IL-6在相關疾病中作用機制的研究進展

張錦鵬,王顥典,任華建綜述,任建安審校

0 引 言

白細胞介素-6(interleukin-6,IL-6)被認為是最典型的與炎癥相關的多功能細胞因子［1］,由多種類型的細胞產生,可以調節(jié)全身的生理和病理過程,如誘導分泌免疫球蛋白、激活T細胞、誘導分泌肝急性反應蛋白及刺激紅細胞生成,此外,還可促進中性粒細胞分化、活化或骨細胞,促進角質細胞、腎小球細胞生長,誘導ACTH合成,結合HBV包膜蛋白等。

目前已知IL-6在手術、外傷、感染、應激反應等情況下產生迅速、半衰期短、敏感性高,此外,其作為重要的炎性因子,其表達失調可引起代謝性疾病、肝及腸道炎性疾病、腦部疾病、骨質疏松癥及腫瘤等［2］。因此,其在臨床疾病診斷、治療及預后判斷中發(fā)揮了重要作用。本文對近年IL-6在相關疾病中的作用進行綜述,旨在為臨床提供研究參考。

1 IL-6的概述

最初于20世紀70年代,日本科學家岸本忠三發(fā)現(xiàn)T細胞上清液可刺激B細胞產生抗體,稱為B細胞刺激因子(B-cell stimulatory factor 2,BSF-2)。以及促進肝細胞急性時相蛋白質合成的稱為肝細胞刺激因子(hepatocyte stimulatory factor,HSF)。1986年干擾素β2在成纖維細胞中被發(fā)現(xiàn),并鑒定出與BSF-2、HSF［3］、雜交瘤-漿細胞瘤生長因子［4］為同一種物質,岸本實驗室克隆出來其cDNA后［5］,在1988年正式命名為IL-6。

人IL-6基因定位于第七號染色體上,IL-6是一種由184個氨基酸組成,相對分子質量為21 000的糖蛋白,可由巨噬細胞、T細胞、B細胞、成纖維細胞、內皮細胞、腎小球系膜細胞及若干腫瘤細胞等多種細胞合成［6］。

IL-6相關受體可分為兩種:膜連接受體(mIL-6R)及可溶性受體(sIL-6R)。IL-6R由一個IL-6結合受體分子(IL-6Rα鏈)和一個信號傳感器gp130(IL-6R β鏈)組成,它在IL-6細胞因子家族中是共用的。IL-6/IL-6Rα鏈復合物與細胞膜上的gp130相互作用,引起細胞內信號轉導,稱之為經典途徑［7］。然而,經典途徑中需要細胞的表面同時表達IL-6Rα和gp130,所有細胞都表達gp130,但只有白細胞、肝細胞等少數細胞表面表達IL-6Rα鏈［8］。

IL-6Rα的可溶性形式sIL-6R由蛋白酶和金屬蛋白酶結構域1·蛋白17(ADAM17)酶解產生,并廣泛存在于血清中［9］。所有體細胞均有gp130表達,因而IL-6Rα鏈(-)gp130(+)細胞可通過血清中的sIL-6R接受IL-6刺激,參與細胞內信號轉導。這種IL-6的作用模式通過細胞因子-可溶性受體復合物作用于靶細胞,被稱為反式信號模式［10］,此為IL-6發(fā)揮作用的主要途徑。通過這一途徑,IL-6可以在sIL-6R存在的情況下,刺激體內的任何細胞［11］。這種信號傳遞模式擴大了對IL-6有反應的細胞的范圍,包括內皮細胞和成纖維細胞等,這解釋了IL-6作用于多種細胞和組織以發(fā)揮多效性功能的機制之一。事實上,這種模式在慢性炎癥中起著至關重要的作用［12］。在表達IL-6α的細胞中IL-6活性通過經典途徑介導,而在僅表達gp130的細胞中,通過反式信號模式介導。

近年來人們研究發(fā)現(xiàn)第3種IL-6信號通路,稱之為IL-6的反式呈遞作用,當抗原特異性樹突細胞和T細胞相互作用時,樹突細胞提供激活通路的信號,而后T細胞被激活,表現(xiàn)出對組織的高破壞性表型。

利用人類炎癥疾病或炎癥相關癌癥的動物模型,研究發(fā)現(xiàn)自身免疫性疾病和炎癥相關癌癥主要由IL-6反式信號模式驅動,而IL-6的抗炎與保護再生活性是由經典途徑介導的［13］。

2 IL-6在代謝性疾病中的作用

IL-6家族細胞因子在代謝中至關重要,最初研究認為,IL-6會導致肥胖相關的胰島素抵抗。gp130信號通路的激活在某些情況下可能是有害的,可導致代謝、肝和胃腸道疾病,如肥胖、慢性肝損傷。

然而,IL-6并不是單方面導致胰島素抵抗,還有可能對于代謝有益。IL-6在運動過程中可從骨骼肌中釋放,而胰島素的作用在運動后立即增強［14］,這就表明過度表達人類IL-6的小鼠則表現(xiàn)出胰島素敏感性增加,并能抵御飲食誘導的肥胖和相關的全身炎癥［15］。而IL-6-/-小鼠出現(xiàn)肥胖、肝炎癥和胰島素抵抗的驗證性觀察進一步證實了IL-6可能具有有益作用的觀點。肥胖患者中脂肪組織釋放的IL-6可導致肝胰島素抵抗和炎癥。然而,肌肉釋放的IL-6增高了GLP-1的水平與活性,從而改善了小鼠和人類的β細胞功能和葡萄糖穩(wěn)態(tài)［16］。

此外,脂肪細胞來源的IL-6在沒有胰島素耐受性主要變化的情況下促進脂肪組織巨噬細胞(adipose tissue macrophages,ATM)的積累,而髓系細胞來源和肌肉來源的IL-6抑制m1樣巨噬細胞極化和ATM的積累,改善胰島素耐受性,這些相反的作用與IL-6信號從經典模式(髓系細胞)到跨信號模式(脂肪細胞)的轉換有關［17］。綜上所述,IL-6產生的來源和信號轉導模式決定了IL-6在代謝中的生理作用。

3 IL-6在肝疾病中的作用

在肝中,IL-6家族參與肝的穩(wěn)態(tài)機制,包括病原體根除、肝再生、急性和慢性肝炎癥以及腫瘤的起始和進展等過程。IL-6快速產生有助于宿主在感染和組織損傷期間的防御,但過度的gp130受體信號通路的合成和失調與疾病病理有關。

研究發(fā)現(xiàn),IL-6基因敲除小鼠與野生型小鼠之間存在顯著差異。IL-6基因敲除小鼠在在肝切除術后,其肝不能再生,這與IL-6在參與肝再生中發(fā)揮著激活STAT3,限制炎癥反應,觸發(fā)肝細胞的增殖與再生的研究相符合［18］。

而長期暴露于IL-6可促進肝糖異生肝胰島素抵抗［19］。肝胰島素抵抗和脂質代謝受損的存在通常與高IL-6水平相一致,這支持了慢性IL-6信號傳導發(fā)揮促炎作用的觀點。一項在飲食誘導的非酒精性脂肪性肝炎(non-alcoholic steatohepatitis,NASH)小鼠模型中進行的研究表明,通過抗IL-6Rα阻斷IL-6信號通路可增強脂肪變性,但可減少炎癥的跡象［20］,可以支持IL-6反式信號通路在炎癥中的作用。

減少IL-6的治療可以改善胰島素抵抗和慢性病發(fā)生期間的肝脂質含量,這種現(xiàn)象的觀察進一步加強了這一概念［21］。IL-6家族細胞因子在急性和慢性肝病中調節(jié)炎癥方面表現(xiàn)出不同的功能,在急性炎癥模型中經常作為抗炎細胞因子,在慢性肝病中發(fā)揮促炎作用。

長期的IL-6細胞因子在慢性肝炎癥中起著關鍵作用,其高表達會刺激導致肝纖維化、肝硬化,最后發(fā)展為肝細胞癌(hepatocellular carcinoma,HCC)。IL-6、IL11、OSM、LIF和IL-27被認為是人類炎癥與纖維化和癌癥之間的關鍵調節(jié)因子。在實驗模型和人類中,IL-6是IL-6家族中參與HCC發(fā)展的最典型的細胞因子。在晚期HCC患者中,血清IL-6水平的升高與不良預后、生存和復發(fā)相關［22］。

4 IL-6在腫瘤疾病中的作用

在癌癥的發(fā)展過程中,目前認為只有5%～10%的癌癥是由遺傳基因缺陷引起的,其余90%～95%的癌癥起源于與慢性炎癥密切相關的環(huán)境和生活方式［23］。因此,與腫瘤的發(fā)生本質上由腫瘤前細胞觸發(fā)的觀點不同,環(huán)境因素,如感染、壓力、肥胖、衰老和吸煙,每一種都可以誘發(fā)慢性炎癥,可能是腫瘤發(fā)生的主要原因［24］。

研究發(fā)現(xiàn),炎癥因子IL-6與肺癌、結腸癌、肝癌等多種腫瘤的發(fā)生密切相關［23］。在腫瘤的生長過程中,尤其是實體瘤,其血管的形成與腫瘤關系密切,Nilsson等［26］報道IL-6在體外可趨化血管內皮細胞,在體內可促進新生血管的形成。另有Dalwadi等［26］報道IL-6作為COX-2的執(zhí)行者可促進血管的生成和腫瘤的生長。Naugler曾經研究過,通過應用雌激素控制IL-6的高表達來預防男性肝癌的發(fā)生［27］。

IL-6可通過刺激STAT3通路,成為許多癌細胞的重要生長因子,甚至在一些類型的癌癥中起著主導作用。在胰腺癌的研究中發(fā)現(xiàn),STAT3通路的大量激活導致腫瘤進展,是由腫瘤浸潤骨髓細胞誘導的,它通過IL-6反式信號通路刺激腫瘤細胞。通過sgp130Fc蛋白選擇性阻斷該通路,可阻斷胰腺上皮內瘤變向胰腺導管腺癌的進展［28］,表明IL-6反式信號通路在胰腺癌的發(fā)生發(fā)展中起著重要作用。在小鼠APC中min/+在結腸癌模型中,ADAM17基因缺失不僅產生sIL-6R,還產生可溶性腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor,TNFα)和表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor,EGFR)的可溶性配體,完全消除了腫瘤的發(fā)展［29］。此外,腫瘤的形成刺激了巨噬細胞上的ADAM17,導致EGFR配體的分裂,而后刺激EGFR。受到刺激的巨噬細胞會產生IL-6和sIL-6R,從而導致了腫瘤的生長。同樣,通過sgp130Fc蛋白選擇性阻斷IL-6反式信號通路,可以阻斷APCmin/+模型和另一種小鼠結腸癌模型中的腫瘤發(fā)展［30］。

5 IL-6在慢性炎性疾病及自身免疫性疾病中的作用

自身免疫性疾病常伴有慢性炎癥,又可稱為一種自身炎癥性反應,如克羅恩病、潰瘍性結腸炎、白塞氏病、干燥綜合征、類風濕性疾病、慢性腎炎等,其發(fā)病機制與細胞因子的失調有關［31］。

IL-6通過“反式傳導信號”機制誘導STAT3磷酸化［32］,STAT3誘導抗凋亡因子bcl-2和bcl-XL,抗凋亡因子阻止炎癥細胞凋亡,促進T淋巴細增殖,刺激細胞毒性T細胞反應,導致慢性炎癥的發(fā)生。炎癥性腸病是一種腸道慢性非特異性炎癥性疾病,越來越多的研究表明,IL-6/STAT3信號通路與潰瘍性結腸炎的發(fā)生、發(fā)展有關［33］。靶向阻斷IL-6/STAT3信號通路,為治療潰瘍性結腸炎提供了新的思路。

IL-6基因敲除小鼠在類風濕性關節(jié)炎和多發(fā)性硬化癥的動物模型中完全受到保護［34］,表明IL-6在這些自身免疫性疾病發(fā)病機制中起著關鍵作用。自身免疫性疾病被認為是由免疫反應的失調引起的,然而,導致許多自身免疫性疾病,包括類風濕關節(jié)炎和其他組織特異性疾病的真正致病性抗原尚未被確定［35］。這就提出了一種可能性,即自身免疫性疾病并不總是需要對組織特異性抗原的破壞。相反,免疫系統(tǒng)對靶組織的過度激活可能是由非免疫靶組織中的局部啟動子［36-37］。

6 IL-6在急性感染中的作用

IL-6是多能炎性細胞因子,能夠刺激參與免疫反應的細胞增殖、分化并提高其功能,在感染與組織損傷時IL-6迅速生成,通過刺激造血與免疫來促進宿主抵抗感染。其在傳遞信息,激活與調節(jié)免疫細胞,介導T、B細胞,巨噬細胞和破骨細胞等的活化、增殖與分化及在炎癥反應中起重要作用。根據2017《感染相關生物標志物臨床意義解讀專家共識》,認為IL-6在炎癥及感染性疾病中,升高早于其他細胞因子,也早于CRP和PCT,可用來作為急性感染的早期診斷。IL-6也可用來評價感染嚴重程度,并判斷預后,當IL-6>1000 ng/mL時提示預后不良。動態(tài)觀察IL-6水平也有助于了解感染性疾病的進展和對治療的反應

在穩(wěn)態(tài)條件下,循環(huán)中的IL-6水平低至1～5 pg/mL,但在炎癥狀態(tài)下,這些水平可上升1000倍以上,在極端條件下導致膿毒癥的IL-6水平在μg/mL范圍內［38］。IL-6是由髓系細胞在toll樣受體刺激下與細胞因子IL-1β和TNF-α共同產生的,它們通過一個前饋回路,導致炎癥條件下IL-6產生的巨大擴增［39］。人體體內可能沒有其他蛋白質的水平可以上升6個數量級。因此,IL-6是人體對感染、炎癥和可能的癌癥的反應的主要警報信號［40］。

細胞因子的濃度增加并引起各種炎癥因子瀑布式釋放,會引起組織細胞損傷。研究表明,肺炎初期感染側IL-6和IL-10濃度明顯高于非感染側。細菌侵入下呼吸道后,其本身及分泌的內毒素激活肺組織局部的巨噬細胞、淋巴細胞及上皮細胞,使之分泌IL-6以及“早期反應細胞因子”TNF-α和IL-1β,TNF-α和IL-1β,從而又進一步刺激上述細胞分泌IL-6以及其它促炎因子,從而使IL-6在局部組織的濃度增高,導致支氣管肺泡灌洗液(bronchoalveolar lavage fluid,BALF)中IL-6的濃度增高。重癥肺炎患者BALF中的IL-6、IL-10、TNF-α水平明顯高于對照組,表明IL-6、IL-10、TNF-α在肺部感染中有重要意義。Zobel等［41］的研究提示:典型的細菌性感染可導致較高的IL-6和IL-10濃度,IL-6濃度可反映社區(qū)獲得性肺炎患者的疾病嚴重程度。且死亡組患者血液IL-10等細胞因子濃度顯著高于存活組,并呈增高趨勢。

急性呼吸系統(tǒng)綜合征冠狀病毒(SARS-CoV-2019)引起的新型冠狀病毒肺炎,目前已成為一種大流行。其嚴重可導致急性呼吸窘迫綜合征(ARDS)［42］。ARDS是一種由肺炎、膿毒癥和創(chuàng)傷性等機械損傷和感染引起的致命綜合征［43］,其也被認為是細胞因子風暴的結果［44］。快速進展的炎癥伴隨著大量的促炎細胞因子、趨化因子和生長因子的產生,這一觀點支撐了新型冠狀病毒肺炎是一種細胞因子風暴綜合征的觀點［45］,新型冠狀病毒肺炎的嚴重程度與炎癥細胞因子水平的升高相關,如IL-6、粒細胞巨噬細胞集落刺激因子和TNFα［46］。

7 白細胞介素-6活性的治療性靶向性研究

隨著IL-6與各種疾病相關機制研究的不斷深入,目前已有約數百種相關藥物進入臨床。其藥物作用原理主要依據IL-6與受體的結合方式。

7.1阻斷IL-6R結合IL-6R達到阻斷IL-6信號通路的藥物有托珠單抗和sarilumab,此類藥物競爭性結合IL-6及其受體相結合的表位,對IL-6通路中的經典途徑和反式信號通路均有抑制效果［47］。

阻斷細胞因子IL-6的生物活性被證明是對類風濕性關節(jié)炎和其他自身免疫性疾病患者的有效治療方法,并在一項單藥治療試驗中顯示,阻斷IL-6活性比阻斷TNFα更有效［48］。通過中和性單克隆抗體托珠單抗阻斷IL-6已在100多個國家被批準用于治療類風濕性關節(jié)炎等自身免疫性疾病患者［31］。

此外,用IL-6R中和單克隆抗體托珠單抗阻斷IL-6活性在治療CAR-T細胞誘導的嚴重細胞因子釋放綜合征患者中也非常有效［49］。當癌癥患者接受嵌合抗原受體CAR-T細胞治療時,遇到的細胞因子風暴［50］,可以用抗體托珠單抗有效治療。最近,人們已經認識到,許多患者在感染SARS-CoV-2(COVID19)病毒時也會經歷類似的細胞因子風暴［51］,這些患者也可以用托珠單抗來治療［52］。

7.2阻斷結合位點此類藥物通過靶向阻斷IL-6與IL-6R或IL-6-IL-6R復合物與gp130的結合位點達到阻斷IL-6活性的目的。如單克隆抗體司妥昔單抗(siltuximab)已經被批準可用于治療Castleman?。?3］,而對于其治療其他疾病的臨床試驗仍在進行中。

7.3拮抗IL-6/sIL-6R復合物在sgp130Fc蛋白和中和單克隆抗體的幫助下,可以分別選擇性地阻斷IL-6反式信號傳導或阻斷所有IL-6信號傳導。研究表明,使用特異性抑制IL-6/sIL-6復合物所介導的反式信號通路而保持原有的經典通路時,IL-6R在機體抵抗細菌［54］、膿毒癥時腸道再生［55］、腹主動脈瘤動物模型中防止主動脈破裂［56］和骨折愈合［57］等方面,sgp130Fc蛋白按照GMP的調控規(guī)律進行表達和純化。I期臨床試驗成功地在健康個體中進行,II期臨床試驗目前正在炎癥性腸病患者中進行［58］,這表明這些重要的過程在IL-6的整體活性受到阻滯時嚴重受損［59］。

還有諸多藥物通過如阻斷STAT、阻斷Janus激酶、拮抗gp130等方式來抑制IL-6的生物學效應,仍有許多藥物正在研究中,隨著人們對藥物安全性的重視以及不斷深入的基礎研究,未來有希望在治療基礎疾病的基礎上研發(fā)從出具有更高安全性的IL-6信號通路選擇性抑制劑。

8 結 語

在正常情況下,IL-6的水平非常低,但在病理狀態(tài)下,其反應迅速,水平會增加數千倍。如今對IL-6濃度變化的監(jiān)測已經廣泛被應用于臨床工作之中,可早期診斷疾病,動態(tài)監(jiān)測IL-6濃度也能判斷患者的預后與轉歸。

對于抗IL-6治療,IL-6反式信號可以被sgp130Fc蛋白阻斷而不影響經典信號,未來基于IL-6的治療更可能使用IL-6反式信號的特異性阻斷,而不是所有IL-6活性的阻斷。在保持經典信號完整的同時阻斷反式信號,被證明對經歷COVID19或CAR-t細胞治療的“細胞因子風暴”的患者有益［60］。同樣,這種這種治療方式能否更好地保留IL-6的抗炎活性,使得其在感染、代謝性疾病以及慢性炎癥性疾病中更多得發(fā)揮其對身體好的作用;其是否可以抑制高水平的惡性腫瘤等問題值得更加深入的研究。