白細(xì)胞介素-37的抗炎機(jī)制及其在新型冠狀病毒感染中的研究進(jìn)展

楊逸露綜述，吳顯勁,2△審校

1.廣東醫(yī)科大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院，廣東湛江 524023；2.廣東省惠州市中心人民醫(yī)院檢驗(yàn)中心，廣東惠州 516008

白細(xì)胞介素(IL)-37是IL-1家族的新成員，于2000年由基因數(shù)據(jù)庫的硅質(zhì)研究首次發(fā)現(xiàn)。與其他家族成員一樣，人IL-37基因也位于染色體2上，它由6個(gè)外顯子組成，并通過選擇性剪接分為IL-37a、IL-37b、IL-37c、IL-37d和IL-37e這5種不同的亞型，除IL-37a有一個(gè)N端信號肽(由第3外顯子編碼)外，大多數(shù)IL-37亞型不包含典型的信號肽，而IL-37b是結(jié)構(gòu)最完整、分子量最大的亞型[1]。但與IL-1家族中的促炎因子不同的是，IL-37是一種具有強(qiáng)大抗炎作用的細(xì)胞因子。現(xiàn)階段已有許多研究表明，在炎癥的發(fā)生、發(fā)展過程中，IL-37對機(jī)體的固有免疫和適應(yīng)性免疫均起到抑制作用。IL-37在哮喘、炎癥性腸病、系統(tǒng)性紅斑狼瘡、風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、高血壓及肥胖患者體內(nèi)都有較高水平的表達(dá)[2-5]。新型冠狀病毒感染(COVID-19)是由嚴(yán)重急性呼吸系統(tǒng)綜合征冠狀病毒2(SARS-CoV-2)感染引起以呼吸系統(tǒng)癥狀為主的局部或全身的炎癥綜合征，給全球造成了嚴(yán)重的公共衛(wèi)生安全問題，威脅著全人類的健康。經(jīng)研究表明，COVID-19的嚴(yán)重程度與細(xì)胞因子風(fēng)暴密切相關(guān)，激增的細(xì)胞因子和趨化因子可能是導(dǎo)致患者嚴(yán)重肺損傷的主要原因[6-7]。本文將現(xiàn)有的IL-37抗炎機(jī)制及其與COVID-19患者體內(nèi)各細(xì)胞因子相關(guān)性研究作一綜述。

1 IL-37的抗炎作用機(jī)制

IL-37可通過細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外兩種途徑發(fā)揮其抗炎作用。在細(xì)胞外，1L-37通過與細(xì)胞表面的受體IL-18Rot結(jié)合，傳導(dǎo)信號發(fā)揮抗炎作用。在細(xì)胞內(nèi)，IL-37前體經(jīng)Caspase-1剪切為成熟IL-37,與Smad3相互結(jié)合并轉(zhuǎn)至細(xì)胞核，進(jìn)入細(xì)胞核中抑制促炎基因的轉(zhuǎn)錄。

1.1細(xì)胞外途徑 細(xì)胞外的IL-37與細(xì)胞表面的IL-18受體α(IL-18Rα)和IL-1受體8(IL-1R8)形成復(fù)合物。起初推斷IL-37可作為IL-18Rα的受體拮抗劑，阻斷IL-18與IL-18Rα結(jié)合后向細(xì)胞內(nèi)傳導(dǎo)的促炎信號，但隨后研究人員發(fā)現(xiàn)，IL-37與IL-18Rα結(jié)合的親和力僅為IL-18 與其親和力的1/50，且人重組IL-37劑量的遞增對IL-18刺激的自然殺傷(NK)細(xì)胞產(chǎn)生干擾素(IFN)-γ沒有影響；相反的是，相較于高水平的人重組IL-37而言，低水平的人重組IL-37能更有效地降低細(xì)胞因子的產(chǎn)生[8]。有實(shí)驗(yàn)表明，在播散性白色念珠菌感染的小鼠模型中使用重組 IL-37，小鼠的存活率明顯下降，這是由于小鼠體內(nèi)誘導(dǎo)促炎激活狀態(tài)來保護(hù)機(jī)體免受重復(fù)感染的機(jī)制受到IL-37的抑制，然而值得注意的是，IL-37的抑制作用在缺乏IL-18Rα的小鼠中喪失，由此可推測IL-37需要結(jié)合IL-18Rα才能發(fā)揮它的抗炎作用[9]。IL-37并非IL-18Rα的受體拮抗劑，但I(xiàn)L-18α的沉默卻導(dǎo)致炎癥反應(yīng)的增加，這表明存在一個(gè)抗炎配體和一個(gè)傳遞抑制性信號的共受體，并具有其功能。 由于IL-37與IL-18結(jié)合蛋白結(jié)合，而IL-18與IL-1R8一樣，具有單一的免疫球蛋白樣結(jié)構(gòu)域，所以一旦IL-37與IL-18Rα結(jié)合，IL-1R8就有可能成為被招募的抗炎共同受體。為了評估IL-1R8對IL-37抗炎功能的貢獻(xiàn)，將IL-37tg小鼠與IL-1R8缺陷小鼠雜交，在這種雜交的后代(IL-37tg×IL-1R8缺陷小鼠)、野生型小鼠、純合子IL-37tg小鼠和IL-1R8缺陷小鼠腹腔注射脂多糖(LPS)。與預(yù)期的那樣，IL-37tg小鼠LPS誘導(dǎo)的反應(yīng)明顯低于其他組，各細(xì)胞因子水平也明顯降低，這些結(jié)果表明，IL-37在體內(nèi)的抗炎活性依賴于IL-1R8[10]。

蛋白質(zhì)組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究顯示，IL-37通過IL-1R8利用信號分子Mer、PTEN、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)子與轉(zhuǎn)錄激活子3(STAT3)和p62(dok)的抗炎特性，抑制激酶Fyn、轉(zhuǎn)化生長因子β活化激酶1(TAK1)、轉(zhuǎn)錄因子NF-κB及絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)[10]。此外，磷酸酶PTEN被IL-37以IL-1R8依賴的方式激活[11]。其他被IL-37-IL-1R8抑制的促炎介質(zhì)包括AP-1家族的成員BATF。由于BATF有助于Th17細(xì)胞的極化，這種對BATF的抑制可能解釋了IL-37-IL-1R8對Th17細(xì)胞介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)的減弱作用[12]。此外，IL-37-IL-1R8信號抑制了多功能激酶Fyn，這可能在IL-37抑制先天免疫中起到重要作用。Fyn被激活后，F(xiàn)yn將整合素與GTPase Ras和Erk結(jié)合并激活FADK；Fyn還能促進(jìn)脂肪組織相關(guān)炎癥，使巨噬細(xì)胞極化遠(yuǎn)離抗炎的M2型，從而總體上作為胰島素信號傳導(dǎo)和炎癥過程的促進(jìn)劑[13]。因此，IL-37可以將巨噬細(xì)胞的極化從促炎的M1型轉(zhuǎn)移到抗炎的M2型[14]。

1.2細(xì)胞內(nèi)途徑 免疫和非免疫細(xì)胞在促炎刺激后產(chǎn)生 IL-37 前體。人類IL-37有一個(gè)Caspase-1裂解位點(diǎn)，并在LPS刺激下轉(zhuǎn)入細(xì)胞核。當(dāng)使IL-37的Caspase-1位點(diǎn)突變成為 Caspase-1 切割位點(diǎn)突變體 IL-37 (IL-37D20A)后發(fā)現(xiàn)，與表達(dá)正常 IL-37 的細(xì)胞相比，用突變的 IL-37D20A 轉(zhuǎn)染的巨噬細(xì)胞表達(dá)較不成熟的 IL-37，且轉(zhuǎn)染IL-37D20A的巨噬細(xì)胞中 LPS誘導(dǎo)的 IL-6 水平顯著增加。這表明炎癥小體激活 Caspase-1 是 IL-37 在巨噬細(xì)胞中發(fā)揮其細(xì)胞因子抑制功能所必需的[15]。成熟的IL-37與Smad3形成復(fù)合物，并易位到細(xì)胞核內(nèi)。Smad3 是一種由 TGF-β 和激活素Ⅰ型受體激酶激活的細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)劑。Smad3通過易位到細(xì)胞核內(nèi)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)基因表達(dá)作用。Smad3可以與c-Fos和c-Jun相互作用，從而調(diào)節(jié)不同的細(xì)胞因子和趨化因子表達(dá)，Smad3是TGF-β的重要胞內(nèi)轉(zhuǎn)導(dǎo)物，可以調(diào)節(jié)淋巴組織和非淋巴組織中免疫細(xì)胞的增殖、活化和分化[16]，與成熟IL-37結(jié)合后，Smad3/IL-37復(fù)合物可以下調(diào)促炎癥細(xì)胞因子的轉(zhuǎn)錄，并抑制下游信號途徑。另外，IL-37-Smad3功能復(fù)合物還可以抑制轉(zhuǎn)錄因子活性蛋白-1(AP-1)、促絲裂原活化蛋白激酶(MAPK p38)和信號傳導(dǎo)蛋白和轉(zhuǎn)錄激活物 1-4(STAT 1-4)的磷酸化，進(jìn)而影響基因轉(zhuǎn)錄，最終抑制Toll 樣受體(TLR)誘導(dǎo)的促炎細(xì)胞因子的表達(dá)[17]。

2 IL-37與各細(xì)胞因子的相關(guān)性

IL-37主要通過上述兩種途徑在多種疾病中調(diào)節(jié)細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)平衡，從而達(dá)到抑制炎癥的效果。機(jī)體內(nèi)存在多種細(xì)胞因子，形成一個(gè)穩(wěn)定的細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)，疾病導(dǎo)致細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)平衡被打破，IL-37通過與多種免疫細(xì)胞相互影響，調(diào)控免疫細(xì)胞分泌的細(xì)胞因子，維持細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)的平衡。

2.1IL-1 IL-1是一種具有多種生物學(xué)功能的細(xì)胞因子，主要參與炎癥、免疫和造血等功能。其中IL-1β是最突出的炎癥介質(zhì)之一，通過與IL-1受體1(IL-1R1)結(jié)合導(dǎo)致炎癥和免疫激活[18]。IL-1R1與IL-1α和IL-1β的結(jié)合能夠招募共同受體 IL-1R3，形成一個(gè)三聚體信號復(fù)合物，這些過程會(huì)導(dǎo)致MyD88的募集和磷酸化的激活，從而激活促炎途徑，誘導(dǎo)其他細(xì)胞因子的產(chǎn)生，放大許多疾病的炎癥狀態(tài)，包括冠狀病毒引起的局部和全身炎癥[19]。IL-37也可以實(shí)現(xiàn)對IL-1的抑制，缺乏IL-37的受試者更容易遇到炎癥性疾病[20]。

2.2IL-6 IL-6是感染引發(fā)的免疫反應(yīng)中炎癥的主要介質(zhì)之一。在許多COVID-19患者中發(fā)現(xiàn)IL-6水平升高，并且與COVID-19的嚴(yán)重程度密切相關(guān)[21]。有多項(xiàng)研究提示，IL-37可以抑制炎癥性疾病引起的IL-6水平升高[22-23]。在LPS與 IL-1β分別刺激轉(zhuǎn)染了RiIL-37的小鼠巨噬細(xì)胞和人肺泡上皮細(xì)胞系 A549 后，細(xì)胞因子IL-1α和 IL-6的水平大幅降低。通過研究IL-37在特應(yīng)性皮炎(AD)抗炎機(jī)制的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，也發(fā)現(xiàn)IL-37b可以通過調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)AMP激活蛋白激酶(AMPK)和哺乳動(dòng)物mTOR信號通路來抑制IL-6的表達(dá)等[24]。

2.3IL-4 IL-4被稱為 “典型的免疫調(diào)節(jié)細(xì)胞因子”，在調(diào)節(jié)炎癥、抗體生成、造血以及效應(yīng)性T細(xì)胞反應(yīng)等方面具有重要作用。IL-4主要來源于Th2細(xì)胞，當(dāng)遇到抗原后，CD4+T細(xì)胞分化為不同的功能亞群，其中Th2細(xì)胞遇到對應(yīng)抗原時(shí)能大量擴(kuò)增，表達(dá)轉(zhuǎn)錄因子3(GATA3)并產(chǎn)生IL-4。IL-4能通過減少線粒體腫脹，逆轉(zhuǎn)氧化損傷和增強(qiáng)Bcl-2表達(dá)，減少TNF-α的表達(dá)，增強(qiáng)大腦中膠質(zhì)纖維酸性蛋白(GFAP)和IL-10的表達(dá)，從而起到免疫保護(hù)作用[25]。IL-37在體內(nèi)減弱了Th1細(xì)胞的反應(yīng)，增加了Th2細(xì)胞因子IL-4和IL-13的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)了肝臟中巨噬細(xì)胞的M2型活化[26]。

2.4腫瘤壞死因子(TNF)-α TNF-α是急性炎癥期間由巨噬細(xì)胞/單核細(xì)胞產(chǎn)生的一種炎癥細(xì)胞因子，負(fù)責(zé)細(xì)胞內(nèi)各種信號事件，導(dǎo)致壞死或凋亡。在探討IL-37對TNF-α和IFN-γ影響的體外實(shí)驗(yàn)中，IL-37可以直接抑制LPS誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞活化，進(jìn)而抑制巨噬細(xì)胞產(chǎn)生的TNF-α上調(diào)[26]。

2.5IL-10 IL-10是一種在預(yù)防炎癥和自身免疫性疾病方面具有關(guān)鍵作用的抗炎細(xì)胞因子。IL-10可以由免疫系統(tǒng)的許多細(xì)胞表達(dá)，其中包括T細(xì)胞、B細(xì)胞、樹突細(xì)胞(DC)、巨噬細(xì)胞、NK細(xì)胞等。因此，它作為不同免疫反應(yīng)的反饋調(diào)節(jié)器起到了關(guān)鍵的作用。IL-37b能明顯上調(diào)脾臟和耳朵中的Foxp3+調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(Treg細(xì)胞)，同時(shí)明顯增加血清Treg細(xì)胞因子IL-10[24]。

2.6IFN-γ IFN-γ能誘導(dǎo)活化M1型巨噬細(xì)胞，表達(dá)高水平促炎因子如IL-12、IL-23、IL-1β和一氧化氮(NO)等，從而促進(jìn)炎癥過程[23]。IL-37可直接抑制IFN-γ/TLR4配體誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞M1型的活化，從而降低促炎細(xì)胞因子TNF-α、IL-1β和IL-12的表達(dá)。此外，IL-37在體內(nèi)減弱了Th1細(xì)胞的反應(yīng)，增加了Th2細(xì)胞因子表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)了肝臟中巨噬細(xì)胞M2型活化。M2型巨噬細(xì)胞激活的增加不僅進(jìn)一步降低了TNF-α、IL-1β和IL-12的表達(dá)，而且還增加了巨噬細(xì)胞中IL-10和IL-1Ra的表達(dá)，從而更有效地抑制了肝臟IFN-γ的表達(dá)[24]。

3 IL-37與COVID-19

近期統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，COVID-19患者體內(nèi)有大量的細(xì)胞因子產(chǎn)生，且重癥患者體內(nèi)細(xì)胞因子水平要明顯高于非重癥患者，這提示COVID-19患者的肺部炎癥及損傷是由細(xì)胞因子風(fēng)暴產(chǎn)生，且與疾病的嚴(yán)重程度相關(guān)[6]。例如COVID-19危重癥患者的IL-6水平幾乎是其他輕癥患者的10倍，且死亡病例的IL-6水平更是明顯升高[27]；臨床COVID-19 患者均能檢測到高水平的 IL-1β、IL-1RA 和 TNF-α，IL-1 可誘導(dǎo)產(chǎn)生一種強(qiáng)有力的促炎性和促凋亡蛋白TNF，進(jìn)而促進(jìn)炎癥的啟動(dòng)和擴(kuò)大[18]；另外發(fā)現(xiàn)IL-8、IL-10、TNF-α和IFN-γ，也參與了COVID-19患者體內(nèi)細(xì)胞因子風(fēng)暴的發(fā)生和發(fā)展[28]。病毒轉(zhuǎn)移到血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2(ACE2)細(xì)胞中，機(jī)體通過模式識(shí)別受體(PRRs)識(shí)別受SARS-CoV-2影響的上皮細(xì)胞釋放的損傷相關(guān)分子模式(DAMPS)，或者通過特定的Toll樣受體，即TLR2和TLR4、維甲酸誘導(dǎo)基因Ⅰ(RIG-Ⅰ)或黑色素瘤分化相關(guān)基因(MDA)，直接識(shí)別病毒病原體相關(guān)分子模式(PAMPs)[29]。SARS-CoV-2進(jìn)入靶細(xì)胞后會(huì)攻擊細(xì)胞膜，使細(xì)胞裂解死亡， 隨后死亡細(xì)胞被吞噬清除，在清除過程中可分泌IL-6、IL-8等細(xì)胞因子參與細(xì)胞因子風(fēng)暴的發(fā)生[30]。

研究人類冠狀病毒對細(xì)胞因子影響的細(xì)胞和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，對SARS-CoV-2的Ⅰ型和Ⅲ型IFN反應(yīng)失敗是導(dǎo)致晚期免疫反應(yīng)過度和嚴(yán)重COVID-19的原因。 低水平的IFN應(yīng)答可促進(jìn)受感染的肺泡上皮細(xì)胞釋放單核細(xì)胞趨化蛋白1(MCP-1)及趨化因子CCL2、CCL7，誘導(dǎo)血液中的單核細(xì)胞趨化到肺部，激活其Janus激酶(JAK)/STAT信號通路，使單核細(xì)胞分化成巨噬細(xì)胞[31]，以巨噬細(xì)胞為主導(dǎo)的先天免疫應(yīng)答啟動(dòng)，巨噬細(xì)胞的PRRs識(shí)別病毒并呈遞病毒抗原給T淋巴細(xì)胞， 進(jìn)而誘導(dǎo)T淋巴細(xì)胞分化成為效應(yīng)T細(xì)胞(Th1、Th2、Th17細(xì)胞)。Th1細(xì)胞分泌IL-6、粒細(xì)胞-巨噬細(xì)胞集落刺激因子(GM-CSF)和TNF-α，進(jìn)一步活化單核細(xì)胞，繼而使IL-6水平進(jìn)一步升高[32]；Th2 細(xì)胞分泌大量的IL-4、IL-5等，參與體液免疫應(yīng)答[33];Th17細(xì)胞分泌的IL-17和IL-1β在炎癥反應(yīng)中發(fā)揮重要作用，IL-17促進(jìn)GM-CSF的分泌增多，趨化中性粒細(xì)胞在肺內(nèi)發(fā)揮損傷作用；IL-1β同時(shí)發(fā)揮促炎功能以擴(kuò)大肺組織中的炎癥[34]。在COVID-19患者體內(nèi)這些不同的細(xì)胞因子水平升高引起細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)平衡失調(diào)，最終造成細(xì)胞因子風(fēng)暴，引起局部或全身的炎癥反應(yīng)。

在目前的研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)IL-37很可能在SARS-CoV-2感染期間發(fā)揮保護(hù)作用。治療前早期升高的血漿IL-37與疾病的轉(zhuǎn)歸、低炎癥細(xì)胞因子、高IFN-α、大量免疫細(xì)胞和低氧血癥減少相關(guān)[22]。IL-37可有效拮抗SARS-CoV-2感染后hACE2轉(zhuǎn)基因小鼠的炎癥反應(yīng)，早期給予IL-37可減少炎癥細(xì)胞浸潤，減輕肺組織損傷，從而促進(jìn)疾病緩解。另外通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，使用IL-37、IL-8、CRP組合來區(qū)分輕、重癥患者的靈敏度、特異度和受試者工作特征(ROC)曲線的曲線下面積均高于3項(xiàng)指標(biāo)單獨(dú)使用[13，22]。M1和M2型巨噬細(xì)胞極化的失衡可影響炎癥反應(yīng)的強(qiáng)度。RhIL-37在體外下調(diào)M1型巨噬細(xì)胞中誘導(dǎo)型一氧化氮合酶、CD11c、IL-6和MCP-1的表達(dá)，并通過抑制Notch1和NF-κB通路的激活來抑制其極化。此外，它還上調(diào)了M2型巨噬細(xì)胞中CD206和IL-10的表達(dá)。因此，IL-37可以將巨噬細(xì)胞的極化從促炎的M1型轉(zhuǎn)移到抗炎的M2型[35]。在H1N1感染的BALB/c小鼠實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，IL-37治療可提高小鼠的存活率和體質(zhì)量，并降低支氣管肺泡灌洗液和肺組織中的肺動(dòng)脈指數(shù)、促炎細(xì)胞因子，減輕肺損傷[36]。

4 總結(jié)與展望

IL-37作為IL-1家族中的一種抗炎因子，它通過與膜受體形成復(fù)合物在細(xì)胞外調(diào)整傳導(dǎo)信號，并與Smad3形成復(fù)合物進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)調(diào)節(jié)基因表達(dá)，抑制多種促炎因子的釋放和促進(jìn)多種抑炎因子的釋放，就像是炎癥的調(diào)節(jié)器，保護(hù)機(jī)體免受炎癥過度反應(yīng)及其導(dǎo)致的組織損傷。從上文可知，IL-37通過調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞活性抑制促炎因子釋放，維穩(wěn)機(jī)體內(nèi)細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)的平衡，在SARS-CoV-2感染早期發(fā)揮了保護(hù)的作用。重癥/危重癥COVID-19患者的IL-37水平均較低，而較高水平的IL-37對于患者疾病的轉(zhuǎn)歸有積極的作用。相對較低IL-37水平的患者而言，高IL-37水平的患者體內(nèi)促炎因子水平顯著降低，CRP等炎癥指標(biāo)水平也低于低IL-37水平的患者，因此IL-37水平對于COVID-19患者尤為重要，或可成為判斷預(yù)后的標(biāo)準(zhǔn)之一。人ACE2轉(zhuǎn)基因小鼠實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了IL-37的抗炎能力，組織病理學(xué)檢查顯示肺部組織損傷明顯減少。由此說明IL-37在SARS-CoV-2感染導(dǎo)致的細(xì)胞因子風(fēng)暴中起到了至關(guān)重要的作用。但目前IL-37抗炎機(jī)制復(fù)雜，對COVID-19患者體內(nèi)細(xì)胞因子風(fēng)暴的作用機(jī)制不明，因此IL-37與COVID-19患者炎癥研究具有重要的理論和實(shí)踐意義，可能為COVID-19患者的治療提供新思路。