白细胞介素-37的抗炎机制及其在新型冠状病毒感染中的研究进展

杨逸露综述，吴显劲,2△审校

1.广东医科大学第一临床医学院，广东湛江 524023；2.广东省惠州市中心人民医院检验中心，广东惠州 516008

白细胞介素(IL)-37是IL-1家族的新成员，于2000年由基因数据库的硅质研究首次发现。与其他家族成员一样，人IL-37基因也位于染色体2上，它由6个外显子组成，并通过选择性剪接分为IL-37a、IL-37b、IL-37c、IL-37d和IL-37e这5种不同的亚型，除IL-37a有一个N端信号肽(由第3外显子编码)外，大多数IL-37亚型不包含典型的信号肽，而IL-37b是结构最完整、分子量最大的亚型[1]。但与IL-1家族中的促炎因子不同的是，IL-37是一种具有强大抗炎作用的细胞因子。现阶段已有许多研究表明，在炎症的发生、发展过程中，IL-37对机体的固有免疫和适应性免疫均起到抑制作用。IL-37在哮喘、炎症性肠病、系统性红斑狼疮、风湿性关节炎、高血压及肥胖患者体内都有较高水平的表达[2-5]。新型冠状病毒感染(COVID-19)是由严重急性呼吸系统综合征冠状病毒2(SARS-CoV-2)感染引起以呼吸系统症状为主的局部或全身的炎症综合征，给全球造成了严重的公共卫生安全问题，威胁着全人类的健康。经研究表明，COVID-19的严重程度与细胞因子风暴密切相关，激增的细胞因子和趋化因子可能是导致患者严重肺损伤的主要原因[6-7]。本文将现有的IL-37抗炎机制及其与COVID-19患者体内各细胞因子相关性研究作一综述。

1 IL-37的抗炎作用机制

IL-37可通过细胞内和细胞外两种途径发挥其抗炎作用。在细胞外，1L-37通过与细胞表面的受体IL-18Rot结合，传导信号发挥抗炎作用。在细胞内，IL-37前体经Caspase-1剪切为成熟IL-37,与Smad3相互结合并转至细胞核，进入细胞核中抑制促炎基因的转录。

1.1细胞外途径 细胞外的IL-37与细胞表面的IL-18受体α(IL-18Rα)和IL-1受体8(IL-1R8)形成复合物。起初推断IL-37可作为IL-18Rα的受体拮抗剂，阻断IL-18与IL-18Rα结合后向细胞内传导的促炎信号，但随后研究人员发现，IL-37与IL-18Rα结合的亲和力仅为IL-18 与其亲和力的1/50，且人重组IL-37剂量的递增对IL-18刺激的自然杀伤(NK)细胞产生干扰素(IFN)-γ没有影响；相反的是，相较于高水平的人重组IL-37而言，低水平的人重组IL-37能更有效地降低细胞因子的产生[8]。有实验表明，在播散性白色念珠菌感染的小鼠模型中使用重组 IL-37，小鼠的存活率明显下降，这是由于小鼠体内诱导促炎激活状态来保护机体免受重复感染的机制受到IL-37的抑制，然而值得注意的是，IL-37的抑制作用在缺乏IL-18Rα的小鼠中丧失，由此可推测IL-37需要结合IL-18Rα才能发挥它的抗炎作用[9]。IL-37并非IL-18Rα的受体拮抗剂，但IL-18α的沉默却导致炎症反应的增加，这表明存在一个抗炎配体和一个传递抑制性信号的共受体，并具有其功能。 由于IL-37与IL-18结合蛋白结合，而IL-18与IL-1R8一样，具有单一的免疫球蛋白样结构域，所以一旦IL-37与IL-18Rα结合，IL-1R8就有可能成为被招募的抗炎共同受体。为了评估IL-1R8对IL-37抗炎功能的贡献，将IL-37tg小鼠与IL-1R8缺陷小鼠杂交，在这种杂交的后代(IL-37tg×IL-1R8缺陷小鼠)、野生型小鼠、纯合子IL-37tg小鼠和IL-1R8缺陷小鼠腹腔注射脂多糖(LPS)。与预期的那样，IL-37tg小鼠LPS诱导的反应明显低于其他组，各细胞因子水平也明显降低，这些结果表明，IL-37在体内的抗炎活性依赖于IL-1R8[10]。

蛋白质组学和转录组学研究显示，IL-37通过IL-1R8利用信号分子Mer、PTEN、信号转导子与转录激活子3(STAT3)和p62(dok)的抗炎特性，抑制激酶Fyn、转化生长因子β活化激酶1(TAK1)、转录因子NF-κB及丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)[10]。此外，磷酸酶PTEN被IL-37以IL-1R8依赖的方式激活[11]。其他被IL-37-IL-1R8抑制的促炎介质包括AP-1家族的成员BATF。由于BATF有助于Th17细胞的极化，这种对BATF的抑制可能解释了IL-37-IL-1R8对Th17细胞介导的炎症反应的减弱作用[12]。此外，IL-37-IL-1R8信号抑制了多功能激酶Fyn，这可能在IL-37抑制先天免疫中起到重要作用。Fyn被激活后，Fyn将整合素与GTPase Ras和Erk结合并激活FADK；Fyn还能促进脂肪组织相关炎症，使巨噬细胞极化远离抗炎的M2型，从而总体上作为胰岛素信号传导和炎症过程的促进剂[13]。因此，IL-37可以将巨噬细胞的极化从促炎的M1型转移到抗炎的M2型[14]。

1.2细胞内途径 免疫和非免疫细胞在促炎刺激后产生 IL-37 前体。人类IL-37有一个Caspase-1裂解位点，并在LPS刺激下转入细胞核。当使IL-37的Caspase-1位点突变成为 Caspase-1 切割位点突变体 IL-37 (IL-37D20A)后发现，与表达正常 IL-37 的细胞相比，用突变的 IL-37D20A 转染的巨噬细胞表达较不成熟的 IL-37，且转染IL-37D20A的巨噬细胞中 LPS诱导的 IL-6 水平显著增加。这表明炎症小体激活 Caspase-1 是 IL-37 在巨噬细胞中发挥其细胞因子抑制功能所必需的[15]。成熟的IL-37与Smad3形成复合物，并易位到细胞核内。Smad3 是一种由 TGF-β 和激活素Ⅰ型受体激酶激活的细胞内信号转导和转录调节剂。Smad3通过易位到细胞核内实现调节基因表达作用。Smad3可以与c-Fos和c-Jun相互作用，从而调节不同的细胞因子和趋化因子表达，Smad3是TGF-β的重要胞内转导物，可以调节淋巴组织和非淋巴组织中免疫细胞的增殖、活化和分化[16]，与成熟IL-37结合后，Smad3/IL-37复合物可以下调促炎症细胞因子的转录，并抑制下游信号途径。另外，IL-37-Smad3功能复合物还可以抑制转录因子活性蛋白-1(AP-1)、促丝裂原活化蛋白激酶(MAPK p38)和信号传导蛋白和转录激活物 1-4(STAT 1-4)的磷酸化，进而影响基因转录，最终抑制Toll 样受体(TLR)诱导的促炎细胞因子的表达[17]。

2 IL-37与各细胞因子的相关性

IL-37主要通过上述两种途径在多种疾病中调节细胞因子网络平衡，从而达到抑制炎症的效果。机体内存在多种细胞因子，形成一个稳定的细胞因子网络，疾病导致细胞因子网络平衡被打破，IL-37通过与多种免疫细胞相互影响，调控免疫细胞分泌的细胞因子，维持细胞因子网络的平衡。

2.1IL-1 IL-1是一种具有多种生物学功能的细胞因子，主要参与炎症、免疫和造血等功能。其中IL-1β是最突出的炎症介质之一，通过与IL-1受体1(IL-1R1)结合导致炎症和免疫激活[18]。IL-1R1与IL-1α和IL-1β的结合能够招募共同受体 IL-1R3，形成一个三聚体信号复合物，这些过程会导致MyD88的募集和磷酸化的激活，从而激活促炎途径，诱导其他细胞因子的产生，放大许多疾病的炎症状态，包括冠状病毒引起的局部和全身炎症[19]。IL-37也可以实现对IL-1的抑制，缺乏IL-37的受试者更容易遇到炎症性疾病[20]。

2.2IL-6 IL-6是感染引发的免疫反应中炎症的主要介质之一。在许多COVID-19患者中发现IL-6水平升高，并且与COVID-19的严重程度密切相关[21]。有多项研究提示，IL-37可以抑制炎症性疾病引起的IL-6水平升高[22-23]。在LPS与 IL-1β分别刺激转染了RiIL-37的小鼠巨噬细胞和人肺泡上皮细胞系 A549 后，细胞因子IL-1α和 IL-6的水平大幅降低。通过研究IL-37在特应性皮炎(AD)抗炎机制的动物实验，也发现IL-37b可以通过调节细胞内AMP激活蛋白激酶(AMPK)和哺乳动物mTOR信号通路来抑制IL-6的表达等[24]。

2.3IL-4 IL-4被称为 “典型的免疫调节细胞因子”，在调节炎症、抗体生成、造血以及效应性T细胞反应等方面具有重要作用。IL-4主要来源于Th2细胞，当遇到抗原后，CD4+T细胞分化为不同的功能亚群，其中Th2细胞遇到对应抗原时能大量扩增，表达转录因子3(GATA3)并产生IL-4。IL-4能通过减少线粒体肿胀，逆转氧化损伤和增强Bcl-2表达，减少TNF-α的表达，增强大脑中胶质纤维酸性蛋白(GFAP)和IL-10的表达，从而起到免疫保护作用[25]。IL-37在体内减弱了Th1细胞的反应，增加了Th2细胞因子IL-4和IL-13的表达，进而促进了肝脏中巨噬细胞的M2型活化[26]。

2.4肿瘤坏死因子(TNF)-α TNF-α是急性炎症期间由巨噬细胞/单核细胞产生的一种炎症细胞因子，负责细胞内各种信号事件，导致坏死或凋亡。在探讨IL-37对TNF-α和IFN-γ影响的体外实验中，IL-37可以直接抑制LPS诱导的巨噬细胞活化，进而抑制巨噬细胞产生的TNF-α上调[26]。

2.5IL-10 IL-10是一种在预防炎症和自身免疫性疾病方面具有关键作用的抗炎细胞因子。IL-10可以由免疫系统的许多细胞表达，其中包括T细胞、B细胞、树突细胞(DC)、巨噬细胞、NK细胞等。因此，它作为不同免疫反应的反馈调节器起到了关键的作用。IL-37b能明显上调脾脏和耳朵中的Foxp3+调节性T细胞(Treg细胞)，同时明显增加血清Treg细胞因子IL-10[24]。

2.6IFN-γ IFN-γ能诱导活化M1型巨噬细胞，表达高水平促炎因子如IL-12、IL-23、IL-1β和一氧化氮(NO)等，从而促进炎症过程[23]。IL-37可直接抑制IFN-γ/TLR4配体诱导的巨噬细胞M1型的活化，从而降低促炎细胞因子TNF-α、IL-1β和IL-12的表达。此外，IL-37在体内减弱了Th1细胞的反应，增加了Th2细胞因子表达，进而促进了肝脏中巨噬细胞M2型活化。M2型巨噬细胞激活的增加不仅进一步降低了TNF-α、IL-1β和IL-12的表达，而且还增加了巨噬细胞中IL-10和IL-1Ra的表达，从而更有效地抑制了肝脏IFN-γ的表达[24]。

3 IL-37与COVID-19

近期统计发现，COVID-19患者体内有大量的细胞因子产生，且重症患者体内细胞因子水平要明显高于非重症患者，这提示COVID-19患者的肺部炎症及损伤是由细胞因子风暴产生，且与疾病的严重程度相关[6]。例如COVID-19危重症患者的IL-6水平几乎是其他轻症患者的10倍，且死亡病例的IL-6水平更是明显升高[27]；临床COVID-19 患者均能检测到高水平的 IL-1β、IL-1RA 和 TNF-α，IL-1 可诱导产生一种强有力的促炎性和促凋亡蛋白TNF，进而促进炎症的启动和扩大[18]；另外发现IL-8、IL-10、TNF-α和IFN-γ，也参与了COVID-19患者体内细胞因子风暴的发生和发展[28]。病毒转移到血管紧张素转化酶2(ACE2)细胞中，机体通过模式识别受体(PRRs)识别受SARS-CoV-2影响的上皮细胞释放的损伤相关分子模式(DAMPS)，或者通过特定的Toll样受体，即TLR2和TLR4、维甲酸诱导基因Ⅰ(RIG-Ⅰ)或黑色素瘤分化相关基因(MDA)，直接识别病毒病原体相关分子模式(PAMPs)[29]。SARS-CoV-2进入靶细胞后会攻击细胞膜，使细胞裂解死亡， 随后死亡细胞被吞噬清除，在清除过程中可分泌IL-6、IL-8等细胞因子参与细胞因子风暴的发生[30]。

研究人类冠状病毒对细胞因子影响的细胞和动物实验表明，对SARS-CoV-2的Ⅰ型和Ⅲ型IFN反应失败是导致晚期免疫反应过度和严重COVID-19的原因。 低水平的IFN应答可促进受感染的肺泡上皮细胞释放单核细胞趋化蛋白1(MCP-1)及趋化因子CCL2、CCL7，诱导血液中的单核细胞趋化到肺部，激活其Janus激酶(JAK)/STAT信号通路，使单核细胞分化成巨噬细胞[31]，以巨噬细胞为主导的先天免疫应答启动，巨噬细胞的PRRs识别病毒并呈递病毒抗原给T淋巴细胞， 进而诱导T淋巴细胞分化成为效应T细胞(Th1、Th2、Th17细胞)。Th1细胞分泌IL-6、粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF)和TNF-α，进一步活化单核细胞，继而使IL-6水平进一步升高[32]；Th2 细胞分泌大量的IL-4、IL-5等，参与体液免疫应答[33];Th17细胞分泌的IL-17和IL-1β在炎症反应中发挥重要作用，IL-17促进GM-CSF的分泌增多，趋化中性粒细胞在肺内发挥损伤作用；IL-1β同时发挥促炎功能以扩大肺组织中的炎症[34]。在COVID-19患者体内这些不同的细胞因子水平升高引起细胞因子网络平衡失调，最终造成细胞因子风暴，引起局部或全身的炎症反应。

在目前的研究中，研究人员发现IL-37很可能在SARS-CoV-2感染期间发挥保护作用。治疗前早期升高的血浆IL-37与疾病的转归、低炎症细胞因子、高IFN-α、大量免疫细胞和低氧血症减少相关[22]。IL-37可有效拮抗SARS-CoV-2感染后hACE2转基因小鼠的炎症反应，早期给予IL-37可减少炎症细胞浸润，减轻肺组织损伤，从而促进疾病缓解。另外通过数据分析发现，使用IL-37、IL-8、CRP组合来区分轻、重症患者的灵敏度、特异度和受试者工作特征(ROC)曲线的曲线下面积均高于3项指标单独使用[13，22]。M1和M2型巨噬细胞极化的失衡可影响炎症反应的强度。RhIL-37在体外下调M1型巨噬细胞中诱导型一氧化氮合酶、CD11c、IL-6和MCP-1的表达，并通过抑制Notch1和NF-κB通路的激活来抑制其极化。此外，它还上调了M2型巨噬细胞中CD206和IL-10的表达。因此，IL-37可以将巨噬细胞的极化从促炎的M1型转移到抗炎的M2型[35]。在H1N1感染的BALB/c小鼠实验中发现，IL-37治疗可提高小鼠的存活率和体质量，并降低支气管肺泡灌洗液和肺组织中的肺动脉指数、促炎细胞因子，减轻肺损伤[36]。

4 总结与展望

IL-37作为IL-1家族中的一种抗炎因子，它通过与膜受体形成复合物在细胞外调整传导信号，并与Smad3形成复合物进入细胞内调节基因表达，抑制多种促炎因子的释放和促进多种抑炎因子的释放，就像是炎症的调节器，保护机体免受炎症过度反应及其导致的组织损伤。从上文可知，IL-37通过调节巨噬细胞活性抑制促炎因子释放，维稳机体内细胞因子网络的平衡，在SARS-CoV-2感染早期发挥了保护的作用。重症/危重症COVID-19患者的IL-37水平均较低，而较高水平的IL-37对于患者疾病的转归有积极的作用。相对较低IL-37水平的患者而言，高IL-37水平的患者体内促炎因子水平显著降低，CRP等炎症指标水平也低于低IL-37水平的患者，因此IL-37水平对于COVID-19患者尤为重要，或可成为判断预后的标准之一。人ACE2转基因小鼠实验进一步验证了IL-37的抗炎能力，组织病理学检查显示肺部组织损伤明显减少。由此说明IL-37在SARS-CoV-2感染导致的细胞因子风暴中起到了至关重要的作用。但目前IL-37抗炎机制复杂，对COVID-19患者体内细胞因子风暴的作用机制不明，因此IL-37与COVID-19患者炎症研究具有重要的理论和实践意义，可能为COVID-19患者的治疗提供新思路。