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白细胞介素-11信号是纤维化、实质功能障碍和慢性气道炎症的基础

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发表时间:2020-12-02 15:34作者:武汉新启迪Xinqidibio

摘要

白细胞介素(IL)-11是作为天然免疫反应的一部分而进化而来的。在人类肺中,IL-11的上调与病毒感染和一系列纤维炎症疾病有关,包括特发性肺纤维化。转化生长因子-β(TGF-β)和其他疾病因子可在肺成纤维细胞中启动IL-11信号的自分泌环,在很大程度上依赖于ERK,触发原纤维蛋白的翻译。肺上皮细胞也表达IL-11受体,并在IL-11暴露后向间充质样状态过渡。在小鼠体内,具有抗体的IL-11治疗靶点可以阻断和逆转博莱霉素所致的肺纤维化和炎症.有趣的是,成纤维细胞特异性阻断IL-11信号通路具有抗炎作用,说明肺炎症部分是通过基质中的IL-11活性维持的。促炎成纤维细胞及其与受损上皮的相互作用可能是肺部疾病的一个重要但被忽视的驱动因素。最初被认为是一种保护性细胞因子,现在越来越多地被认为是肺纤维化、炎症和上皮功能障碍的重要决定因素。

导言

肺是由上皮细胞、基质细胞、血管细胞和免疫细胞组成的复杂器官,是维持组织功能和修复的关键。健康的肺在急性损伤后有显着的再生能力。1。另一方面,慢性损伤可以破坏组织内平衡,导致未解决的组织损伤和疤痕,也称为纤维化。肺纤维化是多种气道疾病(如哮喘)和呼吸道感染后常见的病理改变,是间质性肺疾病疾病病理的核心。最近,严重急性呼吸综合征冠状病毒2(SARS-CoV-2)感染也与纤维化有关.值得注意的是,新冠肺炎的主要危险因素与特发性肺纤维化(IPF)的危险因素重叠,IPF是成人特发性间质性肺炎最常见、最严重和最致命的形式。2.

IPF是一种严重的疾病,从诊断之日起,中位生存期为3-5年。3,指规数的发病率和死亡率都在上升。4。危险因素包括年龄增加、吸烟、病毒感染和遗传因素。5。目前,已批准的治疗方法(尼特安尼和吡非尼酮)减少了肺功能的下降和疾病的缓慢发展。然而,尽管经过治疗,大多数IPF患者仍在继续恶化,肺移植仍然是唯一的挽救生命的治疗方法。摘要IPF肺纤维化的发病机制主要表现为肺泡上皮细胞的反复微损伤,继之以成纤维细胞的再生和增殖,成纤维细胞分化为活化的肌成纤维细胞。6。炎症在IPF中的作用是有争议的。

成纤维细胞是在肺间质中沉积大量细胞外基质(ECM)的收缩和凋亡抵抗细胞,导致正常肺组织被胶原性瘢痕组织所替代。慢性激活的上皮细胞和成纤维细胞在病变组织中也表达多种细胞因子,触发免疫细胞的募集和激活。这些细胞反过来分泌各种原纤维蛋白,在一个恶性循环中诱导成纤维细胞的进一步活化和ECM的产生。7.

在过去的几年里,在揭示复杂的肺组织修复和瘢痕形成的机制方面已经取得了很大的进展。然而,我们对炎症和纤维性肺疾病所涉及的各种细胞因子的整体认识还不完全。本文综述了细胞因子白细胞介素-11(IL-11)在肺疾病和肺纤维化中的作用,重点介绍了其在肌成纤维细胞活化中的核心作用,并探讨了IL-11在IPF和其他纤维化肺疾病中的治疗潜力。

IL-11是IL-6细胞因子家族的一员。

IL-11于1990年被发现,首次被描述为一种刺激浆细胞瘤增殖和巨核细胞形成的造血因子。8。IL-11对泛素表达受体gp 130的依赖性9将IL-11指定为IL-6家族细胞因子家族的成员.IL-6家族细胞因子已被证明仅与gp 130结合。10,11,12虽然公认的信号传递方式要求细胞因子在与gp 130结合之前与特定的高亲和力受体亚基(alpha链)相互作用。13。Gp 130受体随后触发了许多不同的途径,包括规范的JAK/STAT信号,以及ERK和AKT。14,15。IL-6家族细胞因子或受体的功能缺失突变会导致不同严重程度的多种遗传病。16,17,18,19表明该细胞因子家族成员具有非冗余和独特的生物学功能。在肺组织中,IL-11受体亚单位α(IL11RA)在成纤维细胞、血管平滑肌细胞和上皮细胞等细胞中高表达。20,21,22,23。这些细胞类型是急性和慢性肺部/呼吸道疾病的中心。这种受体表达模式将IL11RA与IL-6受体区分开来,IL-6受体在免疫细胞(包括单核细胞和组织内巨噬细胞)上表达最多。13.

一些研究发现IL11RA中存在纯合子或复合杂合子功能缺失突变的个体和家族。终生失去IL-11信号与颅结节病、关节松弛、脊柱侧凸和延迟牙齿萌出有关。24,25,26,27。最近的一项研究表明,这些依赖于IL11RA的发育表型可能不像最初报道的那么严重,这可能是由于确定的偏见所致。28。有趣的是,在一般人群中,对IL11RA中预测的功能缺失突变似乎没有负选择,这表明这种突变对复制能力并没有损害,也没有被进化上的选择。29。具有IL11RA基因缺失的小鼠,除了显示女性不育外,还反映了人类的颅骨和牙齿表型。30表明IL11RA的功能在不同物种间是保守的。Garber和他的同事通过将疾病相关的人IL11RA突变引入小鼠体内,从而证实了这一结论,从而导致了颅骨肌萎缩症样表型。31.

间质和间充质IL-11分泌是感染和慢性气道疾病的标志。

IL-11似乎是作为鱼类先天免疫反应的一部分进化而来的,在鱼类中,由于细菌或病毒感染,它在各种组织中被高度上调。32。IL-11是由非免疫系统一部分的组织驻留细胞分泌的。33病毒感染后垂死的、不能存活的鱼尤其升高。34。这种机制在人类中似乎是保守的,而IL-11在病毒气道紊乱中起作用;呼吸道合胞病毒、鼻病毒和副流感病毒3型刺激的人基质细胞分泌高水平的IL-11。此外,患有上呼吸道感染的儿童的鼻分泌物和愿望含有较高的IL-11蛋白水平,特别是在支气管痉挛的情况下。35。上皮样人细胞(肺泡A 549和9 HTE气道细胞)对呼吸道合胞病毒的作用36。IL-11也被证明是升高的,并在基因易感小鼠结核病感染后的肺中起着促炎(可能还可能是促纤维化)的作用。37。此外,抑制白细胞介素-11通过抑制中性粒细胞内流和提高存活率来降低肺结核引起的肺病理和炎症的严重程度。37,38。最近的数据还显示,急性肺上皮中IL-11在时间上上调。大肠杆菌肺部感染39。然而,无论是外源性的IL-11治疗,还是IL-11的抑制,大肠杆菌-肺炎链球菌-感染小鼠对肺损伤或肺炎结局有任何影响。39表明在急性呼吸道感染的情况下,IL-11的活性并不改变最初的免疫反应和细菌清除。

在慢性炎症性气道疾病中,IL-11在重度哮喘患者的上皮细胞中表达上调,其表达与病情严重程度相关。40。Th17细胞因子在哮喘气道中增加,可诱导哮喘患者支气管上皮细胞、支气管成纤维细胞和嗜酸细胞分泌IL-11。41,42,43。另外,IL 11启动子多态性与慢性阻塞性肺疾病(COPD)的发生有关44。小鼠模型还表明,人白细胞介素-11在小鼠子宫内的诱导表达干扰了肺的发育,导致肺泡增大(肺气肿)。45。然而,IL11RA基因缺失未能改善gp 130突变型小鼠肺气肿模型中的肺气肿。46.

这些早期研究表明,肺间质细胞和上皮细胞可能是IL-11的来源,作为其对病原体的反应的一部分。考虑到这些细胞也表达高水平的IL11RA,IL-11可能在病毒或炎症气道疾病中以自分泌和/或旁分泌的方式发挥作用。成纤维细胞对IL-11信号反应转化为分泌胶原的肌成纤维细胞20,21,22,上皮细胞似乎转分化为间充质样表型。47。这两种机制都依赖于非规范的ERK信号,并导致α-平滑肌肌动蛋白(Acta 2)的表达。47.

IL-11在人类肺部疾病中的表达模式是有趣的,但没有揭示IL-11上调是一种保护性机制还是一种致病机制。一些研究试图阐明IL-11在体内对呼吸道的影响。早期的研究表明,人IL-11基因在小鼠体内的表达会引起炎症和气道重塑。45,48,但也能保护肺(并赋予小鼠很大的死亡率)免受高氧引起的dna损伤。49。人白细胞介素-11对啮齿动物免疫复合物致急性肺损伤和肺部炎症的影响50在LPS攻击后是有益的51,相反,IL11RA的基因缺失对IL-13诱导的气道炎症和重塑有保护作用。52,53。事后看来,这些实验被物种-外来人类白细胞介素-11在小鼠系统中表达的事实所迷惑。正如我们现在开始了解的,人IL-11在小鼠模型中以不同于内源性小鼠IL-11的方式触发信号通路。高浓度时,人白细胞介素-11可部分激活小鼠成纤维细胞。20,但当人白细胞介素-11给小鼠时,它也可作为内源性(致病性)小鼠白细胞介素-11的抑制剂,从而减少有害信号通路的激活。54。此外,非特异性炎症反应可能是通过在啮齿动物体内表达或注射人白细胞介素-11(IL-11)而引起的.人白细胞介素-11在小鼠体内的大量相反作用使我们无法从早期的研究中得出关于IL-11在肺中的作用的可靠结论。

虽然IL-11最初与肺部病毒和炎症疾病有牵连,但最近的研究表明,有纤维成分的慢性肺部疾病中IL-11水平升高。硬皮病相关性肺间质病患者基质细胞高度表达IL-1155,IL-11在IPF患者肺组织中也表达上调,与肺纤维化呈正相关,与肺功能呈负相关。22,56。侵袭性IPF成纤维细胞分泌高水平的IL-11。57。肺动脉高压(PH)的IPF患者肺组织中IL-11和IL11RA的表达水平更高,与无肺动脉高压的IPF患者或非IPF患者相比,肺动脉重构增加有关。58.

IL-11依赖于ERK信号转导促进肺成纤维细胞分化并促进细胞衰老。

肌成纤维细胞是胶原和ECM蛋白的主要来源,在肺纤维化的发生发展中起着重要作用。IPF中肌成纤维细胞的来源多年来一直是争论和关注的焦点。小鼠的谱系追踪研究表明,肺损伤后这些细胞可由多种细胞来源产生,包括在肺损伤后的成纤维细胞、周细胞或循环骨髓来源的纤维细胞。59,60。然而,促进肌成纤维细胞分化的确切机制以及这些细胞如何重建ECM并侵入薄壁组织尚不清楚。61。肌成纤维细胞的分化过程可能是通过融合信号通路介导的。对原代成纤维细胞的体外研究表明,转化生长因子β强烈诱导IL 11通过典型SMAD信号途径表达RNA和蛋白质20。IL-11刺激肺成纤维细胞上调纤维原蛋白(acta 2,COL1A1)的表达,诱导ERK磷酸化,并在较小程度上诱导STAT 3的磷酸化。22。IL-11还通过ERK依赖性机制诱导正常肺成纤维细胞和IPF诱导的肺成纤维细胞增殖。62。然而,与转录影响深远的转化生长因子β(β)刺激相比,IL-11刺激原代肺成纤维细胞的全局RNA表达差异很小,表明IL-11驱动的STAT 3磷酸化在这一背景下可能没有什么转录效应。为了支持IL-11信号在成纤维细胞活化中的转录后作用,MEK/ERK抑制可阻断IL-11的促纤维活性。22。因此,一个工作模型是IL-11在很大程度上通过转录后机制驱动肺成纤维细胞的激活和纤维蛋白的表达。1).

图1:成纤维细胞激活的基础是自分泌的IL-11信号。

转化生长因子β刺激成纤维细胞导致典型的smad依赖的转录激活,从而促进成纤维细胞的转录。IL 11RNA和其他纤维原基因。IL-11蛋白以自分泌和/或旁分泌的方式分泌并与其同源受体(IL11RA)结合。IL-11:IL11RA复合物则通过广泛表达的gp 130受体信号激活ERK,增强原纤维RNA的翻译,其自身可能由于β-SMAD的作用而升高。IL-11,特别是高浓度时,也能诱导STAT 3磷酸化。然而,IL-11相关的STAT激活对成纤维细胞转录的影响微乎其微,其与成纤维细胞的关系尚不清楚。ACA 2:肌动蛋白α2,平滑肌;COL1A1:Ⅰ型胶原α1链;ERK:细胞外信号调节激酶;gp 130:糖蛋白130,又称白介素6信号转导子;IL-11:白介素11;IL11RA:白细胞介素11受体亚单位α;STAT:信号转导和转录激活因子;smad:抗去脑卒中的母亲;TGFβ:转化生长因子-β,转化生长因子R:转化生长因子-β受体。

除转化生长因子β外,其他与肺纤维化病理生物学有关的纤维化因子,包括血小板源性生长因子(PdGF)、成纤维细胞生长因子2(Fgf 2)、白细胞介素13(IL-13)、癌胚素M(Omm)和内皮素-1(ET-1),也被证明能诱导成纤维细胞分泌IL-11,并部分通过mek/erk途径信号。22,63,64,65,66。IL-11抑制通过ERK信号的特异性减少而减弱这些促纤维因子的成纤维活性。22提示IL-11可能作为多种刺激下游信号汇合点。

IPF成纤维细胞的一个显著病理特征是其侵袭ECM的能力增强。67。最近的一项研究报道了来自IPF患者的侵袭性和非侵袭性成纤维细胞的转录反应,IL 11被发现是侵袭细胞中最上调的基因之一,表明IL-11在调节成纤维细胞侵袭中具有潜在的作用。57。我们实验室的体外增益和功能丧失研究证实肺成纤维细胞趋化性和ECM侵袭性都依赖于IL-11信号。此外,IL-11抑制(使用抗IL-11中和抗体)降低ipf来源成纤维细胞的侵袭能力,并诱导活化的肌成纤维细胞向静止状态转变。22.

细胞衰老是指细胞停止分裂并经历表型变化的状态,其特征是衰老相关分泌表型(SASP)因子的分泌。衰老细胞的积累和SASP的持续存在导致细胞功能障碍和慢性炎症,似乎在IPF的发病机制中起着重要作用。6。IPF患者成纤维细胞具有衰老和抗凋亡特性68。在小鼠肺纤维化模型中,衰老细胞的药物耗竭改善肺功能,提示衰老细胞在肺纤维化和IPF病病理中起一定作用。69。IL-11在IPF衰老过程中是否起促进作用还没有直接证明.然而,2003年的一项研究表明,IL-11通过上调bcl-2来抑制Fas诱导的肺成纤维细胞凋亡。62。与健康成纤维细胞相比,ipf来源的成纤维细胞分泌更多的sapp因子,包括促炎细胞因子(如IL-6和IL-1β)和促纤维化介质(如fgf 2和β)。69。氧化应激是诱导细胞衰老的另一个关键因素,也是IPF发病机制中的重要因素。70,71。如上文所强调的,许多纤维源性SASP因子可能通过IL-11通过衰老和非衰老细胞间的旁分泌相互作用诱导细胞衰老。为了支持这一概念,Chen等人最近的一项研究。探讨转化生长因子β和IL-11信号在小鼠衰老相关肺纤维化模型中的作用BMI-1说明衰老肺成纤维细胞和上皮细胞均有高分泌的转化生长因子β和IL-11。作者还证明,IL-11依赖的ERK信号能促进成纤维细胞的衰老,并触发Ⅱ型肺泡上皮细胞的上皮-间充质转化。47。鉴于上皮功能障碍在IPF中的重要性72这些结果也指出了IL-11在肺实质利基中的潜在关键作用,但在很大程度上尚未被探索。最近的一项研究还显示博莱霉素所致衰老小鼠肺内皮细胞中IL-11的表达上调,提示IL-11在IPF环境下血管功能障碍中的作用。73.

IL-11在纤维性肺病治疗中的作用

我们小组先前的研究表明,IL-11在心血管系统中高度纤维化。20还有肝脏21鉴于大量的数据表明,IL-11在人类纤维性肺病中升高;我们在实验性肺纤维化和IPF的背景下重新审视了IL-11。在概念证明研究中,我们发现物种匹配给药或成纤维细胞特异性过表达小鼠白细胞介素-11在小鼠体内会导致而不是预防肺纤维化。22。小鼠每日服用重组小鼠IL-11三周后,肺间质中产生大量I型胶原表达激活的肌成纤维细胞,与病理重构相关的基因表达上调(如:Col1a1, TIMP 1,和MMP 2)和增加胶原在肺部的沉积22。同样,在单独的功能增益实验中,小鼠IL-11以成纤维细胞受限的方式过度表达。IL 11-转基因小鼠与Col1a2-CreERT小鼠引起大面积肺实质破裂、胶原和ECM沉积。值得注意的是,从这些成纤维细胞中分离出的原纤维细胞IL 11高表达小鼠具有极强的侵袭性,表现出IPF成纤维细胞的特性。22.

白介素-11信号通路的药理抑制对博莱霉素损伤肺组织IPF模型的建立有一定的保护作用。22。在基因功能丧失的研究中,我们也表明Il11ra1-基因敲除小鼠免受肺纤维化的影响。22。大鼠全肺组织的信号转导研究Il11ra1-基因敲除小鼠显示,对肺纤维化的保护与病理性ERK的减少有关,也许令人惊讶的是,SMAD信号也减少了。博莱霉素致敏小鼠抗IL-11抗体的早期和晚期治疗不仅能预防并逆转已建立的肺纤维化,还能特异性地降低肺ERK和smad信号。22。值得注意的是,STAT 3的激活不受影响,因此似乎与IL-11介导的肺纤维化有关.同时,snoek组产生了几种由溶酶体相关细胞器突变引起的hps基因状况的肺器官样模型(hermansky-pudlak syndrome,hps)。23。表达谱显示,只有与肺广泛纤维化的临床亚型相关联的突变才能促进人上皮细胞中IL-11的高表达。删除IL 11有效地降低了突变型器官的纤维化,提示IL-11是HPS肺纤维化患者的治疗靶点。

旨在抑制IPF的炎症成分的治疗策略,例如针对IL-13的治疗策略,到目前为止已在临床上失败,这就引发了这样的问题,即这种方法是针对一个关键的基础病理,还是一个次要的现象。74,75。有趣的是,我们发现,通过抗IL-11治疗纤维化,还有一种额外的抗炎作用,这是我们没有预料到的。22。考虑到IL11RA主要在肺间质和实质细胞中表达,因此IL-11信号直接或间接地影响损伤肺的炎症反应是令人惊讶的。对于肺组织纤维化与炎症之间的关系,尤其是IPF中的组织纤维化与炎症之间的关系知之甚少。这些病理之间的一个潜在联系是炎症成纤维细胞的活动,这已被证明是免疫反应在关节和肠道的中心。76,77,78.

为了更好地了解抗IL-11治疗的抗炎成分,我们制作了一只具有条件性缺失的小鼠。Il11ra1成纤维细胞中的基因。这使得我们能够在体内特别是在基质中阻断IL-11信号传导。79。体外研究表明,这种抑制能阻止成纤维细胞的活化、迁移和ECM的产生。当我们诱导肺纤维化的博莱霉素模型时,我们观察到条件基因敲除动物的纤维反应(ERK信号)明显减少。虽然这种作用对成纤维细胞的激活是预期的,我们也观察到减少炎症成纤维细胞特异性的IL11RA1缺失。这种效应在慢性晚期炎症中最为明显,而对损伤的即时急性炎症反应则基本没有受到影响。有趣的是,抑制成纤维细胞中的IL-11信号,导致博莱霉素损伤后原纤维转化生长因子β表达的单核和巨噬细胞数量减少。这一发现表明,基质在慢性炎症中具有上游调节作用,而慢性炎症是许多慢性肺部疾病和衰老的组成部分(图1)。2)80,81。因此,炎症可能是纤维化的次要后果,而不是疾病的主要驱动因素,而针对组织内细胞(如成纤维细胞或上皮细胞)的激活可能是治疗纤维炎症性肺病的一种更直接的方法。这种方法可以在不改变全身免疫反应的情况下减少局部炎症,从而减少副作用。

图2:上皮间质串扰中IL-11信号传导与肺纤维化的发展。

病变肺泡上皮损伤后,IL-11等因子升高,进而引起上皮间充质转化和衰老,导致上皮功能障碍。来自受损上皮的损伤信号,包括IL-11本身,会触发成纤维细胞分泌IL-11。然后,IL-11以自分泌/旁分泌的方式通过一种ERK依赖性机制驱动/放大原纤维成纤维细胞的效应功能,包括增殖、迁移、侵袭和肌成纤维细胞分化。IL-6、CCL 2、CXCL 1等促炎细胞因子(如IL-6、CCL 2、CXCL 1)等促炎细胞因子和趋化因子对细胞凋亡产生抗性,分泌细胞外基质成分,导致免疫细胞向损伤部位募集和激活。炎症延续了一个恶性纤维前循环,进一步激活成纤维细胞。成纤维细胞表达的IL-11也可能参与上皮细胞旁分泌的活化,导致慢性上皮功能障碍和再生受损。

结论和未来展望

在早期研究人白细胞介素-11在小鼠疾病模型中的作用的基础上,人们认为白细胞介素-11对血小板功能和肺等器官的细胞保护、抗炎和抗纤维化具有重要的作用(而且至今仍被认为是如此)。82。然而,在过去几年中,在体外和体内使用物种匹配的IL-11在疾病模型中的进展已经开始显示出IL-11的替代作用。目前已知IL-11信号在肺病理中起着重要作用,并促进了广泛的适应不良效应,包括肺上皮细胞功能障碍、基质介导的炎症和肌成纤维细胞活化。临床前的数据表明,抑制IL-11在某些呼吸道感染的治疗以及预防和逆转肺纤维化和炎症方面有好处。应用成纤维细胞特异性IL11RA1基因敲除小鼠的研究表明,成纤维细胞是抗IL-11治疗的重要细胞靶点。我们相信IL-11依赖的纤维炎症可能在一系列慢性肺部疾病中具有广泛的相关性.

许多与肺中IL-11生物学有关的问题仍然存在.例如,呼吸道感染、哮喘和肺纤维化中IL-11分泌的特异性刺激尚不清楚。新的细胞类型特异性谱系追踪方法,再加上单细胞测序技术,可能有助于发现病肺中IL-11的主要细胞来源,并进一步解释肺损伤期间IL-11表达细胞与其他细胞类型之间的相互作用。详细的机制研究也需要更好地了解IL-11如何影响肺上皮细胞和免疫细胞,以及上皮损伤如何影响基质和免疫激活。信号方面也需要完全解密。ERK活性是IL-11介导的成纤维细胞效应的核心,但在上皮细胞中可能不是这样,IL-11和NOX 4活性、活性氧种类和其他信号通路之间存在着新的联系。

展望未来,抗IL-11疗法目前正在由制药和生物技术公司开发,而且在不远的将来,可能会有抗IL-11治疗在纤维和/或炎症性肺病患者中的临床试验,如IPF。众所周知,IPF的临床试验是困难的,因为患者的肺功能在临床表现和疾病进展中存在很大的异质性。也许令人欣慰的是,IPF中的IL-11水平与疾病的严重程度相关;因此,针对有严重和/或进展性疾病的个体,可能会为临床试验确定一个以高肺组织IL-11水平为特征的合适的患者群体。


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