IL-33在急性呼吸窘迫综合征中的研究进展

2020-03-03豆业芸陈建荣朱保锋陈金亮张冬梅

国际呼吸杂志 2020年23期

豆业芸陈建荣朱保锋陈金亮张冬梅

1南通大学第二附属医院急诊科226001；2南通大学第二附属医院呼吸与危重症医学科226001；3南通大学第二附属医院临床研究中心226001

ARDS是临床常见的危重急症，是由非心源性肺水肿导致的急性弥漫性肺部炎症性疾病，其病理生理特点主要为肺容积减少、肺顺应性降低及通气/血流比值异常；临床特点为顽固性低氧血症及进行性加重的呼吸窘迫[1-2]。ARDS因高发病率、高病死率及发病机制复杂等特点，一直是临床面临的难题。IL-33 作为多功能细胞因子，在ARDS发病机制中发挥了重要作用。本文就IL-33在ARDS中的作用展开综述。

1 IL-33及其受体的分子生物学特性

1.1 IL-33的结构 1999 年，IL-33 最初作为一种 “高内皮静脉细胞核因子”被发现。2005 年，Schmitz等[3]发现“高内皮静脉细胞核因子”的基因序列和结构与IL-1家族成员IL-1β和IL-18类似，均由12个β三叶草结构折叠而成，因此将其归入IL-1家族，并命名为IL-33。人类il-33基因位于9号染色体 (9p24.1)，IL-33蛋白由270个氨基酸组成，相对分子质量约30 000[4]；而小鼠il-33基因定位于19号染色体 (19qc1)，由266个氨基酸构成，两者蛋白序列相似度为50%。il-33 基因由7 个外显子编码组成[5]，其中外显子1～3编码IL-33核定位所需的N 末端域，而外显子4～7编码C末端IL-1家族共有的细胞因子域。IL-33蛋白基因经转录后翻译形成前体蛋白IL-33FL，IL-33的N末端具有螺旋-转角-螺旋结构，是决定IL-33与细胞核内异源染色质结合的关键序列；其C末端具有与IL-1家族同源的β三叶草细胞因子结构域。IL-33FL 最终经蛋白酶切割后形成IL-33。IL-33位于IL-33FL序列中的112～270位氨基酸，相对分子质量约18 000，包含核结构域、激活结构域和IL-1样细胞因子结构域等3个主要结构域。

IL-33通过与核小体H2A-H2B组成的酸性袋状区域与染色体结合，参与转录调控过程。作为一种 “双重功能蛋白”，IL-33既可在细胞核内发挥转录调控特性，又可在细胞核外以分泌形态发挥细胞因子活性。

1.2 IL-33的受体 IL-33的特异性受体为肿瘤发生抑制蛋白2 (suppression of tumorigenicity 2，ST2)，其在高内皮静脉细胞及数种先天免疫细胞中表达。Tominaga[6]在1989年从BALF/c-3T3细胞系中分离出st2 基因，发现其结构与其他IL-1受体 (IL-1 receptor，IL-1R)相似：均由位于中央的5个α-螺旋和5个β-片层组成的Toll/IL-1受体结构域 (Toll/Interleukin-1 receptor domain，TIR)构成。根据TIR 结构域的细胞外结构域将其分为IL-1R 样亚家族、Toll样受体亚家族和由衔接蛋白组成的亚家族。

St2基因产物可分为4 个亚型：可溶型ST2 (soluble ST2，sST2)、跨模受体型ST2 (transmembrane ST2，ST2L)、多变型ST2 (variant ST2，ST2V)和ST2LV，人ST2主要由ST2L和sST2两种亚型构成。ST2L 为全长蛋白，由细胞外免疫球蛋白结构域 (主要作用为识别配体的3个IgG-样结构域)、跨膜结构域及细胞内TIR 胞内结构域构成[5]。sST2由免疫球蛋白结构域及氨基酸序列组成，因无跨膜域和胞内域，可分泌至细胞外、竞争性拮抗IL-33与ST2L 结合发挥诱饵受体作用。ST2V 和ST2LV 是ST2L的两个剪接体，ST2L 去掉第3个免疫球蛋白模序，并在羧基末端经选择性剪切形成的独特疏水尾即为ST2V，当选择性剪切ST2L的跨膜结构域时则形成ST2LV。

总而言之，IL-33既可定位于细胞核内发挥转录因子作用，又可通过其特异性受体ST2 激活肥大细胞、淋巴细胞、嗜酸粒细胞、呼吸道上皮细胞及平滑肌细胞等免疫细胞[7]，在机体的炎症及免疫反应中发挥重要作用。

1.3 IL-33/ST2的分布 IL-33/ST2主要表达于屏障组织(如肺、皮肤、胃肠道)的内皮细胞和上皮细胞[3]，其在支气管、淋巴组织、脑、脊髓、心脏、脾脏、胰腺、肾脏等组织的上皮细胞、内皮细胞、巨噬细胞、树突状细胞、自然杀伤T 细胞、平滑肌细胞及成纤维细胞、脂肪细胞内呈现出不同的表达水平。

1.4 IL-33/ST2 信号作用通路与IL-1 家族成员类似，IL-33缺乏通过内质网和高尔基体分泌的信号肽序列，不能通过经典分泌途径分泌。当细胞坏死或炎症刺激时，IL-33作为一种 “警报素”从细胞核内被释放到细胞外，与特异性受体ST2结合后在体内外发挥生物学效应。IL-33 受体复合物由ST2 和IL-1 受体辅助蛋白 (IL-1 receptor accessory protein，IL-1RAcP)组成，IL-1RAcP 通过配体依赖方式与IL-33相连并提高IL33与ST2的亲和力[7]，关于IL-33/ST2信号通路的研究尚未完全阐明，但多数学者认为IL-33 通过与IL-33 受体结合促进经典核因子κB(nuclear factor kappa B，NF-κB)信号通路及丝裂原活化蛋白激酶 (mitogen activated protein kinase，MAPK)信号通路的激活，从而启动炎症反应[8]。

IL-33主要通过与ST2L 和IL-1RAcP组成异源二聚体复合物[3，9]而发挥生物学作用，并将信号由胞外传至胞内，伴随IL-1R 相关激酶1、IL-1R 相关激酶4、肿瘤坏死因子受体相关因子6和髓样分化因子88的募集，随后激活下游MAPK 家族成员 [如：细胞外调节蛋白激酶、c-jun氨基末端的激酶 (JNK)、p38等]，MAPK 可反作用于JNK 激活蛋白1。肿瘤坏死因子受体相关因子6可激活NF-κB 抑制蛋白激酶复合物，导致NF-κB从复合物中释出，最终促进Th2型细胞因子IL-4、IL-5及IL-13的分泌[10]。

IL-33作用过程包括IL-1R 相关激酶、转化生长因子激酶1结合蛋白2和转化生长因子激酶1结合蛋白3及转化生长因子激酶1等泛素化[11]。一方面，这些蛋白酶活化后刺激NF-κB诱导激酶，当其活化后再激活NF-κB抑制蛋白激酶复合物；随后NF-κB抑制蛋白磷酸化，在NF-κB抑制蛋白磷酸化后即与NF-κB分离，经由蛋白酶体降解途径降解，同时释放NF-κB入核，调节相关基因的表达、完成信号转导。另一方面，转化生长因子激酶1引起MAP2K 活化可激活JNK 和p38，进而激活MAPK 通路。

此外，IL-33还可以促进肥大细胞、巨噬细胞、树突状细胞等免疫细胞产生大量炎症和趋化因子[12]。不同于IL-1β和IL-18，IL-33释放后无需加工修饰，直接以全长蛋白的形式发挥作用。

2 IL-33/ST2在ARDS中的研究

2.1 IL-33/ST2在ARDS中的表达及作用由基质金属蛋白酶 (matrix metalloproteinases，MMP)引起的ARDS的特点为肺部炎症反应及内皮屏障通透性增加。Liang等[13]通过脂多糖 (lipopolysaccharide，LPS)诱导ARDS大鼠模型、收集支气管肺泡灌洗液 (bronchoalveolar lavage fluid，BALF)发现，伴随着肺泡巨噬细胞内IL-33/STAT3/MMP-2/MMP-9信号通路的调控途径激活，肺部炎症加重。BALF内IL-33和MMP-2/MMP-9在LPS处理后分别在12 h及12 h后达峰值。LPS诱导的IL-33通过自分泌激活STAT3以上调MMP-2和MMP-9的表达。特异性抗体中和IL-33后，肺泡巨噬细胞中MMP-2和MMP-9的分泌和表达被抑制。同时，消除IL-33 可以降低BALF 中MMP-2和MMP-9的水平，并逆转大鼠的肺损伤。

自噬是清除受损蛋白质和细胞器的重要过程，与炎性疾病和器官功能障碍密切相关，过度自噬可致ARDS患者死亡率增加。IL-33 在ARDS中具有促炎作用，多项研究表明IL-33与自噬间存在相互作用。为探索ARDS中自噬与IL-33促炎作用之间的关系，Lei等[14]通过LPS构建肺损伤小鼠模型。在LPS 处理前，分别用雷帕霉素(rapamycin，RAPA；自噬启动子)和3-甲基腺嘌呤 (3-methyladenine，3-MA；自噬抑制剂)预处理。LPS处理后血清及BALF中IL-33、Th1趋化因子表达水平升高；LPS注射后RAPA 组血清及BALF 中的IL-33 水平显著升高。然而，LPS处理后3-MA 组的血清和BALF 中的IL-33 水平显著降低，且3-MA 预处理后小鼠肺损伤明显改善，具体表现为内皮细胞功能障碍减轻；3-MA 组的血清和BALF中的Th1 趋化因子表达均降低。此外，经LPS 处理后，RAPA 组NF-κB的核转移显著增加，3-MA 组NF-κB 的转移减少。总之，分别使用RAPA 和3-MA 预处理ARDS鼠后，自噬状态和IL-33表达相应变化。而过度自噬会加剧因激活NF-κB信号通路所致的IL-33高表达相关的肺部损伤和炎症失调程度。

高迁移率族蛋白B1 (high mobility group box-1 protein，H MGB1)作为一种警报素，在多种细胞中组成性表达，可从坏死细胞中主动释放，引起炎性细胞因子大量释出，是造成炎症级联扩增的重要因素之一。细胞外HMGB1作为促炎细胞因子，可与靶细胞内晚期糖基化终产物和/或TLR4 结合，促进ARDS 进程。此外，将重组HMGB1注入小鼠气管会引发肺部炎性反应加剧，而抑制HMGB1表达可减轻肺部炎症反应。Fu等[15]发现，当LPS处理24 h后，小鼠血清、BALF 及肺中的IL-33、HMGB1及多种Th1趋化因子水平表达水平均显著上升。为进一步研究IL-33与HMGB1 表达之间的关系，在给予LPS 前，用甘草甜素 (H MGB1抑制剂)对小鼠预处理，结果表明甘草甜素组IL-33和HMGB1的表达明显低于LPS组，并且肺损伤程度明显缓解，因此H MGB1可能诱导ARDS中IL-33高表达。Zhang等[16]发现IL-33主要通过加剧炎症反应、增加毛细血管通透性以增强LPS诱导的急性肺损伤，该过程还涉及MAPK 家族蛋白的活化，IL-33 可降低ARDS小鼠的生存率。

在评估过表达sST2 的人脂肪组织来源的间充质干细胞 (sST2-overexpressing human adipose tissue-derived MSC，h ASC-sST2)在肺损伤中的免疫调节和抗炎特性研究中发现，h ASC-sST2所致sST2过表达使IL-33、TLR4、IL-1β和干扰素γ (interferonγ，IFN-γ)表达减少[17]，但IL-10表达增加。此外，BALF中蛋白质含量、中性粒细胞计数和促炎细胞因子 (肿瘤坏死因子α、IL-6、人巨噬细胞炎性蛋白2)表达水平也显著下降，经h ASC-sST2处理的小鼠肺部炎症明显缓解。

2.2 IL-33/ST2 在ARDS 中的临床研究现状在关于IL-33在肺内、肺外ARDS中的作用研究中，Lin等[18]发现肺内ARDS组患者血清IL-33水平显著高于正常组及肺外ARDS组，且IL-33与促炎细胞因子 (如IFN-γ、IL-2)的水平呈正相关；而肺外ARDS组血清IL-33水平未见明显升高。在多发伤患者发生组织损伤后，血清中当即大量释放大量IL-33，因此同时实质性肺损伤后合并ARDS 患者血清中初始IL-33显著高表达，初始IL-33水平与死亡率呈正相关，发生不良预后的概率增加，入院时血清中初始IL-33水平可作评估实质性肺损伤合并ARDS患者死亡预后的指标。

sST2在哮喘和特发性肺纤维化中表达显著上调，Alladina等[19]发现血清sST2、IL-6浓度是评估ARDS患者机械通气时间、能否成功撤机及再插管等的重要预测指标，较高sST2和IL-6水平患者再次插管风险明显增加，且与较差的临床预后密切相关。Bajwa等[20]也发现ARDS患者血浆sST2浓度升高与临床不良预后 (如：机械通气时间延长，ICU 住院时间延长和病死率增加等)密切关联。

3 IL-33/ST2在其他多种肺部炎症性疾病中的研究

当病原体入侵机体后，可诱导多种细胞显著表达并分泌IL-33，而IL-33 与靶细胞表面的ST2 受体结合，启动Th2型免疫反应，介导多种肺部感染性疾病。已有研究发现IL-33在COPD、过敏性哮喘、肺纤维化等多种肺部炎症性疾病中发挥了重要作用。

3.1 IL-33/ST2与COPD COPD 是以不完全可逆的持续气流受限为特点的慢性肺部疾病，其病理生理变化为持续气流受限致肺通气功能障碍。Gimenes等[21]发现鼻病毒可通过IL-33/ST2信号通路诱导CXCL-10 和IFN-γ的表达，促进肺内CD11b+/CD11c+巨噬细胞和CD8+T 细胞浸润，最终导致COPD 表型小鼠肺部炎症进行性加重。

3.2 IL-33/ST2与哮喘哮喘是以气道慢性炎症、气道高反应性和气道重塑为主要特征的气道慢性炎症性疾病。哮喘患者气道高反应性与包括IL-33在内的损伤相关模式分子的释放相关[22]，IL-33表达水平与哮喘严重程度呈正相关。IL-33通过驱动ILC2细胞诱导IL-5和IL-13释放，继而诱导气道超敏反应。小鼠气道平滑肌细胞内IL-33 显著高表达，Th2型细胞因子 (如IL-5、IL-13)和嗜酸粒细胞趋化因子水平升高，嗜酸粒细胞、T 淋巴细胞的浸润以及气道黏液的分泌显著增加。

3.3 IL-33/ST2与肺纤维化 IL-33 还可加重肺纤维化程度。在博来霉素诱导的肺纤维化小鼠模型[23]中，肺纤维化程度与IL-33表达水平呈正相关，而经IL-33中和抗体处理肺纤维化小鼠后，其呼吸道炎症和肺纤维化程度明显减轻。