IL-6在慢性阻塞性肺疾病發(fā)病機(jī)制中的作用及研究進(jìn)展

孫文杰 李業(yè)山

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)是一種異質(zhì)性肺部疾病,其特征是由氣道異常(支氣管炎、細(xì)支氣管炎)和/或肺泡異常(肺氣腫)引起的慢性呼吸道癥狀(呼吸困難、咳嗽、咳痰),并且這些氣道的異常改變導(dǎo)致了持續(xù)性、進(jìn)行性加重的氣流阻塞[1]。COPD的發(fā)病機(jī)制尚未完全闡明,針對其異質(zhì)性,目前仍缺乏個性化治療方案,這進(jìn)一步增加了COPD的死亡率。據(jù)統(tǒng)計(jì),COPD現(xiàn)已是全球除傳染性疾病外的第三大致死疾病,全世界每年因COPD而死亡的人數(shù)高達(dá)數(shù)百萬,造成了巨大的醫(yī)療和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[2]。然而,由于環(huán)境污染、人口老齡化等因素,COPD的患病率仍在不斷上升[1]。因此,迫切需要尋找針對COPD發(fā)病機(jī)制的治療靶點(diǎn),而白細(xì)胞介素-6或許是一個潛在的研究方向。研究發(fā)現(xiàn)在COPD患者的血液、痰液及肺泡灌洗液中,不僅IL-6水平升高,而且其可溶性IL-6受體(sIL-6R)也有增加[3]。此外,分子層面的研究證實(shí)了IL-6相關(guān)信號通路,如STAT3(signal transducers and activators of transduction 3,STAT3)等在COPD中異常激活[4]?？梢奍L-6和COPD之間確實(shí)存在著某種緊密的聯(lián)系。

一、IL-6概述

白細(xì)胞介素-6(interleukin-6,IL-6)在1980年首次由WEISSENBACH等發(fā)現(xiàn),最初被命名為β2干擾素,直到1986年才被統(tǒng)一命名為IL-6。IL-6是一種主要由四個螺旋束(A-D)組成的單鏈磷酸化糖蛋白,其通過和細(xì)胞表面的Ⅰ型受體復(fù)合物結(jié)合傳遞信號。Ⅰ型受體復(fù)合物由配體結(jié)合糖蛋白IL-6受體(IL-6R)和信號傳導(dǎo)成分gp130(glycoprotein 130)組成,而IL-6R以膜結(jié)合型(mIL-6R)和可溶型(sIL-6R)兩種形式存在。IL-6可由單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、淋巴細(xì)胞、成纖維細(xì)胞等多種細(xì)胞產(chǎn)生,在調(diào)節(jié)免疫和炎癥方面發(fā)揮著重要的作用,其發(fā)揮功能主要通過兩種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。IL-6在經(jīng)典信號通路中與mIL-6R結(jié)合發(fā)揮抗炎作用,在反式信號通路中則通過和sIL-6R結(jié)合發(fā)揮促炎作用[5]。IL-6發(fā)揮生物作用的具體步驟如下:首先與其受體(mIL-6R/sIL-6R)結(jié)合形成二聚體,然后與gp130結(jié)合形成異三聚體,進(jìn)一步與另一個異三聚體結(jié)合形成六聚體復(fù)合物。最后,這個六聚體復(fù)合物激活Janus 激酶(JAK)進(jìn)而導(dǎo)致相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的激活。JAK又可以通過不同途徑激活絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)、磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K),因此IL-6相關(guān)信號通路有JAK/STAT3、ERK/MAPK、PI3K/AKT等。此外JAK/STAT3等信號通路有助于NF-κB(nuclear factor Kappa-B,NF-κB)信號通路的激活。在炎癥、自身免疫和腫瘤性疾病中,IL-6主要通過JAK/STAT3信號通路發(fā)揮作用[6]。

二、IL-6在COPD發(fā)病機(jī)制中可能起到的作用

1 IL-6基因多態(tài)性與COPD的相關(guān)性

人類IL-6 基因位于染色體7p15-21區(qū)域,由4個內(nèi)含子和5個外顯子組成,其多態(tài)性與風(fēng)濕免疫、癌癥等多種疾病相關(guān)。在COPD中研究較多的是IL-6單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism,SNP)與其發(fā)病的易感性。雖然目前有IL-6-174G/C(RS1800795)、IL-6-572G/C(RS1800796)、IL-6-597G/A(RS1800797)、RS1818879等多個研究位點(diǎn),然而具體哪些位點(diǎn)和COPD相關(guān)尚無定論。IL-6-174G/C是研究較為全面的一個位點(diǎn),其和COPD的相關(guān)性在不同種族的研究中得到的結(jié)果并不相同。首先在基因型分布頻率方面,最初SEIFART等的研究表明:在德國白種人中,IL-6-174G/C在COPD患者和肺功能正常的對照組中的分布無顯著差異,后續(xù)在西班牙人、北印度人的研究中也得到了相似的結(jié)論[7]。但是,HE JQ等發(fā)現(xiàn)在非西班牙裔白人COPD患者中,FEV1快速下降組的IL-6-174G/C等位基因頻率顯著高于非下降組(45.2%vs39.6%)[8],并提出IL-6-174G/C可能會加快吸煙者肺功能下降的速度。其次,關(guān)于IL-6-174G/C是否與循環(huán)中IL-6水平相關(guān)至今仍有爭議。很早以前的研究認(rèn)為IL-6-174G/C可以控制IL-6轉(zhuǎn)錄速率,和血清IL-6的水平相關(guān),但是Ahluwalia等最近的一項(xiàng)大型臨床研究表明在歐洲血統(tǒng)人種中IL-6-174G/C多態(tài)性和循環(huán)IL-6水平無顯著相關(guān)[9]。至于在其他種群中是否相關(guān),仍需要更多的研究去證實(shí)。類似的,在IL-6-572G/C和COPD相關(guān)性研究中,既往研究表明在西班牙人種中,IL-6-572G/C可以降低人群患COPD的風(fēng)險(xiǎn)[10],但是在中國漢族人群的研究中這一結(jié)論并沒有得到證實(shí)[11]?？梢?現(xiàn)有研究的結(jié)果不是一致的,造成這種結(jié)果的原因是多方面的:不同的研究設(shè)計(jì)方案、不同種族的人群以及統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的差異等。根據(jù)目前資料推測IL-6 SNP和COPD可能相關(guān),但這種相關(guān)性限定于某些種族的某個位點(diǎn)或者某些位點(diǎn)(單倍型)?？傊?雖然IL-6 SNP和COPD是否相關(guān)尚不確定,但是深入基因、分子領(lǐng)域的研究將有助于更深層次的解密COPD的發(fā)病機(jī)制。

2 IL-6與COPD中炎癥的聯(lián)系

COPD是一種全身性炎癥疾病,這種炎癥的特征不僅在于中性粒細(xì)胞、肺泡巨噬細(xì)胞、淋巴細(xì)胞數(shù)量的增加,而且細(xì)胞因子、趨化因子等多種促炎介質(zhì)也會分泌增多。此外,COPD肺部炎癥的溢出會導(dǎo)致其他系統(tǒng)的共病。由于COPD炎癥反應(yīng)的復(fù)雜性,從大量的炎性細(xì)胞及炎性介質(zhì)中尋找有效的標(biāo)志物成為COPD治療的關(guān)鍵。就細(xì)胞因子而言,在大部分COPD患者的血清中能發(fā)現(xiàn)升高的IL-6、CRP等炎癥因子,而IL-6在抗炎和促炎方面發(fā)揮著重要的作用。IL-6不僅能誘導(dǎo)急性期反應(yīng),還能通過活化B細(xì)胞、T細(xì)胞誘導(dǎo)特異性細(xì)胞和體液免疫應(yīng)答[12]?？梢奍L-6持續(xù)過量的產(chǎn)生會導(dǎo)致炎癥反應(yīng)的失衡,對機(jī)體造成損傷。Hubeau C等通過向由香煙煙霧(cigarette smoke,CS)/Poly(I:C)(Toll-Like Receptor 3)誘導(dǎo)的COPD相關(guān)急性肺炎小鼠模型中注射IL-6中和抗體,觀察到實(shí)驗(yàn)組小鼠中出現(xiàn)較低的淋巴細(xì)胞和單核細(xì)胞計(jì)數(shù),以及肺泡灌洗液中淋巴細(xì)胞、中性粒細(xì)胞和巨噬細(xì)胞數(shù)量的減少[13]。以上研究證實(shí)了IL-6和COPD的肺部炎癥相關(guān),針對性降低IL-6水平可以減輕肺部炎癥。此外,Prudente R等通過對COPD病人的隨訪發(fā)現(xiàn),即使在穩(wěn)定期,部分患者IL-6水平也會持續(xù)升高[14]。而在COPD急性加重期(acute exacerbation of chronic obstructive pulmonary disease,AECOPD),血清IL-6水平急劇上升,且明顯高于穩(wěn)定期,這表明IL-6的升高可能和COPD炎癥的急劇加重有關(guān)。COPD患者肺部炎癥的急性發(fā)作常由呼吸道感染和其他環(huán)境因素觸發(fā),其中呼吸道感染大多由細(xì)菌和病毒引起。分析文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn),部分細(xì)菌和病毒的感染會刺激IL-6相關(guān)基因表達(dá)的增加[3,15]。例如,銅綠假單胞菌鞭毛蛋白可以通過P38 MAPK信號通路(P38 mitogen-activated protein kinase,P38MAPK)使IL-6產(chǎn)生增多[15];而肺部流感嗜血桿菌感染可導(dǎo)致sIL-6R釋放增加[3]。由此我們推測在COPD由穩(wěn)定向急性加重轉(zhuǎn)變的過程中,IL-6的持續(xù)升高可能起到重要作用。然而在COPD急性加重期,過量產(chǎn)生的IL-6具體通過哪些信號通路發(fā)揮作用尚不明確,研究較多的是JAK/STAT3信號通路。Ruwanpura S M等發(fā)現(xiàn)針對性降低小鼠模型中STAT3水平可以減輕肺部炎癥,并且IL-17A(interleukin-17A,IL-17A)可以調(diào)節(jié)IL-6/STAT3信號通路介導(dǎo)的肺部炎癥[16]。因此,IL-6-STAT3通路、IL-17A的靶向治療可能是未來治療COPD炎癥的靶點(diǎn)。其他相關(guān)通路仍需要進(jìn)一步研究。另外,在COPD急性加重期中性粒細(xì)胞會產(chǎn)生大量sIL-6R,這些sIL-6R通過激活mTOR復(fù)合體1(mTORC1)、STAT3等可以在不含有mIL-6R的細(xì)胞上發(fā)揮作用[3],這可能和COPD肺部炎癥的溢出有關(guān)。總之,IL-6參與了COPD慢性炎癥的維持,急性加重的驅(qū)動和全身炎癥的擴(kuò)散。未來針對IL-6-STAT3等通路的研究或許會促進(jìn)COPD炎癥治療的進(jìn)步。

3 IL-6與肺氣腫

肺氣腫是COPD的表型之一,嚴(yán)重的肺氣腫預(yù)示著預(yù)后不良。在肺氣腫患者中,可以觀察到異常的免疫反應(yīng),然而具體分子機(jī)制尚未明確,近年來研究表明其可能和IL-6有關(guān)。肺氣腫時(shí),IL-6表達(dá)增加,不僅可以在肺氣腫患者肺泡灌洗液中發(fā)現(xiàn)升高的IL-6,而且在肺氣腫小鼠模型中觀察到sIL-6R的過量產(chǎn)生[3,17]。在小鼠模型中,特異性增強(qiáng)IL-6表達(dá),觀察到小鼠肺泡腔擴(kuò)大,對IL-6基因進(jìn)行敲除,則得到相反的結(jié)果[17-19]。相似的,阻斷肺氣腫小鼠模型的IL-6反式信號通路或使用反式信號通路拮抗劑進(jìn)行治療,也可以觀察到肺氣腫的改善[18]。綜上可見IL-6與肺氣腫的發(fā)生發(fā)展有關(guān)。Ruwanpura SM等指出IL-6主要通過反式信號通路誘導(dǎo)肺泡上皮的凋亡進(jìn)而導(dǎo)致肺氣腫,具體機(jī)制之一可能在于IL-6反式信號通路上調(diào)了AIM2/IL-1β(AIM2炎性小體/IL-1β)的表達(dá)[17]。特異性降低IL-6水平或者對其信號通路進(jìn)行阻斷對改善肺氣腫具有一定幫助,未來仍需對其分子通路進(jìn)一步研究。

4 IL-6和氣道黏液高分泌

氣道黏液高分泌(airway mucus hypersecretion,AMH)是COPD重要的病理特征之一,在COPD中,AMH可由炎癥、氧化應(yīng)激等因素引起。黏液的分泌由黏蛋白控制,研究表明COPD中AMH主要與黏蛋白5AC(MUC5AC)和黏蛋白5B(MUC5B)有關(guān)[20]。而IL-6在調(diào)控黏蛋白5AC和黏蛋白5B的表達(dá)方面發(fā)揮著重要的作用。Wei YY等發(fā)現(xiàn)COPD患者血清中MUC5AC濃度增加與IL-6水平呈正相關(guān),通過IL-6或IL-6Ab(IL-6中和抗體)刺激小鼠模型,可以觀察到MUC5AC蛋白表達(dá)的增加或者下降[21]。Chen Y等的研究證實(shí)了IL-6對黏蛋白MUC5B和MUC5AC基因表達(dá)的影響呈劑量依賴性,而且這種依賴性在低濃度和高濃度時(shí)都存在[22]。分析文獻(xiàn)推測IL-6在AMH中發(fā)揮作用的機(jī)制可能有以下幾個方面:IL-6直接或間接作用于杯狀細(xì)胞、肺上皮細(xì)胞引起氣道黏液高分泌;通過調(diào)節(jié)白介素-13、白介素-17促進(jìn)黏液生成,后者可能與ERK(extracellular signal-regulated kinase)信號通路有關(guān)[20-22]。此外,最近有學(xué)者提出IL-6抗體通過誘導(dǎo)Nrf2(nuclear factor erythroid 2 related factor 2)核轉(zhuǎn)位顯著減輕COPD氣道黏液高分泌[21]。通過干預(yù)IL-6可能會治療COPD的AMH,但其分子機(jī)制仍需進(jìn)一步探討。

三、IL-6和COPD臨床預(yù)后

1 IL-6與AECOPD

在COPD急性加重期,患者血清的IL-6較穩(wěn)定期明顯升高,Ghobadi H等根據(jù)GOLD分級標(biāo)準(zhǔn)對患者進(jìn)行分類,發(fā)現(xiàn)AECOPD患者血清IL-6水平在Ⅰ～Ⅳ級均高于穩(wěn)定期水平,并且Ⅲ～Ⅳ級顯著要高于Ⅰ～Ⅱ[23]。上述研究表明IL-6和COPD的嚴(yán)重程度有關(guān)。就具體的IL-6數(shù)值而言,一項(xiàng)研究的數(shù)據(jù)表明血清IL-6平均值在急性加重期和穩(wěn)定期分別為(80.93 ± 33.52)ng/mL和(27.68 ± 17.27)ng/mL[24],可見兩者之間差值較大。IL-6在急性加重期和穩(wěn)定期的顯著差異暗示IL-6可能是AECOPD的有效預(yù)測因子。Song W等研究發(fā)現(xiàn)相對于PCT和CRP,IL-6預(yù)測AECOPD的ROC曲線下面積為0.773,高于CRP(0.764)和PCT(0.647),并指出當(dāng)IL-6的Cut-off值為5.262時(shí),IL-6的敏感度和特異度分別為71.7 %和78.3 %[25]。Huang H.等指出IL-6≥14.03ng/mL是預(yù)測下一年出現(xiàn)≥2次急性加重的獨(dú)立危險(xiǎn)因素[10]?？梢奍L-6對于AECOPD的預(yù)測有一定的價(jià)值。頻繁的急性加重增加了患者死亡的風(fēng)險(xiǎn),對急性加重的準(zhǔn)確預(yù)測和對加重期間的恰當(dāng)治療非常重要。而IL-6在AECOPD治療措施的選擇方面也有一定的提示作用。研究表明IL-6聯(lián)合CAT(COPD assessment test)評分對AECOPD患者48 h內(nèi)是否需要呼吸機(jī)治療具有預(yù)測價(jià)值,該研究中呼吸機(jī)治療組IL-6平均值為[(122.93±21.34) ng/mL],對照組則為[(103.69±18.51) ng/mL][26]。綜上所述,IL-6在預(yù)測COPD急性加重和急性加重期治療方案的選擇這兩方面均有一定的指導(dǎo)意義。

2 IL-6和肺功能

既然IL-6在肺氣腫和黏液高分泌等方面均相關(guān),那么在肺功能方面,IL-6與COPD肺功能相關(guān)指標(biāo)的變化是否也同樣有相關(guān)性。研究表明在中重度COPD穩(wěn)定期,患者痰液中IL-6的水平越高,其FEV1%pred下降的速度就越快,并且穩(wěn)定期FEV1快速下降可能和細(xì)菌慢性定植有關(guān)[10]。通過測量COPD急性加重患者治療前后血清IL-6和 FEV1的數(shù)值,可以發(fā)現(xiàn)隨著IL-6水平的下降,FEV1隨之上升[27],這表明IL-6和FEV1之間可能存在某種關(guān)聯(lián)。PINTO-PLATA等推測IL-6是反映呼吸困難和肺活量變化的最佳細(xì)胞因子[28],但是這個結(jié)論是通過統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法得到的,仍需要更多的研究來證實(shí)。有趣的是,在有關(guān)IL-6相關(guān)的非密碼RNA方面的研究中發(fā)現(xiàn),COPD患者血清中l(wèi)ncIL-6-AS1表達(dá)水平升高,并且和肺功能指標(biāo) PEF%pred、FEV1%pred、FEV1/FVC(%)呈負(fù)相關(guān)[27]?？梢奍L-6與肺功能多個指標(biāo)有關(guān),也許IL-6可以作為預(yù)測未來肺功能下降指標(biāo)的有益補(bǔ)充。

3 IL-6和COPD死亡率

血清IL-6對穩(wěn)定期COPD患者死亡率是否有影響尚存在爭議。Ferrari R等通過對穩(wěn)定期COPD患者長期隨訪發(fā)現(xiàn),IL-6與COPD患者的死亡率呈正相關(guān),即IL-6水平越高,患者死亡的風(fēng)險(xiǎn)越大[29]。然而Prudente R等的研究卻表明在隨訪期間IL-6雖然呈進(jìn)行性升高,但對死亡率卻無明顯影響[14]。對于AECOPD,分析文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn),把IL-6歸為AECOPD患者死亡的獨(dú)立危險(xiǎn)因素的研究較少。但是根據(jù)IL-6和肺氣腫、AMH之間的聯(lián)系,我們推測IL-6越高,患者病情越嚴(yán)重,預(yù)后可能不佳。這個推測需要進(jìn)一步研究去論證?；蛟S把IL-6和其他細(xì)胞因子相結(jié)合可以更好的預(yù)測COPD患者的預(yù)后和死亡風(fēng)險(xiǎn)。

四、總結(jié)和展望

IL-6作為一種調(diào)節(jié)炎癥和免疫的細(xì)胞因子,在COPD發(fā)生發(fā)展中起到重要的作用,與COPD的易感性、嚴(yán)重程度、預(yù)后等方面息息相關(guān)。IL-6不僅僅可以作為一種生物標(biāo)志物用于臨床預(yù)測COPD患者的預(yù)后,更重要的是作為新的治療靶點(diǎn),為COPD未來的治療提供具體的研究方向。但是目前在IL-6和COPD相關(guān)性研究中仍存在以下問題:一些領(lǐng)域如IL-6 SNP是否和IL-6相關(guān)尚存在爭議;在炎癥、免疫等方面IL-6具體通過哪些信號通路發(fā)揮何種作用尚不確定。因此,未來需要更多的大型基礎(chǔ)研究去發(fā)掘和論證IL-6在COPD發(fā)病機(jī)制中的作用。