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1、第六章 细胞因子第一节 细胞因子的共同特点一、细胞因子的概念细胞因子(cytokine)是由机体多种细胞分泌的小分子蛋白质，通过结合细胞表面的相应受体发挥以调节免疫应答为主的生物学作用。二、细胞因子的命名细胞因子按其产生来源可分为：由单个核吞噬细胞产生的细胞因子称为单核因子(monokine)；由淋巴细胞产生的细胞因子称为淋巴因子(lymphokine)等。按其作用可分为干扰素、集落刺激因子、肿瘤坏死因子、生长因子和趋化因子等。部分由不同细胞分泌的细胞因子，其基因及编码蛋白与结构清楚者，在免疫调节、造血和炎症中发挥重要作用，又称为白细胞介素(interleukin，IL)。三、细胞因子作用方式
2、天然的细胞因子由抗原、丝裂原或其他刺激物所活化的细胞所分泌，通过旁分泌(paracrine)、自分泌(autocrine)或内分泌(endocrine)的方式发挥作用。若某种细胞因子作用的靶细胞(细胞因子作用的细胞)也是其产生细胞，则该细胞因子对靶细胞表现出的生物学作用方式称为自分泌，如T淋巴细胞产生的白细胞介素-2(IL-2)可刺激T淋巴细胞本身生长。若某种细胞产生的细胞因子主要作用于邻近的细胞，则该细胞因子对靶细胞表现出的生物学作用方式称为旁分泌，如树突状细胞产生的IL-12促进T淋巴细胞增殖及分化。少数细胞因子如TNF-、IL-1在体液中浓度很高时也作用于远处的靶细胞，表现为内分泌方式。
3、图 细胞因子的自分泌、旁分泌或内分泌作用A. 自分泌；B. 旁分泌；C. 内分泌四、细胞因子作用特点细胞因子通常具有多效性、重叠性、拮抗性和协同性。多效性：一种细胞因子可作用于多种靶细胞，产生多种生物学效应，如干扰素可上调有核细胞表达MHC 类分子，也可激活巨噬细胞。重叠性：几种不同的细胞因子作用于同一种靶细胞，产生相同或相似的生物学效应，如IL-2和IL-4均可刺激T淋巴细胞增殖。拮抗性：一种细胞因子抑制其他细胞因子的功能，如IL-4可抑制IFN-g刺激Th细胞向Thl细胞分化的功能。协同性：一种细胞因子强化另一种细胞因子的功能，两者表现协同性，如IL-3和IL-11共同刺激造血干细胞的分化
4、成熟。众多细胞因子在机体内相互促进或相互抑制，形成十分复杂的细胞因子调节网络。另外，众多的细胞因子具有以下共同的特性：1天然细胞因子是由细胞产生的 正常的静息或休止（resting）状态的细胞必须经过激活后才能合成和分泌细胞因子。通常是由抗原、丝裂原或其它刺激物激活免疫细胞和相关细胞，68小时后细胞培养上清中即可检测出细胞因子，于2472小时期间细胞因子水平最高。但是有些细胞株不需外源刺激就可以自发地分泌某些细胞因子。2细胞因子的产生和作用具有多向性(pleiotropism)即单一刺激如抗原、丝裂原、病毒感染等可使同一种细胞分泌多种细胞因子，而一种细胞因子由多种不同类型的细胞产生可作用于多种
5、不同类型的靶细胞。3细胞因子的合成和分泌过程是一种自我调控的过程通常情况下，细胞因子极少储存，即不以前体形式贮存在细胞内，而是经过适当刺激后迅速合成，一旦合面后便分泌至细胞外以发挥生物学作用，刺激消失后合成亦较快地停止并被迅速降解。4为低分子量的分泌型蛋白质常被糖基化。分子量大小不等，大多数为1530kD，小者仅810kD，一般不超过80kD。5细胞因子需与靶细胞上的高亲和力受体特异结合后才发挥生物学效应。6生物学效应极强 细胞因子在pM(10-12M)水平就能发挥显著的生物学效应。这与细胞因子与靶细胞表面特异性受体之间亲和力极高有关，其解离常数在10-1210-10M之间。7单一细胞因子可具
6、有多种生物学活性，但多种细胞因子也常具有某些相同或相似的生物学活性。8主要参与免疫反应和炎症反应影响反应的强度和持续时间的长短。涉及到感染免疫、肿瘤免疫、自身免疫、移植免疫等诸多方面。9以非特异性方式发挥生物学作用且不受MHC限制。10某种细胞因子对靶细胞作用的强弱取决于细胞因子的局部浓度，靶细胞本身的类型（即作用于自身产生细胞）和旁分泌方式（paracrine,即作用于邻近的靶细胞）短暂性地产生并在局部发挥作用。11.天然细胞因子大多是在近距离发挥局部作用 大多是通过自分泌方式（autocrine,即作用于自身产生细胞）和旁分泌方式（paracrine,即作用于邻近的靶细胞）短暂性地产生并在
7、局部发挥作用。第二节 细胞因子的分类一、 白细胞介素白细胞介素（IL）最初是指由白细胞产生又在白细胞间发挥作用的细胞因子，虽然后来发现白细胞介素可由其他细胞（如基质细胞、内皮细胞、成纤维细胞等）产生，也可作用于其他细胞，这一名称仍被沿用至今。目前已发现了35种白细胞介素，分别被命名为IL-1IL-35。表 细胞因子的不同家族及其亚群二、 干扰素干扰素(interferon，IFN)是最早发现的细胞因子，因其具有干扰病毒感染和复制的能力故称干扰素。根据其来源和理化性质，常见干扰素分为、和g三种类型。IFN-有十几种亚型。IFN-和IFN-主要由树突状细胞、白细胞、成纤维细胞及病毒感染的细胞产生，
8、又称为型干扰素。IFN-g主要由活化T细胞和NK细胞产生，也称为型干扰素。三、 肿瘤坏死因子超家族肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor，TNF)是1975年发现的一种能使肿瘤发生出血坏死的物质。目前肿瘤坏死因子超家族(TNFSF)成员至少已有18个。四、 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造血祖细胞增殖分化，在半固体培养基中形成相应细胞集落的细胞因子。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)、粒细胞集落刺激因子(G-CSF)。此外，红细胞生成素(EPO)、干细胞生
9、长因子(SCF)、血小板生成素(TPO)以及IL-3和IL-11等也具有集落刺激因子的功能。五、趋化因子趋化因子(chemokine)是一个蛋白质家族，分子量多为810kDa的多肽。趋化因子的主要功能是招募血液中的单核细胞、中性粒细胞、淋巴细胞等进入特定的淋巴器官和组织以及感染发生的部位。根据趋化因子近N端半胱氨酸(Cys)的位置、排列方式和数量，可分为四个亚家族：CC亚家族存在2个相邻的半胱氨酸(CC)，其相应受体被命名为CC趋化因子受体(CCR)；CXC亚家族的2个半胱氨酸间有1个其他氨基酸，其相应受体被命名为CXC趋化因子受体(CXCR)；C亚家族只有1个半胱氨酸(C)；CX3C亚家族的
10、2个半胱氨酸间有3个其他氨基酸(半胱氨酸-3个其他氨基酸-半胱氨酸)。单核细胞趋化蛋白-1(monocyte chemotactic protein-1，MCP-1)是一种CC趋化因子，对单核细胞、自然杀伤细胞、T淋巴细胞、嗜碱性细胞和树突状细胞有趋化作用。IL-8是一种CXC趋化因子，对中性粒细胞和未致敏的T淋巴细胞有趋化作用。淋巴细胞趋化蛋白(lymphotactin)是C趋化因子，对T淋巴细胞、自然杀伤细胞和树突状细胞有趋化作用。Fractalkine是CX3C趋化因子，对单核细胞和T淋巴细胞有趋化作用。六、生长因子生长因子(growth factor，GF)是具有刺激细胞生长作用的细胞
11、因子，包括转化生长因子-(TGF-)、表皮细胞生长因子(EGF)、血管内皮细胞生长因子(VEGF)、成纤维细胞生长因子(FGF)、神经生长因子(NGF)、血小板衍生的生长因子(PDGF)等。多种未以生长因子命名的细胞因子也具有刺激某些细胞生长的作用，从这个意义上讲，它们也是生长因子，如IL-2是T细胞的生长因子，TNF-是成纤维细胞的生长因子。有些生长因子在一定条件下也可表现对免疫应答的抑制活性，如TGF-可抑制多种免疫细胞的增殖、分化及效应。第三节 细胞因子的生物学活性一、调节固有免疫应答 参与固有免疫应答的细胞主要有树突状细胞、单核/巨噬细胞、中性粒细胞、NK细胞、NKT细胞、T细胞、B-
12、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的发育、分化以及效应功能发挥多种重要的调节作用。二、调节适应性免疫应答参与适应性免疫应答的免疫细胞的激活、生长、分化和发挥效应都受到细胞因子的精细调节。1在免疫应答识别和激活阶段，有多种细胞因子可刺激免疫活性细胞的增殖，IL-2和IL-l5刺激T淋巴细胞的增殖，IL-4、IL-6和IL-l3刺激B淋巴细胞增殖。也有多种细胞因子刺激免疫活性细胞的分化，IL-12促进未致敏的CD4+T淋巴细胞分化成Thl细胞，IL-4促进未致敏的CD4+T细胞分化成Th2细胞。B细胞在分化过程中发生的Ig类别转换也是在细胞因子的作用下实现的，例如，IL-4
13、刺激B细胞产生IgE；TGF-刺激B细胞产生IgA。从这个意义上讲，细胞因子调节了B细胞产生的免疫球蛋白的类别使其介导不同的效应功能。 2在免疫应答的效应阶段，多种细胞因子刺激免疫细胞对抗原性物质进行清除。IFN-g是一种重要的巨噬细胞激活因子(MAFs)，它激活单个核吞噬细胞杀灭微生物，尤其是胞内感染的病原体。IFN-g激活细胞毒性T淋巴细胞(CTL)，刺激有核细胞表达MHC类分子，从而促进其杀伤感染胞内病原体(如病毒)的细胞。IL-2刺激CTL的增殖与分化并杀灭微生物尤其是胞内病原体。3有些细胞因子如TGF-在一定条件下也可表现免疫抑制活性。它除可抑制巨噬细胞的激活外，还可抑制CTL的成熟
14、。分泌TGF-的T细胞表现抑制性T细胞的功能。某些肿瘤细胞因分泌大量的TGF-而逃避机体免疫系统的攻击。此外，IL-10也是巨噬细胞的抑制因子。三、刺激造血在免疫应答和炎症反应过程中，白细胞、红细胞和血小板不断被消耗，因此机体需不断从骨髓造血干细胞通过分化成熟补充这些血细胞。由骨髓基质细胞和T细胞等产生刺激造血的细胞因子调控着血细胞的生成和补充。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)和粒细胞集落刺激因子(G-CSF)刺激骨髓生成各类髓样细胞。GM-CSF是树突状细胞的分化因子。IL-7刺激未成熟T细胞前体细胞的生长与分化。红细胞生成素(EPO)刺激红细
15、胞的生成。IL-6、IL-11和血小板生成素(TPO)均具可刺激骨髓巨核细胞的分化、成熟和血小板的产生。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-和LT-可直接杀伤肿瘤细胞或病毒感染细胞。活化T细胞和NK细胞表达的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修复中扮演重要角色。如TGF-可通过刺激成纤维细胞和成骨细胞促进损伤组织的修复。VEGF可促进血管和淋巴管的生成。FGF促进多种细胞的增殖，有利于慢性软组织溃疡的愈合。第四节 细胞因子受体一、细胞因子受
16、体的分类细胞因子受体根据其结构和信号转导途径的不同可分为免疫球蛋白超家族(IgSF)、型细胞因子受体、型细胞因子受体、肿瘤坏死因子受体和趋化因子受体等不同的家族或超家族。型细胞因子受体(class cytokine receptor)家族包括IL-2、IL-3、IL-4、IL-5、IL-7、IL-9、IL-13、IL-15、GM-CSF和EPO等细胞因子的受体。型细胞因子受体家族(class cytokine receptor)包括干扰素(IFN-、IFN-、IFN-g)和IL-l0家族的受体。肿瘤坏死因子受体超家族(TNF receptor superfamily，TNFRSF)包括TNF受
17、体、神经生长因子受体、CD40分子和Fas分子等。趋化因子受体家族(chemokine receptor family)是G-蛋白偶联受体，为7次跨膜的蛋白，和相应的配体结合后经偶联GTP结合蛋白介导信号转导而发挥生物学效应。CCR5和CXCR4分别是HIV在巨噬细胞和T淋巴细胞上的辅助受体，HIV借助CD4和CCR5或CXCR4感染靶细胞。CCR5基因具有多态性。携带一种缺失了32个碱基的CCR5等位基因的纯合子个体，由于其表达无功能的CCR5，可抵抗HIV的感染。图 细胞因子受体的种类（举例）及其结构示意图图 细胞因子与靶细胞表面受体结合才能发挥生物学功能二、细胞因子受体共同亚单位型细胞因
18、子受体家族中的多数成员具有两种或三种受体亚单位，其中一种亚单位是细胞因子结合亚单位，另一种是负责介导信号转导亚单位。多种型细胞因子受体有共用的相同的信号转导亚单位。如人IL-3、IL-5和GM-CSF受体均由和亚单位组成，其中亚单位是细胞因子特异性结合亚单位，亚单位是这三种细胞因子共用的信号转导亚单位。因此，IL-3、IL-5和GM-CSF在功能上有很大的重叠性，如均可刺激造血干细胞的分化。再如IL-2、IL-4、IL-7、IL-9、IL-15和IL-21受体都有相同的信号转导亚单位(共有g链，gc)，编码gc基因位于X-染色体上，gc基因缺陷是引起X-性连锁重症联合免疫缺陷病(SCID)的一
19、种主要病因，这类患者由于IL-2、IL-4、IL-7、IL 9、IL-15和IL-21受体介导的细胞信号转导发生严重的障碍，因此细胞免疫和体液免疫都出现严重的缺陷。图 链参与组成的细胞因子受体三、可溶型细胞因子受体许多细胞因子如IL-1、IL-2、IL-4、IL-5、IL-6、IL-7、IL-8、G-CSF、GM-CSF、IFN-和TNF的受体除了膜结合形式外，还有游离的形式即可溶型细胞因子受体(soluble cytokine receptor)。可溶型的细胞因子受体可作为相应细胞因子的运载体，也可与相应的膜型受体竞争结合配体而起到抑制作用。此外，检测某些可溶型细胞因子的水平有助于某些疾病的
20、诊断及病程的发展和转归的监测。第五节 与细胞因子与临床一、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”，即可发挥免疫调节作用，在一定条件下，也可参与多种疾病的发生。如在类风湿性关节炎、强直性脊柱炎、银屑病患者体内均可检测到过高水平的TNF-，拮抗TNF-的生物制剂对上述疾病有治疗作用。多种趋化因子可促进类风湿性关节炎、肺炎、哮喘和过敏性鼻炎的发生和发展。正常情况下，细胞因子表达和分泌受机体严格的调控，在病理状态下、细胞因子会出现异常性表达，表现为细胞因子及其受体的缺陷，细胞因子表达过高，以及可溶性细胞因受体的水平增加等。在炎症、自身免疫病、变态反应、休克等疾病时，某些细胞因子
21、的表达量可成百上千倍地增加，例如为风湿关节炎的滑膜液中可发现IL-1、IL-6、IL-8水平明显高于正常人，而这些细胞因子均可促进炎症过程，使病情加重。应用细胞因子的抑制剂有可能治疗这为类症性细胞因子水平升高的疾病。细胞膜表面的细胞因子受体可脱落下来，成为可溶性细胞因子受体，存在于体液和血清中，在某些疾病条件下，可出现可溶性细胞因子受体的水平升高。这类分子可能结合细胞因子，使其不再与膜表面的细胞因子受体结合，因而封闭了细胞因子的功能。包括先天性缺陷和继发性缺陷两种病理情况，例如先天性的性联重症联合免疫缺陷病人（XSCID），表现为体液免疫和细胞免疫的双重缺陷，出生后必须在无菌罩中生活，往往在幼
22、儿期因感染而夭折。现已发现这种患者的IL-2受体链缺陷，由此导致IL-2、IL-4和IL-7的功能障碍，使免疫功能严重受损。细胞因子的继发性缺陷往往发生在感染、肿瘤等疾病以后，如人类免疫缺陷病毒（HIV）感染并破坏TH后，可导致TH细胞产生的各种细胞因子缺陷，免疫功能全面下降，从而表现出获得性免疫缺陷综合征（AIDS）的一系列症状。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，同时也创造了十分巨大的商业价值。目前，利用基因工程技术生产的重组细胞因子做为生物应答调节剂（BRM）治疗肿瘤、造血障碍、感染等已收到良好的疗
23、效，成为新一代的药物。重组细胞因子做为药物具有很多优越之处。例如细胞因子为人体自身成分，可调节机体的生理过程和提高免疫功能，很低剂量即可发挥作用，因而疗效显著，副作用小，是一种全新的生物制剂，已成为某些疑难病症不可缺少的治疗手段。目前已批准生产的细胞因子药物包括干扰素、，Epo，GM-CSF，G-CSF，IL-2，正在进行临床试验的包括IL-1、3、4、6、11，M-CSF，SCF，TGF-等（表4-3、4-4。）这些细胞因子的主要适应症包括肿瘤、感染（如肝炎、AIDS）、造血功能障碍、创伤、炎症等。目前，细胞因子已广泛应用于临床多种疾病的治疗，其中以干扰素、各种集落刺激因子最为常用。部分细胞因子已获美国FDA批准投放市场，有的细胞因子已进行不同阶段的临床试验或正在申请获准准投放市场。