白細胞介素21在心血管系統(tǒng)疾病中的研究進展*

陳 靜， 梅仁彪， 王 瑜

（安徽理工大學醫(yī)學院，安徽淮南232001）

白細胞介素21（interleukin-21，IL-21）是一種Ⅰ型細胞因子，屬于γ鏈（γ-chain，γc）復合受體型細胞因子家族成員［1］，主要由濾泡輔助性T細胞（T follicular helper cells，Tfh cells）、輔助性T 細胞17（T helper 17 cells，Th17 cells）和自然殺傷（natural killer，NK）細胞產生［2］，對天然免疫反應和獲得性免疫反應均有多效性作用［3］。目前心血管疾病的發(fā)病率逐年上升［4］，臨床確認慢性炎癥是心血管疾病的關鍵因素［5］，但其具體機制尚不完全清楚。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，IL-21通過Janus激酶（Janus kinase，JAK）-信號轉導及轉錄激活因子（signal transducers and activators of transcription，STAT）、絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）和磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）等通路介導的炎癥反應，與高血壓、肺動脈高壓、冠狀動脈粥樣硬化性心臟?。ü谛牟。┑刃难芗膊≈g存在廣泛聯(lián)系。

1 IL-21概述

IL-21 于2000 年在佛波酯/離子霉素培養(yǎng)的人外周血CD3+T 細胞培養(yǎng)液中首次被發(fā)現(xiàn)［6］，其基因在人類中位于 4 號染色體 q26～27 處，與IL-2基因緊密連鎖。而鼠類IL-21基因則定位于3 號染色體，與IL-2基因相隔僅95 kb。人類IL-21與小鼠IL-21的序列同源性高達63%。在結構上，IL-21 是一種由162 個氨基酸組成的蛋白質，形成一個14 kD的四螺旋束結構，與 IL-2、IL-4 和 IL-5 也有高度的同源性。IL-21 受體（IL-21 receptor，IL-21R）是由共同的γc 和特異性α鏈（IL-21Rα）組成的異二聚體復合物，對IL-21的信號轉導至關重要。IL-21 通過與其受體IL-21R 結合介導信號轉導，發(fā)揮生物學效應。

2 IL-21的生物學功能及其主要信號通路

2.1 IL-21 的生物學功能 IL-21 在自身免疫性疾病、感染和抗腫瘤反應中介導先天或獲得性免疫反應，并在效應T 細胞亞群的極化中起重要作用［7］。Tfh 細胞既是IL-21 的主要來源，也是其靶細胞之一。研究顯示，IL-21 在 CD4+CXCR5+ICOS+Tfh 細胞中呈高表達，并對生發(fā)中心（germinal centers，GC）形成過程中Tfh 細胞的激活和擴增起關鍵的作用［8］。IL-21能夠上調轉錄因子B 細胞淋巴瘤6（B-cell lymphoma-6，Bcl-6），促進Tfh 細胞的發(fā)育［9］，而IL-21缺失會使Bcl-6 表達減少，影響 Tfh 細胞的極化［10］。對于 Th17細胞的分化，IL-21 是必不可少的，作為Th17 細胞增殖的再生反饋機制，IL-21通過輔助誘導Th17細胞增殖，并調節(jié)產生IL-17，參與免疫應答［11］。研究顯示，在IL-21-/-或IL-21R-/-小鼠中Th17 細胞數(shù)量顯著降低，同樣在IL-21R基因敲除的 T 細胞內，Th17 細胞反應亦缺失［2］。

IL-21 可抑制調節(jié)性 T 細胞（regulatory T cells，Treg cells）的激活、分化和存活，從而限制其對效應細胞的免疫調節(jié)作用［12］；主要作用機制是以STAT 家族中的STAT3和STAT5依賴的方式減少T細胞中IL-2 的產生，進而減少Treg 細胞的絕對數(shù)量和分化，達到拮抗Treg 細胞的保護性抑制［5］。另一方面，IL-21能夠降低轉化生長因子β（transforming growth factorβ，TGF-β）誘導的Foxp3+Treg 細胞所致的免疫耐受和免疫抑制［13］。

在細胞激活通路或共刺激信號的參與下，IL-21在B 細胞的產生、分化、成熟和凋亡過程中起到了雙向調節(jié)作用［14］。IL-21 可通過 B 細胞受體或 CD40 募集并激活B 細胞，促進其增殖分化為產生免疫球蛋白（immunoglobulins，Ig）的漿細胞。相反，當B 細胞被天然的Toll 樣受體（Toll-like receptors）配體激活時，IL-21 則會誘導B 細胞凋亡，導致其數(shù)量減少，這與 Bcl-2 表達下調相關［15］。同時 IL-21 也在漿母細胞和漿細胞的廣泛增殖和分化中起重要作用［16］，其作用機制可能與STAT3 有關，因為STAT3 的缺乏會導致漿細胞數(shù)量和分化顯著減少［17］。IL-21 除了作用于獲得性免疫細胞外，還作用于NK 細胞等天然免疫細胞。在小鼠模型中，IL-21 不僅能抑制NK 細胞的增殖，還能夠誘導NK 細胞的激活和成熟，以及細胞溶解分子（如穿孔素和顆粒酶）的產生，從而增強其細胞毒作用［18］。

2.2 IL-21 的信號通路 IL-21 在淋巴細胞的發(fā)育、成熟和激活中起重要作用。當IL-21 與IL-21R 結合后，受體復合物（IL-21Rα和γc）發(fā)生二聚化，使JAK1和JAK3（兩種分別與IL-21Rα 和γc 胞質內相關的激酶）發(fā)生反式磷酸化而激活。激活的JAK 使STAT1和 STAT3 磷酸化，并在較小程度上磷酸化 STAT5［6］。磷酸化后的STAT3 蛋白形成同源二聚體，轉位到細胞核并與干擾素γ（interferon-γ，IFN-γ）激活序列結合，調節(jié)IL-21 靶基因的表達，見圖1。在缺乏STAT3蛋白表達的T 細胞中存在IL-21 的信號缺陷，由此可見 STAT3 是 IL-21 信號轉導中最重要的蛋白之一［19］。而活化的STAT3 信號在T 細胞中可導致視黃酸受體相關孤兒受體γt（retinoic acid receptor-related orphan receptor γt，RORγt）的表達增加，使得IL-17 和IL-21的產生增加［20］。IL-21-STAT3 軸還可直接促進由IL-6所介導的Bcl-6的表達，從而誘導Tfh細胞發(fā)育過程中上調CXCR5、ICOS和PD-1的基因轉錄［8］。此外，IL-21還能夠誘導細胞因子信號轉導抑制因子1（suppressor of cytokine signaling 1，SOCS1）和SOCS3 的轉錄，下調 JAK-STAT 通路的效應［4］。IL-21 與 IL-21R結合還可以激活MAPK 和PI3K-蛋白激酶B（protein kinase B，PKB/AKT）信號通路，從而誘導Bcl-2表達，介導T細胞的活化［21］。

Figure 1.Production，signaling pathways and effects of IL-21.IL-21 is mainly secreted by activated lymphocytes，and acts on cell groups of the cardiovascular system，such as cardiomyocytes，fibroblasts，vascular endothelial cells and smooth muscle cells.IL-21 acts on downstream target cells by binding to receptor complexes composed of γ-chain（γc）and IL-21Rα，which mainly induce the activation of JAK-STAT，MAPK and PI3K/AKT signaling pathways.It not only promotes inflammatory response and vascular injury in atherosclerotic coronary artery disease and pulmonary arterial hypertension，but also plays an aggravating role in hypertension，experimental autoimmune myocarditis and myocardial ischemia/reperfusion injury.圖1 IL-21的產生、信號通路及作用

3 IL-21與心血管疾病

3.1 IL-21 與高血壓 高血壓作為一種慢性炎癥性疾病，多種免疫細胞均參與其中。Guzik 等［22］在血管緊張素Ⅱ誘導小鼠高血壓的實驗中觀察到，T細胞缺失小鼠的高血壓反應較野生小鼠弱，然而給此類小鼠移植T細胞后其高血壓反應則再次恢復，表明T細胞參與了高血壓的發(fā)生。另有研究人員發(fā)現(xiàn)由T 細胞亞群產生的IL-21 對高血壓的發(fā)生和發(fā)展有著重要的影響，一項隊列研究提示血壓水平與CD4+T 細胞所產生的IL-21 相關，且在冠心病人群中，伴有高血壓患者的血清 IL-21 水平更高［23］。IL-21 誘導高血壓的機制可能與其促進Th17 細胞和Th1/Tc1 細胞的分化有關，這2 種細胞能夠分別產生IL-17A 和IFN-γ，進而調節(jié)腎臟鈉轉運，導致腎小球損傷和鈉、水重吸收，從而誘導高血壓的發(fā)生；使用抑制IL-21 的藥物后可減弱高血壓效應［24］。

IL-21 除了通過影響T 細胞導致高血壓外，還能通過影響B(tài) 細胞誘導高血壓的發(fā)生發(fā)展。Chan 等［25］的研究表明，B細胞的消耗對實驗性高血壓有保護作用，而IL-21 能夠引起次級淋巴器官的GC 反應，使得GC 中B 細胞迅速增殖，并分化為可分泌抗體的漿細胞，同時誘導高親和力抗體IgG 產生，引起血管損害和血壓升高［26］。Dale 等［23］也觀察到，在高血壓野生小鼠主動脈和腸系膜淋巴結中有GC 樣B 細胞聚集以及IgG1生成增加，但在IL-21-/-小鼠中卻沒有出現(xiàn)此類變化，提示高血壓依賴于IL-21 水平，且與IL-21誘導的次級淋巴器官中GC 樣細胞的增加有關。綜上所述，IL-21 在高血壓的發(fā)生發(fā)展中起關鍵性作用，且主要機制在于對T、B細胞的調節(jié)。

3.2 IL-21 與肺動脈高壓 動脈型肺動脈高壓（pulmonary arterial hypertension，PAH）是一種以肺動脈遠端中小動脈病變?yōu)樘卣鞯穆约膊。?7］。炎癥和自身免疫目前被認為是PAH發(fā)病的關鍵因素。已有研究揭示IL-6與肺動脈高壓的發(fā)病有關，IL-21作為IL-6可能的下游靶點，同樣在肺動脈高壓的發(fā)生發(fā)展中起到了重要的作用?？笽L-6 受體抗體MR16-1 通過阻斷IL-6，能夠有效抑制低氧誘導的Th17細胞活性，減少IL-21 的產生和M2 型巨噬細胞在肺內的聚集，減輕缺氧性肺動脈高壓（hypoxia-induced pulmonary hypertension）［28］。在低氧暴露后，對照組小鼠肺組織中IL-21基因的表達水平顯著上調，經MR16-1 處理組小鼠肺組織IL-21基因的表達水平無明顯上調，表明IL-21 的確位于IL-6 的下游，介導的M2 巨噬細胞極化可能為肺動脈高壓發(fā)生發(fā)展的重要機制之一。

IL-21 可顯著上調肺泡M2 型巨噬細胞標志性基因Arg1、Fizz1和CXCL12的 mRNA 水平，特異性地誘導肺泡M2 型巨噬細胞極化，表達高水平的Arg1，促進組織的纖維化［29］。此外，肺動脈血管平滑肌細胞的異常增殖是PAH 的病理生理基礎［30］。研究顯示，IL-21 所介導的M2 型巨噬細胞極化促進了人肺動脈平滑肌細胞的過度增殖，其機制可能是趨化因子CXCL12 通過與受體CXCR4 結合刺激了血管平滑肌細胞的增殖［31］。還有研究提示，由Th17 細胞產生的IL-21可以通過自分泌方式維持Th17細胞的分化，從而在肺動脈高壓發(fā)展的持續(xù)炎癥中起重要作用［2］。肺組織在低氧、炎癥的刺激下啟動機體的修復機制，導致肺血管重塑，最終造成PAH［32］。綜上所述，IL-21可能在促進肺動脈高壓發(fā)展的持續(xù)性炎癥中起關鍵作用。

3.3 IL-21 與冠心病 冠心病不僅是一種脂代謝紊亂，同樣也是一種慢性炎癥性疾病，抗炎和促炎因子的失衡是導致動脈粥樣硬化進展的主要機制［33］。IL-21 可通過調節(jié)T 細胞的功能誘導冠心病的進展。冠心病人群的IL-21 水平較正常人群高，且隨著患者病變血管的數(shù)目增多，IL-21的表達也相應增高。IL-21還能夠增強初始CD8+T 細胞的抗原特異性應答，上調Th1 免疫應答基因的表達，從而增強IFN-γ 的產生，造成血管損傷［34］。此外，IL-21 誘導冠心病的機制與 Th2 應答的增強亦有關，Di Carlo 等［35］在IL-21R-/-小鼠的實驗中證實了IL-21 對Th2 型炎癥反應起促進作用。IL-21 還可通過抑制幼稚Th 細胞的叉頭框蛋白3（forkhead box protein 3，F(xiàn)oxp3）表達而導致動脈粥血管的樣硬化［36］。Foxp3 是控制 Treg 細胞發(fā)育和功能的關鍵轉錄因子之一，此途徑已被證實在脈粥樣硬化的進展中發(fā)揮重要作用［37］。除了通過調節(jié)T 細胞導致血管的損傷之外，IL-21 還能夠通過分泌金屬蛋白酶和趨化因子招募炎性細胞造成血管損傷。綜上所述，IL-21 參與冠心病的機制多樣，主要通過調節(jié)T 細胞功能及誘導炎性細胞聚集導致血管的損傷加重冠心病的進展。

3.4 IL-21 與心肌缺血再灌注損傷（myocardial ischemia/reperfusion injury，MIRI） MIRI 是缺血心肌在血液恢復時由于各種生化變化導致的心肌損傷的現(xiàn)象。有文獻報道，免疫反應在MIRI 后的急性炎癥中起重要作用［38］，IL-21 因其廣泛的免疫調節(jié)作用而被研究者們所關注。有研究檢測到在小鼠肝臟缺血再灌注損傷的早期階段，IL-21 的產生增加［39］。Clarkson 等［40］觀察到IL-21在缺血腦組織中表達上調并起致病作用。這些均為IL-21 在MIRI 中的作用提供了有力假設。近幾年，Wang 等［41］觀察到小鼠在MIRI 急性期中IL-21 水平升高，且給予外源性的IL-21 后，其心肌損傷明顯加重；而使用抗IL-21 單抗處理后，小鼠心肌損傷則較前緩解，顯示IL-21 在MIRI小鼠模型的心肌損傷中起關鍵作用。IL-21 導致MIRI的機制可能與誘導角質形成細胞源性趨化因子（keratinocyte-derived chemokine，KC）和巨噬細胞炎癥蛋白2（macrophage inflammatory protein-2，MIP-2）兩種趨化因子的表達有關，是因為其能夠在再灌注早期誘導心肌中性粒細胞浸潤，從而損傷心肌細胞。其中MAPK 和核因子κB（nuclear factor-κB，NF-κB）兩種信號通路都可能參與了MIRI 的發(fā)生。有研究證實 IL-21 激活的 MAPK 和 NF-κB 信號通路，在各種促炎介質的產生中都占有重要地位［42］。此外，IL-21在不同細胞中的信號通路也不盡相同。在小鼠新生心肌細胞中，IL-21誘導AKT信號通路，繼而激活NF-κB。而在心臟成纖維細胞中，IL-21 則通過先誘導MAPK 的磷酸化，再激活 NF-κB，最終誘導 KC 和MIP-2 的表達，從而增強中性粒細胞的遷移能力，導致再灌注后心肌的損傷［41］。已有研究證實了NF-κB還可通過PI3K-AKT 通路在不同類型的細胞中誘導趨化因子的上調［43］。Takeda 等［44］的研究表明，IL-21能上調中性粒細胞細胞膜上CD11b和CD16的表達，并增強其產生活性氧簇的能力及吞噬能力，可能與MIRI的發(fā)生有關，但具體機制仍待相關研究來證實。綜上所述，IL-21 導致MIRI 的主要機制可能與KC 和MIP-2的表達增加及中性粒細胞浸潤有關。

3.5 IL-21 與外周動脈疾?。╬eripheral arterial disease，PAD） PAD 是由動脈粥樣硬化引起的下肢動脈閉塞性疾病，與炎癥反應相關。最近來自動物模型和對PAD 患者的研究表明，在肢體缺血后肌肉組織中的白細胞介素及其受體大量增加，提示PAD 啟動了全身炎癥反應［45］，而IL-21 作為促炎癥介質在其中占有重要地位。IL-21 不僅能介導炎癥，還能在外周動脈疾病中促進血管的重塑。Wang 等［46］觀察到IL-21R 在小鼠缺血肌肉模型中的表達顯著上調時，肢體缺血（hindlimb ischemia，HLI）后灌注恢復程度更好。但IL-21R功能的喪失則降低了灌注恢復的程度，表明IL-21R 上調和激活有助于HLI 后的灌注恢復。一項PAD 臨床前模型的研究亦發(fā)現(xiàn)，阻斷IL-21R也會降低灌注恢復［47］。研究顯示，在HLI小鼠模型和培養(yǎng)的人內皮細胞中，IL-21R 的表達在缺氧情況下上調，且在IL-21R+CD31+內皮細胞中發(fā)現(xiàn)了STAT3 激活的證據(jù)［46］，表明 STAT3 通路在 PAD 患者的體內被激活，并通過IL-21R 的信號途徑來增加血管的生成，誘導其對缺氧內皮細胞的保護作用。還有研究表明，白細胞介素還能夠通過調節(jié)STAT3 和血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）影響動脈的重塑，在PAD 的灌注恢復中發(fā)揮重要作用［45］。Niu 等［48］利用染色質免疫沉淀分析也證明，STAT3蛋白在體內可直接與VEGF基因啟動子結合，而VEGF基因啟動子中STAT3結合位點的突變能夠直接導致VEGF基因啟動子活性喪失，表明VEGF是 STAT3 的直接靶基因。此外，IL-21 的信號通路中的PI3K 和MAPK 信號通路也可能參與了VEGF基因的調控。

3.6 IL-21 與免疫性心肌炎及心臟瓣膜損害 自身免疫性心肌炎及瓣膜損害，是導致心血管事件的一個重要因素，均與自身免疫系統(tǒng)有著千絲萬縷的聯(lián)系。IL-21 在多發(fā)性硬化癥和類風濕性關節(jié)炎等多種自身免疫疾病中占有重要地位，有研究報道過Th17 相關細胞因子IL-21 的高表達與風濕性心臟病的發(fā)生和發(fā)展相關［49］。IL-21 及其相關因子在實驗性自身免疫性心肌炎（experimental autoimmune myocarditis，EAM）發(fā)病機制中起重要作用。王焱等［50］在大鼠EAM 模型中觀察到IL-21 及其受體在心臟和脾臟中表達，并在EAM 急性期2 周時顯著升高并達峰值。由此可見，IL-21 及其受體能夠作用于心肌細胞并發(fā)揮其致炎作用，參與自身免疫性心肌炎的發(fā)展。有研究證實在風濕性心臟病患者的二尖瓣中Th17 相關細胞因子，IL-17 和 IL-21 水平顯著升高［51］。有研究顯示作為Th17 細胞分化和成熟的必需條件的IL-6及TGF-β也在EAM 急性期表達升高，且與IL-21 及其受體的表達趨勢一致。進一步研究表明，主要由Th17 細胞分泌的IL-17 及其受體也呈現(xiàn)高表達，且其趨勢同樣與IL-21 相一致［50］。這兩項結果均為IL-21 誘導Thl7 細胞的分化且促進IL-17 的分泌提供了有力證據(jù)。同樣，Bas等［52］也報道了風濕性心臟瓣膜病患者外周血中Th17/Treg 細胞比例明顯升高，且IL-17 水平也高于對照組。由此可見，IL-21 對免疫性心肌炎與心瓣膜損害的機制可能是通過誘導Th17細胞的分化，進而促進IL-17的分泌發(fā)揮其致炎作用。此外，有文獻報道作為IL-21 最重要的STAT3信號通路，它的激活亦加劇了Th17 細胞參與的炎癥［53］。因此，在自身免疫性心肌炎與心瓣膜損害中，IL-21 是否也能通過STAT3 通路誘導Th17 細胞的分化還需要進一步研究加以證實。

4 總結與展望

IL-21 在B、T 細胞的調節(jié)和激活中起主導作用，由于其調節(jié)免疫反應的能力，通過增強或抑制IL-21或IL-21R 對許多疾病均有治療作用。近年來，越來越多的研究表明，IL-21 在自身免疫性疾病和慢性炎癥性疾病中起重要作用，同時與心血管疾病的發(fā)生發(fā)展密不可分，因此IL-21 作為抗炎的潛在靶點在心血管疾病的預防和治療中有著廣泛的前景。然而，目前人們在很大程度上還不清楚IL-21 導致心血管疾病的具體機制及信號通路，未來還需要更多的研究來揭示其致病作用，深度挖掘這一細胞因子系統(tǒng)的治療潛力。