第6章细胞因子.docx

第六章细胞因子细胞因子(cytokine )是由免疫原、丝裂原或其他因子刺激细胞所产生的低分子量 可溶性蛋白质，为生物信息分子，具有调节固有免疫和适应性免疫应答，促进造血，以 及刺激细胞活化、增殖和分化等功能。根据其产生细胞的种类，有些细胞因子曾被冠以 不同的名称,如由淋巴细胞产生的细胞因子被称为淋巴因子(lymphokine ),由单个核 吞噬细胞产生的细胞因子被称为单核因子(monokine )有些细胞因子根据其主要功 能所命名，如具有趋化作用的细胞因子被称为趋化因子，可刺激骨髓干细胞或祖细胞分 化成熟的细胞因子被称为集落刺激因子。淋巴细胞、单核-巨噬细胞、树突状细胞、粒 细胞以及其他非造血细胞(如成纤维细胞和内皮细胞等)均可产生细胞因子，其中辅助 性T淋巴细胞(Th)是产生细胞因子最多的免疫细胞。第一节细胞因子的共同特点虽然细胞因子种类很多，但具有一些共同特点：多为小分子(830 kDa )多肽。 在较低浓度下即有生物学活性。通过结合细胞表面高亲和力受体发挥生物学效应。以自 分泌、旁分泌或内分泌形式发挥作用。例如某个T细胞产生的白细胞介素-2( IL-2)可刺激 其自身的生长，表现自分泌作用(autocrine actio”树突状细胞产生的白细胞介素-12 (IL-12 )刺激邻近的T淋巴细胞分化，表现旁分泌作用(paracrine action 1肿瘤坏死因 子(TNF在高浓度时可通过血流作用于远处的靶细胞，表现内分泌作用endocrine action ) (图6-1 具有多效性、重叠性、拮抗性或协同性。一种细胞因子可作用于不同的靶细 胞，产生不同的生物学效应，这种性质被称为细胞因子的多效性，如y干扰素(IFN-y )刺激多种细胞上调MHCI类和口类分子的表达，也激活巨噬细胞和NK细胞。几种不同的细胞 胞杀伤胞内寄生菌，防止或减轻肉芽肿的形成。1991年，重组粒细胞集落刺激因子（G-CSF ）和粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（GM- CSF ）进入市场。G-CSF被批准和化学药物联合应用治疗某些实体肿瘤。G-CSF和GM-CSF 可促进骨髓移植患者白细胞的生成。1993年，重组B干扰素（IFN-B ）被批准治疗多发性硬化；重组白细胞介素-11被批准 治疗化疗引起的血小板减少症。1997年，TNF-a嵌合抗体被批准治疗类风湿关节炎、克隆氏病、银屑病性关节炎、溃 疡性结肠炎和强直性脊椎炎。抗IL-2受体a链（CD25 ）人源化抗体被用于预防肾移植引起 的急性排斥反应。1998年，重组IL-1受体拮抗蛋白被批准治疗类风湿关节炎。2001年，人TN Fa单克隆抗体被批准治疗克隆氏病（节段性回肠炎）和类风湿关节炎。2002 , TNF-受体-Ig融合蛋白被批准治疗类风湿关节炎。2004年，抗EGFR嵌合抗体治疗转移性结肠直肠癌和头颈部肿瘤。抗VEGF人源化单 克隆抗体治疗转移性结肠癌。2006年，抗VEGF人源抗体被批准治疗年龄相关的黄斑变性（AMD 小结细胞因子是由免疫原、丝裂原或其他刺激剂诱导多种细胞产生的低分子量可溶性蛋白 质，具有调节固有免疫和适应性免疫、血细胞生成、细胞生长以及损伤组织修复等多种功能。 细胞因子通过旁分泌、自分泌或内分泌等方式发挥作用，具有多效性、重叠性、拮抗性和协 同性。细胞因子可被分为白细胞介素、干扰素、肿瘤坏死因子家族、集落刺激因子、趋化因 子和生长因子等。众多细胞因子在机体内相互促进或相互制约，形成十分复杂的细胞因子调 节网络。细胞因子通过结合细胞表面的细胞因子受体而发挥生物学作用。细胞因子受体分为 免疫球蛋白超家族受体，工类和口类细胞因子受体家族，肿瘤坏死因子受体超家族和趋化因 子家族受体等。细胞因子既可调节多种重要生理功能，又可参与许多病理损伤。采用现代生 物技术研制开发的重组细胞因子、细胞因子抗体和细胞因子受体拮抗蛋白已获得了广泛的临 床应用，创造了十分巨大社会和经济效益。思考题1 .细胞因子的分类及生物学活性有哪些？2 .细胞因子有哪些临床应用及应用前景？3 .已经商品化的细胞因子及其相关药物的作用机理是什么？参考文献1. Charles A Janeway, et al. Immunobiology, 6th edition, by Garland Publishing. 20052. Richard A. Goldsby, et al. Immunology, fifth edition, by W. H. Freeman and Company. 20033. The Writing Committee of the World Health Organization (WHO) Consultation on Human Influenza A/H5. Avian Influenza A (H5N1) Infection in Humans. N Engl J Med 2005; 353:1374-854. Charo, IF, Ransohoff RM. The many roles of chemokines and chemokine receptors in inflammation N Engl J Med, 2006; 354(6): 610-21(于永利) 因子可作用于同一种靶细胞，产生相同或相似的生物学效应，这种性质被称为细胞因子的重 叠性，如IL-2、IL-4、IL-7和IL-15均可刺激T淋巴细胞增殖。一种细胞因子可抑制其他细 胞因子的功能，表现拮抗性，如IL-4抑制IFN-y诱导ThO细胞向Thl细胞分化，IFN-丁抑 制IL-4诱导ThO向Th2的分化。一种细胞因子可增强另一种细胞因子的功能，表现协同性, 如IL-3可协同多种集落刺激因子(CSF )刺激造血干/祖细胞的分化和成熟。众多细胞因子在体内相互促进或相互制约，形成十分复杂的细胞因子调节网络。图6-1细胞因子的自分泌、旁分泌或内分泌作用第二节细胞因子的分类根据结构和功能，细胞因子可分为白细胞介素、干扰素、肿瘤坏死因子家族、集落刺激 因子、趋化因子和生长因子等多种类型。1 .白细胞介素 白细胞介素(interleukin, IL )最初是指由白细胞产生又在白细胞间发 挥调节作用的细胞因子。后来发现，除白细胞外，其他细胞也可产生白细胞介素，如基质细 胞和内皮细胞等；除白细胞外，白细胞介素也作用于其他的靶细胞如内皮细胞、成纤维细胞 和神经细胞等。目前已发现的白细胞介素有30余种(IL-lIL-35 12 .干扰素家族 干扰素(interferon, IFN )是最早发现的细胞因子,因其具有干扰病 毒的感染和复制的功能而得名。根据来源和理化性质的不同，干扰素可分为工型和口型干扰 素：I型干扰素包括IFN-a (有13个亚型IFN-p、IFN. IFN-和IFN-k; II型干扰素 即IFN% IFN-a、IFN-B和IFN-y已被成功应用于临床某些疾病的治疗。有关这三种干扰素 的产生细胞和功能见表6-1。表6-1干扰素的类型及其主要功能名称 类型 主要产生细胞主要功能IFN-aI型干扰素 浆细胞样树突状细胞，淋巴 抗病毒，免疫调节，促进MHC1类分子细胞，单核-巨噬细胞和n类分子的表达IFN-pI型干扰素 成纤维细胞抗病毒，抗细胞增殖，免疫调节，促进MHCI类分子和H类分子的表达IFN-yII型干扰素 活化T细胞，NK细胞 激活巨噬细胞，抗病毒，促进MHC分子表达和抗原提呈，诱导Thl细胞分化，抑 制Th2细胞分化3，肿瘤坏死因子超家族 肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor, TNF )是在1975 年发现的一种能使肿瘤发生出血、坏死的细胞因子。肿瘤坏死因子分为TNF-a和淋巴毒素 (lymphotoxin , LT X肿瘤坏死因子超家族(TNFSF )目前至少有19个成员，它们在调 节适应性免疫、杀伤靶细胞和诱导细胞凋亡等过程中发挥重要作用。4 .集落刺激因子 集落刺激因子(colony-stimulating factor, CSF )是指能够刺激 多能造血干细胞和不同发育分化阶段的造血祖细胞增殖、分化的生长因子。目前发现的集落 刺激因子有粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF).巨噬细胞集落刺激因子(M-CSF 粒细胞集落刺激因子(G-CSF 此外，红细胞生成素(EPO 干细胞因子(SCF )和血小 板生成素(TPO )等也是集落刺激因子。IL-3可作用于多种早期造血祖细胞，因此也具有 集落刺激因子的功能。5 .趋化因子家族 人类有约几十种趋化因子(chemokine ),根据结构特征和功能分 为4种亚家族：CC亚家族：此类趋化因子的近氨基端有2个相邻的半胱氨酸(CC1单 核细胞趋化蛋白-1( MCP-1)是一种CC亚家族的趋化因子，对单核细胞、T淋巴细胞、嗜 碱性细胞和树突状细胞有趋化和激活作用。CXC亚家族：此类趋化因子的氨基端有一个 CXC基序(半胱氨酸-1个任意其他氨基酸-半胱氨酸X IL-8是一种CXC亚家族趋化因子, 可趋化多形核白细胞到达急性炎症部位。C亚家族：此类趋化因子近氨基端只有1个半胱 氨酸(c I淋巴细胞趋化蛋白(lymphotactin )是一种C亚家族趋化因子，对T淋巴细胞、NK细胞和树突状细胞有趋化作用。CX3c亚家族：此类趋化因子的近氨基端有一个 半胱氨酸-3个其他任意氨基酸-半胱氨酸序列。Fractalkine是一种CX3C亚家族趋化因子, 对单核细胞和T淋巴细胞有趋化作用。6 .其他细胞因子：除上述常见的几类细胞因子外，免疫系统中还有许多其他的细胞因 子，如转化生长因子邛（TGF-p ）,血管内皮细胞生长因子（VEGF1表皮生长因子（EGF ） 和成纤维细胞生长因子（FGF ）等。第三节细胞因子的生物学活性细胞因子在调节固有免疫应答、适应性免疫应答、刺激造血、诱导细胞凋亡、直接 杀伤靶细胞和促进损伤组织的修复等方面发挥着重要作用。（-）调节固有免疫应答参与机体固有免疫应答的细胞主要有DC、单核-巨噬细胞、中性粒细胞、NK细胞、 NKT细胞、笆T细胞、B-1细胞以及嗜酸性粒细胞和嗜碱性粒细胞等。细胞因子对这些细 胞发挥多种重要的调节作用。1 . DC广泛分布在人体各处的未成熟DC（iDC）,在摄取抗原后逐渐成熟，并经血液 和淋巴循环，迁移并归巢到淋巴结、脾、派氏集合淋巴结中的T细胞区，将抗原提呈给初 始T细胞，启动适应性免疫应答。在摄取抗原的过程中，IL-邛和TNF-a等可诱导iDC成 熟分化。在抗原提呈过程中，IFN-y上调DCMHCI类和口类分子表达。趋化因子调节DC 的迁移和归巢。2 .单核-巨噬细胞 趋化因子如单核细胞趋化蛋白（MCP ）可趋化单核细胞到达某些 炎症部发挥作用。IL-2、IFN-y、M-CSF、GM-CSF等都是巨噬细胞的活化因子。IFN-y通 过上调MHCI类和口类分子的表达，促进单核-巨噬细胞的抗原提呈作用。IL-10和IL-13 可抑制巨噬细胞的功能，发挥负调节作用。3 .中性粒细胞 在急性炎症发生时，中性粒细胞迁移到急性炎症部位发挥杀伤和清除 病原生物的作用。在此过程中，炎症局部产生的IL-1B、IL-8和TNF-a等细胞因子可通过上 调血管内皮细胞的黏附分子，促进中性粒细胞经血管壁渗出到炎症部位。G-CSF可激活中 性粒细胞。4 . NK细胞 在NK细胞分化过程中，IL-15是关键的早期促分化因子。IL-2、IL-12、 IL-15和IL-18可明显促进NK细胞对肿瘤细胞和病毒感染细胞的杀伤作用。5 . NK T细胞IL-2和IL-12可活化NK T细胞，并增强其细胞毒作用。6 . y§T细胞 巨噬细胞或肠道上皮细胞产生的IL-1, IL-7S IL-12和IL-15等对yBT细 胞有很强的激活作用。（二）调节适应性免疫应答细胞因子调控B细胞和ap T细胞的发育、分化和效应功能的发挥。1 .B细胞 IL-4、IL-5、IL-6、IL-13和肿瘤坏死因子超家族的B细胞活化因子（BAFF ） 等可促进B细胞的活化、增殖和分化为抗体产生细胞。多种细胞因子调控B细胞分泌Ig的 类别转换，如IL-4可诱导IgGl和IgE的产生，TGF-0和IL-5可诱导IgA的产生。2 . T细胞 IL-2、IL-7、IL-18等活化T细胞并促进其增殖。IL-12和IFN-y诱导ThO 向Thl亚群分化，而IL-4促进ThO向Th2亚群分化（图6-2 %在小鼠TGF-p与IL-6联合 作用，促进ThO向Thl7亚群分化（在人类则IL-邛和IL-6联合促进Thl7的分化）,IL-23 促进Th"细胞的扩增。TGF邛促进调节性T细胞（Treg）的分化。IL-2、IL-6和IFN-y明 显促进CTL的分化并增强其杀伤功能。图6-2以Thl和Th2为核心的细胞因子网络（三）刺激造血造血（hematopoiesis ）主要在中枢免疫器官骨髓和胸腺中进行。骨髓和胸腺微环境中 产生的细胞因子尤其是集落刺激因子对调控造血细胞的增殖和分化起着关键作用。1 .主要作用于造血干细胞和祖细胞的细胞因子IL-3和干细胞因子（SCF ）等主要作 用于多能造血干细胞以及多种定向的祖细胞。2 .主要作用于髓样祖细胞和髓系细胞的细胞因子GM-CSF可作用于髓样细胞前体以 及多种髓样谱系细胞；G-CSF主要促进中性粒细胞生成，促进中性粒细胞吞噬功能和ADCC 活性；M-CSF促进单核-巨噬细胞的分化和活化。3 .主要作用于淋巴样干细胞的细胞因子IL-7是T细胞和B细胞发育过程中的早期促 分化因子。4 .作用于单个谱系的细胞因子 红细胞生成素（EPO ）促进红细胞生成；血小板生成 素（TPO ）和IL-11促进巨核细胞分化和血小板生成;IL-15促进NK细胞的分化。（四）促进凋亡，直接杀伤靶细胞在肿瘤坏死因子超家族（TNFSF ）中，有几种细胞因子可直接杀伤靶细胞或诱导细胞 凋亡。如TNF-a和LT-a可直接杀伤肿瘤细胞或病毒感染细胞。活化T细胞表达的Fas配体 （FasL ）可通过膜型或可溶型形式结合靶细胞上的Fas ,诱导其凋亡。（五）促进创伤的修复多种细胞因子在组织损伤的修复中扮演重要角色。如转化生长因子P （ TGF-p ）可通过 刺激成纤维细胞和成骨细胞促进损伤组织的修复。血管内皮细胞生长因子（VEGF ）可促进 血管和淋巴管的生成。成纤维细胞生长因子（FGF ）促进多种细胞的增殖，有利于慢性软组 织溃疡的愈合。表皮生长因子（EGF ）促进上皮细胞、成纤维细胞和内皮细胞的增殖，促进 皮肤溃疡和创口的愈合。第四节细胞因子受体细胞因子通过结合特异性的细胞因子受体发挥生物学作用。细胞因子受体均为跨膜分 子，由胞膜外区、跨膜区和胞质区组成。细胞因子和细胞因子受体的结合后启动细胞内的信 号转导，调节细胞的功能。(-)细胞因子受体的分类细胞因子受体根据其结构特征可分为免疫球蛋白超家族受体，造血因子家族受体，干扰 素家族受体，肿瘤坏死因子受体超家族和趋化因子受体等多种类型。图6-3细胞因子受体的结构示意图1 .免疫球蛋白超家族(Ig superfamily, IgSF )受体 这类受体在结构上与免疫球蛋 白的V样区或C样区相似，即具有数个IgSF结构域。IL-1和IL-18受体以及M-CSF受体、 SCF受体属此类受体。2.I类细胞因子受体家族大多数白细胞介素和集落刺激因子的受体都属于这一类。I类细胞因子受体胞膜外区由细胞因子受体结构域和HI型纤连蛋白(Fn3 )结构域组成。该 家族成员都具有数个保守的半胱氨酸和1个Trp-Ser-X-Trp-Ser( WSxWS膜体包括IL-2、 IL-3、IL-4、IL-5、IL-6、IL-7、IL-9、IL-13、IL-15、GM-CSF 和 EPO 等细胞因子的受体。 多数I类细胞因子受体由2个或3个受体亚单位组成，其中一种亚单位是细胞因子(即配 体)结合亚单位，另一种是信号转导亚单位。2个或3个亚单位共同组成高亲和力受体。在 细胞因子受体中，共用亚单位的现象比较普遍，如IL-2、IL-4、IL-7、IL-9、IL-15和IL-21 受体中有相同的信号转导亚单位共同Y链(common Y chain, yc这部分解释了这些细胞 因子为什么会有相似的生物学功能。犬基因位于X-染色体上,yc基因缺陷的个体会发生七性连锁重症联合免疫缺陷病（X-linked severe combined immunodeficiency , X-SCID X这类患者由于IL-2, IL-4, IL-7, IL-9, IL-15和IL-21等多种受体介导的信号转导发生障 碍，可出现严重的细胞免疫和体液免疫缺陷。3 . 口类细胞因子受体家族 这类受体的胞膜外区由Fn3结构域组成。IFN-a、IFN-氏 IFN-丁以及IL-10家族的受体属此类。口类细胞因子受体由2个亚单位肽链组成，分别为配 体结合链和信号转导链。4 .肿瘤坏死因子受体超家族 肿瘤坏死因子受体超家族（TNFRSF ）有20多个成员, 这类受体细胞外区含有数个富含半胱氨酸的结构域，包括TNF受体、CD40分子和Fas分 子等。TNFRSF多以同源三聚体发挥作用。5 .趋化因子家族受体 为7次跨膜的G-蛋白偶联受体。根据其结合的趋化因子CXC、 CC、C或CX3C等的不同，趋化因子家族受体可分为CXCR、CCR、CR和CX3CR等亚家 族受体。CCR5和CXCR4是HIV在巨噬细胞和T淋巴细胞上的辅助受体，CCR5的小分子 拮抗肽可抑制HIV感染巨噬细胞。CCR5的编码基因为多态性基因。携带缺失了 32个碱基 的CCR5等位基因的纯合子个体即使多次接触HIV也不发生感染。（二）可溶型细胞因子受体和细胞因子受体拮抗剂1 ,可溶型细胞因子受体绝大多数细胞因子受体在体液中存在着可溶型形式。可溶型 细胞因子受体仍可结合细胞因子，与相应的膜型受体竞争结合配体而起到抑制细胞因子功能 的作用。检测某些可溶型细胞因子的水平有助于某些疾病的诊断及病程发展和转归的监测。2 .细胞因子受体的拮抗剂 一些细胞因子的受体存在天然拮抗剂，如IL-1受体拮抗剂 （IL-IRa渥一种由单核-巨噬细胞产生的、与IL-1有一定同源性的多肽，可以竞争结合IL-1 受体，从而抑制IL-1的生物学活性。有些病毒可产生细胞因子结合蛋白，抑制细胞因子与 相应受体的结合从而干扰机体的免疫功能。第五节细胞因子与临床(-)细胞因子与疾病的发生细胞因子和其他免疫分子一样，也是"双刃剑"，既可发挥免疫调节作用，有一定条 件下也可参与多种疾病的发生。在类风湿关节炎、强直性脊柱炎、银屑病关节炎和银屑病患 者体内均可检测到过高水平的TNF-a ,拮抗TNF-a的生物制剂对上述疾病有治疗作用。多 种趋化因子促进类风湿关节炎、肺炎、哮喘和过敏性鼻炎的发展。多种肿瘤细胞分泌的TGF-p 可抑制机体的免疫功能，与肿瘤逃逸有关。近年来，在感染H5N1禽流感病毒的人类个体观察到了 "细胞因子风暴"的现象。 细胞因子风暴(cytokine storm )是指由于机体感染微生物后引起体液中多种细胞因子 如 TNF-a、IL-1、IL-6、IL-12、IFN-a、IFN-氏 IFN-八 MCP-1 和 IL-8 等迅速大量产 生的现象。细胞因子风暴也是引起急性呼吸窘迫综合征(ARDS )和多器官衰竭的重要 原因。(二)细胞因子及其相关生物制品采用现代生物技术研制开发的重组细胞因子、细胞因子抗体和细胞因子受体拮抗蛋白 已获得了广泛的临床应用。1986年，美国国家食品和药品管理局(FDA )批准重组a干扰素(Intron-A )治疗人 毛细胞白血病。这是世界上第一个获得临床应用的商品化细胞因子类药物。此后，重组IFN-a 又被批准治疗艾滋病患者发生的K叩oss肉瘤、慢性髓样白血病、滤泡性非霍奇金氏淋巴 瘤、T淋巴瘤、肾细胞癌、黑色素瘤、尖锐湿疣、丙型肝炎和乙型肝炎等疾病。1989年，重组促红细胞生成素(EPO)成为治疗慢性肾功能衰竭引起的重度贫血的生物 制剂。1991年，重组EPO又被用于治疗抗艾滋病药物引起的严重贫血。1990年，重组汗扰素(IFN-y )成为治疗慢性肉芽肿疾病的药物。IFN-河激活巨噬细