白細胞介素-37的抗炎機制及其在新型冠狀病毒感染中的研究進展

楊逸露綜述，吳顯勁,2△審校

1.廣東醫科大學第一臨床醫學院，廣東湛江 524023；2.廣東省惠州市中心人民醫院檢驗中心，廣東惠州 516008

白細胞介素(IL)-37是IL-1家族的新成員，于2000年由基因數據庫的硅質研究首次發現。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N端信號肽(由第3外顯子編碼)外，大多數IL-37亞型不包含典型的信號肽，而IL-37b是結構最完整、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是一種具有強大抗炎作用的細胞因子。現階段已有許多研究表明，在炎癥的發生、發展過程中，IL-37對機體的固有免疫和適應性免疫均起到抑制作用。IL-37在哮喘、炎癥性腸病、系統性紅斑狼瘡、風濕性關節炎、高血壓及肥胖患者體內都有較高水平的表達[2-5]。新型冠狀病毒感染(COVID-19)是由嚴重急性呼吸系統綜合征冠狀病毒2(SARS-CoV-2)感染引起以呼吸系統癥狀為主的局部或全身的炎癥綜合征，給全球造成了嚴重的公共衛生安全問題，威脅著全人類的健康。經研究表明，COVID-19的嚴重程度與細胞因子風暴密切相關，激增的細胞因子和趨化因子可能是導致患者嚴重肺損傷的主要原因[6-7]。本文將現有的IL-37抗炎機制及其與COVID-19患者體內各細胞因子相關性研究作一綜述。

1 IL-37的抗炎作用機制

IL-37可通過細胞內和細胞外兩種途徑發揮其抗炎作用。在細胞外，1L-37通過與細胞表面的受體IL-18Rot結合，傳導信號發揮抗炎作用。在細胞內，IL-37前體經Caspase-1剪切為成熟IL-37,與Smad3相互結合并轉至細胞核，進入細胞核中抑制促炎基因的轉錄。

1.1細胞外途徑 細胞外的IL-37與細胞表面的IL-18受體α(IL-18Rα)和IL-1受體8(IL-1R8)形成復合物。起初推斷IL-37可作為IL-18Rα的受體拮抗劑，阻斷IL-18與IL-18Rα結合后向細胞內傳導的促炎信號，但隨后研究人員發現，IL-37與IL-18Rα結合的親和力僅為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)細胞產生干擾素(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能更有效地降低細胞因子的產生[8]。有實驗表明，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，這是由于小鼠體內誘導促炎激活狀態來保護機體免受重復感染的機制受到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需要結合IL-18Rα才能發揮它的抗炎作用[9]。IL-37并非IL-18Rα的受體拮抗劑，但IL-18α的沉默卻導致炎癥反應的增加，這表明存在一個抗炎配體和一個傳遞抑制性信號的共受體，并具有其功能。 由于IL-37與IL-18結合蛋白結合，而IL-18與IL-1R8一樣，具有單一的免疫球蛋白樣結構域，所以一旦IL-37與IL-18Rα結合，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，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)。與預期的那樣，IL-37tg小鼠LPS誘導的反應明顯低于其他組，各細胞因子水平也明顯降低，這些結果表明，IL-37在體內的抗炎活性依賴于IL-1R8[10]。

蛋白質組學和轉錄組學研究顯示，IL-37通過IL-1R8利用信號分子Mer、PTEN、信號轉導子與轉錄激活子3(STAT3)和p62(dok)的抗炎特性，抑制激酶Fyn、轉化生長因子β活化激酶1(TAK1)、轉錄因子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抑制的促炎介質包括AP-1家族的成員BATF。由于BATF有助于Th17細胞的極化，這種對BATF的抑制可能解釋了IL-37-IL-1R8對Th17細胞介導的炎癥反應的減弱作用[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，Fyn將整合素與GTPase Ras和Erk結合并激活FADK；Fyn還能促進脂肪組織相關炎癥，使巨噬細胞極化遠離抗炎的M2型，從而總體上作為胰島素信號傳導和炎癥過程的促進劑[13]。因此，IL-37可以將巨噬細胞的極化從促炎的M1型轉移到抗炎的M2型[14]。

1.2細胞內途徑 免疫和非免疫細胞在促炎刺激后產生 IL-37 前體。人類IL-37有一個Caspase-1裂解位點，并在LPS刺激下轉入細胞核。當使IL-37的Caspase-1位點突變成為 Caspase-1 切割位點突變體 IL-37 (IL-37D20A)后發現，與表達正常 IL-37 的細胞相比，用突變的 IL-37D20A 轉染的巨噬細胞表達較不成熟的 IL-37，且轉染IL-37D20A的巨噬細胞中 LPS誘導的 IL-6 水平顯著增加。這表明炎癥小體激活 Caspase-1 是 IL-37 在巨噬細胞中發揮其細胞因子抑制功能所必需的[15]。成熟的IL-37與Smad3形成復合物，并易位到細胞核內。Smad3 是一種由 TGF-β 和激活素Ⅰ型受體激酶激活的細胞內信號轉導和轉錄調節劑。Smad3通過易位到細胞核內實現調節基因表達作用。Smad3可以與c-Fos和c-Jun相互作用，從而調節不同的細胞因子和趨化因子表達，Smad3是TGF-β的重要胞內轉導物，可以調節淋巴組織和非淋巴組織中免疫細胞的增殖、活化和分化[16]，與成熟IL-37結合后，Smad3/IL-37復合物可以下調促炎癥細胞因子的轉錄，并抑制下游信號途徑。另外，IL-37-Smad3功能復合物還可以抑制轉錄因子活性蛋白-1(AP-1)、促絲裂原活化蛋白激酶(MAPK p38)和信號傳導蛋白和轉錄激活物 1-4(STAT 1-4)的磷酸化，進而影響基因轉錄，最終抑制Toll 樣受體(TLR)誘導的促炎細胞因子的表達[17]。

2 IL-37與各細胞因子的相關性

IL-37主要通過上述兩種途徑在多種疾病中調節細胞因子網絡平衡，從而達到抑制炎癥的效果。機體內存在多種細胞因子，形成一個穩定的細胞因子網絡，疾病導致細胞因子網絡平衡被打破，IL-37通過與多種免疫細胞相互影響，調控免疫細胞分泌的細胞因子，維持細胞因子網絡的平衡。

2.1IL-1 IL-1是一種具有多種生物學功能的細胞因子，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之一，通過與IL-1受體1(IL-1R1)結合導致炎癥和免疫激活[18]。IL-1R1與IL-1α和IL-1β的結合能夠招募共同受體 IL-1R3，形成一個三聚體信號復合物，這些過程會導致MyD88的募集和磷酸化的激活，從而激活促炎途徑，誘導其他細胞因子的產生，放大許多疾病的炎癥狀態，包括冠狀病毒引起的局部和全身炎癥[19]。IL-37也可以實現對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是感染引發的免疫反應中炎癥的主要介質之一。在許多COVID-19患者中發現IL-6水平升高，并且與COVID-19的嚴重程度密切相關[21]。有多項研究提示，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分別刺激轉染了RiIL-37的小鼠巨噬細胞和人肺泡上皮細胞系 A549 后，細胞因子IL-1α和 IL-6的水平大幅降低。通過研究IL-37在特應性皮炎(AD)抗炎機制的動物實驗，也發現IL-37b可以通過調節細胞內AMP激活蛋白激酶(AMPK)和哺乳動物mTOR信號通路來抑制IL-6的表達等[24]。

2.3IL-4 IL-4被稱為 “典型的免疫調節細胞因子”，在調節炎癥、抗體生成、造血以及效應性T細胞反應等方面具有重要作用。IL-4主要來源于Th2細胞，當遇到抗原后，CD4+T細胞分化為不同的功能亞群，其中Th2細胞遇到對應抗原時能大量擴增，表達轉錄因子3(GATA3)并產生IL-4。IL-4能通過減少線粒體腫脹，逆轉氧化損傷和增強Bcl-2表達，減少TNF-α的表達，增強大腦中膠質纖維酸性蛋白(GFAP)和IL-10的表達，從而起到免疫保護作用[25]。IL-37在體內減弱了Th1細胞的反應，增加了Th2細胞因子IL-4和IL-13的表達，進而促進了肝臟中巨噬細胞的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胞/單核細胞產生的一種炎癥細胞因子，負責細胞內各種信號事件，導致壞死或凋亡。在探討IL-37對TNF-α和IFN-γ影響的體外實驗中，IL-37可以直接抑制LPS誘導的巨噬細胞活化，進而抑制巨噬細胞產生的TNF-α上調[26]。

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

2.6IFN-γ IFN-γ能誘導活化M1型巨噬細胞，表達高水平促炎因子如IL-12、IL-23、IL-1β和一氧化氮(NO)等，從而促進炎癥過程[23]。IL-37可直接抑制IFN-γ/TLR4配體誘導的巨噬細胞M1型的活化，從而降低促炎細胞因子TNF-α、IL-1β和IL-12的表達。此外，IL-37在體內減弱了Th1細胞的反應，增加了Th2細胞因子表達，進而促進了肝臟中巨噬細胞M2型活化。M2型巨噬細胞激活的增加不僅進一步降低了TNF-α、IL-1β和IL-12的表達，而且還增加了巨噬細胞中IL-10和IL-1Ra的表達，從而更有效地抑制了肝臟IFN-γ的表達[24]。

3 IL-37與COVID-19

近期統計發現，COVID-19患者體內有大量的細胞因子產生，且重癥患者體內細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胞因子風暴產生，且與疾病的嚴重程度相關[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 可誘導產生一種強有力的促炎性和促凋亡蛋白TNF，進而促進炎癥的啟動和擴大[18]；另外發現IL-8、IL-10、TNF-α和IFN-γ，也參與了COVID-19患者體內細胞因子風暴的發生和發展[28]。病毒轉移到血管緊張素轉化酶2(ACE2)細胞中，機體通過模式識別受體(PRRs)識別受SARS-CoV-2影響的上皮細胞釋放的損傷相關分子模式(DAMPS)，或者通過特定的Toll樣受體，即TLR2和TLR4、維甲酸誘導基因Ⅰ(RIG-Ⅰ)或黑色素瘤分化相關基因(MDA)，直接識別病毒病原體相關分子模式(PAMPs)[29]。SARS-CoV-2進入靶細胞后會攻擊細胞膜，使細胞裂解死亡， 隨后死亡細胞被吞噬清除，在清除過程中可分泌IL-6、IL-8等細胞因子參與細胞因子風暴的發生[30]。

研究人類冠狀病毒對細胞因子影響的細胞和動物實驗表明，對SARS-CoV-2的Ⅰ型和Ⅲ型IFN反應失敗是導致晚期免疫反應過度和嚴重COVID-19的原因。 低水平的IFN應答可促進受感染的肺泡上皮細胞釋放單核細胞趨化蛋白1(MCP-1)及趨化因子CCL2、CCL7，誘導血液中的單核細胞趨化到肺部，激活其Janus激酶(JAK)/STAT信號通路，使單核細胞分化成巨噬細胞[31]，以巨噬細胞為主導的先天免疫應答啟動，巨噬細胞的PRRs識別病毒并呈遞病毒抗原給T淋巴細胞， 進而誘導T淋巴細胞分化成為效應T細胞(Th1、Th2、Th17細胞)。Th1細胞分泌IL-6、粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子(GM-CSF)和TNF-α，進一步活化單核細胞，繼而使IL-6水平進一步升高[32]；Th2 細胞分泌大量的IL-4、IL-5等，參與體液免疫應答[33];Th17細胞分泌的IL-17和IL-1β在炎癥反應中發揮重要作用，IL-17促進GM-CSF的分泌增多，趨化中性粒細胞在肺內發揮損傷作用；IL-1β同時發揮促炎功能以擴大肺組織中的炎癥[34]。在COVID-19患者體內這些不同的細胞因子水平升高引起細胞因子網絡平衡失調，最終造成細胞因子風暴，引起局部或全身的炎癥反應。

在目前的研究中，研究人員發現IL-37很可能在SARS-CoV-2感染期間發揮保護作用。治療前早期升高的血漿IL-37與疾病的轉歸、低炎癥細胞因子、高IFN-α、大量免疫細胞和低氧血癥減少相關[22]。IL-37可有效拮抗SARS-CoV-2感染后hACE2轉基因小鼠的炎癥反應，早期給予IL-37可減少炎癥細胞浸潤，減輕肺組織損傷，從而促進疾病緩解。另外通過數據分析發現，使用IL-37、IL-8、CRP組合來區分輕、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項指標單獨使用[13，22]。M1和M2型巨噬細胞極化的失衡可影響炎癥反應的強度。RhIL-37在體外下調M1型巨噬細胞中誘導型一氧化氮合酶、CD11c、IL-6和MCP-1的表達，并通過抑制Notch1和NF-κB通路的激活來抑制其極化。此外，它還上調了M2型巨噬細胞中CD206和IL-10的表達。因此，IL-37可以將巨噬細胞的極化從促炎的M1型轉移到抗炎的M2型[35]。在H1N1感染的BALB/c小鼠實驗中發現，IL-37治療可提高小鼠的存活率和體質量，并降低支氣管肺泡灌洗液和肺組織中的肺動脈指數、促炎細胞因子，減輕肺損傷[36]。

4 總結與展望

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合物在細胞外調整傳導信號，并與Smad3形成復合物進入細胞內調節基因表達，抑制多種促炎因子的釋放和促進多種抑炎因子的釋放，就像是炎癥的調節器，保護機體免受炎癥過度反應及其導致的組織損傷。從上文可知，IL-37通過調節巨噬細胞活性抑制促炎因子釋放，維穩機體內細胞因子網絡的平衡，在SARS-CoV-2感染早期發揮了保護的作用。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水平的患者體內促炎因子水平顯著降低，CRP等炎癥指標水平也低于低IL-37水平的患者，因此IL-37水平對于COVID-19患者尤為重要，或可成為判斷預后的標準之一。人ACE2轉基因小鼠實驗進一步驗證了IL-37的抗炎能力，組織病理學檢查顯示肺部組織損傷明顯減少。由此說明IL-37在SARS-CoV-2感染導致的細胞因子風暴中起到了至關重要的作用。但目前IL-37抗炎機制復雜，對COVID-19患者體內細胞因子風暴的作用機制不明，因此IL-37與COVID-19患者炎癥研究具有重要的理論和實踐意義，可能為COVID-19患者的治療提供新思路。