細胞與分子免疫學(xué)：第五章 細胞因子

1、第五章 細胞因子及其受體（Cytokine and receptor,CK CKR）,Interactions immune cells are controlled by soluble Cytokine,are a diverse group of intercellular signaling peptides and glycoproteins with molecular weights 8-30kD. Well over 200 different human cytokine have now been identified.,第一節(jié) 細胞因子,一 概念、命名及特性： （一）概念

2、：抗原或有絲分裂原刺激免疫細胞（Th）產(chǎn)生具有多種生物學(xué)功能的小分子多肽類物質(zhì)。是免疫細胞在功能上相互聯(lián)絡(luò)的無聲的信息“語言”及生物信息分子,Ag,（二）命名：,1、來源：淋巴因子 單核因子,2.功能：,趨化因子(chemokine）白細胞介素（Interleukin,IL ）;干擾素(interferon,IFN） 、集落刺激因子（colony stimulating factor,CSF）； 生長因子（growth factor,GF）；腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor,TNF）,（三）細胞因子作用方式及特點,1、低分子性：8-30KD 2、高效性(High eff

3、icience)微量細胞因子可產(chǎn)生強的效應(yīng)(10-9-10-15M) 3、受體性(Receptors)CK需與受體結(jié)合才能發(fā)揮效應(yīng) 4、分泌性(inductive)抗原或有絲分裂原刺激，自分泌(autocrine)或旁分泌(paracrine） 內(nèi)分泌（endocrine）或細胞內(nèi)分泌（intracrine）,5、多源性(Multiple sources):一種CK來自多種 免疫細胞 6、多效性(Pleiotropy)一種CK發(fā)揮多種生物效應(yīng),7、重疊性(redundancy)多種不同類型CK具有相同生物學(xué)效應(yīng)（受體公用連）,8、拮抗性一種CK可抑制另一種CK的功能 9、協(xié)同性一種CK可強化另

4、一種CK的功能 10、網(wǎng)絡(luò)性-數(shù)量龐大的細胞因子構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)調(diào)控細胞活性.,二、細胞因子的分類(classification of cytokine),1. 白細胞介素（Interleukin,IL） 2. 干擾素（Interferon, IFN） 3. 腫瘤壞死因子（Tumor Necrosis Factor,TNF） 4. 集落刺激因子（Colony Stimulating Factor,CSF） 5. 趨化因子（Chemokine） 6. 生長因子（Growth factor,GF）,（一）、白細胞介素（Interleukin,IL）:IL1-IL35 主要來自白細胞，在白細胞間發(fā)揮作用。

5、IL1-單核巨噬細胞產(chǎn)生，活化Th細胞 IL2-活化的Th1產(chǎn)生,可激活T B NK LAK IL4-活化的Th2產(chǎn)生，誘導(dǎo)Ig發(fā)生抗體類型轉(zhuǎn)換(IgM-IgE),IL4基因敲除 IgE IL6單核及Th2細胞產(chǎn)生，可致炎癥發(fā)熱及T B細胞增殖 IL10-活化Th2細胞產(chǎn)生,可抑制T及巨噬細胞活 性,（二）集落刺激因子(colony-stimulating factor,CSF),是基質(zhì)細胞分泌的能夠刺激多能造血干細胞和不同發(fā)育分化階段的造血祖細胞增殖分化，在半固體培養(yǎng)基中形成相應(yīng)細胞集落的細胞因子。根據(jù)它們的作用范圍，分別命名為粒細胞CSF（G-CSF），巨噬細胞CSF（M-CSF），粒細胞

6、和巨噬細胞CSF（GM-CSF）和多集落刺激因子(multi-CSF,又稱IL-3)，紅細胞生成素（EPO）、干細胞生長因子（SCF）等,（三）干擾素,干擾素（interferon,IFN）是最先發(fā)現(xiàn)的細胞因子，可抵抗病毒的感染，干擾病毒的復(fù)制，因而命名為干擾素。根據(jù)其來源和結(jié)構(gòu)，可將IFN分為IFN-、IFN-、IFN-。IFN-和IFN-主要由白細胞、纖維母細胞產(chǎn)生，合稱為I型干擾素。IFN-主要由活化T細胞和NK細胞產(chǎn)生，也稱為II型干擾素。,IFN主要生物學(xué)作用是：抑制病毒復(fù)制；抗寄生蟲；抑制多種細胞增殖；參與免疫調(diào)節(jié)和抗腫瘤。IFN- 的生物學(xué)活性有高度種屬特異性，其作用為：激活巨噬

7、細胞并促進其功能；促進多種細胞表達MHC I類和II類分子；促進Th0細胞分化為Thl細胞，并抑制Th2細胞增殖；促進CTL成熟及活性；促進B細胞分化，產(chǎn)生抗體及Ig類型轉(zhuǎn)換；激活中性粒細胞功能和NK細胞殺傷活性；激活血管內(nèi)皮細胞。,（四）腫瘤壞死因子超家族,腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF)是一類能直接造成腫瘤細胞死亡的細胞因子。根據(jù)其來源和結(jié)構(gòu)分為兩種，即TNF-和TNF-。前者由單核巨噬細胞產(chǎn)生；后者由活化的T細胞產(chǎn)生，又名淋巴毒素(lymphotoxin，LT)。TNF除有殺腫瘤細胞作用外，還可引起發(fā)熱和炎癥反應(yīng)，大劑量TNF-可引起惡液質(zhì)，呈進行性消瘦

8、，因而TNF-又稱惡液質(zhì)素。,TNF- 具有廣泛生物學(xué)活性，例如：參與炎性反應(yīng)和免疫應(yīng)答；抗腫瘤；參與內(nèi)毒素性休克、動脈硬化、靜脈血栓形成和脈管炎等病理過程；引起惡液質(zhì)。 TNF- 也可趨化和激活中性粒細胞，促進黏附分子表達，但其不參與內(nèi)毒素性休克等病理過程。TNF- 基因敲除小鼠外周淋巴結(jié)消失，提示TNF- 在外周淋巴器官發(fā)育中具有重要作用。,（五）趨化性細胞因子家族,結(jié)構(gòu)相似、分子量約為8l0kD、具有趨化功能的細胞因子，稱為趨化性細胞因子(chemokine)。目前已知的趨化性細胞因子達50種，它們均含4個半胱氨酸，并形成兩個內(nèi)部二硫鍵。趨化性細胞因子分為C-C、CXC、C、CX3C共4

9、個亞家族 CXCIL8 趨化及激活中性粒細胞 C-CMCP 對單核-吞噬細胞有趨化和激活作用 CX3C 可趨化淋巴及單核細胞 C-Lymphotactin 趨化T B Nk,（六）生長因子(growth factor，GF),生長因子是具有刺激細胞生長作用的細胞因子，包括轉(zhuǎn)化生長因子- (TGF-)、表皮細胞生長因子(EGF)、血管內(nèi)皮細胞生長因子(VEGF)、成纖維細胞生長因子(FGF)、神經(jīng)生長因子(NGF)、血小板衍生的生長因子(PDGF)等。TGF-是免疫系統(tǒng)關(guān)閉的信號 ，使正常細胞癌變,(七)其他細胞因子,1白血病抑制因子(leukemia inhibitory factor，LIF

10、) 由活化的T細胞、單核細胞等多種細胞產(chǎn)生。LIF可調(diào)節(jié)細胞的增殖、分化和表型；可增加血小板數(shù)量；誘導(dǎo)肝急性期蛋白的產(chǎn)生等。LIF可直接作用于某些髓性白血病細胞，使其分化為單核細胞，喪失惡性增殖特性。,2腫瘤抑制素-M(oncostatin M，0SM) 乃由激活的巨噬細胞和T細胞產(chǎn)生。OSMR廣泛分布于多種腫瘤細胞、內(nèi)皮細胞和上皮細胞表面。OSM的主要生物學(xué)功能是抑制腫瘤細胞生長。,三、細胞因子的結(jié)構(gòu),多數(shù)細胞因子為小分子多肽，分子量為810kD。多由100個左右的氨基酸組成，不同細胞因子之間無明顯的氨基酸序列的同源性。 多數(shù)細胞因子以單體形式存在，少數(shù)細胞因子為二聚體（如IL-5、IL-1

11、2、M-CSF、TGF-）或三聚體形式（如TNF）,大多數(shù)細胞因子帶有糖基，但這些糖基多與細胞因子的生物活性無關(guān)，可能起延長細胞因子體內(nèi)半衰期的作用。,四、細胞因子的生物學(xué)活性,細胞因子具有非常廣泛的生物學(xué)活性，包括促進靶細胞的增殖和分化，增強抗感染和細胞殺傷效應(yīng)，促進或抑制其它細胞因子和膜表面分子的表達，促進炎癥過程，影響細胞代謝等。,（一）免疫應(yīng)答的調(diào)節(jié)劑,免疫細胞之間存在錯綜復(fù)雜的調(diào)節(jié)關(guān)系，細胞因子是傳遞這種調(diào)節(jié)信號必不可少的信息語言。例如在T-B細胞之間，T細胞產(chǎn)生IL-2、4、5、6、10、13、干擾素等細胞因子刺激B細胞的分化、增殖和抗體產(chǎn)生；而B細胞又可產(chǎn)生IL-12調(diào)節(jié)Th1細

12、胞活性和TC細胞活性。在單核巨噬細胞與淋巴細胞之間，前者產(chǎn)生IL-1、6、8、10、干擾素、TNF-等細胞因子促進或抑制T、B、NK細胞功能；,（二）細胞凋亡的誘導(dǎo)劑,例如TNF和TNF可直接造成腫瘤細胞的凋亡(apoptosis),使瘤細胞DNA斷裂,細胞萎縮死亡;干擾素、可干擾各種病毒在細胞內(nèi)的復(fù)制，從而防止病毒擴散；LIF可直接作用于某些髓性白血病細胞，使其分化為單核細胞，喪失惡性增殖特性。,（三）造血細胞刺激劑,從多能造血干細胞到成熟免疫細胞的漫長道路中，幾乎每一階段都需要有細胞因子的參與。最初研究造血干細胞是從軟瓊脂的半固體培養(yǎng)基開始的，在這種培養(yǎng)基中，造血干細胞分化增殖產(chǎn)生的大量子

13、代細胞由于不斷擴增而形成細胞集團，稱為集落，而刺激造血干細胞形成細胞集落的細胞因子命名為集落刺激因子（CSF）。如GM-CSF、G-CSF、M-CSF、multi-CSF(IL-3)等。,（四）炎癥反應(yīng)的促進劑,炎癥表現(xiàn)為局部的紅腫熱痛，病理檢查可發(fā)現(xiàn)有大量炎癥細胞如粒細胞、巨噬細胞的局部浸潤和組織壞死，在這一過程中，一些細胞因子起到重要的促進作用，如IL-1、IL-6、IL-8、TNF等可促進炎癥介質(zhì)的釋放、增加血管通透性、趨化白細胞，導(dǎo)致炎性細胞的聚集、活化，并可直接刺激發(fā)熱中樞引起全身發(fā)燒,IL-8。在許多炎癥性疾病中都可檢測到上述細胞因子的水平升高.,（五）創(chuàng)傷的修復(fù)劑：TGF- EG

14、F FGF VEGF NGF，促進潰瘍及創(chuàng)口愈合,（六）其它,許多細胞因子還參與非免疫系統(tǒng)的一些功能。例如IL-8具有促進新生血管形成的作用；M-CSF可降低血膽固醇；IL-1刺激破骨細胞、軟骨細胞的生長；IL-6促進肝細胞產(chǎn)生急性期蛋白等。這些作用為免疫系統(tǒng)與其它系統(tǒng)之間的相互調(diào)節(jié)提供了新的證據(jù)。,第二節(jié) 細胞因子受體(CKR）,一 膜型細胞因子受體（mCKR）: （一）分類：按結(jié)構(gòu)及功能分為五個家族 1造血生長因子家族（I型）：-WSXWS C-CEPO 2 IFN家族（II型）:4個不連續(xù)的半胱氨酸 3TNFR:富含半胱氨酸 C-C-C-Cn(III型) 4IgSF受體家族： 5趨化因子

15、受體家族：次跨膜的蛋白,HIV-1病毒株利用趨化因子受體CCR5或CXCR4來進入免疫細胞。研究阻斷病毒利用CCR5的藥物已經(jīng)上市用于抗HIV治療，但目前尚沒有阻止病毒利用CXCR4受體的藥物獲得批準。來自慕尼黑和那不勒斯的研究人員通過輕微改造一種具有抗HIV活性的合成肽生成了一種新化合物，將與趨化因子受體CXCR4的結(jié)合親和力提高了兩個數(shù)量級，大大提高了抗HIV的活性。這一研究進展為設(shè)計出新型更有效對抗艾滋病的藥物邁出了重要的一步。,（二）CKR受體的結(jié)構(gòu)及公有鏈：,1 單鏈:EPOR G-CSFR a-結(jié)合細胞因子 私有鏈 2 雙鏈：IL3R IL5R GM-CSFR a私有鏈,-信號傳導(dǎo)

16、 公有鏈 3 多鏈：IL2R IL4R a a私有 鏈,-信號傳導(dǎo) 公有鏈 受體共有鏈可使多種不同細胞因子與相應(yīng)受體結(jié)合,可發(fā)揮相同生物學(xué)效應(yīng),二可溶性細胞因子受體(sCKR）:,為mCKR胞外區(qū).結(jié)合細胞因子特異性與mCKR相同,但缺少跨膜區(qū)及胞內(nèi)區(qū). (一)產(chǎn)生機制: 1蛋白水平 膜受體脫落是形成sCKR的主要途徑. 2基因水平 通過受體mRNA的不同剪接，或 閱讀框架后移，使可溶性受體mRNA翻譯后，如同分泌型CK一樣直接分泌至胞外。,（二）sCKR的生物學(xué)功能,1作為CK的轉(zhuǎn)運蛋白 sCKR與CK結(jié)合，可將CK轉(zhuǎn)運至機體有關(guān)部位，增加局部CK濃度，從而更有利于CK在局部發(fā)揮作用。此外，

17、sCKR還可穩(wěn)定CK，減緩CK“衰變”，從而發(fā)揮CK “慢性釋放庫”的作用，以維持并延長低水平CK的生物學(xué)活性。,2調(diào)節(jié)CK的生物學(xué)活性 sCKR可通過多種途徑調(diào)節(jié)CK效應(yīng)，如：作為膜受體的清除形式之一，使細胞對CK反應(yīng)性下降；sCKR可與mCKR競爭性結(jié)合CK，對過量產(chǎn)生的CK起緩沖作用；某些sCKR可上調(diào)CK效應(yīng)，如sIL-6R與IL-6特異性結(jié)合后可被靶細胞表面gpl30蛋白識別并傳遞刺激信號，從而促進IL-6效應(yīng)的發(fā)揮；sCKR可與膜型CK結(jié)合，通過逆向分泌 (retrocrine)而介導(dǎo)反向信號的生物學(xué)效應(yīng)。,sCKR對CK活性起抑制或增強作用，可能取決于CK與sCKR間濃度比。一般

18、而言，高濃度sCKR可抑制相應(yīng)CK活性，而低濃度sCKR則可起增強作用。,（三）sCKR的臨床意義,1sCKR與疾病診斷和預(yù)后 檢測sCKR水平可用于某些疾病的早期輔助診斷，有助于判斷病程發(fā)展與轉(zhuǎn)歸，評估患者免疫功能狀態(tài)及預(yù)后。例如，類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎患者滑膜液sIL-2R水平升高，可用于與其他關(guān)節(jié)炎的鑒別診斷；毛細胞白血病對IFN- 治療有效者，其sIL-2R水平下降，復(fù)發(fā)時上升。,2sCKR與臨床治療,多數(shù)sCKR與CK結(jié)合后可阻斷CK與膜受體結(jié)合，從而阻斷CK生物學(xué)活性，故可用于防治CK過量產(chǎn)生所致病理過程。例如、應(yīng)用sTNFR可減輕TNF在類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎及Crohn病中介導(dǎo)的病理損害，并可緩解

19、內(nèi)毒素性休克病情；給動物局部注射sIL-lR可抑制IL-1介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)等。,第三節(jié)細胞因子的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑,結(jié)構(gòu)不同的細胞因子受體傳導(dǎo)細胞因子信號的分子機制不同。一種細胞可在多種細胞因子作用下表現(xiàn)出不同生物學(xué)活性，而同一種細胞因子作用于不同的靶細胞亦可表現(xiàn)出不同的生物學(xué)活性，這表明細胞因子信號傳導(dǎo)機制相當(dāng)復(fù)雜。單種細胞因子的信號傳導(dǎo)可涉及到多條途徑。,JAK-STAT途徑在幾乎所有細胞因子信號傳導(dǎo)中均起重要作用。JAK即Janus激酶，是一種非受體型蛋白酪氨酸激酶(PTK)。JAKs代表Janus家族蛋白酪氨酸激酶(The Janus family of protein tyrosine ki

20、nases)。,JAK又稱兩面神激酶(Janus kinase),它具有向內(nèi)和向外兩個面孔的羅馬天神-Janus命名. 它既能催化與之相連的細胞因子受體發(fā)生酪氨酸磷酸化，又能磷酸化下游信號分子。在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中所起的作用也象個兩面神.STAT即信號傳導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子(signal transducers and activators of transcription)。,JAK-STAT途徑介導(dǎo)細胞因子信號傳導(dǎo)的大體過程如圖5-2所示，首先是由細胞因子與其特異性受體結(jié)合，使受體形成二聚體或多聚體，然后受體胞內(nèi)段與JAK相互作用，使細胞因子受體發(fā)生酪氨酸磷酸化，并使JAK自身發(fā)生酪氨酸磷酸化而被激活

21、，再與含有SH2結(jié)構(gòu)域的STAT相互作用，使其磷酸化，形成二聚體后進入胞核內(nèi)，使基因轉(zhuǎn)錄激活，使細胞表現(xiàn)出一定的生物學(xué)活性。,CK+CKR-多聚體JAK-CKR磷酸化-STAT磷酸化二聚體胞核基因活化-生物學(xué)活性,第四節(jié) 細胞因子與臨床,CK是雙刃劍免疫調(diào)節(jié)及疾病 一CK與疾病： 1.高細胞因子血癥（細胞因子風(fēng)暴）-炎癥感染（SARS 流感 膿毒血癥） 、過敏反應(yīng)（I型）、GVHR、自身免疫病（類風(fēng)關(guān)、強直性脊椎炎 糖尿?。?SARS：病原體免疫細胞ILl 6 TNFa IFNa 肺水腫、組織壞死、多器官功能衰竭嚴重全身免疫反應(yīng)致死。CD28單抗-細胞因子風(fēng)暴,SARS,糖尿病,類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎

22、（TNFa IL1） 強直性脊椎炎 SLE 銀屑?。═NFa）,2.CK減少-免疫缺陷 腫瘤 IL2 Th細胞,When HIV infects a CD4+T cell (a), the viral glycoprotein gp120 first interacts with the CD4 receptor, then with the CCR5 or CXCR4 co-receptor, upon which the viral gp41 will bring the viral envelope in contact with the host cell membrane,（三）可溶

23、性細胞因子受體水平升高,在某些疾病(如腫瘤、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎)條件下，可出現(xiàn)可溶性細胞因子受體(sIL2R sIL1R)的水平升高。這類分子可能結(jié)合細胞因子(IL2)，使其不再與膜表面的細胞因子受體(mIL2R)結(jié)合，因而封閉了細胞因子(IL2)的功能。,二、細胞因子與治療,細胞因子療法（cytokine therapy）:即細胞因子補充和添加療法及細胞因子阻斷和拮抗療法。重組細胞因子療效佳，副作用小，是一種全新的生物制劑，已廣泛用于腫瘤、感染（如肝炎、AIDS）、造血功能障礙、創(chuàng)傷、炎癥等治療。 目前已批準生產(chǎn)的細胞因子藥物包括干擾素、，EPO，GM-CSF，G-CSF，IL-2，正在進行臨床試

24、驗的包括IL-1、3、4、6、11、M-CSF、SCF、TGF-等.,(一)細胞因子補充和添加療法,1IFN-:,主要用于治療病毒性感染和腫瘤。IFN-對于病毒性肝炎（主要是慢性活動性肝炎）、皰疹性角膜炎、帶狀皰疹、慢性宮頸炎等有較好療效。IFN-對于血液系統(tǒng)惡性疾病如毛細胞白血病（有效率達80%以上）等療效較顯著，但對實體腫瘤的療效較差。,2IL-2,目前多將IL-2與TIL合用治療實體腫瘤，對腎細胞癌、黑色素瘤、非何杰金淋巴瘤、結(jié)腸直腸癌有較顯著的療效，應(yīng)用IL-2（或與IFN合用）治療感染疾病亦取得了一定療效。,3TNF,由于其全身應(yīng)用副作用嚴重且療效差，目前多傾向?qū)⑵渚植繎?yīng)用如瘤灶內(nèi)注

25、射治療某些腫瘤和直腸癌，其確切療效尚待進一步評價。,4CSF,應(yīng)用GM-CSF和G-CSF治療各種粒細胞低下患者。例如與化療藥物合用治療腫瘤可以降低化療后粒細胞減少程度，使粒細胞的數(shù)量和功能能盡快回升并能提高機體對化療藥物的耐受劑量，從而提高治療腫瘤的效果。對再生障礙性貧血和AIDS亦有肯定療效。用于骨髓移植后可使中性粒細胞盡快恢復(fù)，降低感染率。此外，應(yīng)用EPO治療腎性貧血取得了非常顯著的療效。,（二）細胞因子阻斷和拮抗療法,該療法適用于自身免疫性病、移植排斥反應(yīng)、感染性休克等的治療。例如抗TNF單克隆抗體、CKR受體拮抗劑、可溶性細胞因子受體,三、 CK與診斷：CK檢測1 活性檢測-依賴株檢測法-IFN TNF 病毒、腫瘤診斷2 免疫酶標技術(shù)（ELISA）-測細胞因子及可