促炎性细胞因子IL-18及其与肠疾病关系的研究进展

         1995年Okamura等从内毒素休克的裸鼠肝细胞中分离并克隆出一种能诱导产生IFN-γ的促炎性细胞因子，并将其命名为IFN-γ诱导因子（interferongammainducing factor，IGIF）。1996年Ushio等［1］首先克隆了人类IGIF的cDNA，进一步研究发现IGIF不仅能诱导产生IFN-γ，而且还有其他多种生物学功能，遂将这一种新发现的促炎性细胞因子重新命名为白细胞介素18（interleukin-18，IL-18）。

    1  IL-18的生物学结构

    人类IL-18的前体蛋白含有193个氨基酸，分子量约为24kD。1997年Gu等［2］研究发现IL-18前体蛋白中含有一个与IL-1β结构相似的特征性序列。该序列通过IL-1β转化酶（ICE）可切割成为活性IL-18，其含有157个氨基酸，分子量为18.3 kD。Gu等将这一研究成果公布于当年的《SCIENCE》杂志上。

    2  IL-18的多种生物学功能及其作用机制

    如今，深入的系列研究已经证实IL-18是一种复杂的多功能细胞因子。IL-18不仅能促进T细胞和NK细胞产生IFN-γ、IL-2和GM-CSF等细胞因子，并能增强Th1细胞和NK细胞表达Fas配体，从而介导细胞毒作用，而且它还能促进Th1细胞的发育。过去认为IL-18不能活化Th2细胞［3］，但2001年Nakanishi等［4］研究提示IL-18也可增强Th2细胞因子的产生并促进IgE的合成。另外，IL-18还可能通过激活AP1（activator protein-1）、信号转导和转录活化因子（signal transducer and activator of transcription，STAT）、NFAT（nuclear factor of activated T cells）等发挥其多元化的细胞功能。对不同种类的细胞，IL-18激活的核因子种类及其活性程度可能有所不同［5］。Morel等［6］研究表明，IL-18作为一种促炎性细胞因子，本身能诱导表达IL-18受体（IL-18R）的细胞产生CXC和CC型化学趋化因子，引起巨噬细胞、单核细胞、成纤维细胞释放IL-18。IL-18的细胞来源有巨噬细胞、树突状细胞、星形胶质细胞、成骨细胞、表皮角质细胞、肠道和呼吸道的上皮细胞。

    IL-18似乎对机体的免疫反应具有双向调节作用。在不同环境的免疫反应中，IL-18可以有不同的作用。IL-18一方面能抑制破骨细胞的形成，降低人类IL-10的产生，从而参与抗感染（如利什曼原虫、疟疾和病毒感染）、抗肿瘤和抗超敏反应等。另一方面，它又能刺激单核细胞HIV-1的复制，参与变态反应，与组织炎症性损伤及非肥胖型糖尿病等自身免疫性疾病有关。IL-18的多种生物学功能是通过与细胞表面的IL-18R的作用实现的。已知的IL-18R有下列3种：（1）IL-18Rα：是曾被称为孤儿受体的IL-1Rrp（IL-1 receptorrelated protein）［7］，为IL-18的主要结合亚基。（2）IL-18Rβ：又称辅助蛋白样蛋白（accessory protein like，AcPL），是不直接与IL-18结合的信号链。（3）IL-18BP则是一种能与IL-18以高亲和力特异性结合而拮抗IL-18功能的诱惑受体（decoy receptor），它就像存在于细胞外的可溶性IL-18Rα。IL-18与IL-18Rα结合后，诱导核转录因子NF-κB的活化，其信号转导途径与IL-1信号转导途径相似［8］。IL-12能诱导IL-18R的表达［9］，并与IL-18有协同作用。

    3  IL-18与肠疾病关系的研究进展

    Takeuchi等［10］检测了不同年龄段健康小鼠的肠、脾、胸腺、肾和肝脏中IL-18的含量，结果成年小鼠肠道含量最高。IL-18存在于从胎鼠到成年鼠的肠上皮细胞胞浆中，可能在新生儿发育到成熟过程中黏膜免疫发生上起重要作用。

    3.1  IL-18与炎症性肠病的关系  炎症性肠病（IBD）包括克罗恩病（CD）和溃疡性结肠炎（UC）。二者均为胃肠道受累的慢性炎症性疾病，伴有细胞免疫的异常，CD以Th1细胞因子增多为主，IL-18具有促进Th1细胞克隆发展的作用。那么，IL-18与IBD到底有哪些联系呢？

    Monteleone等［11］研究发现，CD或UC均有活化的ICE（interleukin converting enzyme）亚单位P20的表达，而在非IBD对照组的结肠黏膜中只有ICE前体P45。这符合IL-18的活化需要活性ICE亚单位的观念。

    张炳勇等［12］研究表明，活动期CD患者肠黏膜IL-18 mRNA表达显著高于活动期UC和对照组，活动期UC与对照组比较差异无显著性。免疫组化显示肠黏膜上皮细胞（IEC）和固有层单个核细胞（LPMC）主要是巨噬细胞和树突状细胞表达IL-18，活动期CD患者表达量显著高于活动期ＵＣ和对照组，活动期UC与对照组比较差异无显著性，缓解期CD患者IL-18表达与活动期相比显著下降，UC患者IL-18表达下降则差异无显著性。该实验证实，IL-18参与了炎症性肠病的发病过程，并与CD活动有关。对不同病期CD研究，显示IL-18及ICE高表达区伴有IL-18可诱导系列细胞因子IFN-γ、IL-1β、TNF-α、IL-8合成增加；而在疾病早期，无IL-18及ICE增高时，IL-18诱导系列细胞因子的水平也低［13］，提示IL-18的致病作用。Kanai等［14］采用ELISA法测出CD病人血清IL-18浓度明显高于正常对照组。重组IL-18诱导CD病人肠黏膜的淋巴细胞明显的增殖反应和上调淋巴细胞IL-12受体的表达，但正常对照组细胞对此无反应。动物实验每日给野生型小鼠腹腔内注射IL-12和IL-18，诱发了明显的肠黏膜炎症及脂肪肝［15］。IL-12和IL-18可明显增高血中IFN-γ水平，引起NO产生。分别对NO合成诱导酶（iNOS）、TNF-α、IFN-γ基因敲除小鼠及缺乏功能性Fas的MRLlpr/lpr小鼠的实验。结果提示IL-18和IL-12诱发肠黏膜炎症依赖于IFN-γ，造成脂肪肝则依赖于IFN-γ和NO。Coruh B等对IL-18基因敲除（IL-18 KO）及对照小鼠予以3%～5%右旋硫酸钠（dextran sulphate sodium，DSS），结果IL-18 KO组死亡率为50%，而对照组为0。组织学显示IL-18 KO组肠道炎症及溃疡比对照组严重（P＜0.05），提示IL-18对急性肠道黏膜炎症反应可能还有保护作用。Siegmund等［16］用重组IL-18BP、IL-18抗体治疗DSS或TNPS（2，4，6-trinitrobenzene sulfonic acid）小鼠结肠炎，结果能抑制体重减轻、结肠短缩及局部炎症反应，并减少多种促炎细胞因子、趋化因子和基质金属蛋白酶mRNA的上调。认为IL-18抗体、r IL-18BP可能成为炎症性肠病的治疗措施之一。Wiercinska-Drapalo等［17］近期研究表明，虽然UC患者黏膜中IL-18的平均含量与健康对照组差异无显著性，重度UC患者黏膜中IL-18的平均含量与轻度患者亦差异无显著性。然而，重度UC患者血浆中IL-18的平均浓度却显著高于轻度患者以及健康对照组血浆中IL-18的平均浓度。笔者认为，血浆IL-18水平可以被考虑作为一种代用标记帮助评价UC的活动程度。

    3.2  IL-18与结肠癌的关系  因IL-18能诱导Th1细胞分化，加强细胞介导的细胞毒作用及促进炎症反应，提示其可能具有抗肿瘤免疫作用。很多以局部Th1反应为主的肿瘤预后较好，可能与Th1细胞因子IFN-γ的作用有关。IL-18诱导产生的IFN-γ，可加强MHC表达及抗原呈递，而促进对肿瘤细胞的免疫识别，刺激NK细胞、T细胞及巨噬细胞的细胞毒性。正常人结肠IL-18的合成主要在黏膜上皮细胞。Pages等［18］研究发现：结肠腺癌组织IL-18合成减少或消失，有50%结肠癌组织（7/14）不表达IFN-γ或Fas-L，与远处转移及预后差相关。这些结果提示，结肠IL-18可能通过增强IFN-γ的产生及免疫细胞Fas-L依赖的细胞毒作用，在结肠癌的稳态与免疫监视中起作用。张伟等［19］采用Western印迹法测定IL-18处理后大肠癌细胞的FasL表达水平。结果测定的6株细胞全部表达，加IL-18处理SW620细胞后，该表达360h上调至对照组的2.99倍，达高峰72h开始回落至初始水平。表明这种上调作用具有一定的时效特点。Tasaki等［20］报道，转入IL-18基因的鼠结肠癌细胞（colon 26/IL-18）不能在免疫力正常的小鼠形成皮下肿瘤，而且接种后这种小鼠对野生型癌细胞有抵抗力。免疫组化显示colon 26/IL-18肿瘤的血管明显减少。IL-18可能靠促进NK细胞的活化，产生IL-2及继发的减少IL-10而增强肿瘤免疫原性。韩明勇等［21］应用Lipofectamine2000介导法将人IL-18基因转染人大肠癌细胞系SW480细胞，并筛选出阳性克隆。细胞生长曲线显示，SW480 IL-18细胞在相同时间内增长的绝对数减少，达到平台时间延迟，表明IL-18基因转染能降低SW480细胞的生长增殖速率。细胞黏附实验结果显示，SW480 IL-18组的黏附率在各个时间段均明显升高，表明IL-18基因转染能够提高SW480细胞之间的黏附性。该研究提示IL-18基因转染能改变大肠癌细胞的生物学行为，但其确切机制尚需进一步探讨。

    3.3  IL-18与肠道寄生虫病的关系  目前全球大约有10亿人受鞭虫（trichuris trichiura）感染。对天然发生于小鼠的与此相对应的Trichuris muris感染的研究揭示了对这种寄生虫的易感性和抵抗力的部分免疫调节机制［22］。在Th1介导的慢性肠道线虫感染的结肠黏膜有IL-18mRNA及其蛋白的表达。IL-18 KO小鼠对慢性肠道线虫感染有很强的抵抗力，并产生很强的抗原特异性Th2反应。对有天然抵抗力的小鼠给予重组IL-18，抑制抗原特异性的IL-13和IL-4分泌，并发生慢性炎症，而IFN-γ的水平并未受影响，显示在慢性trichuris muris感染IL-18并不诱导IFN-γ的产生，而是直接作为Th2细胞因子如IL-13和（或）IL-4的负调节。这首次显示了IL-18在慢性肠道线虫感染中的重要致病作用。

    4  结语

    IL-18的研究进展很快，从发现至今对它的分子结构、基因表达及生物学作用的研究已有许多报道。IL-18是以促进Th1反应为主的细胞因子，在抗感染、免疫调节及抗肿瘤上有很大的潜在价值。它在肠疾病中作用的研究尚不充分。在以Th1反应为主的疾病中，降低IL-18活性可能是合理的治疗策略，然而其安全性尚需探讨。IL-18的抗肿瘤作用可能为肿瘤的生物学治疗提供新的途径。

    【参考文献】

    1  Ushio S,Namba M,Okura T,et al.Cloning of the cDNA for human IFN-γ-inducing factor,expression in Escherichi coli,and studies on the biological activities.J Immunol,1996,156:4247-4279.

    2  Gu Y,Kuida K,Tsutsui H,et al. Activation of interferongamma inducing factor mediated by interleukin-1beta converting enzyme.Science,1997,275:206-209.

    3  Kohka H,Yoshino T,Iwagaki H,et al. Interleukin-18/interferongammainducing factor,a novel cytokine,upregulates ICAM-1 (CD54) expression in KG-1 cells. J Leukoc Biol,1998,64:519-527.

    4  Nakanishi K,Yoshimoto T,Tsutsui H,et al. Interleukin-18 regulates both Th1 and Th2 responses. Annu Rev Immunol,2001,19:427-474.

    5  Schindler H,Lutz MB,Rollinghoff M,et al.The production of IFNgamma by IL-12/IL-18activated macrophages requires STAT4 signaling and is inhibited by IL-4. J Immunol,2001,166:3075-3082.

    6  Morel JC,Park CC,Kumar P,et al. Interleukin-18 induces rheumatoid arthritis synovial fibroblast CXC chemokine production through NFkappaB activation. Lab Invest,2001,81:1371-1383.

    7  Hoshino K,Tsutsui H,Kawai T,et al. Cutting edge:generation of IL-18 receptordeficient mice:evidence for IL-1 receptorrelated protein as an essential IL-18 binding receptor. J Immunol,1999,162:5041-5044.

    8  Thomassen E,Bird TA,Renshaw BR,et al.Binding of interleukin-18 to the interleukin-1 receptor homologous receptor IL-1Rrp1 leads to activation of signaling pathways similar to those used by interleukin-1.J Interferon Cytokine Res,1998,18:1077-1088.

    9  Sareneva T,Julkunen I,Matikainen S. IFNalpha and IL-12 induce IL-18 receptor gene expression in human NK and T cells. J Immunol,2000,165:1933-1938.

    10  Takeuchi M,Nishizaki Y,Sano O,et al. Immunohistochemical and immunoelectronmicroscopic detection of interferongammainducing factor (“interleukin-18”) in mouse intestinal epithelial cells. Cell Tissue Res,1997,289:499-503.

    11  Monteleone G,Trapasso F,Parrello T,et al. Bioactive IL-18 expression is upregulated in Crohns disease. J Immunol,1999,163:143-147.

    12  张炳勇,吕愈敏,洪天配,等.炎症性肠病患者肠黏膜白细胞介素18的表达及意义.北京大学学报(医学版),2003,35:150-153.

    13  Pages F,Lazar V,Berger A,et al.Analysis of interleukin-18,interleukin-1 converting enzyme (ICE) and interleukin-18-related cytokines in Crohns disease lesions.Eur Cytokine Netw,2001,12:97-104.

    14  Kanai T,Watanabe M,Okazawa A,et al.Interleukin 18 is a potent proliferative factor for intestinal mucosal lymphocytes in Crohns disease.Gastroenterol,2000,119:1514-1523.

    15  Chikano S,Sawada K,Shimoyama T,et al.IL-18 and IL-12 induce intestinal inflammation and fatty liver in mice in an IFN-γ dependent manner.Gut,2000,47:779-786.

    16  Siegmund B,Fantuzzi G,Rieder F,et al.Neutralization of interleukin-18 reduces severity in murine colitis and intestinal IFNgamma and TNFalpha production.Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol,2001,281:1264-1273.

    17  WiercinskaDrapalo A,Flisiak R,Jaroszewicz J,et al.Plasma interleukin-18 reflects severity of ulcerative colitis.World J Gastroenterol,2005,11:605-608.

    18  Pages F,Berger A,Henglein B,et al.Modulation of interleukin-18 expression in human colon carcinoma:consequences for tumor immune surveillance.Int J Cancer,1999,84:326-330.

    19  张伟,丁尔迅,王强,等.白细胞介素18上调大肠癌细胞Fas配体表达.第二军医大学学报,2002,23:485-500.

    20  Tasaki K,Yoshida Y,Maeda T,et al.Protective immunity is induced in murine colon carcinoma cells by the expression of interleukin-12 or interleukin-18,which activate type 1 helper T cells.Cancer Gene Ther,2000,7:247-254.

    21  韩明勇,于金明,郭其森,等.白细胞介素18基因转染对大肠癌细胞生长及粘附能力的影响.中华消化杂志,2004,24:550-551.

    22  Helmby H,Takeda K,Akira S,et al.Interleukin (IL)-18 promotes the development of chronic gastrointestinal helminth infection by downregulating IL-13.J Exp Med,2001,194:355-364.

     作者单位： 100730 北京，中国医学科学院 中国协和医科大学 北京协和医院普外科（△通讯作者）

　　(编辑：萧  凝)