IL-36的最新研究及其在支氣管哮喘中的作用

王曉麗 肖夏夏 張思琪 趙慧敏 孫中厚

新近研究發現IL-36參與體內多種炎癥反應,而支氣管哮喘是一種慢性呼吸道炎癥性疾病[1],通常以可逆性氣流受限、氣道高反應性和間歇性呼吸道癥狀為特征,如喘息、呼吸急促和胸悶,組織學上?？梢娛人嵝粤＜毎麧B入肺組織、粘液過度分泌和呼吸道重塑,由此推測其在支氣管哮喘的發生、發展過程中發揮了重要作用,這就為哮喘的治療提供了新的方向。在此,總結了IL-36的最新知識及其在支氣管哮喘發病中的作用為診療提供新思路。

一、IL-36家族及其拮抗劑

1.IL-36的來源及組成

IL-36位于人類染色體2q14上,與IL-1超家族的大多數成員相似,包括三種具有激動活性的蛋白質(IL-36α,IL36-β,IL-36γ),一種具有拮抗活性的蛋白質(IL-36Ra),一種具有潛在受體拮抗活性的蛋白質(IL-38)[2]。IL-36在不同細胞中的表達有所差別,一些綜述中對此做出了總結,IL-36α在上皮細胞、單核細胞、B細胞和T細胞中顯著表達;IL-36β不僅在上皮細胞、B細胞和T細胞中表達,同時在中樞神經系統的神經元和膠質細胞中也有被發現;IL-36γ主要在皮膚等不同上皮細胞中表達;IL-36Ra在皮膚、大腦、淋巴組織、B細胞和免疫細胞(包括單核細胞、巨噬細胞、樹突狀細胞)中高度表達。

2.IL-36受體拮抗劑—IL-36Ra和IL-38

IL-36Ra和IL-38對IL-36信號通路具有負調節作用。IL-36Ra通過與IL-36R結合,抑制IL-36R與IL-36激動劑識別及IL-1RAcP招募,從而抑制激動劑對受體的激活,進而發揮IL-36Ra的拮抗作用[3]。IL-36Ra主要通過阻斷IL-36R介導的MAPK和NF-κB信號通路來發揮作用。除此之外,如果暴露于白色念珠菌或曲霉菌下,IL-36Ra還可以阻斷Th17細胞相關炎癥因子的表達。IL-38基因序列與IL-1Ra和IL-36Ra的基因序列非常接近,與IL-1Ra的同源性為41%,與IL-36Ra的同源性為43%。因此,IL-38也被認為是IL-36R的一種拮抗劑[4]。體外注射IL-38可抑制人外周血單核細胞中IL-36γ的生物活性。在小鼠模型中,IL-38已被證明能改善咪喹莫特誘導的銀屑病模型中的皮膚炎癥。因此,IL-36Ra及IL-38可以作為多種炎癥性疾病的潛在治療靶點。

二、IL-36介導的信號通路

在結構上,IL-36R包含三個保守的細胞外免疫球蛋白結構域、一個跨膜結構域和一個細胞內Toll/IL-1受體(TIR)結構域[5]。IL-36R激動劑(IL-36α、IL-36β、IL-36γ)與由IL-36R和IL-1R輔助蛋白(IL-1RAcP)組成的異二聚體受體結合,而后IL-36R被激活。激活后的IL-36R可以促進IL-1RACP(被稱為IL-36R受體復合物的活性信號成分)招募,最終,IL-36通過經典的MyD88-IRAK-TRAF-TAK-TAB途徑[6]誘導炎癥反應,從而激活MAPK和NF-κB途徑,并促進經典的促炎癥細胞因子表達?？傊?IL-36細胞因子通過激活下游效應蛋白,促進炎癥基因的轉錄,最終使炎癥發生。

1.NF-κB信號通路

NF-κB家族包括五個成員: NF-κB1/p50,NF-κB2/p52,RelA/p65,Rel/c-Rel和RelB。該家族的轉錄因子可以調節多種基因的表達,這些基因參與多種生理過程,包括免疫反應,并且可以介導炎癥的發生。NF-κB在這些過程中的核心作用是通過誘導細胞因子、趨化因子和粘附分子等促炎癥介質的轉錄來招募和激活各種免疫細胞[7]。

NF-κB的激活方式包括多種途徑,包括經典和非典型途徑。經典途徑可被多種激活物激活,如促炎細胞因子、腫瘤壞死因子(TNF)、白細胞介素-1(IL-1)和脂多糖(LPS)等[7]。在經典的NF-κB途徑中,IκB蛋白可以通過掩蔽其核定位信號(NLS),將NF-κB二聚體RELA/p50在細胞質中保持非活性狀態,這可以防止RELA/p50向細胞核移位。IκB蛋白在IκB激酶(IKK)復合物作用下磷酸化,再在泛素連接酶(P-TrCP)的作用下泛素化,隨后被蛋白酶體降解。于是NF-κB得以從細胞質中的NF-κB二聚體復合物中釋放出來,并活化、暴露核定位域,形成p50/RelA二聚體,然后迅速發生核轉位,從而啟動靶基因表達,促進炎癥的發生[8]。

2.MAPK信號通路

絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated proteinkinase,MAPK)是細胞內的一類絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶。MAPK 信號轉導途徑是介導細胞炎癥反應的重要信號通路,參與了細胞的生長、發育、分裂、死亡以及細胞間多種生化反應信號的識別、傳遞以及放大等處理過程。目前研究認為 MAPK 主要由細胞外信號調節激酶 1/2 (extracellular signal-regulatedkinase,ERK 1/2)、氨基末端激酶(Jun N-lerminal ki-nase,JNK)、p38 MAPK 和 ERK 5 共4條信號轉導通路組成[9]。

p38 MAPK信號通路在炎癥反應中發揮重要作用。炎性刺激,如脂多糖( lipopolysaccharide,LPS)、腫瘤壞死因子( tumor necro sis factor,TNF)、白細胞介素1( interleukin,IL-1)、一 氧化氮( nitric monoxide,NO)、前列腺素( prostaglandin E 2,PGE 2) 等,均可通過介導單核細胞、中性粒細胞等免疫細胞激活p38(p38 MAPK通路的主要蛋白),從而引起炎性反應。該信號通路通過典型的3級激酶級聯反應激活p38,隨即可磷酸化Sta 1、MEF 2、ATF-2 等轉錄因子或下游激酶,影響靶基因的轉錄或翻譯,從而調控炎癥反應[10]。

三、IL-36的生理功能

IL-36的生理功能在多種細胞類型中得到了很好的研究。目前已有大量數據表明,體內的促炎細胞因子在平衡免疫功能和預防感染方面發揮著關鍵作用。

1.IL-36的穩態功能

研究表明,IL-36細胞因子在維持皮膚和腸道組織內穩態方面發揮著重要作用[11]。然而,在最近的研究中發現,IL-36在肺部炎癥性疾病中也發揮重要作用[12-14]。在正常的人肺成纖維細胞中,IL-36可以刺激高水平的炎性細胞因子和趨化因子的分泌,包括IL-8、CCL2、CXCL10、G-CSF、GM-CSF和IL-6。IL-36還可以增強呼吸道中的中性粒細胞炎癥反應。此外,IL-36可以刺激支氣管、內皮和肺泡上皮細胞產生炎性介質并誘導中性粒細胞和淋巴細胞的募集,從而激活纖維化途徑并導致肺纖維化[15]。

2.IL-36的炎癥作用

IL-36是白細胞介素-l(IL-l)的一個家族成員,由許多不同的細胞產生,通過激活MAPK和NF-kB通路發揮炎癥作用,與其他IL-1細胞因子家族成員類似,在炎癥反應中發揮重要作用。在與IL-36R結合后,IL-36激動劑通過激活信號通路來增加炎性細胞因子的表達和產生。IL-36主要表達于形成機體屏障結構的表皮、支氣管和腸道上皮細胞,并在這些組織部位平衡促炎和抗炎細胞因子的產生。IL-36信號失調是自身免疫性疾病和炎癥性疾病發展的重要病因。除了在諸如牛皮癬等炎癥性皮膚病[16]中發揮重要作用外,新的證據表明,異常的IL-36活性也會促進肺、腎臟和腸道的炎癥性疾病[17],這強調了IL-36作為常見炎癥性疾病治療靶點的潛力。

四、IL-36在支氣管哮喘中的作用

支氣管哮喘是最常見、最持久的炎癥性氣道疾病,影響超過10%的世界人口。其特點是支氣管狹窄、氣道高反應性、肺部慢性炎癥,導致反復出現呼吸困難、喘息、胸悶和咳嗽。經典理論認為Th1細胞免疫減弱而Th2細胞免疫增強的Th1/Th2細胞失衡是哮喘發病的關鍵機制。Th1與Th2均來自于CD4+T細胞的細胞亞群,相互制衡。正常情況下,在機體內達到動態平衡。Th1細胞介導遲發型變態反應,主要分泌1L-2和IFN-γ等細胞因子,活化吞噬細胞清除細胞內的病原體。Th2細胞介導速發型變態反應,主要分泌IL-4、IL-5、IL-10和IL-13等細胞因子,促進IgE的產生及嗜酸細胞的活化,參與體液免疫應答,清除細胞外的病原體[18]。

IL-36R可由多種免疫細胞和非免疫細胞表達[19]。在免疫細胞中,T淋巴細胞、巨噬細胞和樹突狀細胞均可表達IL-36R。CD4+T細胞中Th1和Th2中表達相對較高水平的IL-36R mRNA,提示IL-36可能影響T細胞的分化。由CD4+T細胞產生的Th2細胞因子,如IL-4、IL-5和IL-13,這些細胞因子參與肺嗜酸性粒細胞增多、粘液高分泌和氣道高反應性。在功能上,IL-36細胞因子誘導T細胞增殖、活化和IL-2分泌。此外,IL-36細胞因子被認為與IL-12一起促進T細胞分化,并促進T細胞產生IL-4和IL-17。IL-36也激活巨噬細胞和朗格漢斯細胞。在骨髓樹突狀細胞中,IL-36引起促炎細胞因子的釋放,如IL-1β、IL-6、IL-12、IL-23和TNF,可能驅動先天和適應性免疫反應。另外,IL-36促進協同刺激分子CD80和CD86在骨髓樹突狀細胞上的表達,這些分子已知可驅動T細胞活化。角質形成細胞、成纖維細胞和上皮細胞可以被IL-36激活,這表明IL-36可能主要參與免疫反應的激活[20-21](圖1)。

圖1 IL-36細胞因子調節T淋巴細胞的分化,調節嗜中性粒細胞、嗜酸性粒細胞和巨噬細胞的功能,誘導細胞因子和趨化因子的產生,導致嗜中性粒細胞和嗜酸性粒細胞浸潤,參與哮喘炎癥的發病機制

五、IL-36作為治療支氣管哮喘的新靶點

支氣管哮喘是呼吸系統的一種慢性炎癥性疾病,其發病率有增加的趨勢。對于兒童哮喘的治療,吸入糖皮質激素是目前唯一有效的治療方法。然而,糖皮質激素會導致兒童骨密度降低,影響生長發育。因此,研發更有效的兒童哮喘治療方法是迫切和必要的。不同類型的免疫細胞和促炎細胞因子參與了哮喘的發展。因此,免疫抑制有望成為治療哮喘的一種新策略。已經證明,IL-37可以抑制哮喘的發展[22],而在最近的研究中發現,IL-36能促進哮喘的發展,因此可以通過抑制IL-36通路的激活來減輕哮喘患者的氣道炎癥反應,從而實現對哮喘的治療。 而針對IL-36信號通路的藥物正在研究中,未來有望應用于支氣管哮喘的治療(表1)。

表1 針對IL-36信號通路制劑的作用機制及其在臨床中的應用

1.IL-36Ra

多項研究表明,過敏性鼻炎是過敏性哮喘的常見共病,并與哮喘嚴重程度增加有關。過敏性鼻炎和過敏性哮喘患者與健康對照組相比,IL-36α、IL-36β、IL-36γ、IL-36RA和IL-38的血清濃度和mRNA表達水平均顯著升高[23]。有研究觀察了IL-36在兒童哮喘患者中的作用,發現與健康對照組相比,哮喘患者(特別是中度哮喘患者)IL-36Ra水平下調。IL-36Ra可降低哮喘患者外周血單個核細胞和痰細胞中促炎介質(IL-1、IL-6、IL-17、TNF)的表達[23]。在卵白蛋白誘導的哮喘小鼠模型中,IL-36Ra的使用改善了支氣管哮喘的氣道高反應性和炎癥,這表明調節IL-36信號通路可能用于哮喘的治療[23]。IL-36Ra作為促炎受體IL-36R的拮抗劑,主要通過抑制IL-36R/NF-κB途徑發揮抗炎活性(圖2),那么其通過抑制IL-36途徑的激活來緩解哮喘中的氣道炎癥反應,而發揮其在過敏性哮喘中的抗炎作用。

圖2 促炎細胞因子、腫瘤壞死因子(TNF)等與相應受體結合后,IkB蛋白在IkB激酶(IKK)復合物作用下磷酸化,隨后被蛋白酶體降解,于是NF-κB得以從細胞質中的NF-κB二聚體復合物中釋放出來,然后迅速發生核轉位,從而啟動靶基因表達,促進炎癥的發生。IL-36Ra與IL-36R結合后,可以上調IκB蛋白水平,從而抑制NF-κB通路的激活,并改善氣道炎癥情況

2.IL-38

IL-38基因序列與IL-1Ra和IL-36Ra的基因序列非常接近,與IL-1Ra的同源性為41%,與IL-36Ra的同源性為43%。因此,IL-38也被認為是IL-36R的一種拮抗劑[24]。已經有研究證明,無論是否接受糖皮質激素治療,學齡期過敏性哮喘患者的血清IL-38水平均顯著高于健康對照組[25]。將IL-38注射到由屋塵螨(HDM)誘導的哮喘小鼠腹腔內,可以發現肺嗜酸性粒細胞積累減少及Th2細胞相關的細胞因子(IL-4,IL-5,和IL-13)表達下降,從而改善氣道高反應性[26](圖3)。與體外研究相一致,IL-38通過減少過敏性哮喘小鼠嗜酸性粒細胞趨化因子(CCL11)的產生,抑制嗜酸性粒細胞向肺的遷移[25]。與IL-36Ra類似,低濃度的IL-38通過在熱滅活白色念珠菌刺激下與PBMC上的IL-36R結合,來抑制記憶Th17相關的IL-17和IL-22的產生,這種低劑量抑制表明IL-38是一種非經典的IL-1受體拮抗劑。

圖3 IL-38可以抑制嗜酸性粒細胞趨化因子和Th2細胞的積累,并抑制Th2相關細胞因子L-4、IL-5和IL-13的釋放。此外,IL-38通過下調p38、ERK1/2 和NF-KB通路,抑制嗜酸性粒細胞的活化,從而導致細胞間黏附分子-1、促炎細胞因子和趨化因子的表達顯著降低,進而改善氣道過敏性炎癥

3.p38 MAPK及NF-κB信號通路抑制劑

p38 MAPK及NF-κB信號通路作為IL-36的下游信號通路,阻斷其傳導或許同樣可以達到治療支氣管哮喘的目的。有相關研究發現[7],抑制p38 MAPK的活性可抑制哮喘小鼠的氣道炎癥反應,明顯減輕哮喘小鼠的免疫失衡,而NF-κB誘導多種促炎細胞因子的表達,包括IL-4和IL-17等,它們是哮喘發生和炎癥反應發展的關鍵細胞因子。這都表明p38 MAPK及NF-κB抑制劑在哮喘治療中的潛在應用價值。

六、總結與展望

糖皮質激素和支氣管擴張劑是目前治療支氣管哮喘最常用的藥物[27]。在細胞水平上,糖皮質激素可以增加β-腎上腺素能反應,減少氣道中的炎癥細胞,并改善臨床癥狀。但對糖皮質激素不敏感型的患者治療效果非常有限,而且長時間的使用會對兒童患者帶來一些副作用[28]。那么對一些特殊人群,尤其是激素抵抗型哮喘患者的治療,將需要探尋新的治療靶點。

細胞因子IL-36和IL-38是IL-1家族中相對較新的成員,它們不同程度的參與了特應性皮炎、過敏性哮喘和過敏性鼻炎的發病機制。它們在過敏患者或哮喘小鼠模型的呼吸道中的失調和差異表達促使人們研究它們在過敏反應中的重要性和確切作用。IL-36通過激活MAPK和NF-kB通路發揮炎癥作用,因此可以將這兩條通路作為媒介來探索IL-36在哮喘治療方面的巨大潛力。