白介素4
由活化的 T 淋巴细胞产生的细胞因子。导致B细胞的增殖和分化,刺激B细胞合成[[免疫球蛋白IgE;影响自然杀伤细胞(NK 细胞)的应答,以及淋巴因子激活的杀伤性细胞(LAK细胞)对白介素-2的应答;增强巨噬细胞杀伤肿瘤的活性。
结构
IL-4的结构和功能:1982年,Howard等发现T细胞培养上清液中有一种促进B细胞增殖的因子,起初命名为B细胞生长因子。1986年基因克隆成功,国际统一命名为IL-4。人IL-4基因定位于第5号染色体,由4个外显子和3个内含子组成,约10 kb,成熟人IL-4分子由129个氨基酸残基组成,相对分子质量为15× 103,有2个糖基化点,含有6个半胱氨酸,参与分子内二硫键的组成。
功能
L-4是由Th2细胞产生,是表面抗原分化簇4受体(CD4)+ T细胞亚群、B细胞、肥大细胞等分泌的多效应细胞因子,对B细胞、T细胞、肥大细胞、嗜酸粒细胞等都有免疫调节作用。IL-4促进嗜酸粒细胞、肥大细胞及其前体细胞增殖及分化,具有多种生物学活性;IL-4促进B细胞主要组织相容性复合体Ⅱ(MHCⅡ)类抗原CD40的表达,增强B细胞呈递抗原能力;刺激B细胞的增殖和分化,促进B细胞合成和分泌免疫球蛋白E(IgE)。IL-4也可抑制B细胞的凋亡,增强B细胞表达人IgE Fc段受体Ⅱ(FcεRⅡ)和对FcεRⅡ mRNA的转录,促进sFcεRⅡ的合成,从而使体内IgE合成相应增加。当外源特异性抗原进入后,T细胞增殖活化,Th0细胞表达IL-4等细胞因子受体数量增加,在接受活化自然杀伤细胞产生的IL-4能使Th0细胞向Th2细胞分化,维持Th2的增殖;并可提高脂多糖刺激小鼠B细胞产生IgG1、IgE水平。IL-4调整细胞的分化、增殖和凋亡,在过敏性和自身免疫性疾病的发病中起重要的作用。
信号通路
IL-4R是一种跨膜受体,当IL-4配体激活时,IL-4R存在两种不同的形式,一种为Ⅰ型IL-4R,为高亲和力的α链和中度亲和力γ链组成,相对分子质量为140 000,它结合IL-4并介导它的增殖、促进和活化作用。另一种为Ⅱ型IL-4R,由高亲和力IL-4Rα链和IL-13Rα链组成,相对分子质量为140 000,它可增强IL-4受体信号,同时也是IL-13的同源功能受体。IL-4和IL-13共用IL-4R作为各自受体系统的一部分。这两种形式的IL-4R都影响着IL-4信号的转导。小鼠IL-4Rα基因定位于7号染色体末端,DNA长25 kb,含有12个外显子和11个内显子。人IL-4Rα基因定位于16p 12.1,具有两种形式,即模型和可溶性,模型由外显子3-7(胞外区)、外显子9(跨膜区)、外显子10-12(胞内区)编码组成,而可溶性受体由外显子3-8(胞外区)编码组成,缺少跨膜区和胞内区,由于蛋白水解,致使受体胞外区自膜上脱落。同IL-13一样,IL-4与其复合物结合后,激活胞内激酶/转录途径,即JAK/STAT途径。JAK和STAT是一些细胞因子受体信号转导成分,IL-4Rα与JAK1或者JAK2有关,γ链与JAK3有关,三种JAK共同参与IL-4诱导的STAT6的活化。IL-4R聚合使JAK活化,受体胞内区特异性络氨酸磷酸化,STAT6通过其保守的Sh2区与受体结合后,其羧基末端的络氨酸残基磷酸化,导致STAT6与受体分离。STAT6与转录因子C/EBPα共同激活免疫球蛋白ε基因转录,促进CD23、MHCⅡ和IL-4Rα表达。
与哮喘作用
哮喘是一种以黏蛋白高分泌、气道阻塞、气道炎症、气道高反应性、气道重塑为主要特征的慢性炎症疾病。发病机制复杂多样,多种细胞因子参与哮喘炎症通路,包括IL-4Rα、IL-4、IL-10、IL-3及CD14,特别是基因多态性IL-4Rα和IL-13与IgE,其水平升高与哮喘的严重程度密切相关。研究表明Th2淋巴细胞在过敏性疾病的发病起始中具有重要作用,其作用是通过释放IL-4、IL-5等来实现的。
IL-4对炎性细胞的影响:IL-4可通过诱导释放促炎症因子和促嗜酸粒细胞聚集的细胞因子协调局部组织炎症,在炎症和自身免疫性疾病,特别在哮喘过敏性气道炎症、气道高反应性及气道重构中发挥重要作用,引起了广泛关注。嗜酸粒细胞是重要炎性细胞,在哮喘患者气道中聚集大量嗜酸粒细胞。尸检发现患者痰液及肺组织中聚集有大量嗜酸粒细胞,嗜酸粒细胞浸润程度与哮喘的严重程度有关。研究发现嗜酸粒细胞的增多主要通过IL-5依赖机制和非IL-5依赖机制,而IL-4是非IL-5依赖机制中重要的炎症因子之一。Mark等以IL-4和STAT6缺陷小鼠建立胸腺基质淋巴细胞生成素(TSLP)下游区Th2型反应模型。以IL-4+/-/SPC-TSLP小鼠和IL-4-/-/SPC-TSLP小鼠以及经过PAS染色法处理过的IL-4+/-/SPC-TSLP小鼠和IL-4-/-/SPC-TSLP小鼠四组肺组织切片进行对比,发现IL-4缺陷但并未完全清除IL-4肺组织切片,嗜酸粒细胞和杯状细胞化生仍旧存在,IL-4完全缺陷切片嗜酸粒细胞和杯状细胞化生几乎不存在,而STAT6缺陷的小鼠,导致气道炎症和杯状细胞化生几乎完全被抑制,从而使哮喘症状缓解。因此我们可以认为IL-4在嗜酸粒细胞和杯状细胞化生中具有重要作用。 IL-4是T细胞诱导炎症反应早期启动因素,对嗜酸粒细胞及其他炎症细胞有强大的化学趋化作用,可以显著增加气道内炎症细胞的聚集、活化,从而诱导和加重哮喘的急性发作。IL-4增加内皮细胞上血管细胞黏附分子1(VCAM-1)的表达,使气道组织嗜酸粒细胞优先聚集,诱导T淋巴靶细胞、单核细胞、嗜碱粒细胞、嗜酸粒细胞聚集到炎症部位。IL-4也可直接趋化嗜酸粒细胞浸润到哮喘患者气道,使其气道反应性增高。趋化因子受体3(CCR3)包括嗜酸粒细胞趋化因子和CCL11,研究表明这些趋化因子和生长因子可能参与气道重塑过程,Matsukura等研究发现IL-4、IL-13可以上调CCL11和CCL26 mRNA的表达,转化生长因子-β不能增加其表达,但可增强IL-4、IL-13诱导CCL11的表达;CCL11启动子的活性是通过IL-4激发的,通过转化生长因子-β增强的。人类CCL26通过CCR3途径使嗜酸粒细胞和其他白细胞聚集。 还有研究得出IL-4优先刺激CCR3、嗜酸粒细胞活化趋化因子-3、MCP-4的表达,抑制嗜酸粒细胞的凋亡,从而使嗜酸粒细胞增加。IL-4导致正常人气道上皮细胞凋亡,增强嗜酸粒细CCR3 mRNA的表达,这种趋化因子募集嗜酸粒细胞伴随增加Th2淋巴细胞,肥大细胞以及嗜碱粒细胞。在外周淋巴细胞和中枢之间互相作用,特别是在上皮组织维持炎性反应。Dianne等通过比较小鼠成熟树突状细胞(DC)与CD4+ Th2细胞的IL-4、IL-13、IL-4R功能,得出IL-4·113·和IL-13在Th2细胞免疫和哮喘发病中发挥关键作用,IL-4和IL-13影响肺DC成熟,调节记忆性CD4+ T细胞分泌IFN-γ,IL-4增强DC刺激T细胞分泌Th2细胞的能力,而IL-13通过增强DC的能力来抑制T细胞分泌IFN-γ。IL-4-/- Th2细胞转染IL-4Rα-/-小鼠后,无诱导性黏液分泌,支气管肺泡灌洗液中嗜酸粒细胞无明显增多。IL-5-/- Th2细胞转染IL-5-/-小鼠时,虽然嗜酸粒细胞增多症被抑制,但黏液仍有分泌,表明由IL-4Rα介导的信号转导在Th2细胞型刺激的粘液分泌过程中意义重大。 IL-4对IgE的影响:IgE被认为是介导Ⅰ型超敏反应的重要介质,当机体再次接触过敏原,使IgE交联导致肥大细胞和嗜酸粒细胞脱颗粒释放炎症介质引起气道高反应性。到目前为止,已经发现多种细胞因子参与IgE的产生,但人体内仅发现IL-4和IL-13两种细胞因子可直接促进IgE合成。IL-4使B细胞分化从而诱导IgE产物的转换,是调节IgE主要因子。IL-4诱导IgE的产生依赖IL-4R和STAT6,当IL-4与IL-4Rα结合后启动一系列信号反应,激活STAT6、启动IgE前mRNA导致IgE产生。IL-4选择性刺激定向产生IgG1或IgE的B细胞的增殖和分化,增加特异的重链恒定区Ig类的转换区Sμ-Sγ1结合,促进IgG1合成和分泌。IL-4可直接诱导IgM转化IgE,或经过IgG再转换成IgE。IL-4也可在CD4+ T细胞辅助下诱导Ig类型从IgM向IgE转换。另外,当变应原激活T细胞后,T细胞释放IL-13的时间要早于IL-4,而且分泌的持续时问也远远长于IL-4。但由于IL-13无促进T细胞增殖、生长和激活作用,不能调节T细胞向Th2细胞分化,因而在诱导和维持B细胞合成IgE的作用强度方面弱于IL-4,因此可以说明IL-4在哮喘气道高反应性过程中具有重要的作用。 IL-4的其他作用:选择素具有介导炎性细胞迁移、聚集及气道高反应性等作用,与哮喘治病过程有关。Pitchford等研究发现哮喘大鼠体内注射P-选择素及配体PSGL-1血小板后,大鼠肺部炎细胞聚集,而注射P-选择素缺失的血小板后,炎细胞未聚集。可溶性E-选择素是E-选择素识别的主要结构,表达在内皮细胞上,是介导嗜酸粒细胞跨内皮移动的主要黏附分子。研究发现IL-4可上调P-选择素、E-选择素使炎症逐级放大最后导致哮喘的发生。IL-4与干细胞因子共同促进前肥大细胞分裂、生长,促进肥大细胞表达FcεRⅠ及组胺释放和IL-13的产生。
白介素4治疗进展
大量的研究已经证实,IL-4是哮喘中的重要调节因子,因此阻止IL-4合成或拮抗IL-4生物学活性对治疗哮喘有一定作用。目前,应用于哮喘靶向治疗研究的IL-4拮抗剂主要有IL-4可溶性受体,IL-4突变体及抗IL-4单克隆抗体,他们都能通过阻断IL-4信号通路,来控制促炎性因子在气道积累,而达到治疗哮喘的目的。
可溶性IL-4受体(sIL-4R):sIL-4R是一种天然的IL-4对抗物,对IL-4有高度亲和力。重组人sIL-4R由209个氨基酸蛋白组成,只包含了IL-4R的胞外区,缺乏胞内区和跨膜区。sIL-4R可抑制B细胞增殖、低亲和力IgER和MHCⅡ的表达,调节幼稚CD4+细胞分化和IgG1转化为IgE,可阻止过敏性疾病患者CD8+ T细胞介导的IgE的产生,可抑制嗜酸粒细胞趋化因子的产生。小鼠sIL-4R可以减少过敏原引起的气道反应性、嗜酸粒细胞及其他炎性细胞浸润、气道阻塞和VCAM-1表达。在一随机双盲对照的实验中观察25例均需吸入糖皮质激素控制症状的中度哮喘患者,停用糖皮质激素后随机分为三组:分别给予sIL-4R 1 500 mg、500 mg和安慰剂喷雾,于第4天测肺功能,发现sIL-4R 1 500 mg组其FEV1较安慰剂组显著改善,NO呼出量、β2受体激动剂的用量亦明显减少,且无相关毒性反应。IL-4抗体和可溶性IL-4被作为哮喘有效的治疗方案,研究表明,雾化吸入sIL-4R血清半衰期为1周,并已在中重度哮喘患者中作研究,大剂量sIL-4R(300μg)可有效的抑制FEV1下降和哮喘症状的加重。联合应用sIL-4R、抗IL-5单克隆抗体和糖皮质激素可阻止哮喘症状加重,减少或者清除气道嗜酸粒细胞。
IL-4突变体:IL-4氨基酸突变可使IL-4转化为IL-4对抗物,即IL-4突变体。IL-4突变体有多种,IL-4单突变体Y124D,即把124位上的络氨酸用天冬氨酸替代,结合IL-4Rα亚单位,IL-4及IL-13共同受体链,从而抑制IL-4及IL-13的相关作用。双突变体R121D/Y124D则进一步把121位上的精氨酸用天冬氨酸替代,使IL-4缺乏明显的活性而成为IL-4和IL-13的一个很好的拮抗剂,双突变体R121D/Y124D可抑制大麻素类(CB1)基因转录上调,从而抑制IL-4介导的STAT6作用。Susanne等研制出一种IL-4拮抗剂(QY),即把116位的谷氮酰胺和119位的酪氨酸改换成天冬氨酸的残基,以此来合成IL-4突变体,它能特异地结合IL-4受体,但并不具有IL-4的作用;同时证明了这种蛋白可以抑制IgG1、IgG2a、IgG2B、IgG3、IgE等细胞增生、分化及信号转导,体外实验显示双重突变体QY具有IL-4相似的亲和力,但不会产生IL-4相关效应,可抑制小鼠B细胞扩增和CD23表达,抑制STAT6酪氨酸磷酸化和JAK3酪氨酸激酶活性。气道黏膜给予编码Y119D的IL-4质粒,可抑制气道高反应性、嗜酸粒细胞增生和黏液产生。为测试IL-4双突变体DNA(IL-4DM DNA)对过敏性炎症反应的治疗作用,曾有研究分别于第0天、第7天、第14天和第21天给予OVA致敏小鼠腹腔注射IL-4DM DNA,结果显示IL-4DM DNA组在第0天、第7天和第14天小鼠支气管肺泡灌洗液中嗜酸粒细胞、蛋白含量及IgE含量明显低于对照组,而在第21天嗜酸粒细胞有少量增加,此研究结果表明IL-4DM DNA在抑制过敏性炎症反应是有效的,特别是在炎症早期。Pitrakinra是一种人类重组蛋白,IL-4突变体,可有效抑制IL-4和IL-13与IL-4Rα的结合,使哮喘患者炎症性气道高反应性中断。Wenzel等将其用于临床试验,证明IL-4突变体对肺有保护功能,可有效降低哮喘患者经变应原激发后气道FEV1降低程度,但对IgE,嗜酸粒细胞水平无明显影响。
抗IL-4单克隆抗体:抗IL-4单克隆抗体在哮喘、过敏性鼻炎等过敏性疾病中都具有重要的作用。用于哮喘患者,发现其可中和IL-4作用,使CD4+ CD30+ T细胞明显降低。Pascolizumab是一人类抗IL-4单克隆抗体,能阻止IL-4与IL-5的共同作用,可抑制Th2细胞活性、嗜酸粒细胞和IgE的产生,将其用于短尾猴结果显示该抗体有效的抑制IL-4相关活动,包括IgE、CD23及T细胞增殖,因此Pascolizumab可能的潜在好处是用于哮喘的治疗。该单克隆抗体具有高亲和力、长半衰期和低免疫原性,并降低了服药剂量。在人体临床试验进一步评价它治疗哮喘是非常必要的。抗IL-4多克隆抗体(11B11)预防性的用于卵蛋白致敏性小鼠,结果显示预防治疗组IgE水平显著低于对照组。Mark等对哮喘小鼠给予一抗IL-4R的单克隆抗体,可以通过降低气道高反应性、气道炎症、炎症细胞渗透、杯状细胞化生等途径来扭转哮喘样症状。检测经过抗人IL-4R单克隆抗体干预前后外周血淋巴细胞中STAT4和sTAT6 mRNA的表达、pSTAT4和pSTAT6表达量的变化及培养上清液中IL-4和IFN-γ的含量,结果显示抗IL-4R单克隆抗体可阻断哮喘患儿IL-4/IL-4R通路,能够通过影响pSTAT4和pSTAT6的表达来影响IL-4和IFN-γ分泌,从而扭转Th2细胞分化亢进状态;并发现pSTAT4和pSTAT6表达之间存在相互拮抗作用,IL-4及IFN-γ分泌量的变化可以反向影响STAT6及STAT4的转录。