干擾素誘導蛋白10在呼吸道病原微生物感染診斷和疾病監測中的研究進展

宋瑞雪 姚明旭 潘麗萍

干擾素誘導蛋白10(interferon inducible protein 10,IP-10)又稱CXCL10,相對分子質量約為10 kDa,由77個氨基酸殘基組成[1]。IP-10主要來源于活化的單核細胞、成纖維細胞、內皮細胞、角化細胞等。Luster和Ravetch[2]于1985年首次用γ-干擾素(IFN-γ)刺激U937細胞系,通過雜交方法從cDNA文庫中篩選出IP-10,屬于Cys-X-Cys(CXC)趨化因子家族。IP-10與IFN-γ均受蛋白酪氨酸激酶1/信號轉導因子1(Janus kinase 1/signal transducer and activator of transcription 1,JAK/STAT1)信號通路的調控,表現為特異性多肽激活該信號通路后啟動對應的IFN-γ及IP-10的mRNA轉錄,同時釋放游離IFN-γ與細胞受體結合并活化STAT1的Ser727位點,進一步放大JAK/STAT1信號,正反饋刺激下游IP-10釋放[3]。

IP-10具有多種生物學功能,其中包括趨化T細胞、單核細胞、NK細胞在內的CXCR3+細胞到炎癥部位發揮抗炎或促炎作用,誘導細胞凋亡,調節細胞增殖,發揮抗病毒作用等[4]。但是IP-10與大多數CXC趨化因子不同,它不能直接趨化中性粒細胞[5]。Campbell等[6]研究表明,IP-10與輔助性T細胞1(T helper cell 1,Th1)類炎癥反應密切相關,在以Th1類炎癥反應為主的疾病中,Th1細胞可以高表達CXCR3,并被配體IP-10激活,刺激機體產生免疫應答。近年來,一些研究表明,IP-10與包括結核病、新型冠狀病毒感染(coronavirus disease 2019,COVID-19)、高致病性禽流感病毒性肺炎(highly pathogenic avian influenza viral pneumonia,HPAIVP)和社區獲得性肺炎(community-acquired pneumonia,CAP)等在內的多種呼吸道感染性疾病相關,可能可以作為呼吸道病原微生物感染的診斷和病程監測標識。

IP-10與呼吸道感染性疾病的關系

一、結核病及結核感染

結核病是由結核分枝桿菌(Mycobacteriumtuberculosis,MTB)感染引起的慢性傳染性疾病[7]。目前,許多研究發現,IP-10在結核病患者或MTB感染者中的表達明顯升高。Ruhwald等[8]首次描繪了結核抗原刺激后IP-10的表達情況,通過液相芯片技術檢測刺激后的血漿發現,結核抗原特異的IP-10和白細胞介素(interleukin,IL)-2在活動性結核病患者中的表達量明顯高于未感染的對照組,提示IP-10和IL-2具有作為結核病診斷生物標志物的潛力。另一項研究同樣通過液相芯片技術對疑似結核病患者的血漿細胞因子/趨化因子水平進行檢測,也發現IP-10在活動性結核病患者中表達明顯高于健康對照組[9]。

也有一些研究分析了IP-10用于MTB感染診斷的價值。Mamishi等[10]通過酶聯免疫吸附法(enzyme linked immunosorbent assay,ELISA)檢測結核感染組中經結核特異抗原PE35和PPE68刺激后的血漿,發現IP-10蛋白濃度明顯高于健康對照組,其區分結核感染組和健康組的敏感度分別為74.5%和76.5%。在另一項研究中,通過液相芯片技術,結核特異抗原刺激全血后的IP-10蛋白釋放量用于診斷MTB感染的敏感度為83%,當與QuantiFERON-TB Gold In-Tube(QFT,以IFN-γ為檢測靶標)聯合檢測時,其敏感度提高至90%[11]。近年來,針對IP-10診斷性能的薈萃分析提示,IP-10 蛋白診斷MTB感染的敏感度約為85%(95%CI:80%～88%),特異度約為89%(95%CI:84%～92%)[12]。有研究表明,結核特異抗原刺激的2.5～8 h內,IP-10 mRNA的表達可以上調約100倍[13]。Pan等[14]對結核病患者外周血中IP-10 mRNA的檢測發現,結核抗原特異的IP-10 mRNA診斷MTB感染的敏感度和特異度分別為93.9%和98%,以IFN-γ為靶標的結核感染T細胞斑點試驗(T-SPOT.TB)診斷結核感染的敏感度和特異度分別為94.5%和100%;關于IP-10 mRNA和QFT用于外周血樣本診斷免疫正常人群中MTB感染的對比分析發現,IP-10 mRNA檢測和QFT檢測的診斷敏感度(96.3%和97.2%)和特異度(64.1%和64.1%)差異均無統計學意義[15]。綜上,結核抗原特異的IP-10在MTB感染者中均有較高的敏感度,表明結核抗原特異的IP-10是診斷MTB感染的新型標志物。

IP-10對兒童MTB感染也有一定診斷價值,Lighter等[16]在結核病低發病率地區應用液相芯片技術檢測QFT上清液中的IP-10蛋白,發現結核抗原特異的IP-10蛋白檢測和 QFT檢測的一致性高達82%,且隨著MTB暴露風險的增加,IP-10蛋白檢測的檢出率也增加,表明IP-10可能成為檢測兒童MTB感染的潛在標志物。另一項關于活動性結核病和密切接觸兒童的研究顯示,通過ELISA在QFT檢測的上清液中分別檢測IFN-γ和IP-10,發現其陽性檢出率分別為38.3%和33.9%,二者聯用可將陽性檢出率提高至41.3%,因此,結核抗原特異的IFN-γ檢測與IP-10檢測聯合使用可能有助于診斷兒童結核病[17]。

在免疫功能異常人群中進行MTB感染診斷一直是困擾臨床的重要難題。目前,關于IP-10用于免疫功能異常人群中MTB感染的診斷也有一些研究。在結核病高負擔國家,Kabeer等[18]在合并人類免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus,HIV)感染的疑似結核病患者中發現,通過ELISA檢測,IP-10蛋白和QFT的陽性率分別為44.4%和33.3%,表明IP-10蛋白檢測相較于QFT能夠獲得更高的檢出率。在另一項研究中,應用ELISA檢測全血基于MTB RD-1區的特異性抗原,以及QFT檢測中應用的特異性抗原的刺激下,IP-10蛋白檢測獲得的診斷敏感度分別為75.0%和85.7%,而IFN-γ蛋白檢測獲得的敏感度分別為42.9%和60.7%[19],表明IP-10比IFN-γ具有更高的診斷敏感度。另外,有研究通過對比分析IP-10 mRNA檢測和γ-干擾素釋放試驗(interferon-gamma release assays,IGRA)在合并HIV的疑似結核病患者中的診斷價值,結果發現,IP-10 mRNA檢測的有效檢出率明顯高于IGRA檢測,且IP-10 mRNA檢測的敏感度更好[14,20]。這些數據表明,在合并HIV感染的人群中,IP-10 mRNA檢測的敏感度明顯高于其他IGRA檢測,提示IP-10 mRNA在免疫缺陷人群中的應用更有價值。

綜上,結核抗原特異的IP-10檢測對MTB感染和輔助診斷結核病有較好的臨床診斷價值,尤其是將IP-10檢測和IGRA檢測聯合用于MTB感染檢測時,可進一步提高檢出率。

二、COVID-19

COVID-19是由嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒2型(SARS-CoV-2)引起的重大呼吸道傳染病。一項研究顯示,40%的COVID-19患者有靜脈血栓栓塞的風險,46%的患者會受到播散性血管內凝血的影響,且其病亡率很高[21]。

現有研究發現,IP-10可以用于提示炎癥反應程度及疾病進展。Chen等[22]通過ELISA檢測重癥患者和危重癥患者血清中IP-10、單核細胞趨化蛋白-1(monocyte chemoattractant protein-1,MCP-1)和巨噬細胞炎癥蛋白-1α(macrophage inflammatory protein-1α,MIP-1α)水平,發現危重癥患者血清IP-10 和MCP-1水平明顯高于重癥患者(P<0.001),其中IP-10預測危重癥的敏感度和特異度分別為69.1%和89.5%,證明了IP-10是與COVID-19疾病嚴重程度相關的生物標志物。另有研究發現,D-二聚體水平與IP-10相關,D-二聚體升高組的IP-10和MCP-1高于降低組,而D-二聚體水平增加可能是COVID-19患者死亡的危險因素,進一步推測了IP-10可能與COVID-19患者進展至死亡的風險有關[22-23]。Yang等[24]通過液相芯片技術比較COVID-19危重型、重型和普通型患者血漿細胞因子表達譜的差異,發現在危重型、重型和普通型患者的比較中,IP-10、白細胞介素-1受體拮抗劑(interleukin-1 receptor antagonist,IL-1ra)和單核細胞趨化蛋白-3(monocyte chemoattractant protein-3,MCP-3)的受試者工作特征曲線下面積(area under curve,AUC)分別為0.97、0.866和0.803;將3種細胞因子進一步組合,發現IP-10和MCP-3組合的AUC可達0.99,表明IP-10和MCP-3可以更好地預測COVID-19疾病進展,同時IP-10不管單一檢測還是聯合檢測都比其他免疫學指標更能敏感地反映COVID-19感染的病情變化。

以上研究表明,IP-10可能是反映COVID-19感染進展的良好指標,尤其是IP-10與MCP-1和MCP-3等免疫學指標聯合檢測時能更好地反映感染病情變化。針對IP-10的深入研究可能有助于更好地理解SARS-CoV-2感染的免疫病理機制,并為及時的治療提供潛在的靶點和策略。

三、高致病性禽流感

禽流感病毒是A型流感病毒的一種,可感染鳥類和家養禽類,盡管流感病毒存在種屬屏障,禽流感病毒感染人的事件也經常出現,尤其是高致病性禽流感病毒,如H5N1、H7N9、H1N1等,在感染人體后會引起嚴重疾病,病亡率較高[25]。

Chi等[26]采用多重微珠免疫分析方法研究了感染H7N9的患者疾病發作后6～8 d血清標本的細胞因子譜,統計分析顯示,與健康對照組相比,感染H7N9患者的IP-10、IL-6和IL-17水平明顯升高。此外,H7N9重癥患者與非重癥H7N9患者相比,重癥患者IP-10和IL-6水平明顯升高,表明H7N9重癥患者IP-10和IL-6水平升高可能反映疾病的嚴重程度。Huang等[27]通過液相芯片技術檢測了H7N9感染急性期的血清細胞因子譜,結果顯示,與健康人相比,H7N9感染患者的IP-10、IL-6、IL-10、IFN-γ和血清腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)明顯升高,同時也發現細胞因子介導的過度活躍的炎癥反應可能會導致破壞性組織炎癥,并導致H7N9感染的嚴重程度增加。因此,IP-10 可能作為H7N9感染進展的生物標志物,幫助臨床評估患者的病情進展和嚴重程度。

以上研究表明,重癥與非重癥患者相比,以及禽流感病毒感染者與健康人相比,其IP-10和IL-6等炎癥因子水平均明顯升高,提示IP-10與禽流感病毒感染進展和臨床嚴重程度有關,因此,通過監測包括IP-10在內的細胞因子釋放,預防性控制可能出現的強烈細胞因子反應,可能是治療高致病性禽流感感染的有效策略之一。

四、SARS

引起SARS的病原體為冠狀病毒。SARS病毒主要侵襲肺和人體的免疫系統,在疾病的早期常伴有急性彌漫性肺泡損傷,晚期則表現為彌漫性肺泡損傷、急性纖維性和組織性肺炎。

Ng等[28]通過使用流式細胞術分別在入院時、激素治療前和用藥后測定血漿趨化因子水平,結果表明在激素治療前和服藥1～2 d后血漿IP-10蛋白濃度明顯升高,隨后在恢復期水平恢復正常。由于IP-10對Th1有很強的趨化作用,該研究結果表明血漿IP-10的水平升高,主要增強了SARS病毒激活機體Th1型免疫反應,將活化的Th1淋巴細胞吸引到感染部位,從而促進病毒的清除。Ward等[29]通過流式微球陣列(cytometric bead array,CBA)也發現在疾病過程中患者血清樣本的IFN-γ、IP-10和IL-8的濃度均高于正常水平,且IL-10、IFN-γ和IP-10 的表達水平在病毒載量峰值的4 d內持續增高,表明IL-10、IP-10、IFN-γ等炎癥細胞因子水平的升高與SARS的嚴重程度密切相關,IP-10可能可以作為監測疾病進展的一種標志物。

以上研究表明,在SARS感染早期,血清IP-10的明顯升高有助于趨化Th1型淋巴細胞到炎癥局部,參與抗病毒反應。同時,IP-10可能隨病毒載量的增加而增加,這都提示IP-10的水平可能更能及時地反映SARS病情變化,并可能成為預測SARS病情的有效指標。

五、肺炎

CAP主要指在醫院外罹患的感染性肺實質的炎癥。據我國流行病學調查結果顯示,CAP常見的病原體包括肺炎鏈球菌、肺炎支原體、肺炎克雷伯桿菌、肺炎衣原體及金黃色葡萄球菌等[30]。目前,肺炎鏈球菌是導致全球獲得性肺炎的主要病原體[31],但關于肺炎鏈球菌與IP-10表達的相關研究數量較少。Zou等[32]應用人支氣管上皮細胞(human bronchial epithelial cells,BEAS-2B)作為體外模型,研究了肺炎鏈球菌肽鏈內切酶O(pneumoniae endopeptidase O,PepO)對BEAS-2B產生IP-10的影響。該研究通過ELISA檢測細胞上清液中IP-10水平,發現PepO明顯上調了BEAS-2B細胞中IP-10 的釋放。研究表明,IP-10的產生可能有助于CD4+T淋巴細胞和NK細胞的募集去清除病原體,這一研究結果有助于更好地了解其他肺炎球菌毒力因子是否參與誘導上皮中趨化因子的表達,更加深入地探索肺炎的發病機制。

IP-10在肺炎支原體肺炎(Mycoplasmapneumoniaepneumonia,MPP)診斷中也有一定的價值。肺炎支原體(Mycoplasmapneumoniae)是呼吸道感染的常見病原體,但其檢測周期較長,并不能及時診斷[33-34]。有研究通過ELISA檢測對比肺炎支原體感染的患者和細菌或病毒引起的呼吸道感染患者的血漿中的細胞因子,發現IP-10濃度明顯升高,AUC為0.79～0.85[35]。在另一項研究中,Li等[36]通過ELISA測定了血液樣本中的細胞因子和趨化因子,發現患有嚴重MPP的兒童血清IP-10 水平明顯高于患有輕度MPP的兒童,且血清中IP-10含量能夠區分MPP患兒的嚴重程度,敏感度和特異度分別為81.9%和83.3%。以上研究結果表明,血清IP-10 可能是診斷MPP的潛在生物標志物,同時有助于區分嚴重MPP和輕度MPP的兒童。

IP-10在克雷伯桿菌肺炎(Klebsiella pneumoniae)中也有一些研究。克雷伯桿菌肺炎是由肺炎克雷伯桿菌引起的急性肺部炎癥,近幾年發病率逐漸上升,耐藥性也呈逐年上升趨勢。肺炎克雷伯桿菌為醫院獲得性肺炎的常見致病菌,主要見于老年人、營養不良及慢性酒精中毒者,預后較差,病亡率高[37]。Zeng等[38]應用ELISA檢測分析了肺炎克雷伯桿菌刺激小鼠后IP-10蛋白及IP-10 mRNA的表達,發現刺激后小鼠肺組織中的IP-10 mRNA表達呈時間依賴性增加,且24 h內肺組織中IP-10蛋白表達也增加。定量檢測肺炎克雷伯桿菌在肺組織中的增殖情況,與對照組相比,注射抗IP-10抗體的肺組織勻漿分離得到的肺炎克雷伯桿菌的菌落數量增加了數十倍,同樣注射了抗IP-10抗體也導致血液中細菌量增加,表明IP-10可能抑制小鼠體內肺炎克雷伯桿菌的增殖,有助于宿主抵御肺炎克雷伯桿菌的侵襲。以上研究表明,IP-10可能是對抗肺部病原菌的先天免疫的重要組成部分,同時也表明IP-10作為免疫輔助治療藥物的前景。

六、其他疾病

肺孢子蟲肺炎(pneumocystis pneumonia,PCP)是由肺孢子蟲(pneumocystis,PC)引起的一種機會感染性肺病,主要見于獲得性免疫缺陷綜合征、器官移植及放化療患者等。PCP患者常呈急性發作,同時伴有發熱、呼吸困難等癥狀,病亡率高[39]。McAllister等[40]通過流式細胞術對PC感染后第7天和第14天過表達IP-10的小鼠淋巴細胞亞群進行了定量分析,發現過表達IP-10的小鼠肺組織中CD4+T細胞的數量明顯高于對照組小鼠,表明IP-10 可能誘導T細胞向肺內募集。該研究表明,IP-10有助于效應T細胞的激活和招募到炎癥部位發揮作用,以應對PCP的感染,同時也為IP-10及其受體作為預防或治療PC機會性感染的靶點提供了新的思路。

總結與展望

綜上所述,IP-10作為趨化因子和其受體CXCR3共同參與了機體的免疫調節和多種呼吸道感染性疾病的發病過程。目前的研究表明,在結核病中,結核抗原特異的IP-10檢測能夠用于MTB感染的診斷和結核病的輔助診斷,IP-10已成為結核感染診斷的新靶標。在COVID-19、高致病性禽流感和SARS中,許多研究已經證實IP-10與疾病感染進展和臨床嚴重程度有關,可作為觀測病情變化的有效指標。但在肺炎和PCP等疾病中,盡管有研究表明IP-10表達水平明顯增加,但尚未完全證實其作為感染或疾病病程監測指標的可行性。隨著研究的不斷深入,在認識IP-10的結構和生物學功能的基礎上,進一步闡明IP-10在呼吸道感染性疾病中的作用和機制,將對深入了解呼吸道感染性疾病的發病過程和宿主炎癥應答機制具有重要意義,同時也可為制定呼吸道感染性疾病的最佳治療和監測方案提供新的思路。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突

作者貢獻宋瑞雪:實施研究、采集數據、分析/解釋數據、起草文章;姚明旭:實施研究、采集數據;潘麗萍:醞釀和設計實驗、對文章的知識性內容作批評性審閱、獲取研究經費、指導、支持性貢獻