白细胞介素-13在特发性肺纤维化发生发展中的作用机制研究进展

谈程，张洵，先仙，姚昊

1 南京医科大学第二附属医院心血管中心，南京 210028；2 南京医科大学第二附属医院麻醉科

特发性肺纤维化（IPF）是一种相对罕见的肺部疾病，发病机制不明，其主要特征是肺实质的进行性间质纤维化，进行性呼吸功能衰退是其主要症状，且通常难以治愈，最终导致呼吸衰竭和死亡［1］。IPF的核心过程是反复上皮损伤修复、炎症和纤维化，免疫失调被认为是IPF 发展的一个促进因素［2］。IPF 目前缺乏有效治疗手段，早期肺移植可能是目前惟一有效的治疗方法［3］。白细胞介素-13（IL-13）是一种由2 型辅助性T 细胞（Th2）、上皮细胞和巨噬细胞等产生的促炎细胞因子，在IPF 中表达升高。IL-13 可以与肺泡上皮细胞相互作用，使其分泌多种促纤维化因子，并发生上皮—间充质转化；IL-13 也可以通过激活M2 型巨噬细胞、诱导成纤维细胞增殖分化成为肌成纤维细胞、促进平滑肌细胞的收缩及胶原合成，产生过量的细胞外基质（ECM），最终导致病理重塑，参与IPF 的发生与发展［4-5］。现就IL-13 在IPF发生发展中的作用机制研究进展综述如下。

1 IL-13在IPF中的表达变化

IL-13 的作用通过俩个受体介导，即IL-13Rα1/IL-4Rα 复合物以及IL-13Rα2。IL-13Rα1 由多种细胞类型表达，包括B 淋巴细胞、单核细胞、肺成纤维细胞和血管内皮细胞。IL-13Rα2 也被多种细胞类型表达，包括巨噬细胞、肺成纤维细胞和气道上皮细胞［6］。

在IPF 中，TH2 细胞因子（尤其是IL-4 和IL-13）表达增加［7］。IL-13 的升高和肺纤维化密切相关，早期的动物研究报告显示其过度表达可诱导肺纤维化，而在博莱霉素诱导的肺纤维化中，中和IL-13 可使纤维化程度减弱。在IPF 患者中，支气管肺泡灌洗液（BALF）和活检中IL-13 水平增加。此外研究［8］显示，在IPF 患者的肺成纤维细胞上检测到IL-13 受体的过度表达。最近有研究表明，IPF 患者BALF中IL-13 的水平高于非特异性间质性肺炎［9］，这证明IL-13对于IPF的作用具有一定的特异性。

2 IL-13在IPF发生发展中的作用机制

2.1 IL-13 与肺泡上皮细胞之间的相互作用促进IPF Ⅱ型肺泡上皮细胞（AEC2）在肺部炎症和纤维化的发病机制中起关键作用。研究［10］发现，用IL-13 刺激AEC2，能够使其产生骨膜蛋白和嗜酸性粒细胞驱化蛋白，而骨膜蛋白能够诱导成纤维细胞分化为肌成纤维细胞，并与其他细胞外基质成分结合，但具体对肺纤维化的影响还需要进一步确定。学者［11］发现，IPF 患者Janus 激酶（JAK）2/信号转导子和转录激活子（STAT）3 蛋白表达上调，体外实验发现IL-13 刺激原代AEC2 激活JAK2/STAT3，诱导上皮细胞向间充质细胞转化。此外，KRISTEN 等结合了损伤/修复模型中的体内谱系追踪、体外类器官培养和定量蛋白质组学，揭示了IL-13对肺泡上皮细胞分化能力的扰乱，及其STAT6 依赖性作用。他们发现在肺切除术代偿性肺再生模型中，IL-13 导致AEC2 向AEC1 分化的障碍，且通过体外实验，表明IL-13 对AEC2 的影响是上皮中的STAT6 直接介导的，而不是通过支持基质细胞的STAT6 间接影响，AEC2 可作为IL-13 的效应细胞，产生纤维化和促炎蛋白，并且可以增加ECM 相关蛋白的表达，如胶原14A1和赖氨酸羟化酶2，但作者并没有排除IL-13以非STAT6 依赖的方式促进基质细胞分泌因子的产生，并以STAT6 依赖性的方式作用于AEC2，有待进一步研究。而在这项研究中最有趣的发现是IL-13可以促进AEC2 分化为细支气管表型，而AEC2 不同表型对IL-13 反应的异质性也是未来的研究方向。XU 等发现了IPF 肺中的“中间”上皮细胞类型，具有和Krsiten M 等用IL-13 处理的AEC2 具有许多相同特征，这些“中间”上皮细胞可能类似于在纤维性肺泡间隔中发现的“增生型AEC2”，其不具有AEC2 表型，且不能分化为AEC1，正常的修复被破坏，而不完全的上皮修复会导致促纤维化和ECM 重塑相关蛋白的分泌，从而形成了一个负反馈循环，这可能是IL-13导致IPF患者纤维化加重的机制［12］。

除上述以外，肺泡上皮细胞被认为是TGF-β1的主要来源，暴露于博来霉素后，肺泡上皮细胞释放大量TGF-β1和白细胞介素-33（IL-33）［13］。LI 等［14］发现IL-33 可以通过促进炎症细胞浸润及其功能，包括II型固有淋巴细胞（ILC2s）的极化，增强IL-13 以及TGF-β1的生成，从而显著增强肺纤维化的进展。另外，有研究证明IL-33可直接诱导肺泡上皮细胞释放TGF-β1，从而促进TGF-β1在肺中的积累，并通过神经纤维网蛋白1（Nrp1）上调生长刺激表达基因2（ST2）增强ILC2s 的激活，以及IL-13 水平的上调，即TGF-β1-Nrp1 轴通过上调ST2 而增强ILC2s 功能，上调IL-13的水平，从而加重肺纤维化［13］。也有研究［15］表明，TGF-β1诱导的ST2 表达是由丝裂原活化蛋白激酶激酶1/2依赖途径介导的。

以上研究说明不仅IL-13 可以刺激肺泡上皮细胞产生促纤维化细胞因子，而且肺泡上皮细胞本身也可以在某些刺激下作为IL-13的来源，从而形成恶性循环，进一步加重肺纤维化。但是值得注意的是，研究表明，肺泡上皮细胞损伤后，其自身以及其分泌物质激活的Th2 细胞释放的IL-13 也可以触发抗纤维化反馈机制，IL-13 可以激活M2 巨噬细胞中的精氨酸酶-1活性，从而抑制IL-13的进一步产生［16］。因此，IL-13与肺泡上皮细胞的相互作用以及具体调控机制还有待进一步研究。

2.2 IL-13激活M2型巨噬细胞促进或抑制IPF 巨噬细胞是肺内主要的天然免疫细胞，在机体防御和免疫调节中具有重要作用。巨噬细胞在肺中具有一系列功能，包括维持体内平衡、免疫监视、清除细胞碎片、修复、清除微生物和消除炎症，其在IPF 中也起到关键作用。IL-13部分由M2a亚群产生，受丝氨酸/苏氨酸激酶（AKT）1/2 等信号通路的调控［17-18］，而其与巨噬细胞之间的相互作用在肺纤维化的发展中起着重要的作用。

肺中存在着不同的巨噬细胞亚群，不同的表型发挥不同的功能，而IL-13 激活的M2 型和IPF 存在直接联系，但对于IL-13激活的巨噬细胞发挥的作用仍然存在争议。

一方面有学者认为，M2 型巨噬细胞可以促进IPF 的发展。已有研究表明，IL-13 可通过激活磷酸肌醇-3-激酶（PI3K）/AKT、JAK1和STAT6来诱导M2巨噬细胞，而M2 巨噬细胞可分泌TGF-β1，其可诱导与重塑相关的多种反应，如成纤维细胞活化、ECM沉积和细胞死亡反应。另外，IL-13 也可以使M2 巨噬细胞分泌胰岛素样生长因子1，其可以刺激成纤维细胞和肌成纤维细胞的增殖和存活以及胶原基质合成［19］。此外，有学者等通过具有一定硬度的水凝胶系统来模仿纤维化中ECM 的硬度，并发现在含有IL-13的水凝胶上培养的肺泡巨噬细胞细胞系MH-S细胞显示出比其他条件更大的细胞面积。ECM 硬度和IL-13 都导致M2 型巨噬细胞增加，同时两者在降低M1 型巨噬细胞表达方面具有协同作用，都是通过JAK/STAT 途径发出信号，以驱动M2 型巨噬细胞极化。另外，他们发现ECM 硬度和IL-13 协同损害了巨噬细胞的吞噬功能，而吞噬功能缺陷会限制外来病原体的有效清除并增加肺中的凋亡碎片，促进肺纤维化的发展［20］。

另一方面，有学者认为，IL-13激活的M2型巨噬细胞具有一定的抗纤维化作用，它可以通过缓解炎症反应和吞噬细胞碎片以及多余的ECM 来延缓IPF的进展。IL-13诱导的M2型巨噬细胞也能够诱导调节性T 细胞并且表达更高水平的白细胞介素-10 和抗炎细胞因子，减少局部炎症浸润，从而减少随后的损伤修复，延缓肺纤维化的进程［21］。另外，CARNEIRO等［22］发现博舒替尼具有抗肺纤维化作用，其能够减少M1 型并且增加M2 型巨噬细胞的数量，发挥M2型巨噬细胞高内吞的清除能力，减少肺组织中ECM的含量，此时的M2 型巨噬细胞发挥出一定的抗纤维化作用。

关于IL-13 对于M2 型巨噬细胞的调控机制，已有多项研究。微小RNA（miRNA）是免疫细胞功能的关键调节者，SU 等发现IL-13 诱导巨噬细胞中miR-142-5p，并下调miR-130a-3p，这些变化导致巨噬细胞极化为M2 表型，并发挥其促纤维化作用。在体外，miR-142-5p 通过靶向STAT6 的负调控因子细胞因子信号抑制物1 来延长STAT6 的磷酸化，而阻断miR-130a-3p 可以阻止其对过氧化物酶体增殖物激活受体γ（PPARγ）的抑制，PPARγ 可协调STAT6 的信号传导［23-24］。基质金属蛋白酶（MMPs）在纤维生成中发挥关键作用，可以通过控制胶原蛋白和其他ECM 成分在组织中的沉积来调节ECM，决定了正常伤口愈合反应和致病性纤维化之间的平衡。GHARIB 等［25］发现IL-13 可以通过促进MMP28在巨噬细胞的表达，促进其极化，而MMP28 的敲除导致了M2 型巨噬细胞极化降低，并降低了博来霉素诱导的纤维化。此外，SINGH 等［26］创新性的使用了一种重复皮内注射博来霉素的肺纤维化模型，结果表明IL-13 驱动的信号转导参与了巨噬细胞和成纤维细胞的过度迁移，值得注意的是IL-13驱动的迁移涉及到磷酸化焦点黏附蛋白激酶信号的增加和F-肌动蛋白的聚合。而关于巨噬细胞上表达的IL-13受体，2005年就有研究表明，IL-13通过巨噬细胞表面的IL-13Rα2 受体，激活含有c-jun 和Fra-2 的激活蛋白1 变体，从而激活TGF-β1启动子，促进M2型巨噬细胞分泌TGF-β［27］。而作为TGF 家族的一员，生长分化因子15（GDF15）在IL-13 对于M2 型巨噬细胞的极化过程中也起到了不可或缺的作用。TAKENOUCHI 等［28］发现，在博来霉素诱导的肺纤维化模型中，GDF15 在衰老的肺泡上皮细胞和巨噬细胞上表达，而且GDF15 参与了IL-13 诱导的M2 型巨噬细胞标记物（包括精氨酸酶1 和几丁质酶-3 样蛋白）mRNA 表达增加，因此GDF15 可能通过激活M2型巨噬细胞作为促纤维化因子，也成为了潜在的治疗靶点。

IL-13 激活的M2 型巨噬细胞对IPF 的作用具体是促进还是抑制，可能取决于M2 型巨噬细胞在特定情况下分泌的相关因子的量，同一因子在范围内的增多可能起到抗炎、组织修复的作用，而一旦超过范围，则成为了促纤维化因子。因此，找到IL-13 激活的M2 型巨噬细胞释放因子作用的平衡点及相关的调控机制对于IPF 的治疗至关重要，还需进行深入研究。

2.3 IL-13 诱导成纤维细胞的活化与增殖促进IPF 在IPF 的发生过程中，肺成纤维细胞向肌成纤维细胞的分化也是其重要特征之一。而IL-13 可以刺激成纤维细胞的活化和增殖，促进ECM 的沉积，从而促进IPF的进展。

IL-13可以刺激肺泡上皮细胞释放骨膜蛋白，其可以诱导成纤维细胞分化为肌成纤维细胞。关于IL-13 对成纤维细胞的具体调控机制，BARNES 等发现了趋化因子受体3（CXCR3）在肺成纤维细胞中的表达及其与IL-13Rα2 表达的关系。CXCR3 在IPF发生过程中参与血管重塑和成纤维细胞运动，IPF中CXCR3 是IL-13Rα2 基因和蛋白上调所必须的［29］。此外在博来霉素诱导的肺纤维化过程中，IL-13 增强了MMP2 和MMP9 在成纤维细胞的表达，这也被证明增加了肺成纤维细胞的迁移和侵袭性，促进了肺纤维化的进展［26］。而JAVIER 等在IPF 患者中发现JAK2/STAT3 这两种蛋白表达的上调，并且在体外实验中发现IL-13 刺激肺成纤维细胞激活JAK2/STAT3，诱导成纤维细胞向肌成纤维细胞转化。GUO等［30］认为，IL-13可以以剂量和时间依赖的方式，上调肺成纤维细胞中的转录因子阴阳1（YY1），导致α-平滑肌肌动蛋白的增加。在动物实验中，与野生型相比，IL-13 转基因小鼠纤维化肺中YY1 表达上调，且与AKT 磷酸化有关。RADWANS‑KA 等发现，重组GDF15 可通过激活素受体样激酶5受体介导，刺激人肺成纤维细胞中α-平滑肌肌动蛋白的表达，促进肺纤维化的进展。

除了成纤维细胞以外，IL-13也可以增加平滑肌细胞收缩以及胶原的合成。而IL-13 与肺内其他细胞，如血管内皮细胞、中性粒细胞等细胞之间是否有直接或间接的联系，及其在IPF 中的作用还有待进一步探究。

随着IL-13 在肺纤维化中的生物学意义以及作用机制研究的逐渐深入，IL-13 驱动肺纤维化和导致功能障碍的作用被逐渐认识。以IL-13 为靶点的治疗，一方面可以降低IL-13 对巨噬细胞转化为M2 表型的促进作用，继而减少巨噬细胞释放TGF-β 等促纤维化因子；另一方面，也能够通过减少JAK/STAT 等通路的激活，减少上皮细胞向间充质细胞和成纤维细胞向肌成纤维细胞的转变，从而延缓肺纤维化的进展。目前，针对IL-13 的药物有曲洛金单抗以及来瑞组单抗等，它们都可以以高亲和力结合IL-13，抑制IL-13 的生物学效应。

综上所述，IL-13 参与了IPF 的发生发展，在IPF中发挥重要作用，包括与肺泡上皮细胞的相互作用、激活M2 型巨噬细胞以及诱导成纤维细胞增殖与分化。IL-13 在不同阶段诱导肺泡上皮细胞表达蛋白的水平可能成为进行个性化治疗的生物标志物，而IL-13 本身及其互作蛋白如GDF15 等则有望成为IPF新的治疗靶点。