白细胞介素-33的生物学特性及与过敏性鼻炎的关系

习洋，陶泽璋

白细胞介素-33(interleukin-33，IL-33)是2003年第一次被发现的细胞因子，在稳定状态下，IL-33以核蛋白的形式在上皮细胞、内皮细胞和成纤维细胞的细胞核中表达。其特异性受体生长刺激表达基因2蛋白(growth stimulation expressed gene 2,ST2)在多种免疫细胞上表达。过敏性鼻炎是以阵发性喷嚏、流清涕为主要症状的2型免疫反应疾病。IL-33在过敏性鼻炎的早期和晚期进程中均起着至关重要的作用，与T细胞、ILC2细胞、嗜酸性粒细胞、肥大细胞和嗜碱性粒细胞等免疫细胞作用，促发多种免疫反应。深入研究IL-33的生物学特性及其作用机制，有助于为过敏性鼻炎寻找新的药物靶点提供理论依据。

1 IL-33

1.1 IL-33的发现

白细胞介素-33(IL-33)是IL-1家族的细胞因子，包括IL-1α、IL-1β、IL-18和IL-1Ra，它们通过受体结构和信号转导途径相互联系。这些细胞因子共有一个保守的β-三叶折叠结构，由12条反平行的β-链组成，呈三重对称排列[1]。IL-33最初由Baekkevold等[2]描述为一种核蛋白，其在高内皮微静脉(HEV)中大量表达，HEV是介导淋巴细胞进入淋巴器官的特殊血管，因此将其命名为“高内皮微静脉来源的核因子”(NF-HEV)。后来Schmitz等[3]通过同源对比发现了该蛋白，发现其含有与IL-1样蛋白和FGF样蛋白相同的β-三叶草结构，并且通过IL-1受体ST2介导其生物学作用，激活NF-κB和MAP激酶，并驱动体外极化的Th2细胞产生相关的细胞因子。其在体内可诱导IL-4，IL-5和IL-13的表达，并导致部分器官发生严重的病理变化，因此将其命名为IL-lFll，即IL-33。

1.2 IL-33的异构体

近来报道有2种机制能调节IL-33活化形式从而限制其促炎作用。一种是半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶(caspase)介导的的凋亡反应，另一种是半胱氨酸介导的氧化反应。IL-33与IL-1β和IL-18相似，是以全长形式合成并存在于细胞核、胞浆和细胞外。并且，IL-33在释放到细胞外之前也被半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-1(caspase-1)在细胞内裂解。NLRP3炎症体参与此过程，它可以被内源性和外源性危险信号激活，进而导致Caspase-1的激活，最终使IL-33释放[1]。当细胞发生坏死或损伤时，IL-33被释放到细胞外被炎性蛋白酶裂解。在凋亡过程中，IL-33被内源性Caspase裂解并失活，这一过程在体内不会引发炎症。Caspase介导的氧化反应则是另一个重要的抑制IL-33活性的调节机制，细胞外的IL-33容易被半胱氨酸氧化，导致二硫键的形成，从而使构象变化，抑制与ST2受体的结合，从而使IL-33在接触变应原后会迅速失活[4]。

IL-33有全长形式和较短形式2种亚型。根据表达IL-33的细胞类型和病理条件的不同，存在几种人类全长活性mRNA剪接变异体，并在免疫反应过程中由不同的刺激触发。来自中性粒细胞、肥大细胞和环境过敏原的炎性蛋白酶可以将全长IL-33加工成较短的成熟形式(18～21 kDa)，其生物活性是全长形式的10～30倍[5]。成熟形式不能移位到细胞核中，因为它缺乏全长IL-33中的核定位信号。在IL-33的重组腺病毒的小鼠模型中，全长IL-33不依赖ST2就能诱导炎症，但不会引起肺嗜酸性粒细胞增多、杯状细胞增生或Th2细胞增多，而成熟的IL-33则依赖ST2诱导Th2相关反应[6]。由此可见，全长和成熟形式的IL-33的生物学活性有相通之处，但又不完全相同。

1.3 IL-33/ST2轴

IL-33通过与其初级特异性受体ST2结合发挥细胞因子活性，ST2的表达依赖于辅助受体IL-1受体辅助蛋白(IL-1RAcP)和髓样分化因子88(MyD88)[7]。ST2受体在细胞内以两种形式存在，即膜结合或跨膜形式(ST2或ST2L)和分泌或可溶性形式(sST2)。sST2作为IL-33的一个诱饵受体在炎症反应中下调IL-33的活性。大多数造血干细胞表达ST2，如ILC2细胞、Treg细胞和肥大细胞是主要的组织驻留细胞，结构性地表达高水平的ST2[8]，这意味着这些细胞是IL-33的初始靶点。非造血干细胞包括内皮细胞、上皮细胞和成纤维细胞，同样也表达ST2并对IL-33有反应，但具体机制尚不清楚。

在造血干细胞中，IL-33主要作用于2型和调节性免疫反应相关的免疫细胞，包括ILC2细胞、Th2细胞、嗜酸性粒细胞、肥大细胞和嗜碱性粒细胞，以及树突状细胞亚群、髓系抑制细胞和Tregs[9]。然而，IL-33的作用并不局限于激活2型免疫反应。最近的研究已经揭示了IL-33在参与1型免疫的免疫细胞激活中的重要作用，如Th1细胞、NK细胞、CD8+T细胞、中性粒细胞、巨噬细胞、B细胞和NKT细胞[10]。IL-33的多效性解释了IL-33与多种非过敏性疾病有关的原因，包括传染病(真菌、蠕虫、原生动物、细菌和病毒感染)、心血管疾病、慢性阻塞性肺疾病(COPD)、纤维性疾病、肌肉骨骼疾病、炎症性肠道疾病、中枢神经系统疾病(阿尔茨海默病)、移植物抗宿主疾病(GVHD)、肥胖、糖尿病和癌症[8]。

2 IL-33与过敏性炎症免疫细胞

2.1 嗜酸性粒细胞

IL-33能有效诱导小鼠体内的嗜酸性粒细胞增多，并激活嗜酸性粒细胞产生超氧化物，提高嗜酸性粒细胞的存活率，表明IL-33在嗜酸性粒细胞活化介导的变态反应性疾病的炎症加重过程中起重要作用[11]。

在变应性炎症研究中，IL-33能促进嗜酸性粒细胞存活和细胞表面黏附分子ICAM-1的表达，而ICAM-3和L-选择素的表达受到抑制。此外，IL-33还能显著刺激嗜酸性粒细胞释放促炎细胞因子IL-6和趋化因子CXCL8和CCL2[12]。嗜酸性粒细胞和成纤维细胞共培养的研究过程中，发现促炎细胞因子如IL-6和趋化因子CXCL1、CXCL10、CCL2和CCL5的产生显著增加,并且IL-33的刺激进一步上调了这种增加。IL-33刺激诱导嗜酸性粒细胞和成纤维细胞中ERK、JNK、p38MAPK、NF-κB和磷脂酰肌醇3-激酶-Akt(PI3K/Akt)信号转导通路出现同程度的活化[13]，而此通路的激活对细胞因子和趋化因子的释放均有不同程度的调节作用[11]。

2.2 T细胞和ILC2细胞

除嗜酸性粒细胞外，IL-33作为一种有活性和可溶性的T细胞共刺激因子，可以促进效应T细胞和GATA3+调节性T细胞的增殖和分化[14]。对IL-33敲除小鼠的研究也证明了其在T细胞抗病毒免疫中发挥了关键作用[15]。与Th2细胞相比，活化的Th1和CD8+T细胞瞬时表达IL-33受体ST2较少。但是IL-33信号可以通过诱导特异性转录因子FOXP3、GATA-3和T-bet的表达来促进Th1细胞上ST2的表达[16]。

在黏膜屏障部位，IL-33是通过激活ST2阳性的免疫细胞，如ILC2和CD4+T细胞来调节2型免疫反应。ILC2主要定位于肺、皮肤、肠道和脂肪组织的黏膜表面，在IL-33相关变态反应性炎症性疾病中起重要作用。尽管ILC2缺乏抗原受体，但它们可以被上皮来源的细胞因子IL-33、IL-25和胸腺基质淋巴生成素(TSLP)、肥大细胞分泌的前列腺素D2或活化的造血细胞分泌的半胱氨酰白三烯迅速激活。激活的ILC2细胞迅速增殖，协同产生大量Th2细胞因子IL-5和IL-13[17]。在ILC2基因敲除小鼠中观察到ILC2可以通过MHCⅡ以细胞接触的方式抑制Th2细胞分化[18]。

2.3 肥大细胞和嗜碱性粒细胞

肥大细胞及嗜碱性细胞都能释放炎症介质组胺，在过敏性炎症中发挥重要作用。IL-33相关的肥大细胞参与到众多过敏性炎症的发病机制中，如食物过敏、屋尘螨过敏或阿司匹林不耐受。由于IL-33受体ST2在肥大细胞、嗜碱性粒细胞上有持续性表达，因此肥大细胞和嗜碱性粒细胞是IL-33介导的变态反应性炎症的关键靶点细胞，具有分泌多种炎性细胞因子和介质的能力[19]。抗原或IL-33激活的肥大细胞也可以释放可溶性ST2，这可能进一步放大IL-33的生物学效应。已证实IL-33可增强肥大细胞与层黏连蛋白、纤维连接蛋白和玻璃体连接蛋白的黏附，增加内皮细胞表面ICAM-1和血管细胞黏附分子-1(VCAM-1)等黏附分子的表达，从而促进肥大细胞与血管壁的黏附[20]。IL-33还可通过ST2/MyD88途径促进肥大细胞的存活、生长、发育和成熟。肥大细胞衍生的类胰蛋白酶和糜酶也可以将细胞外的IL-33裂解成成熟的活性形式，并且IL-33的异构体同样可能具有激活肥大细胞的能力，从而进一步引发炎症[21]。

肥大细胞衍生的蛋白酶除了已知的促炎作用以外，研究表明，与野生型小鼠相比，缺乏MC蛋白酶4(mMCP4)的卵蛋白(OVA)致敏小鼠在OVA攻击时的气道高反应性显著高于野生型小鼠[22],提示肥大细胞蛋白酶也可能保护动物免受过敏性气道反应的影响，其促炎与抗炎作用可能与发病进程有关。与肥大细胞相似，IL-33也可介导嗜碱性粒细胞的激活并增强其效应功能。与肥大细胞相比，嗜碱性粒细胞虽然含有较少数量的蛋白酶，但IL-33可通过MyD88信号通路促进嗜碱性粒细胞产生哮喘相关的IL-4和IL-13，从而增强变应性炎症反应[23]。

3 IL-33在过敏性鼻炎中的作用

IL-33是导致AR患者早期和晚期免疫反应发生的致病因素，在众多变应性疾病的发病过程中起关键作用。过敏性鼻炎的鼻部早期反应，如打喷嚏和流清涕，是由于的IgE产生后与效应细胞交联释放炎性介质导致的，而Th2细胞因子在诱导包括充血、疲劳、不适和易怒等晚期反应中起着关键作用[24]。除了Th2细胞因子的产生，肥大细胞、嗜碱性粒细胞和嗜酸性粒细胞进入鼻黏膜被认为是AR晚期反应的一种病理变化。IL-33能诱导Th2细胞、B细胞、肥大细胞、巨噬细胞、树突状细胞、嗜碱性粒细胞、嗜酸性粒细胞和新近发现的天然免疫细胞(ILC2、自然辅助细胞和核细胞)产生Th2细胞因子，这提示IL-33有可能诱导Th2细胞因子介导的过敏性炎症[25]。因此，IL-33可能在诱导和增强Th2介导的AR免疫应答中起重要作用。以往研究发现季节性变应性鼻炎患者血清IL-33水平明显升高，表明其易感性与IL-33基因多态性显著相关。血清IL-33水平升高不仅诱导炎症反应，而且其浓度与AR的严重程度呈正相关[26]，鉴于在人体内研究AR机制的难度，小鼠AR模型已被广泛应用于AR的病理生理学研究。最近，利用抗IL-33抗体和IL-33敲除小鼠研究了IL-33在AR发生发展中的关键作用。在早期的研究中发现，花粉变应原刺激后，IL-33基因敲除小鼠打喷嚏的次数明显减少，鼻黏膜和颈部淋巴结的总IgE、特异性IgE表达和嗜酸性粒细胞聚集明显减少。组织学分析显示，同一组小鼠的鼻黏膜上皮多层形成程度和杯状细胞增生程度均有所降低。此外，在体外豚草提取物蛋白的刺激下，小鼠颈部淋巴结细胞的IL-4、IL-5和IL-13的产生明显降低，表明IL-33可以引发AR早期和晚期的症状[25]。通过鼻腔途径接触变应原可以迅速刺激鼻上皮细胞产生内源性IL-33，这表明IL-33的释放可能起到“警报”的作用，并与其他细胞因子协同启动过敏性级联反应。在AR患者的鼻上皮细胞(HNECs)中发现IL-33和ST2的高表达支持这一发现[27]。在变应性鼻炎患者中，激活的肥大细胞和嗜碱性粒细胞释放的组胺在诱导打喷嚏中起着关键作用[28]。豚草花粉诱导的内源性IL-33在FcεRI与豚草花粉交联后能刺激结缔组织肥大细胞和黏膜肥大细胞增加组胺分泌[25]。此外，豚草花粉诱发的内源性IL-33通过诱导嗜碱性粒细胞产生促炎因子，包括嗜酸性粒细胞趋化因子、MIP-1α、RANTES和MCP-1，在嗜酸性粒细胞和嗜碱性粒细胞的募集中也起着重要作用[25]。因此，由IL-33激活的肥大细胞和嗜碱性粒细胞可能在AR的早期(打喷嚏)和晚期(嗜酸性粒细胞堆积)表现中起作用。此外，最近研究发现了IL-33参与到HENCs的信号传导过程中。IL-33通过ST2受体促进HENCs的直接参与炎症反应，诱导IL-8和GM-CSF分泌增多。也有报道IL-33可促进人气道上皮细胞MAP激酶(ERK和p38MAPK)磷酸化[29]。由此可见，IL-33可能通过多种途径调控HNECs的生理功能，从而影响AR的发生和发展。

事实上，IL-33可以通过多种途径参与到AR的病理进程中。一方面IL-33可以促进Th2细胞因子分泌，另一方面能调节Th17细胞免疫，通过调控IL-17和IL-31来影响AR。最近一项研究发现AR患者血浆中IL-33、ST2、IL-31、IL-17水平升高，提示IL-33/ST2信号轴参与到了AR病理过程中的Th2和Th17免疫应答[30]。IL-31是一种由Th2细胞特异性产生的新型细胞因子，参与了变态反应性疾病的病理生理过程，但其作用机制不同于典型的Th2细胞因子，如IL-4、IL-5和IL-13，其在AR中有独立作用机制[31]。体外实验也发现了同样的结果，用rhIL-33刺激培养的PBMC可以产生较高水平的CD3+T细胞，并同时产生大量的IL-31和IL-17A等细胞因子[30]。因此，IL-33/ST2轴的激活作为Th2/IL-31和Th17免疫应答的生物标志物，可能代表了免疫系统和局部呼吸道之间的紧密联系，并可能与AR严重程度/进展的诊断、分期和监测有关。IL-33/ST2的特异性抑制可能成为AR治疗上的潜在新靶点。抗IL-33治疗显著减轻早期(鼻子抓挠事件和特异性IgE产生)和晚期反应(改善皮肤剥落，减少鼻腔内嗜酸性粒细胞浸润，减少BAL液中IL-4、IL-5和IL-13细胞因子的产生)[32]。此外，在运用IL-33抑制剂减轻AR症状的同时，也需进一步防止其带来的临床并发症。

4 展望

IL-33作为具有多向效应的促炎性因子，在气道过敏性疾病的发病过程中发挥了重要作用。但目前IL-33介导气道过敏炎症的具体过程及其在细胞内发挥转录调控的机制仍不完全清楚，还需要进一步深入研究。现有对IL-33与气道过敏炎症的研究主要集中在部分上呼吸道疾病中，近年来在支气管哮喘中也有较多报道，而IL-33与过敏性鼻炎相关性还需更多的实验研究来支持。深入认识IL-33的生物学特性及其与过敏性鼻炎的关系将有利于为临床上治疗提供新的思路。