白細(xì)胞介素-6和JAK2/STAT3信號通路在急性肺損傷中的作用

張麗敏， 祁亞鋒， 韓冰閣， 牛 帆， 宋忠陽， 頡志英， 雍文興， 張志明

自1967年出現(xiàn)關(guān)于急性肺損傷(acute lung injury， ALI)的描述以來，其臨床表現(xiàn)有著不同的定義。1994年美歐聯(lián)席會議指出，ALI和急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome, ARDS)是屬于同一疾病過程中的兩個階段，在2012年統(tǒng)一定義為ARDS，并根據(jù)氧合指數(shù)分為輕、中、重三種程度[1]。盡管ALI的歷史可以追溯到五十年前，但其治療進(jìn)展實際上只有二十余年，復(fù)雜的發(fā)展過程與臨床病癥使得該綜合征仍無特效治療手段[2]。因此從現(xiàn)代醫(yī)學(xué)角度出發(fā)，對ALI生物標(biāo)志物、適當(dāng)?shù)闹委煱悬c及信號通路進(jìn)行探討，以期能有效轉(zhuǎn)化，為臨床患者服務(wù)。

1 ALI的發(fā)病機(jī)制

ALI是由各種感染、非感染致病因素導(dǎo)致的急性、彌漫性炎癥性肺損傷，是危重的呼吸系統(tǒng)疾病之一，病死率高且重癥患者預(yù)后較差[3]。研究[4]表明，ALI占所有重癥監(jiān)護(hù)病房(ICU)住院患者的10%以上，占所有住院患者的4%。ALI發(fā)病因素復(fù)雜，機(jī)制尚未完全闡明，其病理特點為肺泡-毛細(xì)血管膜屏障破壞，炎癥細(xì)胞遷移能力增強和促炎細(xì)胞因子大量產(chǎn)生[5]。從根本上說，肺血管內(nèi)皮細(xì)胞和肺泡上皮細(xì)胞的炎癥損傷是導(dǎo)致肺功能喪失的主要原因[6]。多種炎癥細(xì)胞參與ALI發(fā)病的全過程，如肺損傷通常會觸發(fā)上皮細(xì)胞的促炎癥反應(yīng)，吸引巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞和趨化因子介導(dǎo)炎性血腦屏障。盡管促炎癥是一種防御反應(yīng)，但也可能導(dǎo)致嚴(yán)重問題，肺內(nèi)急性炎癥反應(yīng)導(dǎo)致肺泡水腫、肺順應(yīng)性降低和低氧血癥[7]。而在上皮細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞上發(fā)現(xiàn)的炎癥和凝血級聯(lián)的生物標(biāo)志物，可以預(yù)測ALI的發(fā)病率和病死率。應(yīng)激后促炎細(xì)胞因子增加，可作為肺生理損傷程度的標(biāo)志和正在發(fā)生的細(xì)胞損傷的標(biāo)志。對于促炎細(xì)胞因子腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、白細(xì)胞介素-1β(IL-1β)、白細(xì)胞介素-6(IL-6)、白細(xì)胞介素-1(IL-1)和白細(xì)胞介素-18(IL-18)的研究最多，其中IL-1、IL-6、白細(xì)胞介素-17A(IL-17A)是啟動肺部炎癥反應(yīng)的主要介質(zhì)[8]。IL-1β與TNF-α也被稱為早期反應(yīng)細(xì)胞因子，具有進(jìn)一步觸發(fā)其他促炎細(xì)胞因子分泌的作用。研究表明，有害因素影響肺內(nèi)外環(huán)境時，可刺激IL-1β與 TNF-α快速分泌抗炎細(xì)胞因子，以維持炎癥平衡，但當(dāng)有害因素持續(xù)而強烈損傷機(jī)體時，促炎、抗炎平衡被打破， 早期反應(yīng)細(xì)胞因子可反向促進(jìn)IL-1、IL-6、白細(xì)胞介素-12(IL-12)等一系列促炎細(xì)胞因子及趨化因子的活化及釋放，形成失控的炎癥反應(yīng)，引起級聯(lián)放大的“瀑布效應(yīng)”，這一過程也被稱為細(xì)胞因子風(fēng)暴[9]。

2 IL-6、非受體型酪氨酸蛋白激酶2(JAK2)/信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活蛋白3(STAT3)

2.1IL-6信號通路

細(xì)胞因子是具有免疫調(diào)節(jié)功能的糖基化蛋白，在感染和炎癥過程中起重要作用，IL-6是由多種細(xì)胞類型產(chǎn)生的多功能細(xì)胞因子,生物活性廣泛，主要表現(xiàn)在免疫調(diào)節(jié)、造血、炎癥和腫瘤發(fā)生等方面，其生物活性由膜結(jié)合型白細(xì)胞介素-6受體(inter leukin-6 receptor, IL-6R) 和可溶性白細(xì)胞介素-6受體(soluble inter leukin-6 receptor, sIL-6R) 介導(dǎo)，并且IL-6R和sIL-6R可通過兩種不同的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)方式參與其下游信號通路的激活，分別稱為經(jīng)典信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和跨信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[10]。

在典型的IL-6信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中，IL-6結(jié)合其膜結(jié)合受體(IL-6R)， IL-6/IL-6R復(fù)合物誘導(dǎo)糖蛋白130 (gp130)二聚化，進(jìn)而激活下游的非受體型酪氨酸蛋白激酶(JAK)和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活蛋白(STAT)[11]。然而，該受體僅在肝細(xì)胞和白細(xì)胞的某些亞群上表達(dá)。故其他所有不表達(dá)膜結(jié)合的IL-6R的細(xì)胞都通過反式信號轉(zhuǎn)導(dǎo)獲得IL-6信號。在反式信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中，IL-6與IL-6R的可溶性形式(sIL-6R)結(jié)合，這種激動性的IL-6/sIL-6R復(fù)合物原則上可以激活所有細(xì)胞，且與gp130的表達(dá)統(tǒng)一。與具有抗炎特征的傳統(tǒng)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)不同，反式信號轉(zhuǎn)導(dǎo)負(fù)責(zé)IL-6的促炎作用[12]。

2.2IL-6、JAK/STAT

IL-6信號的進(jìn)一步傳遞是通過JAK/STAT、絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)-磷脂酰肌醇-3激酶(PI3K)途徑進(jìn)行的[13]。其中STAT被JAK磷酸化，進(jìn)而以二聚體形式通過核膜轉(zhuǎn)運到細(xì)胞核，調(diào)控相關(guān)基因的表達(dá)。該通路被稱為JAK/STAT信號通路，它也被稱為IL-6信號通路，是近年來發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞因子刺激的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。該信號通路是被超過70種細(xì)胞因子利用的主要信號通路，在啟動先天和適應(yīng)性免疫反應(yīng)并最終抑制多種炎癥反應(yīng)中起關(guān)鍵作用[14]。JAK家族是一組非跨膜酪氨酸激酶(JAK2、JAK1、JAK3和TYK2)，選擇性地與細(xì)胞因子受體通過磷酸化的酪氨酸殘基鏈和調(diào)解信號途徑中的各種蛋白質(zhì),包括自己和受體鏈及轉(zhuǎn)錄因子，而STATs結(jié)合受體上磷酸化的酪氨酸殘基，在JAKs磷酸化后，STATs二聚和易位到細(xì)胞核，在那里它們結(jié)合到脫氧核糖核酸(DNA)，可以激活或抑制轉(zhuǎn)錄。在哺乳動物中，STAT家族共有7個成員(STAT1、STAT2、STAT3、STAT4、STAT5A、STAT5B和STAT6)，其中STAT3具有更廣泛的生物功能，可以被許多細(xì)胞因子活化[15]。

2.3IL-6、JAK2/STAT3信號通路 生長因子(EGF、TGF-α、EPO、IL-1、CSF等)和細(xì)胞因子(IFN、IL-2、IL-6、CNFT等)不能穿過細(xì)胞膜，必須激活細(xì)胞內(nèi)信號分子才能引起靶細(xì)胞反應(yīng)，而JAK/STAT信號通路是一種普遍表達(dá)的細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，細(xì)胞因子可利用該信號參與細(xì)胞增殖、分化、凋亡和免疫調(diào)節(jié)等許多重要的生物學(xué)過程[16]。其中JAK2/STAT3信號通路的持續(xù)激活與許多免疫和炎癥性疾病密切相關(guān)，如類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎(rheumatoid arthritis, RA)、炎癥性腸病、膿毒癥、腫瘤和癌癥等。有研究[17]發(fā)現(xiàn)，JAK2/STAT3通路的激活在多種實體腫瘤的增殖、生存、分化和血管生成等過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。一項研究[18]表明，JAK2特異性抑制劑AG490抑制STAT3激活,可阻斷STAT3磷酸化、細(xì)胞運動和誘導(dǎo)IL-6的產(chǎn)生。因此，IL-6通路可能導(dǎo)致透明細(xì)胞卵巢癌的預(yù)后惡化。近年來有研究發(fā)現(xiàn)，JAK2/STAT3信號通路與呼吸系統(tǒng)疾病密切相關(guān)，如有學(xué)者基于網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)研究薄荷油(MEO)衍生的精油對暴露于PM10哮喘的抑制作用，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞因子-細(xì)胞因子受體的相互作用和JAK2/STAT3被認(rèn)為是MEO治療哮喘的潛在機(jī)制，MEO治療可明顯降低IL-6水平，同時通過MEO、PM10誘導(dǎo)的JAK2/STAT3磷酸化明顯降低[19]。在靶向JAK2/STAT3信號通路抑制肝肺綜合征(HPS)大鼠肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖的研究[20]中證明，IL-6可以刺激JAK2/STAT3通路，可促進(jìn)微血管內(nèi)皮細(xì)胞(PMVEC)的細(xì)胞增殖，從而為預(yù)防HPS提供一種新的治療策略。 IL-6、JAK2/STAT3通路是在疾病發(fā)病過程中參與調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)的主要信號通路。IL-6在炎癥反應(yīng)中能夠促進(jìn)內(nèi)皮通透性的增加，而在脂多糖(LPS)誘導(dǎo)的ALI中，抑制STAT3活性可改善肺炎癥反應(yīng)[21]。

3 IL-6、JAK2/STAT3信號通路與ALI

3.1LPS介導(dǎo)的ALI 研究證明，在LPS介導(dǎo)的ALI模型大鼠中，STAT轉(zhuǎn)錄因子在肺中可以被迅速激活，且LPS以與STAT激活相一致的動力學(xué)激活肺中的STAT激酶JAK。并且研究表明，在培養(yǎng)的上皮或內(nèi)皮細(xì)胞中，直接LPS處理不會導(dǎo)致STAT激活，而在這兩種細(xì)胞類型中，IL-6都會激活STAT3。此外，IL-6在血清和肺中被LPS誘導(dǎo)，其動力學(xué)與STAT3激活相一致，表明IL-6可能是LPS激活STAT的一種機(jī)制[22]。在微小RNA-216α(miR-216α)通過調(diào)節(jié)LPS減輕LPS誘導(dǎo)ALI的JAK2/STAT3信號傳導(dǎo)中發(fā)現(xiàn)，miR-216α的過表達(dá)，抑制了LPS誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡和自噬，且miR-216α過表達(dá)時，LPS引起的炎癥反應(yīng)減弱，其特征在于IL-1β、IL-6和TNF-α分泌的下調(diào)和改善的肺通透性，延長了ALI小鼠的生存期[23]。同時有研究[24]表明，促紅細(xì)胞生成素(EPO)可以通過抑制Nod樣受體蛋白3(NLRP3)炎性體，有效減輕小鼠LPS誘導(dǎo)的肺損傷，這取決于JAK2/STAT3信號的激活和核轉(zhuǎn)錄因子(NF)-κB通路的抑制。

3.2膿毒癥/胰腺炎介導(dǎo)的ALI IL-6、JAK2/STAT3信號通路是細(xì)胞因子和生長激素受體信號必不可少的通路，在ALI病理過程中，可以通過抑制IL-6、JAK2/STAT3信號通路激活, 減少炎癥介質(zhì)分泌，從而緩解或治療ALI。有研究[25]表明，胰腺炎引起的肺損傷不良臨床結(jié)局與血清IL-6升高有關(guān)。已有研究[26]證明，IL-6、JAK2/STAT3信號通路，在胰腺炎誘導(dǎo)的肺損傷風(fēng)險中起關(guān)鍵作用。同時，該信號通路還與氧化和炎癥反應(yīng)相關(guān)。且在Hydrostatin-SN10通過影響IL-6誘導(dǎo)的JAK2/STAT3相關(guān)炎癥和氧化應(yīng)激改善胰腺炎誘導(dǎo)的肺損傷研究[27]中表明，IL-6是一種常見的與肺損傷相關(guān)的炎癥細(xì)胞因子。IL-6可能通過激活JAK2/STAT3信號通路，抑制增殖、促進(jìn)凋亡、促進(jìn)肺損傷，而Hydrostatin-SN10能明顯抑制胰腺炎所致的肺損傷，通過滅活JAK2/STAT3磷酸化，明顯降低IL-6水平，改善肺組織損傷。TNF-α、IL-1β、IL-6和一氧化氮等是重要的促炎細(xì)胞因子，這些細(xì)胞因子相互作用，并伴有擴(kuò)張性級聯(lián)反應(yīng)，加速膿毒癥誘導(dǎo)ALI的進(jìn)展，改變血管通路通透性，導(dǎo)致肺水腫形成[27]。在烏司他丁通過抑制JAK/STAT3通路保護(hù)膿毒癥誘導(dǎo)大鼠ALI研究[28]中發(fā)現(xiàn)，大量細(xì)胞因子和可溶性因子信號均可通過JAK-STAT途徑相互作用。并且JAK和STAT基因的突變和多態(tài)性與許多人類炎癥疾病密切相關(guān)，其中STAT3信號下游IL-6對于炎癥的分化至關(guān)重要。

3.3其他 在ALI的發(fā)病機(jī)制中，血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)在調(diào)節(jié)血管屏障功能中起著不可或缺的作用。有研究[29]表明，用JAK2抑制劑AG490處理的野生型C57BL/6小鼠表現(xiàn)出較低的血管滲透性，證實JAK2在VEGF誘導(dǎo)的血管滲透性中具有明顯作用，且JAK2和STAT3信號轉(zhuǎn)導(dǎo)級聯(lián)可以有效調(diào)節(jié)血管屏障的完整性。細(xì)胞因子信號轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制因子3 (suppressor of cytokine signaling 3, SOCS3)可以有效抑制炎癥反應(yīng)。有研究[30]證實，SOCS3通過負(fù)調(diào)控JAK2/STAT3信號通路，能夠抑制過度的炎癥因子，防止過度產(chǎn)生對細(xì)胞造成不可逆的損傷，并刺激各種抗炎物質(zhì)，抵抗嚴(yán)重急性胰腺炎大鼠肺部炎癥損傷。在高糖(HG)處理后A549人肺上皮細(xì)胞中，SOCS3過表達(dá)，可減弱HG誘導(dǎo)的p-JAK2和p-STAT3升高，表明SOCS3是JAK2和STAT3信號通路的負(fù)調(diào)控因子，參與糖尿病肺損傷發(fā)展過程中高血糖誘導(dǎo)的細(xì)胞反應(yīng)[31]。也有研究[32]表明, SOCS3是通過抑制STAT3激活參與IL-6家族細(xì)胞因子的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)控，但SOCS3調(diào)控JAK2/STAT3信號通路和調(diào)節(jié)肺部炎癥反應(yīng)的分子機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

4 中藥治療在ALI中的作用

隨著中醫(yī)藥事業(yè)的發(fā)展，中藥相關(guān)成分治療ALI也顯示出明顯優(yōu)勢。如紫檀烯(PTS)能明顯抑制外周血和肺組織中炎性細(xì)胞因子(TNF-α、IL-6及MCP-1)的表達(dá)，提示PTS可能通過抑制炎癥反應(yīng)在肺中發(fā)揮保護(hù)作用，且能明顯抑制JAK2和STAT3的磷酸化水平[33]。紅景天苷(SAL)通過抑制JAK2/STAT3通路的激活和阻止STAT3向核轉(zhuǎn)移用以減輕炎癥反應(yīng)的研究[34]中表明，在LPS誘導(dǎo)小鼠ALI模型中，SAL明顯減少炎癥細(xì)胞浸潤，降低血清TNF-α和IL-6水平，且證實SAL通過抑制JAK2/STAT3信號通路激活和STAT3核易位發(fā)揮抗炎作用，故JAK2/STAT3在炎癥反應(yīng)中具有明顯優(yōu)勢和保護(hù)作用。在LPS誘導(dǎo)大鼠ALI模型中發(fā)現(xiàn)，姜黃素具有治療ALI潛力，其機(jī)制可能與抑制JAK2/STAT3通路激活, 減少分泌炎癥介質(zhì)有關(guān)[35]。并且有研究[36]表明，中藥復(fù)方清瘟敗毒飲干預(yù)膿毒癥ALI模型大鼠，可以降低炎性因子，抑制JAK2/STAT3信號通路轉(zhuǎn)導(dǎo)，可有效調(diào)節(jié)通路中重要的負(fù)反饋蛋白。以上結(jié)果表明，IL-6、JAK2/STAT3信號通路的激活與肺損傷導(dǎo)致的炎癥反應(yīng)有著密切聯(lián)系，值得臨床進(jìn)一步深入研究。

細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活因子在疾病發(fā)生、發(fā)展的過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，隨著對ALI發(fā)病機(jī)制的深入研究，JAK2/STAT3的過度激活與抑制引起人們關(guān)注。越來越多證據(jù)表明，IL-6、JAK2/STAT3信號通路在各種因素引起的ALI中起到重要作用，它的抑制與激活可能通過調(diào)控炎性細(xì)胞因子的表達(dá)參與其發(fā)生、發(fā)展，因此，針對該通路中相關(guān)蛋白和酶的特異性抑制干預(yù)，可以為ALI治療開發(fā)新思路，成為治療ALI研究的新方向。