白細胞介素-38的炎癥免疫作用及調控機制研究進展①

柴雨森 王川江 林時輝 徐 昉

(重慶醫科大學附屬第一醫院，急診醫學科和重癥醫學科，重慶 400016)

白細胞介素(Interleukin，IL)是由多種細胞產生并作用于多種細胞的一類細胞因子。IL-1家族(IL-1 family)是其中與IL-1結構相似的一組細胞因子，在炎癥和宿主防御過程中起重要作用。近年來，已發現多個該家族新成員并按公布順序予以重新命名[1-3]。已知的包括11個主要成員，分別為7種配體(IL-1α、IL-1β、IL-18、IL-33、IL-36α、IL-36β和IL-36γ)、3種受體拮抗劑[IL-1R拮抗劑(IL-1Rα)、IL-36Rα、IL-38]和抗炎細胞因子(IL-37)[4]，再根據它們的生物學功能分別編入IL-1細胞因子亞群[3]。家族最新成員——IL-38最初被作為IL-1家族細胞因子克隆[5,6]，屬IL-36類細胞因子，其確切生物學作用尚不清楚。現有研究表明在炎癥免疫方面，IL-38具有特別的作用與分子機制，本文就其在炎癥免疫領域的最新研究進展做一綜述。

1 結構和基本生物學活性

IL-38(曾被命名為IL-1F10或IL-1HY2[5])于2001年由美國加州大學圣克魯斯分校(University of California,Santa Cruz)作為IL-1家族細胞因子克隆，當時被命名為IL-1HY。從基因定位上看，編碼人類IL-1家族成員(除外IL-18和IL-33)的基因定位于第二號染色體上，從著絲粒到端粒的基因表達順序為“IL-1A-IL-1B-IL-37-IL-36G-IL-36A-IL-36B-IL-36 RN-IL1F10-IL-1RN”[7,8]。編碼IL-38的基因同樣位于人類染色體2q13-14.1，其定位臨近編碼IL-1Ra(IL-1RN)和IL-36Ra(IL-36RN)的基因[5,7]。同時，在分子結構上IL-38也具有IL-1家族細胞因子明顯特征，包括缺乏信號肽和Caspase-1切割位點以及與IL-1Ra類似的β三葉草結構等一致的關鍵氨基酸序列[2,5]。基于人胎兒皮膚文庫的鑒定發現人IL-38基因有4個外顯子，IL-38cDNA序列編碼了152個氨基酸的前體[2]。更為重要是的，IL-38與IL-1Ra有37%和(或)41%的同源性，與IL-36Ra有43%同源性，并具有與IL-1Ra類似的三維結構[2,5，9]。可見，IL-38可能與IL-1起源于某一共同祖先基因，且很可能是IL-1R拮抗劑的祖先基因[10]。就生物活性而言，IL-1家族細胞因子的一個子集需要N末端裂解才能獲得完整的生物學活性(如：IL-1β、IL-18和IL-36[1])。當IL-36Ra除去第一氨基酸(甲硫氨酸)后即可獲得完全拮抗活性[1,11,12]。對于切割IL-36Ra和IL-38細胞因子的蛋白酶的研究目前還處在探索性階段，預測前2個氨基酸被切割可生成一個經過處理的3AA-152 IL-38蛋白作為一共同切割位點，其分裂產物活性尚待證實[13,14]。此外，研究還發現IL-38蛋白的20～152個氨基酸片段能提高生物活性[1]，這可能是另一個候選切割位點。目前研究并未顯示哪種形式的IL-38是人體中的天然活化體，也并未明確提出其活化的蛋白酶，這些都尚在探索階段。

2 IL-38免疫調控作用和分子機制

2.1類IL-36Ra的拮抗作用 IL-1受體家族(IL-1R)和Toll樣受體(TLRs)是參與免疫和炎癥的保守蛋白超家族的成員[15]，由于它與IL-1R在結構、功能、信號轉導通路上存在諸多相似，因而歸入“Toll/IL-1R家族”這一個大的信號受體家族[16]，包括：誘餌受體(IL-1R2和IL-18BP)與非典型受體(TIR8/SIGIRR、IL-1RAcPb、TIGIRR-1和TIGIRR2/IL-1RAPL)等[15,17]。研究表明IL-36Ra能阻斷第二受體IL-1RAcP合成(此作用與IL-1Ra相同)以阻止來自IL-36R的信號[12]。IL-38具有作為IL-36R受體拮抗劑的生物學基礎[6]，其生物學活性同IL-36Ra類似，可通過與IL-36R結合并誘導其拮抗作用[11]。目前研究發現，隨IL-38濃度升高，對念珠菌誘導產生IL-17的抑制能力逐漸減弱，甚至在高濃度時轉變為促進作用[18]。而非典型受體SIGIRR又對輔助性T 細胞(T helper cell,Th)17具有調節作用[19]。因而，IL-38與IL-36R結合后，可能以SIGIRR作為一種共同受體造成了這種獨特的劑量-反應特征。同時，非典型受體TIGIRR-2為基于其突變體的表型，也被稱為IL-1RAPL[20]。有研究報道：IL-38是TIGIRR-2已知的第一種配體，它與TIGIRR-2結合后發揮拮抗炎性細胞因子的作用[14]。但IL-38的這種性質很弱，它似乎只能充當IL-36R的部分受體拮抗劑[6]。根據目前研究和生物學基礎的提示，IL-38對SIGIRR、TIGIRR2具有可能的招募作用，對阻斷IL-1RAcP的招募亦有可能，這是其類似IL-36Ra的拮抗作用的潛在分子機制。

2.2凋亡介導的內源性IL-38調控巨噬細胞 健康人的巨噬細胞可以通過清除或吞噬促炎細胞來調控炎癥進程，細胞的控制性分解和凋亡是避免或解決炎癥的有效方式[21]。而細胞因子等由凋亡細胞所衍生的介質又具有調節吞噬細胞反應的能力[22]。在“巨噬細胞-凋亡細胞”相互作用下，IL-1家族蛋白具有調節巨噬細胞因子產生的重要作用[23]。IL-38與IL-1受體家族的IL-1R6(IL-1Rrp2)[18]和IL-1RAPL1結合是巨噬細胞中凋亡(Apoptotic，ACM)誘導細胞因子產生的必需條件[23]。IL-6和IL-8的產生主要依賴于IL-1RAPL1，ACM或LPS刺激后巨噬細胞中的IL-1R6表達很低，IL-1RAPL1則表達豐富，但ACM過度產生的IL-38又會阻斷IL-1RAPL1信號[14]。可見，IL-38是通過該受體發揮作用的。同時，IL-1家族細胞因子又能通過加工以改變其生物活性。IL-38可加工為全長(IL-38AA1-152)或截短(IL-38AA20-152)兩種不同形式[12]，其中截短形式能減少IL-6和IL-8產生。而ACM并沒有誘導NF-κB活性，單獨IL-38形式也不會改變巨噬細胞AP1、IL-6或NF-κB啟動子活性。因而，來自凋亡細胞的內源性IL-38才具有限制炎癥巨噬細胞的作用。另一方面，IL-38誘導的T細胞細胞因子的產生也是基于其對巨噬細胞的活化作用。研究發現，IL-38可降低LPS誘導IL-6、IL-8產生或抑制THP-1細胞表達IL-17；過表達IL-38的人巨噬細胞則亦能抑制CD3+CD4+T細胞分泌IL-17[14,24,25]。IL-17是Th17主要效應因子，IL-6是人類Th17分化所需的重要細胞因子[26]。那么，IL-38在巨噬細胞中調控IL-6和IL-17的作用將會成為影響Th17分化或功能的重要因素。因而，IL-38從凋亡細胞中的釋放是一種積極的機制，其可通過改變巨噬細胞功能從而在凋亡條件下緩解炎癥反應，這可能涉及IL-38表達和協調釋放機制，以及調節Th17細胞等作用。

2.3調節Th17細胞免疫應答 腫瘤免疫力和炎癥的消退取決于Th17/Treg比例。研究發現，IL-38可以調節髓系細胞(巨噬細胞)功能并間接調節Th17反應從而發揮抗炎作用，對銀屑病和脊椎關節炎等許多炎癥疾病的治療至關重要[14,24]；又有研究通過對健康人外周血單個核細胞(Peripheral blood mononuclear cell，PBMCs)的觀察發現，IL-38對IL-6、IL-8、IL-17/IL-22等的調控作用[27,28]；可見，IL-38對Th17軸的調節備受關注。IL-38是IL-36R的特異性受體，可與IL-36R結合并誘導其抑制作用，導致TLR結構無法募集MyD88從而抑制NF-κB和MAPKs炎癥通路，其中NF-κB通路抑制又會影響哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)激活[29-31]。mTOR是一種細胞能量感應分子,通過調控其下游信號通路可調節細胞新陳代謝、周期進程及生長[32,33]。活化的mTOR又可通過磷酸化作用激活調節Th17細胞分化的重要環節——STAT3[34]。有研究發現，mTOR信號可同時增強Th17和Treg分化，但其對STAT5信號激活相對較弱[35]；而使用雷帕霉素和pim-2(絲氨酸/蘇氨酸-蛋白激酶)后，增強的STAT5可通過抑制RORγt從而進一步減少Th17[35]；因而mTOR信號是促進Th17/Treg比值增大的重要核心因素。有研究證實來源于凋亡細胞的IL-38可以限制巨噬細胞依賴的Th17細胞生成，從而使Th17/Treg比率(以特征性細胞因子IL-17/IL-10表示)保持在低水平[14]，降低炎癥反應。可見，在炎癥性疾病中，強烈的炎癥因子風暴增加了mTOR信號表達，使Th17/Treg比值增高。而IL-38阻斷IL-36R功能后可以降低Th17/Treg，那么“IL-38-mTOR-Th17/Treg”就可能成為探索調控炎癥性疾病的一條新線索。

3 IL-38的臨床炎癥免疫研究現狀與應用前景

健康狀態下IL-38在機體內的表達程度類似于IL-1家族其他成員，其分布與組織的免疫功能有關[36]，其主要表達于皮膚、脾臟和扁桃體等免疫細胞富集的組織或器官[2,5]，在胸腺、胎盤和胎兒肝臟等也有一定表達[2,8]。而在心臟、胎盤等無免疫功能組織中，IL-38的表達很低甚至沒有[5,36]。在疾病時，IL-38的表達卻與健康機體有異，特別是由IL-1所驅動的炎癥反應性疾病(如：強直性脊柱炎、類風濕性關節炎、動脈粥樣硬化和化膿性汗腺炎等)[37-40]。可見，IL-38參與疾病炎癥反應進程并可能發揮調控作用。

3.1自身免疫性疾病 自身免疫性疾病是指一大類機體對自身抗原發生免疫反應而導致自身組織損害的疾病。在銀屑病、克羅恩病、系統性紅斑狼瘡(Systemic lupus erythematosus，SLE)等中均存在IL-38的異常表達且與疾病嚴重程度有關[27,38,41,42]。雖然研究發現銀屑病患者皮膚IL-38表達降低存在不確定性[27,38,41]，但相關細胞因子IL-36、IL-36Ra和IL-37表達均上調[41]。同時，也有研究證實了IL-38在銀屑病患者PBMCs中存在表達且與疾病嚴重程度有關[41]。在對SLE的研究中發現，小鼠狼瘡動物模型(Murphy Roths/lpr模型)胸腺和脾臟中IL-38表達降低，重組IL-38可減少蛋白尿、皮膚損害等SLE癥狀，并降低血清IL-17、IL-22等促炎因子濃度，可見淋巴器官中的IL-38在SLE發病中起一定作用[41]。此外，在克羅恩病患者的滑膜和結腸中也發現IL-38表達增加，并可通過抑制IL-36與其受體結合而發揮保護性作用[38]。可見，在自身免疫相關性疾病中IL-38的異常表達可以作為預測疾病嚴重程度的生物學標志物。另一方面，骨關節是自身免疫性疾病攻擊的一個重要靶器官。研究發現IL-38基因敲除小鼠也會產生更嚴重的K/BxN血清轉移性關節炎(Serum transfer-induced arthritis，STIA)[9]。同時，腺病毒誘導小鼠IL-38過表達后可減輕膠原誘導的關節炎(Collagen induced arthritis，CIA)和STIA的關節腫脹、巨噬細胞浸潤以及降低臨床評分，其作用主要是降低炎癥反應峰值，但對骨質破壞影響不大[37]。這些作用與血清IL-1β、IL-6表達升高和IL-10表達降低有關，其中IL-10可通過下調關鍵的促炎因子(如：IL-6)來防止骨質流失參與骨重塑[37,43]。由于IL-38主要表達在炎癥消退時[44]，因而其可能成為一個評價骨關節炎癥恢復的潛在生物標記物。還有研究發現在類風濕性關節炎(Rheumatoid arthritis，RA)中，人IL-38蛋白以可溶形式產生，可能作為分泌配體發揮功能，其基因缺陷會加劇疾病嚴重程度；但重組IL-38蛋白的全身使用并不能抑制關節炎發展，而滑膜組織衍生的IL-38則可能在關節炎癥發展中起局部作用[9]。那么，IL-38在炎癥與抗炎中的治療性作用就可能存在一種劑量依賴性的效應，這也許會成為開發IL-38生物學治療的一個研究佐證。此外，Th17相關細胞因子(IL-17、IL-22和IL-23等)在銀屑病關節炎滑膜中高表達，影響滑膜組織病理學發展[28,45]；IL-38過表達也可降低CIA和STIA血清Th17細胞因子(IL-17、IL-23和IL-22)表達[44]。目前，IL-17/IL-23阻滯已被認為是一種銀屑病關節炎的潛在治療方法[46]。可見，IL-38對Th17細胞的調控作用可能會成為IL-38治療探索性研究的又一個潛在靶標。

3.2其他炎癥性相關性疾病 “非可控性炎癥(Nonresolving inflammation)所導致的慢病持續、疾病新發或者惡性化轉歸[47]”和“失控性炎癥(Uncontrolled inflammation)所產生的播撒性炎性細胞激活和炎癥介質超常釋放導致的免疫失衡”被確定為多種疾病發病機制的重要環節，這一系列理念已經突破了傳統自身免疫性疾病范疇。越來越多研究發現，IL-38作為一種新型細胞因子亦參與其中。

肺臟雖不是免疫細胞富集器官，但在一系列原發或者繼發肺臟失控/非可控性炎癥中均反映出明顯免疫炎癥反應過程。在哮喘、肺腺癌、特發性肺纖維化和藥物性肺間質性疾病中均發現IL-38異常高表達，其作用可能涉及IL-10、調節性T(Treg)細胞和程序性細胞死亡蛋白配體-1(Programmed death-ligand-1，PD-L1)等重要的保護性分子[48-50]。可見，IL-38參與了肺部炎癥性疾病的發生發展。同時，IL-38又被看作是一種抗血管生成因子[53]。在冠狀動脈相關疾病中，IL-38在動脈粥樣硬化斑塊中呈高表達[51,52]；臨床ST段抬高性心肌梗死患者高表達的IL-38與C反應蛋白(C-reactive protein，CRP)、心力衰竭指標(肌鈣蛋白、N末端腦鈉肽和左心室射血分數)相關[39]。在探討視網膜病變模型血管生成的研究中，亦證實重組IL-38能抑制血管內皮生長因子(Vascular endothelial growth factor，VEGF)刺激后的內皮細胞增殖、愈合和血管形成[53]。此外，也有研究提出IL-38的抗血管形成作用也可通過調節Th17細胞因子(IL-17、IL-22和IL-23等)來實現[54-56]。還有研究發現IL-38的表達能反映乙型病毒性肝炎(Viral hepatitis type B)肝臟損傷的即時嚴重程度[57]，且與抗病毒(替比夫定，Telbivudine)治療效能有高度相關性[57]。但在半刀球蛋白-A(Concanavalin A)誘導的小鼠肝損傷模型中，表達IL-38后卻出現小鼠肝損傷減輕，伴隨促炎因子(TNF-α、IFN-γ、IL-6和IL-17等)表達降低[58]。因而，在不同疾病中，IL-38在肝臟所發揮的作用可以截然不同。由此可見，IL-38能夠反映疾病的炎癥狀態，部分具有潛在的疾病炎癥程度或預后預測的生物學標記物潛質，但在不同疾病、不同組織、不同炎癥時相中作用不盡相同。在內分泌和代謝領域，目前的理論提出糖尿病是一種炎癥相關性疾病[59]。研究表明過度的促炎性細胞因子(IL-1β、IL-6和TNF等)可干擾妊娠糖尿病(Gestational diabetes mellitus，GDM)胰島素信號通路，造成胰島素抵抗[60]。而臨床GDM患者血清IL-38水平高于健康妊娠女性(P<0.05)，且血糖水平呈正相關(r=0.112,P=0.011)[61]，提示IL-38可能參與GDM發生發展。因而，對于一些曾經被定義為“非炎癥性疾病”的疾病，IL-38的免疫炎癥效應是一個值得探索的方向。

4 總結和展望

IL-38是IL-1家族新發現的重要細胞因子，其具有類IL-36Ra拮抗作用，可以作為凋亡細胞所衍生的內源性介質調節吞噬細胞反應，涉及招募SIGIRR、TIGIRR2、調控Th17分化、改變Th17/Treg比例和抗血管生成等多種作用分子機制。在自身免疫性或其他“炎癥”相關性疾病中，IL-38炎癥免疫效應受到越來越多關注，其可能成為預測與評價疾病嚴重程度的新型生物標記物，同時也是探索疾病免疫學治療靶標的重要潛在分子。