白細胞介素與肝功能衰竭的關系及其相關機制的研究

劉晶雪 李樹臣

作者單位：150006 哈爾濱醫科大學附屬第二醫院感染科

肝臟是人體內極其重要的解毒器官,外界或經人體正常代謝所生成的有毒物質都會被肝臟解毒成為無毒甚至溶解度更大的物質,進而排出體外。但是,當肝臟所處理的有害物質超過機體所能承受的極限時,便會導致肝臟功能的受損,并且隨著肝功能的進一步惡化出現肝衰竭。目前證據表明,肝衰竭特征在于促炎和抗炎細胞因子的循環水平上調[1]。有研究[2]指出,在慢加急性(亞急性)肝衰竭患者的血清中會出現IL-6、IL- 8、IL-1β等多種致炎細胞因子水平的顯著上升,并且一些抗炎細胞因子如IL-10 水平也會有相應的升高,但是由于體內的抗干擾機制尚不足以完全抵消機體的炎癥刺激反應,從而導致了肝衰竭的進一步發展[3]。

一、肝衰竭介紹

急性肝功能衰竭 (ALF) 是一種罕見的復雜綜合征,其特征是黃疸和凝血合成功能喪失以及發展為肝性腦病進而造成多器官衰竭 (MOF),最終導致死亡。多種原因均可能導致ALF,其中對乙酰氨基酚 (APAP) 中毒和急性乙型肝炎感染是工業化國家最常見的原因[4]。相比之下,慢加急性肝衰竭(ACLF)是以慢性肝病出現急性肝功能失代償、單器官或多器官功能衰竭和高短期病死率為特征,導致 ACLF 的原因包括感染、胃腸道出血、病毒再激活,以及疊加的藥物、病毒或缺血性損傷等[5]。

二、白細胞介素簡介

白細胞介素(IL)是由多種細胞產生并作用于多種細胞的一類細胞因子。起初指由白細胞促進產生又在白細胞之間起調節作用的細胞因子,現用來指一類分子結構和生物學功能已基本清楚,具有重要調節作用而統一名稱的細胞因子。白細胞介素種類眾多,功能較為復雜,一般將其分為幾類:IL-1家族、IL-6家族和IL-20家族及其他類。白介素是細胞內最為重要的炎癥反應介質,而細胞產生白介素則是炎癥級聯反應的初始步驟之一。白介素釋放后會結合靶細胞中的特定受體,通過介導信息的傳遞與調控免疫細胞,介導T、B細胞活化及誘導局部炎癥和全身急性反應等多種功能發揮作用[6]。近年來, 大量研究發現IL-1、IL-6、IL-11、IL-33、IL-18、IL-22以及IL-10等通過自分泌或旁分泌方式影響細胞的增殖、分化、凋亡等過程,進而調節肝臟炎癥、纖維化、損傷和修復。相應地,白細胞介素在肝衰竭的發病進展中的作用亦非常重要,增加或減弱其信號轉導可能具有有害或治療作用。改變信號的性質或效力在病理生理反應中也應引起重視,并且可以給肝衰竭患者提供新的治療方法[7]。

三、白介素家族與肝衰竭的關系及相關機制

急性肝功能衰竭是一種多系統疾病,免疫功能障礙是其發病機制的核心。從臨床角度來看,全身炎癥反應綜合征是由肝臟免疫細胞分泌的促炎性白細胞介素(如 IL-1β、IL-6)驅動的,并且與 ALF 中肝外器官功能障礙的發展和不良后果密切相關。而慢加急性肝功能衰竭中的免疫功能障礙是多種因素造成的,其過程中的炎癥反應也不平衡。從病理生理學的角度來看,ACLF涉及免疫系統的細胞和可溶性成分中的若干缺陷/異常,這些缺陷最終導致獲得性免疫缺陷狀態,削弱宿主的抗菌反應,從而增加對感染的易感性[8]。

(一)白介素-6家族 IL-6 家族細胞因子由四螺旋細胞因子的七種變體組成:IL-6、IL-11、睫狀神經營養因子 (CNTF)、白血病抑制因子(LIF)、抑瘤素M(OSM)、心肌營養素-1(CT-1)和心肌細胞因子樣細胞因子(CLC)[9]。其中IL-6及IL-11在肝細胞壞死及其發展過程中發揮主要作用。

1. 白介素-6:IL-6一直是許多研究的焦點,這有助于發現整個IL-6細胞因子家族。IL-6是由成纖維細胞、單核細胞、巨噬細胞、T細胞和內皮細胞合成的含有184個氨基酸的四螺旋細胞因子,既是一種免疫性調節因子,也是一種介導全身炎癥的物質[10]。當 IL-6 水平升高時,會導致組織損傷。在肝病患者中,內毒素釋放可刺激單核細胞產生大量IL-6,導致肝細胞因感染而壞死。研究發現,慢加急性肝功能衰竭-敗血癥患者,即ACLF-SP組,IL-6水平(61.64±14.38 pg/mL)高于ACLF組(33.72±8.18 pg/mL,P<0.01)和對照組(22.36±6.21 pg/mL),同時ACLF組的IL-6水平亦高于對照組。該數據表明肝功能衰竭和敗血癥肝功能衰竭患者的IL-6水平顯著升高,并且合并感染可加重肝功能衰竭患者的病情[11]。綜上所述,在感染、自身免疫或癌癥的情況下,IL-6的表達受到穩態基礎調節和快速誘導的影響。IL-6的升高通常是疾病活動的更好預測指標,在早期診斷中具有良好的性能[12]。

IL-6和IL-6受體的復合物與第二種蛋白質gp130結合,從而二聚化并通過 JAK/STAT 通路啟動細胞內信號轉導,并促進STAT3的募集和磷酸化。磷酸化后,STATs易位到細胞核中并調節各種基因的表達。IL-6刺激后,通常在快速增殖的細胞中觀察到有絲分裂原活化蛋白激酶(MAPK)途徑的激活,同時IL-6信號傳導亦可直接激活促生存磷脂酰肌醇-3激酶(PI3K)/Akt(又稱蛋白激酶B,PKB)通路[13]。然而,上述IL-6和(或)其信號通路在疾病中經常失調。IL-6信號通路的持續激活對肝臟有害,最終可能導致肝臟衰竭甚至腫瘤的發生發展[10]。值得注意的是,IL-6還可以通過誘導STAT3的表達從而上調 Th17細胞,導致慢加急性肝功能衰竭[14]。因此,抑制該通路對肝功能衰竭的臨床治療具有重要意義。

2. 白介素-11:相較于IL-6,IL-11在肝功能衰竭中的具體作用研究較少,IL-11在疾病中的作用現在才受到關注。IL-11是一種多功能細胞因子,主要由成纖維細胞產生,進而發揮功能[9]。大多數關于肝臟中 IL-11已發表文獻表明,IL-11的功能獲得有益于肝臟健康。例如,重組人白細胞介素-11(rhIL-11)在缺血/再灌注損傷、對乙酰氨基酚(APAP)誘導的肝損傷(AILI)中顯示出抗炎及保肝作用。然而,Widjaja等人的研究發現APAP很大程度上上調了肝臟IL-11的表達(35倍,P<0.0001),并證實物種匹配的IL-11實際上具有肝毒性,并通過c-Jun N 末端激酶(JNK)誘導活性氧(ROS)依賴性肝細胞死亡,同時還抑制肝臟再生,進而導致肝臟衰竭[15]。因而關于IL-11在肝衰竭中的具體作用及機制還有待進一步研究。

IL-6細胞因子家族是一組具有多種功能和抗炎和(或)促炎特性的細胞因子。其觸發的細胞內反應多樣性由該家族中的各種受體負責,例如刺激免疫細胞增殖和激活。從上述可知阻斷或刺激這些細胞因子可能是有益的,也可能是有害的。總之,IL-6家族細胞因子代表了一組非常有趣的炎癥因子,它們可以在肝病學領域成為目標,以開發基于肝臟病理生理學的有希望的新治療策略[9]。

(二) 白介素-1超家族 IL-1超家族根據N端pro片段長度可被分為三個亞家族:IL-1子家族(IL-1α、IL-1β和IL-33、IL-1Ra)、IL-18子家族(IL-18和IL-37)和IL-36子家族(IL-36 α、β、γ 和 IL-38)[16]。IL-1超家族成員(細胞因子和受體)可導致廣泛的免疫和炎癥反應,例如IL-1α、IL-1β或IL-33觸發促炎反應,其他成員如 IL-1Ra、IL-36Ra 和 IL-38 通過充當受體拮抗劑發揮抗炎作用,而 IL-37和 IL-18在不同情況下可促進炎癥或抗炎,取決于時間和環境[17]。

IL-1β和IL-18通過IL-1R/IL-18R-MyD88途徑表達上調導致組織損傷,而肝細胞死亡后也會導致IL-1α前體的快速釋放。同時繼ALF之后,IL-1α、IL-1β和IL-18亦通過顯著降低肝臟κB抑制劑(IκB)水平和NF-κB通路激活而上調促炎癥過程,導致IL-6和TNFα分泌,從而促進細胞凋亡,最終導致肝損傷和動物死亡[18]。關于白細胞介素-1受體1型(IL-1RI)缺陷的新型小鼠模型研究表明,肝細胞中的IL-1R1通過免疫細胞募集和激活以及肝細胞死亡來放大急性炎癥性肝損傷。這些發現強調了IL-1信號作為急性肝病潛在治療靶點的重要性。如果時機合適,阻斷IL-1RI 信號可能是改善急性肝衰竭總體預后不良的一種方法[19]。

1. 白介素-33:IL-33是最近發現的IL-1家族成員,其功能類似于高遷移率組蛋白 B1 (HMGB1),已被證明可作為IL-1受體樣-1(也稱為ST2)[20]。IL-33 通過激活表達其 ST2 受體的各種靶細胞(包括肥大細胞和 2 型先天性淋巴細胞),在2型先天免疫反應和過敏性炎癥的啟動和放大中發揮核心作用[21]。為了進一步探索 ALF 所涉及的機制,Antune等人[22]使用APAP-IL(對乙酰氨基酚誘導性)肝衰竭小鼠模型顯示APAP 刺激后肝細胞產生大量 IL-33,表明肝臟壞死與大量IL-33和趨化因子的釋放有關。同時,在Toll 樣受體病毒模擬物poly(I:C)誘導的ALF小鼠模型中也顯示與對照小鼠相比,Poly(I:C)處理的小鼠中 IL-33 的 mRNA 表達顯著增加(2～3倍),IL-33表達上調與嚴重的肝損傷相關[23]。

2. 白介素-18:多效細胞因子白細胞介素-18(IL-18)是 IL-1家族的成員,是先天性和適應性淋巴細胞中 1 型反應的強大誘導劑,參與NKB和 Th1 細胞的激活[24]。有趣的是,IL-18 對肝臟NKB細胞發揮多效作用,引發凋亡相關因子配體(FasL)介導的細胞毒性和干擾素γ依賴性反應,增加了肝細胞上凋亡相關因子(Fas)的表達[25]。這些Fas/Fas配體相互作用會誘導肝細胞凋亡,門靜脈周圍大量纖維化,炎癥和嚴重的肝衰竭。研究表明,與 CHB (96.07±12.56 pg/mL,P<0.01)和對照組(89.42±16.79 pg/mL,P<0.01)相比,HBV-ACLF 患者血漿中的IL-18 水平(108.0±14.52 pg/mL)顯著升高。此外,較高濃度(10 ng/mL)的 IL-18 提高了 HBV-ACLF 患者的 NKB 細胞百分比,表明IL-18 可能對 HBV-ACLF 患者的 NKB 細胞發揮正反饋活性。然而,HBV-ACLF 患者的基線和治療后血漿IL-18 水平沒有統計學差異(P>0.05),這可能部分是由于 NKB 細胞不是這些細胞因子的唯一來源。總之,升高的 NKB 細胞比例和外周 IL-18水平對 HBV-ACLF 生存狀態有較好的預后價值,提示IL-18 可能是 NKB 細胞分泌的介導HBV-ACLF 炎癥的標志性細胞因子[26]。

通過上述我們可以發現,雖然IL-1細胞因子家族的一些成員(IL-1α、IL-1β、IL-33)在肝臟疾病中已被廣泛研究,導致強烈的論據支持這些分子作為潛在的治療靶點,但其他成員的作用(IL-36、IL-37、IL-38)仍有待闡明。此外,IL-1家族的一些成員可增強組織損傷和炎癥,而其他成員則通過促進組織再生和防止組織損傷和炎癥而具有更大的保護/抗炎作用。因此,這些細胞因子代表了肝病治療的關鍵靶點,并可能為旨在控制局部免疫反應和限制肝損傷的潛在創新治療方法開辟新的前景[18]。

(三)白介素-10家族 IL-10家族可以根據其功能進一步細分為三組:IL-10本身、IFN-λ亞家族和 IL-20亞家族[27]。其中在肝衰竭疾病發展過程中發揮主要作用的是IL-10本身和IL-20亞家族。

1.白介素-10:IL-10由Th2細胞產生,是一種抗炎細胞因子和免疫抑制因子。在調節炎癥反應和限制肝損傷的過程中,IL-10主要參與減輕炎癥性肝損傷、延緩肝再生、調節 NF-κB 活性以及降低單核細胞分泌的 TNF-α、IL-1、IL-6、IL-8和IL-12。它還減少了活性氧中間體、血小板活化因子和趨化因子的產生以預防肝纖維化[28]。通過針對ACLF 患者的研究發現,與代償期肝硬化患者相比,ACLF-SP組IL-10水平(49.43±8.15 pg/mL)顯著高于ACLF組(34.11±8.20 pg/mL,P<0.01)和對照組(14.59±5.13 pg/mL,P<0.01)。同時,ACLF組IL-10水平高于對照組。由于ACLF和ACLF-SP的炎癥更為嚴重,機體增加 IL-10水平以減輕炎癥反應性肝損傷[11]。一項對 27 名 ACLF 患者進行調查的德國研究發現,與穩定肝硬化患者相比,這些受試者的循環 IL-6 和 IL-10 水平更高。同時,在涉及51名急性肝功能衰竭患者和39名在重癥監護病房住院的肝硬化患者的研究中,IL-10已被證明與兩組的病死率相關[1]。綜上所述,通過增加的IL-10水平來衡量入院時全身炎癥反應的嚴重程度,已被證明可以預測 ACLF 患者的不良預后[28]。

2.白介素-20亞家族:IL-20亞家族是IL-10相關細胞因子家族的成員,包括IL-19、IL-20、IL-22、IL-24和IL-26。它們都具有在肝臟中執行白細胞和上皮細胞的共同功能,可幫助肝臟對損傷和疾病做出反應。它們參與組織穩態的控制,以及在該器官中產生的免疫反應[29]。迄今為止,研究最深入的家族肝臟穩態的成員是 IL-22 細胞因子。

IL-22是唯一由 Th17/22細胞、γδT 細胞、自然殺傷 (NK) T 細胞等免疫細胞分泌的細胞因子,主要靶向非造血細胞,如肝、肺、腎、胰腺和腸[30]。在肝臟中,肝細胞是IL-22的主要靶點,主要通過誘導促進有絲分裂蛋白和抗凋亡蛋白的表達,從而在免疫系統和外周組織之間的信號轉導中起關鍵作用[31]。臨床前研究表明,用 IL-1受體拮抗劑阿那白滯素治療可減少 ACLF 小鼠模型的肝臟炎癥和中性粒細胞浸潤,改善肝細胞再生和恢復。而IL-22 已被證明可以保護和修復酒精性肝炎小鼠的肝損傷、靶向信號轉導和轉錄激活劑-3。IL-22 的抗凋亡、增殖和抗菌作用可能對 ACLF 患者有益[28]。更為重要的是,IL-22受體的表達僅限于上皮細胞,這表明IL-22治療可能相比其他白細胞介素家族產生更少的副作用,因此IL-22有望成為治療人類肝病的新候選藥物[32]。

四、結語與展望

在肝功能衰竭的發展過程中,大量免疫細胞活化及各種白細胞介素家族如IL-1家族、IL-6家族和IL-20家族等參與并相互影響、共同作用,構成了免疫反應的中心環節。白細胞介素可以改變靶細胞的功能,介導不同的信號轉導途徑,從而引起肝衰竭的發生和發展。并且某些白介素的基線水平和動態變化與肝衰竭的嚴重程度及預后密切相關,但更多的發病機制還有待進一步探索。通過研究白介素在肝臟中的生物學特性,不僅有助于我們了解病情的嚴重程度,而且還可能發現用于治療的新型有效干預措施。因此未來仍需對白介素家族進行更深入的探討,為肝衰竭的治療和預防提供一種新的思路。

利益沖突聲明：所有作者均聲明不存在利益沖突。