白細胞介素-13在特發(fā)性肺纖維化發(fā)生發(fā)展中的作用機制研究進展

談程，張洵，先仙，姚昊

1 南京醫(yī)科大學第二附屬醫(yī)院心血管中心，南京 210028；2 南京醫(yī)科大學第二附屬醫(yī)院麻醉科

特發(fā)性肺纖維化（IPF）是一種相對罕見的肺部疾病，發(fā)病機制不明，其主要特征是肺實質的進行性間質纖維化，進行性呼吸功能衰退是其主要癥狀，且通常難以治愈，最終導致呼吸衰竭和死亡［1］。IPF的核心過程是反復上皮損傷修復、炎癥和纖維化，免疫失調被認為是IPF 發(fā)展的一個促進因素［2］。IPF 目前缺乏有效治療手段，早期肺移植可能是目前惟一有效的治療方法［3］。白細胞介素-13（IL-13）是一種由2 型輔助性T 細胞（Th2）、上皮細胞和巨噬細胞等產生的促炎細胞因子，在IPF 中表達升高。IL-13 可以與肺泡上皮細胞相互作用，使其分泌多種促纖維化因子，并發(fā)生上皮—間充質轉化；IL-13 也可以通過激活M2 型巨噬細胞、誘導成纖維細胞增殖分化成為肌成纖維細胞、促進平滑肌細胞的收縮及膠原合成，產生過量的細胞外基質（ECM），最終導致病理重塑，參與IPF 的發(fā)生與發(fā)展［4-5］。現(xiàn)就IL-13 在IPF發(fā)生發(fā)展中的作用機制研究進展綜述如下。

1 IL-13在IPF中的表達變化

IL-13 的作用通過倆個受體介導，即IL-13Rα1/IL-4Rα 復合物以及IL-13Rα2。IL-13Rα1 由多種細胞類型表達，包括B 淋巴細胞、單核細胞、肺成纖維細胞和血管內皮細胞。IL-13Rα2 也被多種細胞類型表達，包括巨噬細胞、肺成纖維細胞和氣道上皮細胞［6］。

在IPF 中，TH2 細胞因子（尤其是IL-4 和IL-13）表達增加［7］。IL-13 的升高和肺纖維化密切相關，早期的動物研究報告顯示其過度表達可誘導肺纖維化，而在博萊霉素誘導的肺纖維化中，中和IL-13 可使纖維化程度減弱。在IPF 患者中，支氣管肺泡灌洗液（BALF）和活檢中IL-13 水平增加。此外研究［8］顯示，在IPF 患者的肺成纖維細胞上檢測到IL-13 受體的過度表達。最近有研究表明，IPF 患者BALF中IL-13 的水平高于非特異性間質性肺炎［9］，這證明IL-13對于IPF的作用具有一定的特異性。

2 IL-13在IPF發(fā)生發(fā)展中的作用機制

2.1 IL-13 與肺泡上皮細胞之間的相互作用促進IPF Ⅱ型肺泡上皮細胞（AEC2）在肺部炎癥和纖維化的發(fā)病機制中起關鍵作用。研究［10］發(fā)現(xiàn)，用IL-13 刺激AEC2，能夠使其產生骨膜蛋白和嗜酸性粒細胞驅化蛋白，而骨膜蛋白能夠誘導成纖維細胞分化為肌成纖維細胞，并與其他細胞外基質成分結合，但具體對肺纖維化的影響還需要進一步確定。學者［11］發(fā)現(xiàn)，IPF 患者Janus 激酶（JAK）2/信號轉導子和轉錄激活子（STAT）3 蛋白表達上調，體外實驗發(fā)現(xiàn)IL-13 刺激原代AEC2 激活JAK2/STAT3，誘導上皮細胞向間充質細胞轉化。此外，KRISTEN 等結合了損傷/修復模型中的體內譜系追蹤、體外類器官培養(yǎng)和定量蛋白質組學，揭示了IL-13對肺泡上皮細胞分化能力的擾亂，及其STAT6 依賴性作用。他們發(fā)現(xiàn)在肺切除術代償性肺再生模型中，IL-13 導致AEC2 向AEC1 分化的障礙，且通過體外實驗，表明IL-13 對AEC2 的影響是上皮中的STAT6 直接介導的，而不是通過支持基質細胞的STAT6 間接影響，AEC2 可作為IL-13 的效應細胞，產生纖維化和促炎蛋白，并且可以增加ECM 相關蛋白的表達，如膠原14A1和賴氨酸羥化酶2，但作者并沒有排除IL-13以非STAT6 依賴的方式促進基質細胞分泌因子的產生，并以STAT6 依賴性的方式作用于AEC2，有待進一步研究。而在這項研究中最有趣的發(fā)現(xiàn)是IL-13可以促進AEC2 分化為細支氣管表型，而AEC2 不同表型對IL-13 反應的異質性也是未來的研究方向。XU 等發(fā)現(xiàn)了IPF 肺中的“中間”上皮細胞類型，具有和Krsiten M 等用IL-13 處理的AEC2 具有許多相同特征，這些“中間”上皮細胞可能類似于在纖維性肺泡間隔中發(fā)現(xiàn)的“增生型AEC2”，其不具有AEC2 表型，且不能分化為AEC1，正常的修復被破壞，而不完全的上皮修復會導致促纖維化和ECM 重塑相關蛋白的分泌，從而形成了一個負反饋循環(huán)，這可能是IL-13導致IPF患者纖維化加重的機制［12］。

除上述以外，肺泡上皮細胞被認為是TGF-β1的主要來源，暴露于博來霉素后，肺泡上皮細胞釋放大量TGF-β1和白細胞介素-33（IL-33）［13］。LI 等［14］發(fā)現(xiàn)IL-33 可以通過促進炎癥細胞浸潤及其功能，包括II型固有淋巴細胞（ILC2s）的極化，增強IL-13 以及TGF-β1的生成，從而顯著增強肺纖維化的進展。另外，有研究證明IL-33可直接誘導肺泡上皮細胞釋放TGF-β1，從而促進TGF-β1在肺中的積累，并通過神經(jīng)纖維網(wǎng)蛋白1（Nrp1）上調生長刺激表達基因2（ST2）增強ILC2s 的激活，以及IL-13 水平的上調，即TGF-β1-Nrp1 軸通過上調ST2 而增強ILC2s 功能，上調IL-13的水平，從而加重肺纖維化［13］。也有研究［15］表明，TGF-β1誘導的ST2 表達是由絲裂原活化蛋白激酶激酶1/2依賴途徑介導的。

以上研究說明不僅IL-13 可以刺激肺泡上皮細胞產生促纖維化細胞因子，而且肺泡上皮細胞本身也可以在某些刺激下作為IL-13的來源，從而形成惡性循環(huán)，進一步加重肺纖維化。但是值得注意的是，研究表明，肺泡上皮細胞損傷后，其自身以及其分泌物質激活的Th2 細胞釋放的IL-13 也可以觸發(fā)抗纖維化反饋機制，IL-13 可以激活M2 巨噬細胞中的精氨酸酶-1活性，從而抑制IL-13的進一步產生［16］。因此，IL-13與肺泡上皮細胞的相互作用以及具體調控機制還有待進一步研究。

2.2 IL-13激活M2型巨噬細胞促進或抑制IPF 巨噬細胞是肺內主要的天然免疫細胞，在機體防御和免疫調節(jié)中具有重要作用。巨噬細胞在肺中具有一系列功能，包括維持體內平衡、免疫監(jiān)視、清除細胞碎片、修復、清除微生物和消除炎癥，其在IPF 中也起到關鍵作用。IL-13部分由M2a亞群產生，受絲氨酸/蘇氨酸激酶（AKT）1/2 等信號通路的調控［17-18］，而其與巨噬細胞之間的相互作用在肺纖維化的發(fā)展中起著重要的作用。

肺中存在著不同的巨噬細胞亞群，不同的表型發(fā)揮不同的功能，而IL-13 激活的M2 型和IPF 存在直接聯(lián)系，但對于IL-13激活的巨噬細胞發(fā)揮的作用仍然存在爭議。

一方面有學者認為，M2 型巨噬細胞可以促進IPF 的發(fā)展。已有研究表明，IL-13 可通過激活磷酸肌醇-3-激酶（PI3K）/AKT、JAK1和STAT6來誘導M2巨噬細胞，而M2 巨噬細胞可分泌TGF-β1，其可誘導與重塑相關的多種反應，如成纖維細胞活化、ECM沉積和細胞死亡反應。另外，IL-13 也可以使M2 巨噬細胞分泌胰島素樣生長因子1，其可以刺激成纖維細胞和肌成纖維細胞的增殖和存活以及膠原基質合成［19］。此外，有學者等通過具有一定硬度的水凝膠系統(tǒng)來模仿纖維化中ECM 的硬度，并發(fā)現(xiàn)在含有IL-13的水凝膠上培養(yǎng)的肺泡巨噬細胞細胞系MH-S細胞顯示出比其他條件更大的細胞面積。ECM 硬度和IL-13 都導致M2 型巨噬細胞增加，同時兩者在降低M1 型巨噬細胞表達方面具有協(xié)同作用，都是通過JAK/STAT 途徑發(fā)出信號，以驅動M2 型巨噬細胞極化。另外，他們發(fā)現(xiàn)ECM 硬度和IL-13 協(xié)同損害了巨噬細胞的吞噬功能，而吞噬功能缺陷會限制外來病原體的有效清除并增加肺中的凋亡碎片，促進肺纖維化的發(fā)展［20］。

另一方面，有學者認為，IL-13激活的M2型巨噬細胞具有一定的抗纖維化作用，它可以通過緩解炎癥反應和吞噬細胞碎片以及多余的ECM 來延緩IPF的進展。IL-13誘導的M2型巨噬細胞也能夠誘導調節(jié)性T 細胞并且表達更高水平的白細胞介素-10 和抗炎細胞因子，減少局部炎癥浸潤，從而減少隨后的損傷修復，延緩肺纖維化的進程［21］。另外，CARNEIRO等［22］發(fā)現(xiàn)博舒替尼具有抗肺纖維化作用，其能夠減少M1 型并且增加M2 型巨噬細胞的數(shù)量，發(fā)揮M2型巨噬細胞高內吞的清除能力，減少肺組織中ECM的含量，此時的M2 型巨噬細胞發(fā)揮出一定的抗纖維化作用。

關于IL-13 對于M2 型巨噬細胞的調控機制，已有多項研究。微小RNA（miRNA）是免疫細胞功能的關鍵調節(jié)者，SU 等發(fā)現(xiàn)IL-13 誘導巨噬細胞中miR-142-5p，并下調miR-130a-3p，這些變化導致巨噬細胞極化為M2 表型，并發(fā)揮其促纖維化作用。在體外，miR-142-5p 通過靶向STAT6 的負調控因子細胞因子信號抑制物1 來延長STAT6 的磷酸化，而阻斷miR-130a-3p 可以阻止其對過氧化物酶體增殖物激活受體γ（PPARγ）的抑制，PPARγ 可協(xié)調STAT6 的信號傳導［23-24］?；|金屬蛋白酶（MMPs）在纖維生成中發(fā)揮關鍵作用，可以通過控制膠原蛋白和其他ECM 成分在組織中的沉積來調節(jié)ECM，決定了正常傷口愈合反應和致病性纖維化之間的平衡。GHARIB 等［25］發(fā)現(xiàn)IL-13 可以通過促進MMP28在巨噬細胞的表達，促進其極化，而MMP28 的敲除導致了M2 型巨噬細胞極化降低，并降低了博來霉素誘導的纖維化。此外，SINGH 等［26］創(chuàng)新性的使用了一種重復皮內注射博來霉素的肺纖維化模型，結果表明IL-13 驅動的信號轉導參與了巨噬細胞和成纖維細胞的過度遷移，值得注意的是IL-13驅動的遷移涉及到磷酸化焦點黏附蛋白激酶信號的增加和F-肌動蛋白的聚合。而關于巨噬細胞上表達的IL-13受體，2005年就有研究表明，IL-13通過巨噬細胞表面的IL-13Rα2 受體，激活含有c-jun 和Fra-2 的激活蛋白1 變體，從而激活TGF-β1啟動子，促進M2型巨噬細胞分泌TGF-β［27］。而作為TGF 家族的一員，生長分化因子15（GDF15）在IL-13 對于M2 型巨噬細胞的極化過程中也起到了不可或缺的作用。TAKENOUCHI 等［28］發(fā)現(xiàn)，在博來霉素誘導的肺纖維化模型中，GDF15 在衰老的肺泡上皮細胞和巨噬細胞上表達，而且GDF15 參與了IL-13 誘導的M2 型巨噬細胞標記物（包括精氨酸酶1 和幾丁質酶-3 樣蛋白）mRNA 表達增加，因此GDF15 可能通過激活M2型巨噬細胞作為促纖維化因子，也成為了潛在的治療靶點。

IL-13 激活的M2 型巨噬細胞對IPF 的作用具體是促進還是抑制，可能取決于M2 型巨噬細胞在特定情況下分泌的相關因子的量，同一因子在范圍內的增多可能起到抗炎、組織修復的作用，而一旦超過范圍，則成為了促纖維化因子。因此，找到IL-13 激活的M2 型巨噬細胞釋放因子作用的平衡點及相關的調控機制對于IPF 的治療至關重要，還需進行深入研究。

2.3 IL-13 誘導成纖維細胞的活化與增殖促進IPF 在IPF 的發(fā)生過程中，肺成纖維細胞向肌成纖維細胞的分化也是其重要特征之一。而IL-13 可以刺激成纖維細胞的活化和增殖，促進ECM 的沉積，從而促進IPF的進展。

IL-13可以刺激肺泡上皮細胞釋放骨膜蛋白，其可以誘導成纖維細胞分化為肌成纖維細胞。關于IL-13 對成纖維細胞的具體調控機制，BARNES 等發(fā)現(xiàn)了趨化因子受體3（CXCR3）在肺成纖維細胞中的表達及其與IL-13Rα2 表達的關系。CXCR3 在IPF發(fā)生過程中參與血管重塑和成纖維細胞運動，IPF中CXCR3 是IL-13Rα2 基因和蛋白上調所必須的［29］。此外在博來霉素誘導的肺纖維化過程中，IL-13 增強了MMP2 和MMP9 在成纖維細胞的表達，這也被證明增加了肺成纖維細胞的遷移和侵襲性，促進了肺纖維化的進展［26］。而JAVIER 等在IPF 患者中發(fā)現(xiàn)JAK2/STAT3 這兩種蛋白表達的上調，并且在體外實驗中發(fā)現(xiàn)IL-13 刺激肺成纖維細胞激活JAK2/STAT3，誘導成纖維細胞向肌成纖維細胞轉化。GUO等［30］認為，IL-13可以以劑量和時間依賴的方式，上調肺成纖維細胞中的轉錄因子陰陽1（YY1），導致α-平滑肌肌動蛋白的增加。在動物實驗中，與野生型相比，IL-13 轉基因小鼠纖維化肺中YY1 表達上調，且與AKT 磷酸化有關。RADWANS?KA 等發(fā)現(xiàn)，重組GDF15 可通過激活素受體樣激酶5受體介導，刺激人肺成纖維細胞中α-平滑肌肌動蛋白的表達，促進肺纖維化的進展。

除了成纖維細胞以外，IL-13也可以增加平滑肌細胞收縮以及膠原的合成。而IL-13 與肺內其他細胞，如血管內皮細胞、中性粒細胞等細胞之間是否有直接或間接的聯(lián)系，及其在IPF 中的作用還有待進一步探究。

隨著IL-13 在肺纖維化中的生物學意義以及作用機制研究的逐漸深入，IL-13 驅動肺纖維化和導致功能障礙的作用被逐漸認識。以IL-13 為靶點的治療，一方面可以降低IL-13 對巨噬細胞轉化為M2 表型的促進作用，繼而減少巨噬細胞釋放TGF-β 等促纖維化因子；另一方面，也能夠通過減少JAK/STAT 等通路的激活，減少上皮細胞向間充質細胞和成纖維細胞向肌成纖維細胞的轉變，從而延緩肺纖維化的進展。目前，針對IL-13 的藥物有曲洛金單抗以及來瑞組單抗等，它們都可以以高親和力結合IL-13，抑制IL-13 的生物學效應。

綜上所述，IL-13 參與了IPF 的發(fā)生發(fā)展，在IPF中發(fā)揮重要作用，包括與肺泡上皮細胞的相互作用、激活M2 型巨噬細胞以及誘導成纖維細胞增殖與分化。IL-13 在不同階段誘導肺泡上皮細胞表達蛋白的水平可能成為進行個性化治療的生物標志物，而IL-13 本身及其互作蛋白如GDF15 等則有望成為IPF新的治療靶點。