细胞因子在脓毒症中的作用及临床应用现状
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细胞因子在脓毒症中的作用及临床应用现状
脓毒症是急危重症患者的严重并发症之一，是全球性的健康危机。2016年美国重症医学会与欧洲重症医学会联合发布脓毒症的最新定义为机体对感染反应失调而导致危及生命的器官功能障碍 [ 1 ]。世界脓毒症日2018官网最新数据显示，全球每年有(2 700~3 000)万人发生脓毒症，(700~900)万人死于脓毒症，不同地区脓毒症的病死率在15%~50% [ 2 ]。
脓毒症的发病过程复杂多样，涉及多种病理生理改变，包括免疫炎症失衡、凝血功能障碍、代谢紊乱、循环衰竭等。近20余年来，广泛的基础和临床研究逐步揭示脓毒症是由病原微生物(细菌或病毒等)与宿主免疫系统之间复杂的相互作用引起的，发病初始阶段是因免疫炎症反应动态失衡所致，其中细胞因子起了重要作用 [ 3 ]。20世纪90年代，脓毒症被认为主要与促炎性细胞因子的释放有关，由此提出了"细胞因子风暴"的概念，即病原微生物感染机体后引起细胞因子的级联反应，体液中迅速产生大量的细胞因子。随后，深入的研究表明，某些抗炎性细胞因子可以抵消过度炎症反应，试图恢复免疫平衡。本文就近年脓毒症相关的部分细胞因子研究进展及本单位开展的相关工作做一简要总结，以期为读者提供一点思路和参考。
1 细胞因子的产生
细胞因子是一类由细胞分泌的具有生物活性的小分子蛋白物质(分子量<40×10 3)，与Ig、补体等统称为免疫分子，发挥免疫调节功能。脓毒症发生过程中，细菌LPS是诱导细胞因子产生的主要分子。LPS经过脂多糖结合蛋白、脂多糖受体CD14及Toll样受体激活抗原呈递细胞如单核细胞、巨噬细胞、树突状细胞(DC)，产生释放细胞因子 [ 4 ]。此外，外毒素作为超抗原，通过桥接抗原呈递细胞上表达的主要组织相容性复合体(MHC)Ⅱ类分子与T淋巴细胞上的受体，促进共刺激分子CD28/CD86的结合，诱发巨噬细胞和T淋巴细胞产生释放细胞因子 [ 4 ]。最新研究显示，超抗原不仅通过介导MHCⅡ分子和T淋巴细胞受体之间的相互作用而引发细胞因子风暴，而且通过促进B7-2/CD28共受体结合，进一步活化共刺激信号通路，扩大炎症因子的表达 [ 5 ]。
2 脓毒症相关细胞因子
2.1 促炎IL
IL是感染过程中释放的最重要的细胞因子组，它们启动信号传导并促进免疫细胞的活化、增殖、迁移和坏死。按功能可分为促炎IL和抗炎IL，促炎IL与组织损伤直接相关，在脓毒症患者和动物模型外周血清中都有明显升高。经典的促炎IL包括IL-1β、IL-6等。IL-1β促进炎症级联反应，诱导各种炎症基因的表达，如IL-6、IL-8、单核细胞趋化蛋白1(MCP-1)、环氧合酶2等。Mera等 [ 6 ]同时监测了脓毒症患者入院后7 d内血浆中的17种细胞因子，观察到死亡患者血浆IL-1β浓度高于存活患者，并呈持续上升趋势。同IL-1β一样，血浆高浓度的IL-6与脓毒症严重程度密切相关，其在脓毒症中的确切作用仍在研究中。笔者单位前期实验显示，采用LPS刺激皮肤Fb，会引起大量IL-6的分泌，提示非免疫炎性细胞亦是细胞因子的来源之一，烧伤患者早期切除焦痂或坏死皮肤组织，有利于减少炎性细胞因子的来源。IL-3又称为多重集落刺激因子，刺激多能造血干细胞增殖和分化，亦可促进白细胞的生成、增殖和迁移，既往研究主要集中在血液性疾病和肿瘤上。2015年，Weber等 [ 7 ]观察到IL-3是炎性细胞因子的上游触发器，有望成为脓毒症的治疗靶点。动物实验显示，单独应用IL-3对IL-1β、IL-6和TNF-α的产生有轻微影响，但联合应用LPS可放大炎症因子的释放，提示IL-3是细胞因子风暴的影响因素之一。Finotti等 [ 8 ]研究表明，IL-3与γ干扰素联合可显著触发α干扰素和TNF-α的产生，回顾性调查和前瞻性临床试验均提示血浆IL-3水平与脓毒症患者不良预后相关，生存分析显示IL-3水平高的患者生存率较低。
2.2 抗炎IL
IL-4是经典的抗炎IL，可刺激活化的B淋巴细胞和T淋巴细胞增殖，并诱导CD4 +T淋巴细胞分化为Th2。IL-4可刺激自身及其他抗炎性细胞因子的释放，抑制单核细胞分泌促炎性细胞因子。现有临床试验显示IL-4与脓毒症的严重性及预后无明显相关性，因此限制了IL-4的临床应用 [ 9 ]。IL-10是机体关键的抗炎性细胞因子，可作为抗炎反应的标志物。临床研究显示，IL-10升高与脓毒症不良预后相关，持续高表达的IL-10反映脓毒症处于免疫抑制状态。IL-35属于IL-12家族一员，由调节性T淋巴细胞产生，可降低Th17活性，但其在脓毒症中的作用有待进一步研究。笔者单位前期动物实验显示，IL-35可以促进肝枯否细胞表达IL-10，进而缓解LPS所致肝损伤 [ 10 ]。IL-37是新近发现的抗炎性细胞因子，具有和IL-1家族共同的分子结构。动物实验显示，在LPS所致脓毒症模型中，IL-37转基因小鼠在体温、酸中毒、高钾血症、肝炎和脱水症状上较野生型减轻，外周血和器官的促炎因子亦较之明显减少；细胞实验进一步证实IL-37前体被半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶1激活，易位至细胞核，作为转录调节剂，减少LPS诱导的促炎因子的产生；Smad3与IL-37形成功能性复合物，参与IL-37的抑炎反应，抑制Smad3后，IL-37的抗炎作用减弱 [ 11 ]。笔者单位前期研究表明，Smad3参与LPS诱导的急相反应，Smad3敲除小鼠经LPS刺激，急相反应减弱，脏器损伤加重，病死率增高，提示Smad3可作为理想的治疗靶点用于炎症调控 [ 12 ]。
抗炎IL作为机体自身产生的拮抗过度炎症反应的细胞因子，逐渐受到学者更多的关注。目前，绝大多数动物实验显示抗炎IL可减轻脓毒症造成的脏器损伤，但临床研究尚未取得疗效；临床上用于评估脓毒症预后的抗炎IL数量有限，应用较为广泛的有IL-10，其余大部分仍处于动物实验阶段，尚未转化或仅行单中心、小样本临床试验。
2.3 趋化因子
趋化因子根据氨基酸序列和2个半胱氨酸残基之间的间距，分为4型：CC型、CXC型、CX3C型、XC型。趋化因子主要作用为诱导白细胞募集到感染部位，诱导免疫细胞从骨髓或脾脏中释放入血。缺乏趋化因子或受体将易致免疫抑制状态，并使机体更易遭受致死性感染 [ 13 ]。MCP-1特异性趋化单核细胞，参与调控内皮细胞活性及促炎因子的产生。动物实验观察到抑制MCP-1可减少巨噬细胞释放TNF-α、IL-1β、IL-6等炎症因子，提高脓毒症小鼠存活率 [ 14 ]。一项针对中国人群的临床研究报道MCP-1基因多态性与脓毒症严重程度相关 [ 15 ]。CXC趋化因子配体1(CXCL-1)特异性趋化中性粒细胞，其可通过活化核因子κB信号通路，促进细胞因子、趋化因子、黏附分子的表达，进而募集中性粒细胞，清除细菌。CXCL-1参与调节CD4 +T淋巴细胞分化为Th17，进而分泌IL-17，促进巨噬细胞炎性蛋白2的产生，募集中性粒细胞，清除细菌；CXCL-1亦可直接增强中性粒细胞的吞噬作用进而清除细菌 [ 16 ]。最新研究表明，CXCL-1通过氧化还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸产生大量活性氧，促进中性粒细胞形成特有的杀菌结构"中性粒细胞胞外诱捕网"，清除病原微生物，有效抑制脓毒症病情的发展 [ 17 ]。
2.4 高迁移率族蛋白B1(HMGB1)
HMGB1可促进促炎性细胞因子的释放，诱导中性粒细胞、DC等细胞活化。研究表明，HMGB1氧化后刺激促炎性细胞因子/趋化因子全身释放的能力增强 [ 18 ]。临床研究显示，HMGB1水平与脓毒症休克患者预后密切相关，HMGB1水平越高，患者的预后越差，HMGB1可作为脓毒症病情变化的重要监测指标 [ 19 ]。细胞焦亡(pyroptosis)作为一种新的细胞程序性死亡方式，伴随大量促炎因子的释放，在脓毒症的发生发展中起重要作用。最新研究显示：脓毒症时肝细胞释放大量HMGB1，与循环中LPS结合，通过晚期糖基化终末产物受体，将LPS转运至胞内，进而引发半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶11介导的细胞焦亡；敲除肝细胞HMGB1、阻止HMGB1释放、用抗体中和HMGB1均可阻止LPS导致的细胞焦亡，起到保护作用 [ 20 ]。
2.5 巨噬细胞移动抑制因子(MIF)
MIF是一种具有多效炎症介质功能的细胞因子，包括抑制巨噬细胞迁移、化学趋化作用及促进白细胞在炎症部位募集。脓毒症及脓毒症休克患者血清中MIF浓度显著升高，并与疾病严重程度相关。糖皮质激素是经典的抗炎激素，对严重脓毒症患者早期炎症反应指标和免疫功能有一定影响 [ 21 ]。研究表明，糖皮质激素能够上调膜联蛋白A1的表达，活化细胞溶质磷脂酶A2α，抑制炎症介质花生四烯酸及其衍生物的产生和释放，从而实现抗炎作用，而MIF可以抑制上述通路，负向调控糖皮质激素的抗炎作用 [ 22 ]。
2.6 可溶性CD74
ARDS是脓毒症的严重并发症之一，失衡的肺部免疫炎症反应是其主要的发病机制之一。既往研究显示MIF通过其膜受体CD74参与肺组织炎性损伤的发生发展 [ 23 , 24 ]。2014年，Assis等 [ 25 ]在自身免疫性肝病患者外周血中检测到CD74的可溶性形式，即可溶性CD74，膜内蛋白水解是其形成机制之一。笔者团队前期临床研究纳入了81例由脓毒症、创伤、吸入性损伤等因素造成的ARDS患者，观察到ARDS确诊后第3天血清可溶性CD74水平高于确诊后第1天，非存活患者ARDS确诊后第1、3天血清可溶性CD74水平高于存活患者，但仅确诊后第3天数据差异有统计学意义( P<0.01)；通过受试者操作特征曲线法分析得出ARDS确诊后第3天血清可溶性CD74水平对患者死亡的预测具有较高的准确性；应用卡普兰-迈耶(Kaplan-Meier)生存曲线分析得出，血清可溶性CD74浓度高的患者生存率较低浓度患者差；此外，血清可溶性CD74水平是ARDS患者死亡的独立危险因素 [ 26 ]。通过动物实验和细胞实验，笔者团队观察到可溶性CD74不仅有可以中和MIF的生物学作用，本身亦具有促进炎症反应的作用，具体作用机制尚在进一步研究中。最新研究显示，抗CD74抗体可抑制MIF参与介导的脓毒症高血管通透性，因此可溶性CD74是否与脓毒症的病理机制及预后相关有待进一步研究 [ 27 ]。
3 细胞因子作为脓毒症生物标志物
近年，关于脓毒症生物标志物的研究层出不穷，主要用于脓毒症的早期预警、诊断、分层、脏器功能监测、药物治疗监测、预后评估等。生物标志物的基础和临床研究不仅促进我们深入认识脓毒症病理机制，也提供了大量的生物学信息，较现阶段解剖学评分和生理学评分系统更灵敏，对疾病或并发症的预估、诊断和结局预测更具价值。广泛应用的生物标志物的定义来自于1998年美国国立卫生研究院生物标志物定义组：一个客观测量的指标，用于评估正常生物学过程、致病过程和药物治疗反应。后世界卫生组织进一步定义为：所有反映生物系统本身与潜在危险因素之间相互作用的化学、物理学或生物学测量指标，这种相互作用可以是功能层面、物理层面或细胞分子水平层面的 [ 28 ]。理想的生物标志物应该符合SMART(Sensitive and Specific，Measurable，Available，Responsive，Timely)标准，即敏感性和特异性、可测量、应用性、应答好、即刻检测。
目前，细胞因子作为脓毒症的生物标志物存在两大问题。其一为经典的细胞因子无法用于诊断脓毒症，在预测脓毒症结局方面特异性较差、敏感度低、诊断价值不高。上述问题促使学者们采用基因组学、转录组学、蛋白组学、代谢组学、表观遗传组学等技术探索发现新的细胞因子。如近期发现脂肪组织特异表达的细胞因子"瘦素"，可用于区分SIRS和脓毒症，是发生脓毒症及脓毒症不良结局的独立预测因子，但其临床实用性有待进一步研究 [ 29 ]。Behnes等 [ 30 ]观察到可溶性CD14在生理情况下表达极低，感染情况下显著升高，且升高时间早于IL-6，相较于降钙素原、IL-6、C反应蛋白，在脓毒症诊断方面价值较优；相较于降钙素原、IL-6、C反应蛋白、白细胞数、急性生理学和慢性健康状况评价(APACHE)，对短期和远期病死率的预测较好。其他新发现的如可溶性髓系细胞表达触发受体1、肾上腺髓质素前体、可溶性尿激酶型纤溶酶原激活物受体，在区分感染和非感染方面有较高特异性，在诊断和评估脓毒症预后方面亦有一定价值 [ 31 , 32 ]。
其二为单一细胞因子作为生物标志物在脓毒症中的应用价值很局限。正如发表于2017年的《感染相关生物标志物临床意义解读专家共识》 [ 32 ]所述：没有任何一个生物标志物是绝对敏感又绝对特异的，不能单凭某个生物标志物的改变来诊断疾病，只有结合、参照患者的临床表现与其他实验室检查结果，才能做出正确的判断。已有临床研究显示多种细胞因子联合应用可以显著提高诊断价值，相较于单独应用具有较好的优势 [ 33 , 34 ]。此外，细胞因子联合重症评分系统亦可提高其应用价值，如MCP-1与APACHE联合应用对脓毒症死亡的预测较单一应用更好，细胞因子与序贯器官衰竭评分联合应用预测脓毒症的发生较单一指标的应用准确度更高 [ 35 ]。
4 细胞因子作为脓毒症治疗靶点
如前所述，脓毒症的发病过程伴随大量细胞因子的产生，参与调节机体的免疫-炎症反应。因此，理论上针对这些细胞因子进行干预，进而减少脓毒症相关宿主反应的不利一面似乎是有前景的策略。尽管大量动物实验显示应用促炎性细胞因子的抗体可以拮抗细胞因子的活性，缓解炎症反应，进而改善脓毒症小鼠的存活率，但临床试验均未取得理想效果 [ 9 ]。临床广泛应用的血液净化技术，可以短时间内清除体内的细胞因子和炎症介质，但目前在脓毒症研究方面仍缺乏高质量的随机对照试验，在脓毒症治疗国际指南中并未作为推荐治疗方式 [ 36 ]。此外，通过干预细胞因子的上游信号通路，可直接减少细胞因子的产生和释放。皮质类固醇作为免疫调节剂最早用于临床治疗脓毒症，可抑制核因子κB及转录活化蛋白1信号通路的活性，减少促炎性细胞因子的产生。然而，最新1项纳入42项随机对照试验的荟萃分析显示，皮质类固醇仅能小幅度降低脓毒症患者远期病死率，但会增加神经肌无力的风险 [ 37 ]。重组人活化蛋白C(rhAPC)是美国食品药品监督管理局批准的首个治疗脓毒症的生物活性药物，完成了Ⅲ期临床试验。rhAPC可以抑制多种细胞因子的释放，如MIF、IL-1β、IL-6等，亦具有抗凋亡的功能。遗憾的是，最新PROWESS-SHOCK临床试验未能重复出10年前PROWESS临床试验的结果，rhAPC并不能降低脓毒症休克患者病死率，因而rhAPC已从市场被召回 [ 38 ]。
5 总结
综上所述，细胞因子在脓毒症的发生发展中扮演了重要角色，其研究对于理解脓毒症的病理生理学以及开发有效的诊治措施具有重要意义。尽管临床和基础研究揭示了部分单个细胞因子所起的作用，但全面观测与脓毒症相关的"细胞因子谱"对于理解发病机制及采取有效的处置措施更加必要，亦有助于发现生物标志物用于监测和评估脓毒症的病情。受限于现有大部分脓毒症治疗方法的局限性，如血液净化技术仅能治标不治本，去除病灶、控制感染、减少细胞因子异常来源才是治疗的关键。此外，脓毒症伴随促炎性细胞因子和抗炎性细胞因子的产生，如何重建细胞因子的稳态和平衡是未来研究的方向。
引用：夏照帆,伍国胜. 浅谈细胞因子在脓毒症中的作用及临床应用现状[J]. 中华烧伤杂志,2019,35:(1)：3-7.