IL-37通過調控巨噬細胞極化抑制炎性疾病研究進展*

李 軍 綜述,顏 杉,許 杰,李 勇 審校

(重慶醫科大學附屬口腔醫院/口腔疾病與生物醫學重慶市重點實驗室/重慶市高校市級口腔生物醫學工程重點實驗室,重慶 400015)

炎癥是人體的自我防御反應,也是一把雙刃劍。適度的炎癥反應將幫助機體清除有害物質,激活免疫及非免疫細胞保護宿主免受侵害;但過度或持續的炎癥反應將加重病變過程,造成自身器官和組織的損傷。作為炎癥和免疫應答的天然抑制劑——白細胞介素-37(IL-37)在幾乎全身組織均有表達,當外來刺激誘發機體的過度炎癥時IL-37表達上調,避免炎癥繼續發展,這在多種組織中均得到證實,如病毒性心肌炎、牙周炎、過敏性炎癥等[1-3]。巨噬細胞在先天免疫系統中扮演著重要角色,參與了機體各種病理及生理過程,尤其是在炎癥和感染中較為活躍。炎癥過程中巨噬細胞發揮2種相反的作用,M1型釋放促炎性細胞因子、驅動炎癥細胞向炎癥部位聚集加重炎癥;M2型通過釋放抑炎性細胞因子、吞噬受損細胞等減輕炎癥[4]。鑒于IL-37及巨噬細胞在炎癥中的不俗表現,越來越多的研究不禁將其聯系在一起,即多種炎癥進程中除直接參與組織細胞的調控外,IL-37仍將通過調控巨噬細胞的生物學功能進一步發揮其抗炎作用,更加證實了IL-37在炎癥疾病中的治療價值。

1 IL-37的成熟、釋放和抗炎機制

1.1IL-37的成熟及釋放 IL-37在多種人體組織和細胞中的表達已被證實,如軟骨細胞、人單核細胞白血病細胞(THP-1)細胞系、皮膚等[5-7]。然而目前為止在小鼠中并未發現IL-37的同源基因,所以,對IL-37的體內實驗多是構建IL-37的轉基因小鼠[8-9]。細胞產生的IL-37仍具有前體和成熟2種形式,與其他IL-1家族分子成員,如IL-1α和IL-33類似,IL-37的前體形式也是具有活性的[10]。用半胱天冬酶1～10(Caspase 1～10)和顆粒酶B在體外研究IL-37的加工過程中發現,Caspase-1的切割效率最高,而Caspase-4雖然也參與了IL-37的加工,但效率低得多,而其他半胱天冬酶則沒有觀察到對IL-37前體的加工作用[8]。另外在穩定轉染IL-37的RAW264.7細胞中Caspase-1抑制劑和Caspase蛋白酶家族抑制劑均不能完全抑制IL-37成熟形式的產生,支持IL-37仍存在其他切割位點的假說[9]。有研究系統分析了IL-37在單核細胞中的釋放機制,證實 NOD樣受體熱蛋白結構域相關蛋白3(NLRP3)、GSDMD、細胞膜通透性均參與了IL-37的釋放過程;當然,當細胞發生溶解性死亡時IL-37也會隨之釋放[11-12]。

1.2細胞內外IL-37的作用機制 IL-37是一種雙功能細胞因子,細胞內產生的IL-37既分泌至細胞外空間與其細胞表面相應的受體結合,也可進入細胞核影響其他蛋白的轉錄,從而發揮強大的抗炎作用。細胞外的IL-37發揮抗炎作用需與IL-18Rα結合,但IL-37與IL-18Rα形成復合物后并不會招募IL-18Rβ并形成功能性的IL-18受體復合物;相反IL-37與IL-18Rα結合后會招募IL-1受體8(IL-1R8)[3]。體外研究表明,IL-37降低了IL-1β刺激導致細胞炎癥因子[IL-6、IL-8、基質金屬蛋白酶13(MMP13)等]的表達上調,但用干擾RNA沉默細胞內的IL-1R8的表達后IL-37的抑制作用消失[5,13]。值得注意的是,細胞外空間中的IL-18BP也可與IL-37結合[10]。細胞外游離的IL-18BP與IL-18結合后將阻止IL-18與其受體結合產生作用,由此可想象當IL-18BP水平升高時IL-37的免疫抑制作用將會減弱甚至消失。IL-37發揮其細胞內作用需與 Smad蛋白 3(Smad3)結合形成復合物,然后進入細胞核在轉錄過程中發揮調控作用。IL-37與Smad3的結合在大量文獻中得到驗證,從最開始有學者在基于生物學的蛋白質相互作用網絡中注意到IL-37可與Smad3相互作用,到后來有學者通過免疫共沉淀、免疫熒光共定位進一步證實IL-37與Smad3的結合,并且IL-37/Smad3復合物在IL-1β的刺激下在核周間隙高表達[14-15]。使用Smad3抑制劑——SIS3預處理細胞時IL-37對IL-6、IL-8、IL-1β等炎癥因子的抑制消失[14,16]。表明細胞內的IL-37通過與Smad3結合而發揮作用。然而到目前為止,尚沒有文獻證實在IL-37發揮的抗炎作用中細胞內或細胞外途徑所占的比重有多少。

2 巨噬細胞極化

根據來源的區別,巨噬細胞主要包括卵黃囊衍生巨噬細胞和骨髓衍生巨噬細胞,其廣泛存在于體內,以維持體內穩態和抵抗病原體入侵。盡管來源不同,巨噬細胞仍具有顯著的可塑性,表現在對組織中遭遇的微環境刺激和信號變化做出功能性反應,然后極化為不同的巨噬細胞表型,以適應變化的組織微環境,如經典的巨噬細胞M1型和M2型[4]。隨著研究的深入,其也被細分為更多的亞類,如有學者將M2型巨噬細胞細分為M2a/M2b/M2c/M2d[17]。當組織受損時炎癥性單核細胞響應刺激從循環中遷移至組織,然后分化為巨噬細胞。細胞因子,如γ干擾素、粒細胞巨噬細胞集落刺激因子、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、脂多糖(LPS)等常作為M1型表型的激活劑,而TH2細胞分泌IL-4和IL-13,常驅動巨噬細胞向M2表型極化[18]。巨噬細胞極化過程是復雜而連續的,常說的巨噬細胞極化通常指某個時間點巨噬細胞的狀態。如傷口的早期階段巨噬細胞常表現為促炎的M1型,而在愈合階段轉變為抗炎的M2型[7]。

由于M1、M2型的生物學差異,使其在炎癥過程中表現出不同的作用。炎癥狀態下的γ干擾素、TNF-α、LPS等細胞因子會誘導M1型極化,而M1型極化后將分泌高水平的IL-1β、IL-6、基質金屬蛋白酶等促炎性細胞因子,導致炎癥的繼續進展;炎癥的消退往往伴隨M2型的參與,通過分泌抗炎性細胞因子——轉化生長因子-β、IL-10,以及IL-1受體拮抗劑、吞噬死亡細胞、促進中性粒細胞凋亡等功能將驅動有利的調節機制以抑制炎癥反應[4,19-20]。因此,通過控制巨噬細胞實現對炎癥的調控可集中在兩個方面,即抑制M1型極化,控制炎癥進展;M2型活化和炎癥消退。

3 IL-37通過巨噬細胞參與各種炎癥進程

3.1關節疾病 痛風其實是對關節和關節周圍組織中單鈉尿酸鹽(MSU)晶體的引發的炎癥反應,其重要的病理機制之一是巨噬細胞吞噬MSU后激活,導致細胞因子釋放,最終導致中性粒細胞和淋巴細胞趨化至痛風關節點[21]。在一項小鼠踝關節通風模型中(MSU誘發)觀察了0～240 h小鼠踝關節內巨噬細胞的動態變化,2～12 h M1、M2型數量相當,18～24 h M1型計數大于M2型,而從48 h開始M2型數量超過M1型并一直維持至240 h。值得注意的是,M1、M2型的動態變化與踝關節炎癥的進展相同,即24 h達到峰值,然后開始下降。緊接著的體外實驗也表明了IL-37與M1/M2型比值的反比變化關系,即IL-37升高時M2型數量大于M1型,反之M2型數量小于M1型[22]。這是IL-37誘導巨噬細胞M2型極化,減輕炎癥水平的有力佐證。遺憾的是,其對IL-37調控巨噬細胞極化的細胞機制并未進行詳細的解釋。急、慢性痛風患者關節的免疫組織化學染色結果顯示,慢性痛風患者關節IL-37水平明顯高于急性痛風;同時,IL-37減輕THP-1細胞內炎癥因子——IL-1β的表達水平,并在體內減少MSU晶體誘導的腹膜炎小鼠的炎癥細胞募集,進一步驗證了IL-37通過調節M1、M2型的極化參與了痛風的良性轉歸。為探討IL-37抑制巨噬細胞炎癥因子釋放的機制,有研究使用聚合酶鏈反應列陣對關節總RNA進行了分析,結果顯示,IL-37處理可增強Smad3、IL-1R8、細胞信號轉導抑制因子3、酪氨酸激酶等基因表達,而抑制抑制性卡巴b蛋白、NLRP3等基因表達,這是IL-37調控巨噬細胞的潛在通路[23]。另外ZHAO等[6]指出,通過糖原合成酶激酶-3β的介導,IL-37可保護巨噬細胞線粒體功能、介導細胞內代謝重編程,使巨噬細胞向非炎性表型極化,從而增強巨噬細胞對MSU的非炎性吞噬作用調節痛風過程。在炎癥膝關節組織中IL-37表達低于正常關節,同時,炎癥組織內M2型也明顯少于M1型,提示IL-37、巨噬細胞與膝關節炎癥明顯相關。一項體外實驗進一步證實了IL-37對M2型的極化作用,同時,IL-37也降低了LPS、高遷移率族蛋白B1 等誘導的TNF-α、MMPs等炎癥因子的表達,提示IL-37將通過M2型極化減輕骨關節病的炎癥,但其機制仍有待于進一步探討[24]。而另一項關節炎(顳下頜關節)的研究詳細闡述了IL-37抑制M1型極化,治療骨關節炎的細胞機制為IL-37通過IL-1R8抑制NLRP3通路,抑制THP-1向M1型極化,并促進M2型極化,從而降低IL-6、MMPs等炎癥因子的表達,控制顳下頜關節骨關節炎的炎癥進展;使用小干擾RNA沉默IL-1R8,將使IL-37的有效抗炎作用消失[25]。

3.2心血管疾病 IL-37通過調控巨噬細胞極化參與心血管疾病的研究目前主要集中在動脈粥樣硬化方面。眾所周知,動脈粥樣硬化的特征是在動脈壁內發生細胞、細胞外基質及膽固醇的集聚。同時,巨噬細胞參與后引發的炎癥反應及泡沫細胞的形成也是動脈粥樣硬化發生、發展的主要原因[26]。氧化型低密度脂蛋白常用于構建小鼠動脈粥樣硬化模型,在表達IL-37的轉基因小鼠中或予以IL-37治療后動脈內斑塊的數量及面積較對照組減少;而進一步對粥樣硬化斑塊分析發現,斑塊內M1型較多,而IL-37的存在或治療使斑塊內的巨噬細胞更趨向于M2型的表型[27-30]。這是IL-37調整M2型極化抑制動脈粥樣硬化的有效證據。Yes相關蛋白(YAP)在心肌梗死期間調控巨噬細胞分化和巨噬細胞介導修復中的作用已被報道[31]。在巨噬細胞中IL-37治療消除了LPS刺激誘導的YAP磷酸化,同時,抵抗了YAP-NLRP3復合物的形成;另一方面IL-37誘導的M2型標記物——型極化。進一步研究證實,IL-37對NF-κB的抑制作用是通過Notch蛋白 1實現的[29]。動脈粥樣斑塊免疫組織化學染色觀察到IL-37在巨噬細胞及泡沫細胞中沉積[32]。提示IL-37抑制斑塊形成的另一個方向——抑制泡沫細胞的形成。事實上IL-37降低了泡沫細胞的形成,是通過抑制單核/巨噬細胞對脂肪的攝取及脂蛋白相關磷脂酶A2完成的,需指出的是,IL-37對脂肪的流出并沒有影響[33-34]。此外IL-37在減少單核/巨噬細胞向動脈粥樣斑塊中的聚集方面也發揮著有效作用[27,30,35]。

3.3結腸炎 在鼠結腸炎模型中IL-37d通過降低腹膜巨噬細胞IL-β的表達有效抑制葡聚糖硫酸鈉誘導的結腸炎和明礬誘導的腹膜炎;而這是通過IL-1R8抑制腹膜巨噬細胞內NLRP3的過度激活實現的,因IL-37d的抑制作用被IL-1R8的降低所逆轉[36]。值得注意的是,IL-37通過IL-1R8/NLRP3通路誘導巨噬細胞向M2型極化,雖然未明確說明,但IL-37d降低腹膜巨噬細胞IL-β的表達可能是通過將巨噬細胞極化為M2型實現的。另一項有趣的研究來自1例嬰兒型炎癥性腸病患兒,其結腸病理檢查提示廣泛淋巴漿細胞浸潤和隱窩炎;基因組測序結果并未在已知的嬰兒型炎癥性腸病致病基因中發現罕見的變異,但卻意外發現了IL-37突變體的發生。該突變體極不穩定且不易在Caspase-1切割后進入細胞核,也不能抑制LPS誘導的炎癥因子升高,說明該突變體實際上已經喪失了IL-37的細胞內外功能[37]。這從另一個角度強調了IL-37抑制巨噬細胞聚集、促進M2型極化在結腸炎中的重要性。

3.4其他炎性疾病 妊娠過程中胎盤局部免疫微環境中的單核/巨噬細胞對正常妊娠非常重要。對胎盤來源的單核/巨噬細胞,IL-37的治療通過抑制NF-κB通路減輕LPS誘導的TNF-α、IL-6的釋放[38]。提示IL-37有望用于治療妊娠相關疾病,而這需要進行更多的探索。同時,值得注意的是,通過抑制NF-κB,IL-37可抑制巨噬細胞的M1型極化,可能是其潛在的機制。吸煙(CS)是慢性阻塞性肺病的主要原因,其嚴重程度與肺部炎癥密切相關。當小鼠連續暴露于香煙下時肺部炎癥也出現了。在遭受CS暴露的前1 d用表達IL-37的慢病毒和慢病毒對照顆粒從鼻內吸入以治療小鼠,與空載慢病毒對照組比較,給予表達IL-37的慢病毒顯著抑制了CS誘導的小鼠肺部巨噬細胞等炎性細胞的增加,減輕肺部炎癥[39]。

4 小結與展望

巨噬細胞是免疫系統的重要效應細胞,參與了一系列生物過程,包括免疫、炎癥反應和穩態。其具有顯著的可塑性以便適應組織中各種微環境變化。根據刺激,巨噬細胞分化為不同的表型,即M1、M2型。M1型通常被toll樣受體激活,在免疫應答中大多表現為抗促炎作用。IL-4、IL-13通常會促進巨噬細胞向M2型極化,M2型的抗炎機制是通過釋放抗炎性細胞因子、吞噬受損細胞等途徑實現炎癥的消退。巨噬細胞的極化是一個動態變化的過程,其極化機制在細胞水平涉及大量信號分子的參與,如YAP、NLRP3、PI3K-AKT、HIF、c-Myc、AMPK和PPARs途徑等[27,36,40]。這些分子及通路不僅在在巨噬細胞極化中起關鍵作用而且參與代謝調節,例如乳酸和MCT1依賴性的M2型極化[41]。IL-37作為抗炎因子的新成員,在多種細胞和組織中均存在表達。在這些細胞或組織中,IL-37的免疫調節特性可能特別重要,因為它們維持著宿主與外來刺激之間的平衡,從而防止過度的免疫激活。隨著對IL-37研究的進一步深入,IL-37通過影響巨噬細胞向極化,以引導炎癥消退的作用在越來越多的炎性疾病中被證實。在本文所總結的炎性疾病中,IL-37參與的巨噬細胞極化主要集中在對細胞信號分子的調控,如IL-1R8、NLRP3、YAP、Notch蛋白 1等,這顯得十分有限。同時,僅見一篇關于IL-37通過調節THP-1細胞的代謝重編程,促進巨噬細胞的非炎性吞噬活性的文獻報道[37]。值得注意的是,近年來,IL-37參與代謝的調節被越來越多的文獻報道。在不久后,不僅是IL-37對巨噬細胞的直接調控,IL-37通過調節巨噬細胞的代謝影響其極化的文獻報道將越來越多。充分說明IL-37通過誘導巨噬細胞M2型極化、抑制巨噬細胞M1型極化發揮強大抗炎效果的作用和潛力將值得并且需要在全身各系統炎性疾病中進行更多、更深入的研究。在未來,IL-37將有望成為炎性疾病治療的靶標。