IL-37在炎癥性腸病中的研究進(jìn)展

羅尚健 陳穎偉,2*

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院消化內(nèi)科1(200092) 上海市小兒消化與營養(yǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2

炎癥性腸病(inflammatory bowel disease, IBD)是一種慢性、非特異性腸道炎性疾病，主要包括潰瘍性結(jié)腸炎(ulcerative colitis, UC)和克羅恩病(Crohn’s disease, CD)。IBD病因尚不明確，腸道免疫是目前IBD發(fā)病機(jī)制的研究熱點(diǎn)。細(xì)胞因子作為一類重要的免疫調(diào)節(jié)物質(zhì)，通過促進(jìn)或抑制免疫反應(yīng)參與IBD的進(jìn)展和緩解。研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞因子白細(xì)胞介素(IL)-1家族成員IL-37可抑制過度免疫反應(yīng)所致的腸道炎癥損傷，從而促進(jìn)并維持IBD緩解。本文就IL-37在IBD中的研究進(jìn)展作一綜述。

一、IL-37的結(jié)構(gòu)、分類和表達(dá)

IL-1家族包括11種蛋白質(zhì)，每種蛋白質(zhì)具有相似的β-桶狀結(jié)構(gòu)并可與Ig樣受體結(jié)合[1-2]。IL-1家族細(xì)胞因子在免疫反應(yīng)中具有重要作用，其中多數(shù)促進(jìn)免疫反應(yīng)(如IL-1α、IL-1β、IL-18等)，少部分抑制免疫反應(yīng)(如IL-1Ra、IL-37等)。人IL-37基因位于2號(hào)染色體長臂IL-1家族基因簇上(2q12～13)，與IL-1α和IL-1β基因的調(diào)節(jié)區(qū)域相近[3]。IL-37基因通過可變剪接產(chǎn)生5種亞型(IL-37a～e)，其分布具有組織特異性[4]。IL-37b是目前研究最深入且最有特征性的亞型，有最長的氨基酸序列(218個(gè)氨基酸)。IL-37b由外顯子1、2、4、5、6編碼的序列組成[4]，其中外顯子4～6編碼β-桶狀結(jié)構(gòu)，是發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)的主要結(jié)構(gòu)[5]。

IL-37在人體多種器官組織或細(xì)胞中表達(dá)，如肝、肺、胸腺、骨髓、淋巴結(jié)、胎盤、睪丸、子宮和腫瘤組織以及外周血單個(gè)核細(xì)胞(PBMCs)、巨噬細(xì)胞、樹突細(xì)胞(DC)、B細(xì)胞和漿細(xì)胞[5-6]。但I(xiàn)L-37在正常組織或細(xì)胞中低表達(dá)，mRNA的穩(wěn)定性差，而當(dāng)存在脂多糖(LPS)或其他促炎刺激時(shí)，IL-37 mRNA的穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)，表達(dá)增加[7]。故推斷IL-37可能在非炎癥或輕度炎癥狀態(tài)中不起作用，僅在嚴(yán)重的炎癥條件下表達(dá)增加以抑制過度的免疫反應(yīng)[4]。

二、IL-37的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

1. 細(xì)胞外信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

①IL-18Rα：IL-18Rα是IL-18受體(IL-18R)的配體結(jié)合亞單位，屬于IL-1R受體家族(IL-1Rs)，分布于巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、Th1細(xì)胞、NK細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞膜上[4]。IL-18Rα胞外區(qū)含有三個(gè)Ig樣結(jié)構(gòu)域，可結(jié)合IL-18氨基酸殘基(E42和K89)；胞內(nèi)區(qū)含有一個(gè)Toll/IL-1受體結(jié)構(gòu)域(TIR)[8-9]。IL-18Rα與IL-18結(jié)合后，募集共受體IL-18Rβ形成IL-18-IL-18Rα-IL-18Rβ復(fù)合物；通過與MyD88、IRAK-1/4、TRAF-6的相互作用，導(dǎo)致TAK1磷酸化，從而激活MAPK和NF-κB通路，促進(jìn)促炎因子表達(dá)[10]。IL-37與IL-18在氨基酸序列上具有兩個(gè)相同的氨基酸殘基，可能競爭性結(jié)合IL-18Rα[8]。但后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)IL-37對IL-18Rα的親和力遠(yuǎn)低于IL-18，且低濃度而非高濃度IL-37最能有效抑制體外細(xì)胞因子的產(chǎn)生[11]，故認(rèn)為IL-37并非與IL-18競爭結(jié)合IL-18Rα。高濃度的重組IL-37易與天然IL-37形成IL-37同型二聚體，阻礙IL-37與IL-18Rα結(jié)合，抑制IL-37抗炎活性，而特異性阻斷IL-37二聚體形成的點(diǎn)突變，維持IL-37單體的穩(wěn)定，可增強(qiáng)IL-37對促炎因子的抑制，表明IL-37單體更利于IL-37抗炎作用的發(fā)揮[12]。

②IL-1R8：IL-1R8是IL-1Rs中的孤兒受體，胞外區(qū)僅含一個(gè)Ig樣結(jié)構(gòu)域，胞內(nèi)區(qū)TIR缺少IL-1Rs其他成員的保守殘基，這些殘基對IL-1Rs信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)至關(guān)重要[13-14]。IL-1R8可在上皮細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、T細(xì)胞、B細(xì)胞和DC中表達(dá)，尤其是在黏膜上皮細(xì)胞和DC中[4,15]。IL-37與IL-18Rα結(jié)合不會(huì)導(dǎo)致IL-18Rβ鏈募集和功能性IL-18R復(fù)合物形成；而是募集IL-1R8，增強(qiáng)IL-18Rα對IL-37的親和力[10,16]。IL-1R8可通過胞外Ig樣結(jié)構(gòu)域阻斷IL-1Rs二聚化和胞內(nèi)異常TIR減弱IL-1Rs對MyD88和IRAKs的募集，干擾TIR信號(hào)小體的形成，阻斷TAK1的激活，從而抑制MAPK(JNK和p38 MAPK)以及NF-κB信號(hào)通路，最終阻斷IL-1Rs促炎信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)[7,13,17-18]。IL-37與IL-1R8也可激活受體酪氨酸激酶家族成員Mer，劫持并激活I(lǐng)型干擾素信號(hào)分子STAT1，與磷酸化的STAT3形成二聚體入核，過表達(dá)細(xì)胞因子信號(hào)抑制物(SOCS1和SOCS3)，抑制NF-κB和MAPK(ERK1/2和p38 MAPK)信號(hào)通路[14]。IL-37與IL-1R8相互作用還可抑制AP-1家族成員BATF引起的Th17細(xì)胞極化，抑制Th17細(xì)胞介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)[14]。此外，IL-37還以IL-1R8依賴性途徑激活磷酸酶PTEN，阻斷PI3K-Akt-mTOR、MAPK促炎通路，最終抑制促炎細(xì)胞因子表達(dá)[13-15]。

③IL-18BP：IL-18BP是一種可溶性的受體樣蛋白，可與IL-18結(jié)合并使其失活，且親和力遠(yuǎn)高于IL-18Rα[4]。正常情況下，血液中游離IL-18可與IL-18BP結(jié)合，處于失活狀態(tài)[19]。IFN-γ可促進(jìn)IL-18BP表達(dá)，IL-18BP與游離IL-18結(jié)合，阻斷IL-18與IL-18Rα結(jié)合，從而抑制IL-18的促炎效應(yīng)[20]。IL-18BP也能與IL-37結(jié)合，但親和力遠(yuǎn)低于IL-18[20]；故推測IL-37并不與IL-18競爭結(jié)合IL-18BP。但研究[8,10]發(fā)現(xiàn)，IL-37與IL-18BP結(jié)合可增強(qiáng)IL-18BP對IL-18的抑制作用，具體原因不明。研究[21]顯示，隨著IL-18BP增加，IL-18BP的抗炎特性會(huì)逐漸喪失；可能是因?yàn)殡S著IL-18BP水平增加，游離的IL-18已被完全結(jié)合，因阻斷IL-18產(chǎn)生的抗炎效應(yīng)已到極限；而過多的IL-18BP與IL-37結(jié)合，阻斷IL-37與IL-18α結(jié)合，導(dǎo)致IL-37抗炎作用減弱，顯示出IL-18BP抗炎效應(yīng)的喪失(圖1)。

2. 細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑：炎癥刺激后，細(xì)胞內(nèi)IL-37前體增加；內(nèi)源性IL-37前體具有caspase-1結(jié)合位點(diǎn)，位于Asp20；caspase-1識(shí)別并剪切后，IL-37前體成熟；若Asp20發(fā)生突變，IL-37則不能進(jìn)入細(xì)胞核，且IL-37對MAPK(JNK)和NF-κB通路的抑制效應(yīng)明顯減弱，提示caspase-1剪切對IL-37核定位以及IL-37核定位對IL-37抗炎效應(yīng)具有重要作用[22]。IL-37無經(jīng)典的核定位序列，須通過C端結(jié)構(gòu)域與Smad3結(jié)合形成復(fù)合物，轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核內(nèi)，從而調(diào)控促炎因子表達(dá)[7,19]。在體內(nèi)，沉默內(nèi)源性Smad3將顯著降低IL-37的抗炎特性[1]。表明Smad3對于胞內(nèi)IL-37作用的發(fā)揮至關(guān)重要。Smad3是抗炎因子TGF-β胞內(nèi)重要的信號(hào)分子，TGF-β與受體結(jié)合后，Smad3磷酸化并與Smad4結(jié)合入核來調(diào)控基因表達(dá)，抑制DC活化[23]。提示IL-37也可能通過Smad3降低DC表面共刺激分子CD86和MHCⅡ的表達(dá)，從而減少DC活化，最終減弱免疫應(yīng)答[1]。

三、IL-37在IBD中的作用及其機(jī)制

1. 細(xì)胞學(xué)研究：研究[24]發(fā)現(xiàn)，在未受刺激的人結(jié)腸上皮細(xì)胞株T84和人結(jié)腸腺癌細(xì)胞株Caco-2中，IL-37 mRNA表達(dá)較弱；以TNF-α刺激后，IL-37 mRNA和蛋白表達(dá)顯著提高，故推測TNF-α是誘導(dǎo)腸上皮細(xì)胞表達(dá)IL-37的關(guān)鍵因素。研究指出，在PBMCs中，IL-37表達(dá)可被炎癥刺激(如LPS)和細(xì)胞因子(如IL-1β、IL-18、IFN-γ和TGF-β)上調(diào)，而其他因子(如IL-12、IL-32和GM-CSF+IL-4)對IL-37的調(diào)節(jié)無作用[1]。但I(xiàn)maeda等[24]發(fā)現(xiàn)，在T84細(xì)胞中，LPS、IL-1β和TGF-β不影響IL-37表達(dá)；IFN-γ和IL-4可降低IL-37基線表達(dá)。表明腸上皮細(xì)胞和PBMCs調(diào)節(jié)IL-37表達(dá)的機(jī)制不同，IL-37表達(dá)可能受具有細(xì)胞類型特異性的機(jī)制所調(diào)節(jié)。Imaeda等[24]還發(fā)現(xiàn)，在人結(jié)腸上皮下肌成纖維細(xì)胞(SEMF)中，IL-37可顯著抑制TNF-α誘導(dǎo)的IP-10表達(dá)。IP-10屬于CXCR3受體的配體，其活化會(huì)導(dǎo)致T細(xì)胞募集和腸道炎癥持續(xù)[25]。而Günaltay等[26]發(fā)現(xiàn)，在T84細(xì)胞中，IL-37減少會(huì)導(dǎo)致趨化因子(CCL5、CXCL8、CXCL10和CXCL11)表達(dá)增加，募集效應(yīng)T細(xì)胞遷移至腸上皮而導(dǎo)致腸道炎癥。據(jù)此推測，IL-37可通過減少IP-10和趨化因子的表達(dá)來抑制T細(xì)胞活化和遷移，進(jìn)而限制腸道炎癥發(fā)展。Rudloff等[27]發(fā)現(xiàn)，在人單核細(xì)胞中，多種TLR的配體可誘導(dǎo)IL-37表達(dá)，同時(shí)IL-37表達(dá)又可抑制TLR誘導(dǎo)的促炎因子表達(dá)。Imaeda等[24]發(fā)現(xiàn)，在T84細(xì)胞中，TNF-α誘導(dǎo)的IL-37 mRNA表達(dá)由MAPK、PI3K以及NF-κB、AP-1的激活所介導(dǎo)，而這些信號(hào)分子也是腸道促炎因子信號(hào)通路中的重要信號(hào)分子。因此，在結(jié)腸上皮細(xì)胞中，促炎因子可通過信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的偶聯(lián)，誘導(dǎo)抗炎因子IL-37表達(dá)。上述研究提示IL-37在腸道中參與炎癥負(fù)反饋機(jī)制而發(fā)揮抗炎效應(yīng)，即過度的腸道炎癥反應(yīng)誘導(dǎo)抗炎因子IL-37表達(dá)，從而抑制腸道炎癥反應(yīng)。

2. 動(dòng)物學(xué)研究

①IL-37在實(shí)驗(yàn)性結(jié)腸炎中的作用：IL-37基因在小鼠中缺失。IL-37在轉(zhuǎn)基因小鼠(hIL-37tg小鼠)中的表達(dá)未顯示出物種特異性，因此人IL-37在小鼠和人類組織細(xì)胞中的特性相同[1]。hIL-37tg小鼠雖存在CMV啟動(dòng)子，但其正常腸上皮不組成性表達(dá)IL-37[28]。由此推測，正常腸上皮中IL-37不表達(dá)或低表達(dá)。多項(xiàng)研究[29-30]發(fā)現(xiàn)DSS和促炎因子均可使hIL-37tg小鼠結(jié)腸中IL-37表達(dá)明顯增加。Chen等[30]發(fā)現(xiàn)，用DSS破壞腸黏膜后，hIL-37tg小鼠血清IL-37水平升高，且淋巴結(jié)和脾臟中表達(dá)IL-37的T細(xì)胞的比例增加。可能是因?yàn)檎Ｄc黏膜中IL-37 mRNA編碼序列不穩(wěn)，加速IL-37 mRNA降解，而炎癥刺激可穩(wěn)定IL-37 mRNA編碼序列，促進(jìn)IL-37表達(dá)[7]。因此推測腸黏膜完整性破壞以及促炎因子是IL-37表達(dá)增加的重要原因。McNamee等[29]發(fā)現(xiàn)，hIL-37tg小鼠結(jié)腸炎DAI和組織學(xué)評分均顯著低于野生型(WT)小鼠。Mountford等[31]發(fā)現(xiàn)，表達(dá)IL-37的IL-10基因敲除小鼠(IL-10KO/IL-37tg小鼠)因DSS導(dǎo)致的體質(zhì)量下降、便血以及結(jié)腸炎癥損傷程度均較IL-10基因敲除小鼠(IL-10KO小鼠)減輕。Chen等[30]發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)染IL-37的T細(xì)胞處理的WT小鼠組織病理學(xué)評分低于PBS處理的WT小鼠。Wang等[32]發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)染IL-37的間充質(zhì)基質(zhì)細(xì)胞(MSC-IL-37)處理的結(jié)腸炎小鼠結(jié)腸縮短程度較PBS、MSC或MSC-eGFP處理的小鼠明顯改善。上述研究表明IL-37可緩解結(jié)腸炎的臨床癥狀，減輕炎癥對結(jié)腸的損傷，對小鼠結(jié)腸具有保護(hù)作用。此外，Mountford等[31]發(fā)現(xiàn)，在DSS結(jié)腸炎小鼠中，發(fā)展為腺瘤或癌的IL-10KO/IL-37tg小鼠明顯少于IL-10KO小鼠；且與腫瘤相關(guān)的Ki-67陽性上皮細(xì)胞在IL-10KO小鼠結(jié)腸中的數(shù)量明顯多于IL-10KO/IL-37tg小鼠。提示IL-37可抑制結(jié)腸炎發(fā)展為結(jié)腸腫瘤，減少結(jié)腸炎并發(fā)癥。

②IL-37在實(shí)驗(yàn)性結(jié)腸炎中的抗炎機(jī)制：McNamee等[29]發(fā)現(xiàn)，hIL-37tg骨髓細(xì)胞(BM)處理的WT小鼠的DSS結(jié)腸炎DAI和組織病理學(xué)評分均低于WT BM處理的WT小鼠和WT BM處理的hIL-37tg小鼠。由此推測，保護(hù)IL-37tg小鼠免受DSS損傷的IL-37主要來源于造血細(xì)胞而非基質(zhì)細(xì)胞。McNamee等[29]還發(fā)現(xiàn)，以hIL-37tg BM重建的WT小鼠中IL-1β和TNF-α釋放減少。Chen等[30]發(fā)現(xiàn)，在DSS誘導(dǎo)后，hIL-37tg小鼠中的炎癥因子(IFN-γ、IL-1β、TNF-α)表達(dá)較WT小鼠顯著降低。內(nèi)皮黏附分子(ICAM-1、VCAM-1)介導(dǎo)白細(xì)胞黏附和遷移，而TNF-α和IL-1β可促進(jìn)內(nèi)皮黏附分子表達(dá)[33]。由此推測，hIL-37tg小鼠通過表達(dá)IL-37抑制TNF-α和IL-1β，從而導(dǎo)致內(nèi)皮黏附分子表達(dá)下降，白細(xì)胞募集減少，抑制炎癥。McNamee等[29]發(fā)現(xiàn)，以DSS處理hIL-37tg小鼠和hIL-37tg BM重建的WT小鼠后，IL-10水平顯著增加，但阻斷IL-10信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)并未能逆轉(zhuǎn)IL-37對小鼠的保護(hù)作用。Mountford等[31]也發(fā)現(xiàn)，IL-10KO/IL-37tg小鼠全血中促炎因子水平低于IL-10KO小鼠。提示IL-37抗炎作用的發(fā)揮不依賴于IL-10。Wang等[32]發(fā)現(xiàn)，Tregs細(xì)胞在MSC-IL-37處理的小鼠脾臟中的比例顯著高于MSC-eGFP、MSC或PBS處理的小鼠。Tregs細(xì)胞通過抑制自身反應(yīng)性T細(xì)胞活化與增殖，負(fù)向調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)，從而維持免疫耐受和抑制過度免疫反應(yīng)[34]。因此，MSC-IL-37處理的小鼠也可能通過表達(dá)IL-37上調(diào)Tregs細(xì)胞數(shù)量來抑制炎癥。Wang等[32]還發(fā)現(xiàn)，MSC-IL-37處理的小鼠單核細(xì)胞中骨髓來源的抑制性細(xì)胞(MDSCs)的比例顯著高于MSC-eGFP或PBS處理的小鼠。MDSCs可降低IFN-γ、IL-17和TNF-α水平，抑制腸道炎癥。提示MDSCs上調(diào)可能是IL-37抑制小鼠腸道炎癥反應(yīng)的另一種方式。

3. 臨床研究：多項(xiàng)研究[35-36]發(fā)現(xiàn)，在兒童和成人活動(dòng)性IBD患者炎癥黏膜中IL-37表達(dá)明顯升高。多項(xiàng)研究[24,32,35]顯示，腸黏膜IL-37表達(dá)隨黏膜炎癥程度增加而升高。提示腸道炎癥可促進(jìn)IL-37表達(dá)，且與炎癥程度呈正相關(guān)。Li等[36]發(fā)現(xiàn)，活動(dòng)性UC和CD患者血清IL-37濃度明顯下降，且與UC活動(dòng)性呈負(fù)相關(guān)；血清IL-37下降可能是由于胞外IL-37轉(zhuǎn)移至胞內(nèi)，提示機(jī)體抗炎能力不足。多項(xiàng)研究[24,36]發(fā)現(xiàn)，IL-37在UC患者腸上皮中的表達(dá)高于CD患者，可能是CD病程較UC漫長的原因[36]。Fonseca-Camarillo等[37]發(fā)現(xiàn)，與非活動(dòng)性IBD以及對照組相比，活動(dòng)性CD和UC患者腸黏膜IL-37 mRNA表達(dá)明顯升高，且UC高表達(dá)IL-37與其嚴(yán)重程度為輕度顯著相關(guān)，表明IL-37與IBD活動(dòng)性相關(guān)且在UC患者中具有保護(hù)作用。Weidlich等[35]發(fā)現(xiàn)，腸黏膜IL-37與IL-18 mRNA表達(dá)正相關(guān)；表明體內(nèi)調(diào)節(jié)IL-18和IL-37表達(dá)的機(jī)制可能類似，這種調(diào)節(jié)促炎因子和抗炎因子表達(dá)的機(jī)制的類似性可限制促炎因子誘導(dǎo)的過度免疫反應(yīng)。

四、結(jié)語與展望

免疫紊亂導(dǎo)致促炎與抗炎機(jī)制的失衡是IBD發(fā)病的重要原因。目前促炎細(xì)胞因子的阻斷是治療IBD的重要手段，包括促炎因子拮抗劑(如TNF-α、IL-12或IL-23的抗體)和促炎因子信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)阻滯劑(如JAK1、3抑制劑)，雖療效確切但不良反應(yīng)諸多。運(yùn)用重組抗炎因子直接抑制炎癥反應(yīng)可為優(yōu)化IBD治療提供新途徑。細(xì)胞因子IL-37可被炎癥誘導(dǎo)并抑制過度免疫反應(yīng)，限制炎癥損傷，促進(jìn)并維持IBD緩解。IL-37的抗炎特性可為治療IBD提供新策略，但外源給予的重組IL-37易與體內(nèi)天然IL-37形成同型二聚體，減弱其抗炎活性。此外，將外源重組IL-37遞送至局部腸炎癥組織的途徑尚不明確。IL-37在血清和腸黏膜組織中的表達(dá)也可為監(jiān)測或評估IBD活動(dòng)性提供新方法，但I(xiàn)L-37與IBD活動(dòng)水平的關(guān)系還需進(jìn)一步研究。