白细胞介素-11免疫调控功能、在肿瘤发生发展和治疗中作用的研究进展

赵猛，柳雅慧，任丽

(天津医科大学肿瘤医院，国家肿瘤临床医学研究中心，天津市肿瘤防治重点实验室，天津市恶性肿瘤临床医学研究中心，天津300060)

白细胞介素(IL)6家族是一类主要作用于炎症及免疫反应的细胞因子家族。其主要成员包括IL-6、IL-11、白细胞抑制因子(LIF)、制瘤素M(OSM)、睫状神经营养因子(CNTF)、心肌营养素(CT-1)、心肌营养素样细胞因子(CLC)、IL-27和IL-31。目前，IL-6是研究最广泛的家族成员，但关于IL-6家族其他成员的相关研究较少。IL-11是由19号染色体编码的一种细胞因子，长23 kDa。IL-11首先在骨髓来源的纤维样细胞中被发现，早期研究认为IL-11主要在造血过程中发挥作用，可促进骨髓产血小板巨核系祖细胞的成熟，但随后研究显示，在多种外周血液细胞特别是血小板中IL-11也有较高的表达，因此临床可用IL-11治疗血小板减少症[1]。IL-11不仅在机体免疫反应中具有抗炎作用，在信号转导、免疫调控、肿瘤进展中都扮演着重要的角色。现将IL-11的免疫调控功能、在肿瘤发生发展及治疗中的作用综述如下。

1 IL-11的免疫调控功能

1.1 IL-11及其受体的组织表达 IL-11是一种多效性细胞因子，具有多种造血和免疫功能，如刺激造血祖细胞和巨核细胞增殖和成熟。尽管已经在成骨细胞、滑膜细胞、成纤维细胞、软骨细胞、滋养层细胞、肝细胞、胃肠上皮细胞、T细胞、B细胞、巨噬细胞、心肌细胞及其他细胞类型中均可检测到IL-11表达，但 IL-11主要的分泌来源尚不明确[2]。IL-11在人体中表达水平较低，在健康人的血清中很少能检测到IL-11的表达。但在感染、损伤和炎症反应时人体血清IL-11 mRNA的表达增多，表明炎症是刺激IL-11表达的因素[3]。IL-11的受体亚单位IL-11Rα通常用于鉴定IL-11的表达，IL-11Rα有两种跨膜模型：IL-11Rα1和IL-11Rα2。IL-11Rα1低表达于脑、肺、胸腺、脾、心脏、膀胱、肾、肌肉、小肠和大肠、唾液腺、骨髓、睾丸、卵巢和子宫等器官组织中。IL-11Rα2不具有细胞质结构域，并且在胸腺、淋巴结和睾丸中具有受限的表达模式。因此，IL-11的表达模式在免疫细胞和上皮细胞中占优势。最新研究[4]发现，在癌细胞、癌细胞受体、肿瘤相关的巨噬细胞和T细胞在受到一定的刺激后也可分泌IL-11，表明IL-11在肿瘤组织中高表达。

1.2 IL-11主要下游信号转导通路 IL-6细胞因子家族的所有配体都有其细胞因子特异性受体，通常称为α-受体，与共用的跨膜糖蛋白β亚基(称为GP130)耦联后，主要通过酪氨酸激酶/信号转导与活化转录因子3(JAK/STAT3)、RAS/ERK、磷脂酰肌醇3激酶/雷帕霉素靶蛋白(mTor/PI3K)[4]三种重要途径发挥其信号传导活性。

可溶性IL-11与膜上IL-11受体(IL-11Ra)结合，然后与GP130结合，最后形成一个GP130同型二聚体加两个IL-11 / IL-11Ra的六聚体复合物。该复合物随后募集JAK激酶，导致位于GP130的细胞质部分中的五个酪氨酸(Y)残基的磷酸化。然后，其中四个膜远端磷酸化酪氨酸(pY)引起负责信号转导的转录激活因子(STAT)-3的酪氨酸残基705的磷酸化和活化，并且在较小程度上活化STAT1[1]。两个磷酸化的 STAT3二聚体化，然后转运至细胞核并与DNA结合，从而触发影响细胞增殖，存活，运动和侵袭靶基因的转录[5]。另一方面，通过与酪氨酸磷酸酶SHP2结合，膜近端pY 759激活Ras / Erk途径和SOCS3蛋白[6]。 活化的SOCS3可终止GP130活性[7]。

除STAT3经典酪氨酸磷酸化外，STAT3中的C末端丝氨酸残基也可能被磷酸化，其可能通过促进线粒体电子传递链参与致癌过程。GP130还可以激活PI3K-AKT-mTORC1通路，在这个过程中不需要GP130的酪氨酸磷酸化[7]。

1.3 IL-11的免疫调控机制 IL-11被认为是一种抗炎细胞因子，在炎症部位对巨噬细胞和其他效应细胞有直接调控作用[8]。当IL-11作用于巨噬细胞时可减少细胞内促炎因子(TNF-α、IL-1β、IL-12p40和IL-6)的分泌；IL-11也可通过阻断转录因子NF-κB的核转位，增加NF-κB抑制蛋白如1kB-α和1kB-β的表达，直接抑制巨噬细胞的活性；小鼠模型的动物研究也显示了IL-11对CD4+T细胞的直接调控作用，促进抗炎细胞因子IL-4和IL-19的产生，抑制了IL-12和IFN-γ的产生，从而减少炎性组织的损伤；IL-11同样在自然杀伤细胞(NK)的分化中发挥作用[9]。相反，IL-11似乎并不影响嗜中性粒细胞的功能。小鼠模型还发现IL-11在刺激B细胞产生IgG和促进B细胞分化中可能具有作用。此外，IL-11在诱导金属蛋白酶组织抑制因子1(TIMP-1)和金属硫蛋白表达的作用已经在大鼠肝细胞中得到证实，进一步提示其抗炎作用。此外，IL-11的这种保护作用与IL-11通过STAT3途径诱导内皮细胞中抗凋亡蛋白survivin表达的能力相关。由于上述原因，在小鼠模型中研究发现外源性IL-11在炎性病症如急性移植物抗宿主病，炎性肠病和炎性关节炎中具有临床作用，并且IL-11的保护作用已经在疾病过程中得到了充分的证明。

研究[10]发现，IL-11与黏膜损伤修复之间也具有相关性，rIL-11在小鼠黏膜损伤模型中可用来治疗黏膜损伤，增加伤口愈合反应并改善总体存活。在动物模型中还发现rIL-11抑制凋亡性细胞死亡并同时促进肠上皮细胞的增殖。在临床应用中，rIL-11已进入了黏膜炎[11]和克罗恩病的临床试验阶段，患者耐受性良好，并且一部分患者的疾病得到了缓解。

2 IL-11在肿瘤发生、发展中的作用

2.1 IL-11在肿瘤中的表达 近期的研究[12]表明，在各种人类肿瘤(造血、上皮来源)中可检测到IL-11的表达上调，并且黑色素瘤、乳腺癌、结肠癌和非小细胞肺癌细胞直接产生IL-11。在小鼠乳腺癌肿瘤模型中，IL-11不仅在癌细胞中产生，也在癌浸润的巨噬细胞和T淋巴细胞中表达[13].在人类结直肠癌活检中，肿瘤相关的纤维细胞也可检测到IL-11的表达[14]。

2.2 IL-11与JAK-STAT3信号通路 IL-11主要通过激活JAK-STAT3信号传导途径来介导癌症的发生发展。STAT3的持续激活已被确定为许多造血系统(白血病、多发性骨髓瘤等)和上皮源性肿瘤(乳腺癌、胃癌、结肠癌等)的决定性特征[15]。STAT3通路的过度活化能够诱导肿瘤的促炎微环境，与IL-11本身具有的抗炎作用相反。在敲除IL-11受体对IL-11无应答的小鼠模型研究[13]中发现，结肠炎相关的癌症和散发性结肠癌模型制备中缺乏IL-11受体的小鼠是极少数能形成肿瘤的类型，表明IL-11信号在肿瘤的发生、进展中是非常必要的。并且IL-11 受体基因缺失后，STAT3激活作用减弱，并抑制了肿瘤细胞的增殖[16]。在依赖STAT3激活的胃肿瘤小鼠模型中，即使部分性抑制 IL-11信号通路也将引起肿瘤负荷减弱[16]。

IL-11促进癌细胞迁移、侵袭，已被证明与STAT3信号级联反应有关。在IL-11信号传导途径中观察到其具有促进肿瘤微环境进展的作用，与已经充分研究的IL-6-JAK-STAT3信号传导途径相似。依赖GP130的JAK-STAT3途径诱导基质金属蛋白酶(MMP)，MMP在细胞外基质的降解中起作用，促进上皮—间质转化(EMT)的发生，而EMT为癌细胞发生侵袭和远处转移的重要机制之一。此外，STAT3通过增强血管内皮生长因子-A(VEGF-A)和缺氧诱导因子-1(HIF1)的表达而具有促血管生成作用，从而使癌细胞维持其代谢需求并促进癌细胞转移的发生[17]。还有证据表明HIF-1α可能是STAT3的靶基因。

此外，STAT3信号通路在调节细胞存活中同样起重要作用，并可以使癌细胞逃避细胞死亡。STAT3途径的过度活化通过抑制巨噬细胞，树突细胞和多形核白细胞的终末分化来抑制宿主的免疫系统，此过程可能导致慢性炎症状态，并可促进恶性细胞的发育、转化和进展。此外，上皮细胞中的STAT3激活后能够通过下调p21和诱导存活蛋白(包括MYC、细胞周期蛋白D1 / D2、BCL2家族蛋白和X连锁凋亡抑制蛋白XIAP)来促进细胞的增殖和存活[18]。IL-11除了通过JAK-STAT3途径在许多炎症相关癌症的发病中具有直接作用外，GP130家族细胞因子还能够通过促进癌细胞在远处转移时的存活来刺激癌症的进展。

2.3 IL-11与RAS/ERK信号通路 除了激活JAK-STAT3信号传导途径来介导癌症进展外，IL-11还通过Ras/ERK信号途径与PI3K-AKT途径参与癌症的进展。在结肠癌中，IL-11通过激活ERK1/2信号而促进肿瘤细胞增殖[19]。同时IL-11在许多乳腺癌和前列腺癌异种移植实验中证实具有促肿瘤的活性。PI3K-AKT途径是通过不依赖由AKT介导的抗凋亡因子Bcl-2或Bcl-XL募集后发挥作用。此外，PI3K-AKT途径还能够通过促进细胞由G1期转至S期来促进细胞的增殖和存活。有研究[19]表明，IL-11信号通路相关的PI3K-AKT通路可能与人胃癌细胞系SCH和人结肠癌细胞株HT-29癌细胞的进展和转移有关。

2.4 IL-11在癌症转移中的作用 IL-11不仅在肿瘤中表达升高，并具有可促进乳腺癌，子宫内膜癌和软骨肉瘤的转移潜能[20]。有研究[21]发现，IL-11在淋巴结转移阳性、恶性的组织学分级、预后不良的乳腺癌患者中表达升高，并且高表达IL-11的乳腺癌患者易发生复发和远处转移。Kang 等[22]研究发现，IL-11和结缔组织生长因子(CTGF)的表达与乳腺癌骨转移有关，认为两种因子可以改变骨微环境，诱发溶骨细胞的发育和溶骨功能，促进溶骨性骨损伤的发生。肿瘤细胞的快速增长会导致肿瘤细胞处于相对缺氧状态，而IL-11表达水升高会促进PC-3前列腺癌细胞在缺氧条件下相对于常氧条件肿瘤细胞生长速度增快[23]。血清IL-11表达水平增高是透明细胞肾癌患者预后不良的独立预测因素[24]。IL-11在子宫内膜癌患者的子宫内膜和子宫灌洗液中均可检测到表达水平升高，增高的IL-11通过改变子宫内膜上皮癌细胞的黏附性可促进子宫内膜癌细胞的迁移。

3 IL-11在肿瘤治疗中的作用

3.1 靶向IL-11及IL-11R 由于IL-1I在正常体内表达水平较低，靶向治疗IL-11或者IL-11 受体为高表达IL-11的癌症患者提供治疗优势，且不良反应少。同时类似于英夫利昔与托珠单抗抗细胞因子及抗细胞因子的受体抗体在临床中的成功应用也加速了人们对于此类药物的研发。靶向IL-6家族的抗体也进入临床试验阶段。因此针对于抑制IL-11、IL-11Rα及GP130的抗体都在研发之中。同时这些研究[4, 25]都在多种动物模型中表现出良好的治疗效果。

有研究[26]发现了一种阻断IL-11信号通路的IL-11突变蛋白，其具有与IL-11受体超过野生型IL-11的20倍亲和力。在小鼠胃肿瘤模型中，采用阻断IL-11信号通路的IL-11突变蛋白，可通过降低肿瘤细胞增殖、增强肿瘤细胞凋亡以及降低肿瘤相关炎症细胞和细胞因子水平，来减轻小鼠的胃肿瘤负荷；在小鼠结直肠癌模型中，应用IL-11突变蛋白可减小肿瘤的大小与肿瘤的多样性[16]。

3.2 靶向gp130及JAK/STAT3信号通路 gp130是IL-6细胞因子家族的常见受体，其为抑制IL-11信号途径的良好靶标。目前在临床前研究中报道了抗gp130单克隆抗体和小分子gp130抑制剂。同时在骨髓增生性肿瘤中鉴定发现了获得性JAK2突变(JAK2 V617F)，从而引起选择性小分子JAK抑制剂的快速发展。临床前研究表明JAK抑制剂在许多癌症模型中都具有效应。例如，JAK1 / JAK2抑制剂AZD1480能有效抑制STAT3持续活化的人实体瘤异种移植物的生长。AZD1480还能抑制肿瘤相关骨髓细胞中STAT3的活化并抑制骨髓细胞介导的血管生成和肿瘤转移。已经证明JAK抑制剂的使用在骨髓增生性肿瘤的治疗中具有临床疗效。STAT3是gp130信号传导下游的主要信号传感器，在许多癌症中高度激活。研究发现STAT3的直接抑制剂的开发重点是靶向其SH2结构域，以抑制STAT3磷酸化或者二聚体化。最近，临床上已经开发了用于结合靶基因作为STAT3竞争物的双链诱饵寡核苷酸可用于头颈癌的治疗。抑制STAT3和STAT5磷酸化的口服抑制剂OPB-31121，其在癌细胞系和小鼠模型研究中显示出强烈的抗增殖作用。OPB-31121目前正处于临床试验阶段(Ⅰ期和Ⅰ / Ⅱ期)[27]。

3.3 靶向RAS/ERK与PI3K/mTor信号通路 ERK / RAS和mTor / PI3K途径是人类癌症中最常见的两种易失调的激酶级联反应途径。这些途径中的分子改变涉及肿瘤的发生以及对抗肿癌疗法的抵抗性。 目前有几项临床研究正在评估两种途径中的Raf抑制剂，MEK抑制剂，PI3K抑制剂以及MEK抑制剂和PI3K抑制剂在多种不同癌症中的联合应用，通常这些癌症具有某些类型的分子改变，如B-Raf，KRas和PI3KCA突变。

3.4 IL-11下游通路的协同抑制 此外，许多生长因子途径可以诱导JAK-STAT3信号通路的激活，并且JAK-STAT3途径与其他信号传导途径之间存在大量交叉，因此可以预期JAK或STAT3抑制剂与许多其他途径的抑制剂之间具有协同作用，所以正在开发针对JAK-STAT3途径的抑制剂与其他靶向疗法的结合[28]。例如，STAT3抑制剂和EGFR抑制剂的联合治疗胶质瘤可以协同抑制STAT3的激活和癌细胞的生长。研究发现在人胶质瘤患者和小鼠原位神经胶质瘤模型系统中抗VEGF-A治疗失败期间发现STAT3被激活。同时给予的AZD1480与西地尼布(一种VEGFR抑制剂)可通过减少肿瘤缺氧和VEGFR抑制剂诱导STAT3磷酸化的巨噬细胞的浸润，从而显著降低肿瘤体积和微血管密度。小鼠、人JAK2V617F突变细胞系和以及来自骨髓增生性肿瘤患者原代造血祖细胞用mTOR抑制剂(RAD001或PP242)和JAK抑制剂(AZD1480或ruxolitinib)处理，发现该联合应用对于治疗骨髓增生性肿瘤细胞具有功效。除STAT3外，NF-κB在促进肿瘤免疫微环境中发挥着关键作用，因此，同时针对STAT3和免疫细胞中的NF-κB可能在癌症治疗中具有开发的潜力。

靶向阻断子宫内膜癌上皮细胞IL-11转导信号可减弱原发性肿瘤生长速度并较少异位子宫内膜癌模型体内转移损伤。与标准化疗方案联合使用阻断IL-11信号通路的治疗方法有使肿瘤完全缓解的可能性，尽管这种策略还没有被正式实验评估，但为未来肿瘤的治疗提供了全新的思路以及方法。

综上所述，IL-11不仅在机体免疫反应中发挥着重要作用，并且通过促进肿瘤细胞增殖、转移而具有复杂的致肿瘤作用。竞争性抑制IL-11R结合IL-11的信号通路阻断试剂，在癌症的临床前模型中已产生有效的作用，通过阻断IL-11信号通路为癌症的治疗提供了一种全新的思路。然而，将这些实验室研究成果转化为临床应用，仍需要更多的研究以及临床试验来确定IL-11在促进癌症发生发展中的确切机制。