IL-6在慢性阻塞性肺疾病发病机制中的作用及研究进展

孙文杰 李业山

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)是一种异质性肺部疾病,其特征是由气道异常(支气管炎、细支气管炎)和/或肺泡异常(肺气肿)引起的慢性呼吸道症状(呼吸困难、咳嗽、咳痰),并且这些气道的异常改变导致了持续性、进行性加重的气流阻塞[1]。COPD的发病机制尚未完全阐明,针对其异质性,目前仍缺乏个性化治疗方案,这进一步增加了COPD的死亡率。据统计,COPD现已是全球除传染性疾病外的第三大致死疾病,全世界每年因COPD而死亡的人数高达数百万,造成了巨大的医疗和经济负担[2]。然而,由于环境污染、人口老龄化等因素,COPD的患病率仍在不断上升[1]。因此,迫切需要寻找针对COPD发病机制的治疗靶点,而白细胞介素-6或许是一个潜在的研究方向。研究发现在COPD患者的血液、痰液及肺泡灌洗液中,不仅IL-6水平升高,而且其可溶性IL-6受体(sIL-6R)也有增加[3]。此外,分子层面的研究证实了IL-6相关信号通路,如STAT3(signal transducers and activators of transduction 3,STAT3)等在COPD中异常激活[4]。可见IL-6和COPD之间确实存在着某种紧密的联系。

一、IL-6概述

白细胞介素-6(interleukin-6,IL-6)在1980年首次由WEISSENBACH等发现,最初被命名为β2干扰素,直到1986年才被统一命名为IL-6。IL-6是一种主要由四个螺旋束(A-D)组成的单链磷酸化糖蛋白,其通过和细胞表面的Ⅰ型受体复合物结合传递信号。Ⅰ型受体复合物由配体结合糖蛋白IL-6受体(IL-6R)和信号传导成分gp130(glycoprotein 130)组成,而IL-6R以膜结合型(mIL-6R)和可溶型(sIL-6R)两种形式存在。IL-6可由单核细胞、巨噬细胞、淋巴细胞、成纤维细胞等多种细胞产生,在调节免疫和炎症方面发挥着重要的作用,其发挥功能主要通过两种信号转导通路。IL-6在经典信号通路中与mIL-6R结合发挥抗炎作用,在反式信号通路中则通过和sIL-6R结合发挥促炎作用[5]。IL-6发挥生物作用的具体步骤如下:首先与其受体(mIL-6R/sIL-6R)结合形成二聚体,然后与gp130结合形成异三聚体,进一步与另一个异三聚体结合形成六聚体复合物。最后,这个六聚体复合物激活Janus 激酶(JAK)进而导致相关转录因子的激活。JAK又可以通过不同途径激活丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)、磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K),因此IL-6相关信号通路有JAK/STAT3、ERK/MAPK、PI3K/AKT等。此外JAK/STAT3等信号通路有助于NF-κB(nuclear factor Kappa-B,NF-κB)信号通路的激活。在炎症、自身免疫和肿瘤性疾病中,IL-6主要通过JAK/STAT3信号通路发挥作用[6]。

二、IL-6在COPD发病机制中可能起到的作用

1 IL-6基因多态性与COPD的相关性

人类IL-6 基因位于染色体7p15-21区域,由4个内含子和5个外显子组成,其多态性与风湿免疫、癌症等多种疾病相关。在COPD中研究较多的是IL-6单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism,SNP)与其发病的易感性。虽然目前有IL-6-174G/C(RS1800795)、IL-6-572G/C(RS1800796)、IL-6-597G/A(RS1800797)、RS1818879等多个研究位点,然而具体哪些位点和COPD相关尚无定论。IL-6-174G/C是研究较为全面的一个位点,其和COPD的相关性在不同种族的研究中得到的结果并不相同。首先在基因型分布频率方面,最初SEIFART等的研究表明:在德国白种人中,IL-6-174G/C在COPD患者和肺功能正常的对照组中的分布无显著差异,后续在西班牙人、北印度人的研究中也得到了相似的结论[7]。但是,HE JQ等发现在非西班牙裔白人COPD患者中,FEV1快速下降组的IL-6-174G/C等位基因频率显著高于非下降组(45.2%vs39.6%)[8],并提出IL-6-174G/C可能会加快吸烟者肺功能下降的速度。其次,关于IL-6-174G/C是否与循环中IL-6水平相关至今仍有争议。很早以前的研究认为IL-6-174G/C可以控制IL-6转录速率,和血清IL-6的水平相关,但是Ahluwalia等最近的一项大型临床研究表明在欧洲血统人种中IL-6-174G/C多态性和循环IL-6水平无显著相关[9]。至于在其他种群中是否相关,仍需要更多的研究去证实。类似的,在IL-6-572G/C和COPD相关性研究中,既往研究表明在西班牙人种中,IL-6-572G/C可以降低人群患COPD的风险[10],但是在中国汉族人群的研究中这一结论并没有得到证实[11]。可见,现有研究的结果不是一致的,造成这种结果的原因是多方面的:不同的研究设计方案、不同种族的人群以及统计学方法的差异等。根据目前资料推测IL-6 SNP和COPD可能相关,但这种相关性限定于某些种族的某个位点或者某些位点(单倍型)。总之,虽然IL-6 SNP和COPD是否相关尚不确定,但是深入基因、分子领域的研究将有助于更深层次的解密COPD的发病机制。

2 IL-6与COPD中炎症的联系

COPD是一种全身性炎症疾病,这种炎症的特征不仅在于中性粒细胞、肺泡巨噬细胞、淋巴细胞数量的增加,而且细胞因子、趋化因子等多种促炎介质也会分泌增多。此外,COPD肺部炎症的溢出会导致其他系统的共病。由于COPD炎症反应的复杂性,从大量的炎性细胞及炎性介质中寻找有效的标志物成为COPD治疗的关键。就细胞因子而言,在大部分COPD患者的血清中能发现升高的IL-6、CRP等炎症因子,而IL-6在抗炎和促炎方面发挥着重要的作用。IL-6不仅能诱导急性期反应,还能通过活化B细胞、T细胞诱导特异性细胞和体液免疫应答[12]。可见IL-6持续过量的产生会导致炎症反应的失衡,对机体造成损伤。Hubeau C等通过向由香烟烟雾(cigarette smoke,CS)/Poly(I:C)(Toll-Like Receptor 3)诱导的COPD相关急性肺炎小鼠模型中注射IL-6中和抗体,观察到实验组小鼠中出现较低的淋巴细胞和单核细胞计数,以及肺泡灌洗液中淋巴细胞、中性粒细胞和巨噬细胞数量的减少[13]。以上研究证实了IL-6和COPD的肺部炎症相关,针对性降低IL-6水平可以减轻肺部炎症。此外,Prudente R等通过对COPD病人的随访发现,即使在稳定期,部分患者IL-6水平也会持续升高[14]。而在COPD急性加重期(acute exacerbation of chronic obstructive pulmonary disease,AECOPD),血清IL-6水平急剧上升,且明显高于稳定期,这表明IL-6的升高可能和COPD炎症的急剧加重有关。COPD患者肺部炎症的急性发作常由呼吸道感染和其他环境因素触发,其中呼吸道感染大多由细菌和病毒引起。分析文献发现,部分细菌和病毒的感染会刺激IL-6相关基因表达的增加[3,15]。例如,铜绿假单胞菌鞭毛蛋白可以通过P38 MAPK信号通路(P38 mitogen-activated protein kinase,P38MAPK)使IL-6产生增多[15];而肺部流感嗜血杆菌感染可导致sIL-6R释放增加[3]。由此我们推测在COPD由稳定向急性加重转变的过程中,IL-6的持续升高可能起到重要作用。然而在COPD急性加重期,过量产生的IL-6具体通过哪些信号通路发挥作用尚不明确,研究较多的是JAK/STAT3信号通路。Ruwanpura S M等发现针对性降低小鼠模型中STAT3水平可以减轻肺部炎症,并且IL-17A(interleukin-17A,IL-17A)可以调节IL-6/STAT3信号通路介导的肺部炎症[16]。因此,IL-6-STAT3通路、IL-17A的靶向治疗可能是未来治疗COPD炎症的靶点。其他相关通路仍需要进一步研究。另外,在COPD急性加重期中性粒细胞会产生大量sIL-6R,这些sIL-6R通过激活mTOR复合体1(mTORC1)、STAT3等可以在不含有mIL-6R的细胞上发挥作用[3],这可能和COPD肺部炎症的溢出有关。总之,IL-6参与了COPD慢性炎症的维持,急性加重的驱动和全身炎症的扩散。未来针对IL-6-STAT3等通路的研究或许会促进COPD炎症治疗的进步。

3 IL-6与肺气肿

肺气肿是COPD的表型之一,严重的肺气肿预示着预后不良。在肺气肿患者中,可以观察到异常的免疫反应,然而具体分子机制尚未明确,近年来研究表明其可能和IL-6有关。肺气肿时,IL-6表达增加,不仅可以在肺气肿患者肺泡灌洗液中发现升高的IL-6,而且在肺气肿小鼠模型中观察到sIL-6R的过量产生[3,17]。在小鼠模型中,特异性增强IL-6表达,观察到小鼠肺泡腔扩大,对IL-6基因进行敲除,则得到相反的结果[17-19]。相似的,阻断肺气肿小鼠模型的IL-6反式信号通路或使用反式信号通路拮抗剂进行治疗,也可以观察到肺气肿的改善[18]。综上可见IL-6与肺气肿的发生发展有关。Ruwanpura SM等指出IL-6主要通过反式信号通路诱导肺泡上皮的凋亡进而导致肺气肿,具体机制之一可能在于IL-6反式信号通路上调了AIM2/IL-1β(AIM2炎性小体/IL-1β)的表达[17]。特异性降低IL-6水平或者对其信号通路进行阻断对改善肺气肿具有一定帮助,未来仍需对其分子通路进一步研究。

4 IL-6和气道黏液高分泌

气道黏液高分泌(airway mucus hypersecretion,AMH)是COPD重要的病理特征之一,在COPD中,AMH可由炎症、氧化应激等因素引起。黏液的分泌由黏蛋白控制,研究表明COPD中AMH主要与黏蛋白5AC(MUC5AC)和黏蛋白5B(MUC5B)有关[20]。而IL-6在调控黏蛋白5AC和黏蛋白5B的表达方面发挥着重要的作用。Wei YY等发现COPD患者血清中MUC5AC浓度增加与IL-6水平呈正相关,通过IL-6或IL-6Ab(IL-6中和抗体)刺激小鼠模型,可以观察到MUC5AC蛋白表达的增加或者下降[21]。Chen Y等的研究证实了IL-6对黏蛋白MUC5B和MUC5AC基因表达的影响呈剂量依赖性,而且这种依赖性在低浓度和高浓度时都存在[22]。分析文献推测IL-6在AMH中发挥作用的机制可能有以下几个方面:IL-6直接或间接作用于杯状细胞、肺上皮细胞引起气道黏液高分泌;通过调节白介素-13、白介素-17促进黏液生成,后者可能与ERK(extracellular signal-regulated kinase)信号通路有关[20-22]。此外,最近有学者提出IL-6抗体通过诱导Nrf2(nuclear factor erythroid 2 related factor 2)核转位显著减轻COPD气道黏液高分泌[21]。通过干预IL-6可能会治疗COPD的AMH,但其分子机制仍需进一步探讨。

三、IL-6和COPD临床预后

1 IL-6与AECOPD

在COPD急性加重期,患者血清的IL-6较稳定期明显升高,Ghobadi H等根据GOLD分级标准对患者进行分类,发现AECOPD患者血清IL-6水平在Ⅰ～Ⅳ级均高于稳定期水平,并且Ⅲ～Ⅳ级显著要高于Ⅰ～Ⅱ[23]。上述研究表明IL-6和COPD的严重程度有关。就具体的IL-6数值而言,一项研究的数据表明血清IL-6平均值在急性加重期和稳定期分别为(80.93 ± 33.52)ng/mL和(27.68 ± 17.27)ng/mL[24],可见两者之间差值较大。IL-6在急性加重期和稳定期的显著差异暗示IL-6可能是AECOPD的有效预测因子。Song W等研究发现相对于PCT和CRP,IL-6预测AECOPD的ROC曲线下面积为0.773,高于CRP(0.764)和PCT(0.647),并指出当IL-6的Cut-off值为5.262时,IL-6的敏感度和特异度分别为71.7 %和78.3 %[25]。Huang H.等指出IL-6≥14.03ng/mL是预测下一年出现≥2次急性加重的独立危险因素[10]。可见IL-6对于AECOPD的预测有一定的价值。频繁的急性加重增加了患者死亡的风险,对急性加重的准确预测和对加重期间的恰当治疗非常重要。而IL-6在AECOPD治疗措施的选择方面也有一定的提示作用。研究表明IL-6联合CAT(COPD assessment test)评分对AECOPD患者48 h内是否需要呼吸机治疗具有预测价值,该研究中呼吸机治疗组IL-6平均值为[(122.93±21.34) ng/mL],对照组则为[(103.69±18.51) ng/mL][26]。综上所述,IL-6在预测COPD急性加重和急性加重期治疗方案的选择这两方面均有一定的指导意义。

2 IL-6和肺功能

既然IL-6在肺气肿和黏液高分泌等方面均相关,那么在肺功能方面,IL-6与COPD肺功能相关指标的变化是否也同样有相关性。研究表明在中重度COPD稳定期,患者痰液中IL-6的水平越高,其FEV1%pred下降的速度就越快,并且稳定期FEV1快速下降可能和细菌慢性定植有关[10]。通过测量COPD急性加重患者治疗前后血清IL-6和 FEV1的数值,可以发现随着IL-6水平的下降,FEV1随之上升[27],这表明IL-6和FEV1之间可能存在某种关联。PINTO-PLATA等推测IL-6是反映呼吸困难和肺活量变化的最佳细胞因子[28],但是这个结论是通过统计学的方法得到的,仍需要更多的研究来证实。有趣的是,在有关IL-6相关的非密码RNA方面的研究中发现,COPD患者血清中lncIL-6-AS1表达水平升高,并且和肺功能指标 PEF%pred、FEV1%pred、FEV1/FVC(%)呈负相关[27]。可见IL-6与肺功能多个指标有关,也许IL-6可以作为预测未来肺功能下降指标的有益补充。

3 IL-6和COPD死亡率

血清IL-6对稳定期COPD患者死亡率是否有影响尚存在争议。Ferrari R等通过对稳定期COPD患者长期随访发现,IL-6与COPD患者的死亡率呈正相关,即IL-6水平越高,患者死亡的风险越大[29]。然而Prudente R等的研究却表明在随访期间IL-6虽然呈进行性升高,但对死亡率却无明显影响[14]。对于AECOPD,分析文献发现,把IL-6归为AECOPD患者死亡的独立危险因素的研究较少。但是根据IL-6和肺气肿、AMH之间的联系,我们推测IL-6越高,患者病情越严重,预后可能不佳。这个推测需要进一步研究去论证。或许把IL-6和其他细胞因子相结合可以更好的预测COPD患者的预后和死亡风险。

四、总结和展望

IL-6作为一种调节炎症和免疫的细胞因子,在COPD发生发展中起到重要的作用,与COPD的易感性、严重程度、预后等方面息息相关。IL-6不仅仅可以作为一种生物标志物用于临床预测COPD患者的预后,更重要的是作为新的治疗靶点,为COPD未来的治疗提供具体的研究方向。但是目前在IL-6和COPD相关性研究中仍存在以下问题:一些领域如IL-6 SNP是否和IL-6相关尚存在争议;在炎症、免疫等方面IL-6具体通过哪些信号通路发挥何种作用尚不确定。因此,未来需要更多的大型基础研究去发掘和论证IL-6在COPD发病机制中的作用。