细胞因子与炎症免疫疾病的研究进展

张林丽，王 艳，刘 莉

上海医药工业研究院药理评价研究中心，上海 200040；上海市生物物质成药性评价专业技术服务平台，上海 200437；上海医药工业研究院创新药物与制药工艺国家重点实验室，上海200437

细胞因子是一种广泛存在的小蛋白质，在细胞信号传导中起着重要作用。细胞因子属于肽类，不能穿过脂质双层进入细胞质，需要与受体结合后才能将信号从细胞膜传导至细胞核内。细胞因子由免疫细胞如巨噬细胞、B 淋巴细胞、T 淋巴细胞和肥大细胞，以及内皮细胞、成纤维细胞和各种基质细胞产生。根据生物学结构和功能，可以将细胞因子分为趋化因子、干扰素、白细胞介素、淋巴因子和肿瘤坏死因子等。

在生理条件下，炎症是一种自限性过程，通过免疫细胞与其细胞因子环境之间的微妙相互作用来恢复体内平衡。当免疫耐受性被破坏时，疾病靶组织中细胞因子平衡丧失，免疫细胞失衡，局部环境转成促炎状态，导致组织损伤。由于慢性炎症的“细胞因子网络”驱动了自身免疫性疾病的进展，并与疾病易感性相关。从临床到实验室的试验表明，疾病中存在细胞因子分级框架驱动慢性炎性疾病，不再是同分子诱发疾病模式。而从实验室到临床研究揭示了某一细胞因子可能在多种炎症疾病中的作用，如何在临床上取得成功将需要了解每种炎性疾病的致病途径和免疫组织环境[1]。通过现代分子生物学、结构生物学、细胞学等学科与技术方法，探讨细胞因子和炎症免疫疾病的关系，为疾病的防治提供理论基础。

1 细胞因子

细胞因子一般分子量较小、生物活性高，主要由免疫细胞或非免疫细胞（如血管内皮细胞、表皮细胞和成纤维细胞等）经刺激而产生，细胞因子间可以相互作用形成网络，参与免疫应答、炎症反应和细胞增殖生长。一些细胞因子如白细胞介素-6（IL-6）、干扰素-γ（IFN-γ）和肿瘤坏死因子（TNF），参与效应T 细胞和记忆CD4+T 细胞应答的发展。B 细胞细胞因子如淋巴毒素，对次级淋巴器官的发生、稳态和激活至关重要，同时影响着异位三级淋巴组织发育[2]。B 细胞主要通过IL-10 和IL-35 来调节炎症免疫反应，同时对T 辅助细胞1 和Th17 介导的免疫性疾病，如自身免疫性脑脊髓炎（experimental autoimmune encephalomyelitis，EAE）、系统性免疫疾病（systemic immune disease，SLE）产生影响。

作为免疫调节剂，细胞因子通过自分泌、旁分泌和内分泌方式进行信号传导。细胞因子通过与其受体结合，产生生物信号，参与生理进程。其中，gp130、βc 和γc 是3 种主要的细胞因子受体链，可以识别多种不同的细胞因子并最终组装成信号复合物，产生独特的或相似的机制[3]。根据细胞因子受体cDNA 序列及受体胞膜外区氨基酸序列的同源性和结构特征可分为6 类：I 类细胞因子受体，Ⅱ类细胞因子受体，TNF 受体超家族（如TNF 受体、神经生长因子受体CD40、Fas 分子），IL-1 受体，趋化因子受体，酪氨酸激酶受体（receptor protein tyrosine kinase，RPTKs）。I 类细胞因子家族包括γc-链类因子（γ-chain），包括IL-2、IL-4、IL-7、IL-9、IL-15、IL-21 和βc-链细胞因子（β-chain）家族，如IL-3、IL-5、GM-CSF 类细胞因子，以及gp130 链因子家族，包括IL-6、IL-12、IL-23、IL-35 等。Ⅱ类细胞因子家族包括I 型干扰素如IFN-α 和IFN-β，II 型干扰素如IFN-γ 等，Ⅲ型干扰素因子如IL-29、IL-28A、IL-28B、IL-10家族相关细胞因子。IL-1家族包含IL-1α、IL-1β、IL-18、IL-33、IL-36α、IL-36β、IL-36γ、IL-1Rα、IL-36Rα、IL-38、IL-37 共11 个家族成员。迄今为止，已发现约50 种人趋化因子和20 种趋化因子受体。酪氨酸激酶受体家族的许多成员已成为关键细胞过程的关键调节因子，如增殖和分化，细胞存活和代谢，细胞迁移和细胞周期控制。美国FDA 已经批准了很多由激活的RTK 引起的药物治疗癌症和其他疾病[4，5]。

2 细胞因子与炎症

以图1 的Th0 细胞分化为例，在IL-12 刺激下变为Th1细胞并表达转录因子T-bet，IL-4 刺激下变为Th2 细胞并表达转录因子GATA-3。Th17 分化的关键是转化生长因子-β（transforming growth factor，TGF-β）和IL-6。T 细胞分化后又表达特定的细胞因子，如Th1 分泌IFN-γ，Th2 分泌IL-4，Th17 细胞产生IL-17家族因子等。细胞因子在自分泌反馈回路中进一步促进T 细胞分化，活化的T 细胞移出细胞、淋巴组织，运输到炎症部位。以银屑病为例，这是一种皮肤的慢性炎性疾病，其特征在于表皮增生，皮肤血管生成以及单核细胞、树突状细胞（DC）和T 淋巴细胞的浸润。Th1 细胞因子IFN-γ，IL-2 和IL-18，以及Th17 细胞因子IL-17A、IL-17F、IL-22、IL-26 和TNF-α 在血清和病变皮肤中过度表达。IL-17 在银屑病发病机理中的作用已通过银屑病皮肤中IL-6、IL-1β 和IL-23 的表达增加而进一步证实[6]。

3 细胞因子与炎症免疫性疾病

多种细胞因子构成与疾病易感性相关的网络或“细胞因子宇宙”，正常时维持免疫系统稳态，当免疫耐受被破坏时，细胞因子平衡丧失，局部靶组织环境转向促炎状态并导致组织损伤，造成系统的免疫性疾病。在细胞及分子水平上揭示细胞因子与疾病间的关系，尤其是对自身免疫性疾病、肿瘤的发病机理的研究，有助于为临床治疗和诊断提供指导依据。

3.1 细胞因子综合征（cytokine release syndrome，CRS）

CRS 是一种全身性炎症反应，可由多种因素触发，如感染、自身免疫炎性、医源性原因。CRS 的细胞因子根据作用可以分为炎症效应因子、炎症启动因子、炎症调节因子、趋化因子和集落刺激因子[6]。

CRS 炎症效应因子是指引起主要临床症状的细胞因子，包括INF-γ，能引起发热、造血功能减退等；TNF-α 引起发热，致精神萎靡等临床表现；IL-6 引起发热，致急性肾损伤和NK 细胞功能不全等。

CRS 炎症启动因子是指病毒进入机体后被巨噬细胞模式识别，受体识别后引起炎症小体（inflammasome）组装，释放成熟的IL-1β、IL-18 细胞因子而启动炎症。

炎症调节因子主要是指随着疾病进展，促炎因子如IL-2 与抑炎因子如IL-10、IL-4 的相互调节与平衡作用。

CRS 集落刺激因子包括粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（GM-CSF），由活化的T 细胞、巨噬细胞产生，刺激粒细胞、巨噬细胞集落形成。

粒细胞集落刺激因子（G-CSF）刺激粒细胞功能，以及IL-7，增强巨噬细胞的细胞毒活性，诱导单核细胞分泌细胞因子。上述因子分级引发、促进CRS 进程[7]。

致病性人冠状病毒引起严重肺炎也伴随大量炎性细胞浸润，炎性因子如IFN-γ、IL-1β、IL-6 和IL-8 升高，趋化因子应答升高，从而导致急性肺损伤（acute lung injury，ALI）和急性呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）[8]。利妥昔单抗和嵌合抗原受体T 细胞免疫疗法（CART）治疗的肿瘤患者因免疫受到抑制，也可能出现CRS[9]。

3.2 类风湿性关节炎（RA）

RA 是一种系统性免疫相关的多关节炎性疾病，可破坏关节，导致身体残疾。RA 疾病涉及T 细胞、B 细胞、淋巴细胞、巨噬细胞及各类细胞因子如IL-1β、IL-6、IL-12、IL-15 和转化生长因子（TGF-β）等[10]。在疾病活动度较高的患者滑膜及滑膜液中检测到天然存在的调节性T 细胞（T regulatory cell，Treg），它们起着监管功能受损的作用。B 细胞除产生自身抗体和形成免疫复合物外，还通过产生细胞因子（如IL-6，IL-10等）和趋化因子促进疾病进展。B 细胞衍生的细胞因子调节滤泡DC 和淋巴活化，为T 细胞-巨噬细胞和T 细胞-B 细胞相互作用提供调节反馈环[11]。故T 细胞和B 细胞信号通路、通路相关的细胞因子是RA 关节炎药物获批和研发的热点。

3.3 哮喘

哮喘是儿童和成人最常见的慢性病之一。哮喘病理表现为气道狭窄，气道壁出现慢性炎症，伴有血浆外渗、水肿及炎性细胞如嗜酸性粒细胞、中性粒细胞、淋巴细胞、巨噬细胞和肥大细胞的流入。T 细胞在肺引流淋巴结中发展成滤泡辅助性T 细胞（Tfh），分泌IL-4 到B 细胞控制免疫球蛋白IgE 合成，IgE 与其受体结合引发炎症反应，成为哮喘发作的重要病理机制。Th2 细胞产生诱导哮喘各种关键特征的细胞因子，如组织嗜酸性粒细胞增多有关的IL-5，杯状细胞化生有关的IL-4 和IL-13，以及和支气管高反应性有关的IL-13，加重哮喘的进展。一些关键粘附分子如血管细胞粘附分子-1（vascular cell adhesion molecule，VCAM-1）或细胞间黏附分子-1（intercellular adhesion molecule 1，ICAM-1）的表达，促使嗜酸性粒细胞外渗，加重哮喘的病理进程[12]。

此外，哮喘的全基因组关联研究（GWAS）表明，IL-33 的多态性、IL-33Rα 基因与哮喘发展的易感性呈正相关。在哮喘患者支气管活检样本和培养的支气管上皮细胞中，呈现IL-33 mRNA 水平显著升高，肺泡灌洗液中IL-33 蛋白显著增加；循环纤维细胞中ST2 受体（suppression of tumorigenicity 2,ST2）水平升高。临床研究均显示IL-33 和ST2 受体与哮喘发病率、气道诱导的永久性结构改变有关[13]。所以，IL-33 参与先天性和适应性免疫，同时作为炎症的中枢细胞因子，调节固有淋巴细胞2（ILC2）、Th2 和M2 巨噬细胞反应，控制感染和组织修复中的过敏反应，是哮喘等适应症开发的热门靶点。

3.4 炎性肠病（IBD）

IBD 是胃肠道的慢性炎性疾病，包括克罗恩病（Crohn's disease，CD）和溃疡性结肠炎（ulcerative colitis，UC）。胃肠道稳态由单核吞噬细胞（mononuclear phagocytes，MNP）、Foxp3+Treg 细胞、B 细胞，以及肠上皮细胞（intestinal epithelial cells，IECs）和免疫细胞的细胞因子，互相作用而维持，一旦失衡即可诱导IBD[14]。STAT3 诱导的细胞因子，如IL-22、IL-6、IL-17，能促进IEC 细胞存活和抗微生物防御，微生物和代谢物诱导的IL-10、TGF-β1 通过MNP-Treg 细胞相互作用在耐受性中发挥作用。MNP 和IECs 产生的IL-1β、IL-18 和TNFα 是结肠炎进程开始的关键促炎因子，IL-23 驱动的CD4+T细胞应答是IBD 的关键病理特征，IL-23 特征性的T 细胞群通过产生效应细胞因子IFN-γ、IL-17 和GM-CSF 参与驱动肠道炎症，并进一步刺激局部肠道中髓样细胞反应[15]。中重度的UC 临床治疗包括免疫抑制剂及TNF-α 相关的生物抗体药，其他尚在临床研究中。

3.5 慢性阻塞性肺病（COPD）

慢性阻塞性肺病（COPD）的特征为不完全可逆的气流受限[16]，主要由2 型免疫反应驱动，包括气道嗜酸性粒细胞增加，Th2 细胞和II 型先天淋巴细胞（innate lymphoid cells，ILC2s）以及IL-4、IL-5 和IL-13 的分泌增加[17]。急性发作期COPD 患者痰液和血液中TNF-α 浓度增加，与疾病进展相关，有助于诊断COPD。IL-1β 和IL-32 的表达与疾病的严重程度相关[18]。当前COPD 的治疗方法主要是支气管扩张药，尚无炎症因子治疗COPD 的相关药物获批。

3.6 鼻炎

过敏性鼻炎表现为打喷嚏，鼻瘙痒，气流阻塞症状，主要由IgE 引起的对吸入过敏原产生反应而引起鼻涕，涉及Th2细胞驱动的黏膜炎症。鼻黏膜处的抗原呈递细胞（树突细胞）摄取过敏原，导致抗原特异性T 细胞在引流淋巴结的活化。通过非抗原途径（例如蛋白酶）激活上皮细胞，导致上皮细胞因子（IL-25，IL-33）释放，产生Th2 细胞反应，释放Th2-细胞因子（IL-13 和IL-4），进而驱动B 细胞成为浆细胞释放IgE，IgE 与受体结合后，导致组胺的快速释放，引起过敏反应的相关症状[19]。

3.7 结膜炎

过敏性眼病包括急性季节性/常年性过敏性结膜炎（seasonal/perennial allergic conjunctivitis，SAC/PAC）、慢性春季角膜结膜炎（vernal kerato conjunctivitis，VKC），以及特异性角膜结膜炎（atopic kerato conjunctivitis，AKC）。SAC 和PAC 由过敏原与肥大细胞上的IgE 结合引发I 型超敏反应。已过敏眼睛再次遇到过敏原时，过敏原附着并交联形成IgE-FcRI复合物，肥大细胞分泌前列腺素、血栓素、白三烯、血小板活化因子和细胞因子，使结膜微血管通透性增加，且中性粒细胞、嗜酸性粒细胞和其他炎症细胞的活化导致晚期过敏反应[20]。VKC 的特征为多种角膜（如上睑结膜和角膜缘）上皮和间质病变，免疫组织学和分子生物学研究表明，VKC 是Th2 淋巴细胞介导的疾病。除典型的Th2 型细胞因子IL-4、IL-5 和IL-13 外，其他细胞因子、趋化因子、生长因子和酶也在VKC患者结膜中过表达[21]。

除了上述免疫细胞等激活后产生炎症因子外，JAKSTAT（the Janus kinase/signal transducer and activator and activator of tran-ions）通路的异常表达也会诱导产生IL-6、IL-2、IL-12，JAK-STAT 的研究也是免疫炎症疾病的热点。此外，IL-17 及其受体，构成反馈环维持慢性炎症状态，在多种慢性炎症和自身免疫疾病中具有主要的致病作用，已有大分子药物上市或在研发中。IL-1β 则是中枢神经系统、心血管系统、癌症、以及退行性疾病的研究热点[22]。

4 炎症因子治疗研究

重组细胞因子是利用基因工程技术生产的细胞因子产品作为药物用于治疗感染、免疫性疾病、肿瘤等，并已获得了广泛应用。I 类家族的抗IL-4 抗体、抗IL-5 抗体、IL-4R 抗体在临床用于哮喘的防治。作用于IL-12 和23 亚基p40 的Ustekinumab 获批用于银屑病的治疗。GM-CSF 和G-CSF 用于再生障碍性贫血的治疗，EPO 可预防、治疗由化疗导致的贫血。II 类家族中的干扰素类，获批生产的有IFN-α1b、IFNα2a、IFN-α2b、IFN-γ。IFNα1b 是我国首创的一种新型重组干扰素，对慢性活动性肝炎、白血病、尖锐湿疣、带状疱疹具有明显的疗效。IFN-γ 用于类风湿性关节炎的治疗。PEG-IFNα2a 或PEG-IFN-α2b 联合利巴韦林用于治疗慢性丙型肝炎。IL-1家族的重组IL-1R 拮抗剂Anakinra 获批用于RA的治疗，多个IL-1β 抗体在临床研究中。酪氨酸激酶受体（receptor protein tyrosine kinase,RPTKs）家族主要包括如下几种类型：表皮生长因子（epidermal growth factor，EGF）受体、血小板生长因子（platelet-derived growth factor，PDGF）受体、巨噬细胞集落刺激生长因子（macrophage colony stimulating factor，M-CSF）、胰岛素和胰岛素样生长因子-1（insulin and insulin-like growth factor-1，IGF-1）受体、神经生长因子（nerve growth factor，NGF）受体、成纤维细胞生长因子（fibroblast growth factor，FGF）受体、血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）受体等。相关获批药物，包括靶向细胞内酪氨酸激酶结构域（TKD）的ATP 结合位点的小分子抑制剂和抗体，如能与VEGF 特异性结合的贝伐单抗，可治疗转移性结直肠癌、非鳞状非小细胞肺癌、宫颈癌等。结合PDGFR-α 的Olaratumab 用于软组织肉瘤（STS）成年患者的治疗[23]。其中TNF家族的TNF-α 靶点和I 类因子家族的IL-6 热门靶点的尤为引人关注。

4.1 TNF

现已获批的TNF-α 抑制剂有：用于治疗RA 等炎症免疫性疾病的阿达木单抗（人源TNF-α 单抗）、英夫利昔单抗（嵌合型单抗）、依那西普（人源性TNF-α 受体融合单抗）、戈利木单抗（人源TNF-α 单抗）、赛妥珠单抗（人源的PEG 化的TNF-α 单抗[24]。此外，他索尔明（重组TNF-α 激动剂）获批用于治疗肉瘤和部分实体瘤。贝利木单抗（人BAFF 特异性抗体）获批治疗系统性红斑狼疮和类风湿性关节炎[25]。

4.2 白介素类

托珠单抗（IL-6 受体拮抗剂，tocillizumab）在临床显示很好的关节保护作用和关节炎疾病抑制作用，在日本获批治疗全身性幼年特发性关节炎。Castleman 病是一种淋巴组织增生性疾病，其特征是多发性良性增生淋巴结，即滤泡增生、毛细血管增生和血管增生。临床试验显示，Castleman 患者使用托珠单抗治疗淋巴结病，使所有炎症参数显著减少。因而托珠单抗于2005 年在日本获得Castleman 病的孤儿药资格。巨细胞动脉炎（giant cell arteritis，GCA）是一种系统性血管炎，涉及大中动脉。在临床试验中证实托珠单抗对GCA 具有良好的疗效，所以托珠单抗在2017 年被欧盟、美国和日本批准为治疗GCA 的第一种生物制剂。Takayasu 动脉炎（TAK）是一种大血管炎，主要影响年轻女性。在日本进行的一项双盲安慰剂对照试验中，托珠单抗显示出比对照组显著的疗效，所以2017 年在日本获批治疗TAK[26]。

5 结语

细胞因子作为“双刃剑”既可参加免疫应答，发挥抗感染、抗肿瘤、诱导凋亡等功能，又可在一定条件下参与上述多种免疫炎症疾病的发生，同时采用现代生物技术开发的重组细胞因子、细胞因子抗体或拮抗剂又在临床上得到广泛应用。

在正常生理条件下，体液或组织中的细胞因子以极低的水平调控免疫细胞的发育、分化和功能，调控机体的免疫应答，在机体稳态的维持中发挥着重要作用。当机体出现异常时，抑炎因子、致炎因子的平衡被打破，如炎症因子“风暴”出现时，体液中迅速、大量产生多种促炎细胞因子，相应的细胞、细胞内信号通路也随之改变，疾病的进程受到影响发生变化。炎症因子不仅参与、影响着炎症免疫类疾病的发生发展，在心血管疾病、代谢性疾病、CNS 疾病也发挥着作用。

现有研究表明，首先，细胞、细胞因子、细胞信号通路构建成了调节网络，复杂而精细地发挥调节作用，维持机体的稳态。其次，在“网络平衡”打破时，不同的疾病组织，免疫细胞的种类、含量及其相应的细胞因子的种类、水平存在区别，可以并需要动态的监测才能更好地评估疾病的进程。第三，已经可以通过现代生物学手段，较为快速、精准地测定细胞因子的水平，如C 反应蛋白（C-reaction Protein，CRP）测定，有助于疾病判断及治疗。第四，“爆发式”的炎症反应如细胞因子“风暴”对机体的伤害大而剧烈，严重者可导致多器官障碍综合症，这更要精准地靶向对因、对症治疗或预防性干预。

虽然靶向炎症因子药物的开发取得了一定的进展，但也存在一些问题。现在全身系统性疾病患者临床获益较多，如治疗RA 的TNF-α、IL-6 获批较多，治疗银屑病的IL-17 靶点药物也被获批。但疾病靶部位比较特殊的如炎性肠病的胃肠道、哮喘的支气管、COPD 的肺部，这类疾病要在开发的同时特别注重靶向制剂的研发，这样发挥药效的同时减少系统的不良反应。其次，现已获批的细胞因子治疗药物以大分子药物为主，开发小分子抑制剂可以改善患者的顺应性和可操作性。再者，细胞因子检测的主要是循环系统中的含量，疾病部位比较特殊的存在取样困难等问题，那么细胞因子不能作为biomarker 及时地反映疾病进程。

此外，炎症因子在肿瘤的发生、发展、侵袭和转移中起着重要作用，介于这种“过渡”作用，关注与干预炎症进程可能有助于预防肿瘤的发生及进展。