细胞因子

第一节细胞因子的研究简史
一、细胞因子的概念
细胞因子（cytokine，CK）是由免疫细胞和非免疫细胞合成和分泌的小分子多肽类因子，是免疫应答中免疫细胞间相互作用的介质，具有介导和调节免疫应答的多种生理功能。

二、细胞因子的研究简史
1、发现时期（50年代—70年代中期）细胞因子的研究对免疫应答及调节、免疫细胞之间的信息传递和相互关系等都有重要意义，是当今免疫学、遗传学、细胞学以及分子生物学研究最活跃的领域之一。

1961年Bloom、Bennett和David等人在阐明迟发型超敏反应机理的研究中，发现淋巴细胞活化后，可分泌一种完全不同于免疫球蛋白的可溶性分子，它不仅介导迟发型超敏反应，还介导各种其他型的细胞免疫。

1962年Ceorge和Vaughan首次发现免疫动物的巨噬细胞在体外培养时，因特异性抗原和免疫动物淋巴细胞的存在，巨噬细胞的移动受到抑制。

1966年David、Bloom和Bennett等，分别证实特异性抗原刺激淋巴细胞活化，分泌一可溶性因子称巨噬细胞移动抑制因子（MIF:MacrophageMigrationInhibitoryFactor）。

1969年Dumonde将这种由活化淋巴细胞合成和分泌的、在免疫反应和炎症反应中有多种生物学活性的、非免疫球蛋白的可溶性因子，称之为淋巴因子（lymphokines，LKs）。

除淋巴细胞能合成和分泌LKs外，单核—巨噬细胞、成纤维细胞、大颗粒琳巴细胞等，也能合成和分泌LKs样因子，称之为单核细胞因子（monokines，MKs）。

它们在免疫吞噬和炎症反应中同样起重要作用。

1977年Chohen将LKs和MKs统称为细胞因子（cytokines，CKs）。

迄
今为止，科学家们已从各自的研究中描绘出100余种细胞因子，而且还在不断发现之中。

2、70年代中后期—80年代初期细胞因子的早期（70年代）研究工作，因CKs含量极微，难以提纯获得足够数量和纯度，且CKs的相应抗体特异性差，而难以鉴别。

加之只限于按生物活性特点命名，引起名称上的混乱。

如白细胞介素—1（IL-1）就有如下许多不同的名称：内源性致热原，白细胞内源性介导因子，单校细胞因子，B细胞激活因子，软骨折断诱导因子，破骨细胞激活因子，肌蛋白水解因子，淋巴细胞激活因子等。

同时，又因为细胞因子功能的多样性和一种因子可被多种不同的细胞产生等复杂情况，于是限制了对CKs基础理论的深入研究和临床应用研究。

3、80年代中期至今进人80年代，由于DNA重组技术和单克隆抗体技术的建立和应用，自1979年β干扰素的cDNA克隆成功后，随着分子克隆技术的不断进展，一个又一个细胞因子的cDNA被克隆成功，形成细胞因子研究的黄金时代。

到1999年为止，包括IL-1至IL-18、CSF（克隆刺激因子）、IFN（干扰素）、TNF（肿瘤坏死因子）、TGF（生长转化因子）、SCF （干细胞生长因子）、LIF（白细胞抑制因子）、MCP（膜辅助蛋白）、MIP（巨噬细胞炎性蛋白）等20余种与免疫有关的细胞因子被发现和克隆，极大地促进了细胞因子的结构与功能研究。

90年代以来，细胞因子克隆化速度似乎在减慢，这可能是体内相对高含量的细胞因子数目有限，且较易于克隆化，差不多都已被发现。

那些含量甚微或只有在病理条件下才出现的细胞因子，其克隆化按常规技术不易成功，这就限制了新细胞因子的发现速度。

目前，仍有不少实验室在致力于新细胞因子的分子克隆化，特别是递减杂交技术和PCR技术的应用，可能在新细胞因子的克隆化中发挥较大作用。

第二节细胞因子的分类
细胞因子可被分为白细胞介素、干扰素、肿瘤坏死因子、集落刺激因子、生长因子和趋化性细胞因子等六类。

一、白细胞介素（Interleukin，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产生，也可作用于其他细胞，但这一名称仍被广泛使用着。

目前已报导的白细胞介素已有23种（IL-1～23）。

二、干扰素（Interferon，IFN）
干扰素是最先发现的细胞因子，因其具有干扰病毒感染和复制的能力故称干扰素。

根据来源和理化性质，可将干扰素分为α、β和γ三种类型。

IFN-α/β主要由白细胞、成纤维细胞和病毒感染的组织细胞产生，也称为Ⅰ型干扰素。

IFN-γ主要由活化T细胞和NK细胞（自然杀伤细胞）产生，也称为Ⅱ型干扰素。

三、肿瘤坏死因子（Tumornecrosisfactor，TNF）
肿瘤坏死因子是Garwell等在1975年发现的一种能使肿瘤发生出血坏死的物质。

肿瘤坏死因子分为TNF-α和TNF-β两种，前者主要由活化的单核－巨噬细胞产生，抗原刺激的T细胞、活化的NK细胞和肥大细胞也分泌TNF-α。

TNF-β主要由活化的T细胞产生，又称淋巴毒素（lymphotoxin，LT）。

具有生物学活性的TNF-α/β为同源三聚体分子。

四、集落刺激因子（Colony-stimulatingfacter，CSF）
集落刺激因子是指能够刺激多能造血干细胞和不同发育分化阶段的造血干细胞进行增殖分化，并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）、单核-巨噬细胞集落刺激因子（M-CSF）、粒细胞集落刺激因子（G-CSF）。

此外，红细胞生成素（erythropoietin，EPO）、干细胞生长因子（stemcellfactor，SCF）和血小板生成素（thrombopopoietin，TPO），也是重要的造血刺激因子。

五、生长因子（Growthfactor，GF）
生长因子是具有刺激细胞生长作用的细胞因子，包括转化生长因子-β（TGF-β）、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）、血小板源的生长因子（PDGF）等。

六、趋化性细胞因子（Growthfactor，GF）
趋化性细胞因子（chemokine）是一个蛋白质家族，此家族由十余种结构有较大同源性，分子量多为8～10kD的蛋白组成。

这些蛋白在氨基端多含有一或两个半胱氨酸。

根据半胱氨酸的排列方式，将趋化性细胞因子又分为亚家族。

两个半胱氨酸按Cys-X-Cys（半胱氨酸－任一氨基酸－半胱氨酸）方式排列的趋化性细胞因子属α亚家族，也称CXC趋化性细胞因子；以Cys-Cys方式排列的趋化性细胞因子属β亚家族，也称CC趋化性细胞因子。

近年来，又发现了氨基端只有一个半胱氨酸（Cys）的趋化性细胞因子，这种趋化性细胞因子被命名为γ亚家族趋化性细胞因子，也称C趋化性细胞因子。

趋化性细胞因子主要由白细胞与造血微环境中的基质细胞分泌，可结合在内皮细胞的表面，具有对中性粒细胞、单核细胞、淋巴细胞、嗜酸性细胞和嗜碱性细胞的趋化和激活活性。

IL-8是α亚家族系的代表，对中性粒细胞有趋化作用。

单核细胞趋化蛋白-1（monocytechemotacticprotein-1，MCP-1）是β亚家族的代表，可趋化单核细胞。

淋巴细胞趋化蛋白（lymphotactin）是γ亚家族的代表，对淋巴细胞有趋化作用。

（趋化性chemotaxis即由介质中化学物质的浓度差异形成的刺激所引起的趋向性，
称趋化性。

例如，细菌对肉汁呈正的趋化性，如将肉汁变为酸性则呈负的趋化性。

尤其是大肠菌，其对单糖和氨基酸等是呈正的趋化性，对醋酸、吲哚、苯甲酸等便呈负的趋化性。

）
第三节细胞因子的共同特性
近年来由于基因工程重组细胞因子的问世，给细胞因子的生物活性研究提供了大量的资料，证明了每一种细胞因子都有独特的生物学活性，但所有细胞因子又有其共有的特性。

细胞因子的共有特性有：
一、理化特性
1、细胞因子是糖蛋白，分子量大小不等，为8—80kD，大多数为15-30kD。

2、多数以单体形式存在。

3、细胞因子之间缺乏明显的同源性。

二、分泌特性
1、以旁分泌（paracrine）、自分泌（autocrine）或内分泌（endocrine）的方式发挥作用。

细胞因子通常在内质网中合成，在高尔基氏体内糖基化，然后大多通过自分泌形式作用于自身细胞和旁分泌方式作用于邻近细胞，其作用方式是短暂地产生并在局部发挥作用。

也有的可以通过循环系统作用于远处细胞，即内分泌形式。

2、短时自限性。

细胞因子的合成和分泌是一个短促的、自我限量的过程。

当淋巴细胞与刺激
剂一起温育时，6-8h后，在培养上清液中即可检出细胞因子，24～72h时CKs可达最高水平，但CKs引发的细胞响应却是缓慢的。

3、一种细胞因子可由多种细胞产生。

如IL—1的产生细胞包括免疫活性细胞，如B细胞；抗原递呈细胞，如巨噬细胞、树突状细胞、星形细胞等；此外还有内皮细胞、滑膜细胞、平滑肌细胞等。

三、作用特点
1、由受体介导，高亲和力。

细胞因子需与靶细胞膜上的特异性的、高亲和力的受体结合后，才能介导生物效应。

细胞因子与其受体的解离常数KD1≈10-11～10-12mol／L，比抗原抗体的结合（KD≈10-7～10-11mol／L）和MHC肽段的结合（KD≈10-6mol／L）的亲和性显然要高得多。

2、非特异性，不受MHC限制。

大部分细胞因子，包括由特异性抗原诱生的细胞因子，均以非特异方式起作用，既不与抗原反应，也不表现抗原特异性。

它们的作用不受组织相容性抗原（包括MHC—I、Ⅱ类分子）的限制，也不与组织相容性抗原、抗免疫球蛋白抗体和抗独特型抗体相互作用。

3、高效性。

细胞因子有很强的生物学活性，在极微量（10-10～10-15mol／L）水平就能发挥明显的生物学作用。

4、多效性，重叠性或拮抗性。

细胞因子繁多的产生途径，扩大了细胞因子的多效性，而且多种细胞产生同一种细胞因子，为细胞因子之间的相互作用提拱了物质基础，构成一个复杂的、开放式的细胞因子网络。

单一的刺激，如抗原、丝裂原、病毒感染等，又可使同一细胞产生多种细胞因子，而一种细胞因子又可作用于不同类型的靶细胞。

5、细胞因子影响和作用的靶细胞是多种多样的，包括淋巴细胞、单核—巨噬细胞、多形核细胞、胸腺细胞、NK细胞、骨髓细胞、血小板、成纤维细胞、破骨细胞和内皮细胞等。

细胞因子作用网络图
6、一种细胞因子可具有多种生物学活性，但多种细胞因子也常具有某些相同的生物学活性。

不同的细胞因子具有相同生物学活性的原因，可能是受体后效应相同之故。

细胞因子的基因多为单一拷贝，约有4个外显子组成，含有信号肽序列和富含AT的3'端为非翻译区。

7、细胞因子常具有生理和病理的双重作用，如IL—6，参与抗体形成、B细胞分化及增殖的调节，并具有较强的抗病毒活性，还参与炎症反应、影响血细胞生成。

8、细胞因子的功能不仅能调节免疫系统，而且还在免疫系统与神经内分泌系统之间发挥重要的桥梁作用。

第四节细胞因子的生物学活性
（一）介导天然免疫
此类细胞因子主要由单核巨噬细胞分泌，表现为抗病毒和细菌感染的作用。

抗病毒的细胞因子有：IFN a / b ；IL-12 ；IL-15 。

抑制和排除细菌的细胞因子（前炎症细胞因子）有：TNF a ；IL-1 ；IL-6 ；趋化性细胞因子及IL-10: 天然免疫的负调节因子。

（二）介导和调节特异性免疫应答
介导和调节特异性免疫应答的细胞因子主要由抗原活化的T 淋巴细胞分泌，调节淋巴细胞的激活、生长、分化和发挥效应。

在受到抗原的刺激后，淋巴细胞的活化受到细胞因子的正负调节。

如IFN-γ通过刺激抗原提呈细胞表达MHC II 类分子促进CD4+ 细胞的活化；TGF-β可抑制巨噬细胞的激活。

在免疫应答的过程中，有多种细胞因子可刺激免疫活性细胞的增殖，如IL-2 和IL-4 是T 细胞的自分泌生长因子，也是B 细胞的旁分泌生长因子；IL-4 和IL-3 协同刺激肥大细胞的
增殖；IL-5 刺激嗜酸性粒细胞的生长。

在免疫应答的过程中，也有多种细胞因子刺激免疫活性细胞的分化。

IL-12 促进初始CD4+T 细胞分化成Th1 细胞，IL-4 促进初始CD4+T 细胞分化成Th2 细胞。

B 细胞在分化过程中发生的类别转换也是在细胞因子的作用下实现的，如IL-4 刺激B 细胞产生IgE ；IFN-γ刺激B 细胞产生IgG ；TGF-β刺激B 细胞产生IgA 。

从这个意义上讲，细胞因子决定了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。

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。

Th1 细胞分泌IFN-γ和IL-2 ，IFN-γ是一种重要的巨噬细胞激活因子(MAFs) ，它激活单核吞噬细胞杀灭微生物。

IFN-γ和IL-2 都可增强NK 细胞的细胞毒活性。

IFN-γ促进CTL 成熟，IL-2 刺激CTL 的增殖与分化, 并杀灭微生物，尤其是胞内寄生物。

Th2 细胞分泌的IL-4 和IL-5 刺激嗜酸性粒细胞分化，使其能够杀伤蠕虫。

有些细胞因子如TGF-β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。

分泌TGF-β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-β，而逃避机体免疫系统的攻击。

（三）诱导凋亡
IL-2 诱导抗原活化的T 细胞凋亡，限制免疫应答的强度；TNF 可诱导肿瘤细胞凋亡。

（四）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在血细胞的生成方面起重要作用。

SCF 作用于造血干细胞后，使其对多种集落刺激因子具有应答性。

GM-CSF、M-CSF 和G-CSF 刺激粒细胞和单核细胞的产生。

IL-4 加GM-CSF 刺激朗格汉斯细胞分化为树突状细胞。

IL-7 刺激未成熟T 细胞前体细胞的生长与分化。

EPO 刺激骨髓红细胞前体使之分化为成熟红细胞。

IL-11 和血小板生成素（thrombopoietin ，TPO ）均能具可刺激骨髓巨核细胞的分化、成熟和血小板的产生
第五节细胞因子的受体
细胞因子的受体（receptor ）为跨膜蛋白，与相应细胞因子结合，启动细胞因子的信号转导，而发挥作用。

一、细胞因子受体的分类（The classification of cytokine receptors ）
根据细胞因子的结构可将其分为五个家族。

1 、免疫球蛋白基因超家族这类受体的细胞膜外区有一或多个免疫球蛋白（Ig ）样结构域。

IL-1 、IL-6 、M-CSF 、SCF 、PDGF 和FGF 受体都属此类。

2 、I 型细胞因子受体家族这类受体又称红细胞生成素(EPO) 受体家族或造血因子受体家族（hematopoietin receptor family ），其胞膜外区有两个不连续的半胱氨酸残基和WSXWS 基序（W 代表色氨酸，S 代表丝氨酸，X 代表任一个氨基酸）。

IL-2 ～7 、IL-9 、IL-11 、IL-1
3 、IL-15 、GM-CSF 和G-CSF 受体属此类。

IL-6 受体既含Ig 样结构域，又含半胱氨酸残基和WSXWS 基序，因此它既可以归类于免疫球蛋白基因超家族，又可归类于I 型细胞因子受体家族。

3 、II 型细胞因子受体家族这类受体是干扰素的受体，其胞膜外区有四个不连续的半胱氨酸残基。

4 、III 型细胞因子受体家族这类受体又称肿瘤坏死因子受体家族，有富含半胱氨酸的基序。

TNF 受体、神经生长因子受体、CD40 和Fas 分子属此类受体。

5 、趋化性细胞因子受体家族(chemokine receptor ，CKR) 这一家族的受体是G- 蛋白偶联受体，由七个疏水性的跨膜区组成，此类受体与相应的配体结合后, 经偶联GTP 结合蛋白而发挥生物学效应。

趋化性细胞因子如IL-8 和MCP 受体属此类。

趋化性细胞因子受体可分为CC-CKR 和CXC-CKR 等类别，CC-CKR 是CC 亚家族趋化性细胞因子的受体，CXC-CKR 是CXC 亚家族趋化性细胞因子的受体。

二、多亚单位受体和共用亚单位（The poly-subunit receptors and the mutual subunit ）
I 型细胞因子受体家族受体的多数成员属多亚单位受体，其中一种亚单位是细胞因子结合亚单位，另一种是信号传递亚单位。

多种I 型细胞因子受体有共用的相同的信号传递亚单位。

如人IL-3 、IL-5 和GM-CSF 受体均由α和β亚单位组成，其中α亚单位是细胞因子结合亚单位，结构各异，β亚单位是同一种150kD 的信号传递亚单位。

因此，IL-3 、IL-5 和GM-CSF 在功能y上有很大的重叠性，如均可作用于造血干细胞。

IL-6 受体由α和β亚单位组成，其信号传递亚单位是一种130kDa 的跨膜糖蛋白（gp130 ），IL-11 和IL-6 受体有相同的gp130 信号传递亚单位。

IL-2 受体由α、β、γ三个亚单位组成，β链和γ链为信号传递亚单位。

IL-2 、IL-4 、IL-7 、IL-9 和IL-15 受体都有相同的γ链。

第六节细胞因子的应用
细胞因子有广泛的生物学作用，是重要的生物应答调节剂（biological response modifier ，BRM ），用于治疗某些疾病。

国外已批准用于临床的细胞因子基因产品有：EPO ，IFN ，G-CSF ，GM-CSF ，IL-2 ，IL-11 等。

一、感染性疾病（Immunity to infectious disease ）
细菌性脓毒血症休克（bacterial septic shock, BSS ）可在感染细菌后数小时发生。

细菌细胞壁内毒素刺激巨噬细胞产生过量的IL-1 和TNF-α是BSS 发生的重要原因。

给BSS 患
者注射重组IL-1 受体拮抗剂或有中和活性的TNF-α单克隆抗体可明显降低其死亡率。

干扰素已被用于病毒性感染如病毒性肝炎、角膜炎和感染性生殖器疣的治疗。

IFN-γ对利什曼原虫和弓形虫感染也有疗效。

此外，IL-5 可被用于寄生虫感染；IL-12 可被用于纠正艾滋病(AIDS) 病人Th1 细胞的进行性减少。

二、肿瘤（Immunity to tumors ）
由IL-2 活化的NK 细胞被称为淋巴因子激活的杀伤细胞(LAK) 。

LAK 细胞具有广谱的肿瘤杀伤活性。

根据这一性质，人们进行了在体外用IL-2 诱生LAK 细胞，然后回输到患者体内治疗３恶性肿瘤的尝试，这一疗法在某些肿瘤患者取得了使肿瘤缩小的效果。

近年发现用组合细胞因子(IL-1 、IL-2 、IFN) 加抗CD3 mAb 诱导的杀伤细胞，称CIK(cytokine induced killers), 其杀瘤作用强于LAK 。

将IL-2 和肿瘤疫苗一起使用能明显增强CTL/NK 细胞的活性，提高机体的抗肿瘤功能。

拮抗IL-2 或IL-2 受体的制剂也可用于T 细胞性白血病的治疗。

IL-6 是浆细胞瘤细胞的自分泌生长因子，促进多发性骨髓瘤的形成和发展。

高水平表达IL-6 的IL-6 转基因小鼠表现广泛的、致死性的浆细胞增殖。

应用IL-6 的单克隆抗体可抑制体外培养浆细胞的增殖和多发性骨髓瘤的发展。

IFN-α因可抑制细胞的增殖对毛细胞白血病和艾滋病相关的Kaposi's 肉瘤有疗效。

三、移植物的排斥（Inhibit the rejection of implant ）
抗IL-2 或IL-2 受体的制剂可抑制同种移植物的排斥。

在动物实验中，用偶联白喉毒素的IL-2 选择性杀伤活化的T 细胞，可抑制肾及心脏移植后的排斥反应。

注射重组IL-1 受体拮抗剂可明显延长动物心脏移植物的存活。

四、血细胞减少症（Therapy of haemolytic anaemias ）
多种细胞因子可被应用于血细胞减少症的治疗。

可用GM-CSF 、M-CSF 和G-CSF 治疗白细胞减少症，EPO 治疗红细胞减少症，IL-11 治疗血小板减少症。

五、超敏反应（Inhibiting hypersensitivity ）
IL-4 和IL-13 可诱导B 细胞发生免疫球蛋白重链的类别转换而分泌IgE 。

因此，抑制IL-4 和IL-13 可能预防、治疗I 型超敏反应。

六、治疗自身免疫性疾病（Therapy of the autoimmunnity diseases ）
IL-10 可能治疗由Th1 细胞引起的自身免疫性疾病。

中和IL-2 或IL-2 受体的制剂可能用于某些自身免疫性疾病的治疗。

抗TNF 的中和抗体可以减轻类风湿关节炎患者的关节损伤。