白介素18的研究进展

2020-02-17梁宁王业富

生物化工 2020年1期

梁宁，王业富

（武汉大学生命科学学院病毒学国家重点实验室，湖北武汉 430000）

白介素-18（IL-18）是近年来新发现的一类细胞因子，是由日本科学家Okamura于1995年首次在中毒性肝损伤小鼠肝脏提取物中纯化出来的一类物质，具有诱导生成γ干扰素的功能，因而其最开始被命名为促γ干扰素诱导因子。白介素-18不仅在巨噬细胞中有表达，在单核细胞、小肠表皮细胞等等细胞中都可以实现表达。人IL-18由194个氨基酸构成，其分子量约有20 kDa。进一步研究发现，该细胞因子不仅可以诱导γ干扰素产生，同时也与其他细胞因子协作，发生各类免疫反应，从而达到对机体的保护作用。因此，IL-18在对抗炎性疾病尤其糖尿病、肿瘤上有很大的研究价值。

1 IL-18与肿瘤

IL-18可以结合多种物质，通过多种途径发挥抗癌作用，是现在研究的热点所在。IL-18的抗癌效果是通过自然杀伤细胞（NK）和CD4+所完成的。有研究表明，IL-18有明确的肿瘤抑制作用，在小鼠移植肿瘤细胞的前7天和后7天每天投喂1 μg白介素-18，连续7 d，可观察到肿瘤的生长速率明显被抑制，且小鼠癌症的发病率由对照组的60%下降到20%；接种前7天至接种后14天给予IL-18治疗，可进一步观察到小鼠癌细胞增殖被完全抑制；将上述试验中未发病的小鼠再次移植癌细胞，发现15只小鼠里面有13只会抑制肿瘤生成，防癌率达87%，由此可见白介素-18可抑制癌症的发生[1]。

另外，白介素诱导γ干扰素产生的同时，还可以提高患者体内T细胞以及NK细胞的表达水平，上调肿瘤细胞中FasL的表达，这可以帮助肿瘤细胞避免机体内的免疫监视。

2 IL-18与糖尿病

2型糖尿病病人体内白介素-18的含量与其病情程度息息相关。代谢综合征的特征是中枢性肥胖、胰岛素抵抗、高血糖、高甘油三酯、低高密度脂蛋白，会增加患2型糖尿病的风险[2]。由于IL-1β有介导肥胖诱导的炎症、增加胰岛素抵抗和摧毁β细胞的能力，因而炎性小体（NLRP3）、含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶1（caspase 1）以及IL-1β在2型糖尿病的病理揭示方面起着重要的作用。IL-18在人体中的含量升高，意味着2型糖尿病病人的病情加重[3]。

有实验通过对比2型糖尿病患者与健康体检者血清中的IL-18含量，发现2型糖尿病患者血清中IL-18的含量显著高于健康组，说明IL-18与2型糖尿病的产生、发展相关并且IL-18可作为糖尿病早期诊断的一个指标[4]。IL-18通过细胞中的信号传导与转录激活因子（STAT3）的磷酸化作用，以及活化肌肉中的腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK），从而增加了IL-18对胰岛素的敏感性；IL-18与瘦素类似，是一种控制食物摄入以及能量平衡的脂肪细胞因子，尽管肥胖和2型糖尿病患者体内IL-18含量水平高，但是通过其体内外周血单核细胞（PBMC）含量发现IL-18对STAT3介导的干扰素γ（IFNγ）产生的刺激作用降低了IL-18受体蛋白的表达；另外，血清中升高的IL-18水平导致IL-18的基因多态性可与胰岛素抵抗以及代谢综合征联系起来；肥胖个体的内脏脂肪组织（而非皮下脂肪组织）比体型消瘦对照组，能够产生更多的IL-18，并且在经历肥胖症治疗手术后，血清IL-18浓度下降；还有学者的研究表明，高血糖患者体内由于发生强烈的过氧化物反应，导致IL-18的含量急剧升高，从而加重患者体内免疫激活反应[5]。综上，IL-18这种细胞因子在糖尿病的发病机理的研究中起着很大的作用，因此值得关注并进行更深入的研究。

3 IL-18与其他疾病

IL-18在许多疾病的病理研究、临床诊治中都起着十分重要的作用。如在乳腺癌的术后治疗中，IL-18通过细胞毒性T细胞诱导的抗癌免疫中，有助于预测接受乳腺癌手术治疗患者的预后[6]；在缺血性中风的治疗中，IL-18的水平有助于判断缺血性中风的发展与严重程度，可以作为早期检测缺血性中风的重要参考[7]；有学者在研究心脏肥大导致心力衰竭的病症时发现，IL-18通过IL-18R的上调表达导致心肌细胞肥大；在系统性红斑狼疮的发病机制中，IL-18在机体内含量升高导致的细胞因子间失衡，也是该病的发病标志[8]；IL-18的表达也与自身免疫性甲状腺疾病有关，IL-18的弥散表达诱导组织相容的白细胞抗原表达，导致病情发作；病患血清中的干扰素γ、IL-18的表达量在重症肌无力患者中颇高，如果使用外援IL-18治疗，则会加重病患的病情；IL-18在心衰中可以作为病情的检测指标，当心衰加重时，IL-18在病患体内浓度升高，经过治疗心衰程度好转以后，浓度会随之降低[9]。

4 IL-18的工业化表达

细胞因子的发现与人类疾病挂钩，但是只有大量获得纯度高的细胞因子才能让其在临床治疗上真正起到作用。IL-18在抗肿瘤免疫、抗病毒、抗过敏等方面起着很明显的作用，所以IL-18可以作为生物多肽类药物在多种疾病的治疗中发挥作用[10]。

目前，最常见的用来表达IL-18的表达系统就是大肠杆菌表达系统。选择大肠杆菌作为医药类蛋白的生产系统有如下优势：（1）遗传背景透彻；（2）大肠杆菌生长速度快；（3）目前有专门的发酵技术并且实验操作简单容易；（4）具备高水平表达外援蛋白的能力。在构建大肠杆菌表达系统时，所插入的IL-18基因需要根据大肠杆菌的喜好进行优化，原因在于不同种类生物中的tRNA含量不同，密码子的使用频率与细胞中的tRNA含量有关，tRNA含量越高使用频率越高，真核生物的密码子和大肠杆菌密码子使用频率有很大差异，选择在大肠杆菌中不常出现的密码子即稀有密码子，往往表达效率不高，并且如果在大肠杆菌系统内目的基因片段含有两个连续的稀有密码子，表达过程中往往会出现副产物，原因是连续的稀有密码子可以造成翻译过程的提前终止。因此在进行大肠杆菌表达时，要将密码子按照大肠杆菌的偏好进行转化以提高表达效率[11]。

另外在表达过程中，培养条件也是必须考虑的因素。培养条件包括培养基的成分、pH、诱导温度、诱导剂浓度、诱导时间。总体上讲，选择营养全面的培养基，合适的pH、诱导温度、诱导剂浓度、诱导时间，是大量获得表达产物的关键。

诱导温度对于外源基因在大肠杆菌中的表达起着决定性作用。有些外源基因不可以在高温条件下表达，温度过高会导致产物形成包涵体，因此大多数外源基因都采用低温进行诱导表达，延长表达时间，以提高产量。另外，培养条件应确保大肠杆菌处于对数生长期（OD600=0.6），有利于提高外源基因表达的效率，菌种的状态过早或过老，都不利于产量的提高，表达效率也不会提高。

影响外源基因在大肠杆菌中表达的因素很多，且这些因素互相关联、互相牵制，仅仅对一个条件进行优化往往不能得到提高产量的最优解，应对各种不同的影响因素进行控制实验，探究其对表达产量的影响，综合各种因素对整个表达过程进行优化才能对实际工业生产产生实质作用，提高效率和产量。