IL-37在炎症性肠病中的研究进展

罗尚健 陈颖伟,2*

上海交通大学医学院附属新华医院消化内科1(200092) 上海市小儿消化与营养重点实验室2

炎症性肠病(inflammatory bowel disease, IBD)是一种慢性、非特异性肠道炎性疾病，主要包括溃疡性结肠炎(ulcerative colitis, UC)和克罗恩病(Crohn’s disease, CD)。IBD病因尚不明确，肠道免疫是目前IBD发病机制的研究热点。细胞因子作为一类重要的免疫调节物质，通过促进或抑制免疫反应参与IBD的进展和缓解。研究发现，细胞因子白细胞介素(IL)-1家族成员IL-37可抑制过度免疫反应所致的肠道炎症损伤，从而促进并维持IBD缓解。本文就IL-37在IBD中的研究进展作一综述。

一、IL-37的结构、分类和表达

IL-1家族包括11种蛋白质，每种蛋白质具有相似的β-桶状结构并可与Ig样受体结合[1-2]。IL-1家族细胞因子在免疫反应中具有重要作用，其中多数促进免疫反应(如IL-1α、IL-1β、IL-18等)，少部分抑制免疫反应(如IL-1Ra、IL-37等)。人IL-37基因位于2号染色体长臂IL-1家族基因簇上(2q12～13)，与IL-1α和IL-1β基因的调节区域相近[3]。IL-37基因通过可变剪接产生5种亚型(IL-37a～e)，其分布具有组织特异性[4]。IL-37b是目前研究最深入且最有特征性的亚型，有最长的氨基酸序列(218个氨基酸)。IL-37b由外显子1、2、4、5、6编码的序列组成[4]，其中外显子4～6编码β-桶状结构，是发挥生物学效应的主要结构[5]。

IL-37在人体多种器官组织或细胞中表达，如肝、肺、胸腺、骨髓、淋巴结、胎盘、睾丸、子宫和肿瘤组织以及外周血单个核细胞(PBMCs)、巨噬细胞、树突细胞(DC)、B细胞和浆细胞[5-6]。但IL-37在正常组织或细胞中低表达，mRNA的稳定性差，而当存在脂多糖(LPS)或其他促炎刺激时，IL-37 mRNA的稳定性显著增强，表达增加[7]。故推断IL-37可能在非炎症或轻度炎症状态中不起作用，仅在严重的炎症条件下表达增加以抑制过度的免疫反应[4]。

二、IL-37的信号转导途径

1. 细胞外信号转导途径

①IL-18Rα：IL-18Rα是IL-18受体(IL-18R)的配体结合亚单位，属于IL-1R受体家族(IL-1Rs)，分布于巨噬细胞、中性粒细胞、Th1细胞、NK细胞和内皮细胞膜上[4]。IL-18Rα胞外区含有三个Ig样结构域，可结合IL-18氨基酸残基(E42和K89)；胞内区含有一个Toll/IL-1受体结构域(TIR)[8-9]。IL-18Rα与IL-18结合后，募集共受体IL-18Rβ形成IL-18-IL-18Rα-IL-18Rβ复合物；通过与MyD88、IRAK-1/4、TRAF-6的相互作用，导致TAK1磷酸化，从而激活MAPK和NF-κB通路，促进促炎因子表达[10]。IL-37与IL-18在氨基酸序列上具有两个相同的氨基酸残基，可能竞争性结合IL-18Rα[8]。但后续研究发现IL-37对IL-18Rα的亲和力远低于IL-18，且低浓度而非高浓度IL-37最能有效抑制体外细胞因子的产生[11]，故认为IL-37并非与IL-18竞争结合IL-18Rα。高浓度的重组IL-37易与天然IL-37形成IL-37同型二聚体，阻碍IL-37与IL-18Rα结合，抑制IL-37抗炎活性，而特异性阻断IL-37二聚体形成的点突变，维持IL-37单体的稳定，可增强IL-37对促炎因子的抑制，表明IL-37单体更利于IL-37抗炎作用的发挥[12]。

②IL-1R8：IL-1R8是IL-1Rs中的孤儿受体，胞外区仅含一个Ig样结构域，胞内区TIR缺少IL-1Rs其他成员的保守残基，这些残基对IL-1Rs信号转导至关重要[13-14]。IL-1R8可在上皮细胞、巨噬细胞、T细胞、B细胞和DC中表达，尤其是在黏膜上皮细胞和DC中[4,15]。IL-37与IL-18Rα结合不会导致IL-18Rβ链募集和功能性IL-18R复合物形成；而是募集IL-1R8，增强IL-18Rα对IL-37的亲和力[10,16]。IL-1R8可通过胞外Ig样结构域阻断IL-1Rs二聚化和胞内异常TIR减弱IL-1Rs对MyD88和IRAKs的募集，干扰TIR信号小体的形成，阻断TAK1的激活，从而抑制MAPK(JNK和p38 MAPK)以及NF-κB信号通路，最终阻断IL-1Rs促炎信号的转导[7,13,17-18]。IL-37与IL-1R8也可激活受体酪氨酸激酶家族成员Mer，劫持并激活I型干扰素信号分子STAT1，与磷酸化的STAT3形成二聚体入核，过表达细胞因子信号抑制物(SOCS1和SOCS3)，抑制NF-κB和MAPK(ERK1/2和p38 MAPK)信号通路[14]。IL-37与IL-1R8相互作用还可抑制AP-1家族成员BATF引起的Th17细胞极化，抑制Th17细胞介导的炎症反应[14]。此外，IL-37还以IL-1R8依赖性途径激活磷酸酶PTEN，阻断PI3K-Akt-mTOR、MAPK促炎通路，最终抑制促炎细胞因子表达[13-15]。

③IL-18BP：IL-18BP是一种可溶性的受体样蛋白，可与IL-18结合并使其失活，且亲和力远高于IL-18Rα[4]。正常情况下，血液中游离IL-18可与IL-18BP结合，处于失活状态[19]。IFN-γ可促进IL-18BP表达，IL-18BP与游离IL-18结合，阻断IL-18与IL-18Rα结合，从而抑制IL-18的促炎效应[20]。IL-18BP也能与IL-37结合，但亲和力远低于IL-18[20]；故推测IL-37并不与IL-18竞争结合IL-18BP。但研究[8,10]发现，IL-37与IL-18BP结合可增强IL-18BP对IL-18的抑制作用，具体原因不明。研究[21]显示，随着IL-18BP增加，IL-18BP的抗炎特性会逐渐丧失；可能是因为随着IL-18BP水平增加，游离的IL-18已被完全结合，因阻断IL-18产生的抗炎效应已到极限；而过多的IL-18BP与IL-37结合，阻断IL-37与IL-18α结合，导致IL-37抗炎作用减弱，显示出IL-18BP抗炎效应的丧失(图1)。

2. 细胞内信号转导途径：炎症刺激后，细胞内IL-37前体增加；内源性IL-37前体具有caspase-1结合位点，位于Asp20；caspase-1识别并剪切后，IL-37前体成熟；若Asp20发生突变，IL-37则不能进入细胞核，且IL-37对MAPK(JNK)和NF-κB通路的抑制效应明显减弱，提示caspase-1剪切对IL-37核定位以及IL-37核定位对IL-37抗炎效应具有重要作用[22]。IL-37无经典的核定位序列，须通过C端结构域与Smad3结合形成复合物，转移至细胞核内，从而调控促炎因子表达[7,19]。在体内，沉默内源性Smad3将显著降低IL-37的抗炎特性[1]。表明Smad3对于胞内IL-37作用的发挥至关重要。Smad3是抗炎因子TGF-β胞内重要的信号分子，TGF-β与受体结合后，Smad3磷酸化并与Smad4结合入核来调控基因表达，抑制DC活化[23]。提示IL-37也可能通过Smad3降低DC表面共刺激分子CD86和MHCⅡ的表达，从而减少DC活化，最终减弱免疫应答[1]。

三、IL-37在IBD中的作用及其机制

1. 细胞学研究：研究[24]发现，在未受刺激的人结肠上皮细胞株T84和人结肠腺癌细胞株Caco-2中，IL-37 mRNA表达较弱；以TNF-α刺激后，IL-37 mRNA和蛋白表达显著提高，故推测TNF-α是诱导肠上皮细胞表达IL-37的关键因素。研究指出，在PBMCs中，IL-37表达可被炎症刺激(如LPS)和细胞因子(如IL-1β、IL-18、IFN-γ和TGF-β)上调，而其他因子(如IL-12、IL-32和GM-CSF+IL-4)对IL-37的调节无作用[1]。但Imaeda等[24]发现，在T84细胞中，LPS、IL-1β和TGF-β不影响IL-37表达；IFN-γ和IL-4可降低IL-37基线表达。表明肠上皮细胞和PBMCs调节IL-37表达的机制不同，IL-37表达可能受具有细胞类型特异性的机制所调节。Imaeda等[24]还发现，在人结肠上皮下肌成纤维细胞(SEMF)中，IL-37可显著抑制TNF-α诱导的IP-10表达。IP-10属于CXCR3受体的配体，其活化会导致T细胞募集和肠道炎症持续[25]。而Günaltay等[26]发现，在T84细胞中，IL-37减少会导致趋化因子(CCL5、CXCL8、CXCL10和CXCL11)表达增加，募集效应T细胞迁移至肠上皮而导致肠道炎症。据此推测，IL-37可通过减少IP-10和趋化因子的表达来抑制T细胞活化和迁移，进而限制肠道炎症发展。Rudloff等[27]发现，在人单核细胞中，多种TLR的配体可诱导IL-37表达，同时IL-37表达又可抑制TLR诱导的促炎因子表达。Imaeda等[24]发现，在T84细胞中，TNF-α诱导的IL-37 mRNA表达由MAPK、PI3K以及NF-κB、AP-1的激活所介导，而这些信号分子也是肠道促炎因子信号通路中的重要信号分子。因此，在结肠上皮细胞中，促炎因子可通过信号转导途径的偶联，诱导抗炎因子IL-37表达。上述研究提示IL-37在肠道中参与炎症负反馈机制而发挥抗炎效应，即过度的肠道炎症反应诱导抗炎因子IL-37表达，从而抑制肠道炎症反应。

2. 动物学研究

①IL-37在实验性结肠炎中的作用：IL-37基因在小鼠中缺失。IL-37在转基因小鼠(hIL-37tg小鼠)中的表达未显示出物种特异性，因此人IL-37在小鼠和人类组织细胞中的特性相同[1]。hIL-37tg小鼠虽存在CMV启动子，但其正常肠上皮不组成性表达IL-37[28]。由此推测，正常肠上皮中IL-37不表达或低表达。多项研究[29-30]发现DSS和促炎因子均可使hIL-37tg小鼠结肠中IL-37表达明显增加。Chen等[30]发现，用DSS破坏肠黏膜后，hIL-37tg小鼠血清IL-37水平升高，且淋巴结和脾脏中表达IL-37的T细胞的比例增加。可能是因为正常肠黏膜中IL-37 mRNA编码序列不稳，加速IL-37 mRNA降解，而炎症刺激可稳定IL-37 mRNA编码序列，促进IL-37表达[7]。因此推测肠黏膜完整性破坏以及促炎因子是IL-37表达增加的重要原因。McNamee等[29]发现，hIL-37tg小鼠结肠炎DAI和组织学评分均显著低于野生型(WT)小鼠。Mountford等[31]发现，表达IL-37的IL-10基因敲除小鼠(IL-10KO/IL-37tg小鼠)因DSS导致的体质量下降、便血以及结肠炎症损伤程度均较IL-10基因敲除小鼠(IL-10KO小鼠)减轻。Chen等[30]发现，转染IL-37的T细胞处理的WT小鼠组织病理学评分低于PBS处理的WT小鼠。Wang等[32]发现，转染IL-37的间充质基质细胞(MSC-IL-37)处理的结肠炎小鼠结肠缩短程度较PBS、MSC或MSC-eGFP处理的小鼠明显改善。上述研究表明IL-37可缓解结肠炎的临床症状，减轻炎症对结肠的损伤，对小鼠结肠具有保护作用。此外，Mountford等[31]发现，在DSS结肠炎小鼠中，发展为腺瘤或癌的IL-10KO/IL-37tg小鼠明显少于IL-10KO小鼠；且与肿瘤相关的Ki-67阳性上皮细胞在IL-10KO小鼠结肠中的数量明显多于IL-10KO/IL-37tg小鼠。提示IL-37可抑制结肠炎发展为结肠肿瘤，减少结肠炎并发症。

②IL-37在实验性结肠炎中的抗炎机制：McNamee等[29]发现，hIL-37tg骨髓细胞(BM)处理的WT小鼠的DSS结肠炎DAI和组织病理学评分均低于WT BM处理的WT小鼠和WT BM处理的hIL-37tg小鼠。由此推测，保护IL-37tg小鼠免受DSS损伤的IL-37主要来源于造血细胞而非基质细胞。McNamee等[29]还发现，以hIL-37tg BM重建的WT小鼠中IL-1β和TNF-α释放减少。Chen等[30]发现，在DSS诱导后，hIL-37tg小鼠中的炎症因子(IFN-γ、IL-1β、TNF-α)表达较WT小鼠显著降低。内皮黏附分子(ICAM-1、VCAM-1)介导白细胞黏附和迁移，而TNF-α和IL-1β可促进内皮黏附分子表达[33]。由此推测，hIL-37tg小鼠通过表达IL-37抑制TNF-α和IL-1β，从而导致内皮黏附分子表达下降，白细胞募集减少，抑制炎症。McNamee等[29]发现，以DSS处理hIL-37tg小鼠和hIL-37tg BM重建的WT小鼠后，IL-10水平显著增加，但阻断IL-10信号转导并未能逆转IL-37对小鼠的保护作用。Mountford等[31]也发现，IL-10KO/IL-37tg小鼠全血中促炎因子水平低于IL-10KO小鼠。提示IL-37抗炎作用的发挥不依赖于IL-10。Wang等[32]发现，Tregs细胞在MSC-IL-37处理的小鼠脾脏中的比例显著高于MSC-eGFP、MSC或PBS处理的小鼠。Tregs细胞通过抑制自身反应性T细胞活化与增殖，负向调节免疫反应，从而维持免疫耐受和抑制过度免疫反应[34]。因此，MSC-IL-37处理的小鼠也可能通过表达IL-37上调Tregs细胞数量来抑制炎症。Wang等[32]还发现，MSC-IL-37处理的小鼠单核细胞中骨髓来源的抑制性细胞(MDSCs)的比例显著高于MSC-eGFP或PBS处理的小鼠。MDSCs可降低IFN-γ、IL-17和TNF-α水平，抑制肠道炎症。提示MDSCs上调可能是IL-37抑制小鼠肠道炎症反应的另一种方式。

3. 临床研究：多项研究[35-36]发现，在儿童和成人活动性IBD患者炎症黏膜中IL-37表达明显升高。多项研究[24,32,35]显示，肠黏膜IL-37表达随黏膜炎症程度增加而升高。提示肠道炎症可促进IL-37表达，且与炎症程度呈正相关。Li等[36]发现，活动性UC和CD患者血清IL-37浓度明显下降，且与UC活动性呈负相关；血清IL-37下降可能是由于胞外IL-37转移至胞内，提示机体抗炎能力不足。多项研究[24,36]发现，IL-37在UC患者肠上皮中的表达高于CD患者，可能是CD病程较UC漫长的原因[36]。Fonseca-Camarillo等[37]发现，与非活动性IBD以及对照组相比，活动性CD和UC患者肠黏膜IL-37 mRNA表达明显升高，且UC高表达IL-37与其严重程度为轻度显著相关，表明IL-37与IBD活动性相关且在UC患者中具有保护作用。Weidlich等[35]发现，肠黏膜IL-37与IL-18 mRNA表达正相关；表明体内调节IL-18和IL-37表达的机制可能类似，这种调节促炎因子和抗炎因子表达的机制的类似性可限制促炎因子诱导的过度免疫反应。

四、结语与展望

免疫紊乱导致促炎与抗炎机制的失衡是IBD发病的重要原因。目前促炎细胞因子的阻断是治疗IBD的重要手段，包括促炎因子拮抗剂(如TNF-α、IL-12或IL-23的抗体)和促炎因子信号转导阻滞剂(如JAK1、3抑制剂)，虽疗效确切但不良反应诸多。运用重组抗炎因子直接抑制炎症反应可为优化IBD治疗提供新途径。细胞因子IL-37可被炎症诱导并抑制过度免疫反应，限制炎症损伤，促进并维持IBD缓解。IL-37的抗炎特性可为治疗IBD提供新策略，但外源给予的重组IL-37易与体内天然IL-37形成同型二聚体，减弱其抗炎活性。此外，将外源重组IL-37递送至局部肠炎症组织的途径尚不明确。IL-37在血清和肠黏膜组织中的表达也可为监测或评估IBD活动性提供新方法，但IL-37与IBD活动水平的关系还需进一步研究。