GM-CSF/IL-3/IL-5的免疫調(diào)節(jié)作用①

林雨虹 綜述 呂合作 吳俊英 審校

(蚌埠醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院檢驗科,蚌埠233000)

粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子(Granulocyte-macrophage colony-stimulating factor,GM-CSF)，白細胞介素-3(IL-3)和白細胞介素-5(IL-5)是調(diào)節(jié)造血細胞產(chǎn)生及活性的細胞因子家族成員，與先天性免疫和獲得性免疫均密切相關(guān)。它們主要由活化的T細胞產(chǎn)生，能刺激髓細胞的存活、增殖和分化，具有很強的髓細胞刺激功能，髓細胞是機體防御屏障的第一道防線之一。與許多其他造血因子不同的是，GM-CSF、IL-3、IL-5的生物學活性在機體穩(wěn)態(tài)條件下作用不大[1]，而在緊急造血和免疫應答中起關(guān)鍵作用。它們通常在感染和免疫過程中大量產(chǎn)生，使白細胞數(shù)量大量增高并提高其活化狀態(tài)[2]。

在病理情況下，GM-CSF，IL-3和IL-5各自的作用由產(chǎn)生這些細胞因子的位點和組織以及這些細胞因子的靶細胞決定。例如，與IL-3和IL-5不同，GM-CSF除了由T細胞產(chǎn)生，也能由其他細胞如單核-巨噬細胞、內(nèi)皮細胞、成纖維細胞和其他來源如嗜中性粒細胞、嗜酸性粒細胞、間皮細胞等產(chǎn)生[3-7]。在復雜的生物系統(tǒng)中，GM-CSF、IL-3和IL-5也可以在同一種疾病狀態(tài)下產(chǎn)生。例如，在哮喘患者中，在肺中產(chǎn)生和釋放GM-CSF、IL-3和IL-5，引起包括嗜酸性粒細胞在內(nèi)的骨髓細胞的浸潤和活化，從而導致氣道受損[8]。小鼠的哮喘模型表明，在肺部炎癥的早期和晚期階段，這三種細胞因子的受體能激活I(lǐng)L-4/IL-13，從而導致組織重構(gòu)[9，10]。

GM-CSF、IL-3和IL-5的生物學功能是通過與其靶細胞表面受體的結(jié)合來介導的。GM-CSF、IL-3和IL-5家族細胞因子的受體是包含細胞因子特異性α亞基和共同β亞基(common β subunit,βc)構(gòu)成的異源二聚體組成。α亞基以低親和力結(jié)合細胞因子，β亞基又稱作CD131，是IL-3、GM-CSF和IL-5受體的共同結(jié)構(gòu)。在人類中，CD131由基因CSF2RB編碼。在小鼠中，CSF2RB1編碼CD131的直向同源物IL-3-βc，而CSF2RB2編碼IL-3受體Ⅱ類β鏈，第二種蛋白與CD131同源，但只能與IL-3α亞基形成功能性受體[11]。βc不能單獨結(jié)合配體，但是βc通過受體異源二聚化與特異性α受體結(jié)合后將α受體與配體的低親和力結(jié)合轉(zhuǎn)化為高親和力結(jié)合，并且重要的是引起觸發(fā)一系列生物功能的多種信號通路的激活[12]。GM-CSF、IL-3及IL-5與受體的結(jié)合激活受體偶聯(lián)的Janus激酶(JAK)，主要是JAK2，對下游信號傳導和受體功能至關(guān)重要。JAK2激活導致βc中六個關(guān)鍵酪氨酸殘基的磷酸化，其與βc中Ser585的磷酸化一起作為信號分子的?？课稽c和JAK/信號轉(zhuǎn)導和轉(zhuǎn)錄激活因子(STAT)的活化。這些途徑共同調(diào)節(jié)細胞的存活、增殖和分化等生物學行為[13]。

1 GM-CSF

正常生理條件下，GM-CSF在體內(nèi)的表達水平較低。在肺黏膜中，GM-CSF主要由上皮細胞產(chǎn)生[14]。GM-CSF在調(diào)節(jié)肺泡巨噬細胞的微生物防御和清除表面活性劑方面發(fā)揮著重要作用[15]。在GM-CSF-/-或βc-/-(CSF2RB)基因突變的小鼠中，最顯著的表型是肺泡蛋白沉積癥(PAP)，其特征為肺泡中表面活性劑的積累[16]。在人類中，90%的PAP是由高水平的GM-CSF中和自身抗體引起的自身免疫性疾病。而小部分的遺傳形式的PAP患者也被認為是GM-CSF受體的一個亞基的基因突變(GMRA，CSF2RA)或βc(CSF2RB)導致的[17]。研究證實，GM-CSF-/-或βc-/-的小鼠模型發(fā)展為PAP是因為缺乏肺泡巨噬細胞(AM)引起的。而AM對肺內(nèi)穩(wěn)態(tài)和表面活性物質(zhì)清除至關(guān)重要，并且其發(fā)展高度依賴于GM-CSF信號傳導。AM起源于胚胎第12.5天胚胎肝臟中出現(xiàn)的單核細胞，隨后在包括肺在內(nèi)的大多數(shù)胚胎組織中定植。在肺發(fā)育過程中，胎兒單核細胞進一步分化為未成熟的AM，而AM只有在出生后才進入肺泡腔并完全成熟。GM-CSF信號轉(zhuǎn)導已被證實是胎兒單核細胞向圍產(chǎn)期未成熟的AM分化和出生后AM的充分成熟所必需的。其他組織中的巨噬細胞是否也依賴于GM-CSF信號轉(zhuǎn)導還需進一步研究[18]。

GM-CSF在感染或炎癥過程中可迅速升高。在炎癥部位，GM-CSF通過募集髓樣細胞并增強其存活和活化而具有促炎作用[19]。在小鼠自身免疫炎癥模型中，GM-CSF阻斷劑能降低單核細胞和中性粒細胞的募集，并相應地減輕疾病的嚴重程度，而在體內(nèi)注射GM-CSF則導致單核細胞從骨髓動員到血液中[20]。此外，GM-CSF可將巨噬細胞極化成M1型炎性巨噬細胞，產(chǎn)生多種炎性細胞因子如TNF，IL-6，IL-12p70，IL-23或IL-1β，從而促進Th1-Th17的應答[21]。這些數(shù)據(jù)突出了GM-CSF在促進炎癥中的重要性。

1.1GM-CSF與類風濕性關(guān)節(jié)炎 在關(guān)節(jié)炎模型中，IL-17已被證實是主要的致病因子。IL-17的缺乏可改善膠原誘導的關(guān)節(jié)炎(CIA)，但并不能完全抑制[22]。IL-17抑制劑在類風濕性關(guān)節(jié)炎(RA)治療中的效果也不能令人滿意。這些報告表明，在關(guān)節(jié)炎的發(fā)展中存在著其他關(guān)鍵因素。RA患者滑液和血漿中GM-CSF的濃度升高，而重組GM-CSF的應用加劇了RA的病情活動性?？拷黂A關(guān)節(jié)的骨髓含有大量粒細胞-巨噬細胞祖細胞、粒細胞-巨噬細胞集落形成單位(CFU-GM)，經(jīng)GM-CSF刺激后可分化為粒細胞或巨噬細胞，也可分化為M-CSF和RANKL刺激的破骨細胞[23]。在幼年特發(fā)性關(guān)節(jié)炎(JIA)中，與外周血單個核細胞(PBMC)相比，關(guān)節(jié)液中GM-CSF-產(chǎn)生輔助性T細胞的頻率也顯著增加，并與血沉(ESR)水平相關(guān)[24]。在關(guān)節(jié)炎小鼠模型中，GM-CSF缺乏或中和阻止了關(guān)節(jié)炎的發(fā)生，并降低了關(guān)節(jié)中TNF和IL-1的含量。相反，給予GM-CSF加重關(guān)節(jié)炎。在SKG小鼠關(guān)節(jié)炎中，由T細胞分泌的GM-CSF使巨噬細胞產(chǎn)生IL-6或IL-1β等炎性細胞因子。這反過來又導致IL-17和GM-CSF產(chǎn)生的CD4T細胞進一步分化和擴增，加劇關(guān)節(jié)炎[25]。

1.2GM-CSF與多發(fā)性硬化 GM-CSF缺陷型小鼠對實驗性自身免疫性腦脊髓炎(EAE)有抵抗力，EAE是一種以特異性致敏的CD4+T細胞介導為主的，以中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)小血管周圍出現(xiàn)單個核細胞浸潤及髓鞘脫失為特征的自身免疫性疾病，是人類多發(fā)性硬化(MS)的理想動物模型[26]。在EAE和MS中，產(chǎn)生IL-17的Th17細胞已經(jīng)被報道為中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥的中樞介質(zhì)[27]。然而，最近的研究表明，GM-CSF對EAE中CD4T細胞的腦源性起重要作用，而IL-17對EAE的發(fā)生是不可缺少的。MS患者腦脊液中GM-CSF含量及GMCSF產(chǎn)生的CD4T細胞數(shù)均明顯升高。GM-CSF缺乏或中和可預防EAE的發(fā)生[28]。相反，使用重組GM-CSF加重了EAE。GM-CSF誘導小膠質(zhì)細胞的增殖和活化，產(chǎn)生大量的神經(jīng)毒性物質(zhì)，如ROS、氮源和谷氨酸鹽[29]。產(chǎn)生GM-CSF的CD4T細胞還可誘導小膠質(zhì)細胞產(chǎn)生神經(jīng)毒性的M1樣表型，并促進IL-1β、IL-6和TNF-α等炎性細胞因子的產(chǎn)生，這些細胞因子也會導致髓鞘的損傷[30]。GM-CSF也是外周髓細胞的補充所必需的，這些細胞有助于血腦屏障和血腦脊髓屏障的破壞及脫髓鞘進入中樞神經(jīng)系統(tǒng)。這些滯留和浸潤抗原的細胞重新刺激T細胞，導致進一步的APC活化[31]。

2 IL-3

IL-3主要由活化的T淋巴細胞和肥大細胞產(chǎn)生。它最初被稱為多CSF，因為它有刺激骨髓中多種造血細胞系發(fā)育的功能，包括肥大細胞、嗜堿性粒細胞、嗜酸性粒細胞、巨噬細胞、紅細胞、巨核細胞和樹突細胞。

大量的證據(jù)表明IL-3及其受體在多種人類疾病中發(fā)揮著重要作用，最顯著的是癌癥和炎癥。通過特異性單克隆抗體靶向IL-3受體發(fā)現(xiàn)，IL-3受體特異性α亞基在急性髓系白血病患者的干細胞/祖細胞上過度表達，這一現(xiàn)象與患者預后不良密切相關(guān)[32,33]。IL-3Rα在慢性粒細胞白血病(CML)中也有過度表達，這為治療提供了一個新的方向。因此，在適當針對IL-3Rα的基礎(chǔ)上，人們正在努力了解IL-3受體的信號，并開發(fā)新的治療AML和CML的方法[34]。IL-3也參與血管系統(tǒng)，雖然IL-3受體在內(nèi)皮細胞上的存在早已為人所知，但新的證據(jù)也表明，它能刺激內(nèi)皮細胞的增殖、遷移以及新生血管的生成，從而增加了IL-3在腫瘤血管生成中發(fā)揮重要作用的可能性[35]。

IL-3直接刺激免疫細胞的促炎性反應，如組胺、IL-4、IL-6的釋放和嗜酸性粒細胞脫顆粒，提示IL-3在過敏性炎癥中的作用[36]。在嗜堿性細胞中，IL-3刺激導致高水平的IL-4，而IL-4又反過來刺激免疫系統(tǒng)的其他細胞。通過破壞IL-3或βc基因或通過滅活I(lǐng)L-3Ra基因而缺乏IL-3功能的小鼠在造血方面沒有明顯的異常。然而，IL-3在肥大細胞和嗜堿性細胞的增殖和對寄生蟲攻擊的功能反應以及T淋巴細胞依賴性遲發(fā)型超敏反應中發(fā)揮重要作用[37]。IL-3的功能與許多臨床上重要的過敏性炎癥反應有關(guān)，包括慢性蕁麻疹、遲發(fā)型超敏反應、過敏和哮喘等[38]。

雖然GM-CSF在EAE中的作用已有文獻報道，但IL-3在人類多發(fā)性硬化(MS)和實驗性自身免疫性腦脊髓炎(EAE)中的作用還知之甚少。雖然GM-CSF和IL-3有重疊的功能，但GM-CSF似乎主要通過激活單核細胞而加重EAE[39]。最近的一項研究表明，利用髓鞘寡突膠質(zhì)細胞糖蛋白-誘導EAE，發(fā)現(xiàn)CD4+T細胞是IL-3的主要來源，腦IL-3的表達與T細胞流入腦內(nèi)密切相關(guān)。通過單克隆抗體阻斷IL-3，分析IL-3缺乏的小鼠，以及白細胞過繼轉(zhuǎn)移，證明IL-3在EAE臨床癥狀的發(fā)生、白細胞向腦內(nèi)的遷移、黏附分子和趨化因子的腦表達等方面發(fā)揮重要作用。相反，注射重組IL-3會加重EAE癥狀和腦炎癥。因此，IL-3在EAE中起著重要的作用，并可能成為治療MS的新靶點[40]。

3 IL-5

IL-5主要由嗜酸性粒細胞、Th2細胞、肥大細胞、CD34+祖細胞、NK細胞等合成和分泌，是調(diào)控嗜酸性粒細胞生物學功能的關(guān)鍵性細胞因子[41]。因此，在嗜酸性粒細胞為主要免疫效應細胞的疾病中，如嗜酸性哮喘(EA)、嗜酸性粒細胞綜合征(HES)、嗜酸細胞性食管炎(EE)和嗜酸性粒細胞性肉芽腫病(EGPA)，IL-5(Rα)的靶向治療越來越多地被應用[42,43]。多年來，嗜酸性粒細胞炎癥一直被認為是哮喘發(fā)病的主要機制。嗜酸性粒細胞在氣道對外源因子的固有反應以及在調(diào)節(jié)適應性免疫級聯(lián)反應中均起著重要作用，使其成為機體防御系統(tǒng)中的重要細胞[44]。研究表明氣道IL-5的表達、嗜酸性粒細胞增多和哮喘的癥狀密切相關(guān)[45]。哮喘患者支氣管肺泡灌洗液和支氣管活檢中IL-5的表達增高，同時哮喘患者吸入IL-5可引起痰嗜酸性粒細胞增多和氣道高反應性。此外，吸入支氣管激發(fā)過敏原可引起IL-5 在mRNA水平的增加。由于嗜酸性粒細胞在無IL-5的情況下迅速發(fā)生凋亡，因此，針對IL-5的治療被認為是預防或減輕嗜酸性粒細胞介導的炎癥的一種潛在的治療方法[46]。

雖然IL-5促進嗜酸性粒細胞的增殖和活化，但它并不會使嗜酸性粒細胞向特定組織的轉(zhuǎn)運。事實上是其他的細胞因子和趨化因子引導嗜酸性粒細胞向炎癥組織的遷移。此外，在人類中，除IL-5以外，也有其他因素有助于骨髓和肺黏膜中嗜酸性粒細胞的分化和存活[47]。因此，僅抑制IL-5可能不足以迅速清除組織嗜酸性粒細胞。

IL-5在嗜堿性粒細胞和肥大細胞的發(fā)育、代謝和功能中也起作用，這是因為嗜堿性粒細胞和肥大細胞中的幾種關(guān)鍵受體(IL-5R，IL-3R，IL-4R，IL-2Ra和GM-CSF)的共同表達。IL-5不直接影響嗜堿性粒細胞組胺的釋放或脫顆粒，但它可以為嗜堿性粒細胞提供物質(zhì)基礎(chǔ)，從而增強組胺釋放[48]。

4 小結(jié)

盡管利用共有的β管受體作為其主要信號亞基，但是GM-CSF，IL-3和IL-5能夠提供細胞因子特異性信號轉(zhuǎn)導結(jié)果。例如，GM-CSF優(yōu)先誘導分化，而IL-3主要促進細胞增殖，IL-3與GM-CSF都對髓系細胞有廣泛的活性，而IL-5則對嗜酸性粒細胞的作用更具有特異性。這三種細胞因子均廣泛參與過敏性和炎癥性疾病的發(fā)病過程，因此，了解這些細胞因子及其受體的功能與機制對了解相關(guān)臨床疾病的病理生理過程具有重要的指導意義。