Th17細胞及白細胞介素17A在慢性氣道炎癥性疾病中的作用*

周宏斌， 陳志華， 李 雯

(浙江大學醫(yī)學院附屬第二醫(yī)院呼吸科，浙江 杭州 310009)

1000-4718(2012)03-0560-05

2011-08-04

2011-12-02

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)(No.2009CB522103)

△通訊作者 Tel：0571-87783729; E-mail: liwenzjhz0408@163.com

·綜述·

Th17細胞及白細胞介素17A在慢性氣道炎癥性疾病中的作用*

周宏斌， 陳志華， 李 雯△

(浙江大學醫(yī)學院附屬第二醫(yī)院呼吸科，浙江 杭州 310009)

長期以來，人們對于T淋巴細胞的研究集中在輔助性T細胞1型、2型(Th1、Th2)、調(diào)節(jié)性T細胞(Treg)以及細胞毒性T細胞(Tc)等亞群上。傳統(tǒng)理論認為，Th1細胞介導細胞免疫，在抗胞內(nèi)菌感染的過程中發(fā)揮作用；而Th2細胞介導體液免疫，與過敏性疾病以及抗寄生蟲感染的過程緊密相關。Th1/Th2失衡被認為是許多疾病產(chǎn)生和發(fā)展的重要因素。然而，近年來發(fā)現(xiàn)的另一種Th細胞——Th17細胞及其分泌的細胞因子IL-17A對Th1/Th2模型在許多疾病中的地位發(fā)起了挑戰(zhàn)。目前，人們已經(jīng)認識到Th17/IL-17A在神經(jīng)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)的多種疾病中發(fā)揮重要作用。本文將對Th17/IL-17A的結構、功能及其在慢性氣道炎癥性疾病中的研究進展做一綜述。

1 Th17/IL-17A概述

1.1Th17細胞的發(fā)現(xiàn) 受到經(jīng)典的Th1/Th2假說的影響，過去人們將自身免疫性疾病歸于Th1細胞介導的疾病。然而，在實驗性自身免疫性腦脊髓炎(experimental autoimmune encephalitis,EAE)模型中，將Th1型細胞因子IFN-γ敲除后，小鼠EAE癥狀加重，提示在Th1之外還有別的因素參與EAE的發(fā)病[1]。進一步研究發(fā)現(xiàn)，Th1型細胞因子IL-12的p35亞基缺失仍然能夠產(chǎn)生EAE，而IL-12的p40亞基或IL-23的p19亞基缺失的小鼠對EAE具有抵抗性(其中p40亞基為IL-12和IL-23共有)[2]。在此基礎上，Harrington等[3]以及Park等[4]通過一系列研究，于2005年首先明確了一類新型T細胞的存在。該類T細胞可由IL-23誘導產(chǎn)生，自身不分泌Th1或Th2型細胞因子，也不被Th1或Th2型細胞因子所抑制。由于這類T細胞能夠分泌IL-17A，因此被稱為Th17細胞。在EAE模型中，是Th17細胞而不是Th1細胞起到?jīng)Q定性作用。

1.2IL-17A的結構和來源 IL-17A最初從嚙齒類動物的T細胞文庫中得到，被稱為細胞毒性T細胞抗原8(CTLA-8)。人類IL-17A由155個氨基酸組成，與小鼠IL-17A(含147個氨基酸)有63%的同源性。IL-17家族包含6個成員，即IL-17A～F。所有IL-17家族成員在其肽鏈C端均含有4個半胱氨酸殘基，在空間上形成一個特定的結構，稱為半胱氨酸結(cysteine knot)[5]。其中IL-17F與IL-17A的同源性較高，因此具有類似的功能。IL-17A多以二聚體的形式存在，且可與IL-17F形成異源二聚體。

一般認為，CD4+Th17細胞是IL-17A的主要來源。除了Th17細胞外，尚有γδT細胞、NKT細胞、CD8+T細胞、單核細胞、中性粒細胞等均可產(chǎn)生IL-17A，并在不同的免疫過程中發(fā)揮各自的作用[6]。

1.3Th17細胞的分化發(fā)育 與Th1、Th2細胞一樣，Th17細胞同樣由幼稚T細胞(Na?ve T cell)分化發(fā)育而來，其過程受到一系列分子的調(diào)控。Veldhoen等[7]的研究發(fā)現(xiàn)，在小鼠的幼稚T細胞向Th17分化過程中，IL-6和TGF-β是必不可少的。IL-6和TGF-β通過活化Smad2/3、STAT3、NF-κB等信號分子，最終誘導Th17細胞大量產(chǎn)生。在這一過程中，特異性轉錄因子RORγt的表達明顯增加。然而，目前這一觀點也受到了質(zhì)疑。Das等[8]現(xiàn)已證明在Stat-6-/-T-bet-/-小鼠中，IL-6足以誘導Th17的產(chǎn)生。這說明TGF-β并非是不可或缺的因子。

與小鼠不同，研究者普遍認為，人類Th17細胞的分化發(fā)育不需要IL-6和TGF-β的聯(lián)合作用，而IL-23和IL-1β在此過程中發(fā)揮重要作用。Wilson等[9]的研究發(fā)現(xiàn)IL-23或IL-1β就足以誘導Th17細胞的產(chǎn)生，不需要外源性的TGF-β。而Volpe等[10]和Yang等[11]卻認為TGF-β是人類Th17細胞分化發(fā)育的必要條件。IL-23最初被認為是誘導Th17細胞產(chǎn)生的關鍵因素，然而目前認為它在Th17細胞早期分化中并非必需的，而是在Th17細胞的擴增、維持和生存過程中起到重要的作用(尤其是對于小鼠而言)[12]。

除了上述促進Th17細胞分化發(fā)育的因子外，Th1和Th2型細胞因子，如IFN-γ、IL-4及其特異性轉錄因子T-bet、GATA3等能抑制Th17細胞分化發(fā)育[5]。此外，屬于IL-12家族的IL-27也有抑制Th17細胞分化發(fā)育的作用[13]。

2 Th17/IL-17A的生物學功能

2.1Th17/IL-17A的功能 Th17細胞首先在人們研究自身免疫性疾病的過程中被發(fā)現(xiàn)，因此Th17細胞及其效應分子IL-17A在各種自身免疫性疾病中的作用仍然是人們關注的焦點?，F(xiàn)有的證據(jù)表明，Th17/IL-17A參與了EAE、多發(fā)性硬化、類風濕性關節(jié)炎以及克羅恩病等多種疾病的發(fā)展進程[12]。盡管諸多研究提示Th17細胞是自身免疫有力的誘導者，但是這并不意味著Th17細胞能夠完全取代Th1細胞的作用。一種可能的解釋是，Th17和Th1細胞共同參與了自身免疫性疾病的發(fā)病過程，然而它們分別在不同的階段起作用。Th17細胞產(chǎn)生較為迅速，主要在急性炎癥階段發(fā)揮作用；而Th1細胞則主要出現(xiàn)在長期持續(xù)性的炎癥階段[14]。目前，該假說尚未得到進一步證實。

Th17細胞的另一個重要功能是參與宿主防御反應。目前，人們已經(jīng)證實Th17細胞在多種細菌、真菌感染模型中發(fā)揮重要作用。在大多數(shù)細菌和真菌感染中(如肺炎克雷伯桿菌、結核分枝桿菌、卡氏肺孢子菌等)，IL-17A能夠降低菌群負荷量，從而起到保護作用。然而，在某些感染模型中(如脆弱類桿菌、銅綠假單胞菌、煙曲霉等)，IL-17A能使病情趨于惡化[15-16]。因此，我們可以認為Th17細胞介導的免疫反應具有病原體特異性，其作用主要體現(xiàn)在抗胞外菌感染方面。

IL-17A主要由效應性T細胞分泌，故其作為效應分子參與適應性免疫應答是無可非議的。但是另一方面，IL-17A能夠募集和活化中性粒細胞，并直接或間接地刺激IL-1β、IL-6、TNF-α等前炎癥因子的分泌，引起局部炎癥，則表明它又扮演著固有免疫的角色。此外，IL-17A還能作用于特定的細胞，起到放大或調(diào)節(jié)適應性免疫的作用[6]。因此，IL-17A不僅參與固有免疫，而且參與適應性免疫。從某種意義上講，IL-17A是溝通2種免疫的橋梁。

2.2Th17/IL-17A發(fā)揮功能的途徑 Th17細胞發(fā)揮其生物功能首先依賴于其分泌的細胞因子IL-17A與相應的受體結合。IL-17受體家族有5個成員，分別是IL-17RA～E。其中能與IL-17A結合的受體為IL-17RA和IL-17RC。IL-17RA和IL-17RC分子含有很長的胞內(nèi)結構，其中有一段序列與TIR結構域相似，稱為SEFIR結構域[5]。該結構域在信號轉導過程中起重要作用。IL-17A與上皮細胞表面的IL-17R結合后，通過促使其分泌CXCL1(KC)、CXCL2(MIP-2)、CXCL5(LIX)和CXCL8(IL-8)等趨化因子，導致中性粒細胞募集、增殖，從而發(fā)揮其抗炎作用。在此過程中，p38和ERK等MAPK以及轉錄因子NF-κB的參與是不可缺少的[17]。在炎癥反應中，前炎癥因子TNF-α與IL-17A具有協(xié)同作用，共同促進CXC家族趨化因子的分泌，這一過程通過CCAAT/增強子結合蛋白δ (CEBPδ)的核轉位得以實現(xiàn)[18]。此外，IL-17A還能夠通過穩(wěn)定CXCL1和G-CSF的mRNA結構以使其分泌增加[19]。

3 Th17/IL-17A在慢性氣道炎癥性疾病中的作用

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)和支氣管哮喘是常見的慢性氣道炎癥性疾病。COPD以不完全可逆的氣流受限、慢性炎癥以及氣道重構為主要特征。而哮喘以氣道高反應性、嗜酸性粒細胞浸潤為主要特征。目前，在全世界范圍內(nèi)，COPD和哮喘的發(fā)病率和死亡率均較高，成為威脅人類健康的重要因素[5]。

3.1臨床研究 隨著人們對于Th17/IL-17A在呼吸系統(tǒng)疾病中的研究日益深入，已經(jīng)有一些研究開始探討Th17/IL-17A與COPD的相關性。Shan等[20]發(fā)現(xiàn)，肺氣腫患者肺部Th17細胞的數(shù)量高于正常者。Stefano等[21]對未吸煙者、吸煙但肺功能正常者、COPD患者的肺組織標本進行研究。結果發(fā)現(xiàn)，吸煙者，無論其是COPD患者與否，其氣道黏膜下IL-17A+細胞數(shù)量遠多于未吸煙正常者。但是，IL-17A的mRNA水平在各組間無明顯差異。無獨有偶，Doe等[22]也發(fā)現(xiàn)，COPD患者氣道黏膜下IL-17A+細胞數(shù)量增多。COPD患者常常有中性粒細胞浸潤氣道，但是以上研究均未發(fā)現(xiàn)，IL-17A+細胞數(shù)量的增加與中性粒細胞數(shù)量的增加有明顯的聯(lián)系。此外，Doe等[22]的研究表明COPD患者痰中IL-17A的濃度也較哮喘患者高，且IL-17A的濃度與肺功能指標(FEV1/FVC，吸入支氣管舒張劑后FEV1預計值)呈負相關，提示IL-17A在COPD中起重要作用。

相對于COPD而言，目前對于IL-17A在哮喘中的研究更加深入，但同時也存在爭議。Bullens等[23]發(fā)現(xiàn)，哮喘患者痰中IL-17A的mRNA水平明顯高于正常人，且與中性粒細胞數(shù)量相關。然而，Doe等[22]的研究卻表明，哮喘患者痰中IL-17A濃度并無上升，且與中性粒細胞的數(shù)量無關。另一方面，Doe等[22]證實了輕中度哮喘患者氣道黏膜下IL-17A+細胞數(shù)量增多，這一點與COPD患者類似。Al-Ramli等[24]對哮喘患者和正常人支氣管組織中IL-17A的表達情況作了研究，結果發(fā)現(xiàn)，哮喘患者的IL-17A的mRNA水平明顯高于正常者，而且病情越重，其表達水平越高。重癥哮喘患者的氣道內(nèi)中性粒細胞明顯增多，這些患者往往對激素的反應不敏感。這些現(xiàn)象進一步提示IL-17A參與哮喘，尤其是中性粒細胞性哮喘或是激素抵抗性哮喘的發(fā)生。

3.2動物模型 眾所周知，吸煙是引起COPD的重要危險因素。然而，煙霧刺激損傷氣道的具體機制目前仍然不很明確。因此，給動物吸煙是研究COPD發(fā)病機制的一種重要手段。目前，小鼠是構造COPD模型最常用的動物。人們將小鼠的鼻子或全身暴露于煙霧中，經(jīng)過幾天到幾個月不等的時間得到具有COPD特征(如中性粒細胞浸潤、肺氣腫等)的動物模型。Deen等[25]采用經(jīng)鼻吸煙的方式，使小鼠暴露于煙霧6個月，結果發(fā)現(xiàn)肺組織勻漿中的IL-17A濃度有一定程度的升高(P=0.05)。Harrison等[26]也采用類似的方式，建立了肺氣腫模型。在該模型中，吸煙小鼠的肺泡內(nèi)襯間隔增大，BALF中性粒細胞增多，BALF中的細胞表達IL-17A水平上升，肺組織中表達CCR6的Th17細胞也增多。與上述造模方式不同， Huvenne等[27]采用全身暴露于煙霧的方式，使小鼠被動吸煙。小鼠吸煙一段時間后(2周、4周和24周)，其BALF中中性粒細胞的數(shù)量顯著增多，尤以吸煙4周后最為明顯。此外，小鼠肺組織中IL-17AmRNA的表達水平也明顯上升，以吸煙2周和4周較為明顯。以上研究均提示IL-17A在吸煙誘導的COPD發(fā)病過程中起到重要作用。

在目前用于研究哮喘的動物模型中，以卵清蛋白致敏和激發(fā)的小鼠模型最為常見。然而，IL-17A在該模型中的作用卻并不十分清楚。Schnyder-Candrian等[28]發(fā)現(xiàn)，哮喘小鼠的肺組織中IL-17A的表達升高。同時，該研究認為，中和IL-17A可以使氣道嗜酸性粒細胞炎癥反應加重，而給予外源性IL-17A可以減輕嗜酸性粒細胞的募集，并抑制Th2型細胞因子的產(chǎn)生。然而，另有研究認為，中和IL-17A可以抑制哮喘炎癥，同時降低Th2型細胞因子的產(chǎn)生[29]。出現(xiàn)上述區(qū)別的可能的原因是，小鼠的品系、給藥的時間和劑量在不同的研究中存在差別。

3.3體外實驗 由于動物實驗周期較長，且影響因素眾多，人們借助于原代培養(yǎng)的氣道上皮細胞進一步研究IL-17A作用于氣道的機制，從而在細胞和分子水平認識慢性氣道炎癥性疾病的本質(zhì)。杯狀細胞化生及其導致的黏液分泌增加是慢性氣道炎癥性疾病的一個重要特征。在此過程中，黏液基因MUC5AC和MUC5B的表達增加。Chen等[30]發(fā)現(xiàn)IL-17A和IL-6能以時間依賴性和濃度依賴性的方式使原代氣道上皮細胞MUC5AC和MUC5B的表達增加，在該過程中有JAK2和ERK信號途徑的參與。Inoue等[31]的研究也得到類似的結果。Fujisawa等[32]的研究則首次證實了NF-κB信號通路參與了IL-17A介導的氣道上皮細胞表達MUC5AC。

4 總結與展望

Th17細胞及其分泌的細胞因子IL-17A的發(fā)現(xiàn)，使人們意識到傳統(tǒng)的Thl/Th2理論存在不足，需要重新評價Thl/Th2在各種疾病中的作用?，F(xiàn)在，Th17/IL-17A在COPD和哮喘等慢性氣道炎癥性疾病中的地位日益受到重視。進一步闡明Th17/IL-17A相關的病理生理學改變在慢性氣道炎癥性疾病中的作用將為其防治提供幫助。

[1] Ferber IA, Brocke S, Taylor-Edwards C, et al. Mice with a disrupted IFN-gamma gene are susceptible to the induction of experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) [J]. J Immunol ,1996, 156(1):5-7.

[2] Cua DJ, Sherlock J, Chen Y, et al. Interleukin-23 rather than interleukin-12 is the critical cytokine for autoimmune inflammation of the brain [J]. Nature, 2003, 421(6294):744-748.

[3] Harrington LE, Hatton RD, Mangan PR, et al. Interleukin 17-producing CD4+effector T cells develop via a lineage distinct from the T helper type 1 and 2 lineages[J]. Nat Immunol, 2005, 6(11):1123-1132.

[4] Park H, Li Z, Yang XO, et al. A distinct lineage of CD4 T cells regulates tissue inflammation by producing interleukin 17[J]. Nat Immunol, 2005, 6(11):1133-1141.

[5] Alcorn JF, Crowe CR, Kolls JK. TH17 cells in asthma and COPD[J]. Annu Rev Physiol, 2010, 72:495-516.

[6] Hung LY, Velichko S, Huang F, et al. Regulation of airway innate and adaptive immune responses: the IL-17 paradigm [J]. Crit Rev Immunol, 2008, 28(4):269-279.

[7] Veldhoen M, Hocking RJ, Atkins CJ, et al. TGFβ in the context of an inflammatory cytokine milieu supportsdenovodifferentiation of IL-17-producing T cells [J]. Immunity, 2006, 24(2):179-189.

[8] Das J, Ren G, Zhang L, et al．Transforming growth factor β is dispensable for the molecular orchestration of Th17 cell differentiation [J]．J Exp Med, 2009, 206(11):2407-2416.

[9] Wilson NJ, Boniface K, Chan JR, et al. Development, cytokine profile and function of human interleukin 17-producing helper T cells [J]. Nat Immunol, 2007, 8(9):950-957.

[10]Volpe E, Servant N, Zollinger R, et al. A critical function for transforming growth factor-β, interleukin 23 and proinflammatory cytokines in driving and modulating human TH-17 responses [J]. Nat Immunol, 2008, 9(6):650-657.

[11]Yang L, Anderson DE, Baecher-Allan C, et al. IL-21 and TGF-β are required for differentiation of human TH17 cells [J]. Nature, 2008, 454(7202):350-352.

[12]Louten J, Boniface K, de Waal Malefyt R. Development and function of TH17 cells in health and disease [J]. J Allergy Clin Immunol, 2009, 123(5):1004-1011.

[13]Chen Z, Laurence A, O’Shea JJ. Signal transduction pathways and transcriptional regulation in the control of Th17 differentiation [J]. Semin Immunol, 2007, 19(6): 400-408.

[14]Bettelli E, Oukka M, Kuchroo VK. TH-17 cells in the circle of immunity and autoimmunity [J]. Nat Immunol, 2007, 8(4):345-350.

[15]Curtis MM, Way SS. Interleukin-17 in host defence against bacterial, mycobacterial and fungal pathogens [J]. Immunology, 2009, 126(2):177-185.

[16]Nembrini C, Marsland BJ, Kopf M. IL-17-producing T cells in lung immunity and inflammation [J]. J Allergy Clin Immunol, 2009, 123(5):986-994.

[17]Laan M, Lotvall J, Chung KF, et al. IL-17-induced cytokine release in human bronchial epithelial cellsinvitro: role of mitogen-activated protein (MAP) kinases [J]. Br J Pharmacol, 2001, 133(1):200-206.

[18]Shen F, Hu Z, Goswami J, et al. Identification of common transcriptional regulatory elements in interleukin-17 target genes [J]. J Biol Chem,2006, 281(34):24138-24148.

[19]Hartupee J, Liu C, Novotny M, et al. IL-17 enhances chemokine gene expression through mRNA stabilization [J]. J Immunol, 2007, 179(6): 4135-4141.

[20]Shan M, Cheng HF, Song LZ, et al. Lung myeloid dendritic cells coordinately induce TH1 and TH17 responses in human emphysema [J]. Sci Transl Med, 2009, 1(4):4ra10.

[21]Stefano AD, Caramori G, Gnemmi I, et al. T helper type 17-related cytokine expression is increased in the bronchial mucosa of stable chronic obstructive pulmonary disease patients [J]. Clin Exp Immunol, 2009, 157(2): 316-324.

[22]Doe C, Bafadhel M, Siddiqui S, et al. Expression of the T helper 17-associated cytokines IL-17A and IL-17F in asthma and COPD[J]. Chest, 2010, 138(5):1140-1147.

[23]Bullens DM, Truyen E, Coteur L, et al. IL-17 mRNA in sputum of asthmatic patients: linking T cell driven inflammation and granulocytic influx?[J]. Respir Res, 2006, 7:135.

[24]Al-Ramli W, Préfontaine D, Chouiali F, et al. TH17-associated cytokines (IL-17A and IL-17F) in severe asthma [J]. J Allergy Clin Immunol, 2009, 123(5):1185-1187.

[25]van der Deen M, Timens W, Timmer-Bosscha H, et al. Reduced inflammatory response in cigarette smoke exposed Mrp1/Mdr1a/1b deficient mice [J]. Respir Res, 2007,8:49.

[26]Harrison OJ, Foley J, Bolognese BJ, et al. Airway infiltration of CD4+CCR6+Th17 type cells associated with chronic cigarette smoke induced airspace enlargement [J]. Immunol Lett, 2008, 121(1):13-21.

[27]Huvenne W, Pérez-Novo CA, Derycke L, et al. Diffe-rent regulation of cigarette smoke induced inflammation in upper versus lower airways [J]. Respir Res, 2010, 11:100.

[28]Schnyder-Candrian S, Togbe D, Couillin I, et al. Interleukin-17 is a negative regulator of established allergic asthma [J]. J Exp Med, 2006, 203(12):2715-2725.

[29]Song C, Luo L, Lei Z, et al. IL-17-producing alveolar macrophages mediate allergic lung inflammation related to asthma [J]. J Immunol, 2008, 181(9):6117-6124.

[30]Chen Y, Thai P, Zhao YH, et al. Stimulation of airway mucin gene expression by interleukin (IL)-17 through IL-6 paracrine/autocrine loop [J]. J Biol Chem, 2003, 278(19):17036-17043.

[31]Inoue D,Numasaki M, Watanabe M, et al. IL-17A promotes the growth of airway epithelial cells through ERK-dependent signaling pathway [J]. Biochem Biophys Res Commun, 2006, 347(4): 852-858.

[32]Fujisawa T, Velichko S, Thai P, et al. Regulation of AirwayMUC5ACexpression by IL-1β and IL-17A; the NF-κB paradigm [J]. J Immunol, 2009, 183(10): 6236-6243.

RoleofTh17/IL-17Ainchronicinflammatoryairwaydiseases

The idea has been popular for a long time that Th1/Th2 imbalance is the major cause of many diseases. However, the Th1/Th2 paradigm has encountered increasing challenge since the discovery of a novel subset of Th cells, Th17. Th17 cells secrete a series of cytokines (IL-17A～F, IL-21 and IL-22), which is quite different from those produced by Th1 and Th2 cells. It is now generally accepted that Th17/IL-17A plays a pivotal role in autoimmune and host defense. Although first discovered in autoimmune diseases, emerging studies begin to explore the way in which Th17/IL-17A acts in chronic inflammatory airway diseases, such as asthma and chronic obstructive pulmanary disease. In this review, we will summarize the differentiation and function of Th17, and introduce the progress in the correlation between Th17/IL-17A and chronic inflammatory airway diseases. Further elucidating the mechanism of Th17/IL-17A-related pathophysiological changes will contribute to prevention and treatment of chronic inflammatory airway diseases.

Th17細胞; 白細胞介素17A; 肺疾病，慢性阻塞性; 哮喘

Th17 cells; Interleukin 17A; Pulmonary disease,chronic obstructive; Asthma

ZHOU Hong-bin, CHEN Zhi-hua, LI Wen

(DepartmentofRespiratoryDisease,TheSecondAffiliatedHospital,ZhejiangUniversitySchoolofMedicine,Hangzhou310009,China.E-mail:liwenzjhz0408@163.com)

R363

A

10.3969/j.issn.1000-4718.2012.03.033