. Front Immunol. 2019 Oct 29;10:2393.
[22] Pascal M, et al. Granulocytes and mast cells in AllergoOncology-Bridging allergy to cancer: An EAACI position paper. Allergy. 2024 Sep;79(9):2319-2345.
[23] Martinez-Moczygemba M, et al. Biology of common beta receptor-signaling cytokines: IL-3, IL-5, and GM-CSF. J Allergy Clin Immunol. 2003 Oct;112(4):653-65; quiz 666.
[24] Tsioumpekou M, et al. The Role of Cytokines in Neutrophil Development, Tissue Homing, Function and Plasticity in Health and Disease. Cells. 2023 Jul 31;12(15):1981.