IL-1β、IL-6及TNF-α在慢性阻塞性肺疾病中的作用及研究進展

吳雨珊 金壽德 強麗霞 郝瑞清

哈爾濱醫科大學附屬第四醫院呼吸科150001

隨著世界人口的不斷增加和人類壽命的不斷延長,慢性非傳染性疾病越來越得到人們的重視。COPD 是呼吸系統中的一種慢性非傳染性疾病,發病率及病死率逐年上升,近年的研究提示COPD 逐漸呈現年輕化趨勢[1]。WHO 統計結果顯示,每年約有300萬人死于COPD,與全世界趨勢相同,COPD 在亞太地區已經構成了主要的健康和經濟負擔[2-3]。其發病機制包括炎癥反應、氧化應激及蛋白-抗蛋白失衡,研究顯示,在COPD 發生過程中IL-1β、IL-6及腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)大量釋放,參與炎癥反應、氧化應激等過程,最終導致臟器衰竭。因此,炎癥因子在COPD 的發生、發展中起關鍵作用,本文將對IL-1β、IL-6及TNF-α的研究進展進行綜述。

1 COPD和炎癥

COPD 是一種氣道、肺泡和微血管進展性的慢性炎癥性疾病,主要特征性改變為不可逆的氣流受限,其過程包括小氣道的重塑和因肺氣腫破壞肺實質導致肺泡喪失彈性回縮力[4]。慢性阻塞性肺疾病全球倡議指南及西班牙慢性阻塞性肺疾病指南均指出,肺部炎癥是COPD 的重要組成部分[5-6]。AECOPD 表現為患者的病情惡化,并伴有影響臨床表現和嚴重程度的全身炎癥反應,使預后惡化[7]。因此,COPD 的發生和發展過程均與炎癥反應相關。這些炎癥過程可能會改變肺部的力學,進而出現第1秒用力呼氣容積進行性下降,肺泡排空障礙,最終導致慢性氣流阻塞和肺泡過度充氣[4,8]。臨床上患者往往出現咳嗽、呼吸困難加重,繼發合并癥,直接影響患者預后。

1·1 炎癥的級聯反應 在病原體 (如細菌、病毒等)進入氣道后,攻擊氣道表面的上皮細胞,黏膜屏障受損,纖毛擺動能力異常,清除能力下降,黏蛋白蓄積;大量蓄積的黏蛋白為致病菌提供一個良好的 “蛋白培養基”,使其在氣道內不斷繁殖,進一步加重感染。在如此往復循環的過程中,體內的炎癥細胞及炎癥因子表現的十分活躍,中性粒細胞聚集、活化,巨噬細胞浸潤,炎癥因子如:IL 和TNF等大量分泌。在體內,炎癥因子間還存在互相促進分泌的過程,因此炎癥反應如 “滾雪球”般逐漸放大,形成惡性循環[9-11]。在炎癥的作用下,引起氣道平滑肌增生、黏液高分泌、血管內膜增厚、肺泡異常融合等病理變化[8]。在炎癥因子的反復刺激下,氣流受限、氣道重塑及肺氣腫逐步出現,造成頑固性的低氧血癥和二氧化碳的潴留,最終并發呼吸衰竭。不斷放大引起的全身性炎癥反應在COPD相關的各種合并癥的發生、發展中起關鍵作用,最終導致病情惡化,影響患者的預后[12]。

1·2 氧化應激 中性粒細胞、巨噬細胞等異常聚集的炎癥細胞產生活性氧 (reactive oxygen species,ROS),在COPD 的發病機制中起重要的作用。在巨噬細胞、中性粒細胞和上皮細胞內,活化的NADPH 氧化酶2 (NADPH oxidase 2,Nox2)產生超氧自由基 (O2·-),這些自由基可與一氧化氮反應形成高反應性過氧亞硝酸鹽分子(ONOO-),也可以在超氧化物歧化酶的影響下迅速轉化為具有破壞性的過氧化氫 (H2O2)。反過來,這可能導致在Fe2+存在的情況下,H2O2發生非酶促反應,產生破壞性羥自由基 (·OH)[13-16]。ROS、O2·-、ONOO-、H2O2和·OH 引發廣泛的炎癥[17]。當氧化劑負荷超過肺部抗氧化能力時,在局部環境出現蛋白質、脂質、碳水化合物和DNA 修飾的異常,引起組織損傷。ROS 通過激活核因子-κB (nuclear factor-κB,NF-κB)途徑來增強炎癥反應[18]。氧化應激通過激活磷酸肌醇3激酶顯著降低了組蛋白脫乙酰基酶2的活性和表達,不僅放大了炎癥反應,還阻止類固醇關閉活化的炎癥基因,導致COPD 患者的皮質類固醇的耐藥性[19]。

1·3 蛋白酶-抗蛋白酶失衡 蛋白酶-抗蛋白酶失衡被認為是由于炎癥細胞釋放的蛋白酶增加以及蛋白酶抑制劑的氧化失活所致,并被認為是造成COPD 肺實質破壞的原因[20-21]。香煙等所產生的氧化劑可以使內源性蛋白酶失活,激活肺泡巨噬細胞,并促進中性粒細胞流入肺[21-22]。活化的白細胞釋放蛋白酶,例如中性粒細胞彈性蛋白酶,作用于細胞外基質,彈性蛋白纖維和膠原蛋白的成分,并產生趨化肽片段,從而進一步吸引巨噬細胞和中性粒細胞的大量涌入,引發進一步的炎癥,氧化應激和隨后的肺損傷[21,23]。

1·4 細胞衰老 COPD 的發病機制與加速衰老的過程有關。衰老細胞可以產生促炎性介質和蛋白酶,被統稱為衰老相關的分泌表型 (senescence-associated secretory phenotypes,SASP)。SASP反應是由p21 觸發的,p21 激活p38絲裂原活化蛋白 (mitogen-activated protein,MAP)激酶和Janus激活的激酶 (Janus-activated kinases,JAK)。這導致促炎轉錄因子NF-κB 被激活,從而導致細胞因子(如IL-1β、IL-6 和TNF-α),生長因子和趨化因子 (如CXCL-1、CXCL-8 和CCL-2)以及基質金屬蛋白酶 (如MMP-2和MMP-9)的分泌,這些促炎介質可能會誘導細胞本身自分泌和周圍細胞旁分泌從而進一步放大并擴散細胞衰老[24]。

2 炎癥因子在COPD中的作用

炎癥是機體的一種保護性反應,旨在清除入侵的病原體,中和有害刺激并啟動組織修復。先天免疫細胞通過模式識別受體 (pattern recognition receptor,PRR)與病原生物表面的病原體相關的分子模式 (pathogen associated molecular patterns,PAMP) 或損傷相關分子模式(damage associated molecular patterns,DAMP)相互識別觸發炎癥。PRR 在巨噬細胞和樹突狀細胞表面表達,還可以通過中性粒細胞、淋巴細胞、成纖維細胞和上皮細胞少量表達[25]。在感染過程中,病原體入侵引起的細胞應激導致DAMP的釋放,與PAMP 協同作用以激活PRR。PRR激活通過釋放促炎細胞因子觸發一系列復雜的炎癥過程[26],過程中激活了包括NF-κB 在內的一系列信號通路,并增強IL-6、TNF-α和IL-1β等炎性細胞因子m RNA 的轉錄,TNF-α和IL-1β也能激活轉錄因子產生IL-6[27],通過促進抗原呈遞、炎癥細胞激活和基質降解相關酶的表達,從而激活免疫系統,促進急性炎癥反應的發生[28]。TNF-α在病理情況下也通過影響機體免疫功能,參與到氣道非特異性炎癥反應之中,引起氣道的病理損傷[29]。這一過程在COPD反復發作、病情惡化及病理發展的過程中起著關鍵的作用,IL-6、TNF-α 和IL-1β 是過程中的關鍵細胞因子[30]。下文將就IL-6、IL-1β和TNF-α在COPD 中的作用作簡要描述。

2·1 IL-1β IL-1β是一種致炎細胞因子,廣泛的參與機體的炎癥反應及免疫調節過程,引起組織破壞、水腫等病理損傷。主要由白細胞、單核-巨噬細胞生成和分泌。與正常人相比,COPD 患者IL-1β表達增加。其分泌與炎癥小體NLRP3關系最為密切,當細菌或病毒感染時,通過PAMP模式激活原IL-1β、NF-κB產生原IL-8,激活信號導致銜接蛋白即凋亡相關斑點樣蛋白和前Caspase-1 的募集,以產生Caspase-1,刺激肺泡巨噬細胞產生大量活性IL-1β[31-32],過量的IL-1β刺激T 淋巴細胞分泌IL-2和干擾素γ,同時作用于氣道上皮細胞和肺泡巨噬細胞上調IL-6、IL-8的表達,從而達到促炎作用,加重肺部損傷[33]。IL-1β、IL-32和干擾素γ會在體內形成正反饋循環,提高這3個因子在體內激活的水平,引起炎癥放大,進一步加重肺功能受損[34-35]。在外周血單核細胞中IL-1β是IL-6的有效誘導劑,引起進一步的炎癥反應[36]。IL-1β介導的全身炎癥反應,可以引起COPD 患者病情反復急性加重,因此IL-1β可以用于預測未來COPD 患者病情惡化風險[37]。

2·2 IL-6 IL-6是一種可來源于多種分泌細胞 (如:活化的單核-巨噬細胞、T 淋巴細胞以及內皮細胞等)的炎癥因子,具有多種生物功能。在COPD 發生、發展過程中,IL-6參與多種病理過程,其水平的增加與感染和炎性反應相關[38-40],并可以預測患者的預后及死亡率[41-42]。IL-6通過IL-6R 和gp130兩個分子發揮生物學活性。IL-6的信號轉導有2種不同途徑,分別成為 “經典途徑”和 “反式信號途徑”。在經典信號途徑中IL-6 與膜結合IL-6 受體(membrane IL-6 receptor,mIL-6R)結合后募集兩分子gp130蛋白形成一個六聚體結構,導致Janus激酶家族的轉錄因子信號轉導及轉錄激活因子1和信號轉導及轉錄激活因子3磷酸化,并激活絲裂原活化的蛋白激酶和磷酸肌醇3激酶發生級聯反應[43]。反式信號途徑的參與者是可溶性IL-6 受體 (soluble IL-6 receptor,sIL-6R), 它是由ADAM-17對mIL-6R 的酶促切割或通過選擇性剪接而產生[44],形成IL-6-sIL-6R-gp130 六聚體。sIL-6R 在肺部細胞中廣泛表達,且能夠觸發對IL-6 無反應的信號轉導,所以反式信號途徑與許多炎癥性疾病的發病機制有關[45]。研究顯示,中性粒細胞的活化聚集是COPD 炎癥過程的重要環節。IL-6增強炎癥部位內皮細胞中的血管細胞黏附分子1和細胞間黏附分子1表達,誘導趨化因子配體8和單核細胞趨化蛋白1的表達,刺激中性粒細胞遷移,導致氣道免疫功能紊亂、抵抗力減低,引起氣道高反應性[46-47];氣道的表面炎癥細胞聚集,破壞氣道組織和肺泡組織,肺泡及終末氣道失去張力,增加氣流阻塞作用[8,48];IL-6表達與前膠原Ⅰ型C末端肽呈正相關,通過促進膠原蛋白的聚集、影響細胞外基質的沉積參與COPD 患者的氣道重塑[49]。肺組織和毛細血管內皮細胞損傷作用,引起肺部水腫和血液高凝狀態,加重肺動脈高壓,加速COPD 的病程進展[50]。

2·3 TNF-α TNF-α是一種具有促進炎癥反應作用的細胞因子,可以由單核細胞、巨噬細胞、內皮細胞等分泌,同樣具有廣泛的生物學活性。能夠刺激炎癥細胞釋放活性氧自由基、脂類及蛋白水解酶,誘導炎性細胞趨化和局部浸潤,激活內皮細胞的表面黏附受體,促進組織纖維增生,引起組織細胞損傷,并通過釋放蛋白酶破壞肺結構[51]。NF-κB是TNF信號的關鍵組成部分,在巨噬細胞和上皮細胞中均檢測到NF-κB 的激活[52]。通過TNF-α/NF-κB 信號轉導通路增加杯狀細胞中MUC5AC 的分泌,導致黏液高分泌[53-54]。并通過激活NF-κB 促進炎癥因子IL-6 和IL-8的釋放并放大炎癥反應。TNF-α同樣激活p38MAP 激酶,并與NF-κB相互作用[55]。TNF-α作用于氣道的平滑肌細胞,刺激其釋放大量的血管活性多肽內皮素1,內皮素1可以發揮其強烈的縮血管作用和促進細胞增生的作用,引起氣道內的細胞增殖,進一步引起氣道重塑[56]。雷小婷等[57]研究顯示,高水平的TNF-α可導致體內炎癥加劇,當其釋放量增加,會導致溶酶體大量釋放,引起肺泡損傷,萎陷的肺泡失去其本身功能,引起呼吸衰竭。

3 炎癥因子抑制劑的臨床作用

炎癥細胞及炎癥因子在COPD 中起到十分重要的作用,因此若能控制炎癥因子的釋放,或者阻斷下游的級聯反應,也許能夠有效地控制疾病的發生以及進一步的發展。

以往的研究發現,Anakinra是一種重組IL-1Ra蛋白,可以阻斷IL-1β介導的炎癥反應,在囊性纖維化患者中能夠有效地抑制氣道炎癥和黏液阻塞作用[58];并能夠抑制巨噬細胞活化綜合征[59]。因此可能對于全身炎癥反應明顯的患者具有一定的效果。但其目前獲準作為一種抗風濕病藥物,正式的適應證為嚴重的類風濕性關節炎和自發炎性疾病。使用過程中發現部分病例會出現肝臟損傷現象,停藥后病情逐漸消退。

Infliximab是一種抗TNF 抗體,在哮喘患者中能夠改善氣道高反應性,并減輕中度哮喘患者的病情加重[60-61];但后續研究中并沒有得到很好的效果。也通過干擾細胞內信號通路NF-κB和MAP 激酶級聯反應,控制炎癥其他靶標[62]。為抑制COPD 患者體內炎癥反應的放大提供了新思路。抗TNF-α生物制劑通過此途徑降低感染性疾病的免疫應答反應,應用過程中未見細菌、病毒感染發生率增加,而結核桿菌感染的發生率有所上升[63]。因此需對任何可能發生結核病的患者加以預防。

Tocilizumab是抗IL-6抗體,實驗證明它通過抑制IL-6與mIL-6R 和sIL-6R 的結合來阻斷IL-6介導的信號轉導,能夠有效的降低類風濕關節炎癥狀改善活動評分[64]。Tocilizumab有效的降低細胞因子風暴所引起的全身炎癥反應,在新型冠狀病毒肺炎重癥患者的治療中得到較為滿意的反饋結果[65]。雖然現在仍未應用到慢性氣道炎癥性疾病中的治療中,但從抑制全身炎癥反應上來看,仍為慢性氣道疾病的治療提供了新的思路[66]。

4 小結與展望

綜上所述,近年來發現,COPD 與慢性炎癥的關系愈發密切,特異性的炎癥因子抑制劑在抑制氣道炎癥、減輕氣道敏感性、有效控制黏蛋白分泌上均得到了有效的印證,為臨床研究及治療提供了新的思路,但由于體內炎癥反應的復雜性和關聯性較強,進一步篩選出有效的特異的炎癥因子抑制劑,為臨床治療提供便利,仍有待進一步挖掘和探索。

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