白细胞介素21在心血管系统疾病中的研究进展*

陈 静， 梅仁彪， 王 瑜

（安徽理工大学医学院，安徽淮南232001）

白细胞介素21（interleukin-21，IL-21）是一种Ⅰ型细胞因子，属于γ链（γ-chain，γc）复合受体型细胞因子家族成员［1］，主要由滤泡辅助性T细胞（T follicular helper cells，Tfh cells）、辅助性T 细胞17（T helper 17 cells，Th17 cells）和自然杀伤（natural killer，NK）细胞产生［2］，对天然免疫反应和获得性免疫反应均有多效性作用［3］。目前心血管疾病的发病率逐年上升［4］，临床确认慢性炎症是心血管疾病的关键因素［5］，但其具体机制尚不完全清楚。近年来的研究发现，IL-21通过Janus激酶（Janus kinase，JAK）-信号转导及转录激活因子（signal transducers and activators of transcription，STAT）、丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）和磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）等通路介导的炎症反应，与高血压、肺动脉高压、冠状动脉粥样硬化性心脏病（冠心病）等心血管疾病之间存在广泛联系。

1 IL-21概述

IL-21 于2000 年在佛波酯/离子霉素培养的人外周血CD3+T 细胞培养液中首次被发现［6］，其基因在人类中位于 4 号染色体 q26～27 处，与IL-2基因紧密连锁。而鼠类IL-21基因则定位于3 号染色体，与IL-2基因相隔仅95 kb。人类IL-21与小鼠IL-21的序列同源性高达63%。在结构上，IL-21 是一种由162 个氨基酸组成的蛋白质，形成一个14 kD的四螺旋束结构，与 IL-2、IL-4 和 IL-5 也有高度的同源性。IL-21 受体（IL-21 receptor，IL-21R）是由共同的γc 和特异性α链（IL-21Rα）组成的异二聚体复合物，对IL-21的信号转导至关重要。IL-21 通过与其受体IL-21R 结合介导信号转导，发挥生物学效应。

2 IL-21的生物学功能及其主要信号通路

2.1 IL-21 的生物学功能 IL-21 在自身免疫性疾病、感染和抗肿瘤反应中介导先天或获得性免疫反应，并在效应T 细胞亚群的极化中起重要作用［7］。Tfh 细胞既是IL-21 的主要来源，也是其靶细胞之一。研究显示，IL-21 在 CD4+CXCR5+ICOS+Tfh 细胞中呈高表达，并对生发中心（germinal centers，GC）形成过程中Tfh 细胞的激活和扩增起关键的作用［8］。IL-21能够上调转录因子B 细胞淋巴瘤6（B-cell lymphoma-6，Bcl-6），促进Tfh 细胞的发育［9］，而IL-21缺失会使Bcl-6 表达减少，影响 Tfh 细胞的极化［10］。对于 Th17细胞的分化，IL-21 是必不可少的，作为Th17 细胞增殖的再生反馈机制，IL-21通过辅助诱导Th17细胞增殖，并调节产生IL-17，参与免疫应答［11］。研究显示，在IL-21-/-或IL-21R-/-小鼠中Th17 细胞数量显著降低，同样在IL-21R基因敲除的 T 细胞内，Th17 细胞反应亦缺失［2］。

IL-21 可抑制调节性 T 细胞（regulatory T cells，Treg cells）的激活、分化和存活，从而限制其对效应细胞的免疫调节作用［12］；主要作用机制是以STAT 家族中的STAT3和STAT5依赖的方式减少T细胞中IL-2 的产生，进而减少Treg 细胞的绝对数量和分化，达到拮抗Treg 细胞的保护性抑制［5］。另一方面，IL-21能够降低转化生长因子β（transforming growth factorβ，TGF-β）诱导的Foxp3+Treg 细胞所致的免疫耐受和免疫抑制［13］。

在细胞激活通路或共刺激信号的参与下，IL-21在B 细胞的产生、分化、成熟和凋亡过程中起到了双向调节作用［14］。IL-21 可通过 B 细胞受体或 CD40 募集并激活B 细胞，促进其增殖分化为产生免疫球蛋白（immunoglobulins，Ig）的浆细胞。相反，当B 细胞被天然的Toll 样受体（Toll-like receptors）配体激活时，IL-21 则会诱导B 细胞凋亡，导致其数量减少，这与 Bcl-2 表达下调相关［15］。同时 IL-21 也在浆母细胞和浆细胞的广泛增殖和分化中起重要作用［16］，其作用机制可能与STAT3 有关，因为STAT3 的缺乏会导致浆细胞数量和分化显著减少［17］。IL-21 除了作用于获得性免疫细胞外，还作用于NK 细胞等天然免疫细胞。在小鼠模型中，IL-21 不仅能抑制NK 细胞的增殖，还能够诱导NK 细胞的激活和成熟，以及细胞溶解分子（如穿孔素和颗粒酶）的产生，从而增强其细胞毒作用［18］。

2.2 IL-21 的信号通路 IL-21 在淋巴细胞的发育、成熟和激活中起重要作用。当IL-21 与IL-21R 结合后，受体复合物（IL-21Rα和γc）发生二聚化，使JAK1和JAK3（两种分别与IL-21Rα 和γc 胞质内相关的激酶）发生反式磷酸化而激活。激活的JAK 使STAT1和 STAT3 磷酸化，并在较小程度上磷酸化 STAT5［6］。磷酸化后的STAT3 蛋白形成同源二聚体，转位到细胞核并与干扰素γ（interferon-γ，IFN-γ）激活序列结合，调节IL-21 靶基因的表达，见图1。在缺乏STAT3蛋白表达的T 细胞中存在IL-21 的信号缺陷，由此可见 STAT3 是 IL-21 信号转导中最重要的蛋白之一［19］。而活化的STAT3 信号在T 细胞中可导致视黄酸受体相关孤儿受体γt（retinoic acid receptor-related orphan receptor γt，RORγt）的表达增加，使得IL-17 和IL-21的产生增加［20］。IL-21-STAT3 轴还可直接促进由IL-6所介导的Bcl-6的表达，从而诱导Tfh细胞发育过程中上调CXCR5、ICOS和PD-1的基因转录［8］。此外，IL-21还能够诱导细胞因子信号转导抑制因子1（suppressor of cytokine signaling 1，SOCS1）和SOCS3 的转录，下调 JAK-STAT 通路的效应［4］。IL-21 与 IL-21R结合还可以激活MAPK 和PI3K-蛋白激酶B（protein kinase B，PKB/AKT）信号通路，从而诱导Bcl-2表达，介导T细胞的活化［21］。

Figure 1.Production，signaling pathways and effects of IL-21.IL-21 is mainly secreted by activated lymphocytes，and acts on cell groups of the cardiovascular system，such as cardiomyocytes，fibroblasts，vascular endothelial cells and smooth muscle cells.IL-21 acts on downstream target cells by binding to receptor complexes composed of γ-chain（γc）and IL-21Rα，which mainly induce the activation of JAK-STAT，MAPK and PI3K/AKT signaling pathways.It not only promotes inflammatory response and vascular injury in atherosclerotic coronary artery disease and pulmonary arterial hypertension，but also plays an aggravating role in hypertension，experimental autoimmune myocarditis and myocardial ischemia/reperfusion injury.图1 IL-21的产生、信号通路及作用

3 IL-21与心血管疾病

3.1 IL-21 与高血压 高血压作为一种慢性炎症性疾病，多种免疫细胞均参与其中。Guzik 等［22］在血管紧张素Ⅱ诱导小鼠高血压的实验中观察到，T细胞缺失小鼠的高血压反应较野生小鼠弱，然而给此类小鼠移植T细胞后其高血压反应则再次恢复，表明T细胞参与了高血压的发生。另有研究人员发现由T 细胞亚群产生的IL-21 对高血压的发生和发展有着重要的影响，一项队列研究提示血压水平与CD4+T 细胞所产生的IL-21 相关，且在冠心病人群中，伴有高血压患者的血清 IL-21 水平更高［23］。IL-21 诱导高血压的机制可能与其促进Th17 细胞和Th1/Tc1 细胞的分化有关，这2 种细胞能够分别产生IL-17A 和IFN-γ，进而调节肾脏钠转运，导致肾小球损伤和钠、水重吸收，从而诱导高血压的发生；使用抑制IL-21 的药物后可减弱高血压效应［24］。

IL-21 除了通过影响T 细胞导致高血压外，还能通过影响B 细胞诱导高血压的发生发展。Chan 等［25］的研究表明，B细胞的消耗对实验性高血压有保护作用，而IL-21 能够引起次级淋巴器官的GC 反应，使得GC 中B 细胞迅速增殖，并分化为可分泌抗体的浆细胞，同时诱导高亲和力抗体IgG 产生，引起血管损害和血压升高［26］。Dale 等［23］也观察到，在高血压野生小鼠主动脉和肠系膜淋巴结中有GC 样B 细胞聚集以及IgG1生成增加，但在IL-21-/-小鼠中却没有出现此类变化，提示高血压依赖于IL-21 水平，且与IL-21诱导的次级淋巴器官中GC 样细胞的增加有关。综上所述，IL-21 在高血压的发生发展中起关键性作用，且主要机制在于对T、B细胞的调节。

3.2 IL-21 与肺动脉高压 动脉型肺动脉高压（pulmonary arterial hypertension，PAH）是一种以肺动脉远端中小动脉病变为特征的慢性疾病［27］。炎症和自身免疫目前被认为是PAH发病的关键因素。已有研究揭示IL-6与肺动脉高压的发病有关，IL-21作为IL-6可能的下游靶点，同样在肺动脉高压的发生发展中起到了重要的作用。抗IL-6 受体抗体MR16-1 通过阻断IL-6，能够有效抑制低氧诱导的Th17细胞活性，减少IL-21 的产生和M2 型巨噬细胞在肺内的聚集，减轻缺氧性肺动脉高压（hypoxia-induced pulmonary hypertension）［28］。在低氧暴露后，对照组小鼠肺组织中IL-21基因的表达水平显著上调，经MR16-1 处理组小鼠肺组织IL-21基因的表达水平无明显上调，表明IL-21 的确位于IL-6 的下游，介导的M2 巨噬细胞极化可能为肺动脉高压发生发展的重要机制之一。

IL-21 可显著上调肺泡M2 型巨噬细胞标志性基因Arg1、Fizz1和CXCL12的 mRNA 水平，特异性地诱导肺泡M2 型巨噬细胞极化，表达高水平的Arg1，促进组织的纤维化［29］。此外，肺动脉血管平滑肌细胞的异常增殖是PAH 的病理生理基础［30］。研究显示，IL-21 所介导的M2 型巨噬细胞极化促进了人肺动脉平滑肌细胞的过度增殖，其机制可能是趋化因子CXCL12 通过与受体CXCR4 结合刺激了血管平滑肌细胞的增殖［31］。还有研究提示，由Th17 细胞产生的IL-21可以通过自分泌方式维持Th17细胞的分化，从而在肺动脉高压发展的持续炎症中起重要作用［2］。肺组织在低氧、炎症的刺激下启动机体的修复机制，导致肺血管重塑，最终造成PAH［32］。综上所述，IL-21可能在促进肺动脉高压发展的持续性炎症中起关键作用。

3.3 IL-21 与冠心病 冠心病不仅是一种脂代谢紊乱，同样也是一种慢性炎症性疾病，抗炎和促炎因子的失衡是导致动脉粥样硬化进展的主要机制［33］。IL-21 可通过调节T 细胞的功能诱导冠心病的进展。冠心病人群的IL-21 水平较正常人群高，且随着患者病变血管的数目增多，IL-21的表达也相应增高。IL-21还能够增强初始CD8+T 细胞的抗原特异性应答，上调Th1 免疫应答基因的表达，从而增强IFN-γ 的产生，造成血管损伤［34］。此外，IL-21 诱导冠心病的机制与 Th2 应答的增强亦有关，Di Carlo 等［35］在IL-21R-/-小鼠的实验中证实了IL-21 对Th2 型炎症反应起促进作用。IL-21 还可通过抑制幼稚Th 细胞的叉头框蛋白3（forkhead box protein 3，Foxp3）表达而导致动脉粥血管的样硬化［36］。Foxp3 是控制 Treg 细胞发育和功能的关键转录因子之一，此途径已被证实在脉粥样硬化的进展中发挥重要作用［37］。除了通过调节T 细胞导致血管的损伤之外，IL-21 还能够通过分泌金属蛋白酶和趋化因子招募炎性细胞造成血管损伤。综上所述，IL-21 参与冠心病的机制多样，主要通过调节T 细胞功能及诱导炎性细胞聚集导致血管的损伤加重冠心病的进展。

3.4 IL-21 与心肌缺血再灌注损伤（myocardial ischemia/reperfusion injury，MIRI） MIRI 是缺血心肌在血液恢复时由于各种生化变化导致的心肌损伤的现象。有文献报道，免疫反应在MIRI 后的急性炎症中起重要作用［38］，IL-21 因其广泛的免疫调节作用而被研究者们所关注。有研究检测到在小鼠肝脏缺血再灌注损伤的早期阶段，IL-21 的产生增加［39］。Clarkson 等［40］观察到IL-21在缺血脑组织中表达上调并起致病作用。这些均为IL-21 在MIRI 中的作用提供了有力假设。近几年，Wang 等［41］观察到小鼠在MIRI 急性期中IL-21 水平升高，且给予外源性的IL-21 后，其心肌损伤明显加重；而使用抗IL-21 单抗处理后，小鼠心肌损伤则较前缓解，显示IL-21 在MIRI小鼠模型的心肌损伤中起关键作用。IL-21 导致MIRI的机制可能与诱导角质形成细胞源性趋化因子（keratinocyte-derived chemokine，KC）和巨噬细胞炎症蛋白2（macrophage inflammatory protein-2，MIP-2）两种趋化因子的表达有关，是因为其能够在再灌注早期诱导心肌中性粒细胞浸润，从而损伤心肌细胞。其中MAPK 和核因子κB（nuclear factor-κB，NF-κB）两种信号通路都可能参与了MIRI 的发生。有研究证实 IL-21 激活的 MAPK 和 NF-κB 信号通路，在各种促炎介质的产生中都占有重要地位［42］。此外，IL-21在不同细胞中的信号通路也不尽相同。在小鼠新生心肌细胞中，IL-21诱导AKT信号通路，继而激活NF-κB。而在心脏成纤维细胞中，IL-21 则通过先诱导MAPK 的磷酸化，再激活 NF-κB，最终诱导 KC 和MIP-2 的表达，从而增强中性粒细胞的迁移能力，导致再灌注后心肌的损伤［41］。已有研究证实了NF-κB还可通过PI3K-AKT 通路在不同类型的细胞中诱导趋化因子的上调［43］。Takeda 等［44］的研究表明，IL-21能上调中性粒细胞细胞膜上CD11b和CD16的表达，并增强其产生活性氧簇的能力及吞噬能力，可能与MIRI的发生有关，但具体机制仍待相关研究来证实。综上所述，IL-21 导致MIRI 的主要机制可能与KC 和MIP-2的表达增加及中性粒细胞浸润有关。

3.5 IL-21 与外周动脉疾病（peripheral arterial disease，PAD） PAD 是由动脉粥样硬化引起的下肢动脉闭塞性疾病，与炎症反应相关。最近来自动物模型和对PAD 患者的研究表明，在肢体缺血后肌肉组织中的白细胞介素及其受体大量增加，提示PAD 启动了全身炎症反应［45］，而IL-21 作为促炎症介质在其中占有重要地位。IL-21 不仅能介导炎症，还能在外周动脉疾病中促进血管的重塑。Wang 等［46］观察到IL-21R 在小鼠缺血肌肉模型中的表达显著上调时，肢体缺血（hindlimb ischemia，HLI）后灌注恢复程度更好。但IL-21R功能的丧失则降低了灌注恢复的程度，表明IL-21R 上调和激活有助于HLI 后的灌注恢复。一项PAD 临床前模型的研究亦发现，阻断IL-21R也会降低灌注恢复［47］。研究显示，在HLI小鼠模型和培养的人内皮细胞中，IL-21R 的表达在缺氧情况下上调，且在IL-21R+CD31+内皮细胞中发现了STAT3 激活的证据［46］，表明 STAT3 通路在 PAD 患者的体内被激活，并通过IL-21R 的信号途径来增加血管的生成，诱导其对缺氧内皮细胞的保护作用。还有研究表明，白细胞介素还能够通过调节STAT3 和血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）影响动脉的重塑，在PAD 的灌注恢复中发挥重要作用［45］。Niu 等［48］利用染色质免疫沉淀分析也证明，STAT3蛋白在体内可直接与VEGF基因启动子结合，而VEGF基因启动子中STAT3结合位点的突变能够直接导致VEGF基因启动子活性丧失，表明VEGF是 STAT3 的直接靶基因。此外，IL-21 的信号通路中的PI3K 和MAPK 信号通路也可能参与了VEGF基因的调控。

3.6 IL-21 与免疫性心肌炎及心脏瓣膜损害 自身免疫性心肌炎及瓣膜损害，是导致心血管事件的一个重要因素，均与自身免疫系统有着千丝万缕的联系。IL-21 在多发性硬化症和类风湿性关节炎等多种自身免疫疾病中占有重要地位，有研究报道过Th17 相关细胞因子IL-21 的高表达与风湿性心脏病的发生和发展相关［49］。IL-21 及其相关因子在实验性自身免疫性心肌炎（experimental autoimmune myocarditis，EAM）发病机制中起重要作用。王焱等［50］在大鼠EAM 模型中观察到IL-21 及其受体在心脏和脾脏中表达，并在EAM 急性期2 周时显著升高并达峰值。由此可见，IL-21 及其受体能够作用于心肌细胞并发挥其致炎作用，参与自身免疫性心肌炎的发展。有研究证实在风湿性心脏病患者的二尖瓣中Th17 相关细胞因子，IL-17 和 IL-21 水平显著升高［51］。有研究显示作为Th17 细胞分化和成熟的必需条件的IL-6及TGF-β也在EAM 急性期表达升高，且与IL-21 及其受体的表达趋势一致。进一步研究表明，主要由Th17 细胞分泌的IL-17 及其受体也呈现高表达，且其趋势同样与IL-21 相一致［50］。这两项结果均为IL-21 诱导Thl7 细胞的分化且促进IL-17 的分泌提供了有力证据。同样，Bas等［52］也报道了风湿性心脏瓣膜病患者外周血中Th17/Treg 细胞比例明显升高，且IL-17 水平也高于对照组。由此可见，IL-21 对免疫性心肌炎与心瓣膜损害的机制可能是通过诱导Th17细胞的分化，进而促进IL-17的分泌发挥其致炎作用。此外，有文献报道作为IL-21 最重要的STAT3信号通路，它的激活亦加剧了Th17 细胞参与的炎症［53］。因此，在自身免疫性心肌炎与心瓣膜损害中，IL-21 是否也能通过STAT3 通路诱导Th17 细胞的分化还需要进一步研究加以证实。

4 总结与展望

IL-21 在B、T 细胞的调节和激活中起主导作用，由于其调节免疫反应的能力，通过增强或抑制IL-21或IL-21R 对许多疾病均有治疗作用。近年来，越来越多的研究表明，IL-21 在自身免疫性疾病和慢性炎症性疾病中起重要作用，同时与心血管疾病的发生发展密不可分，因此IL-21 作为抗炎的潜在靶点在心血管疾病的预防和治疗中有着广泛的前景。然而，目前人们在很大程度上还不清楚IL-21 导致心血管疾病的具体机制及信号通路，未来还需要更多的研究来揭示其致病作用，深度挖掘这一细胞因子系统的治疗潜力。