IL-6在新型冠状病毒肺炎致急性呼吸窘迫综合征中的作用

杨志伟，贾红炜(综述)，祖一文，杜全胜*(审校)

(1.河北省人民医院重症医学科，河北 石家庄 050051；2.河北省石家庄市人民医院急诊科，河北 石家庄 050011)

急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome,ARDS)由急性低氧血症、双肺浸润和非心源性肺水肿的发展来定义的一种错综复杂的综合征，以肺泡渗透性增加导致的低氧血症和弥漫性双肺渗出为主要表现，病死率高达35%～45%[1]。目前，COVID-19仍在流行，肺部最严重的并发症即为ARDS。尽管其肺损伤和多器官衰竭的确切机制仍有待商榷，但细胞因子风暴早已成为其病理生理的代名词，并且越来越多的证据表明，炎性细胞因子风暴可能是COVID-19严重的病理表现和临床表现恶化的原因，而白细胞介素6(interleukin 6，IL-6),是引发ARDS炎性瀑布的一种关键炎性细胞因子[2]。

1 IL-6的信号转导

IL-6基因位于人类第7对染色体上，相对分子质量26 000，是一种多功能糖蛋白。该细胞因子由多种免疫细胞和非免疫细胞产生和分泌。另外，激活Toll样受体可使巨噬细胞和单核细胞释放IL-6，帮助天然免疫识别感染性病原体。IL-6可通过3种不同的机制作用于靶细胞：①经典信号转导，即通过与膜结合受体(membrane IL-6 receptor，mIL-6R)结合，进而募集广泛表达的信号转导糖蛋白130受体(glycoprotein 130，gp130)作用于靶细胞。该转导途径仅限于具有mIL-6R的细胞，包括肝细胞、巨噬细胞、中性粒细胞和一些T细胞亚群[3]。②这些细胞还通过细胞外脱落或选择性剪接将可溶性受体(soluble IL-6 receptor，sIL-6R)释放到循环中。因此，IL-6可以与sIL-6R结合，并通过gp130在缺乏mIL-6R的细胞上诱导细胞内信号转导，这被称为IL-6反式信号转导。③IL-6还可以以反式递呈方式与可溶性gp130结合，即与树突状细胞膜上的IL-6Rα(IL-6结合链)结合，并被“呈递”给表达在同源T细胞表面的gp130同源二聚体[4]。通常，IL-6的再生、抗炎功能是通过经典信号介导的，而促炎活性通过反式信号介导，有时也可通过反式递呈介导[5]。IL-6通过激活多个下游信号通路影响免疫过程，包括Janus激酶-信号转导子与转录激活子3(Janus kinase-signal transducer and activator of transcription 3，JAK-STAT3)、蛋白酪氨酸磷酸酶src同源蛋白2结构域Ras- Raf-丝裂原活化蛋白激酶(RAS-RAF-MAPK)、SRC-YAP-NOTCH和磷脂酰肌醇3激酶-蛋白激酶B(phosphoinositide 3-kinase-threonine protein kinase B,PI3K-AKT)等信号转导通路[6]。因此，IL-6可以通过以上途径发挥免疫调节作用[7]。IL-6的过度产生则会导致免疫失调，使病毒感染相关疾病迅速进展，重症COVID-19所致的ARDS就是一个严重免疫失调的例子。

2 IL-6在免疫系统中的生物学作用

IL-6是一种多效性细胞因子，由免疫细胞如树突状细胞、肥大细胞、单核细胞、巨噬细胞、活化的B淋巴细胞及T淋巴细胞等表达，也可由成纤维细胞、系膜细胞、上皮细胞以及角质形成细胞等非免疫细胞表达[2]，参与细胞增殖、分化、存活和运输等关键细胞事件。IL-6就像一把双刃剑，影响炎症反应和抗炎反应的激活和调节[5]，在固有免疫和适应性免疫系统的发育和激活中均起着重要作用。在固有免疫系统中，IL-6刺激抗菌肽和急性时相蛋白的产生[8-9]。一旦病原体进入人体，它们的病原相关分子模式也会通过先天免疫受体被检测到。这些细胞传感器被称为模式识别受体，包括核苷酸结合的寡聚化结构域样受体、Toll样受体、DNA传感器和RNA传感器[10]。在病毒感染中，这些不同的免疫细胞病原体识别受体也能够检测和结合不同的病毒病原相关分子模式，并激活包括IL-6在内的炎性细胞因子的转录因子，增加这些细胞因子的产生[11]。在适应性免疫系统中，IL-6具有广泛的活性。在体液免疫方面，它可以通过调节IL-21的表达来增加IgG的产生[12]，参与B细胞被抗原激活并分化为IgM、IgA过程；细胞免疫方面，该细胞因子在幼稚CD4+T细胞分化中起着重要作用。可刺激CD4+T细胞产生IL-4，来抑制1型T辅助细胞(T helper 1 cell,Th1)分化，从而使Th1/Th2平衡偏向Th2，刺激Th2产生。并且，IL-6联合转化生长因子β可促进Th17细胞的发育和功能，从而产生IL-17[13]；它也能诱导激活CD8+T细胞(即细胞毒性T淋巴细胞，CTL)，使其在抗肿瘤和抗病毒防御中发挥重要作用。IL-6的另一个基本功能是参与白细胞的运输，特别是中性粒细胞，这在感染中最常见。在某些情况下，与其他炎性细胞因子一起，能够引发细胞因子风暴，并通过免疫反应和机制的失调导致组织损伤。IL-6在病毒感染中破坏有效免疫反应的另一个副作用是增加程序性细胞死亡蛋白1和程序性死亡配体1等抑制分子的表达[14]。因此，在病毒感染的情况下，患者体内IL-6水平的升高与病毒复制的增加和病毒感染的持续性呈正相关[15]。另外，有研究表明IL-6是血管内皮生长因子表达和肺泡上皮细胞血管通透性的核心调节剂[16]，与肺泡中渗出液增加密切相关。

3 IL-6在COVID-19致ARDS中的作用

IL-6参与调节多种宿主免疫反应。相关基础研究表明，IL-6与肿瘤坏死因子α和IL-1β一起，可以影响病毒感染中的许多成分和免疫反应[17]。IL-6可能通过参与T和B淋巴细胞相关反应的调节，抑制炎症，刺激肺组织修复，抑制病毒感染的肺内皮细胞凋亡，对IL-6缺陷小鼠的生存和病毒清除起关键作用[18]。另一方面，有临床研究表明，在一些病毒感染中，如COVID-19，IL-6的表达过度增加，会对肺组织造成多重损害，并导致感染进展[19]。

3.1IL-6在COVID-19致ARDS免疫发病机制中的作用 ARDS是COVID-19最常见和最严重的并发症，早期数据显示，新冠肺炎ARDS的病死率可达40%～50%。呼吸衰竭被认为是COVID-19相关死亡的主要原因。对感染冠状病毒(即非典型肺炎病毒、中东呼吸综合征冠状病毒和新型冠状病毒(severe acute respiratory syndrome coronavirus 2,SARS-CoV-2))的患者的研究表明，淋巴细胞减少和细胞因子风暴是这些患者的两个重要的免疫病理结果[20-22]。细胞因子风暴的发生与多种细胞因子(包括IL-1、IL-2、IL-6、IL-10、IL-17、粒细胞集落刺激因子、TNF-α等)和趋化因子(CCL1、CCL3、CCL10等)的合成失调有关，反映了先天性免疫和获得性免疫(Th1和Th17)的病理性激活。这些细胞因子浓度的显著升高可导致炎症加剧和失控，导致多脏器功能衰竭(multiple organ failure，MOF)，甚至死亡。在感染SARS-CoV-2的病例中，细胞因子风暴也是COVID-19进展为ARDS病例的显著特征[23-24]。在这些病例中，导致ARDS和多器官功能障碍综合征的是免疫反应，而不是病毒本身的作用。

因此，了解IL-6在COVID-19所致ARDS的免疫发病机制中的确切作用至关重要。在COVID-19中产生IL-6和巨噬细胞集落刺激因子，激活的T细胞也激活炎症单核细胞，然后以级联放大的方式产生和分泌IL-6，形成严重的过度免疫反应。这样，在杀死SARS-CoV-2的同时，免疫细胞也猛烈攻击肺泡组织中的正常细胞，导致极端的“自杀式攻击”，从而形成细胞因子风暴。肺组织中的非免疫细胞，如Ⅱ型肺泡上皮细胞和肺成纤维细胞也能产生IL-6[2]。SARS-CoV-2感染Ⅱ型肺泡上皮细胞后，细胞内RNA传感器可以识别病毒RNA及其下游信号通路，从而激活干扰素调节因子3和核转录因子κB，最终产生I型干扰素，以及导致细胞因子风暴和多器官功能衰竭的IL-6等炎性细胞因子和趋化因子。此外，Ⅱ型肺泡上皮细胞和巨噬细胞产生IL-8和IL-6可将中性粒细胞募集到肺泡。随后，IL-6介导的中性粒细胞活化可以通过产生血小板激活因子、白三烯、活性氧以及其他蛋白酶来干扰肺泡上皮液体运输和Ⅱ型肺泡上皮细胞表面活性物质的产生[25]。由此，肺组织内大量的免疫细胞、IL-6等细胞因子以及代谢物堆积，造成肺泡气体交换障碍，最终导致ARDS发生。进而，缺氧和炎性物质的大量渗出又可继发凝血功能障碍、MOF等一系列病理状态，甚至死亡。

3.2IL-6在重症COVID-19致ARDS中作用的临床研究 重症COVID-19患者多在发病一周后出现呼吸困难和(或)低氧血症，严重者可快速进展为ARDS。IL-6则在ARDS发生发展过程中起着至关重要的作用。发生COVID-19后，这种细胞因子的血清浓度升高，尤其是在重症患者，这也得到了大量研究数据[26-31]的支持。纽约的一项研究表明，较高的IL-6水平是疾病严重程度和死亡的独立和重要的预测因子[26]。武汉早期的一项研究显示，重症患者入院时IL-6水平明显高于非重症患者[27]。基线IL-6升高与双侧、间质性肺损害呈正相关，与住院期间最高体温密切相关，并与糖皮质激素、人免疫球蛋白、住院期间机械通气治疗均有关。该研究表明，IL-6水平升高提示病情加重，其动态变化可作为重症COVID-19患者病情监测的一项重要指标。对COVID-19病例(1 302例)的荟萃分析显示[28]，重症COVID-19患者的IL-6水平是轻、中度患者的2.9倍(P<0.001)。其他研究表明，IL-6浓度升高与ARDS的进展(P=0.030)和死亡风险相关[29]。根据另一项纳入9项研究的荟萃分析，重症COVID-19患者的IL-6平均浓度显著高于非重症患者(平均差值为38.6 ng/L，P<0.001)，此荟萃分析显示，IL-6浓度升高与病死率增加显著相关[30]。当IL-6浓度>55 ng/L时，发生重症COVID-19的风险增加，当IL-6浓度>80 ng/L时，死亡风险增加。该研究表明，IL-6是一个重要的炎症标志物，可以指导临床医生在病程早期识别重症COVID-19患者。 有研究显示，IL-6浓度升高与机械通气需求密切相关[31]。这也反映了IL-6水平越高，机械通气需求越高，这部分患者的病情也更重。综上所述，基线IL-6水平往往可以预测患者COVID-19的严重程度及ARDS的发生，其浓度也会随病情变化而产生一致的波动，基于此，临床医生可以通过监测IL-6水平来辅助推测患者病情走向，并做出更合理的治疗决定。

许多研究者提出，这些初期的新冠肺炎IL-6数据的准确性还受其他因素的影响，比如，在评估COVID-19研究中，许多研究数据不完整、使用的ICU入院标准及对疾病严重程度的定义不统一，甚至许多入组患者接受了已知影响细胞因子浓度的治疗。再者，当患者处于疾病进展的不同时期(采样时机不同)，数据的准确性也会受影响。但事实上，一系列以细胞因子为中心的COVID-19危重患者前瞻性研究报告称，无论是绝对值还是相对于其他炎症气道条件，如严重的社区获得性肺炎，IL-6浓度都是显著升高的[32-33]。

与其他导致ARDS的原因相比，COVID-19的特点是循环细胞因子水平升高不显著，但即使IL-6水平升高程度较感染性休克中低[34]，也足以确定COVID-19患者有呼吸衰竭的高风险(IL-6>80 ng/L，AUC=0.98)[31]。虽然一般情况下，SARS-CoV-2病毒载量与COVID-19的严重程度无关[35]，但在重症COVID-19患者的血清中通常可以检测到SARS-CoV-2 RNA，并伴有IL-6水平的显著升高[7]。研究表明，重症COVID-19患者血清病毒载量与IL-6水平呈显著正相关，这种病毒载量与ARDS的严重程度和肺组织损伤相关[7]。种种证据都表明IL-6在SARS-COV-2感染患者中可能具有破坏性作用。

鉴于上述观察结果，很明显，IL-6在重症COVID-19的发生发展中扮演着重要的角色，可被视为潜在的诊断生物标志物和治疗SARS-COV-2感染的合适靶点。

4 小结和展望

IL-6是一种多效性的细胞因子，在感染SARS-CoV-2后病毒清除及肺组织修复中起着重要的作用。另一方面，炎症反应失调可能导致肺损伤，导致ARDS、MOF，甚至死亡。虽然目前的数据不足以确定失调的细胞因子反应在COVID-19中的确切作用和范围。但目前临床上多数研究仍认为，细胞因子风暴理论可能是COVID-19患者病情恶化乃至死亡的重要原因之一，IL-6则在细胞因子风暴中起关键作用，与肺损伤严重程度以及患者的预后密切相关，可作为新冠肺炎ARDS患者评价的生物标志物。因此，监测COVID-19患者体内细胞因子，特别是IL-6的动态变化可以及早预警细胞因子风暴的发生，并且有助于监测重症、危重症COVID-19患者的病情进展及辅助判断预后。科研工作者可以开发一种包括IL-6在内的评分系统来指导临床医生在病程早期识别重症COVID-19患者，从而协助ARDS的快速诊断和危险分层，同时，有助于实施靶向治疗和个体化治疗，从而实现ARDS的精准治疗。