白細胞介素33與支氣管哮喘的研究進展

許仁偉 韓書芝 牛藝兵 殷杰

河北省人民醫院老年病三科,石家莊050051

支氣管哮喘 (哮喘)是一種慢性氣道炎癥性疾病,以氣道高反應性、炎癥以及氣道重塑為特征,發病機制非常復雜,目前認為其主要包括氣道炎癥機制、免疫與變態反應機制、氣道神經調節機制以及遺傳機制等。T 細胞介導的免疫調節失衡與慢性氣道炎癥的發生是最重要的哮喘發生機制。哮喘的所有表型中,過敏性哮喘是最主要的一種哮喘表型,表現為以Th2細胞的炎癥反應為主,特異性的免疫球蛋白 (Immunoglobulin,Ig)E抗體介導及肥大細胞參與,并出現可逆的氣流受限為特征[1]。IL-33 是IL-1 家族的成員,是Th2型免疫反應及變態反應性氣道疾病重要的細胞因子。在肺組織上皮高表達,肺的支氣管上皮是IL-33的重要儲存庫,并且IL-33在哮喘患者的氣道表達水平隨著疾病嚴重程度而升高。哮喘患者血清、多種組織細胞及誘導痰中IL-33明顯升高[2],抑制IL-33或是IL-33基因缺陷的哮喘動物模型中,肺部炎癥明顯減輕[3-4]。這些證據都證明了,IL-33在過敏性哮喘的病理生理發生、發展過程中的重要作用。

1 IL-33的生物學特性

1.1 IL-33的來源及結構 細胞因子通過活化細胞外表面受體完成細胞間的交流,一個經典的細胞因子包括一個核心的肽序列,介導細胞因子胞外分泌或是在胞漿分泌顆粒內儲存,以備在被激活后釋放。但許多包括IL-1 家族成員、高遷移率族蛋白在內的細胞因子,卻缺少核心肽序列,局限于細胞核中,IL-33 正屬于此類定位于細胞核的核因子,其分泌機制尚不清楚[5]。IL-33 于2005年由Schmitz等發現,至今仍屬于IL-1 家族中的新成員,IL-33 是ST2(IL1RL1)受體的配體,人類的IL-33編碼基因位于第9號染色體 (9p24.1)上,可在多種器官和細胞表達,包括胃、腦、脾、心臟及支氣管上皮細胞、成纖維細胞、平滑肌細胞、角質形成細胞、巨噬細胞、樹突狀細胞等[6]。通過對氨基酸序列的同源性分析,發現IL-33 具有特征性的β三葉草型結構域與IL-1家族成員 (如IL-1α、IL-1β和IL-18)類似,因此表現出相似的生物學作用[6]。全長形式的IL-33(相對分子量30)定位于核內,作為前炎性因子,在核內具有調節轉錄作用。人的IL-33cDNA 編碼270 個氨基酸,可被分為3個功能結構域,即細胞核結構域、中心結構域及細胞因子結構域 (圖1)。細胞核結構域 (1-65號氨基酸組成)由2-3號外顯子編碼,包括染色質結合序列 (40-58號氨基酸)[7]。一般情況下,染色質結合序列使IL-33蛋白局限于細胞核內,并通過H2A-H2B 二聚體與染色質綁定[8]。中心結構域 (66-111號氨基酸組成)由4號外顯子編碼,含有酶切位點序列,對中性粒細胞、肥大細胞來源的蛋白酶非常敏感,盡管全長形式的IL-33 已具有細胞因子活性,但通過中心結構域的酶切和N 端肽的移除,可進一步增強活性[6,9]。在組織損傷時,由中性粒細胞和肥大細胞等炎癥細胞產生的外生酶如中性粒細胞組織蛋白酶G、中性粒細胞彈性蛋白酶和肥大細胞絲氨酸蛋白酶,具有促進IL-33活化的能力,可對中心結構域酶切位點切割,成為炎性因子,即成熟的細胞因子IL-33 (相對分子量18)被釋放到細胞外[6,9]。Cayrol等最近研究發現,全長形式的IL-33能夠被環境各種變應原,如真菌、塵螨、蟑螂和花粉刺激產生的蛋白酶切割,并且被切割后產生的成熟形式的IL-33是過敏性氣道炎癥強有力的誘導劑[10]。但內生的具有類似功能的蛋白酶尚不知曉。細胞因子結構域 (112-270號氨基酸)由5-8號外顯子編碼,與靶細胞表面的ST2受體結合,介導細胞因子的活化[11]。與中心結構域酶切位點不同,在這些酶切位點被切割后,將形成無生物學活性的片段[12]。

圖1 人IL-33結構示意圖

1.2 IL-33受體 IL-33 的受體復合物由IL-1R 輔助蛋白(IL-1RAcP)和瘤變抑制因子2 (suppression of tumorigenicity 2,ST2)組成,IL-33通過與二聚體受體復合物結合后表現出其生物學功能。IL-1R 是IL-1家族多個成員的受體組分 (IL-1α、IL-1β、IL-1F6、IL-1F8 和IL-1F9)[11]。ST2受體在肥大細胞高表達,是Th2 細胞的高選擇性標志物,此外還在巨噬細胞、造血干細胞、自然殺傷細胞、自然殺傷T 細胞、嗜酸粒細胞、嗜堿粒細胞、2型固有免疫細胞(type 2 innate lymphoid cells,ILC2s)、成纖維細胞也能表達[13]。ST2主要有兩種亞型,即跨膜型 (ST2L)和可溶型 (sST2)[14]。ST2L是典型的膜結合受體,含有三個胞外IgG 樣結構域,一個跨膜結構域和一個胞內Toll/IL-1受體(Toll/Interleukin-1 Receptor,TIR)結 構 域。IL-33 與ST2L的胞外結構域結合,募集下游信號分子,如髓樣分化因子 (myeloiddifferentiationfactor88,MYD88)、IL-1 受體相關蛋白激酶等,至ST2L 的TIR 結構域,激活核因子κB和絲裂原活化蛋白激酶產生炎癥反應[14]。而sST2仍保留三個IgG 樣結構域,可綁定IL-33,卻缺少跨膜結構域及TIR結構域,不能固定于細胞膜及參與下游信號的轉導,在胞外可分離IL-33,起到負向調節IL-33的作用,其在過敏性氣道炎癥反應中,可抑制IL-33 介導的信號通路,起到抗炎的作用[3]。

1.3 IL-33的生物學活性 在眾多的細胞核因子中,IL-33作為IL-1家族的一個成員,主要由黏膜上皮表達,能啟動急性炎癥反應和引發Th2型免疫反應,作為強有力的內源性危險信號分子或報警素而被廣泛關注。報警素在感染壞死的細胞、組織損傷或受刺激的白細胞和上皮細胞迅速釋放,在眾多報警素中,IL-33 特殊地位在于其通過ST2 受體與過敏反應相關[5]。區別于其他的IL,IL-33 具有大量的翻譯后調節作用,即通過調節靶細胞,激活表達ST2的能力,可激活ILC2s、肥大細胞、Th2 細胞、調節性T 細胞、自然殺傷細胞、嗜酸粒細胞、嗜堿粒細胞、樹突狀細胞,從而參與多種相關疾病的發生、發展過程[13]。尤其是在細胞的凋亡過程中,IL-33 可被凋亡過程產生的酶如caspase-3和caspase-7水解,還可被caspase-1 水解,從而失去激活靶細胞表達ST2受體的能力[12]。在急性壞死過程中,胞外的IL-33可被來自中性粒細胞和肥大細胞產生蛋白酶切割,產生高活性形式的IL-33[6,9]。此外,IL-33 在肺外時,其四個殘留的半胱氨酸迅速地被氧化,并在細胞因子結構域形成二硫鍵而失活,導致廣泛的構像變化,及ST2結合位點破壞,而失去激活ST2受體的能力[15]。

2 IL-33與哮喘的關系

過敏性哮喘是哮喘的最主要表型,表現為嗜酸粒細胞浸潤,Ig E及Th2細胞因子水平升高為特征。IL-33促進了Th2細胞的免疫反應,并激活了多種與哮喘發病機制相關的細胞,包括肥大細胞、嗜堿粒細胞、嗜酸粒細胞等。Th1與Th2細胞亞群比例失衡在哮喘發病機制中起著至關重要的作用,其中Th2型免疫反應占主導地位。Th2細胞產生的促炎因子包括IL-4、IL-5、IL-6、IL-9、IL-13,引發強烈的抗體反應和嗜酸粒細胞的聚集,可促進B 細胞的增殖、分化和抗體生成,其中IL-4和IL-13是Th2細胞誘導和調控B 細胞生成IgE 的必備條件[16]。IL-33的特異性受體ST2主要表達于Th2細胞和肥大細胞,而IL-33/ST2又通過激活肥大細胞和Th2型細胞,參與了過敏性炎癥反應障礙的病理生理過程[13,16]。Ig E 和Th2細胞因子可刺激肥大細胞、嗜堿粒細胞、嗜酸粒細胞產生組胺和前列腺素,從而介導后續的免疫炎癥反應[17]。

另一方面,IL-33 作為Th2 細胞的趨化因子,通過誘導Th2細胞產生促炎細胞因子、趨化因子、脂質介質,包括IL-4、IL-5、IL-13、腫瘤壞死因子-α、粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子、趨化因子2、前列腺素D2,介導Th2細胞的免疫應答。而免疫復合物又可通過樹突狀細胞增加了IL-33的水平,充分地引發了Th2細胞的免疫反應[18]。

從哮喘患者的誘導痰及支氣管活檢的氣道上皮細胞樣本中發現,IL-33m RNA 表達水平均升高,IL-33水平的上調在哮喘患者的多個樣本中被發現,包括血清/血漿、誘導痰、支氣管肺泡灌洗液、氣道上皮細胞和黏膜下層炎癥細胞,且IL-33的水平與哮喘的疾病嚴重程度相關[2,19]。與IL-33相似,sST2的水平在哮喘患者的血清和血漿同樣升高,而sST2通過抑制IL-33/ST2通路,在哮喘患者的過敏性氣道炎癥反應中起到保護性作用[19]。

支氣管上皮和氣道平滑肌高水平的IL-33 與氣道高反應性有關,IL-33可誘導小鼠氣道平滑肌收縮,并通過上調肥大細胞產生IL-13介導氣道高反應性[20]。IL-33/ST2通路促成了氣道的過敏性炎癥反應和氣道高反應性,這兩點都是哮喘發病的病理生理學特征,而體內外試驗通過sST2阻斷IL-33/ST2通路,可有效減輕哮喘的氣道炎癥反應,從另一方面證明了這一點。

自從在小鼠體內發現ILC2s之后,在人的外周血及黏膜組織也發現ILC2s,并被認為是輕中型哮喘患者嗜酸粒細胞性氣道炎癥的標志物[13]。ILC2s經IL-25 和IL-33 作用,可產生Th2型細胞因子,并參與Th2型免疫反應。哮喘患者氣道IL-33和ILC2s水平均升高,并與哮喘的嚴重程度有關,在小鼠哮喘模型中,敲除ILC2s 或是阻斷IL-33/ST2信號通路可減輕氣道炎癥和氣道高反應性[21]。

哮喘是復雜的慢性氣道炎癥性疾病,受遺傳、環境等因素影響。多個全基因組關聯分析顯示,編碼IL-33 和ST2的基因是人類哮喘的主要易感基因位點[22]。IL-33/ST2的基因的多態性與哮喘及特定的哮喘表型有關,尤其是與致敏相關的哮喘表型[23]。全基因組關聯分析證實,ST2基因的單核苷酸多態性與血中嗜酸粒細胞計數及哮喘表型有關,這些基因單核苷酸的多態性與血清Ig E 的水平有關[24]。靠近IL-33 的起始密碼子,位于32kbp 的基因,其單核苷酸的多態性,與嗜酸粒細胞計數及哮喘有密切關系[24]。而國內的一項867例針對兒童哮喘的回顧性分析同樣顯示,IL-33 與ST2 基因多態性與過敏性哮喘發生有關[25]。這些基因組證據表明,與IL-33/ST2相關的基因單核苷酸多態性是哮喘最有意義的基因因素之一。TIR 結構域是ST2L的胞內結構域,與MYD88有關,在信號轉導方面起著重要作用,最近的一項研究顯示,ST2的TIR 結構域里的單核苷酸多態性位點錯義,將增強IL-33/ST2L 信號通路,這些單核苷酸的多態性可同時增強鄰近和末端的ST2啟動子活性[26]。而在哮喘的動物模型中,IL-33 基因缺陷的小鼠,支氣管上皮的黏液分泌減少,肺部炎癥反應減輕,支氣管肺泡灌洗液中的嗜酸粒細胞計數降低,肺組織中IL-5、IL-13的水平降低[4]。所有這些基因研究都支持IL-33/ST2與哮喘的發病機制有關這一假設。

3 小結

IL-33是IL-1家族新發現的促炎因子,在過敏性疾病中起著重要作用,作為報警素,在組織損傷時,最早分泌到組織中。通過與主要由Th2細胞表達的ST2受體結合,形成IL-33/ST2信號通路,同時參與嗜酸粒細胞、肥大細胞、嗜堿粒細胞等細胞的活化,與哮喘的關系密切,參與哮喘的病理生理發生機制。以IL-33/ST2通路為作用靶點,治療肺部炎癥性疾病,成為頗具潛力的哮喘治療新方向,但仍需要更多的前臨床研究和動物模型的預治療來支持。此外,IL-33分泌、調節機制及其在核內的所扮演的角色仍不十分清楚,其與哮喘的關系仍有待進一步的研究。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突