IL-6在慢性阻塞性肺疾病發(fā)病機制中的作用及研究進展

孫文杰 李業(yè)山

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)是一種異質(zhì)性肺部疾病,其特征是由氣道異常(支氣管炎、細支氣管炎)和/或肺泡異常(肺氣腫)引起的慢性呼吸道癥狀(呼吸困難、咳嗽、咳痰),并且這些氣道的異常改變導致了持續(xù)性、進行性加重的氣流阻塞[1]。COPD的發(fā)病機制尚未完全闡明,針對其異質(zhì)性,目前仍缺乏個性化治療方案,這進一步增加了COPD的死亡率。據(jù)統(tǒng)計,COPD現(xiàn)已是全球除傳染性疾病外的第三大致死疾病,全世界每年因COPD而死亡的人數(shù)高達數(shù)百萬,造成了巨大的醫(yī)療和經(jīng)濟負擔[2]。然而,由于環(huán)境污染、人口老齡化等因素,COPD的患病率仍在不斷上升[1]。因此,迫切需要尋找針對COPD發(fā)病機制的治療靶點,而白細胞介素-6或許是一個潛在的研究方向。研究發(fā)現(xiàn)在COPD患者的血液、痰液及肺泡灌洗液中,不僅IL-6水平升高,而且其可溶性IL-6受體(sIL-6R)也有增加[3]。此外,分子層面的研究證實了IL-6相關信號通路,如STAT3(signal transducers and activators of transduction 3,STAT3)等在COPD中異常激活[4]。可見IL-6和COPD之間確實存在著某種緊密的聯(lián)系。

一、IL-6概述

白細胞介素-6(interleukin-6,IL-6)在1980年首次由WEISSENBACH等發(fā)現(xiàn),最初被命名為β2干擾素,直到1986年才被統(tǒng)一命名為IL-6。IL-6是一種主要由四個螺旋束(A-D)組成的單鏈磷酸化糖蛋白,其通過和細胞表面的Ⅰ型受體復合物結合傳遞信號。Ⅰ型受體復合物由配體結合糖蛋白IL-6受體(IL-6R)和信號傳導成分gp130(glycoprotein 130)組成,而IL-6R以膜結合型(mIL-6R)和可溶型(sIL-6R)兩種形式存在。IL-6可由單核細胞、巨噬細胞、淋巴細胞、成纖維細胞等多種細胞產(chǎn)生,在調(diào)節(jié)免疫和炎癥方面發(fā)揮著重要的作用,其發(fā)揮功能主要通過兩種信號轉導通路。IL-6在經(jīng)典信號通路中與mIL-6R結合發(fā)揮抗炎作用,在反式信號通路中則通過和sIL-6R結合發(fā)揮促炎作用[5]。IL-6發(fā)揮生物作用的具體步驟如下:首先與其受體(mIL-6R/sIL-6R)結合形成二聚體,然后與gp130結合形成異三聚體,進一步與另一個異三聚體結合形成六聚體復合物。最后,這個六聚體復合物激活Janus 激酶(JAK)進而導致相關轉錄因子的激活。JAK又可以通過不同途徑激活絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)、磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K),因此IL-6相關信號通路有JAK/STAT3、ERK/MAPK、PI3K/AKT等。此外JAK/STAT3等信號通路有助于NF-κB(nuclear factor Kappa-B,NF-κB)信號通路的激活。在炎癥、自身免疫和腫瘤性疾病中,IL-6主要通過JAK/STAT3信號通路發(fā)揮作用[6]。

二、IL-6在COPD發(fā)病機制中可能起到的作用

1 IL-6基因多態(tài)性與COPD的相關性

人類IL-6 基因位于染色體7p15-21區(qū)域,由4個內(nèi)含子和5個外顯子組成,其多態(tài)性與風濕免疫、癌癥等多種疾病相關。在COPD中研究較多的是IL-6單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism,SNP)與其發(fā)病的易感性。雖然目前有IL-6-174G/C(RS1800795)、IL-6-572G/C(RS1800796)、IL-6-597G/A(RS1800797)、RS1818879等多個研究位點,然而具體哪些位點和COPD相關尚無定論。IL-6-174G/C是研究較為全面的一個位點,其和COPD的相關性在不同種族的研究中得到的結果并不相同。首先在基因型分布頻率方面,最初SEIFART等的研究表明:在德國白種人中,IL-6-174G/C在COPD患者和肺功能正常的對照組中的分布無顯著差異,后續(xù)在西班牙人、北印度人的研究中也得到了相似的結論[7]。但是,HE JQ等發(fā)現(xiàn)在非西班牙裔白人COPD患者中,FEV1快速下降組的IL-6-174G/C等位基因頻率顯著高于非下降組(45.2%vs39.6%)[8],并提出IL-6-174G/C可能會加快吸煙者肺功能下降的速度。其次,關于IL-6-174G/C是否與循環(huán)中IL-6水平相關至今仍有爭議。很早以前的研究認為IL-6-174G/C可以控制IL-6轉錄速率,和血清IL-6的水平相關,但是Ahluwalia等最近的一項大型臨床研究表明在歐洲血統(tǒng)人種中IL-6-174G/C多態(tài)性和循環(huán)IL-6水平無顯著相關[9]。至于在其他種群中是否相關,仍需要更多的研究去證實。類似的,在IL-6-572G/C和COPD相關性研究中,既往研究表明在西班牙人種中,IL-6-572G/C可以降低人群患COPD的風險[10],但是在中國漢族人群的研究中這一結論并沒有得到證實[11]。可見,現(xiàn)有研究的結果不是一致的,造成這種結果的原因是多方面的:不同的研究設計方案、不同種族的人群以及統(tǒng)計學方法的差異等。根據(jù)目前資料推測IL-6 SNP和COPD可能相關,但這種相關性限定于某些種族的某個位點或者某些位點(單倍型)。總之,雖然IL-6 SNP和COPD是否相關尚不確定,但是深入基因、分子領域的研究將有助于更深層次的解密COPD的發(fā)病機制。

2 IL-6與COPD中炎癥的聯(lián)系

COPD是一種全身性炎癥疾病,這種炎癥的特征不僅在于中性粒細胞、肺泡巨噬細胞、淋巴細胞數(shù)量的增加,而且細胞因子、趨化因子等多種促炎介質(zhì)也會分泌增多。此外,COPD肺部炎癥的溢出會導致其他系統(tǒng)的共病。由于COPD炎癥反應的復雜性,從大量的炎性細胞及炎性介質(zhì)中尋找有效的標志物成為COPD治療的關鍵。就細胞因子而言,在大部分COPD患者的血清中能發(fā)現(xiàn)升高的IL-6、CRP等炎癥因子,而IL-6在抗炎和促炎方面發(fā)揮著重要的作用。IL-6不僅能誘導急性期反應,還能通過活化B細胞、T細胞誘導特異性細胞和體液免疫應答[12]。可見IL-6持續(xù)過量的產(chǎn)生會導致炎癥反應的失衡,對機體造成損傷。Hubeau C等通過向由香煙煙霧(cigarette smoke,CS)/Poly(I:C)(Toll-Like Receptor 3)誘導的COPD相關急性肺炎小鼠模型中注射IL-6中和抗體,觀察到實驗組小鼠中出現(xiàn)較低的淋巴細胞和單核細胞計數(shù),以及肺泡灌洗液中淋巴細胞、中性粒細胞和巨噬細胞數(shù)量的減少[13]。以上研究證實了IL-6和COPD的肺部炎癥相關,針對性降低IL-6水平可以減輕肺部炎癥。此外,Prudente R等通過對COPD病人的隨訪發(fā)現(xiàn),即使在穩(wěn)定期,部分患者IL-6水平也會持續(xù)升高[14]。而在COPD急性加重期(acute exacerbation of chronic obstructive pulmonary disease,AECOPD),血清IL-6水平急劇上升,且明顯高于穩(wěn)定期,這表明IL-6的升高可能和COPD炎癥的急劇加重有關。COPD患者肺部炎癥的急性發(fā)作常由呼吸道感染和其他環(huán)境因素觸發(fā),其中呼吸道感染大多由細菌和病毒引起。分析文獻發(fā)現(xiàn),部分細菌和病毒的感染會刺激IL-6相關基因表達的增加[3,15]。例如,銅綠假單胞菌鞭毛蛋白可以通過P38 MAPK信號通路(P38 mitogen-activated protein kinase,P38MAPK)使IL-6產(chǎn)生增多[15];而肺部流感嗜血桿菌感染可導致sIL-6R釋放增加[3]。由此我們推測在COPD由穩(wěn)定向急性加重轉變的過程中,IL-6的持續(xù)升高可能起到重要作用。然而在COPD急性加重期,過量產(chǎn)生的IL-6具體通過哪些信號通路發(fā)揮作用尚不明確,研究較多的是JAK/STAT3信號通路。Ruwanpura S M等發(fā)現(xiàn)針對性降低小鼠模型中STAT3水平可以減輕肺部炎癥,并且IL-17A(interleukin-17A,IL-17A)可以調(diào)節(jié)IL-6/STAT3信號通路介導的肺部炎癥[16]。因此,IL-6-STAT3通路、IL-17A的靶向治療可能是未來治療COPD炎癥的靶點。其他相關通路仍需要進一步研究。另外,在COPD急性加重期中性粒細胞會產(chǎn)生大量sIL-6R,這些sIL-6R通過激活mTOR復合體1(mTORC1)、STAT3等可以在不含有mIL-6R的細胞上發(fā)揮作用[3],這可能和COPD肺部炎癥的溢出有關。總之,IL-6參與了COPD慢性炎癥的維持,急性加重的驅動和全身炎癥的擴散。未來針對IL-6-STAT3等通路的研究或許會促進COPD炎癥治療的進步。

3 IL-6與肺氣腫

肺氣腫是COPD的表型之一,嚴重的肺氣腫預示著預后不良。在肺氣腫患者中,可以觀察到異常的免疫反應,然而具體分子機制尚未明確,近年來研究表明其可能和IL-6有關。肺氣腫時,IL-6表達增加,不僅可以在肺氣腫患者肺泡灌洗液中發(fā)現(xiàn)升高的IL-6,而且在肺氣腫小鼠模型中觀察到sIL-6R的過量產(chǎn)生[3,17]。在小鼠模型中,特異性增強IL-6表達,觀察到小鼠肺泡腔擴大,對IL-6基因進行敲除,則得到相反的結果[17-19]。相似的,阻斷肺氣腫小鼠模型的IL-6反式信號通路或使用反式信號通路拮抗劑進行治療,也可以觀察到肺氣腫的改善[18]。綜上可見IL-6與肺氣腫的發(fā)生發(fā)展有關。Ruwanpura SM等指出IL-6主要通過反式信號通路誘導肺泡上皮的凋亡進而導致肺氣腫,具體機制之一可能在于IL-6反式信號通路上調(diào)了AIM2/IL-1β(AIM2炎性小體/IL-1β)的表達[17]。特異性降低IL-6水平或者對其信號通路進行阻斷對改善肺氣腫具有一定幫助,未來仍需對其分子通路進一步研究。

4 IL-6和氣道黏液高分泌

氣道黏液高分泌(airway mucus hypersecretion,AMH)是COPD重要的病理特征之一,在COPD中,AMH可由炎癥、氧化應激等因素引起。黏液的分泌由黏蛋白控制,研究表明COPD中AMH主要與黏蛋白5AC(MUC5AC)和黏蛋白5B(MUC5B)有關[20]。而IL-6在調(diào)控黏蛋白5AC和黏蛋白5B的表達方面發(fā)揮著重要的作用。Wei YY等發(fā)現(xiàn)COPD患者血清中MUC5AC濃度增加與IL-6水平呈正相關,通過IL-6或IL-6Ab(IL-6中和抗體)刺激小鼠模型,可以觀察到MUC5AC蛋白表達的增加或者下降[21]。Chen Y等的研究證實了IL-6對黏蛋白MUC5B和MUC5AC基因表達的影響呈劑量依賴性,而且這種依賴性在低濃度和高濃度時都存在[22]。分析文獻推測IL-6在AMH中發(fā)揮作用的機制可能有以下幾個方面:IL-6直接或間接作用于杯狀細胞、肺上皮細胞引起氣道黏液高分泌;通過調(diào)節(jié)白介素-13、白介素-17促進黏液生成,后者可能與ERK(extracellular signal-regulated kinase)信號通路有關[20-22]。此外,最近有學者提出IL-6抗體通過誘導Nrf2(nuclear factor erythroid 2 related factor 2)核轉位顯著減輕COPD氣道黏液高分泌[21]。通過干預IL-6可能會治療COPD的AMH,但其分子機制仍需進一步探討。

三、IL-6和COPD臨床預后

1 IL-6與AECOPD

在COPD急性加重期,患者血清的IL-6較穩(wěn)定期明顯升高,Ghobadi H等根據(jù)GOLD分級標準對患者進行分類,發(fā)現(xiàn)AECOPD患者血清IL-6水平在Ⅰ～Ⅳ級均高于穩(wěn)定期水平,并且Ⅲ～Ⅳ級顯著要高于Ⅰ～Ⅱ[23]。上述研究表明IL-6和COPD的嚴重程度有關。就具體的IL-6數(shù)值而言,一項研究的數(shù)據(jù)表明血清IL-6平均值在急性加重期和穩(wěn)定期分別為(80.93 ± 33.52)ng/mL和(27.68 ± 17.27)ng/mL[24],可見兩者之間差值較大。IL-6在急性加重期和穩(wěn)定期的顯著差異暗示IL-6可能是AECOPD的有效預測因子。Song W等研究發(fā)現(xiàn)相對于PCT和CRP,IL-6預測AECOPD的ROC曲線下面積為0.773,高于CRP(0.764)和PCT(0.647),并指出當IL-6的Cut-off值為5.262時,IL-6的敏感度和特異度分別為71.7 %和78.3 %[25]。Huang H.等指出IL-6≥14.03ng/mL是預測下一年出現(xiàn)≥2次急性加重的獨立危險因素[10]。可見IL-6對于AECOPD的預測有一定的價值。頻繁的急性加重增加了患者死亡的風險,對急性加重的準確預測和對加重期間的恰當治療非常重要。而IL-6在AECOPD治療措施的選擇方面也有一定的提示作用。研究表明IL-6聯(lián)合CAT(COPD assessment test)評分對AECOPD患者48 h內(nèi)是否需要呼吸機治療具有預測價值,該研究中呼吸機治療組IL-6平均值為[(122.93±21.34) ng/mL],對照組則為[(103.69±18.51) ng/mL][26]。綜上所述,IL-6在預測COPD急性加重和急性加重期治療方案的選擇這兩方面均有一定的指導意義。

2 IL-6和肺功能

既然IL-6在肺氣腫和黏液高分泌等方面均相關,那么在肺功能方面,IL-6與COPD肺功能相關指標的變化是否也同樣有相關性。研究表明在中重度COPD穩(wěn)定期,患者痰液中IL-6的水平越高,其FEV1%pred下降的速度就越快,并且穩(wěn)定期FEV1快速下降可能和細菌慢性定植有關[10]。通過測量COPD急性加重患者治療前后血清IL-6和 FEV1的數(shù)值,可以發(fā)現(xiàn)隨著IL-6水平的下降,FEV1隨之上升[27],這表明IL-6和FEV1之間可能存在某種關聯(lián)。PINTO-PLATA等推測IL-6是反映呼吸困難和肺活量變化的最佳細胞因子[28],但是這個結論是通過統(tǒng)計學的方法得到的,仍需要更多的研究來證實。有趣的是,在有關IL-6相關的非密碼RNA方面的研究中發(fā)現(xiàn),COPD患者血清中l(wèi)ncIL-6-AS1表達水平升高,并且和肺功能指標 PEF%pred、FEV1%pred、FEV1/FVC(%)呈負相關[27]。可見IL-6與肺功能多個指標有關,也許IL-6可以作為預測未來肺功能下降指標的有益補充。

3 IL-6和COPD死亡率

血清IL-6對穩(wěn)定期COPD患者死亡率是否有影響尚存在爭議。Ferrari R等通過對穩(wěn)定期COPD患者長期隨訪發(fā)現(xiàn),IL-6與COPD患者的死亡率呈正相關,即IL-6水平越高,患者死亡的風險越大[29]。然而Prudente R等的研究卻表明在隨訪期間IL-6雖然呈進行性升高,但對死亡率卻無明顯影響[14]。對于AECOPD,分析文獻發(fā)現(xiàn),把IL-6歸為AECOPD患者死亡的獨立危險因素的研究較少。但是根據(jù)IL-6和肺氣腫、AMH之間的聯(lián)系,我們推測IL-6越高,患者病情越嚴重,預后可能不佳。這個推測需要進一步研究去論證。或許把IL-6和其他細胞因子相結合可以更好的預測COPD患者的預后和死亡風險。

四、總結和展望

IL-6作為一種調(diào)節(jié)炎癥和免疫的細胞因子,在COPD發(fā)生發(fā)展中起到重要的作用,與COPD的易感性、嚴重程度、預后等方面息息相關。IL-6不僅僅可以作為一種生物標志物用于臨床預測COPD患者的預后,更重要的是作為新的治療靶點,為COPD未來的治療提供具體的研究方向。但是目前在IL-6和COPD相關性研究中仍存在以下問題:一些領域如IL-6 SNP是否和IL-6相關尚存在爭議;在炎癥、免疫等方面IL-6具體通過哪些信號通路發(fā)揮何種作用尚不確定。因此,未來需要更多的大型基礎研究去發(fā)掘和論證IL-6在COPD發(fā)病機制中的作用。