IL-2對免疫激活和免疫耐受的雙向調節作用

翟志敏

(安徽醫科大學第二附屬醫院血液科，生物醫療研究中心，安徽醫科大學血液病研究中心，安徽合肥 230601)

早在上世紀70年代，Morgan等［1］首先報道，植物血凝素、刀豆蛋白A等絲裂原負荷的淋巴細胞培養液可刺激體外培養的T淋巴細胞增殖，自此人們在IL-2與T細胞之間的關系中發現IL-2不僅能刺激T細胞生長，還有多種其它生物活性［2］，尤其近年在對調節性T細胞(regulatory T cells，Treg)的鑒定和認識中注意到IL-2不僅可以促進效應性T細胞的增殖和分化，而且在維持Treg內穩方面發揮關鍵性作用，其功能差異主要取決于IL-2濃度，及其靶細胞表面IL-2受體(IL-2R)的構型、親和力和表達強度等［3-4］。本文對IL-2的生物學特性及其在細胞免疫中的一些研究和最新進展進行闡述。

1 IL-2和IL-2R系統

人體內IL-2為分子量15.5 ku的糖蛋白，成熟的IL-2分子由153個氨基酸肽鏈N端剪掉20個氨基酸殘基的信號肽后剩下的133個氨基酸殘基組成，IL-2與其它細胞因子在序列上無同源性［5-6］。在穩定狀態下，IL-2主要是由二級淋巴器官里的CD4+T輔助細胞產生，少部分是由CD8+T細胞、NK細胞和NKT細胞產生，抗原刺激能強烈誘導和CD8+T細胞產生IL-2，盡管CD+8T細胞合成IL-2的能力較弱，而且這些細胞的應答往往需要CD+4T細胞的幫助［2-4，7］。在特定條件下，激活的樹突狀細胞和肥大細胞也可以產生少量的IL-2［8-9］。

調節IL-2合成的機制有多種，包括由轉錄因子-B淋巴細胞誘導的成熟蛋白1(B lymphocyte-induced maturation protein 1，BLIMP1)介導的IL-2基因的沉默。BLIMP1可在IL-2激活下，調控IL-2的合成，從而形成了一種負反饋機制。淋巴結里分化為記憶T細胞的效應T細胞(特別是中央記憶T細胞)表達低水平的BLIMP1，因而保留了合成IL-2的能力。然而那些長時間暴露在抗原里的T細胞的BLIMP1表達會逐漸升高，反饋性抑制合成IL-2的能力［10］。

IL-2通過作用于細胞膜上的IL-2R來發揮其生物活性。IL-2R是一個復合體，由 CD25(IL-2Rα鏈，55 kd)、CD122(IL-2Rβ鏈，75 kd)和 CD132(IL-2Rγ 鏈，64kd)組成，只表達α鏈的細胞以低親和力與IL-2結合，且無法進行細胞內信號轉導，當α鏈與β鏈和γ鏈共同構成三聚體型IL-2R時，可以將IL-2R與IL-2結合的親和力提高10～100倍(Kd≈10-11)，β和γ都屬于I型細胞因子受體超家族，γ亞基不單獨與IL-2結合，但與β亞基結合可構成低親和力二聚體型IL-2R(Kd=10-9)，共同成為 IL-2R信號的組成部分［11-12］。β和γ亞基在它們胞質內的尾部都攜帶信號序列，其信號轉導通過多種細胞內通路，如酪氨酸蛋白激酶-信號轉導和轉錄因子激活通路(JAK/STAT)、磷脂酰肌醇-3激酶-蛋白激酶B通路(PI3K/Akt)及絲裂原活化蛋白激酶通路(MAPKs)［13］，γ 鏈不僅對 IL-2 有應答，對 IL-4、IL-7、IL-9、IL-15、IL-21 也有應答［4，13］，因此 IL-2 及其信號系統介導的生物學效應，隨細胞表面表達IL-2受體構型和數量的不同產生明顯差異，并與周圍環境IL-2的濃度、持續作用的時間、有無其他相關細胞因子的參與等多種因素密切相關［4，14-15］。

2 IL-2的免疫促進作用

IL-2最早引人關注的生物學功能是體外具有刺激T細胞增殖的能力，隨后更多研究發現IL-2主要通過作用于靶細胞表面IL-2R及其信號傳遞對各亞型免疫細胞產生不同的影響，并特異性獲得靶細胞的定向分化和功能活性［14，16］。在受到絲裂原或抗原刺激后，CD+4和CD+8T細胞以及活化的B淋巴細胞和NK細胞可以短暫表達高水平的三聚體型IL-2R，IL-2優先與細胞表面三聚體型IL-2R陽性細胞發生特異性結合，啟動IL-2受體信號轉導，刺激IL-2R陽性細胞增殖分化［4，14］。其次，IL-2也是抗原激活的細胞毒性T細胞前體細胞轉化為細胞毒性T淋巴細胞的主要因子［17-18］。但必須注意的是未受刺激的效應性T細胞表面一般不存在三聚體型IL-2R，初始CD+8T細胞和記憶CD+4T細胞上僅表達低水平的二聚體型IL-2R，記憶型CD+8T細胞和NK細胞上可表達高水平二聚體型IL-2R，而在初始CD+4T效應細胞上幾乎測不到IL-2R，表達高水平二聚體型IL-2R的細胞對外源性的IL-2也是敏感的，但對體內生理性較低水平的IL-2幾乎無應答［3-4］。近期有研究顯示源自 Th細胞的IL-2對腫瘤或持續自身抗原環境下誘導的自身反應性CD+8T細胞的維持是關鍵的，因此人們認為CD+4T細胞分泌的內源性IL-2可能對啟動由自身反應性細胞毒性CD+8T細胞介導的自身免疫是重要的［19］。

NK細胞的激活、分化和增殖也都需要IL-2［20］，并且與記憶型CD+8T細胞一樣，在體內接受外源性IL-2刺激時，需在持續低濃度或短期較高濃度下刺激方可對NK增殖和功能發揮作用［4，15］。IL-2不僅能促進 NK細胞的增殖，還能促使NK細胞產生TNF-α、IFN-γ和GM-CSF等多種細胞因子，刺激T細胞表面胰島素受體、Ⅱ類主要組織相容性(MHC)抗原的表達，誘導產生多種淋巴因子如IFN-γ、IL-4、IL-5、IL-6、TNF-β 及 CSF 等，并與它們在功能上起協同作用［16，21］，發揮細胞因子網絡中的核心調節作用。IL-2還能促進B細胞分化增殖，啟動免疫球蛋白J鏈的翻譯合成，增強抗體的分泌，使B細胞分化成為能夠產生免疫球蛋白的活化細胞［3-4］。

雖然長期以來IL-2在促免疫增強中的重要作用已獲得廣泛肯定，但由于IL-2及其信號系統對免疫調控作用的復雜性和多樣性，對IL-2的研究和認識也在不斷更新，迄今為止，研究發現IL-2在體內外的功能活性可能存在很大差異，在體外培養的條件下，持續擁有絲裂原或抗原信號的刺激，使細胞表面IL-2R水平維持在高水平，同時培養基中一般具有充分足量的外源性IL-2持續刺激，因此主要表現為促進T細胞分化增殖。但在機體內IL-2對免疫功能的影響更加復雜，與各型免疫細胞所處的狀態，表面IL-2R的類型和強度，以及 IL-2 的來源、濃度和作用時間等因素密切相關［3，4，7］。因此關于機體內IL-2生物活性和功能效應的研究，將對免疫學基本理論和臨床免疫學發展起著重要作用。

3 IL-2的免疫調節和自穩作用

自1993年起研究者們相繼在基因缺陷的小鼠動物模型中發現:在缺乏IL-2或其受體(IL-2-/-和 CD25-/-)的小鼠，以及缺乏IL-2下游信號分子(JAK3-/-和STAT5-/-)的小鼠中，Tregs細胞不發育，并發生以活化的CD+4T細胞增多、自身抗體產生和炎癥性腸病等為特點的自身免疫病［22-24］，臨床上也觀察到1例單純CD25突變的患者，表現出類似的“IL-2缺乏綜合征”［25］。這些發現提示IL-2在體內的主要生理功能是限制而不是提高T細胞的反應，IL-2在維持自身免疫耐受和生物體的免疫平衡方面充當非常復雜和重要的角色，并使人們開始對“IL-2的主要功能是促進T細胞生長”這一傳統的單向免疫增強觀點提出疑問。最初有學者認為在上述基因型發生“自身免疫反應是由于活化T細胞自身缺乏凋亡誘導的細胞死亡”所致［26］，但近期越來越多的研究顯示:IL-2及其受體信號系統對維持和調控Tregs分化發育和功能穩定均至關重要?！癐L-2缺乏綜合征”根本原因是由于“缺乏天然Treg細胞”［27-30］。這些對IL-2生物學活性的新認識，為理解IL-2為什么同時具有免疫激活和免疫耐受這種互為對立的雙重免疫調節功能提供了一些解答，也為重新評估如何才能合理操控IL-2的雙重免疫調節途徑，將IL-2更好地應用于臨床提供依據［31-32］。

4 重新思考IL-2在臨床中的應用

正是基于早期發現的IL-2對體外培養T細胞的促增殖作用，長期以來人們一直認為IL-2在體內同樣具有增強淋巴細胞反應性的能力，大量動物研究也顯示IL-2具備提高細胞毒T細胞和NK細胞反應性的潛能，因此臨床上已將IL-2作為可遏制腫瘤細胞生長的免疫治療候選藥物，治療轉移性黑色素瘤等癌癥或嚴重感染的患者，反之利用針對IL-2R的阻斷性抗體來抑制T細胞對移植組織的反應［33-35，7，36］。的確在過去 30 年的研究中確認 IL-2 在抗腫瘤和抗感染的免疫治療中取得一定療效，單獨使用大劑量IL-2或利用其擴增和活化抗腫瘤淋巴細胞(lymphokine-activated killer cells，LAK)，使部分癌癥或嚴重感染患者獲得有效反應［35，37-39］。

但隨著對IL-2雙向免疫調節功能的認識，尤其是近年來大量研究證明IL-2/IL-2R介導的信號系統對Treg分化、發育和功能的重要性，其負向免疫調節作用的機制逐漸被揭示和得到認可［40］，人們越來越關注IL-2在不同環境和條件下，尤其對機體內免疫系統產生的多重甚至相互對抗的功能效應，并開始重新思考過去以IL-2為主體激活免疫細胞反應性的免疫治療方案，IL-2最常用于輔助治療腎癌和黑色素瘤，但實際療效并非期待中那樣令人滿意，總體有效反應率在10%～20%，甚至少數病人在用藥期間出現病情惡化［41-42］。研究發現惡性腫瘤患者外周血循環或周圍組織中的Treg數量明顯增加，而接受IL-2治療后Tregs會進一步擴增，而且對效應性T細胞仍然保持較強的抑制活性。因此IL-2誘導Tregs的進一步擴增和功能激活，可能是導致IL-2治療惡性腫瘤，大多數患者臨床療效不滿意的重要原因之一［43-45］。

與既往將IL-2應用于提高抗腫瘤免疫的目的相反，最近已有臨床研究將IL-2用于降低免疫活性，治療自身免疫性疾病，并取得良好效果。Koreth等［46］報道對29名經糖皮質激素治療無效的慢性GVHD活動期患者，予以IL-2劑量升級式試驗治療，結果顯示IL-2的最大耐受劑量為皮下注射每天每平方米1×106IU，所有病人未出現GVHD病情進展或血液腫瘤的復發，部分患者臨床表現得到改善，糖皮質激素劑量平均降低至治療前60%。在可評估療效的23個病人中，外周CD+4Treg細胞的數目明顯增加，而傳統的效應T細胞未受影響，增加的Treg細胞表達FoxP3，且具備抑制功能。提示注入體內的外源性IL-2也是通過優先誘導Treg細胞擴增發揮療效。Saadoun等［47］采用小劑量IL-2治療丙型肝炎病毒感染相關性血管炎，同樣觀察到體內Tregs細胞明顯增多，10例患者有9例冷球蛋白血癥明顯減輕，8例血管炎癥狀明顯好轉，無1例出現病毒拷貝數增加或癥狀加重。

為什么同樣是IL-2，既可用于治療以免疫異常激活為主的GVHD和血管炎，又可用于治療免疫力低下的惡性腫瘤或感染?有學者分析認為機體在不同狀態下各免疫細胞表面表達的IL-2R的數量、構型不同，因此IL-2的靶細胞對周圍不同濃度IL-2的敏感性和反應性存在很大差異，并可能產生兩種相反的免疫效應。如表面為二聚體型IL-2R的細胞和NK細胞需要大劑量IL-2的刺激才能獲得有效激活、增殖和功能活化，而低劑量IL-2對CD8+T細胞和NK細胞的作用甚微，主要是啟動CD25強陽性的Tregs細胞活化［4，36］。

總之，雖然IL-2是最早發現并應用于臨床的一種細胞因子，但由于其復雜重要的生物學功能，使人們對其研究的興趣迄今有增無減，目前針對IL-2及其信號系統需要解決的主要問題是IL-2在體內的作用。過去很多數據和結論都是通過體外實驗或以IL-2治療后的臨床患者為研究對象所得。在未接受任何治療和其他人為干預的情況下，自身免疫性疾病和免疫低下相關性疾病患者，其體內IL-2水平究竟是多少?IL-2與其他細胞因子之間的關系，以及與效應性和調節性T細胞數量和功能狀況之間的關系如何?這些問題均尚未明確，也令人困惑和著迷，解開患者體內自身IL-2水平與疾病之間的關系，對了解疾病發病機制和指導臨床正確使用IL-2或IL-2拮抗劑，確保療效、減少毒副作用都是非常重要的。

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