GM-CSF/IL-3/IL-5的免疫调节作用①

林雨虹 综述 吕合作 吴俊英 审校

(蚌埠医学院第一附属医院检验科,蚌埠233000)

粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子(Granulocyte-macrophage colony-stimulating factor,GM-CSF)，白细胞介素-3(IL-3)和白细胞介素-5(IL-5)是调节造血细胞产生及活性的细胞因子家族成员，与先天性免疫和获得性免疫均密切相关。它们主要由活化的T细胞产生，能刺激髓细胞的存活、增殖和分化，具有很强的髓细胞刺激功能，髓细胞是机体防御屏障的第一道防线之一。与许多其他造血因子不同的是，GM-CSF、IL-3、IL-5的生物学活性在机体稳态条件下作用不大[1]，而在紧急造血和免疫应答中起关键作用。它们通常在感染和免疫过程中大量产生，使白细胞数量大量增高并提高其活化状态[2]。

在病理情况下，GM-CSF，IL-3和IL-5各自的作用由产生这些细胞因子的位点和组织以及这些细胞因子的靶细胞决定。例如，与IL-3和IL-5不同，GM-CSF除了由T细胞产生，也能由其他细胞如单核-巨噬细胞、内皮细胞、成纤维细胞和其他来源如嗜中性粒细胞、嗜酸性粒细胞、间皮细胞等产生[3-7]。在复杂的生物系统中，GM-CSF、IL-3和IL-5也可以在同一种疾病状态下产生。例如，在哮喘患者中，在肺中产生和释放GM-CSF、IL-3和IL-5，引起包括嗜酸性粒细胞在内的骨髓细胞的浸润和活化，从而导致气道受损[8]。小鼠的哮喘模型表明，在肺部炎症的早期和晚期阶段，这三种细胞因子的受体能激活IL-4/IL-13，从而导致组织重构[9，10]。

GM-CSF、IL-3和IL-5的生物学功能是通过与其靶细胞表面受体的结合来介导的。GM-CSF、IL-3和IL-5家族细胞因子的受体是包含细胞因子特异性α亚基和共同β亚基(common β subunit,βc)构成的异源二聚体组成。α亚基以低亲和力结合细胞因子，β亚基又称作CD131，是IL-3、GM-CSF和IL-5受体的共同结构。在人类中，CD131由基因CSF2RB编码。在小鼠中，CSF2RB1编码CD131的直向同源物IL-3-βc，而CSF2RB2编码IL-3受体Ⅱ类β链，第二种蛋白与CD131同源，但只能与IL-3α亚基形成功能性受体[11]。βc不能单独结合配体，但是βc通过受体异源二聚化与特异性α受体结合后将α受体与配体的低亲和力结合转化为高亲和力结合，并且重要的是引起触发一系列生物功能的多种信号通路的激活[12]。GM-CSF、IL-3及IL-5与受体的结合激活受体偶联的Janus激酶(JAK)，主要是JAK2，对下游信号传导和受体功能至关重要。JAK2激活导致βc中六个关键酪氨酸残基的磷酸化，其与βc中Ser585的磷酸化一起作为信号分子的停靠位点和JAK/信号转导和转录激活因子(STAT)的活化。这些途径共同调节细胞的存活、增殖和分化等生物学行为[13]。

1 GM-CSF

正常生理条件下，GM-CSF在体内的表达水平较低。在肺黏膜中，GM-CSF主要由上皮细胞产生[14]。GM-CSF在调节肺泡巨噬细胞的微生物防御和清除表面活性剂方面发挥着重要作用[15]。在GM-CSF-/-或βc-/-(CSF2RB)基因突变的小鼠中，最显著的表型是肺泡蛋白沉积症(PAP)，其特征为肺泡中表面活性剂的积累[16]。在人类中，90%的PAP是由高水平的GM-CSF中和自身抗体引起的自身免疫性疾病。而小部分的遗传形式的PAP患者也被认为是GM-CSF受体的一个亚基的基因突变(GMRA，CSF2RA)或βc(CSF2RB)导致的[17]。研究证实，GM-CSF-/-或βc-/-的小鼠模型发展为PAP是因为缺乏肺泡巨噬细胞(AM)引起的。而AM对肺内稳态和表面活性物质清除至关重要，并且其发展高度依赖于GM-CSF信号传导。AM起源于胚胎第12.5天胚胎肝脏中出现的单核细胞，随后在包括肺在内的大多数胚胎组织中定植。在肺发育过程中，胎儿单核细胞进一步分化为未成熟的AM，而AM只有在出生后才进入肺泡腔并完全成熟。GM-CSF信号转导已被证实是胎儿单核细胞向围产期未成熟的AM分化和出生后AM的充分成熟所必需的。其他组织中的巨噬细胞是否也依赖于GM-CSF信号转导还需进一步研究[18]。

GM-CSF在感染或炎症过程中可迅速升高。在炎症部位，GM-CSF通过募集髓样细胞并增强其存活和活化而具有促炎作用[19]。在小鼠自身免疫炎症模型中，GM-CSF阻断剂能降低单核细胞和中性粒细胞的募集，并相应地减轻疾病的严重程度，而在体内注射GM-CSF则导致单核细胞从骨髓动员到血液中[20]。此外，GM-CSF可将巨噬细胞极化成M1型炎性巨噬细胞，产生多种炎性细胞因子如TNF，IL-6，IL-12p70，IL-23或IL-1β，从而促进Th1-Th17的应答[21]。这些数据突出了GM-CSF在促进炎症中的重要性。

1.1GM-CSF与类风湿性关节炎 在关节炎模型中，IL-17已被证实是主要的致病因子。IL-17的缺乏可改善胶原诱导的关节炎(CIA)，但并不能完全抑制[22]。IL-17抑制剂在类风湿性关节炎(RA)治疗中的效果也不能令人满意。这些报告表明，在关节炎的发展中存在着其他关键因素。RA患者滑液和血浆中GM-CSF的浓度升高，而重组GM-CSF的应用加剧了RA的病情活动性。靠近RA关节的骨髓含有大量粒细胞-巨噬细胞祖细胞、粒细胞-巨噬细胞集落形成单位(CFU-GM)，经GM-CSF刺激后可分化为粒细胞或巨噬细胞，也可分化为M-CSF和RANKL刺激的破骨细胞[23]。在幼年特发性关节炎(JIA)中，与外周血单个核细胞(PBMC)相比，关节液中GM-CSF-产生辅助性T细胞的频率也显著增加，并与血沉(ESR)水平相关[24]。在关节炎小鼠模型中，GM-CSF缺乏或中和阻止了关节炎的发生，并降低了关节中TNF和IL-1的含量。相反，给予GM-CSF加重关节炎。在SKG小鼠关节炎中，由T细胞分泌的GM-CSF使巨噬细胞产生IL-6或IL-1β等炎性细胞因子。这反过来又导致IL-17和GM-CSF产生的CD4T细胞进一步分化和扩增，加剧关节炎[25]。

1.2GM-CSF与多发性硬化 GM-CSF缺陷型小鼠对实验性自身免疫性脑脊髓炎(EAE)有抵抗力，EAE是一种以特异性致敏的CD4+T细胞介导为主的，以中枢神经系统内小血管周围出现单个核细胞浸润及髓鞘脱失为特征的自身免疫性疾病，是人类多发性硬化(MS)的理想动物模型[26]。在EAE和MS中，产生IL-17的Th17细胞已经被报道为中枢神经系统炎症的中枢介质[27]。然而，最近的研究表明，GM-CSF对EAE中CD4T细胞的脑源性起重要作用，而IL-17对EAE的发生是不可缺少的。MS患者脑脊液中GM-CSF含量及GMCSF产生的CD4T细胞数均明显升高。GM-CSF缺乏或中和可预防EAE的发生[28]。相反，使用重组GM-CSF加重了EAE。GM-CSF诱导小胶质细胞的增殖和活化，产生大量的神经毒性物质，如ROS、氮源和谷氨酸盐[29]。产生GM-CSF的CD4T细胞还可诱导小胶质细胞产生神经毒性的M1样表型，并促进IL-1β、IL-6和TNF-α等炎性细胞因子的产生，这些细胞因子也会导致髓鞘的损伤[30]。GM-CSF也是外周髓细胞的补充所必需的，这些细胞有助于血脑屏障和血脑脊髓屏障的破坏及脱髓鞘进入中枢神经系统。这些滞留和浸润抗原的细胞重新刺激T细胞，导致进一步的APC活化[31]。

2 IL-3

IL-3主要由活化的T淋巴细胞和肥大细胞产生。它最初被称为多CSF，因为它有刺激骨髓中多种造血细胞系发育的功能，包括肥大细胞、嗜碱性粒细胞、嗜酸性粒细胞、巨噬细胞、红细胞、巨核细胞和树突细胞。

大量的证据表明IL-3及其受体在多种人类疾病中发挥着重要作用，最显著的是癌症和炎症。通过特异性单克隆抗体靶向IL-3受体发现，IL-3受体特异性α亚基在急性髓系白血病患者的干细胞/祖细胞上过度表达，这一现象与患者预后不良密切相关[32,33]。IL-3Rα在慢性粒细胞白血病(CML)中也有过度表达，这为治疗提供了一个新的方向。因此，在适当针对IL-3Rα的基础上，人们正在努力了解IL-3受体的信号，并开发新的治疗AML和CML的方法[34]。IL-3也参与血管系统，虽然IL-3受体在内皮细胞上的存在早已为人所知，但新的证据也表明，它能刺激内皮细胞的增殖、迁移以及新生血管的生成，从而增加了IL-3在肿瘤血管生成中发挥重要作用的可能性[35]。

IL-3直接刺激免疫细胞的促炎性反应，如组胺、IL-4、IL-6的释放和嗜酸性粒细胞脱颗粒，提示IL-3在过敏性炎症中的作用[36]。在嗜碱性细胞中，IL-3刺激导致高水平的IL-4，而IL-4又反过来刺激免疫系统的其他细胞。通过破坏IL-3或βc基因或通过灭活IL-3Ra基因而缺乏IL-3功能的小鼠在造血方面没有明显的异常。然而，IL-3在肥大细胞和嗜碱性细胞的增殖和对寄生虫攻击的功能反应以及T淋巴细胞依赖性迟发型超敏反应中发挥重要作用[37]。IL-3的功能与许多临床上重要的过敏性炎症反应有关，包括慢性荨麻疹、迟发型超敏反应、过敏和哮喘等[38]。

虽然GM-CSF在EAE中的作用已有文献报道，但IL-3在人类多发性硬化(MS)和实验性自身免疫性脑脊髓炎(EAE)中的作用还知之甚少。虽然GM-CSF和IL-3有重叠的功能，但GM-CSF似乎主要通过激活单核细胞而加重EAE[39]。最近的一项研究表明，利用髓鞘寡突胶质细胞糖蛋白-诱导EAE，发现CD4+T细胞是IL-3的主要来源，脑IL-3的表达与T细胞流入脑内密切相关。通过单克隆抗体阻断IL-3，分析IL-3缺乏的小鼠，以及白细胞过继转移，证明IL-3在EAE临床症状的发生、白细胞向脑内的迁移、黏附分子和趋化因子的脑表达等方面发挥重要作用。相反，注射重组IL-3会加重EAE症状和脑炎症。因此，IL-3在EAE中起着重要的作用，并可能成为治疗MS的新靶点[40]。

3 IL-5

IL-5主要由嗜酸性粒细胞、Th2细胞、肥大细胞、CD34+祖细胞、NK细胞等合成和分泌，是调控嗜酸性粒细胞生物学功能的关键性细胞因子[41]。因此，在嗜酸性粒细胞为主要免疫效应细胞的疾病中，如嗜酸性哮喘(EA)、嗜酸性粒细胞综合征(HES)、嗜酸细胞性食管炎(EE)和嗜酸性粒细胞性肉芽肿病(EGPA)，IL-5(Rα)的靶向治疗越来越多地被应用[42,43]。多年来，嗜酸性粒细胞炎症一直被认为是哮喘发病的主要机制。嗜酸性粒细胞在气道对外源因子的固有反应以及在调节适应性免疫级联反应中均起着重要作用，使其成为机体防御系统中的重要细胞[44]。研究表明气道IL-5的表达、嗜酸性粒细胞增多和哮喘的症状密切相关[45]。哮喘患者支气管肺泡灌洗液和支气管活检中IL-5的表达增高，同时哮喘患者吸入IL-5可引起痰嗜酸性粒细胞增多和气道高反应性。此外，吸入支气管激发过敏原可引起IL-5 在mRNA水平的增加。由于嗜酸性粒细胞在无IL-5的情况下迅速发生凋亡，因此，针对IL-5的治疗被认为是预防或减轻嗜酸性粒细胞介导的炎症的一种潜在的治疗方法[46]。

虽然IL-5促进嗜酸性粒细胞的增殖和活化，但它并不会使嗜酸性粒细胞向特定组织的转运。事实上是其他的细胞因子和趋化因子引导嗜酸性粒细胞向炎症组织的迁移。此外，在人类中，除IL-5以外，也有其他因素有助于骨髓和肺黏膜中嗜酸性粒细胞的分化和存活[47]。因此，仅抑制IL-5可能不足以迅速清除组织嗜酸性粒细胞。

IL-5在嗜碱性粒细胞和肥大细胞的发育、代谢和功能中也起作用，这是因为嗜碱性粒细胞和肥大细胞中的几种关键受体(IL-5R，IL-3R，IL-4R，IL-2Ra和GM-CSF)的共同表达。IL-5不直接影响嗜碱性粒细胞组胺的释放或脱颗粒，但它可以为嗜碱性粒细胞提供物质基础，从而增强组胺释放[48]。

4 小结

尽管利用共有的β管受体作为其主要信号亚基，但是GM-CSF，IL-3和IL-5能够提供细胞因子特异性信号转导结果。例如，GM-CSF优先诱导分化，而IL-3主要促进细胞增殖，IL-3与GM-CSF都对髓系细胞有广泛的活性，而IL-5则对嗜酸性粒细胞的作用更具有特异性。这三种细胞因子均广泛参与过敏性和炎症性疾病的发病过程，因此，了解这些细胞因子及其受体的功能与机制对了解相关临床疾病的病理生理过程具有重要的指导意义。