白细胞介素-37的抑炎机制及其在疾病中的作用

2022-09-24

摘要IL-37属于细胞因子IL-1家族，有IL-37a—IL-37e共5种不同的亚型。近年来研究发现，IL-37是一种抑制炎症的双功能细胞因子，既可以直接在细胞内进入细胞核发挥作用，也可以分泌至细胞外，作用于自身或周围细胞的膜受体。此文就IL-37的主要生物学活性及其抑制炎症的相应机制，以及IL-37在临床上的应用研究进行综述，以期为临床抑炎治疗提供新思路和新靶点。正文细胞因子为免疫细胞及组织细胞分泌的一类小分子蛋白，通过结合相应受体，调节细胞生长、分化并发挥其生物学效应，调控免疫应答；同时还参与炎症等多种疾病的发生、发展与结局，如在新型冠状病毒感染的部分患者中，因细胞因子风暴引发了急性呼吸窘迫综合征，死亡率极高。研究发现，IL-37作为一种新型抑炎细胞因子，具有高度抑制炎症过度发生的生物效应，其在流感、变应性鼻炎（allergic rhinitis，AR）AR）等常见的疾病中发挥了重要作用[1-3]。本文就IL-37的主要生物学功能、抑炎机制及临床应用基础研究的新进展进行综述。1IL-37的生物学性状IL-37最早由Bufler[4]于2000年通过生物信息学分析发现，并被命名为IL-1F7；2001年被证实是IL-1家族的第7个细胞因子，2010年被更名为IL-37。人IL-37基因位于2号染色体上，编码段全长3 kb，主要含有6个外显子，有5种剪切异构体（IL-37a—IL-37e），均不包含典型的信号肽。其中IL-37b基因包含相对最完整的一套外显子，能够编码218个氨基酸残基，可翻译出相对分子质量24 000的蛋白质[5]。IL-37b和IL-37c的外显子1可编码潜在的胱天蛋白酶1（caspase-1，Cas1）切割位点，其与IL-37的核移位有关。若抑制了Cas1或者将IL-37b中的天冬氨酸残基突变为丙氨酸残基，则能阻止IL-37的核移位[6]；体外重组IL-37前体经Cas1切割后成熟，但IL-37c的切割位点由于折叠异常而无活性。2IL-37的抑炎作用及其可能机制IL-37涉及的信号通路见图1。2.1IL-37在细胞外的抑炎作用机制2.1.1 与IL-18结合蛋白（IL-18 binding protein，IL-18BP）的结合作用促炎细胞因子IL-18与IL-18受体（IL-18 receptor，IL-18R）结合可诱导核因子κB（nuclear factor κB，NF-κB）的激活，促进IFN-γ的合成和释放[1]，从而促使T细胞活化与增殖，启动适应性免疫。研究发现，IL-37的前体可以和IL-18Rα结合，阻碍了IL-18与IL-18R结合。因此，IL-37可通过与IL-18竞争受体的方式达到抑制炎症反应的效应。同时，IL-37的前体经Cas1加工后，形成的IL-37b成熟体与前体的活性相类似，即IL-37成熟体也可与IL-18Rα结合，且结合能力相较于其前体更强。此外，IL-37成熟体还可以与IL-18BP结合，IL-18BP是IL-18的天然抑制剂，IL-37与IL-18BP结合后，对L-18的抑制作用显著增强。IL-37与IL-18Rα的结合并未影响IL-18Rβ，总体而言，对IL-18的生物学活性抑制相对较弱；IL-37成熟体与IL-18BP结合，对IL-18的生物学活性抑制更强，为IL-37在细胞外抑制炎症的主要形式。2.1.2 与IL-1受体8（IL-1 receptor 8，IL-1R8）的结合作用目前尚无IL-37与IL-1R8直接结合的证据，但Nold-Petry等[7]用生物荧光共振能量转移和基态耗竭超分辨显微镜已经观测到IL-37-IL-18Rα-IL-1R8表面三联复合物，而在缺乏IL-18Rα或经抗IL-18Rα抗体阻断处理的细胞中，IL-18Rα对促炎刺激有高反应性，间接表明IL-37可与IL-18Rα结合。现有推测认为，IL-37与IL-18Rα形成复合体后，与IL-1R8结合能力和速度明显增强，在细胞表面很快形成短暂结合的IL-37-IL-18Rα-IL-1R8三联复合体。IL-1R8含有Toll/IL-1受体结构域（Toll/IL-1 receptor domain，TIR），在IL-1R8结合IL-37后，TIR会发生改变，与TIR连接的髓样分化因子88（myeloid differentiation factor 88，MyD88）的信号转导能力减弱或消失，而MyD88参与TIR的信号转导。因此，IL-37与IL-1R8的结合会削弱TIR通路的信号传导[8-9]。另外，MyD88促进IL-1受体激活蛋白和TNF受体相关因子的磷酸化，并可激活多条重要的信号通路，其中一条通路可以促进丝裂原激活蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）的活化，并由其促进激活蛋白1（activator protein 1，AP-1；又称促炎转录因子）的形成；同时，MyD88下游通路还可激活转化生长因子-β，随之活化IκB激酶β，继而触发NF-κB通路。由此可知，IL-37-IL-18Rα-IL-1R8表面三联复合物可以抑制促炎转录因子AP-1和NF-κB通路的激活[10]。2.1.3 对Notch信号相关蛋白的调节 Notch信号在机体众多生理过程中都有重要作用，可以诱导T细胞的增殖分化，还可以促进胸腺天然Treg的产生并发挥或增强其功能。Ebens和Mailard[11]研究表明，Notch信号可以保护小鼠抵抗肿瘤的侵袭，Notch信号还可以影响Ⅰ型巨噬细胞（M1）的极化，影响炎症反应。Zhou等[12]的报道指出，脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）刺激Toll样受体4，激活Notch1受体，金属蛋白酶切割 Notch1受体的胞外区域，继而γ-分泌酶切割 Notch受体的膜内部分释放出活性部分Notch1胞内区域1（Notch1 intracellular domain 1，NICD1），随后NICD1与IκB激酶相互作用，导致NF-κB的激活。但IL-37可以抑制NICD1的生成和NF-κB的激活，从而减弱M1极化，抑制炎症反应。2.2IL-37在细胞内的抑炎作用机制类似于IL-1家族的另两个双功能细胞因子IL-1α和IL-33，内源性的IL-37可以移位并调节基因的表达，但较前两者，IL-37的核定位能力相对较弱。目前研究发现，IL-37包含一个Cas1切割位点[6]。Nold等[13]观察到，当细胞接收到促炎信号时，细胞内的IL-37前体水平上升，被激活的Cas1裂解IL-37前体，暴露出IL-37羧基结构域，并与内源性Sma和Mad相关蛋白3（Sma- and Mad-related protein 3，Smad3）结合。一旦IL-37-Smad3复合体磷酸化后，随即迁移至细胞核，内源性Smad3对IL-37产生的抑炎活性有重要作用。结果显示，与野生型小鼠相比，IL-37转基因小鼠的循环系统和组织中细胞因子量较少，树突状细胞（dendritic cell，DC）活化程度也较低。当内源性Smad3耗尽时，转基因小鼠表现出的细胞因子抑制现象较弱。进入细胞核后，IL-37-Smad3复合体与IFN-γ的启动子结合，抑制IFN-γ的正调节蛋白T细胞表达T盒（T-box expressed in T cell，T-bet）的表达，进一步调节体内趋化因子的表达。IL-37-Smad3复合体进入细胞核后，抑制Toll样受体诱导的促炎细胞因子IL-1α、IL-1β等的产生，使其下游的NF-κB和MAPK信号通路激活受阻，从而抑制促炎细胞因子和趋化因子COX-2、IL-6、TNF-α等的转录[14]，达到免疫抑制的效果。IL-37b-Smad3复合体还可以抑制c-Jun N端激酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK）以及MAPK的磷酸化作用，JNK是IL-1诱导的促炎转录因子AP-1的一部分，而抑制MAPK的磷酸化可以下调外周血单个核细胞（peripheral blood mononuclear cell，PBMC）中Th2型细胞因子的表达，从而抑制嗜酸性粒细胞的阳离子蛋白表达，减少了局部炎症细胞的浸润。这些进一步表明，IL-37具有抑制炎症的作用。2.3IL-37与免疫细胞间的相互作用IL-37与DC、巨噬细胞和肥大细胞（mast cell，MC）等主要固有免疫细胞相互作用后，可以抑制抗炎性细胞因子的表达，具有抑制固有免疫和适应性免疫应答的双重作用。如图2所示，IL-37可以减少DC表面蛋白CD86和MHC Ⅱ类分子的表达量，抑制成熟T细胞的形成，导致Th1/Th17的形成减少；同时，IL-37可以抑制IL-33与肿瘤发生抑制因子2受体结合，抑制MC释放炎症因子；此外，IL-37与巨噬细胞上的IL-1R8受体结合后，促进了巨噬细胞从促炎亚型（M1）向抑炎亚型（M2）的极化，产生抑制IL-1β的表达的效应。2.3.1 IL-37与DC的相互作用 Zhang等[15]研究证实，IL-37可以诱导DC获得免疫耐受功能从而抑制特异性免疫应答。在炎症条件下，IL-37释放抑制DC分泌IL-1β、IL-6和IL-12等炎性细胞因子，促进抑制免疫效应的细胞因子IL-10的分泌[16]。在DC致敏期，IL-37的表达可减弱DC启动超敏反应的能力，使更多的DC处于半成熟或未成熟状态，从而减少被DC激活的幼稚T细胞和抗原特异性T细胞数量，增加DC诱导的Treg的数量，增强Treg在致敏期的活化[17]。但IL-37不能阻断所有的固有免疫功能，即IL-37仅是降低了DC表面蛋白CD86和MHC Ⅱ的表达量，减少被激活DC的数量，以达到延缓抗原呈递的效应。因被激活的DC数量下降，所以下游的F4/80+巨噬细胞、CD161+细胞、CD4+ T细胞被激活的数量随之减少。综上所述，IL-37通过抑制DC的活化，延缓抗原呈递的剂量和过程，产生了抑制适应性免疫应答的效应。2.3.2 IL-37与巨噬细胞的相互作用巨噬细胞是机体固有免疫系统中的重要细胞成分，起到免疫哨兵的作用，协助维持机体内稳态。M1和M2是巨噬细胞两种常见活化表型[18]。IL-37能强烈地影响巨噬细胞的数量和功能。Li等[19]研究结果显示，采用重组IL-37干预的LPS实验组中，M1的MAPK激活受到明显抑制。实验中，与未受刺激的对照组细胞相比，暴露于LPS的M1中p38/MAPK磷酸化显著增强；而经IL-37预处理的M1中MAPK磷酸化增强效果较弱；同时，LPS诱导的细胞外调节蛋白激酶和JNK磷酸化增量也显著减少。另外，LPS激活Toll样受体4导致下游MAPK激活和JNK磷酸化，在IL-1R8缺陷的细胞中，LPS的影响作用明显增强并延长。由此推测，IL-37可以通过与IL-1R8结合，以MyD88抑制TIR的信号传导，从而减少MAPK磷酸化。此外，IL-37能促进巨噬细胞从M1向M2的极化[20]，而信号转导及转录激活因子（signal transdution and activator of transcription，STAT）3通路是诱导M2分化的关键途径；STAT3可能是M2极化调节通路中IL-37的潜在靶点。但也有研究人员认为，IL-37通过 Notch1/NF-κB途径调节巨噬细胞极化[12]。Wang等[21]研究发现，IL-37可通过激活巨噬细胞，抑制IL-1β的表达，从而抑制IL-1β介导的炎症。2.3.3 IL-37与MC的相互作用 MC通过脱颗粒分泌大量血管活性物质、趋化物质和炎性化合物，参与炎症和免疫应答。IL-33是一种促炎性细胞因子[22]，可以和MC表面的肿瘤发生抑制因子2受体结合，诱导MC活化、脱颗粒，释放组胺、蛋白酶和趋化因子等物质。陶文婷[23]研究发现，IL-37可以抑制由IL-33诱导的MC活化释放的炎症因子，从而达到间接抑制MC的效果。同时IL-37能抑制MAPK相关通路，并使MC的活性降低，达到调节炎症和免疫应答的作用。但IL-37与MC间的调节作用并非单向，而是相互调节。有报道称，MC可以分泌肝素，肝素能促进IL-37形成同型二聚体后随之活性丧失[24]。IL-37与MC间的相互作用仍待进一步研究。 3IL-37在多种疾病中的作用3.1AR AR是一种慢性气道炎症疾病。当患者接触过敏原后，可由特异性IgE介导多种免疫活性细胞和相关细胞因子参与应答，最终出现大量炎症细胞因子的释放。Wang等[21]研究发现，在AR患儿的鼻腔灌洗液中，IL-37b表达显著降低，证实IL-37通过下调STAT3信号和STAT6信号通路，促使IL-4、IL-6、STAT3、STAT6磷酸化水平降低，抑制了Th2和Th17细胞表达，达到抑制AR恶化的功效。王亚茹[2]研究结果显示，AR患者的炎性细胞因子，如IL-1β、IL-6和IL-17水平明显高于对照组，而IL-4、IL-10、IL-27及IFN-γ等细胞因子水平则明显低于对照组；AR患者血清中的IL-37与IL-1β、IL-6和IL-17水平存在负相关性，而与IL-4、IL-10、IL-27和IFN-γ等水平存在正相关性；采用重组人IL-37（recombinant human interleukin-37，rhIL-37）干预后，实验组IL-1β、IL-4、IL-6、IL-10、IL-17、IL-27、IFN-γ、TGF-β1指标更加趋向于对照组，以200 ng/ml实验组干预的PBMC中，各细胞因子变化水平相较于100 ng/ml组各指标变化更显著。可以推测，IL-37表达水平的下降，破坏了Th1/12、Th17/Treg平衡，调节性抑炎细胞因子水平降低，最终可引发AR。使用rhIL-37干预可以改善细胞因子水平，或可以减轻AR的症状，这为治疗AR提供了新思路。3.2流感Zhou等[3]发现，甲型流感病毒（influenza A virus，IAV）感染者血清和PBMC中IL-37水平均高于健康人。他们在经rhIL-37预处理的人肺癌细胞A549细胞株中加入H3N2亚型的IAV悬液感染细胞3 h后，与对照组相比，IAV悬液RNA的水平明显受到抑制，且在感染IAV后释放到细胞培养上清液中的IL-37显著减少，显示IL-37具有显著抑制IAV增殖复制的作用，具体作用机制有待进一步研究。3.3脊髓损伤脊髓损伤是一种破坏性的神经疾病，除了最初对脊髓创伤造成的组织损伤，在脊髓发生损伤后，一系列炎症介导的退行性变化会造成脊髓的二次损伤。研究表明，与野生型小鼠相比，表达全长rhIL-37的转基因小鼠脊髓损伤后运动障碍症状减轻，且行动能力明显恢复。在小鼠体内转基因表达rhIL-37可以减轻脊髓损伤后的炎症反应，并防止继发性组织损伤，说明rhIL-37对损伤的脊髓神经系统具有保护作用[25-26]。Zhang等[15]研究发现在生理条件下，IL-1R8在内皮细胞和小胶质细胞中表达，在IL-1R8缺陷型的小鼠中，IL-37对脊髓损伤的保护作用十分有限。结果表明，IL-37的保护作用依赖细胞膜上IL-1R8受体，且IL-37对脊髓的保护作用主要通过细胞外途径。另外，该实验显示，小鼠体内转基因表达rhIL-37降低了促炎细胞因子的水平，如IL-6、TNF-α、IL-1α、IL-1β和IFN-γ，并减少了巨噬细胞、小胶质细胞和粒细胞在损伤脊髓中的聚集。IL-37可以保护损伤后炎症反应影响的组织，增加组织保存量，并改善运动恢复。IL-37介导的脊髓组织抑炎现象仅在炎症细胞中被观察到，组织部位发生病变是IL-37发挥作用的必要条件[26]。相比于全身给药，IL-37更适用脊髓鞘内注射。如果采用全身给药的方案，由于IL-37需要通过血脑屏障，需要提高IL-37剂量，而这容易使IL-37形成二聚体，无法与细胞上的IL-1R8结合，限制IL-37的抑炎功能，最终出现IL-37在全身应用时无效的现象。因此，IL-37应该在急性脊髓损伤患者的鞘内注射，以介导治疗作用。3.4哮喘哮喘是一种临床常见的慢性气道炎症性疾病。研究发现IL-37具有负向调控气道上皮细胞和巨噬细胞的数量等功能，从而减缓哮喘的炎症反应强度[27]。Lv等[28]的体外研究发现，IL-37b可抑制粉尘螨诱导的人肺癌细胞A549细胞株、小鼠肺泡上皮细胞系MLE-12细胞和巨噬细胞产生的促炎细胞因子IL-6，并可通过负向调控作用下调气道炎症反应。Raedler等[29]在过敏性支气管哮喘儿童的PBMC中观察到IL-37b的表达量低于健康儿童对照组。由此可见，IL-37b在哮喘中不仅是炎症反应的负向调节因子，也对气道的过敏性反应具有一定的抑制作用。3.5肾癌肾癌是起源于肾小管上皮细胞的肾占位性病变，其中肾细胞癌（renal cell carcinoma, Rcc）是肾癌中最常见的类型，IL-37已被观察到在肾功能和抗肿瘤活性方面具有关键作用。Jiang等[30]探讨了IL-37在Rcc中的作用，发现Rcc患者的IL-37表达水平下降，并与肿瘤生长的进展呈负相关。在体外，加入rhIL-37培养Rcc细胞系A498和Caki-1的试验结果表明，IL-37可促进Rcc细胞凋亡，同时抑制Rcc细胞的迁移和增殖；同时，与癌细胞增殖相关的IL-6、缺氧诱导因子1a、B细胞淋巴瘤/白血病-2基因、细胞周期蛋白D1的表达量也受IL-37的影响降低。在体内，IL-37能抑制Rcc细胞的生长和IL-6、缺氧诱导因子1a的表达，其作用机制可能为IL-37抑制IL-6/STAT3信号通路产生了抑制肿瘤效应。3.6肺癌肺癌是世界范围内死亡率最高的癌症之一，非小细胞肺癌占所有肺癌的80%~85%。目前的研究证实，IL-37对非小细胞肺癌的发生发展具有较强的抑制作用，并能够改变该肿瘤细胞的某些生物学特性。Chen等[31]通过外源性IL-37试验发现，IL-37可诱导人肺癌细胞A549细胞株凋亡，并抑制其增殖、迁移和侵袭。Jiang等[32]进一步研究发现，IL-37可通过IL-6/STAT3信号通路抑制A549细胞株在非小细胞肺癌中的侵袭和迁移。其次，IL-37对非小细胞肺癌的抑制作用与上皮间质转化有关。Lee等[33]的研究发现，肿瘤微环境中Treg的增加与肿瘤大小相关，Treg可以通过协助癌细胞逃离宿主免疫监视而促使肿瘤进展。同时有研究表明，与对照组相比，转染pEGFP-IL-37质粒组形态变化不明显，波形蛋白和N-钙黏蛋白表达水平下降，上皮细胞钙黏蛋白表达水平升高，表明IL-37具有抑制Treg的趋化作用，以利于机体对肿瘤细胞的清除[31,34]。4 结语与展望IL-37 作为一个双功能细胞因子，可以在炎症发生时，抑制促炎细胞因子的表达，具有抑制过度炎症反应的作用。IL-37的这种作用在细胞内主要通过与Smad3形成IL-37-Smad3复合体，发生核移位，调节基因转录、细胞代谢和细胞增殖，调节炎症因子表达；在细胞外，IL-37还可以与IL-18BP结合，抑制IFN-γ的合成；与IL-1R8结合，使IL-1R8的TIR改变，阻断或者削弱MyD88在TIR通路中的信号传导，从而发挥抑制炎症的作用。同时，IL-37可以抑制DC的活化，延缓抗原呈递的过程，并可促进巨噬细胞从促炎亚型向抑炎亚型的极化；从而抑制适应性免疫应答。IL-37在AR、肺癌等疾病过程中都发挥着重要功能，但是对于与IL-37发生作用的具体受体（如Notch1）参与的信号通路，发挥作用的信号转导机制（如IL-37与TIR通路的具体关联）仍然需要进一步研究，且与其他免疫相关细胞因子相互作用的分子机制等仍未完全阐明。目前全球流行的新型冠状病毒肺炎中，新型冠状病毒感染可导致免疫系统的过度激活引发细胞因子风暴，严重威胁生命健康，亟待寻找有效平衡免疫应答与病理性细胞因子风暴发生的治疗方案。IL-37具有抑制炎症的作用，此给重症病毒性肺炎治疗提供了新的思路。作者何浩1 陈杰2 蒋敏之2，3 吴博2，3 许智勇2，3 张俊玲2，3，4 何茂章2，3，4 王明丽2，3，4，51安徽医科大学第二临床医学院，合肥 230032；2安徽医科大学中央与地方共建生物医学工程实验室，合肥 230032；3芜湖天明生物技术有限公司研发部，芜湖 241000；4安徽医科大学微生物学教研室，合肥 230032；5安徽医科大学临床医学院，合肥 230032通信作者：王明丽，Email:1952987441@qq.com引用本文：何浩，陈杰，蒋敏之，等. 白细胞介素-37的抑炎机制及其在疾病中的作用 [J]. 国际生物制品学杂志, 2022, 45(4):234-240. DOI: 10.3760/cma.j.cn311962-20211129-00078专家简介王明丽（安徽医科大学教授）:从事医学微生物学与免疫学教学工作40余年。长期致力于病毒学和临床微生物学研究，近年着重人畜共患病及科技成果转化与产学研合作等。曾获首批安徽省高等学校拔尖人才称号；曾任安徽省微生物学会副理事长、中华医学会安徽省微生物学与免疫学分会主任委员、中国微生物学会理事及干扰素与细胞因子分会副主任委员。2013年荣获合芜蚌自主创新综合改革示范区创新人才奖；2014年获教育部产学研优秀示范案例；共获省部级科技奖7项；获授权国家发明专利20余项，已经成功转化5项。2016年获得中国发明协会授予的“第九届发明创业奖·人物奖”证书。《国际生物制品学杂志》为中华医学会系列杂志，创刊于1978年10月，目前由中华人民共和国国家卫生健康委员会主管、中华医学会和上海生物制品研究所有限责任公司主办。现任主编李秀玲，编委团队共75人，审稿专家101人。本刊重点介绍国内外生物制品学领域的新进展、新动态、新技术和新成就，设有述评、综述、论著、短篇论著、病例报告、学习交流、国际会议介绍等栏目。投稿流程：登录中华医学会杂志社远程稿件管理系统http://cmaes.medline.org.cn，选择《国际生物制品学杂志》进行投稿。