IL-23在肿瘤免疫中的作用

冯 刚,高 忠,李 辉,张雅娟

(1.吉化集团公司总医院 检验科,吉林 吉林 132022;2.吉林省医院,吉林 长春 130021)

IL-23在肿瘤免疫中的作用

冯 刚1,高 忠1,李 辉2,张雅娟1

(1.吉化集团公司总医院 检验科,吉林 吉林 132022;2.吉林省医院,吉林 长春 130021)

IL-23主要来源于活化的单核巨噬细胞和B细胞。它具有多种生物学功能,能促进T细胞尤其是CD4 T细胞增殖,促进T细胞、抗原提呈细胞产生IFN-γ与IL-12,对树突状细胞的共刺激功能起调节作用,肿瘤免疫中发挥的重要作用,具有抗肿瘤和抗转移活性。

1 IL-23的产生及分子结构

活化的树突细胞(DC)、巨噬细胞(Mφ)、T细胞和内皮细胞都能产生大量的p19,并且内皮细胞和造血细胞包括B细胞、T细胞、Mφ和DC都能表达p19 mRNA,Th1细胞比Th2细胞表达更多的p19mRNA。但是,在这些细胞中,只有活化的DC和Mφ同时伴随产生IL-12 p40[1],并与p19组成IL-23,分泌到细胞外。与IL-12相似,人和小鼠的IL-23最主要也是由活化的DC产生[2]。

IL-23是由p19和IL-12的p40亚单位通过二硫键相连组成的异二聚体。人和小鼠的p19 cDNA分别编码189和196个氨基酸,与之相一致的成熟蛋白质分子量分别为1817和1918 kDa。这两种蛋白质都含有5个半胱氨酸残基,不含有N-糖基化位点,有数个潜在的O-糖基化位点。它的分子结构与IL-6、G-CSF、IL-12 p35相似,并且它的大部分功能和IL-12 p35、IL-6、G-CSF 密切相关。Morelli等[3]通过构建细菌感染动物模型发现,当IL-12 p40单独存在(即IL-12 p35-/-)时,p40具有抗感染功能,而p19本身没有生物学活性,只有与IL-12 p40结合在一起时才具备一定的生物学功能。

2 IL-23作用于T细胞

IL-23能刺激人类T细胞引起STAT4的磷酸化。IL-12和IL-23都能影响T细胞的增殖,但两者又有明显区别。在小鼠,IL-12只能诱导扩增初始型T细胞,对记忆T细胞无效,而IL-23刚好相反;在人类,IL-12能同时促进初始型T细胞和记忆T细胞的扩增,而IL-23则只对记忆T细胞有扩增作用[1]。人IL-23诱导IFN-γ产生的活性也主要是针对记忆T细胞,对初始型T细胞IFN-γ的产生影响很弱,比如它能诱导激活的CD4记忆T细胞产生IFN-γ;而IL-12既能诱导初始型T细胞又能诱导记忆T细胞产生IFN-γ,并且IL-23刺激记忆T细胞产生 IFN-γ的能力也明显小于IL-12。除了直接作用于T细胞外,IL-23还能通过DC来活化和调节T细胞依赖的免疫应答[4]。

最近的研究又发现了Th17可能与肿瘤也有密切的关系。Langow sky等人[5]报道,IL-17、IL-23在人体肿瘤中得到大量的增生,而实验中IL-23缺乏的小鼠肿瘤发病率较低。动物肿瘤模型研究证明,IL-17可以促进子宫颈癌在无胸腺的裸鼠中形成,并促进肿瘤血管的生成。也有研究小组将多种肿瘤细胞接种于小鼠,发现IL-17可通过诱导抗原提呈细胞分泌IL-12等细胞因子,促进Th1细胞和CTL的活化,从而抑制了肿瘤的生长。

IL-23在Th17细胞数量扩增与维持过程中以及之后参与免疫应答的过程中是必需的。有研究发现缺乏 IL-23的小鼠体内几乎没有 Th17细胞的存在[6],这提示了在缺乏IL-23时即使Th17细胞能正常产生,但如果没有IL-23这种细胞因子的支持它们是不能正常扩增或生存的。另外,Mangan等人[7]研究发现,在小鼠感染柠檬酸杆菌(Citrobacter.Rodentium)后诱导的Th17细胞应答中,如果缺乏IL-23则机体不能完全清除炎症反应,细菌清除率也明显被削弱。说明IL-23在完整的有效的Th17细胞保护性免疫应答过程中是必不可少的。IL-23在Th17细胞分化过程中具体的作用机制也被认为与STAT-3有关[8],因为IL-23可以介导STAT-3的磷酸化过程,使STAT-3激活从而促进IL-17的分泌。

3 IL-23对DC的作用

IL-23和IL-12对小鼠DC的影响既有相似之处又相互区别。Belladonna等[4]构建了单链IL-23及IL-12与Ig的融合蛋白即IL-23-Ig和IL-12-Ig,再将10 ng/ml的IL-23-Ig和IL-12-Ig分别作用于新鲜提取的小鼠DC 2 h,用ELISA法检测培养上清中IL-12 p70的生成。24 h后,发现该DC中有较高的IL-12p70产生。但是,IL-12只是选择性地作用于CD8 DC,而IL-23的作用则比IL-12更为复杂,它既作用于CD8-DC,又作用于CD8 DC。10 ng/ml IL-23-Ig能通过对CD8-DC和CD8+DC的联合作用诱导持续的IL-12 p70的生成,并且他们认为IL-23-Ig对DC的部分辅佐作用就是由这一内源性途径产生的IL-12介导。此外,他们还进一步研究了IL-23-Ig对脾脏DC其它细胞因子及膜表面分子的表达和抗原提呈功能的影响,发现IL-23-Ig和IL-12-Ig不影响DC表达TNF-α,对CD40、CD80和MHC-Ⅱ分子的表达也无影响,但0.1-10 ng/ml IL-23-Ig和IL-12-Ig皆可诱导IFN-γ的产生。当IL-23-Ig作用于单个CD8-DC和CD8+DC时,它能促进DC对肿瘤抗原肽的提呈。

4 IL-23在抗肿瘤免疫中的作用

慢性炎症与恶性肿瘤的发生密切相关。二者在多方面具相似性,如免疫细胞浸润,基质金属蛋白酶活性升高,血管生成和脉管系统密度提高。依赖肿瘤浸润性T细胞或内皮淋巴细胞细胞毒性的免疫系统监督功能,是抑制早期恶性肿瘤使其消失的关键步骤。

4.1 IL-23的抗肿瘤免疫效应

IL-23具有与IL-12不同的抗肿瘤机制,IL-23通过强化DC等抗原递呈细胞的作用增强机体的先天和过继性免疫反应。Lo等[9-10]采用IL-23基因转染小鼠CT26结肠腺癌细胞的研究发现,IL-23转导的CT26肿瘤瘤体最初增长较快,然后开始缩小。对IL-23抗癌机制的进一步研究提示,CD8+T细胞是IL-23介导的抗肿瘤免疫细胞毒性T淋巴细胞应答的关键。在CD8+T细胞缺失小鼠体内,过继性免疫保护效应完全丧失。体内肿瘤增大早期就有CD8+T细胞的广泛浸润,随着浸润的CD8+T细胞进一步增多,肿瘤逐渐变小,最后大部分肿瘤消失。Overwijk等[11]将IL-23作为肿瘤疫苗佐剂检测抗肿瘤免疫活性的研究发现,IL-23本身对肿瘤的生长及肿瘤特异性T细胞的增殖并无影响。利用gp100多肽疫苗治疗小鼠黑色素瘤,全身性应用IL-23可显著增强了疫苗诱导的在肿瘤区域内CD8+T细胞数量的增加及抗癌效应功能。而肿瘤区域内IL-23的局部高表达并没有强化抗肿瘤作用。IL-23作为肿瘤疫苗佐剂协同抗肿瘤的机制在于增加效应T细胞的数量的同时更强化了CD8+T细胞抗癌效应功能。Oniki等[12]对免疫原性较差的B16F10黑色素瘤抗肿瘤治疗进行研究,IL-23及IL-27抗肿瘤活性不同,主要表现在IL-23转染B16F10肿瘤细胞,在治疗后的前20天内观察肿瘤生长曲线与对照组相比无明显改变,20天后肿瘤生长开始受到抑制并有消退。相反IL-27转染B16F10在治疗初期即出现肿瘤生长抑制。体外实验证实B16/IL-23的抗肿瘤效应主要是由CD8+T细胞及IFN-γ的作用,而B16/IL-27则主要是由于NK细胞的作用且不依赖IFN-γ的分泌水平,在IL-18和 IL-12协同作用时 B16/IL-23和B16/IL-27抗肿瘤作用更强。同时研究还发现,B16/IL-23疫苗对肿瘤的再接种有明显的保护作用。由于IL-23能激活抗原递呈细胞,增强抗原的有效递呈,促进Th1免疫应答与细胞毒性T淋巴细胞活性,利用IL-23基因修饰的DC疫苗可望成为一种有潜能的临床治疗性疫苗。

Kaiga等[17]通过电穿孔法给MCA205纤维肉瘤的小鼠注入含有IL-23的DNA质粒使小鼠体内产生高剂量的IL-23,结果表明,肿瘤明显受到抑制,与IL-12相比血清中产生的IFN-γ浓度很低,因而毒性小。

4.2 IL-23抗肿瘤和抗转移活性的研究

动物实验发现,IL-23具有与IL-12相当的抗肿瘤和抗转移活性。有两个研究小组均用逆转录病毒转染小鼠CT26结肠腺癌,使之释放单链IL-23(scIL-23)增加其抗肿瘤活性。小鼠模型中,scIL-23转导的CT26肿瘤细胞先迅速生长,然后开始缩小,最后大部分肿瘤消失[13-14]。其中一个小组同时对比IL-12的作用,CT26/sc IL-12在大部分动物中未出现可触知的肿瘤,并且所有肿瘤在18 d内迅速消失。而且局部表达 IL-23能显著减少B16F1黑色素瘤和CT26结肠腺癌的肺转移,这说明IL-23能对抗不同器官起源的肿瘤转移。因此IL-23和IL-12一样,能有效对抗肿瘤性疾病,但可能通过与IL-12不同的抗肿瘤机制[13]。

对IL-23抗CT26结肠腺癌机制的进一步研究中,选择性缺失不同淋巴细胞亚群,结果明显提示CD8+T细胞而不是CD4+T细胞在IL-23介导的抗肿瘤活性中起关键作用。在SCID小鼠和缺少CD8+T细胞小鼠中,保护效应完全丧失。免疫组化分析证实当肿瘤开始回缩时有CD8+T细胞浸润,并且在后期肿瘤缩小时浸润的CD8+T细胞进一步增多。而CD4+T细胞可能抑制 IL-23诱导的抗肿瘤活性。事实上NK细胞缺乏也不影响CT26/scIL-23生长率或肿瘤清除率,至少说明CT26肿瘤模型中IL-23的抗肿瘤活性同样不需要NK细胞[13]。这些证据表明表达IL-23的结肠腺癌瘤苗的抗肿瘤效应依赖于T细胞[14]。而最近文献报道,在食道癌裸鼠模型中,IL-23瘤苗亦有抗肿瘤效果,推测IL-23在T细胞缺乏的情况下可能作用于NK细胞影响肿瘤生长[15]。因此,与IL-12等其它因子相似,IL-23抗肿瘤所必需的免疫效应细胞与采用的肿瘤模型有关。

进一步的抗肿瘤研究表明,含scIL-23的结肠腺癌细胞培养上清不能诱导IFN-γ产生,而scIL-12的上清强烈刺激IFN-γ分泌[13]。由于IL-12刺激产生的IFN-γ能引起严重的副作用,影响其应用,而IL-23与之不同,因此可能存在着广阔的应用前景。

4.3 IL-23促进肿瘤产生和生长

研究表明[16]在多种肿瘤中 IL-23两个亚基的mRNA表达显著上调。在对基因缺失小鼠的研究中发现,IL-12 p35-/-小鼠出现肿瘤较早,而IL-23p19缺失和这两种细胞因子全部缺失(p40-/-)的小鼠均能抵抗肿瘤产生,提示IL-23可能会提高肿瘤发病率。IL-17在野生型小鼠和IL212p35-/-小鼠增生皮肤组织中高表达,但在 IL-23p19-/-和 IL-12p40-/-小鼠中很难检测到。同时,G-CSF以及粒细胞和巨噬细胞在IL-23p19-/-和IL-12p40-/-小鼠真皮组织也有所下降,从而提示,IL-23的缺失导致了大量炎症因子的显著下降和与肿瘤发生相关的多种细胞的消失。

研究发现[16],IL-12p35和IL-12p40缺失的小鼠肿瘤发病率显著提高,表示宿主对新生肿瘤的免疫排斥能力降低,而IL-23p19缺失的小鼠能够抵抗肿瘤,提示IL-23缺失不会损伤宿主免疫功能。同时阻断IL-23信号通路也能削弱肿瘤生长,提示CD8+T细胞在抑制肿瘤生长中发挥重要作用。使用IL-23p19抗体能降低肿瘤发生风险,也能使肿瘤细胞迅速消失。而使用IL-12p40抗体以及IL-12和IL-23基因缺失能显著提高肿瘤发病率,并能促进肿瘤细胞迅速繁殖,肿瘤转移能力增强。

IL-23不仅能帮助炎性介质和血管生成,还能保护肿瘤免于免疫系统的抵抗。IL-23诱导的炎症反应过程如血管生成和巨噬细胞、中性粒细胞的浸润是细菌感染的有效防御机制。但是这个调节通路似乎对于肿瘤的预防并不合适,反而为肿瘤提供了一个保护性环境,从而暗示IL-23p19抗体在肿瘤治疗中或许会发挥重要作用。IL-23拮抗IL-12和IFN-γ,刺激炎症产生,有利于肿瘤的生存。[18]

5 结语

IL-23是一种广泛参与体内免疫过程,是对多种免疫细胞的分化发育、增殖及炎症反应的调节起重要作用的细胞因子,尤其是它在肿瘤免疫中发挥的作用越来越受到人们的重视,随着IL-23的精确的分子结构、确切的基因定位、受体信号转导机制研究,为将IL-23应用于肿瘤免疫打下基础。

[1]Frucht DM.IL-23:A cytokine that acts on memory T cells[J].Sci Stke,2002,2002(114):1.

[2]Oppmann B,Lesley R,Blom B,et al.Novel p19 protein engages IL-12p40 to form a cytokine,IL-23,with biological activities similar as well as distinct from IL-12[J].Immunity,2000,13(5):715.

[3]Morelli AE,Zahorchak AF,Larregina AT,et al.Cytokine production bymouse myeloid dendritic cells in relation to differentiation and terminal maturation induced by lipopolysaccharide or CD40 ligation[J].Blood,2001,98(5):1512.

[4]Belladonna ML,Renauld JC,Bianchi R,et al.IL-23 and IL-12 have overlapping,but distinct,effects on murine dendritic cells[J].J Immunol,2002,168(11):5448.

[5]Langow sky L,Zhang X,Wu L,et al.IL-23 promotes tumor incidence and growth[J].Nature,2006,442(7101):461.

[6]Langishc L,Chen Y,Blumen Schein W M,et al.IL-23 drives a pathogenic T cell population that induces autoimmune inflammation[J].ExpMed,2005,201(2):233.

[7]Mangan P R,Harrington L E,O'Quinnd B,et al.Transforming growth factor-Binduces development of the TH17 lineage[J].Nature,2006,441(7090):231.

[8]Chen Z,Laurence A,Kanno Y,et al.Selective regulatory function of Socs3 in the ormation of IL-17-secreting T cells[J].PNAS,2006,103(21):8137.

[9]Robert son JA,Stemke GW,Davis JW J r,et al.Proposal of Ureaplasma parvum sp.nov.andemended description of Ureaplasmaurealyticum(Shepard et al.1974)Robert son et al.2001[J].Int JSyst Evol Microbiol,2002,52(Pt 2):587.

[10]Aujard Y,Maury L,Doit C,et al.Ureaplasma urealyticum,Mycoplasma hominis et pat hologies neonatales:Donnees personnelleset revue de la lit terature[Ureaplasma urealyticum and Mycoplasmahominis infections in newborns:personal data and review of the literature][J].Arch Pediat r,2005,12(Suppl 1):S12.

[11]Waites KB,Katz B,Schelonka RL.Mycoplasmas and ureaplasmasas neonatal pathogens[J].Clin Microbiol Rev,2005,18(4):757.

[12]Li YH,Chen M,BraunerA,et al.Ureaplasma urealyticum induces apoptosis in human lung epit helial cells and macrophages[J].Biol Neonate,2002,82(3):166.

[13]Lo CH,Lee SC,Wu PY,et al.Antitumor and antimetastatic activity of IL-23[J].J Immunol,2003,171(2):600.

[14]Wang YQ,Ugai S,Shimozato O,et al.Induction of sysemic immunity by expression of interleukin-23 in murinecolon carinoma cells[J].J Cancer,2003,105(6):820.

[15]Shan B,Yu L,Shimozato O,et al.Expression of interleukin-21 and-23 in human esophageal tumors produced antitumor effects in nude mice[J].Anticancer Res,2004,24(1):79.

[16]Langowski,J.L.,Zhang,Wu,L.,Mattson,J.D.,et al.IL-23 promotestumor incidence and growth[J].Nature,2006,442,461.

[17]Kaiga T,Sato M,Kaneda H,et al.Systemic administration of IL-23 induces potent antitumor immunity primarily mediated through Th1-type response in associationwith the endogenously expressed IL-12[J].J Immunol,200715,178(12):7571.

[18]Langowski JL,Kastelein RA,Oft M.Swords into plowshares:IL-23 repurposes tumor immune surveillance[J].Trends Immunol,2007,28(5):207.

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2009-06-16)