徐唯傑, 馬 俊, 李明才
(1寧波大學(xué)醫(yī)學(xué)院,浙江寧波315211;2上海市肺科醫(yī)院,上海200003)
白細(xì)胞介素38(interleukin-38,IL-38)是IL-1家族(IL-1 family,IL-1F)中最新發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞因子,隸屬于IL-36亞家族。它最早由兩個獨(dú)立科研小組于2001年發(fā)現(xiàn)的,分別被命名為IL-1HY2和IL-1F10[1-2]。IL-38的編碼基因位于人類染色體2q13-14.1上,編碼IL-1受體拮抗劑(IL-1 receptor antagonist,IL-1Ra)和IL-36Ra的基因之間[2]。IL-38與IL-1Ra和IL-36Ra有41%和43%的序列同源性[2],研究者推測三者均來源于IL-1F受體拮抗劑祖先基因[3],并在功能上與IL-1Ra、IL-36Ra和IL-37同歸于IL-1F抑制劑[4]。IL-38主要在健康人皮膚、脾臟、扁桃體、胸腺、心臟、胎盤和胎肝中表達(dá)[1-2],在無特殊功能免疫組織中表達(dá)水平很低[5]。IL-38與類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎(rheumatoid arthritis,RA)、系統(tǒng)性紅斑狼瘡、銀屑病、克羅恩病、心血管疾病、化膿性皮炎、肥胖、糖尿病等疾病有關(guān)[6-7],在不同疾病中表達(dá)水平各不相同[8]。
1.1 IL-38的激活 IL-38激活機(jī)制尚不明確。研究者通過對IL-1F及IL-36亞家族的研究成果推測并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以明確[4]。損傷相關(guān)分子模式(damage-associated molecular patterns,DAMPs)和病原相關(guān)模式分子(pathogen-associated molecular patterns,PAMPs)引起炎癥級聯(lián)反應(yīng)使核因子κB(nuclear factor-κB,NF-κB)活化、造血細(xì)胞產(chǎn)生核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3(nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 3,NLRP3)炎癥小體及IL-1β前體(pro-IL-1β),胱天蛋白酶1(caspase-1)剪切pro-IL-1β使其成熟。細(xì)胞外蛋白酶如胃促胰酶、彈性蛋白酶、組織蛋白酶G和caspase-8也可活化pro-IL-1β。
IL-36在IL-1F的高度保守序列A-x-Asp基序前裂解 9個氨基酸后完全成熟[9],連接 IL-36R(IL-1Rrp2)并招募共同受體白細(xì)胞介素1受體輔助蛋白(interleukin-1 receptor accessory protein,IL-1RAcP/IL-1R3),激活NF-κB信號。胞外組織蛋白酶S、組織蛋白酶G、彈性蛋白酶和蛋白酶-3也參與IL-36的成熟[9],caspase-1、-3、-7 調(diào)節(jié) IL-36 表達(dá)[10]。IL-37 有caspase-1切割位點(diǎn),caspase-1和IL-1β共同作用使IL-37發(fā)揮抗炎作用[11]。計(jì)算機(jī)模擬發(fā)現(xiàn)組織蛋白酶K、彈性蛋白酶2和基質(zhì)金屬蛋白酶9(matrix metalloproteinase 9,MMP9)剪切促IL-37成熟[11]。
根據(jù)上述認(rèn)知,研究者在IL-38研究中有如下發(fā)現(xiàn)。IL-38本身不表現(xiàn)細(xì)胞核定位序列及caspase-1切割位點(diǎn)共有序列[1]。重組人 IL-38(recombinant human IL-38,rhIL-38)在凋亡細(xì)胞培養(yǎng)條件下,在N端第一個A-x-Asp基序前被裂解9個氨基酸可產(chǎn)生rhIL-38 20-152(截短型IL-38)并具有抗炎活性,MMP2的裂解位點(diǎn)符合截短型IL-38的A-x-Asp模型[12]。但I(xiàn)L-38在何具體位點(diǎn)被哪些酶裂解仍未明確。研究者預(yù)測MMP2、MMP9、組織蛋白酶G和顆粒酶B是IL-38剪切酶。有學(xué)者認(rèn)為鈣蛋白酶處理自然分泌的IL-38前體;IL-38分泌后在中性粒細(xì)胞胞外陷阱(neutrophil extracellular traps,NETs)形成進(jìn)程(NETosis)中被胃促胰酶、顆粒酶B和中性粒細(xì)胞彈性蛋白酶剪切而活化[8]。鈣蛋白酶與顆粒酶B還出現(xiàn)在細(xì)胞凋亡中。凋亡細(xì)胞核中有調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的IL-1α,說明IL-38在凋亡細(xì)胞中可表現(xiàn)核定位序列。
當(dāng)巨噬細(xì)胞暴露于存在天然或截短rhIL-38的凋亡細(xì)胞介質(zhì)中時,IL-6和IL-8的產(chǎn)生受抑表明凋亡細(xì)胞培養(yǎng)基中存在可以剪切IL-38的蛋白酶[12]。除了凋亡細(xì)胞,壞死THP-1細(xì)胞也釋放大量截短型IL-38[4],因此IL-38在凋亡和壞死環(huán)境中均可產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)。炎癥致死細(xì)胞外泌體和溶酶體微粒中存在IL-1β,損傷肺泡上皮細(xì)胞釋放的微粒中存在IL-36α[10],而隸屬于IL-1F、IL-36亞家族的IL-38由于缺乏信號肽無法進(jìn)行蛋白質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)移[13],因此作者推測IL-38以微粒形式釋放。IL-37b通過突變防止成熟IL-37形成二聚體增加其抗炎作用并參與自身調(diào)節(jié)[14],IL-38與IL-37相似在低濃度下均有較高抗炎作用,說明IL-38也可能以二聚體方式進(jìn)行活性調(diào)節(jié)。
在凋亡和壞死兩種環(huán)境下探索IL-38的產(chǎn)生、成熟、釋放和調(diào)節(jié)機(jī)制,明確剪切位點(diǎn)和作用蛋白酶對闡明IL-38生物學(xué)作用最后應(yīng)用于臨床醫(yī)療至關(guān)重要。
1.2 IL-38的受體 IL-1受體家族是包括Toll樣受體(Toll-like receptors,TLR)的Toll-白細(xì)胞介素受體(TIR)超家族的一個亞群。其中IL-1R1、IL-1R6(又名IL-36R或IL-1Rrp2)和IL-1R10(又名IL-1RAPL1)可結(jié)合 IL-38[1,12,15]。
IL-1R1在多數(shù)免疫細(xì)胞表面存在,是IL-1α和IL-1β的受體,與IL-1結(jié)合后招募共受體IL-1R3(IL-1RAcP),IL-1Ra拮抗共受體招募。IL-38對IL-1R1的親和力低于 IL-1Ra或 IL-1β[12],IL-1R1 不是 IL-38發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)必需的[1],因此IL-1R1為候選受體。
IL-1R6(IL-36R)在人類細(xì)胞中廣泛存在,與IL-38結(jié)合后發(fā)揮類似IL-36Ra的拮抗IL-36R作用,增加IL-36表達(dá)[16]。IL-36R可促進(jìn)CD4+T細(xì)胞的Th1分化但對Th17細(xì)胞通路的作用不明顯;IL-36可導(dǎo)致Th17細(xì)胞極化[17];IL-38可減少Th17分泌但不影響Th1通路。所以,IL-38通過結(jié)合IL-36R影響Th17通路但不影響Th1通路可能性不高。同時,人類巨噬細(xì)胞上是否表達(dá)IL-1R6存在異議,而不表達(dá)IL-1R6 的 THP-1 細(xì)胞可與 IL-38 反應(yīng)[12,18-19]。因此,IL-36R和IL-38的相互作用并不明確,IL-36R不是IL-38的必需受體。
IL-38的第3個潛在受體是在大腦中表達(dá)的IL-1R10(IL-1RAPL1)。IL-1RAPL1可在凋亡條件培養(yǎng)基中的巨噬細(xì)胞中過表達(dá),IL-38結(jié)合IL-1RAPL1抑制IL-6分泌[12],機(jī)制可能是IL-38與IL-1RAPL1抑制了IL-1β或凋亡介導(dǎo)的巨噬細(xì)胞c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)活化。IL-38可與IL-1R3(IL-1RAcP)、IL-1R1或IL-36R互相作用,且IL-1R家族均有共受體,IL-1RAPL1是否有共受體目前未知。IL-38可減少LPS誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞分泌促炎細(xì)胞因子[12],但其是否和IL-37一樣抑制受體從而抗炎還未知。
因此,IL-38可能拮抗2種常見的促炎受體(IL-1R1/IL-1RAcP或IL-36R/IL-1RAcP),IL-38也可能拮抗由IL-1RAPL1和未知共受體組成的受體鏈。但由于很多機(jī)制并不清晰,所以如何將IL-38用于臨床作為抗炎藥物需要進(jìn)一步研究。
1.3 IL-38的受體信號 IL-38和IL-36Ra結(jié)構(gòu)相似。IL-36Ra抑制IL-1RAcP募集阻斷IL-36R的信號傳導(dǎo)。IL-38是否有類似作用并阻斷IL-1RAcP募集尚未明確[14]。
IL-37與IL-18R結(jié)合招募單免疫球蛋白IL-1受體相關(guān)分子(single immunoglobulin interleukin-1 receptor-related molecule,SIGIRR)導(dǎo)致低濃度IL-37拮抗LPS誘導(dǎo)的TNF產(chǎn)生而高濃度IL-37誘導(dǎo)產(chǎn)生大量TNF;低濃度IL-38阻斷念珠菌誘導(dǎo)的IL-17反應(yīng)(1~10μg/L范圍)更有效,高濃度IL-38誘導(dǎo)產(chǎn)生更多IL-17,IL-38和IL-37有相似特征性劑量-反應(yīng)曲線[16]。研究者發(fā)現(xiàn)IL-38可招募IL-1R家族抑制性輔助受體:SIGIRR、三免疫球蛋白IL-1相關(guān)受體1(three immunoglobulin domain containing IL-1 receptor related 1,TIGIRR1)和(或)TIGIRR2[14]。IL-38可結(jié)合IL-36R后招募SIGIRR為共受體;凋亡細(xì)胞釋放的IL-38也可與TIGIRR2結(jié)合(過去命名為IL-1RAPL1,現(xiàn)命名為IL-1R9),拮抗炎癥細(xì)胞因子的誘導(dǎo)作用[15]。IL-38是第一個被發(fā)現(xiàn)的TIGIRR2配體。
2.1 IL-38在肺部腫瘤中的作用 IL-38在多種組織發(fā)生的腫瘤的腫瘤細(xì)胞中高表達(dá)。但是在肺癌的研究中,有學(xué)者認(rèn)為肺癌組織中IL-38高表達(dá),并可通過改變宿主免疫力和腫瘤微環(huán)境導(dǎo)致腫瘤發(fā)展[20]。也有學(xué)者認(rèn)為IL-38在非小細(xì)胞肺癌(non small cell lung cancer,NSCLC)的組織中幾乎不表達(dá),在鄰近的正常組織中含量升高[20]。作者認(rèn)為在不同病理分型的肺癌和肺部轉(zhuǎn)移腫瘤組織中,IL-38的表達(dá)各不相同,需要進(jìn)行詳細(xì)病理分型并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)研究。這間接符合Boutet等[7]的觀點(diǎn)即IL-38在不同疾病中的表達(dá)各不相同。IL-38在不同組織發(fā)生的腫瘤細(xì)胞中的作用可能不同。
另外,IL-38表達(dá)與多種腫瘤的TNM分期、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移及患者預(yù)后相關(guān)。IL-38的上調(diào)(或下調(diào))還與NSCLC分期和分化程度相關(guān),是NSCLC患者無病生存和總體生存的獨(dú)立預(yù)后指標(biāo)[21]。土耳其學(xué)者發(fā)現(xiàn)高血清IL-1Ra患者的中位無進(jìn)展生存期和中位總生存期遠(yuǎn)低于低血清IL-1Ra患者,證明IL-1Ra水平與NSCLC進(jìn)展、生存率存在相關(guān)性,而前文已經(jīng)說明IL-1Ra和IL-38間有必然聯(lián)系。以上結(jié)果說明,IL-38水平和肺癌的發(fā)生發(fā)展、轉(zhuǎn)移、預(yù)后相關(guān),IL-38可以作為一個潛在的腫瘤分期指標(biāo)。
在肺腺癌中程序性細(xì)胞死亡配體1(programmed cell death ligand 1,PD-L1)陽性病例IL-38高表達(dá)[21]。表明IL-38可通過促凋亡而抑制腫瘤發(fā)展。IL-38在NSCLC細(xì)胞中過表達(dá),抑制β-連環(huán)蛋白(β-catenin)抑制腫瘤細(xì)胞遷移、侵襲、增殖和集落形成,并使癌細(xì)胞對化療藥物敏感[22]。肺轉(zhuǎn)移性腫瘤患者肺組織中IL-38、趨化因子(C-X-C基序)配體1[chemokine(C-X-C motif)ligand 1,CXCL1]及 IL-8水平高于原發(fā)性肺癌。小鼠模型中,IL-38促進(jìn)肺部形成轉(zhuǎn)移灶并加劇中性粒細(xì)胞浸潤,CXCL1及IL-8抑制劑顯著抑制肺組織中IL-38對絲裂原激活蛋白激酶激酶(mitogen-activated protein kinase kinase,MEK)、細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK)磷酸化影響,證明IL-38可能通過上調(diào)CXCL1、IL-8及MEK、ERK的磷酸化水平募集中性粒細(xì)胞,促腫瘤轉(zhuǎn)移[23]。
2.2 IL-38在哮喘中的作用 哮喘是慢性支氣管炎癥疾病,過敏性哮喘是最常見形式,特征包括慢性氣道炎癥,氣道重塑,氣道高反應(yīng)性(airway hyperresponsiveness,AHR)和血清過敏原特異性IgE濃度升高。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)哮喘急性發(fā)作期痰上清中IL-38水平低于緩解期水平及健康人,IL-38水平與肺功能水平負(fù)相關(guān)可反應(yīng)哮喘嚴(yán)重程度[24]。也有研究報道過敏性哮喘患兒血清IL-38高表達(dá),具有臨床意義[25]。這可能是由于成人和嬰兒免疫系統(tǒng)差異及檢測標(biāo)本種類的不同導(dǎo)致的。
IL-38是IL-36R的部分拮抗劑,可抑制IL-36γ誘導(dǎo)的外周血單個核細(xì)胞中CXCL8的產(chǎn)生,抑制炎癥[13]。Th1、Th2、和 Th17介導(dǎo)的免疫反應(yīng)可導(dǎo)致組織炎癥[26]。IL-38抑制巨噬細(xì)胞釋放促炎介質(zhì),降低Th17活化,使體內(nèi)IL-17和IL-22含量下降發(fā)揮抗炎作用[12]。同時,IL-38可調(diào)節(jié)氣道炎癥標(biāo)志物Treg,調(diào)節(jié)Th17/Treg平衡以維持外周耐受和免疫穩(wěn)態(tài)[25-26]。TGF-β抑制Th1和Th2發(fā)育,促Th17發(fā)育導(dǎo)致炎癥性免疫反應(yīng),外源性IL-38可降低TGF-β水平而抑制炎癥[27]。低濃度IL-38還可抑制病毒感染相關(guān)的 Th1趨化因子 CXCL10[27]。
IL-38在支氣管上皮細(xì)胞和嗜酸性粒細(xì)胞中抑制了信號轉(zhuǎn)導(dǎo)級聯(lián)反應(yīng),減少上皮細(xì)胞和嗜酸性粒細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子1(signal transducer and activaror of transcription 1,STAT1)、STAT3、絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)途徑和NF-κB信號通路,從而抑制炎癥細(xì)胞因子、趨化因子和黏附分子的產(chǎn)生[27]。例如,IL-38抑制細(xì)胞間黏附分子1(intercellular adhesion molecule-1,ICAM-1)黏附上皮細(xì)胞,避免激活嗜酸粒細(xì)胞,調(diào)節(jié)氣道炎癥[28]。IL-38還升高POU2AF1基因表達(dá)增強(qiáng)氣道防御能力[29]。此外,IL-38在小鼠模型中上調(diào)RGS13表達(dá)抑制肥大細(xì)胞脫顆粒而抑制過敏反應(yīng)[30]。因此,IL-38對哮喘有抑制作用。
2.3 IL-38在間質(zhì)性肺疾病中的作用 目前科研工作者常將間質(zhì)性肺?。╥nterstitial lung disease,ILD)、特發(fā)性肺纖維化(idiopathic pulmonary fibrosis,IPF)、常見型間質(zhì)性肺炎(usual interstitial pneumonia,UIP)和特發(fā)性間質(zhì)性肺炎(idiopathic interstitial pneumonia,IIP)概念混淆。IPF是發(fā)生于成人、不明原因的并持續(xù)進(jìn)展的纖維化性致死性肺疾病,占ILD約20%。UIP可發(fā)生于各種原因?qū)е碌腎LD,更多是影像學(xué)和組織學(xué)概念,是各種疾病所致肺纖維化的不可逆階段。有學(xué)者認(rèn)為IPF早期受損肺組織刺激炎癥細(xì)胞產(chǎn)生[31],持續(xù)炎癥加速肺成纖維細(xì)胞增生并轉(zhuǎn)化為肌成纖維細(xì)胞,細(xì)胞外基質(zhì)過度積累導(dǎo)致肺纖維化[32]。因此,IL-38在肺間質(zhì)性疾病中的研究應(yīng)該分為炎癥和纖維化兩部分。
用IL-38處理博來霉素誘導(dǎo)的肺纖維化小鼠肺組織可使抗纖維化因子IFN-γ增多,并抑制巨噬細(xì)胞產(chǎn)生參與肺纖維化發(fā)病機(jī)制的TNF-α[33-34],炎癥細(xì)胞浸潤和細(xì)胞外基質(zhì)及膠原沉積明顯改善。巨噬細(xì)胞炎癥蛋白2(macrophage inflammatory protein-2,MIP-2)促進(jìn)纖維素增生及細(xì)胞外基質(zhì)沉積[35]。IL-38表達(dá)與大鼠肺組織中MIP-2表達(dá)及肺纖維化程度負(fù)相關(guān)[36],注射地塞米松可增加大鼠血清及肺組織中的IL-38水平可使肺組織炎癥及纖維化程度緩解。IL-38可抑制NF-κB活性,而NF-κB可調(diào)節(jié)MIP-2基因的轉(zhuǎn)錄[37]。因此,作者推測IL-38通過抑制NF-κB通路活性,降低MIP-2表達(dá)從而緩解肺間質(zhì)纖維化。
IL-38蛋白在正常肺泡組織中表達(dá)不明顯,在80%(4/5)IPF加重患者及100%(10/10)藥物誘導(dǎo)的ILD中過表達(dá),且僅局限于II型增生性肺細(xì)胞中[38]。IL-38蛋白在彌漫性肺泡損傷區(qū)的II型增生性肺細(xì)胞過表達(dá)與炎癥活動性及再生改變有關(guān)[39]。IL-38在表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor,EGFR)-酪氨酸激酶抑制劑(tyrosine kinase inhibitors,TKIs)誘導(dǎo)的ILD患者肺內(nèi)II型肺細(xì)胞中高表達(dá),提示抗腫瘤藥物可導(dǎo)致IL-38過表達(dá)。IL-38蛋白在IPF患者肺組織炎癥活躍區(qū)表達(dá)較強(qiáng),在纖維化區(qū)表達(dá)不明顯[38],與其他研究者觀點(diǎn)不一致[40]。這可能是因?yàn)镋LISA檢測IPF和藥物誘導(dǎo)ILD患者血清和支氣管肺泡灌洗液中未發(fā)現(xiàn)IL-38蛋白,提示IL-38蛋白過表達(dá)可能僅局限于肺組織或ELISA檢測技術(shù)原因?qū)е拢部赡苁荌L-38蛋白半衰期過短導(dǎo)致[38]。研究者未發(fā)表資料顯示小鼠體內(nèi)重組IL-38蛋白半衰期為43~85 min。
如前所述,IL-38在肺間質(zhì)炎癥及纖維化過程中發(fā)揮作用,抗腫瘤藥物導(dǎo)致IL-38高表達(dá)為肺間質(zhì)纖維化的藥物研究提供了新思路。
IL-38屬于IL-1F的IL-36亞家族成員。對IL-38的研究均建立于目前已知相關(guān)細(xì)胞因子基礎(chǔ)上。IL-38通過細(xì)胞凋亡途徑在細(xì)胞內(nèi)外產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)。IL-38釋放無需信號肽,其釋放形式、成熟所需的酶切位點(diǎn)和必需酶仍未知,活細(xì)胞釋放的截短型IL-38具有更佳的生物學(xué)功能。IL-38和IL-37具有類似的特征性劑量-反應(yīng)曲線,低濃度情況下產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)更明顯,且均可通過避免二聚體形成而增強(qiáng)自身生物效應(yīng)。IL-1R1、IL-1R6(IL-36R或IL-1Rrp2)和IL-1R10(IL-1RAPL1)是IL-38的受體,IL-38通過結(jié)合它們發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)。研究者觀點(diǎn)更多傾向于IL-38抑制炎癥發(fā)生。但是上述受體在何種細(xì)胞上存在、如何發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)、發(fā)揮何種生物學(xué)效應(yīng)依然存在爭論,因此將其作用于臨床發(fā)揮抗炎作用需要進(jìn)一步進(jìn)行其機(jī)制研究。
IL-38可表達(dá)于多種免疫性疾病和腫瘤等患者組織細(xì)胞,在不同組織部位的腫瘤中表達(dá)不同。肺部腫瘤中,IL-38高表達(dá),并與腫瘤的發(fā)生發(fā)展、轉(zhuǎn)移和預(yù)后相關(guān),可作為潛在腫瘤分期指標(biāo)。IL-38還可促腫瘤轉(zhuǎn)移,證明其在疾病中并非只是作為“正向”的一個抗炎物質(zhì)存在。IL-38在過敏性哮喘中低表達(dá),參與該疾病的免疫調(diào)節(jié)機(jī)制,通過各種途徑抑制炎癥細(xì)胞因子、趨化因子和黏附分子的產(chǎn)生,總體起到抑制疾病發(fā)生的作用。IL-38在肺間質(zhì)病中可抑制炎癥,并減緩纖維化進(jìn)程。地塞米松和EGFR-TKI可調(diào)高IL-38表達(dá),提示通過藥物和IL-38互相作用機(jī)制的研究可以尋找治療肺間質(zhì)纖維化的藥物。
在IL-38的機(jī)制研究中,許多研究者發(fā)現(xiàn)IL-38和細(xì)胞免疫在人類體內(nèi)的作用機(jī)制有必然聯(lián)系。而抗結(jié)核免疫主要是細(xì)胞免疫,包括致敏的T淋巴細(xì)胞和被激活的巨噬細(xì)胞。因此,在將來的工作中,將IL-38與結(jié)核病的診療相關(guān)聯(lián)可能是一種新的研究方向。
IL-38的研究目前尚處于起始階段,研究者對IL-38的產(chǎn)生、成熟、作用等各機(jī)制研究還不深入。通過對其結(jié)構(gòu)、功能、受體復(fù)合物、與IL-1F成員關(guān)系、相關(guān)藥物和其作用關(guān)系等方面的深入研究進(jìn)一步闡明IL-38在人體內(nèi)的作用機(jī)制,加深研究者對相關(guān)疾病的理解,為這些疾病的治療提供新思路和新靶點(diǎn)。