IL-37通过调控巨噬细胞极化抑制炎性疾病研究进展*

李 军 综述,颜 杉,许 杰,李 勇 审校

(重庆医科大学附属口腔医院/口腔疾病与生物医学重庆市重点实验室/重庆市高校市级口腔生物医学工程重点实验室,重庆 400015)

炎症是人体的自我防御反应,也是一把双刃剑。适度的炎症反应将帮助机体清除有害物质,激活免疫及非免疫细胞保护宿主免受侵害;但过度或持续的炎症反应将加重病变过程,造成自身器官和组织的损伤。作为炎症和免疫应答的天然抑制剂——白细胞介素-37(IL-37)在几乎全身组织均有表达,当外来刺激诱发机体的过度炎症时IL-37表达上调,避免炎症继续发展,这在多种组织中均得到证实,如病毒性心肌炎、牙周炎、过敏性炎症等[1-3]。巨噬细胞在先天免疫系统中扮演着重要角色,参与了机体各种病理及生理过程,尤其是在炎症和感染中较为活跃。炎症过程中巨噬细胞发挥2种相反的作用,M1型释放促炎性细胞因子、驱动炎症细胞向炎症部位聚集加重炎症;M2型通过释放抑炎性细胞因子、吞噬受损细胞等减轻炎症[4]。鉴于IL-37及巨噬细胞在炎症中的不俗表现,越来越多的研究不禁将其联系在一起,即多种炎症进程中除直接参与组织细胞的调控外,IL-37仍将通过调控巨噬细胞的生物学功能进一步发挥其抗炎作用,更加证实了IL-37在炎症疾病中的治疗价值。

1 IL-37的成熟、释放和抗炎机制

1.1IL-37的成熟及释放 IL-37在多种人体组织和细胞中的表达已被证实,如软骨细胞、人单核细胞白血病细胞(THP-1)细胞系、皮肤等[5-7]。然而目前为止在小鼠中并未发现IL-37的同源基因,所以,对IL-37的体内实验多是构建IL-37的转基因小鼠[8-9]。细胞产生的IL-37仍具有前体和成熟2种形式,与其他IL-1家族分子成员,如IL-1α和IL-33类似,IL-37的前体形式也是具有活性的[10]。用半胱天冬酶1～10(Caspase 1～10)和颗粒酶B在体外研究IL-37的加工过程中发现,Caspase-1的切割效率最高,而Caspase-4虽然也参与了IL-37的加工,但效率低得多,而其他半胱天冬酶则没有观察到对IL-37前体的加工作用[8]。另外在稳定转染IL-37的RAW264.7细胞中Caspase-1抑制剂和Caspase蛋白酶家族抑制剂均不能完全抑制IL-37成熟形式的产生,支持IL-37仍存在其他切割位点的假说[9]。有研究系统分析了IL-37在单核细胞中的释放机制,证实 NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3(NLRP3)、GSDMD、细胞膜通透性均参与了IL-37的释放过程;当然,当细胞发生溶解性死亡时IL-37也会随之释放[11-12]。

1.2细胞内外IL-37的作用机制 IL-37是一种双功能细胞因子,细胞内产生的IL-37既分泌至细胞外空间与其细胞表面相应的受体结合,也可进入细胞核影响其他蛋白的转录,从而发挥强大的抗炎作用。细胞外的IL-37发挥抗炎作用需与IL-18Rα结合,但IL-37与IL-18Rα形成复合物后并不会招募IL-18Rβ并形成功能性的IL-18受体复合物;相反IL-37与IL-18Rα结合后会招募IL-1受体8(IL-1R8)[3]。体外研究表明,IL-37降低了IL-1β刺激导致细胞炎症因子[IL-6、IL-8、基质金属蛋白酶13(MMP13)等]的表达上调,但用干扰RNA沉默细胞内的IL-1R8的表达后IL-37的抑制作用消失[5,13]。值得注意的是,细胞外空间中的IL-18BP也可与IL-37结合[10]。细胞外游离的IL-18BP与IL-18结合后将阻止IL-18与其受体结合产生作用,由此可想象当IL-18BP水平升高时IL-37的免疫抑制作用将会减弱甚至消失。IL-37发挥其细胞内作用需与 Smad蛋白 3(Smad3)结合形成复合物,然后进入细胞核在转录过程中发挥调控作用。IL-37与Smad3的结合在大量文献中得到验证,从最开始有学者在基于生物学的蛋白质相互作用网络中注意到IL-37可与Smad3相互作用,到后来有学者通过免疫共沉淀、免疫荧光共定位进一步证实IL-37与Smad3的结合,并且IL-37/Smad3复合物在IL-1β的刺激下在核周间隙高表达[14-15]。使用Smad3抑制剂——SIS3预处理细胞时IL-37对IL-6、IL-8、IL-1β等炎症因子的抑制消失[14,16]。表明细胞内的IL-37通过与Smad3结合而发挥作用。然而到目前为止,尚没有文献证实在IL-37发挥的抗炎作用中细胞内或细胞外途径所占的比重有多少。

2 巨噬细胞极化

根据来源的区别,巨噬细胞主要包括卵黄囊衍生巨噬细胞和骨髓衍生巨噬细胞,其广泛存在于体内,以维持体内稳态和抵抗病原体入侵。尽管来源不同,巨噬细胞仍具有显著的可塑性,表现在对组织中遭遇的微环境刺激和信号变化做出功能性反应,然后极化为不同的巨噬细胞表型,以适应变化的组织微环境,如经典的巨噬细胞M1型和M2型[4]。随着研究的深入,其也被细分为更多的亚类,如有学者将M2型巨噬细胞细分为M2a/M2b/M2c/M2d[17]。当组织受损时炎症性单核细胞响应刺激从循环中迁移至组织,然后分化为巨噬细胞。细胞因子,如γ干扰素、粒细胞巨噬细胞集落刺激因子、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、脂多糖(LPS)等常作为M1型表型的激活剂,而TH2细胞分泌IL-4和IL-13,常驱动巨噬细胞向M2表型极化[18]。巨噬细胞极化过程是复杂而连续的,常说的巨噬细胞极化通常指某个时间点巨噬细胞的状态。如伤口的早期阶段巨噬细胞常表现为促炎的M1型,而在愈合阶段转变为抗炎的M2型[7]。

由于M1、M2型的生物学差异,使其在炎症过程中表现出不同的作用。炎症状态下的γ干扰素、TNF-α、LPS等细胞因子会诱导M1型极化,而M1型极化后将分泌高水平的IL-1β、IL-6、基质金属蛋白酶等促炎性细胞因子,导致炎症的继续进展;炎症的消退往往伴随M2型的参与,通过分泌抗炎性细胞因子——转化生长因子-β、IL-10,以及IL-1受体拮抗剂、吞噬死亡细胞、促进中性粒细胞凋亡等功能将驱动有利的调节机制以抑制炎症反应[4,19-20]。因此,通过控制巨噬细胞实现对炎症的调控可集中在两个方面,即抑制M1型极化,控制炎症进展;M2型活化和炎症消退。

3 IL-37通过巨噬细胞参与各种炎症进程

3.1关节疾病 痛风其实是对关节和关节周围组织中单钠尿酸盐(MSU)晶体的引发的炎症反应,其重要的病理机制之一是巨噬细胞吞噬MSU后激活,导致细胞因子释放,最终导致中性粒细胞和淋巴细胞趋化至痛风关节点[21]。在一项小鼠踝关节通风模型中(MSU诱发)观察了0～240 h小鼠踝关节内巨噬细胞的动态变化,2～12 h M1、M2型数量相当,18～24 h M1型计数大于M2型,而从48 h开始M2型数量超过M1型并一直维持至240 h。值得注意的是,M1、M2型的动态变化与踝关节炎症的进展相同,即24 h达到峰值,然后开始下降。紧接着的体外实验也表明了IL-37与M1/M2型比值的反比变化关系,即IL-37升高时M2型数量大于M1型,反之M2型数量小于M1型[22]。这是IL-37诱导巨噬细胞M2型极化,减轻炎症水平的有力佐证。遗憾的是,其对IL-37调控巨噬细胞极化的细胞机制并未进行详细的解释。急、慢性痛风患者关节的免疫组织化学染色结果显示,慢性痛风患者关节IL-37水平明显高于急性痛风;同时,IL-37减轻THP-1细胞内炎症因子——IL-1β的表达水平,并在体内减少MSU晶体诱导的腹膜炎小鼠的炎症细胞募集,进一步验证了IL-37通过调节M1、M2型的极化参与了痛风的良性转归。为探讨IL-37抑制巨噬细胞炎症因子释放的机制,有研究使用聚合酶链反应列阵对关节总RNA进行了分析,结果显示,IL-37处理可增强Smad3、IL-1R8、细胞信号转导抑制因子3、酪氨酸激酶等基因表达,而抑制抑制性卡巴b蛋白、NLRP3等基因表达,这是IL-37调控巨噬细胞的潜在通路[23]。另外ZHAO等[6]指出,通过糖原合成酶激酶-3β的介导,IL-37可保护巨噬细胞线粒体功能、介导细胞内代谢重编程,使巨噬细胞向非炎性表型极化,从而增强巨噬细胞对MSU的非炎性吞噬作用调节痛风过程。在炎症膝关节组织中IL-37表达低于正常关节,同时,炎症组织内M2型也明显少于M1型,提示IL-37、巨噬细胞与膝关节炎症明显相关。一项体外实验进一步证实了IL-37对M2型的极化作用,同时,IL-37也降低了LPS、高迁移率族蛋白B1 等诱导的TNF-α、MMPs等炎症因子的表达,提示IL-37将通过M2型极化减轻骨关节病的炎症,但其机制仍有待于进一步探讨[24]。而另一项关节炎(颞下颌关节)的研究详细阐述了IL-37抑制M1型极化,治疗骨关节炎的细胞机制为IL-37通过IL-1R8抑制NLRP3通路,抑制THP-1向M1型极化,并促进M2型极化,从而降低IL-6、MMPs等炎症因子的表达,控制颞下颌关节骨关节炎的炎症进展;使用小干扰RNA沉默IL-1R8,将使IL-37的有效抗炎作用消失[25]。

3.2心血管疾病 IL-37通过调控巨噬细胞极化参与心血管疾病的研究目前主要集中在动脉粥样硬化方面。众所周知,动脉粥样硬化的特征是在动脉壁内发生细胞、细胞外基质及胆固醇的集聚。同时,巨噬细胞参与后引发的炎症反应及泡沫细胞的形成也是动脉粥样硬化发生、发展的主要原因[26]。氧化型低密度脂蛋白常用于构建小鼠动脉粥样硬化模型,在表达IL-37的转基因小鼠中或予以IL-37治疗后动脉内斑块的数量及面积较对照组减少;而进一步对粥样硬化斑块分析发现,斑块内M1型较多,而IL-37的存在或治疗使斑块内的巨噬细胞更趋向于M2型的表型[27-30]。这是IL-37调整M2型极化抑制动脉粥样硬化的有效证据。Yes相关蛋白(YAP)在心肌梗死期间调控巨噬细胞分化和巨噬细胞介导修复中的作用已被报道[31]。在巨噬细胞中IL-37治疗消除了LPS刺激诱导的YAP磷酸化,同时,抵抗了YAP-NLRP3复合物的形成;另一方面IL-37诱导的M2型标记物——型极化。进一步研究证实,IL-37对NF-κB的抑制作用是通过Notch蛋白 1实现的[29]。动脉粥样斑块免疫组织化学染色观察到IL-37在巨噬细胞及泡沫细胞中沉积[32]。提示IL-37抑制斑块形成的另一个方向——抑制泡沫细胞的形成。事实上IL-37降低了泡沫细胞的形成,是通过抑制单核/巨噬细胞对脂肪的摄取及脂蛋白相关磷脂酶A2完成的,需指出的是,IL-37对脂肪的流出并没有影响[33-34]。此外IL-37在减少单核/巨噬细胞向动脉粥样斑块中的聚集方面也发挥着有效作用[27,30,35]。

3.3结肠炎 在鼠结肠炎模型中IL-37d通过降低腹膜巨噬细胞IL-β的表达有效抑制葡聚糖硫酸钠诱导的结肠炎和明矾诱导的腹膜炎;而这是通过IL-1R8抑制腹膜巨噬细胞内NLRP3的过度激活实现的,因IL-37d的抑制作用被IL-1R8的降低所逆转[36]。值得注意的是,IL-37通过IL-1R8/NLRP3通路诱导巨噬细胞向M2型极化,虽然未明确说明,但IL-37d降低腹膜巨噬细胞IL-β的表达可能是通过将巨噬细胞极化为M2型实现的。另一项有趣的研究来自1例婴儿型炎症性肠病患儿,其结肠病理检查提示广泛淋巴浆细胞浸润和隐窝炎;基因组测序结果并未在已知的婴儿型炎症性肠病致病基因中发现罕见的变异,但却意外发现了IL-37突变体的发生。该突变体极不稳定且不易在Caspase-1切割后进入细胞核,也不能抑制LPS诱导的炎症因子升高,说明该突变体实际上已经丧失了IL-37的细胞内外功能[37]。这从另一个角度强调了IL-37抑制巨噬细胞聚集、促进M2型极化在结肠炎中的重要性。

3.4其他炎性疾病 妊娠过程中胎盘局部免疫微环境中的单核/巨噬细胞对正常妊娠非常重要。对胎盘来源的单核/巨噬细胞,IL-37的治疗通过抑制NF-κB通路减轻LPS诱导的TNF-α、IL-6的释放[38]。提示IL-37有望用于治疗妊娠相关疾病,而这需要进行更多的探索。同时,值得注意的是,通过抑制NF-κB,IL-37可抑制巨噬细胞的M1型极化,可能是其潜在的机制。吸烟(CS)是慢性阻塞性肺病的主要原因,其严重程度与肺部炎症密切相关。当小鼠连续暴露于香烟下时肺部炎症也出现了。在遭受CS暴露的前1 d用表达IL-37的慢病毒和慢病毒对照颗粒从鼻内吸入以治疗小鼠,与空载慢病毒对照组比较,给予表达IL-37的慢病毒显著抑制了CS诱导的小鼠肺部巨噬细胞等炎性细胞的增加,减轻肺部炎症[39]。

4 小结与展望

巨噬细胞是免疫系统的重要效应细胞,参与了一系列生物过程,包括免疫、炎症反应和稳态。其具有显著的可塑性以便适应组织中各种微环境变化。根据刺激,巨噬细胞分化为不同的表型,即M1、M2型。M1型通常被toll样受体激活,在免疫应答中大多表现为抗促炎作用。IL-4、IL-13通常会促进巨噬细胞向M2型极化,M2型的抗炎机制是通过释放抗炎性细胞因子、吞噬受损细胞等途径实现炎症的消退。巨噬细胞的极化是一个动态变化的过程,其极化机制在细胞水平涉及大量信号分子的参与,如YAP、NLRP3、PI3K-AKT、HIF、c-Myc、AMPK和PPARs途径等[27,36,40]。这些分子及通路不仅在在巨噬细胞极化中起关键作用而且参与代谢调节,例如乳酸和MCT1依赖性的M2型极化[41]。IL-37作为抗炎因子的新成员,在多种细胞和组织中均存在表达。在这些细胞或组织中,IL-37的免疫调节特性可能特别重要,因为它们维持着宿主与外来刺激之间的平衡,从而防止过度的免疫激活。随着对IL-37研究的进一步深入,IL-37通过影响巨噬细胞向极化,以引导炎症消退的作用在越来越多的炎性疾病中被证实。在本文所总结的炎性疾病中,IL-37参与的巨噬细胞极化主要集中在对细胞信号分子的调控,如IL-1R8、NLRP3、YAP、Notch蛋白 1等,这显得十分有限。同时,仅见一篇关于IL-37通过调节THP-1细胞的代谢重编程,促进巨噬细胞的非炎性吞噬活性的文献报道[37]。值得注意的是,近年来,IL-37参与代谢的调节被越来越多的文献报道。在不久后,不仅是IL-37对巨噬细胞的直接调控,IL-37通过调节巨噬细胞的代谢影响其极化的文献报道将越来越多。充分说明IL-37通过诱导巨噬细胞M2型极化、抑制巨噬细胞M1型极化发挥强大抗炎效果的作用和潜力将值得并且需要在全身各系统炎性疾病中进行更多、更深入的研究。在未来,IL-37将有望成为炎性疾病治疗的靶标。