白细胞介素-6和JAK2/STAT3信号通路在急性肺损伤中的作用

张丽敏， 祁亚锋， 韩冰阁， 牛 帆， 宋忠阳， 颉志英， 雍文兴， 张志明

自1967年出现关于急性肺损伤(acute lung injury， ALI)的描述以来，其临床表现有着不同的定义。1994年美欧联席会议指出，ALI和急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome, ARDS)是属于同一疾病过程中的两个阶段，在2012年统一定义为ARDS，并根据氧合指数分为轻、中、重三种程度[1]。尽管ALI的历史可以追溯到五十年前，但其治疗进展实际上只有二十余年，复杂的发展过程与临床病症使得该综合征仍无特效治疗手段[2]。因此从现代医学角度出发，对ALI生物标志物、适当的治疗靶点及信号通路进行探讨，以期能有效转化，为临床患者服务。

1 ALI的发病机制

ALI是由各种感染、非感染致病因素导致的急性、弥漫性炎症性肺损伤，是危重的呼吸系统疾病之一，病死率高且重症患者预后较差[3]。研究[4]表明，ALI占所有重症监护病房(ICU)住院患者的10%以上，占所有住院患者的4%。ALI发病因素复杂，机制尚未完全阐明，其病理特点为肺泡-毛细血管膜屏障破坏，炎症细胞迁移能力增强和促炎细胞因子大量产生[5]。从根本上说，肺血管内皮细胞和肺泡上皮细胞的炎症损伤是导致肺功能丧失的主要原因[6]。多种炎症细胞参与ALI发病的全过程，如肺损伤通常会触发上皮细胞的促炎症反应，吸引巨噬细胞、中性粒细胞和趋化因子介导炎性血脑屏障。尽管促炎症是一种防御反应，但也可能导致严重问题，肺内急性炎症反应导致肺泡水肿、肺顺应性降低和低氧血症[7]。而在上皮细胞和内皮细胞上发现的炎症和凝血级联的生物标志物，可以预测ALI的发病率和病死率。应激后促炎细胞因子增加，可作为肺生理损伤程度的标志和正在发生的细胞损伤的标志。对于促炎细胞因子肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白细胞介素-1β(IL-1β)、白细胞介素-6(IL-6)、白细胞介素-1(IL-1)和白细胞介素-18(IL-18)的研究最多，其中IL-1、IL-6、白细胞介素-17A(IL-17A)是启动肺部炎症反应的主要介质[8]。IL-1β与TNF-α也被称为早期反应细胞因子，具有进一步触发其他促炎细胞因子分泌的作用。研究表明，有害因素影响肺内外环境时，可刺激IL-1β与 TNF-α快速分泌抗炎细胞因子，以维持炎症平衡，但当有害因素持续而强烈损伤机体时，促炎、抗炎平衡被打破， 早期反应细胞因子可反向促进IL-1、IL-6、白细胞介素-12(IL-12)等一系列促炎细胞因子及趋化因子的活化及释放，形成失控的炎症反应，引起级联放大的“瀑布效应”，这一过程也被称为细胞因子风暴[9]。

2 IL-6、非受体型酪氨酸蛋白激酶2(JAK2)/信号转导及转录激活蛋白3(STAT3)

2.1IL-6信号通路

细胞因子是具有免疫调节功能的糖基化蛋白，在感染和炎症过程中起重要作用，IL-6是由多种细胞类型产生的多功能细胞因子,生物活性广泛，主要表现在免疫调节、造血、炎症和肿瘤发生等方面，其生物活性由膜结合型白细胞介素-6受体(inter leukin-6 receptor, IL-6R) 和可溶性白细胞介素-6受体(soluble inter leukin-6 receptor, sIL-6R) 介导，并且IL-6R和sIL-6R可通过两种不同的信号转导方式参与其下游信号通路的激活，分别称为经典信号转导和跨信号转导[10]。

在典型的IL-6信号转导中，IL-6结合其膜结合受体(IL-6R)， IL-6/IL-6R复合物诱导糖蛋白130 (gp130)二聚化，进而激活下游的非受体型酪氨酸蛋白激酶(JAK)和信号转导及转录激活蛋白(STAT)[11]。然而，该受体仅在肝细胞和白细胞的某些亚群上表达。故其他所有不表达膜结合的IL-6R的细胞都通过反式信号转导获得IL-6信号。在反式信号转导途径中，IL-6与IL-6R的可溶性形式(sIL-6R)结合，这种激动性的IL-6/sIL-6R复合物原则上可以激活所有细胞，且与gp130的表达统一。与具有抗炎特征的传统信号转导不同，反式信号转导负责IL-6的促炎作用[12]。

2.2IL-6、JAK/STAT

IL-6信号的进一步传递是通过JAK/STAT、丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)-磷脂酰肌醇-3激酶(PI3K)途径进行的[13]。其中STAT被JAK磷酸化，进而以二聚体形式通过核膜转运到细胞核，调控相关基因的表达。该通路被称为JAK/STAT信号通路，它也被称为IL-6信号通路，是近年来发现的细胞因子刺激的信号转导通路。该信号通路是被超过70种细胞因子利用的主要信号通路，在启动先天和适应性免疫反应并最终抑制多种炎症反应中起关键作用[14]。JAK家族是一组非跨膜酪氨酸激酶(JAK2、JAK1、JAK3和TYK2)，选择性地与细胞因子受体通过磷酸化的酪氨酸残基链和调解信号途径中的各种蛋白质,包括自己和受体链及转录因子，而STATs结合受体上磷酸化的酪氨酸残基，在JAKs磷酸化后，STATs二聚和易位到细胞核，在那里它们结合到脱氧核糖核酸(DNA)，可以激活或抑制转录。在哺乳动物中，STAT家族共有7个成员(STAT1、STAT2、STAT3、STAT4、STAT5A、STAT5B和STAT6)，其中STAT3具有更广泛的生物功能，可以被许多细胞因子活化[15]。

2.3IL-6、JAK2/STAT3信号通路 生长因子(EGF、TGF-α、EPO、IL-1、CSF等)和细胞因子(IFN、IL-2、IL-6、CNFT等)不能穿过细胞膜，必须激活细胞内信号分子才能引起靶细胞反应，而JAK/STAT信号通路是一种普遍表达的细胞内信号转导通路，细胞因子可利用该信号参与细胞增殖、分化、凋亡和免疫调节等许多重要的生物学过程[16]。其中JAK2/STAT3信号通路的持续激活与许多免疫和炎症性疾病密切相关，如类风湿性关节炎(rheumatoid arthritis, RA)、炎症性肠病、脓毒症、肿瘤和癌症等。有研究[17]发现，JAK2/STAT3通路的激活在多种实体肿瘤的增殖、生存、分化和血管生成等过程中发挥关键作用。一项研究[18]表明，JAK2特异性抑制剂AG490抑制STAT3激活,可阻断STAT3磷酸化、细胞运动和诱导IL-6的产生。因此，IL-6通路可能导致透明细胞卵巢癌的预后恶化。近年来有研究发现，JAK2/STAT3信号通路与呼吸系统疾病密切相关，如有学者基于网络药理学研究薄荷油(MEO)衍生的精油对暴露于PM10哮喘的抑制作用，发现细胞因子-细胞因子受体的相互作用和JAK2/STAT3被认为是MEO治疗哮喘的潜在机制，MEO治疗可明显降低IL-6水平，同时通过MEO、PM10诱导的JAK2/STAT3磷酸化明显降低[19]。在靶向JAK2/STAT3信号通路抑制肝肺综合征(HPS)大鼠肺微血管内皮细胞增殖的研究[20]中证明，IL-6可以刺激JAK2/STAT3通路，可促进微血管内皮细胞(PMVEC)的细胞增殖，从而为预防HPS提供一种新的治疗策略。 IL-6、JAK2/STAT3通路是在疾病发病过程中参与调节炎症反应的主要信号通路。IL-6在炎症反应中能够促进内皮通透性的增加，而在脂多糖(LPS)诱导的ALI中，抑制STAT3活性可改善肺炎症反应[21]。

3 IL-6、JAK2/STAT3信号通路与ALI

3.1LPS介导的ALI 研究证明，在LPS介导的ALI模型大鼠中，STAT转录因子在肺中可以被迅速激活，且LPS以与STAT激活相一致的动力学激活肺中的STAT激酶JAK。并且研究表明，在培养的上皮或内皮细胞中，直接LPS处理不会导致STAT激活，而在这两种细胞类型中，IL-6都会激活STAT3。此外，IL-6在血清和肺中被LPS诱导，其动力学与STAT3激活相一致，表明IL-6可能是LPS激活STAT的一种机制[22]。在微小RNA-216α(miR-216α)通过调节LPS减轻LPS诱导ALI的JAK2/STAT3信号传导中发现，miR-216α的过表达，抑制了LPS诱导的细胞凋亡和自噬，且miR-216α过表达时，LPS引起的炎症反应减弱，其特征在于IL-1β、IL-6和TNF-α分泌的下调和改善的肺通透性，延长了ALI小鼠的生存期[23]。同时有研究[24]表明，促红细胞生成素(EPO)可以通过抑制Nod样受体蛋白3(NLRP3)炎性体，有效减轻小鼠LPS诱导的肺损伤，这取决于JAK2/STAT3信号的激活和核转录因子(NF)-κB通路的抑制。

3.2脓毒症/胰腺炎介导的ALI IL-6、JAK2/STAT3信号通路是细胞因子和生长激素受体信号必不可少的通路，在ALI病理过程中，可以通过抑制IL-6、JAK2/STAT3信号通路激活, 减少炎症介质分泌，从而缓解或治疗ALI。有研究[25]表明，胰腺炎引起的肺损伤不良临床结局与血清IL-6升高有关。已有研究[26]证明，IL-6、JAK2/STAT3信号通路，在胰腺炎诱导的肺损伤风险中起关键作用。同时，该信号通路还与氧化和炎症反应相关。且在Hydrostatin-SN10通过影响IL-6诱导的JAK2/STAT3相关炎症和氧化应激改善胰腺炎诱导的肺损伤研究[27]中表明，IL-6是一种常见的与肺损伤相关的炎症细胞因子。IL-6可能通过激活JAK2/STAT3信号通路，抑制增殖、促进凋亡、促进肺损伤，而Hydrostatin-SN10能明显抑制胰腺炎所致的肺损伤，通过灭活JAK2/STAT3磷酸化，明显降低IL-6水平，改善肺组织损伤。TNF-α、IL-1β、IL-6和一氧化氮等是重要的促炎细胞因子，这些细胞因子相互作用，并伴有扩张性级联反应，加速脓毒症诱导ALI的进展，改变血管通路通透性，导致肺水肿形成[27]。在乌司他丁通过抑制JAK/STAT3通路保护脓毒症诱导大鼠ALI研究[28]中发现，大量细胞因子和可溶性因子信号均可通过JAK-STAT途径相互作用。并且JAK和STAT基因的突变和多态性与许多人类炎症疾病密切相关，其中STAT3信号下游IL-6对于炎症的分化至关重要。

3.3其他 在ALI的发病机制中，血管内皮生长因子(VEGF)在调节血管屏障功能中起着不可或缺的作用。有研究[29]表明，用JAK2抑制剂AG490处理的野生型C57BL/6小鼠表现出较低的血管渗透性，证实JAK2在VEGF诱导的血管渗透性中具有明显作用，且JAK2和STAT3信号转导级联可以有效调节血管屏障的完整性。细胞因子信号转导抑制因子3 (suppressor of cytokine signaling 3, SOCS3)可以有效抑制炎症反应。有研究[30]证实，SOCS3通过负调控JAK2/STAT3信号通路，能够抑制过度的炎症因子，防止过度产生对细胞造成不可逆的损伤，并刺激各种抗炎物质，抵抗严重急性胰腺炎大鼠肺部炎症损伤。在高糖(HG)处理后A549人肺上皮细胞中，SOCS3过表达，可减弱HG诱导的p-JAK2和p-STAT3升高，表明SOCS3是JAK2和STAT3信号通路的负调控因子，参与糖尿病肺损伤发展过程中高血糖诱导的细胞反应[31]。也有研究[32]表明, SOCS3是通过抑制STAT3激活参与IL-6家族细胞因子的信号转导调控，但SOCS3调控JAK2/STAT3信号通路和调节肺部炎症反应的分子机制有待进一步研究。

4 中药治疗在ALI中的作用

随着中医药事业的发展，中药相关成分治疗ALI也显示出明显优势。如紫檀烯(PTS)能明显抑制外周血和肺组织中炎性细胞因子(TNF-α、IL-6及MCP-1)的表达，提示PTS可能通过抑制炎症反应在肺中发挥保护作用，且能明显抑制JAK2和STAT3的磷酸化水平[33]。红景天苷(SAL)通过抑制JAK2/STAT3通路的激活和阻止STAT3向核转移用以减轻炎症反应的研究[34]中表明，在LPS诱导小鼠ALI模型中，SAL明显减少炎症细胞浸润，降低血清TNF-α和IL-6水平，且证实SAL通过抑制JAK2/STAT3信号通路激活和STAT3核易位发挥抗炎作用，故JAK2/STAT3在炎症反应中具有明显优势和保护作用。在LPS诱导大鼠ALI模型中发现，姜黄素具有治疗ALI潜力，其机制可能与抑制JAK2/STAT3通路激活, 减少分泌炎症介质有关[35]。并且有研究[36]表明，中药复方清瘟败毒饮干预脓毒症ALI模型大鼠，可以降低炎性因子，抑制JAK2/STAT3信号通路转导，可有效调节通路中重要的负反馈蛋白。以上结果表明，IL-6、JAK2/STAT3信号通路的激活与肺损伤导致的炎症反应有着密切联系，值得临床进一步深入研究。

细胞内信号转导与转录激活因子在疾病发生、发展的过程中发挥关键作用，随着对ALI发病机制的深入研究，JAK2/STAT3的过度激活与抑制引起人们关注。越来越多证据表明，IL-6、JAK2/STAT3信号通路在各种因素引起的ALI中起到重要作用，它的抑制与激活可能通过调控炎性细胞因子的表达参与其发生、发展，因此，针对该通路中相关蛋白和酶的特异性抑制干预，可以为ALI治疗开发新思路，成为治疗ALI研究的新方向。