白細胞介素-37 在流感病毒感染導致的重癥肺炎中作用的研究進展

劉明婭戚菲菲鮑琳琳

(中國醫(yī)學科學院醫(yī)學實驗動物研究所,北京協和醫(yī)學院比較醫(yī)學中心,國家衛(wèi)生健康委員會人類疾病比較醫(yī)學重點實驗室,新發(fā)再發(fā)傳染病動物模型研究北京市重點實驗室,北京市人類重大疾病實驗動物模型工程技術研究中心,國家中醫(yī)藥管理局人類疾病動物模型三級實驗室,北京 100021)

流感是由流感病毒引起的急性呼吸道傳染病,輕癥者出現肌肉酸痛、體溫升高、乏力等癥狀,重癥時出現病毒性肺炎、繼發(fā)細菌性肺炎、急性呼吸窘迫綜合征,常累及多種器官病變,引起心血管和神經系統癥狀[1]。據報道,每年因流感導致的重癥病例將近數百萬,因流感死亡的人數約25 ～50 萬人。自20 世紀以來,世界上已有五次大規(guī)模的流感大流行,給全球經濟和人民健康造成巨大損害。2009年H1N1 流感大爆發(fā)導致數萬人死亡[2],并迅速在世界范圍內蔓延,流感病毒導致的重癥肺炎一直是流感患者死亡的主要原因之一,當前臨床上的治療方案大多是抗病毒治療或對癥救治,針對肺炎的治療效果不理想,因此需要尋求更有效地辦法來治療流感引發(fā)的重癥肺炎[3]。

1 H1N1 感染導致重癥肺炎的機制

有研究表明,增加流感嚴重程度的關鍵因素是先天免疫被過度激活。先天免疫是機體抵御病毒感染的第一道防線,H1N1 病毒主要通過氣溶膠進入呼吸道,進而感染機體,H1N1 病毒進入呼吸道后,呼吸道上皮細胞通過Toll 樣受體(Toll-like receptors,TLR)、視黃酸誘導基因-I(retinoic acidinducible gene I, RIG-I) 受體等模式識別受體(pattern recognition receptor,PRR)識別自病毒的病原體相關分子模式(pathogen-associated molecular patterns,PAMP)[4],激活先天免疫反應,產生大量的促炎細胞因子和趨化因子,主要包括干擾素-α(interferon-α,IFN-α)、腫 瘤壞 死 因 子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α )、 白 細 胞 介 素-1α(interleukin-1α, IL-1α ) 和 白 細 胞 介 素-1β(interleukin-1β,IL-1β),IFN 在流感感染中發(fā)揮著至關重要的作用,其表達主要受干擾素調節(jié)因子(interferon regulatory factor,IRF) 家 族 的IRF3 和IRF7 控制。IFN-α 與其受體結合后,激活JAK/STAT 信號通路,誘導干擾素刺激基因(interferonstimulated exonuclease gene,ISG)的表達,從而發(fā)揮抗 病 毒 作 用[5]。IL-1β 與 白 細 胞 介 素-1 受 體(interleukin-1 receptor,IL-1R)結合,通過髓樣分化因子(myeloid differentiation factor 88,MyD88)信號通路誘導炎癥基因的表達。另一個調節(jié)免疫和炎癥反應的重要細胞因子是白細胞介素-6(interleukin-6,IL-6),臨床研究表明,重癥流感患者外周血中IL-6 水平明顯高于健康者,被認為是決定肺炎嚴重程度的重要細胞因子。IL-6 可在多種不同類型的免疫細胞內產生(如自然殺傷細胞、單核細胞),具有多種生物學功能[6-7]。IFN-α 和IL-1 可刺激IL-6 和許多趨化性細胞因子,如吸引嗜中性白細胞的白細胞介素8(interleukin-8,IL-8),巨噬細胞炎癥蛋白(macrophage inflammatory protein,MIP)和單核細胞趨化蛋白(monocyte chemotactic protein,MCP)的產生,從而介導中性粒細胞和巨噬細胞的定向遷移[8]。此外,炎癥反應的誘導和調節(jié)還受絲裂原激活蛋白激酶(mitogen activated protein kinase,MAPK)的控制,MAPKs 的活性與IL-6、趨化因子配體5(chemokine ligand 5,CCL5)和重組人趨化因子8(recombinant human C-X-C motif chemokine 8,CXCL8)的表達有關[7]。募集到肺部的免疫細胞又會分泌大量的促炎因子,這些細胞因子具有協同作用,且可以誘導自身或其他細胞因子的產生,吸引更多的巨噬細胞、樹突狀細胞到肺部,產生更強烈的細胞因子風暴,使炎癥反應更加強烈,引發(fā)全身炎癥反應綜合征,嚴重者還可導致多器官功能障礙癥。

臨床上流感藥物大多通過抗病毒作用發(fā)揮治療效果,不能抑制機體過度免疫導致的重癥炎癥,目前常采用小劑量激素和抗病毒藥物配伍來治療流感引發(fā)的重癥肺炎,但由于臨床上激素使用劑量和副作用的影響使該療法存在很大爭議,因此當前對流感引發(fā)的重癥肺炎的治療尚無特異且有效的方法。目前全球流行的新型冠狀病毒肺炎(Corona Virus Disease 2019,COVID-19)由SARS-CoV-2 病毒感染導致免疫系統的過度激活引發(fā)的細胞因子風暴綜合癥誘發(fā),正嚴重威脅世界人民的生命健康,造成了巨大的經濟損失,亟待尋找有效平衡免疫反應與病理性細胞因子風暴的發(fā)生的治療方案。若能找到可有效抑制細胞因子風暴產生的藥物,無疑將給重癥病毒性肺炎的治療提供新的策略。

2 IL-37 生物學活性

2.1 IL-37 的抗炎作用

IL-1 家族成員中具有多種作用于局部和全身的細胞因子,在炎癥引發(fā)的疾病中起到關鍵作用,是先天免疫和炎癥反應的調節(jié)介質。IL-1 家族的大多數細胞因子具有促炎活性(如IL-1α、IL-1β、IL-6、IL-18、IL-36α、IL-33 等),部分具有抗炎作用(如IL-1Rα、IL-36Rα、IL-37、IL-38)。

IL-37 是IL-1 家族中一種具有多種生物學功能的抗炎細胞因子,具有強大的抗炎作用[9],是調節(jié)炎癥反應的關鍵細胞因子,主要通過抑制促炎細胞因子的表達發(fā)揮作用,通過限制免疫和炎癥反應的持續(xù)時間和強度,從而在感染和免疫過程中起著重要的調節(jié)作用[10-13]。人IL-37 基因位于染色體2上,編碼總長度為3 × 103的基因產物,并通過選擇性剪接產生五種不同的亞型(IL-37a、IL-37b、IL-37c、IL-37 d 和IL-37e),研究表明,IL-37 在人體的分布具有廣泛性,五種亞型在身體的不同部位表達,如淋巴結、骨髓、胸腺、肺等[14]。IL-37 的抗炎作用在諸多研究中已被證實,在人外周血單核細胞與肺上皮細胞中過表達IL-37b,細胞中的促炎因子合成被抑制,若用siRNA 干擾IL-37 的表達,促炎因子的合成增加[15]。用LPS 刺激過表達IL-37b 的小鼠巨噬細胞RAW264.7 后,IL-1α,TNF-α,IL-6,GMCSF,M-CSF 和IL-1Rα 表達水平下降[16]。在經過IL-37 處理的小鼠的脾和肺組織中,促炎細胞因子和趨化因子表達水平也較低[17]。另外,IL-37 在風濕性關節(jié)炎、系統性紅斑狼瘡、銀屑病等患者中均呈高表達狀態(tài)。研究表明,IL-37 通過抑制CXCL8,IL-6 和重組人S100 鈣結合蛋白A7(recombinant human S100 calcium binding protein A7,S100A7)等趨化因子的產生,減輕巨噬細胞、中性粒細胞、樹突狀細胞的炎性浸潤,避免過度炎癥反應,從而起到改善銀屑病的作用[18]。IL-37 在小鼠過敏性鼻炎中發(fā)揮作用,可以通過STAT6/STAT3 途徑降低促炎因子的表達水平,從而抑制炎癥的發(fā)生發(fā)展[19]。

2.2 IL-37 的抗病毒作用

IL-37 不僅可抑制炎癥和調控免疫應答,還有一定程度的抗病毒作用。IL-37 可抑制甲型流感病毒的復制,用IL-37 處理感染流感病毒的A549 細胞,流感病毒mRNA 的復制水平下降。在甲型流感病毒患者體內發(fā)現血清中IL-37 的水平明顯高于健康受試者,感染甲型流感病毒后,在細胞水平上IL-37的表達水平也明顯升高[20]。IL-37 可通過調節(jié)Th17/Tregs 細胞的免疫應答抑制IL-6 的表達,促進IL-17 A 的分泌,從而改善柯薩奇病毒B3(Coxsackie viruses B3,CVB3)誘導的病毒性心肌炎[21]。IL-37還可通過抑制單核細胞炎性標志物sCD14 的水平從而在艾滋病病毒-1(human immunodeficiency virus-1,HIV-1)中發(fā)揮作用,研究表明,在慢性HIV-1患者體內,IL-37 表達增加,且IL-37 的表達與HIV-1儲存庫的大小有關[22]。

3 IL-37 的作用方式及機制

IL-37 是一種具有雙重作用的細胞因子,其可通過兩種不同的機制發(fā)揮抗炎作用。在細胞內,促炎因子刺激促進IL-37 前體的產生,并激活caspase-1,IL-37 前體的羧基結構域上具有caspase-1 切割位點,經切割后變成成熟形式的IL-37,成熟的IL-37與磷酸化的Smad3 結合,并轉移到細胞核內,調節(jié)基因的轉錄[23-24]。Smad3 是轉化生長因子-β(TGF-β)途徑中的轉錄調節(jié)因子,通過促進IL-37b轉運至細胞核而在IL-37b 的生物學效應中發(fā)揮重要作用[16]。IL-37b 與Smad3 結合進入細胞核后,抑制Toll 樣受體誘導的促炎因子IL-1α、IL-1β 的產生,使其下游的NF-κB 和MAPK 信號通路激活受阻,從而抑制COX-2、IL-6、TNF 等的產生[25]。此外,還可抑制STAT1-4 的磷酸化過程,拮抗STAT1-3 炎癥通路[26],通過抑制促炎信號傳導級聯反應,減弱先天免疫。研究發(fā)現,當使用Smad3 阻斷劑抑制Smad3 后,IL-37 對炎癥因子的抑制效果被阻斷[27]。

IL-37 前體和成熟形式均可通過非經典的分泌途徑從細胞中釋放出來[28]。在細胞表面,IL-37 與IL-18Rα、IL-1R8 結合形成三聯體復合物抑制IL-18的信號傳導通路[29]。炎癥反應發(fā)生時,IL-18 可與細胞表面的IL-18Rα 結合并招募IL-18Rβ,啟動MyD88 依賴性促炎途徑,當IL-37 與IL-18Rα 結合后,招募IL-1R8[30-31],由于IL-1R8 的TIR 結構域與IL-18Rβ 相比發(fā)生了突變,使其與MyD88 結合的信號傳導弱或無信號傳導。IL-1R8 可調節(jié)多種下游途徑和信號激酶的作用,如抑制JNKs、NF-κB 和MAPK 等信號激酶的磷酸化,激活Mer-PTEN-DOK途徑來傳導抗炎信號,減少促炎基因表達,抑制促炎細胞因子的產生[32];通過減少琥珀酸酯的產生,抑制mTOR 的磷酸化,激活AMPK 來恢復細胞的代謝。

4 結論與展望

IL-37 廣泛作用于全身的多種促炎因子,在感染性疾病、自身免疫病及腫瘤中都發(fā)揮著至關重要的作用。TNF-α、IL-6、IL-1β、MCP-1 是引起流感導致的重癥肺炎患者體內細胞因子風暴發(fā)生的重要因子,而IL-37 可抑制NF-κB、MAPK 和MyD88 信號蛋白的活化,從而抑制IL-6、IL-1α、IL-1β 等促炎因子的分泌,阻止細胞因子風暴的發(fā)生發(fā)展。因此,我們猜測IL-37 可以通過抑制細胞因子風暴而在流感病毒感染導致的重癥肺炎中發(fā)揮抑炎作用,但目前對于IL-37 治療流感導致的重癥肺炎的研究甚少,需進一步探討IL-37 的生物學作用,明確研究過程中的給藥時間點及時間窗,研究IL-37 在重癥肺炎中發(fā)揮作用的機制,將為治療H1N1 導致的重癥肺炎提供新的治療策略,也將為克服新型冠狀病毒肺炎提供治療思路。