自然殺傷（NK）細胞是先天淋巴細胞中最早被發現的成員，透過細胞毒性和細胞因子分泌參與腫瘤和病原體的防禦。最初被稱為「無效細胞」，因缺少其他淋巴細胞的標記物，技術進步揭示了NK細胞在宿主防禦和免疫調節中的重要性。如今，單細胞RNA測序和多參數流式細胞術等技術可深入分析其多樣性。
近期，【Journal of Experimental Medicine】刊登了加州大學Lewis L. Lanier博士的回顧性文章，基於他在2023年9月26日挪威第20次Nature Immunity學會會議上的主題演講，回顧了過去50年NK細胞研究的重要進展。Lanier博士在過去40年中一直是NK細胞生物學研究的領軍人物。
第一個十年：1973–1982；一種新的、非抗原特異性的細胞毒性淋巴細胞群體
在20世紀60年代末，開發了一種簡單的體外51Cr釋放測定法，用於定量測量細胞介導的細胞毒性。許多免疫學家利用此工具研究細胞毒性T淋巴細胞對同種異體和腫瘤細胞的殺傷能力。1974年，Herberman等人發現健康個體的外周血淋巴細胞能殺死多種人類淋巴母細胞，包括自體細胞系。1975年，Jondal和Pross報告，正常供體的非胸腺淋巴細胞對某些自體和異體淋巴細胞具有自發的細胞毒性，可能與攜帶補體受體的淋巴細胞有關。
同時，研究顯示，年輕近交系小鼠的淋巴細胞也能在體外殺死敏感腫瘤細胞系。1973年，Herberman等人在研究MSV免疫小鼠時指出，正常淋巴細胞也有低水平的細胞毒性，不會被抗Thy1消除。Kiessling、Klein和Wigzell在一篇裏程碑式論文中描述了非荷瘤近交系小鼠淋巴細胞對同基因和異基因莫洛尼白血病細胞的裂解活性，稱之為「自然殺傷」，並認為這些效應細胞是一種新型淋巴細胞。
隨後，Kiessling證實自然殺傷活性不僅存在於體外，還能透過幼稚小鼠體內對YAC-1白血病細胞的排斥反應和過繼轉移實驗得到驗證。1971年，Cudkowicz和Bennett報道F1受體小鼠對親代骨髓移植物的排斥反應，稱為「雜交抗性」，違背了當時的「移植定律」。1977年的研究揭示了這種現象與NK細胞的重要聯系。
第二個十年：1983–1992；「自我缺失」假說與皰疹病毒防禦中的NK細胞
在第二個十年，研究重點轉向NK細胞的表型表征，以便更好地檢測和定量。由於其較大的細胞體積和含有穿孔素與顆粒酶的細胞質顆粒，NK細胞被稱為「大顆粒淋巴細胞」。1983年，透過CD16和CD57的表達，首次鑒定了人類NK細胞的功能亞群，其中CD57標記最成熟的NK細胞群。隨後發現，未成熟和成熟的NK細胞表達CD56（NCAM1），且外周血中的NK細胞主要分為CD56brightCD16−和CD56dim、CD16+兩個表型，分別在細胞溶解和細胞因子產生方面有所不同。
早期對人類和小鼠NK細胞的研究表明，NK細胞可以裂解同基因和異基因腫瘤，且不受「MHC限制」。Karre等人透過化學誘變C57BL/6淋巴瘤RMA，選出H-2陰性變體RMA-S，證明NK細胞優先殺死缺乏MHC I類的腫瘤細胞。 這些研究揭示了NK細胞在對抗下調MHC I類以逃避T細胞檢測的病毒和腫瘤中的重要作用，並預測了MHC I類抑制性受體的存在。
研究利用β2-微球蛋白（B2m）基因剔除小鼠，證明了NK細胞可殺傷正常健康細胞。野生型小鼠的NK細胞能體外殺死B2m缺陷小鼠的免疫細胞，並排斥其骨髓移植，首次提出「NK細胞耐受性」概念，因為B2m缺陷小鼠的NK細胞無法攻擊I類陰性靶細胞。80年代，關於NK細胞是否屬於非常規T細胞存在爭議，隨著T細胞受體基因的複制，這一問題得以深入研究。
1989年前，人們對NK細胞在人體中的生理作用存在爭論。Biron等人發現一個沒有NK細胞但有B和T淋巴細胞的患者，該患者因GATA2基因突變導致嚴重皰疹病毒感染，顯示NK細胞在辨識皰疹病毒中的作用。隨後，發現其他基因突變也可導致NK細胞缺陷。
在接下來的十年中，許多啟用和抑制NK受體基因被鑒定和複制，如小鼠的Ly49和NKR-P1基因統稱為「NK細胞基因復合體」。Scalzo等人發現Ly49H基因保護小鼠免受巨細胞病毒感染。人類NK細胞表達CD3ζ，傳最有效的NK受體CD16訊號。1991年，Houchins等人鑒定了NKG2基因，包括抑制性CD94-NKG2A和活化CD94-NKG2C受體，辨識HLA-E為配體。早期研究表明，NK細胞產生的IFN-γ在對抗細胞內病原體和腫瘤中起重要作用，直到Trinchieri等人發現「NK細胞刺激因子」IL-12，揭示其誘導機制。IL-12由骨髓細胞產生，促使NK細胞產生IFN-γ，引導幼稚T細胞分化為Tp細胞，並啟用CD8+ T細胞的抗腫瘤活性。
第三個十年：1993-2002；抑制和啟用NK受體及其配體的鑒定
缺失自我假說揭示了抑制性小鼠Ly49和人類KIR受體，它們辨識MHC I類並調節腫瘤殺傷，成為免疫「檢查點」受體。此外，假說暗示啟用受體的存在，以平衡NK細胞的抑制和啟用訊號。
Moretta團隊發現NKp30、NKp44和NKp46天然細胞毒性受體參與腫瘤辨識。NKp44、CD94-NKG2C和啟用的KIR、Ly49受體透過與DAP12介面卡蛋白的非共價結合傳遞訊號。抑制性Ly49、KIR和NKG2A受體透過其細胞質結構域中的免疫受體酪胺酸基抑制基序招募酪胺酸磷酸酶發揮功能。NKG2D是一種與DAP10結合的孤兒受體，其配體由細胞應激誘導，形成NK細胞辨識「改變的自我」的基礎。NKG2D廣泛表達於NK和T細胞亞群，是癌癥和自身免疫性疾病的治療靶點。Velardi及其同事發現，供體和受體的MHC I類與KIR不匹配可降低造血幹細胞移植後白血病復發率，可能由於供體NK細胞介導的缺失自我反應。
早期研究認為，先天免疫細胞透過模式辨識受體辨識病原體，而非抗原特異性辨識。然而，2002年發現小鼠NK細胞具有特異性辨識小鼠CMV（MCMV）抗原的受體，推翻了這一觀點。MCMV編碼的糖蛋白m157被Ly49H受體辨識，盡管它最初可能透過與抑制性Ly49受體結合來抑制NK細胞反應，但Ly49H受體的前進演化抵消了這一機制。這一發現為其他啟用和抑制受體的前進演化提供了基礎，如辨識人類CMV的抑制性CD94-NKG2A和啟用性CD94-NKG2C受體，以及與小鼠CMV m12蛋白結合的啟用性NKR-P1C和抑制性NKR-P1B受體。
第四個十年：2003-2012；NK細胞「記憶」與「特許」
經典免疫學教科書認為，先天免疫細胞對以前的感染或抗原沒有記憶。但2006年，von Adrian及其同事發現小鼠NK細胞可介導半抗原特異性接觸超敏反應。他們在Rag缺陷小鼠中排除了T和B細胞，透過半抗原引發的NK細胞過繼轉移證明了抗原特異性回憶反應，盡管尚未鑒定出特異性NK受體。MCMV引發的記憶性NK細胞過繼轉移到幼稚宿主後，Ly49H+ NK細胞進行複制擴增並對MCMV感染產生保護。這表明NK細胞能產生精細抗原特異性反應，並揭示了這一過程的分子基礎。條形碼Ly49H+ NK細胞的研究顯示，MCMV感染後單個NK細胞複制可產生10000個後代。類似地，Lopez-Botet及其同事發現人類CMV感染優先擴增表達CD94-NKG2C受體的NK細胞，線粒體DNA測序證實了CMV感染後NK細胞的複制擴增和長期永續性。
盡管抑制性受體被認為僅抑制NK細胞活化，但研究發現缺乏自身MHC I類同源配體的NK細胞反應較差。這被解釋為缺乏抑制性受體的NK細胞的「解除武裝」或攜帶自我抑制性受體NK細胞的「特許」。最近提出的機制是SHP-1磷酸酶在「未經特許」的NK細胞中更多表達和募集，啟用免疫突觸，從而解除其武裝。
第五個十年：2013年至今；NK細胞多樣性及走向臨床
過去十年中，新技術推動了NK細胞生物學的進展。2013年，Horowitz等人透過質譜細胞儀研究了健康成人外周血中的NK細胞表型多樣性，在12名健康個體中發現了6000–30000個表型亞群，總共超過100000個表型。這種多樣性主要由於KIR基因的多樣化表達，是僅次於MHC基因的最多型人類基因。 單細胞轉錄分析進一步顯示了NK細胞的多樣性。
NK細胞表觀遺傳學研究揭示了小鼠和人類NK細胞在CMV感染下的變化。CMV感染使人類記憶或適應力NK細胞透過甲基化FCERIG和SYK基因沈默，並透過CD3ζ和ZAP70訊號傳導，增強抗體依賴性細胞毒性，而在小鼠Ly49H+記憶性NK細胞中，Syk和FcεR1γ的缺失則不會發生。
NK細胞的有效轉導和CRISPR基因修飾技術的發展，為其在癌癥患者中的細胞療法設計提供了可能。 2020年，CD19嵌合抗原受體NK細胞在淋巴腫瘤患者中的首次臨床套用顯示出令人鼓舞的結果，激發了進一步提高基於NK細胞治療效果的興趣。盡管面臨短壽命和實體瘤中微環境滅活的挑戰，臨床使用NK細胞及其前進演化機制的經驗為其臨床潛力提供了希望。另一個令人期待的機會是NK細胞接合劑，如靶向活化NK受體和腫瘤相關抗原的多聚體抗體的臨床進展。
小結：
NK細胞在宿主防禦和免疫調節中發揮重要作用。它們自然殺死腫瘤和病毒感染細胞，並在I型幹擾素作用下功能增強。NK細胞透過產生幹擾素-γ啟用巨噬細胞和其他免疫細胞，促進CD4+T細胞功能，並在初次接觸微生物時成為幹擾素-γ的主要來源。Trinchieri等人發現IL-12證實了NK細胞在先天免疫和適應力免疫中的橋梁作用。樹狀細胞等先天免疫細胞透過IL-12、IL-15和IL-18啟用NK細胞，而NK細胞則透過分泌趨化因子、FLT3配體和幹擾素-γ促進樹狀細胞成熟和啟用。這些相互作用在抗微生物病原體和腫瘤的初始免疫反應中至關重要。
盡管NK細胞因直接細胞溶解和促炎因子分泌而著名，最新研究顯示其在免疫反應中起關鍵調節作用，提供負反饋以防止病理。缺乏NK細胞時，T細胞反應可能過強，損害健康組織。NK細胞透過殺死過度活化的T細胞、消除樹狀細胞或分泌抑制性因子來實作這一點。研究指出，IL-10缺陷小鼠患結腸炎，NK細胞耗竭會加重病情。NK細胞分泌的IL-10在小鼠CMV感染期間限制病理和CD8+ T細胞的擴增。NK細胞功能依賴環境，在自身免疫性疾病中可能有益或有害。
研究集中在外周血和次級淋巴組織中的NK細胞，蛻膜組織的研究首次發現了具有不同特性的組織駐留NK細胞。其他組織中的許多ILC表達NK標記，最初被認為是NK細胞亞群，但後續研究顯示它們屬於不同譜系，功能類似於Th亞群，NK細胞是CD8+T細胞的固有對應物。
未來研究問題包括：NK細胞如何獲得抗原特異性記憶？其控制自身免疫性疾病T細胞的機制及治療潛力？如何在腫瘤微環境中防止NK細胞功能障礙或重新啟用？預計未來50年對NK細胞的研究將取得重大進展。
【參考文獻】Lewis L. Lanier，Five decades of natural killer cell discovery. J Exp Med (2024) 221 (8): e20231222.
