白细胞介素与肝功能衰竭的关系及其相关机制的研究

刘晶雪 李树臣

作者单位：150006 哈尔滨医科大学附属第二医院感染科

肝脏是人体内极其重要的解毒器官,外界或经人体正常代谢所生成的有毒物质都会被肝脏解毒成为无毒甚至溶解度更大的物质,进而排出体外。但是,当肝脏所处理的有害物质超过机体所能承受的极限时,便会导致肝脏功能的受损,并且随着肝功能的进一步恶化出现肝衰竭。目前证据表明,肝衰竭特征在于促炎和抗炎细胞因子的循环水平上调[1]。有研究[2]指出,在慢加急性(亚急性)肝衰竭患者的血清中会出现IL-6、IL- 8、IL-1β等多种致炎细胞因子水平的显著上升,并且一些抗炎细胞因子如IL-10 水平也会有相应的升高,但是由于体内的抗干扰机制尚不足以完全抵消机体的炎症刺激反应,从而导致了肝衰竭的进一步发展[3]。

一、肝衰竭介绍

急性肝功能衰竭 (ALF) 是一种罕见的复杂综合征,其特征是黄疸和凝血合成功能丧失以及发展为肝性脑病进而造成多器官衰竭 (MOF),最终导致死亡。多种原因均可能导致ALF,其中对乙酰氨基酚 (APAP) 中毒和急性乙型肝炎感染是工业化国家最常见的原因[4]。相比之下,慢加急性肝衰竭(ACLF)是以慢性肝病出现急性肝功能失代偿、单器官或多器官功能衰竭和高短期病死率为特征,导致 ACLF 的原因包括感染、胃肠道出血、病毒再激活,以及叠加的药物、病毒或缺血性损伤等[5]。

二、白细胞介素简介

白细胞介素(IL)是由多种细胞产生并作用于多种细胞的一类细胞因子。起初指由白细胞促进产生又在白细胞之间起调节作用的细胞因子,现用来指一类分子结构和生物学功能已基本清楚,具有重要调节作用而统一名称的细胞因子。白细胞介素种类众多,功能较为复杂,一般将其分为几类:IL-1家族、IL-6家族和IL-20家族及其他类。白介素是细胞内最为重要的炎症反应介质,而细胞产生白介素则是炎症级联反应的初始步骤之一。白介素释放后会结合靶细胞中的特定受体,通过介导信息的传递与调控免疫细胞,介导T、B细胞活化及诱导局部炎症和全身急性反应等多种功能发挥作用[6]。近年来, 大量研究发现IL-1、IL-6、IL-11、IL-33、IL-18、IL-22以及IL-10等通过自分泌或旁分泌方式影响细胞的增殖、分化、凋亡等过程,进而调节肝脏炎症、纤维化、损伤和修复。相应地,白细胞介素在肝衰竭的发病进展中的作用亦非常重要,增加或减弱其信号转导可能具有有害或治疗作用。改变信号的性质或效力在病理生理反应中也应引起重视,并且可以给肝衰竭患者提供新的治疗方法[7]。

三、白介素家族与肝衰竭的关系及相关机制

急性肝功能衰竭是一种多系统疾病,免疫功能障碍是其发病机制的核心。从临床角度来看,全身炎症反应综合征是由肝脏免疫细胞分泌的促炎性白细胞介素(如 IL-1β、IL-6)驱动的,并且与 ALF 中肝外器官功能障碍的发展和不良后果密切相关。而慢加急性肝功能衰竭中的免疫功能障碍是多种因素造成的,其过程中的炎症反应也不平衡。从病理生理学的角度来看,ACLF涉及免疫系统的细胞和可溶性成分中的若干缺陷/异常,这些缺陷最终导致获得性免疫缺陷状态,削弱宿主的抗菌反应,从而增加对感染的易感性[8]。

(一)白介素-6家族 IL-6 家族细胞因子由四螺旋细胞因子的七种变体组成:IL-6、IL-11、睫状神经营养因子 (CNTF)、白血病抑制因子(LIF)、抑瘤素M(OSM)、心肌营养素-1(CT-1)和心肌细胞因子样细胞因子(CLC)[9]。其中IL-6及IL-11在肝细胞坏死及其发展过程中发挥主要作用。

1. 白介素-6:IL-6一直是许多研究的焦点,这有助于发现整个IL-6细胞因子家族。IL-6是由成纤维细胞、单核细胞、巨噬细胞、T细胞和内皮细胞合成的含有184个氨基酸的四螺旋细胞因子,既是一种免疫性调节因子,也是一种介导全身炎症的物质[10]。当 IL-6 水平升高时,会导致组织损伤。在肝病患者中,内毒素释放可刺激单核细胞产生大量IL-6,导致肝细胞因感染而坏死。研究发现,慢加急性肝功能衰竭-败血症患者,即ACLF-SP组,IL-6水平(61.64±14.38 pg/mL)高于ACLF组(33.72±8.18 pg/mL,P<0.01)和对照组(22.36±6.21 pg/mL),同时ACLF组的IL-6水平亦高于对照组。该数据表明肝功能衰竭和败血症肝功能衰竭患者的IL-6水平显着升高,并且合并感染可加重肝功能衰竭患者的病情[11]。综上所述,在感染、自身免疫或癌症的情况下,IL-6的表达受到稳态基础调节和快速诱导的影响。IL-6的升高通常是疾病活动的更好预测指标,在早期诊断中具有良好的性能[12]。

IL-6和IL-6受体的复合物与第二种蛋白质gp130结合,从而二聚化并通过 JAK/STAT 通路启动细胞内信号转导,并促进STAT3的募集和磷酸化。磷酸化后,STATs易位到细胞核中并调节各种基因的表达。IL-6刺激后,通常在快速增殖的细胞中观察到有丝分裂原活化蛋白激酶(MAPK)途径的激活,同时IL-6信号传导亦可直接激活促生存磷脂酰肌醇-3激酶(PI3K)/Akt(又称蛋白激酶B,PKB)通路[13]。然而,上述IL-6和(或)其信号通路在疾病中经常失调。IL-6信号通路的持续激活对肝脏有害,最终可能导致肝脏衰竭甚至肿瘤的发生发展[10]。值得注意的是,IL-6还可以通过诱导STAT3的表达从而上调 Th17细胞,导致慢加急性肝功能衰竭[14]。因此,抑制该通路对肝功能衰竭的临床治疗具有重要意义。

2. 白介素-11:相较于IL-6,IL-11在肝功能衰竭中的具体作用研究较少,IL-11在疾病中的作用现在才受到关注。IL-11是一种多功能细胞因子,主要由成纤维细胞产生,进而发挥功能[9]。大多数关于肝脏中 IL-11已发表文献表明,IL-11的功能获得有益于肝脏健康。例如,重组人白细胞介素-11(rhIL-11)在缺血/再灌注损伤、对乙酰氨基酚(APAP)诱导的肝损伤(AILI)中显示出抗炎及保肝作用。然而,Widjaja等人的研究发现APAP很大程度上上调了肝脏IL-11的表达(35倍,P<0.0001),并证实物种匹配的IL-11实际上具有肝毒性,并通过c-Jun N 末端激酶(JNK)诱导活性氧(ROS)依赖性肝细胞死亡,同时还抑制肝脏再生,进而导致肝脏衰竭[15]。因而关于IL-11在肝衰竭中的具体作用及机制还有待进一步研究。

IL-6细胞因子家族是一组具有多种功能和抗炎和(或)促炎特性的细胞因子。其触发的细胞内反应多样性由该家族中的各种受体负责,例如刺激免疫细胞增殖和激活。从上述可知阻断或刺激这些细胞因子可能是有益的,也可能是有害的。总之,IL-6家族细胞因子代表了一组非常有趣的炎症因子,它们可以在肝病学领域成为目标,以开发基于肝脏病理生理学的有希望的新治疗策略[9]。

(二) 白介素-1超家族 IL-1超家族根据N端pro片段长度可被分为三个亚家族:IL-1子家族(IL-1α、IL-1β和IL-33、IL-1Ra)、IL-18子家族(IL-18和IL-37)和IL-36子家族(IL-36 α、β、γ 和 IL-38)[16]。IL-1超家族成员(细胞因子和受体)可导致广泛的免疫和炎症反应,例如IL-1α、IL-1β或IL-33触发促炎反应,其他成员如 IL-1Ra、IL-36Ra 和 IL-38 通过充当受体拮抗剂发挥抗炎作用,而 IL-37和 IL-18在不同情况下可促进炎症或抗炎,取决于时间和环境[17]。

IL-1β和IL-18通过IL-1R/IL-18R-MyD88途径表达上调导致组织损伤,而肝细胞死亡后也会导致IL-1α前体的快速释放。同时继ALF之后,IL-1α、IL-1β和IL-18亦通过显著降低肝脏κB抑制剂(IκB)水平和NF-κB通路激活而上调促炎症过程,导致IL-6和TNFα分泌,从而促进细胞凋亡,最终导致肝损伤和动物死亡[18]。关于白细胞介素-1受体1型(IL-1RI)缺陷的新型小鼠模型研究表明,肝细胞中的IL-1R1通过免疫细胞募集和激活以及肝细胞死亡来放大急性炎症性肝损伤。这些发现强调了IL-1信号作为急性肝病潜在治疗靶点的重要性。如果时机合适,阻断IL-1RI 信号可能是改善急性肝衰竭总体预后不良的一种方法[19]。

1. 白介素-33:IL-33是最近发现的IL-1家族成员,其功能类似于高迁移率组蛋白 B1 (HMGB1),已被证明可作为IL-1受体样-1(也称为ST2)[20]。IL-33 通过激活表达其 ST2 受体的各种靶细胞(包括肥大细胞和 2 型先天性淋巴细胞),在2型先天免疫反应和过敏性炎症的启动和放大中发挥核心作用[21]。为了进一步探索 ALF 所涉及的机制,Antune等人[22]使用APAP-IL(对乙酰氨基酚诱导性)肝衰竭小鼠模型显示APAP 刺激后肝细胞产生大量 IL-33,表明肝脏坏死与大量IL-33和趋化因子的释放有关。同时,在Toll 样受体病毒模拟物poly(I:C)诱导的ALF小鼠模型中也显示与对照小鼠相比,Poly(I:C)处理的小鼠中 IL-33 的 mRNA 表达显着增加(2～3倍),IL-33表达上调与严重的肝损伤相关[23]。

2. 白介素-18:多效细胞因子白细胞介素-18(IL-18)是 IL-1家族的成员,是先天性和适应性淋巴细胞中 1 型反应的强大诱导剂,参与NKB和 Th1 细胞的激活[24]。有趣的是,IL-18 对肝脏NKB细胞发挥多效作用,引发凋亡相关因子配体(FasL)介导的细胞毒性和干扰素γ依赖性反应,增加了肝细胞上凋亡相关因子(Fas)的表达[25]。这些Fas/Fas配体相互作用会诱导肝细胞凋亡,门静脉周围大量纤维化,炎症和严重的肝衰竭。研究表明,与 CHB (96.07±12.56 pg/mL,P<0.01)和对照组(89.42±16.79 pg/mL,P<0.01)相比,HBV-ACLF 患者血浆中的IL-18 水平(108.0±14.52 pg/mL)显著升高。此外,较高浓度(10 ng/mL)的 IL-18 提高了 HBV-ACLF 患者的 NKB 细胞百分比,表明IL-18 可能对 HBV-ACLF 患者的 NKB 细胞发挥正反馈活性。然而,HBV-ACLF 患者的基线和治疗后血浆IL-18 水平没有统计学差异(P>0.05),这可能部分是由于 NKB 细胞不是这些细胞因子的唯一来源。总之,升高的 NKB 细胞比例和外周 IL-18水平对 HBV-ACLF 生存状态有较好的预后价值,提示IL-18 可能是 NKB 细胞分泌的介导HBV-ACLF 炎症的标志性细胞因子[26]。

通过上述我们可以发现,虽然IL-1细胞因子家族的一些成员(IL-1α、IL-1β、IL-33)在肝脏疾病中已被广泛研究,导致强烈的论据支持这些分子作为潜在的治疗靶点,但其他成员的作用(IL-36、IL-37、IL-38)仍有待阐明。此外,IL-1家族的一些成员可增强组织损伤和炎症,而其他成员则通过促进组织再生和防止组织损伤和炎症而具有更大的保护/抗炎作用。因此,这些细胞因子代表了肝病治疗的关键靶点,并可能为旨在控制局部免疫反应和限制肝损伤的潜在创新治疗方法开辟新的前景[18]。

(三)白介素-10家族 IL-10家族可以根据其功能进一步细分为三组:IL-10本身、IFN-λ亚家族和 IL-20亚家族[27]。其中在肝衰竭疾病发展过程中发挥主要作用的是IL-10本身和IL-20亚家族。

1.白介素-10:IL-10由Th2细胞产生,是一种抗炎细胞因子和免疫抑制因子。在调节炎症反应和限制肝损伤的过程中,IL-10主要参与减轻炎症性肝损伤、延缓肝再生、调节 NF-κB 活性以及降低单核细胞分泌的 TNF-α、IL-1、IL-6、IL-8和IL-12。它还减少了活性氧中间体、血小板活化因子和趋化因子的产生以预防肝纤维化[28]。通过针对ACLF 患者的研究发现,与代偿期肝硬化患者相比,ACLF-SP组IL-10水平(49.43±8.15 pg/mL)显著高于ACLF组(34.11±8.20 pg/mL,P<0.01)和对照组(14.59±5.13 pg/mL,P<0.01)。同时,ACLF组IL-10水平高于对照组。由于ACLF和ACLF-SP的炎症更为严重,机体增加 IL-10水平以减轻炎症反应性肝损伤[11]。一项对 27 名 ACLF 患者进行调查的德国研究发现,与稳定肝硬化患者相比,这些受试者的循环 IL-6 和 IL-10 水平更高。同时,在涉及51名急性肝功能衰竭患者和39名在重症监护病房住院的肝硬化患者的研究中,IL-10已被证明与两组的病死率相关[1]。综上所述,通过增加的IL-10水平来衡量入院时全身炎症反应的严重程度,已被证明可以预测 ACLF 患者的不良预后[28]。

2.白介素-20亚家族:IL-20亚家族是IL-10相关细胞因子家族的成员,包括IL-19、IL-20、IL-22、IL-24和IL-26。它们都具有在肝脏中执行白细胞和上皮细胞的共同功能,可帮助肝脏对损伤和疾病做出反应。它们参与组织稳态的控制,以及在该器官中产生的免疫反应[29]。迄今为止,研究最深入的家族肝脏稳态的成员是 IL-22 细胞因子。

IL-22是唯一由 Th17/22细胞、γδT 细胞、自然杀伤 (NK) T 细胞等免疫细胞分泌的细胞因子,主要靶向非造血细胞,如肝、肺、肾、胰腺和肠[30]。在肝脏中,肝细胞是IL-22的主要靶点,主要通过诱导促进有丝分裂蛋白和抗凋亡蛋白的表达,从而在免疫系统和外周组织之间的信号转导中起关键作用[31]。临床前研究表明,用 IL-1受体拮抗剂阿那白滞素治疗可减少 ACLF 小鼠模型的肝脏炎症和中性粒细胞浸润,改善肝细胞再生和恢复。而IL-22 已被证明可以保护和修复酒精性肝炎小鼠的肝损伤、靶向信号转导和转录激活剂-3。IL-22 的抗凋亡、增殖和抗菌作用可能对 ACLF 患者有益[28]。更为重要的是,IL-22受体的表达仅限于上皮细胞,这表明IL-22治疗可能相比其他白细胞介素家族产生更少的副作用,因此IL-22有望成为治疗人类肝病的新候选药物[32]。

四、结语与展望

在肝功能衰竭的发展过程中,大量免疫细胞活化及各种白细胞介素家族如IL-1家族、IL-6家族和IL-20家族等参与并相互影响、共同作用,构成了免疫反应的中心环节。白细胞介素可以改变靶细胞的功能,介导不同的信号转导途径,从而引起肝衰竭的发生和发展。并且某些白介素的基线水平和动态变化与肝衰竭的严重程度及预后密切相关,但更多的发病机制还有待进一步探索。通过研究白介素在肝脏中的生物学特性,不仅有助于我们了解病情的严重程度,而且还可能发现用于治疗的新型有效干预措施。因此未来仍需对白介素家族进行更深入的探讨,为肝衰竭的治疗和预防提供一种新的思路。

利益冲突声明：所有作者均声明不存在利益冲突。