张翠平, 邵长周
复旦大学附属中山医院呼吸科,上海 200032
肺部感染是一种临床常见多发病,发病率与死亡率一直居高不下。细胞因子是介导细胞间相互作用的可溶性分子,通过与靶细胞上的受体结合发挥免疫应答、免疫调节、介导炎症反应等作用。多种炎症细胞因子与肺部感染的发生、发展密切相关。一方面,肺部感染发生时,一些细胞因子的表达量会发生变化;另一方面,细胞因子表达过高、过低或缺陷都可能影响肺部感染的发生和转归。本研究就近年来一些炎症细胞因子在肺部感染中的产生、变化及作用等研究进展进行综述。
IL-1是由多种有核细胞产生的、具有多种生物学功能的细胞因子,有调节免疫应答和炎症反应的重要作用。其中,IL-1β是机体重要的炎症前因子,可诱导中性粒细胞等趋化浸润,扩大炎症范围。在小鼠铜绿假单胞菌(PA)肺部感染模型中,IL-1β的mRNA表达水平升高,减少IL-1β表达后,小鼠肺部炎症水平减弱[1],提示IL-1β参与介导肺部感染后的炎症反应。然而,重症肺炎患者体内IL-1β分泌显著增加,过量的IL-1β诱导炎症过度反应,严重时可发生脓毒性休克、多脏器功能衰竭等。研究[2]显示,使用IL-1β拮抗剂可能会减轻肺部炎症,改善患者病情。
此外,IL-1β在肺部感染中还起到免疫应答、免疫调节等积极作用。如在PA肺炎早期,IL-1β即可通过聚集各种免疫细胞至感染部位以及增加其他细胞因子的释放,而帮助机体及时清除细菌[3]。在大鼠肺血吸虫感染模型中,IL-1β表达增加,对机体清除血吸虫及虫卵发挥重要作用[4]。
IL-4能促进B细胞增殖、分化,增强血清免疫球蛋白 E(IgE)介导的体液免疫。同时,IL-4参与多种致病原引起的肺部感染的免疫应答。肺炎支原体(MP)感染患者血清中IL-4水平显著升高,且肺泡灌洗液(BALF)中IL-4水平较肺炎链球菌组和正常对照组明显升高[5],提示肺炎支原体肺炎(MPP)患者体内Th2型细胞因子占优势,而相应的作为Th1功能指标的γ干扰素(IFN-γ)表达低下。这种适应性免疫反应的失衡可能与MPP患者的疾病严重程度和肺外症状有关[6]。研究[7]表明,特应性人群对多种病毒和细菌感染肺部后产生Th2样免疫反应,表现为IL-4和IgE水平升高,如人类偏肺病毒(hMPV)或PA感染时,特应质患者血清中IL-4水平升高,而IFN-γ水平降低,该免疫功能失衡可能与特应性患者感染病原后更易诱发哮喘有关。亦有研究[8]发现,体内IL-4高表达的PA肺部感染小鼠对细菌的清除率降低,而IL-4低表达小鼠的肺部病理损伤明显减轻、死亡率低。有生物膜形成的PA相对于浮游菌造成肺部感染时,IL-4高表达,呈现肺部细菌浸润多及肺部病理损害重,易形成慢性炎症反应[9]。
IL-6是一种生物学活性广泛的炎症前因子,当出现感染而导致的炎症反应或组织破坏时,IL-6可以被迅速诱导产生,并能通过促进急性期免疫应答而参与宿主防御反应范围。在免疫应答早期,IL-6对体液免疫和细胞免疫均有调节作用。研究[10]显示,在支原体和细菌性肺炎急性期,IL-6分泌水平升高,其可能通过诱导T细胞分化成熟,从而进一步释放炎症细胞因子,扩大炎症反应范围。IL-6可以诱导幼稚性T细胞分化形成Th17细胞[11],而机体清除肺炎链球菌是通过IL-17促进中性粒细胞的募集活化来实现的[12]。有研究[13]报道,通过原核表达获得的肺炎链球菌表面的毒性蛋白(PspA)可以促进单核细胞合成和分泌IL-6等细胞因子,故推测IL-6可能在调节机体抗肺炎链球菌的免疫应答中扮演重要角色。肺炎衣原体感染的相关研究[14]发现,IL-6在感染早期显著升高,高水平的IL-6导致B细胞功能异常,这可能与衣原体肺炎的发病有关。
IL-8是CXC趋化因子家族成员之一,能诱导中性粒细胞等多种白细胞发生趋化运动,被认为是机体炎症反应开始的标志。研究[15]表明,IL-8参与了不同病原体肺部感染的炎症反应,有利于清除致病原,但过量的IL-8可能引起组织病理损害。肺孢子菌(PC)肺炎患者体内IL-8水平升高,有利于机体杀灭PC,但过表达的IL-8会导致肺组织损伤,可能导致机体呼吸衰竭甚至死亡。而在PA感染时,IL-8分泌显著增加,趋化大量中性粒细胞至感染部位,引起中性粒细胞相关的组织损伤,最终导致PA相关的肺疾病[16]。在MP引起的肺部感染中,升高的IL-8可趋化中性粒细胞、嗜碱性粒细胞、T细胞等聚集于肺部引起病理损伤,还可进一步通过中性粒细胞的趋化和脱颗粒引起广泛的炎症反应,导致病情进展[17]。
IL-10是体内强有力的抗炎因子,可以避免过度的炎症反应引起的组织损伤,同时是一种具有免疫抑制功能的细胞因子,过表达可能降低机体清除致病原的能力,导致持续感染。姜小丽等[18]研究发现,肺炎链球菌感染小鼠肺部后,IL-10分泌明显升高,并保持高水平至细菌清除,肺部炎症减弱,说明IL-10在肺炎链球菌感染后可能发挥抑制炎症过度反应的作用。有研究[19]显示,普通社区获得性肺炎(CAP)组患者的IL-10水平高于重症CAP组及正常对照组,提示重症CAP患者体内低水平的IL-10抗炎作用有限,可能导致疾病进展。国外有学者[20]发现,流感病毒感染后诱导IL-10产生,IL-10引起的免疫抑制可导致病毒持续感染或继发感染。有趣的是,有研究[21]发现淋巴细胞瘤(EB)病毒可编码产生IL-10类似物,该类似物可对宿主产生免疫抑制,有利于病毒的生存。但又有研究[22]结果发现重症肺炎患者体内IL-10持续显著升高可能预示不良预后。以上研究说明,IL-10在肺部感染过程中作用结果的双重性。
IL-12是主要由单核-巨噬细胞产生的一种促炎细胞因子,在介导细胞免疫应答中起重要作用。IL-12可以促进Th0细胞向Th1细胞方向分化,增强Th1细胞、细胞毒性T淋巴细胞、NK细胞等介导的细胞免疫效应,在机体抵抗细菌及胞内病原体感染方面发挥重要作用。IL-12在抵抗病毒感染方面的作用已经越来越受到重视,通过滴鼻给予重组IL-12(rhIL-12)有助于小鼠体内病毒的清除[23]。rhIL-12用于治疗病毒性肝炎已进入临床试验阶段。肺炎链球菌感染可引起IL-12的分泌,提示IL-12可能在抗细菌感染方面也发挥着作用[24]。IL-12在MP引起的肺部感染中的作用意见不统一。国外有研究[25]发现,IL-12敲除小鼠比正常小鼠能更快清除MP,恢复时间缩短;而使用IL-12滴鼻治疗MP感染小鼠病原体清除减慢,气道炎症加重[26]。国内则有研究[27]认为,IL-12对MPP患儿有免疫保护作用,IL-12水平降低导致MPP患儿免疫力低下,不利于疾病恢复。
IL-17通常指的是IL-17A,是极强的炎症前因子,可促进趋化因子如IL-8、单核细胞趋化蛋白-1(MCP-1)、生长调节因子-α(GRO-α)等的释放,招募并激活多种炎症细胞,尤其是中性粒细胞聚集于炎症部位,介导炎症反应和免疫应答。近年来大量研究证明,IL-17在各种病原微生物引起的感染中均发挥着重要的作用。
研究[12]发现,在肺炎克雷伯杆菌、肺炎链球菌、金黄色葡萄球菌等细菌引起的肺部感染中,IL-17均能通过直接或促进趋化因子的释放间接募集中性粒细胞,增强机体对肺部细菌的清除作用,起到免疫保护的作用。而在PA引起的肺部感染的急慢性的不同状态下,IL-17可能起着不同的作用。IL-17在PA急性肺部感染中募集中性粒细胞,发挥积极的免疫保护作用[28]。而在PA慢性肺部感染中,IL-17只起到维持呼吸道慢性炎症的作用,并不能清除肺部的细菌[29]。
在支原体肺炎中,IL-17对MP的清除作用也是通过募集中性粒细胞实现的[12]。但是,Hassan等[30]研究认为,IL-17在支原体肺炎中还起到了促炎作用,造成肺炎的急性发作和病情加重。IL-17在病毒感染中的作用与之类似。有研究[31]发现,IL-17对流感病毒性肺炎起到保护作用;也有研究[32]认为,IL-17可促进病毒肺炎发作,造成肺部病理损伤。
在真菌引起的肺部感染中,IL-17发挥的作用在宿主不同免疫状态下可能有所不同。研究[33]发现,粒细胞缺乏小鼠感染肺孢子菌后,IL-17起免疫保护作用。在免疫受抑制的小鼠烟曲霉感染模型中,IL-17能通过增强肺泡巨噬细胞和中性粒细胞的作用,起到抗真菌效应[34]。但在非粒细胞缺乏宿主的肺孢子菌肺炎中,有研究[35]认为IL-17起免疫损伤作用。
IL-18又称干扰素诱导因子,能增强T细胞和NK细胞的免疫效应,具有强大的促进Th1细胞和NK细胞产生IFN-γ的能力。研究[36-37]表明,IL-18可能与流感病毒感染的免疫应答有关。IL-18-/-鼠流感病毒感染模型中,IL-18缺乏使得NK细胞活性降低,不利于宿主早期清除病毒,但不影响后期及时清除病毒[36]。但也有学者[37]指出,IL-18的产生并不利于宿主抵抗病毒侵袭,无助于提高宿主生存率。在MP肺部感染期的急性期,患者血清中IL-18水平升高,经过治疗后,IL-18水平降低[38]。重症肺炎患者IL-18水平低于轻症患者,且往往伴有喘息,肺部炎症反应及病理损伤更严重[39]。这些研究结果提示,IL-18可能在MP感染后的免疫应答中扮演重要角色。
TNF-α是一种主要由激活的单核巨噬细胞产生的炎症前因子,是炎症反应发生过程的关键因子,可通过增强中性粒细胞、细胞毒性T细胞等的免疫活性参与机体免疫应答,在机体抵抗病原体感染过程中发挥重要的作用。研究[40]显示,TNF-α表达被阻断的小鼠,更容易感染肺炎链球菌,且感染后死亡率更高。TNF-α对肺孢子菌引起的感染、呼吸道合胞病毒(RSV)感染及RSV合并细菌感染等均具有保护防御作用[41-42]。然而,TNF-α作为促炎因子,过表达会引起机体出现过强的炎症反应,导致组织器官病理损害。国外有研究[43]发现,PA生物膜形成菌较其浮游菌能诱导机体产生更多的TNF-α,PA的生物膜可通过刺激肺巨噬细胞产生更多的TNF-α,导致肺部炎症反应过度,引起严重的肺损伤。重症CAP相关研究发现,死亡患者中TNF-α显著高于存活者,提示TNF-α参与了CAP疾病进展,TNF-α过高者可能预后不良[44]。因此,为了减轻TNF-α引起的炎症损害,临床上已经在使用TNF-α拮抗剂治疗部分慢性炎症性疾病。
肺部感染的发生、发展和转归与机体内众多细胞因子的参与密切相关,其中的关联性正在研究中。IL-2在免疫应答中也起重要作用,尤其是调节机体的细胞免疫功能,IL-2活性反应了机体内Th细胞的功能。研究[45]显示,MP感染患儿体内IL-2水平低下,提示患儿Th细胞功能低下,细胞毒性T细胞(CTL)的细胞毒作用弱,机体细胞免疫功能下降。IL-3与肥大细胞和嗜碱性粒细胞功能有关,它可以促进肥大细胞分泌组胺,参与过敏反应。研究[46]表明,IL-3水平升高是MPP患儿发生哮喘时气管炎症反应的主要因素之一。IL-13是一种功能与IL-4类似的细胞因子,可促进B细胞增殖和IgE合成,被认为是支气管哮喘发病的炎性介质之一。多项研究[47-48]表明,RSV和MP感染后引起的气道高反应与IL-13水平升高密切相关。IL-32是一种多功能的细胞因子,在固有免疫应答及适应性免疫应答中均发挥着重要作用。研究[49]显示,IL-32具有抗病毒活性,H1N1病毒可刺激患者体内产生IL-32,而IL-32能反馈性地抑制病毒的复制[50]。
综上所述,在肺部感染引起的炎症反应瀑布群中,各种细胞因子的作用可能互相影响和作用。肺部感染的发生、发展和转归可能是各种细胞因子在群体作用中综合作用的结果。
[ 1 ] 张玉昆,胡梦萍,姚光喜.铜绿假单胞菌肺炎大鼠血浆内毒素与肺组织白细胞介素1和肿瘤坏死因子的关系[J].中国医药导报,2013,10(18):55-59.
[ 2 ] OSAWA R, WILLIAMS K L, SINGH N. The inflammasome regulatory pathway and infections: role in pathophysiology and clinical implications[J]. J Infect, 2011, 62(2): 119-129.
[ 3 ] PATANKAR Y R, MABAERA R, BERWIN B. Differential ASC requirements reveal a key role for neutrophils and a noncanonical IL-1β response to Pseudomonas aeruginosa[J]. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol,2015,309(8):L902-L913.
[ 4 ] EL RIDI R, WAGIH A, SALEM R, et al. Impact of interleukin-1 and interleukin-6 in murine primary schistosomiasis[J]. Int Immunopharmacol,2006,6(7):1100-1108.
[ 5 ] LEE K Y. Pediatric respiratory infections by Mycoplasma pneumoniae[J]. Expert Rev Anti Infect Ther, 2008, 6(4): 509-521.
[ 6 ] PIIPPO-SAVOLAINEN E, KORPPI M. Wheezy babies-wheezy adults? Review on longterm outcome until adulthood after early childhood wheezing[J]. Acta Paediatr, 2008, 97 (1): 5-11.
[ 7 ] LAN F, ZHANG N, GEVAERT E, et al. Viruses and bacteria in Th2-biased allergic airway disease[J]. Allergy, 2016, 71(10): 1381-1392.
[ 8 ] GILDEA L A, GIBBONS R, FINKELMAN F D, et al. Overexpression of interleuldn-4 in lungs of mice impairs elimination of Histoplasma capstdatum[J]. Infect Immun, 2003, 71(7):3787-3793.
[ 9 ] YAN P, CHEN Y Q, KONG J L, et al. Expression of IL-4 in a rat model of chronic pulmonary infection with biofilm formation induced by Pseudomonas aeruginosa[J]. J Microbiol lmmunal, 2007, 5(1):23-28.
[10] 夏 琪.血清炎性细胞因子、PCT和CRP在支原体与细菌性肺炎中的水平变化及临床意义[J].中国微生态学杂志,2015,27(8):935-937.
[11] KIMURA A, KISHIMOTO T. IL-6: regulator of Treg/Th17 balance[J]. Eur J Immunol, 2010, 40(7): 1830-1834.
[12] TSAI H C, VELICHKO S, HUNG L Y, et al. IL-17A and Th17 cells in lung inflammation: an update on the role of Th17 cell differentiation and IL-17R signaling in host defense against infection[J]. Clin Dev Immunol, 2013, 2013:267971.
[13] 邓济甦,曹 炬,徐 蕾. 肺炎链球菌蛋白PspA诱导人类单核细胞产生炎症介质和趋化因子的研究[J]. 免疫学杂志,2013, 29(4):296-300.
[14] RODRIGUEZ N, DIETRICH H, MOSSBRUGGER I, et al. Increased inflammation and impaired resistance to Chlamydophila pneumoniae infection in Dusp1(-/-)mice:critical role of IL-6[J]. J leukoc Biol, 2010, 88(3):579-587.
[15] 龚 锐,姚云清,鲁文辉. 肺孢子菌肺炎相关细胞因子的研究进展[J]. 中国生物制品学杂志,2016, 29(4):443-448.
[16] CHAI W, ZHANG J, DUAN Y, et al. Pseudomonas pyocyanin stimulates IL-8 expression through MAPK and NF-κB pathways in differentiated U937 cells[J]. BMC Microbiol, 2014,14:26.
[17] 陈良东,周建波,张 廷,等. 肺炎支原体肺炎患儿TNF-α、IL-6、IL-8及T细胞亚群变化意义[J]. 临床肺科杂志,2011,16(9):1374-1376.
[18] 姜小丽,杨宝辉,杨 婷,等.肺炎链球菌感染小鼠早期肺组织细胞因子变化研究[J].免疫学杂志,2013,29(6):484-489.
[19] 谢崇伟,李伟峰,李 理,等.早期检测血清TNF-α、IL-1β、IL-10在社区获得性肺炎中的临床意义[J]. 检验医学与临床,2016,13(10):1310-1312.
[20] YU X, ZHANG X, ZHAO B, et al. Intensive cytokine induction in pandemic H1N1 influenza virus infection accompanied by robust production of IL-10 and IL-6[J]. PLoS One, 2011, 6(12): e28680.
[21] 王 慈,潘 凌,朱 平. 淋巴系统肿瘤发病与EB病毒和IL-10基因多态性的关系[J]. 中国实验血液学杂志,2011,19(2):528-531.
[22] 章车明,刘励军,吴曙华. 重症肺炎患者血清和肺泡灌洗液IL-6和IL-10的动态变化及临床意义[J]. 中国急救医学,2006, 26(12):950-951.
[23] 刘红梅,欧阳昌汉. 重组IL-12腺病毒载体对肺炎小鼠NK细胞功能的影响[J].细胞与分子免疫学杂志,2009,25(12):1179-1180.
[24] 肖凤静,马越云,苏明权,等.肺炎链球菌RNA诱导细胞分泌细胞因子活性的研究[J]. 中国病原生物学杂志,2011, 6(1):17-21.
[25] SALVATORE C M, FONSECA-ATEN M, KATZ-GAYNOR K, et al. Respiratory tract infection with mycoplasma pneumoniae in interleukin-12 knockout mice results in improved bacterial clearance and reduced pulmonary inflammation[J]. Infect Immun, 2007, 75(1):236-242.
[26] SALVATORE C M, FONSECA-ATEN M, KATZ-GAYNOR K, et al. Intranasul interleukin-12 therapy inhibits Mycoplasma pneumoniae clearance and sustains airway obstruction in murine pneumonia[J]. Infect Immun, 2008, 76(2):732-738.
[27] 况 琦,陈 静.肺炎支原体白细胞介素-12及肿瘤坏死因子变化[J]. 医药论坛杂志,2007, 28(20):33-35.
[28] 徐西琳,邵 冰,唐忠志,等. 白介素-17在铜绿假单胞菌肺部感染防御机制中的作用[J]. 中国感染与化疗杂志,2013,13(1):8-13.
[29] DUBIN P J, KOLLS J K. IL-23 mediates inflammatory responses to mucoid Pseudomonas aeruginosa lung infection in mice[J]. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol, 2007, 292(2): L519-L528.
[30] HASSAN J, IRWIN F, DOOLEY S, et al. Mycoplasma pneumoniae infection in a pediatric population: analysis of soluble immune markers as risk factors for asthma[J]. Hum Immunol, 2008, 69 (12): 851-855.
[31] HAMADA H, GARCIA-HEROANDEZ MDE L, REOME J B, et al. Tc17, a unique subset of CD8 T cells that can protect against lethal influenza challenge[J]. J Immunol, 2009, 182(6): 3469-3481.
[32] LI C, YANG P, SUN Y, et al. IL-17 response mediates acute lung injury induced by the 2009 pandemic influenza A (H1N1)virus[J]. Cell Res, 2012, 22(3): 528-538.
[33] ARMSTRONG-JAMES D P, TURNBULL S A, TEO I, et al. Impaired interferon gamma responses, increased interleukin-17 expression, and a tumor necrosis factor-alpha transcriptional program in invasive aspergillosis[J]. J Infect Dis, 2009, 200(8): 1341-1351.
[34] WERNER J L, METZ A E, HORN D, et al. Requisite role for the dectin-1β-glucan receptor in pulmonary defense against Aspergillus fumigatus[J]. Immunol, 2009, 182(8):4938-4946.
[35] ZELANTE T, DE LUCA A, BONIFAZI P, et al. IL-23 and the Th17 pathway promote inflammation and impair antifungal immune resistance[J]. Eur J Immunol, 2007, 37(10): 2695-2706.
[36] LIU B, MORI I, HOSSAIN M J, et al. Interleukin-18 improves the early defence system against influenza virus infection by augmenting natural killer cell-mediated cytotoxicity[J]. J Gen Viral, 2004, 85 (Pt 2): 423-428.
[37] VAN DER SLUIJS K F, VAN ELDEN L J, ARENS R, et al. Enhanced viral clearance in interleukin-18 gene-deficient mice after pulmonary infection with influenza A virus[J]. Immunology, 2005, 114(1): 112-120.
[38] DING S, WANG X, CHEN W, et al. Decreased interleukin-10 responses in children with severe Mycoplasma pneumoniae pneumonia[J]. Plos One, 2016, 11(1): e0146397.
[39] CHUNG H L, SHIN J Y, JU M, et al. Decreased interleukin-18 response in asthmatic children with severe Mycoplasma pneumoniae pneumonia[J]. Cytokine, 2011, 54(2): 218-221.
[40] TAKASHIMA K, TATEDA K, MATSUMOTO T, et al. Role of tumor necrosis factor alpha in pathogenesis of pneumococcal pneumonia in mice[J]. Infect Immun, 1997, 65(1):257-260.
[41] CHEN W X, HAVEL E A, HARMSEN A C. Importance of endogenous TNF-α and IFN-γ in host resistence against PC infection[J]. Infect Immun, 1992,60:1279.
[42] 尤海章,周卫芳,季 伟,等. 呼吸道合胞病毒支气管肺炎外周血高迁移率族蛋白B-1,肿瘤坏死因子-α和T细胞亚群检测及临床意义研究[J]. 中国实用儿科杂志,2012, 27(11):830-833.
[43] 闫 萍,陈一强,孔晋亮,等. 大鼠慢性铜绿假单胞菌生物膜肺部感染TNF-α的测定及意义[J]. 中国病理生理杂志,2008, 24(10):1997-2001.
[44] LEE Y L, CHEN W, CHEN Y L, et al. Systemic and brochoalveolar cytokines as predictors of in-hospital mortality in severe community-acquired pneumonia[J]. J Crit Care, 2010, 25(1): 176.
[45] 刘文彬,赵文利,汤雪琴,等. 肺炎支原体肺炎IL-2、slL-2R、IL-6、IL-8检测[J]. 四川医学,2012, 33(9):1671-1672.
[46] 贺 丰,郝一文. 肺炎支原体肺炎伴喘息患儿血清白细胞介素-3和血管内皮生长因子检测的临床意义[J]. 儿科药学杂志,2015, 21(10):4-6.
[47] 董晓艳,鲍一笑. 白介素-13与哮喘、呼吸道合胞病毒感染后喘息的相关性[J]. 国际儿科学杂志,2008, 35(3):208-210.
[48] 谭洪珍,张培珍. 探究TNF-α、IL-13在支原体肺炎儿童血中的表达及临床意义[J]. 中国妇幼健康研究,2015,26(4):828-830.
[49] ZHOU Y, ZHU Y. Important role of the IL-32 inflammatory network in the host response against viral infection[J].Viruses, 2015, 7(6): 3116-3129.
[50] LI W, SUN W, LIU L, et al. IL-32: a host proinflammatory factor against influenza viral replication is upregulated by aberrant epigenetic modifications during influenza A virus infection[J]. J Immunol, 2010, 185(9): 5056-5065.