IL-1 家族在心血管疾病中的作用及其研究进展

林恒秀，张园园，张缤月，吴月惟，李天发

（1.海南医学院第一附属医院心血管内科，海南 海口 570100；2.海南医学院，海南 海口 570100）

1 白细胞介素-1 家族概述

IL-1 家族细胞因子是炎症反应的重要介质。根据IL-1 家族细胞因子氨基酸全长序列上C 末端上氨基酸数量的多少将其分为3 个亚家族（如图1所示），除了IL-α 可直接发挥活性作用外，其他家族成员均需先表达成前体，再经半胱天冬酶-1（Caspase-1）水解加工成活性分子发挥相应的效用［4，5］。目前研究发现该家族有11 种细胞因子，其中包括促炎因子及抑炎因子，促炎的因子有IL-1α、IL-1β、IL-18、IL-33、IL-36α、IL-36β、IL-36γ，相对应的受体拮抗剂有IL-1 受体拮抗剂（Interleukin-1 Receptor antagonist，IL-1Ra）、IL-36 受体拮抗剂（Interleukin-36 Receptor antagonist，IL-36Ra）、IL-38，抗炎因子有IL-37。在IL-1 家族细胞因子中，IL-1α 和IL-1β 更具有生物活性［6］。IL-1α 作为炎症因子不仅具备局部接触细胞表面受体功能，还可通过核定位结合至核内特定位点如氮末端氨基酸序列直接调节炎症基因的表达［7］。IL-1β 是一种经典的促炎细胞因子，炎症小体在激活Toll 样受体后，炎症细胞会产生积累并释放IL-1β 前体，并通过Caspase-1 切割形成IL-1β发挥促炎作用［8］。IL-1α 和IL-1β 都诱导局部炎症以及中性粒细胞、单核细胞和巨噬细胞的募集和激活，对炎症起着促进作用［9］。IL-1α 和IL-1β 都可被IL-1Ra 竞争性结合至IL-1 受体（IL-1 Receptor，IL-1R）而抑制其活性［4］。IL-33 可通过影响致瘤抑制因子2（Suppression of tumorigenicity，ST2）和相应的IL-1 受体辅助蛋白（IL-1 Receptor Accessory Protein，IL-1R1AcP）形成异二聚体复合物引起并调控多种炎症反应［5］。IL-18 可通过与IL-12 或IL-15 协同作用诱导1 型T 辅助（T helper 1，Th1）细胞产生干扰素-γ 介导炎症反应，同时也可激活Th17 细胞产生IL-17 促进组织炎症和损伤坏死。但在缺乏IL-12 和IL-15 的 情 况 下，IL-18 可 诱 导Th2 反 应，对 炎症起到抑制作用［10］。IL-37 通过抑制促炎细胞因子如IL-1β 和IL-6 的分泌及增强CD206 和IL-10 的表达，起着抑炎作用［11］。与其他IL-1 家族成员一样，IL-36α、β 和γ 均需要蛋白水解酶进行激活，中性粒细胞衍生的组织蛋白酶 G、弹性蛋白酶和蛋白酶-3最近已被证明在IL-36 细胞因子的加工和激活中发挥重要作用［12］。被激活的IL-36α、β 和γ 通过IL-1 家族受体成员IL-1R1AcP 与IL-1 受体相关蛋白2 特异性结合并受IL-36Ra 的调控［13］。

图1 白细胞介素-1 亚家族［4］Figure 1 Interleukin（IL）-1 Subfamily［4］

2 IL-1 家族与心血管疾病的关系

2.1 IL-1 家族与动脉粥样硬化

动脉粥样硬化是一种慢性炎症性疾病，炎症已被证明在动脉粥样硬化斑块的形成和发展中起重要作用［14］。IL-1 家族细胞因子作为细胞因子中重要的成员，可连接Toll 样受体或清道夫受体（如CD36）致IL-1α、IL-1β 和IL-18 的表达及活化增强。IL-1α 可促进内皮细胞上血管细胞粘附分子-1 的表达，介导白细胞内皮下迁移，这是动脉粥样硬化形成的重要一步。Schunk 等人发现，与野生型小鼠相比，IL-1α基因（IL-1α-/-）敲除小鼠的白细胞-内皮细胞粘附作用明显减弱，而IL-1β基因（IL-1β-/-）敲除小鼠没有观察到此类情况［15］。IL-1β 通过（1）诱导单核细胞、促成纤维细胞产生致炎因子IL-6 及诱导Th17 细胞产生细胞因子，促进慢性炎症性疾病的发展，促进动脉粥样硬化的形成；（2）促进内膜内皮细胞的粘附分子和趋化因子的表达来介导动脉粥样硬化效应；（3）诱导产生刺激血管平滑肌细胞的血小板衍生生长因子；（4）诱导氧化应激反应，促发前列腺素的产生，收缩血管的同时激活血小板。进一步 加 剧 动 脉 粥 样 硬 化 及 血 栓 的 形 成［6，16，17］。Ceneri等［18］发现，ApoE-/-小鼠的主动脉及人冠状动脉斑块中的IL-1β 表达水平显著升高。

与稳定型斑块相比，不稳定型斑块中IL-18基因表达水平显著升高。IL-18 诱导Th1 细胞在动脉粥样硬化斑块形成过程中的IFN-γ 表达异常激活，IL-18 和IL-18 受体在人动脉粥样硬化相关细胞上也存在高表达。但在Th1 细胞及IL-18 受体缺乏的情况下，IL-18 同样能介导并影响载脂蛋白E 基因缺陷小鼠（Apoe-/-）动脉粥样硬化的形成，相关的临床数据分析也证实了人血清中IL-18 高水平的表达与心血管病（CVD）风险存在正相关［19］。但最近有Meta 分析表明：IL-18 水平与CVD 发生风险的相关性还有待进一步的探讨［20］。IL-1α、IL-1β 及IL-18 在动脉粥样硬化中发挥着重要的作用，虽然有学者对IL-18 与CVD 发生的关系存在疑惑，但大部分学者认为IL-1 家族细胞炎症因子的存在及水平上调可促进动脉粥样硬化的发生及加重其发展。

2.2 IL-1 家族与急性心肌梗死

急性心肌梗死（acute myocardial infarction，AMI）发病机制主要为冠状动脉不稳定斑块破裂、出血，诱导急性血栓形成，致冠状动脉部分或完全闭塞。大量证据表明，炎症反应在动脉粥样硬化斑块形成及导致斑块不稳定过程中起着重要作用［21］。心肌发生急性炎症损伤，主要特征是炎症小体的激活和IL-1β 及其他促炎细胞因子的释放。IL-1β 可进一步加剧心肌细胞的死亡，介导AMI 发生心室结构性的变化及功能障碍［22］。Bujak 等［23］在小鼠模型中证实：抑制IL-1R1基因的表达可减轻心肌梗死所致的心肌损伤，相应地，IL-1Ra 的过度表达可减少心肌细胞凋亡，并保护心肌免受缺血损伤，由此证实了IL-1β 在心肌损伤后炎症过程中的有害作用。Woldbaek 等人发现在小鼠心肌梗死模型中，心脏组织和小鼠血浆中IL-18 的表达及血清浓度水平较对照组显著增加，使用IL-18 抗体或重组IL-18 结合蛋白阻断IL-18 时可一定程度上减轻小鼠MI 后引起的心肌损伤［24，25］。此外，有研究表明，与对照组小鼠相比，IL-1 家族细胞因子切割酶Caspase-1基因敲除（Caspase-1-/-）小鼠的心肌梗死面积显著的减少，同时发现抑制Caspase-1基因的表达可显著改善心肌缺血-再灌注损伤后的炎症反应［26］。尽管目前就IL-1 家族细胞因子在心肌梗死发生的病理过程中所起的作用在业界还存在分歧，但能确定的是IL-1 家族炎症细胞因子在心肌梗死后被异常激活，由此我们认为，IL-1 家族细胞因子在AMI 后致心肌损伤及心功能恶化过程中起着重要作用。

2.3 IL-1 家族与心力衰竭

心力衰竭是CVD 发展终末阶段，其中，缺血性心肌病是心力衰竭最常见的病因［27］。有报道，心力衰竭患者的促炎细胞因子水平升高通常与疾病严重程度相关［28］。研究表明IL-1 家族成员可能在心力衰竭进展和收缩功能障碍发病机制中发挥重要作用［27，28］。虽然IL-1α 和IL-1β 由细胞产生的机制不同，但它们在心力衰竭中作用相似，目前，IL-1α 和IL-1β 介导心力衰竭的公认的作用机制如下：（1）IL-1R1/IL-1RAcP 通过募集多种中间蛋白激活IL-1R相关激酶和肿瘤坏死因子受体相关因子-6 促进炎症的发生；（2）IL-1 通过抑制L 型钙通道和β-肾上腺素能受体解偶联致心肌收缩功能受损；（3）IL-1β 通过激活一氧化氮合酶，使一氧化氮活性增加，通过介导钙和β-AR 信号通路影响线粒体发挥正常生理功能；（4）诱导白细胞动员和激活，从而刺激下游炎症反应［29］。除IL-1 外，IL-18 在心力衰竭患者心脏组织中存在异常高表达，IL-18 在小鼠心肌肥厚模型中参与并调控了心肌功能障碍和纤维化的形成［30，31］。有相关研究表明：除心肌缺血-再灌注模型的直接心肌损伤作用，Caspase-1 在促心肌细胞凋亡的过程作用中具有长期调控作用，参与介导并促进心力衰竭的形成［32，33］。此外，IL-33 在心肌损伤修复中发挥重要作用，但是当其与可溶性ST2（Soluble Suppression of tumorigenicity ，sST2）结合时可抑制心肌细胞有益重塑并加重失代偿期急性心衰的发生［34］。IL-1 家族细胞因子不仅影响动脉粥样硬化、心肌梗死的发生，同时也影响心肌梗死的预后，加重心肌梗死后心肌纤维化及心脏不利重构，加剧心力衰竭的发生。

2.4 IL-1 家族与其他心血管疾病

IL-1 家族细胞因子还与心肌炎、结构性心脏病、肥厚型心肌病等疾病的发生、发展也密切相关［35-39］。最近Zhang 等［40］发现在RAS 激活的小鼠高血压模型中，肾脏组织中巨噬细胞发生募集后IL-1呈高表达：阻断IL-1R1 可达到控制血压升高的目的。Johnston 等［41］也报道在IL-1β 缺乏或加入腺苷酸阻断IL-1R1 后可减轻小鼠腹主动脉瘤的病理形成。IL-1β 还可以影响心肌炎的病程及诱导致心律失常的可能［6］。

3 IL-1 家族靶点治疗

IL-1 家族通过调控炎症来影响CVD 的发生、发展，阻断IL-1 家族因子的促炎作用可一定程度延缓CVD 的病程［42］。目前已有3 种不同作用机制的IL-1 阻滞剂被批准应用于临床，即Canakinumab、Anakinra 和Rilonacept。Canakinumab 主 要 被 批 准应用于成人斯蒂尔病、急性痛风性关节炎、耐秋水仙碱的家族性地中海热等免疫炎症性疾病的治疗［43-48］。Anakinra 目前用于治疗复发性心包炎、类风湿性关节炎、冷冻啉相关周期性综合征、斯蒂尔病和小儿继发性噬血细胞性淋巴组织细胞增多症等疾病治疗［49-52］。而Rilonacept 最近也已被批准用于复发性心包炎的治疗［53］。

Canakinumab是一种可中和IL-1β的单克隆抗体，CANTOS（Canakinumab Anti-inflammatory Thrombosis Outcome Study）研 究 发 现： 在10 061 名 受 试者中，与安慰剂相比，接受150 mg Canakinumab 治疗的患者发生心肌梗死或心血管疾病死亡的主要终点降低15%，同时发现150 mg Canakinumab 组还可减少行冠状动脉血运重建的发生率，显著降低心血管疾病的全因死亡率。此外，在接受Canakinumab 治疗4 年的患者中，实验组高敏-C 反应蛋白较安慰剂组下调了26%～41%，同时，心血管事件发生率 也 显 著 降 低［54，55］。 以 上 研 究 提 示，接 受Canakinumab 治疗减少炎症反应及主要心血管事件的发生率，同时也为IL-1 在动脉粥样硬化性过程中介导血栓形成提供实验依据。虽然Canakinumab 尚未被批准应用于CVD 的临床治疗，但随着对其研究的深入，Canakinumab 未来有望成为治疗CVD 的新药。

Anakinra 是一种重组人IL-1 受体拮抗剂，可竞争阻断IL-1α 和IL-1β 的生物效应。福吉尼亚联邦大学一项关于Anakinra 二期临床药物试验显示：在急性ST 段抬高型心肌梗死（ST segment elevation myocardial infarction，STEMI）患者中，实验组急性炎症指标显著降低，心力衰竭发生率及住院率显著降低［56］。同样，Del Buono 等［57］也发现在STEMI 患者中使用Anakinra 较安慰剂组可显著加速增多的白细胞计数及中性粒细胞计数的消退，提示Anakinra 可以改善AMI 的预后结果。在一项急性失代偿性心力衰竭研究中，接受Anakinra 治疗患者的C-反应蛋白较对照组下降更多，左室射血分数恢复更快［58］。在Brucato 等和Imazio 等开展的临床试验中证明了Anakinra 对急性和慢性心包炎有显著疗效［59，60］。Anakinra 已被欧洲心脏病学会确立为难治性复发性心包炎（Recurrent pericarditis，RP）的三线治疗选择，是目前治疗包括非甾体抗炎药在内的常规 抗 炎 治 疗 失 败 后RP 的 首 选 药 物［61］。 虽 然Anakinra 在CVD 中只被批准应用于RP 的治疗，但其在AMI 及急性心力衰竭的临床试验中取得显著的疗效，未来也许可应用于临床治疗AMI 及急性心力衰竭。

与前两种靶点药物相比，目前临床对Rilonacept 研究数据主要集中在RP。Rilonacept 是通过结合IL-1α 和IL-1β 从而阻断其与IL-1R1 结合的重组二聚体融合蛋白，现成为RP 一种有价值的治疗选择。Tabor 等［3］在一项用于治疗RP 的3 期临床实验中，对86 名RP 同时合并有C-反应蛋白水平升高患者予安慰剂或Rilonacept 治疗进行为期12 周的研究，结果显示Rilonacept 能迅速缓解RP 发作并可显著降低RP 再发生率。最近，Rilonacept 被美国食品和药物管理局批准用于临床治疗RP［62］。

除上述已批准可用于临床阻断IL-1 的靶向药物外，尚仍有一些靶向药物处于动物实验阶段，虽然这些因子治疗尚未被批准应用于临床，但已有大量的动物实验数据支持，为心肌再灌注-损伤提供了一种新的治疗方式。Mauro 等和Toldo 等在小鼠模型中敲除小鼠IL-1R1基因后使用重组IL-1Ra 或单克隆抗体中和IL-1α 后发现小鼠IL-1R1基因缺乏组较 对 照 组，AMI 的 梗 死 面 积 明 显 较 少［63，64］。Zhu等［65］发现在小鼠AMI 再灌注后予重组人IL-1 受体拮抗剂可减少小鼠心肌缺血-再灌注损伤。此外，Yin 等人在小鼠AMI 期间予外源IL-33 行补救实验发现：IL-33 通过结合跨模型ST2（ST2L）减少心肌梗死面积并有效抑制心室重构［66］。Guo 等［67］发现抗IL-1β 治疗可以延缓大鼠胸主动脉夹层的发展及降低大鼠的死亡率。上述实验都证实了IL-1 家族因子的药物靶点价值。

4 展望

现今大量临床研究数据已证实IL-1 家族细胞因子可通过介导血管炎症参与动脉粥样硬化、心肌梗死、心力衰竭、心包炎等CVD 的发生、发展。IL-1家族目前共发现有11 种细胞因子，其中，IL-1 与CVD 的关系尤为密切。阻断IL-1 家族因子的致炎作用或许可减缓CVD 的发展。现已有三种不同作用机制的IL-1 阻滞剂应用于临床，Anakinrah 和Rilonacept 已被批准治疗复发性心包炎，但其在动脉粥样硬化、急性心肌梗死、心力衰竭等其他CVD的治疗也显示除了良好的效果，预计未来其临床运用范围将远远大于预期。Canakinumab 在动脉粥样硬化及血栓中的治疗也处于最后的临床试验阶段，对CVD 治疗的显著效果也是值得我们关注的。目前，IL-1 家族因子在CVD 的发病机制尚不完全明确，其在CVD 治疗中的作用和潜力仍需大量试验数据的支撑及学者不断的深入研究，IL-1 靶点治疗将成为未来CVD 精准治疗的研究热点。

作者贡献度说明：

林恒秀：收集相关文献及论文书写；通讯作者：李天发：文章项目构思及审核；张园园、张缤月、吴月惟：参与文献收集、分析。

所有作者声明不存在任何利益冲突关系。