文章来源：中华结核和呼吸杂志,2020,43 (03): 250-255

DOI：10.3760/cma.j.issn.1001-0939.2020.03.024

作者：柳亚慧 黄春容 时国朝

单位：上海交通大学医学院附属瑞金医院 呼吸病研究所

摘要

支气管哮喘（哮喘）是一种复杂的异质性疾病，多以2型反应为主。近年来随着科技发展人们对哮喘的病理生理学机制有了长足的认识，气道上皮细胞来源的细胞因子白细胞介素33（interleukin 33，IL-33）在哮喘的发生和发展中发挥重要作用。本文立足于IL-33，结合其本身的生物学特点和发挥作用的靶细胞，综述IL-33在哮喘的气道炎症和气道重塑中的作用。

哮喘是最常见的慢性气道疾病之一，我国哮喘患病率仍逐年上升[1]。气道上皮是人体抵御外界刺激的第一道屏障，在哮喘的病理生理过程中发挥关键作用。哮喘患者上皮细胞受到刺激后可诱导2型反应，导致慢性气道炎症与气道重塑。气道上皮诱导2型反应依赖于上皮细胞分泌的细胞因子，如IL-33、IL-25、胸腺基质淋巴细胞生成素（thymic stromal lymphopoietin，TSLP）等。现已证实IL-33是一种强大的炎性因子，IL-33与其受体结合后，使靶细胞释放大量趋化因子和细胞因子，导致2型反应，在哮喘等过敏性疾病中发挥重要作用。本文从IL-33的结构特点、表达与分泌、活性调节、受体与信号通路、靶细胞及临床应用等方面综述IL-33在支气管哮喘中的作用。

一、IL-33的生物学特征

1．IL-33的结构特点：

IL-33于2003年被首次报道，Baekkevold等[2]将其命名为高内皮微静脉细胞核因子（nuclear factor from high endothelial venules，NF-HEV)，认为NF-HEV作为一种转录调控因子参与调节细胞的生命活动。2005年Schmitz等[3]发现人NF-HEV蛋白C端的三维结构与IL-1家族蛋白类似，并且NF-HEV可与肿瘤发生抑制蛋白2（suppression of tumorigenicity 2，ST2）特异结合，诱导2型反应，由此IL-33被归入IL-1家族。

编码人IL-33的基因位于9号染色体（9p24.1），共有8个外显子，其中1号外显子不参与蛋白质的翻译表达。除全长IL-33mRNA外，人体细胞尚有9种IL-33mRNA的剪接体；对应翻译成的蛋白质除全长IL-33外，还有9种亚型[4]。人全长IL-33含有270个氨基酸，相对分子量约为30 000，包含3个功能结构域，分别为N端核结构域（N-terminal nuclear domain，氨基酸1-65）、中间结构域（central domain，氨基酸66-111）和C端IL-1样细胞因子结构域（C-terminal IL-1-like cytokine domain，氨基酸112-270）。其中，N端核结构域40~58位氨基酸为染色质结合序列（chromatin-binding motif，CBM），CBM可通过组蛋白H2A-H2B形成的\"酸性口袋\"与染色质结合，并影响染色质固缩[5]。但核内IL-33是否与其他IL-1家族成员一样通过CBM结合到靶基因上并调节基因转录目前尚存在争议。中间结构域包含多个酶切位点，可被中性粒细胞和肥大细胞分泌的蛋白酶识别并酶切[6,7]。C端IL-1样细胞因子结构域可与靶细胞表面的ST2受体结合，发挥生物学效应。

2．IL-33的表达与分泌：

正常情况下，IL-33广泛持续表达于人和小鼠多种组织器官，以胃、肺、脑、皮肤为甚，骨髓和免疫细胞也表达较高水平的IL-33。在人肺部，IL-33主要表达在支气管上皮细胞，而小鼠肺部的IL-33主要由Ⅱ型肺泡上皮细胞分泌[8]。全长IL-33的N端没有分泌蛋白所需要的信号肽[5]，因此全长IL-33合成后并不分泌到细胞外，而是进入细胞核。Carriere等[9]使用分别针对IL-33的N端和C端结构域的抗体，确认IL-33存在核表达，与有丝分裂中的异染色质存在共定位，并且全长IL-33在细胞核内发挥一定的转录抑制作用。鉴于IL-33亦可与膜受体ST2结合并发挥一系列生理学效应，人们认为IL-33具有双重功能：既可作为核因子调节转录活性，也可作为细胞因子调节生命活动[10]。

核因子方面，IL-33的作用机制目前尚不明确。十余年来，研究者仍未发现IL-33在细胞核内调节基因转录或蛋白表达的强有力证据。越来越多人认为IL-33在细胞核内可能是不发挥作用的[10,11,12]。

细胞因子方面，一般认为IL-33作为一种警报素（alarmin）发挥作用。IL-33高表达于上皮细胞、内皮细胞和成纤维细胞等的细胞核内，当细胞受到损伤或发生细胞坏死时，细胞核内的IL-33大量释放至细胞外，导致机体发生异常的炎症反应[13]。Bessa等[14]构建了IL33tm1/+小鼠，该小鼠持续高表达缺失N端核结构域的IL-33蛋白，结果发现IL33tm1/+小鼠血清IL-33水平显著升高，且小鼠最终死于多器官嗜酸粒细胞浸润性炎症。

近期研究结果显示，细胞除受到刺激或发生坏死被动释放IL-33外，也可主动分泌IL-33。合适的外界刺激可诱导细胞主动释放IL-33至细胞外，细胞本身并不发生坏死[15,16]。正常人支气管上皮细胞暴露于真菌提取物、外源性ATP或尿酸后，IL-33会从细胞核转移至细胞质，随后分泌至细胞外，此过程中细胞并未发生坏死[15,16]。动物实验证实过敏原提取物可诱导小鼠气道上皮细胞释放IL-33且不发生细胞坏死[17,18]。另外人成纤维细胞也可在不发生坏死的情况下分泌IL-33[19]。

正常细胞是如何主动调控IL-33由细胞核释放至细胞外的机制目前尚不清楚。我们的研究[20]发现，机体接触过敏原（如尘螨）后聚合酶I和转录释放因子（Polymerase I and transcript release factor，PTRF）适当的磷酸化可通过控制IL-33的释放程度调控下游的2型免疫应答，避免过敏性哮喘的发生；PTRF的缺失或者磷酸化异常可使IL-33的释放失控，导致过敏性哮喘的发生，这提示PTRF参与IL-33的可控性释放。

3．IL-33的活性调节：

其他IL-1家族细胞因子如IL-1β和IL-18等的前体无生物学活性，需要caspase 1和炎性小体的剪切才具有生物学活性。全长的IL-33有生物学活性，可与ST2受体结合，激活NF-κB，使靶细胞释放细胞因子[7,21,22,23]。虽然IL-33也可被caspase酶切，但caspase酶切之后的IL-33是无活性的[10]。中性粒细胞产生的弹性蛋白酶、蛋白酶3和组织蛋白酶G，肥大细胞释放的糜酶、胰酶和颗粒酶B均可酶切IL-33，使其水解为成熟形式的IL-33，成熟IL-33活性较全长IL-33增加10~30倍[10]。

研究结果显示，脊髓损伤后1 h内，脑脊液IL-33迅速升高，但在损伤3或24 h后脑脊液中几乎检测不到IL-33[24]，说明机体存在十分强大的灭活机制。首先，IL-33在细胞核内与染色质紧密结合本身就是一种限制IL-33活性的机制，包括caspase在内的蛋白酶切可使IL-33迅速失活，可溶性ST2（soluble ST2，sST2）也是IL-33一种强有力的拮抗分子[10]。IL-33的受体结合结构域内含有4个半胱氨酸，当IL-33位于细胞核内时，半胱氨酸处于还原状态；但当IL-33位于细胞外时，半胱氨酸发生氧化形成二硫键，导致IL-33分子构象发生改变，失去结合ST2的能力，最终导致IL-33的失活[11]。

二、IL-33的受体与信号通路

IL-33的特异性受体为ST2，ST2有多种亚型，目前研究较多的主要是跨膜型ST2（ST2 ligand，ST2L）和sST2。ST2L属于Toll样/IL-1受体家族，由胞外域、跨膜域和胞内域3部分组成。当ST2L的胞外段特异性识别结合IL-33后，ST2L会募集IL-1受体辅助蛋白（IL-1 receptor accessory protein，IL-1RAcP），形成稳定的异质复合物，该复合物随之招募髓样分化因子88（myeloid differentiation factor 88，MyD88）、IL-1受体相关激酶4（interleukin-1 receptor-associated kinase 4，IRAK4）和肿瘤坏死因子相关因子6（TNF receptor associated factor 6，TRAF6）等信号分子，最终活化核因子活化B细胞κ轻链增强子（nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells，NF-κB）和丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信号通路，发挥相应的生物学效应[25]。

凡表达ST2L的细胞都可能是IL-33的靶细胞。多种细胞表达ST2L，如肥大细胞、嗜酸粒细胞、嗜碱性粒细胞、2型固有免疫细胞（type 2 innate lymphoid cell，ILC2)、2型辅助T细胞（T helper type 2 cell，Th2）和调节性T细胞（regulatory T cell，Treg)[26]。IL-33通过作用于靶细胞在哮喘中发挥关键作用。

三、IL-33与哮喘

人体研究结果表明，IL-33与哮喘的疾病严重程度相关[27,28,29,30]。与健康对照人群和轻中度哮喘患者相比，免疫组织化学染色和qPCR检测结果表明，重度哮喘患者气道上皮细胞表达更高水平的IL-33；中度哮喘患者支气管肺泡灌洗液IL-33的表达水平较健康对照人群和轻度哮喘患者明显升高[29]。IL-33也可以促进气道重塑，导致糖皮质激素的疗效降低[30]。

基因多态性研究结果显示，IL-33和ST2的基因多态性与哮喘的发病风险密切相关[31,32]。Smith等[33]在人IL-33基因中发现了一种罕见的基因突变（rs146597587-C），这会导致IL-33的产生较少，且缺乏与细胞上的受体结合并促进炎症的能力，导致血液中嗜酸粒细胞数量减少。

（一）IL-33与气道炎症

气道炎症是一个复杂的病理生理过程，固有免疫和获得性免疫均发挥重要作用，例如肥大细胞、嗜酸粒细胞、嗜碱性粒细胞、ILC2、Th2和Treg等。如前所述，这些细胞均表达ST2，都可能是IL-33的靶细胞。IL-33可与这些细胞相互作用，导致并维持哮喘的气道炎症。

1．IL-33与ILC2：

ILC2是新近发现的一组细胞，它们具有产生Th2型细胞因子如IL-5和IL-13的能力。研究结果表明，ILC2在过敏性疾病和哮喘的发生发展中起重要作用，其地位甚至已经超越Th2。气道上皮细胞-ILC2轴在哮喘中发挥的作用已经得到广泛肯定[11]。与Rag2-/-Il2rg-/-哮喘模型小鼠（缺乏T细胞、B细胞和ILCs）相比，Rag2-/-小鼠（缺乏T细胞和B细胞）存在嗜酸粒细胞浸润和气道炎症表现[33]，这表明肺ILC2s的激活足以诱导哮喘的主要特征；更重要的是，众多研究都强调了ILC2在哮喘患者症状持续和病情恶化中的作用[34]。

气道黏膜中富含ILC2，而IL-33在肺组织中的主要靶细胞是ILC2[13]。ILC2细胞持续高表达ST2，IL-33刺激不仅可使ILC2产生大量的IL-5和IL-13，也可使组织局部的ILC2扩增[35,36]。ILC2存在免疫记忆，气道中暴露于过敏原刺激的ILC2会获得类似记忆性T细胞的基因表达模式，IL-33再次刺激时这群ILC2比\"原始ILC2（naïve ILC2）\"产生更多的Th2型细胞因子[37]。

2．IL-33与Th2：

Th2细胞在哮喘中的作用不言而喻。过敏性哮喘主要由Th2等细胞分泌的细胞因子如IL-4，IL-5和IL-13驱动[38]。IL-5调节嗜酸粒细胞发育、募集和激活[39]。IL-13诱导气道高反应、黏液高分泌，在哮喘气道重塑中发挥重要作用[40]。

Schmitz等[3]早在2005年就发现IL-33与其受体ST2结合后可以通过NF-κB和MAPK等信号通路诱导Th2细胞分泌IL-4、IL-5和IL-13。IL-33可以提高人外周血HDM特异性Th2细胞分泌IL-4和IL-13的能力[41]。体外将人外周血naïve T细胞诱导分化为Th2细胞时，加入IL-33，也可以增强Th2细胞分泌IL-4和IL-13的能力[42]。Endo等[43]从慢性嗜酸粒细胞性鼻窦炎患者的鼻息肉中分离记忆CD4+Th2细胞，IL-33刺激也可上调这些细胞IL-5的表达。除此之外，Komai-Koma等[44]发现IL-33在体内体外可以募集Th2细胞。木瓜蛋白酶或屋尘螨提取物刺激可诱导Th2细胞产生IL-13和嗜酸粒细胞浸润，这一过程依赖于IL-33[45]。动物实验也证实内源性IL-33可以提高Th2细胞分泌细胞因子的能力，并在过敏性气道炎症中发挥作用[46]。传统认为，IL-33首先作用于肺部树突状细胞（dendritic cells，DC）诱导其成熟，成熟的DC归巢至淋巴结，从而使Th2细胞释放更高水平的IL-5、IL-13等细胞因子；IL-33预激的DC发挥的作用更强大。然而，最近研究表明部分Th2细胞本身也表达ST2，但是这部分细胞受到IL-33刺激后发挥何种作用，具体分子机制如何，是否与经典通路一致，目前尚不清楚。

3. IL-33与肥大细胞：

肥大细胞是哮喘过敏性气道炎症的关键效应细胞。暴露于过敏原后，肥大细胞被表面交联的IgE激活，发生脱颗粒并释放生物活性介质。研究[47,48,49]证实IL-33与肥大细胞表面的ST2受体结合后可从多方面调控肥大细胞的功能：（1）IL-33激活NF-κB增强肥大细胞表面ICAM-1表达，增加其与血管内皮细胞的黏附力；IL-33可协同IL-1β促进肥大细胞与纤连蛋白的黏附力；IL-33还可增强肥大细胞与细胞外基质的黏附力。（2）IL-33可促进肥大细胞的分化成熟，提高其胰蛋白酶的表达。（3）IL-33可增强肥大细胞释放炎性介质和脱颗粒的能力。

4. IL-33与嗜酸粒细胞：

嗜酸粒细胞参与包括过敏性哮喘在内的多种过敏性疾病。过敏性哮喘患者外周血和组织中嗜酸粒细胞数目增加，且其增多程度与疾病的严重程度相关[50,51]，死于哮喘的患者气道嗜酸粒细胞浸润十分明显[52]。更为重要的是，抗嗜酸粒细胞治疗在临床应用中取得了一定疗效[53]。IL-33对嗜酸粒细胞的作用已经在体内实验中得到证实。IL-33缺陷或ST2缺陷小鼠外周血嗜酸粒细胞基线水平降低；外源性IL-33可使野生型小鼠和IL-33缺陷小鼠的骨髓和外周血中嗜酸粒细胞数目增加，而ST2缺陷的小鼠则没有这一变化；机制研究结果表明IL-33通过驱动IL-5的产生和表达IL-5Rα的嗜酸粒细胞祖细胞的扩增来维持嗜酸粒细胞稳态[54]。与野生型小鼠相比，过敏原诱导的嗜酸粒细胞浸润和气道高反应在IL-33或ST2缺陷的新生小鼠和成年鼠中都是减轻的[27,55]；外源性增加IL-33会加剧OVA诱导的哮喘表现[56]。体外实验结果表明，IL-33及其受体ST2在人嗜酸粒细胞的促炎效应和存活中起重要作用[57]。

5．IL-33与嗜碱粒细胞：

嗜碱粒细胞占外周血的比例小于1%，但在IgE刺激下嗜碱粒细胞可快速释放组胺、IL等炎性介质，持续产生Th2型细胞因子[58,59,60]，从而在过敏性炎症中发挥关键作用。

嗜碱粒细胞表达ST2，IL-33处理可显著上调嗜碱粒细胞ST2mRNA表达；IL-33可诱导新鲜分离的嗜碱粒细胞表达IL-4和IL-13；IL-33虽不能直接诱导嗜碱粒细胞脱颗粒或募集嗜碱粒细胞，但可增加嗜碱粒细胞CD11b的表达水平，增强嗜碱粒细胞的黏附性，增强其对IgE交联刺激的响应[61]。

6．IL-33与巨噬细胞：

巨噬细胞分为两大类，即M1和M2，其中M2参与调节2型反应和组织修复，从而参与哮喘的发生和发展[62]。研究结果显示，IL-33可作用于巨噬细胞，使静止的产TGF-β的巨噬细胞极化为旁路活化的巨噬细胞（alternatively activated macrophage，AAM），增加其趋化因子的产生，从而加剧气道炎症[62]。

7．IL-33与Th17和Treg：

一般发现Th17细胞可能是重症哮喘的致病因素[63]。IL-17A可通过上调粒系集落刺激因子（granulocyte-colony stimulating factor，GCSF）和CXCL趋化因子，诱导黏液腺增生、气道高反应，促进中性粒细胞性气道炎症，导致激素抵抗[64]。目前关于IL-33和Th17之间的直接作用研究不多，IL-33可通过与树突状细胞作用，间接调节Th17细胞的功能[65,66]。肠道Th17细胞表达ST2，IL-33作用于Th17细胞，增加其IL-10表达，从而发挥抗炎作用[65]，但是肺部Th17细胞与IL-33的相互作用目前尚不清楚，有待进一步研究。

Treg细胞可以抑制免疫反应并维持自身耐受。Treg细胞可分为胸腺来源的Treg细胞和外周Treg细胞，外周Treg细胞对预防包括哮喘在内的肺部过敏性疾病至关重要[67]。肺组织中部分CD4+Foxp3+Treg细胞亚群表达ST2,而这些ST2+Treg细胞也表达经典的Th2转录因子GATA结合蛋白3（GATA binding protein 3，GATA3）[13]。当暴露于IL-33时，ST2+Treg细胞发生增殖，并上调GATA3和ST2的表达[13]。IL-33作用于GATA3+Treg细胞，可以上调其IL-5和IL-13mRNA的表达，但GATA3-Treg细胞则没有该反应[68]。IL-33还可通过ILC2、树突状细胞或肥大细胞间接调节Treg细胞的功能[69,70,71]。

（二）IL-33与气道重塑

哮喘的主要病理学改变特征可概括为气道炎症和气道重塑，其中气道重塑是导致哮喘患者肺功能快速下降及出现固定性气流受限的主要原因，同时5%~10%的重症哮喘表型与气道重塑显著相关[72]。气道重塑具体表现为网状基底膜增厚、气道上皮细胞脱落、气道周围纤维化、气道平滑肌增生肥大及新生血管生成等[73]。研究结果表明IL-33除参与哮喘的气道炎症反应外，也与气道重塑的发生与发展相关。

Liu等[74]发现IL-33可以通过激活人肺动脉内皮细胞的信号通路，导致人肺动脉内皮细胞的增殖与血管新生，诱导肺部血管重塑的发生与发展。但是Theodoropoulou等[75]发现IL-33可在眼部血管新生中起到保护作用，重组IL-33局部应用可抑制小鼠脉络膜新生血管形成。这提示IL-33参与的重塑可能具有组织或器官特异性。

在哮喘中，现有的研究结果表明IL-33可以促进气道重塑的发生与发展[30,56,76,77,78]。IL-33预处理可以使哮喘模型小鼠的气道炎症增强，气道高反应性增加和气道重塑加剧[56]。IL-33体外刺激哮喘儿童的原代气道成纤维细胞，可使其表达高水平的胶原[30]，提示IL-33可导致胶原沉积，加剧气道重塑。Kaur等[76]研究发现，人支气管上皮细胞和气道平滑肌细胞IL-33的表达水平与气道高反应相关；IL-33可以活化肥大细胞，使其表达更多的IL-13，从而导致气道平滑肌收缩和气道反应性增高。Guo等[77]发现哮喘患者血清IL-33的表达水平与其肺功能相关；IL-33体外刺激人肺成纤维细胞可增加纤连蛋白1和Ⅰ型胶原的表达，ST2单抗或丙酸氟替卡松预处理细胞则可以缓解这一改变。

先前认为在Th2型细胞因子中，IL-13主要诱导气道高反应、黏液高分泌，参与哮喘的气道重塑。IL-33可以诱导并增加IL-13的分泌，间接促进气道重塑。Saglani等[30]发现，在HDM刺激诱导的哮喘模型完全建立之后，靶向阻断IL-13并未缓解小鼠气道重塑的情况，小鼠肺组织仍高表达IL-33，这提示IL-33导致的气道重塑可能并不完全依赖于IL-13。

四、结语

IL-33在哮喘的发生与发展中发挥关键作用，参与调控哮喘的气道炎症与气道重塑。IL-33通过与ILC2、肥大细胞、嗜酸粒细胞、嗜碱粒细胞和巨噬细胞等相互作用在固有免疫中发挥调节作用，通过与Th2、Th17和Treg等细胞相互作用参与调控哮喘的获得性免疫过程。虽然IL-33与哮喘的研究一直备受关注，但是仍有许多问题尚未阐明，有待进一步研究。例如，气道上皮细胞受到刺激后，IL-33如何迅速分泌目前尚不清楚；IL-33在体内发挥生物学效应的活性形式究竟为何；IL-33作用于Treg在哮喘中发挥的作用与其他器官（如肠、脑等）缘何不一致；IL-33的稳定性调节、翻译后修饰和代谢机制为何等。

IL-33分子本身的特点、IL-33作用的广泛性及特异性增加了研究的难度。但是IL-33在哮喘中至关重要，且是一个上游分子，这一点毋庸置疑，因此阻断IL-33/ST2这一信号通路可能为哮喘防治提供新的治疗思路。IL-33受体单抗（NCT03207243）目前正在进行2a期临床试验，该试验是一项随机、双盲、多中心分层研究，用于评估IL-33受体单抗治疗中度重症哮喘患者的疗效和安全性。值得注意的是，IL-33在许多情况下可以提供保护作用（感染、损伤的修复），因此在应用IL-33单抗或其受体单抗治疗疾病时，必须综合考虑权衡利弊。

参考文献（略）