第四章细胞因子

河南科技大学教案首页说明：1．教案首页中各栏目内上下尺寸可自行调整。2．教案首页后续页用河南科技大学教案专用纸书写，或使用A4纸打印。课程名称：免疫学计划学时2授课章节：第四章细胞因子教学目的和要求：通过本章的学习要掌握细胞因子的概念、分类、共同特性及生物学功能，了解主要的细胞因子（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）的基本概念、分类、特性及其在免疫机制中的生物作用。教学基本内容：第一节细胞因子的种类和来源第二节细胞因子的共同特性第三节细胞因子的生物学活性第四节细胞因子受体第五节细胞因子的应用教学重点和难点：细胞因子的基本概念、分类、共同特性及其在免疫机制中的生物作用。授课方式、方法和手段：讲课，多媒体作业与思考题：1.细胞因子的概念是什么？2.细胞因子的种类有哪些？3.细胞因子有哪些共同特性？主要的生物学活性有哪些？第四章细胞因子概述一、定义：细胞因子（cytokine,CK）指由免疫细胞或非免疫细胞（血管内皮细胞、成纤维细胞等）合成与分泌的，具有多种生物功能的小分子蛋白质的统称。因能调节多种细胞的生理功能而得名。可介导细胞与细胞之间相互作用，介导炎症反应，参与免疫应答和组织修复等。细胞因子包括淋巴细胞产生的淋巴因子和单核巨噬细胞产生的单核因子等。有多种其他名称：单核因子、淋巴因子、集落刺激因子等。细胞因子多属小分子肽或糖蛋白，作为细胞间信号传递分子，在细胞免疫和体液免疫的传入和传出支中都起作用，既显示了调节淋巴细胞的功能，又能增强炎症细胞的作用，排除异物的活性。在传入支中活化淋巴细胞，调整淋巴细胞和其他细胞的生长和分化，籍以增强或抑制免疫应答；在传出支中能增强炎症细胞和非炎症细胞的代谢和功能。二、细胞因子的研究历程1.细胞生物学时期：发现并确认细胞因子的生物学功能，建立敏感特异的检测方法，寻找各种产生细胞因子的细胞及高效诱生法。细胞生物学的研究揭开了细胞因子研究的序幕。2.蛋白质化学时期：集中于分离、纯化和鉴定培养上清中的某种细胞因子，阐明其理化学性状，在案急速测序，特异性受体分析，制备抗细胞因子的抗血清及单克隆抗体研究细胞因子的免疫学特性，为细胞因子基因水平研究工作奠定基础。3.分子生物学时期：使用基因工程技术克隆各类细胞因子的基因，并在表达宿主中生产大量的重组产品。第一节细胞因子的种类和来源一、细胞因子的种类细胞因子主要包括白介素、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。（一）白细胞介素（interleukin,IL）在白细胞间或免疫活性细胞间起免疫调节作用的细胞因子称为白细胞介素。根据发现的先后顺序命名为IL-1、IL-2、IL-3等，至今已报道的有23种。其中IL-1又分为IL-1a和IL-2β和IL-1γа，合计共25种。许多IL不仅介导白细胞相互作用，还参与其它细胞的相互作用，如：造血干细胞，血管内皮细胞，神经细胞，成骨和破骨细胞等的相互作用。主要作用：1、促进T和B细胞增殖和分化2、增强NK细胞以及单核细胞的杀伤活性3、刺激造血细胞参与炎症反应4、诱导抗体的产生5、促进血小板的生成（二）干扰素（interferon，IFN）1957年，由issacs等人用鸡胚绒毛尿囊膜研究流感病毒干扰现象时发现病毒感染的细胞产生一种因子，可抵抗病毒的感染，干扰病毒的复制，因而命名为干扰素，它是最早发现的细胞因子。分型：根据来源和理化性质，干扰素可分为I型干扰素和II型干扰素，前者包括IFN-α，β，ω，τ，后者包括IFN-γ。IFN-a来源于病毒感染的白细胞。IFN-β由病毒感染的成纤维细胞产生，IFN-ω来自胚胎滋养层。IFN-τ来自反刍动物滋养层，IFN-γ由抗原刺激T细胞产生。主要生物学活性1、Ⅰ型干扰素：IFN-α和IFN-β具有：1）抗病毒和抗肿瘤a)诱导宿主细胞产生抗病毒蛋白，干扰病毒复制；b)增强NK细胞对病毒感染细胞和肿瘤细胞杀伤；c)促进MHC-Ⅰ类分子表达，增强CTL对病毒感染细胞和肿瘤等靶细胞的杀伤。2）免疫调节：与Ⅱ型干扰素类似。IFN-ω和IFN-τ与胎儿保护有关2、Ⅱ型干扰素1）主要起免疫调节作用a）活化巨噬细胞；b）促进APC(s)表达MHC-Ⅱ类分子，提高抗原递呈能力；c）促进MHC-Ⅰ类分子表达和增强CTL细胞的杀伤活性;d)增强NK细胞的杀伤活性；e）促进B细胞分化、增殖；f）抑制Th2细胞分化及细胞因子合成。2）抗病毒和抗肿瘤作用(与Ⅰ型干扰素类似)。（三）肿瘤坏死因子（tumornecrosisfactor,TNF）Garwell等在1975年发现经卡介苗或细菌内毒素感染的小鼠血清中含有一种可引起动物的肿瘤组织出血坏死的物质，该物质对体外培养的多种肿瘤细胞株具有细胞毒性作用，但对正常细胞则无杀伤作用而得名。根据来源和结构不同，可分为TNF-α、TNF-β1.TNF-α(1)组成及分子量:同源三聚体,51KD。(2)细胞来源:单核巨噬细胞（主要）；T细胞、NK细胞和肥大细胞。(3)主要功能1)低浓度a)诱导炎症反应①使血管内皮细胞表达ICAM-1，促白细胞聚集于炎症局部；②刺激单核巨噬细胞等合成、分泌细胞因子(如IL-1、IL-6、IL-8、TNF-α等)，导致炎性细胞浸润和增强吞噬细胞的杀伤。b)促进MHC-I类分子表达，增强CTL对靶细胞(如病毒感染细胞)的杀伤。c)杀伤肿瘤细胞:直接杀伤，引起组织出血坏死。2)高浓度---内分泌效应a）引起发热；b）协同IL-1、IL-6诱导肝细胞合成急性期蛋白；c）抑制骨髓造血干细胞的分裂；d）引起代谢紊乱，导致恶液质；e）介导内毒素致感染性休克。2.TNF-β又称淋巴毒素（lymphotoxin，LT）与TNF-α的氨基酸序列为28%同源性，二者结合同一受体。(1)细胞来源:激活的T细胞。(2)生物学功能a）与TNF-α相似，在局部发挥效应；b）与细胞表面LT-β形成复合物，发挥作用。（四）集落刺激因子（colonystimulalingfactor,CSF）是一组促进造血细胞，尤其是造血干细胞增殖、分化和成熟的因子。因它可刺激不同的造血干细胞在半固体培养基中形成细胞集落而得名。常见的有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）、粒细胞巨噬细胞集落刺激因子（GM—CSF）和多能集落刺激因子（multi-CSF，IL-3）。（五）生长因子（growthfactor）具有刺激细胞生长作用的细胞因子。如表皮生长因子（EGF），血管内皮细胞生长因子（VEGF）。（六）趋化性细胞因子（chemokine）是一个蛋白质家族，由十余种结构有较大同源性、分子量为8—10kDa的蛋白组成。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、嗜酸性粒细胞和嗜碱性粒细胞的趋化和激活活性。二、细胞因子的来源动物机体产生细胞因子的细胞种类很多，但可以分为两类，一类是激活的免疫细胞，包括T细胞、B细胞、NK细胞、单核巨噬细胞、粒细胞和淋巴大细胞等。另一类为基质细胞，如骨髓和胸腺基质细胞、血管内皮细胞、成纤维细胞、上皮细胞、小胶质细胞等。第二节细胞因子的共同特性细胞因子的种类很多，每种细胞因子都有各自独特的分子结构，理化特性及生物学功能，但它们也具有许多共同特点，主要包括：一、细胞因子的理化性和分泌特点1、均为低分子量（5—60ku）的分泌型蛋白，绝大多数为糖蛋白。多数细胞因子以单体形式存在，少数以二、三聚体的形式存在。如IL-5、IL-12、M-CSF等为双体形式存在，TNF呈三聚体。2、几乎都是在细胞受抗原或丝裂原刺激后的活化过程中合成和分泌，并通过自分泌（细胞因子作用的靶细胞也是其产生的细胞），旁分泌（细胞因子产生细胞和靶细胞非同一细胞，二者邻近）的方式短暂地产生并在局部发挥作用。少数细胞因子，如IL-1和M-CSF在高剂量时也作用于远处的靶细胞，表现为内分泌效应（介导全身性反应）。3.多细胞来源（1）细胞因子产生具有多源性：一种细胞因子可由多种细胞产生。如IL-1可由单核／巨噬细胞、内皮细胞、B细胞、成纤维细胞、表皮细胞等产生。（2）细胞因子产生具有多向性：一种细胞可分泌多种细胞因子。如活化的T细胞可产生IL-2，IL-6，IL－9，IL－10，IL-13，IFN-γ,TGF-β,GM-CSF等。4.短暂自限性分泌：细胞因子并非储存在细胞内，而是接受刺激后即刻转录、翻译、合成分泌到细胞外发挥生物学作用，刺激消失后合成亦较快的停止并被迅速降解，半衰期十分短暂。二、细胞因子的作用特点1.细胞因子通过细胞因子受体发挥作用：细胞因子必须与相应受体结合才能发挥作用。细胞因子作用于靶细胞，无抗原特异性，也不受MHC限制。2.高效性：CK受体－CK的亲和力远高于抗原－抗体或MHC－抗原多肽的亲和力，故极微量（pmol/L）就能产生明显的生物学效应。3.多样性：CK可介导和调节免疫应答、炎症反应，或作为生长因子，促进靶细胞增生、分化，并刺激造血、促进组织修复等。4.生物学效应的复杂性（1）作用的多效性：一种细胞因子可对多种靶细胞作用，产生多种生物学效应，具有多效性。如TNF－γ对L929,T24,ME180等细胞株显示胞毒效应,而对某些纤维母细胞系则可促进其分裂及增生。（2）作用的重叠性：几种不同的细胞因子可对同一种靶细胞作用，产生相同或相似的生物学效应，因而具有重叠性（或冗余性）。如IL-2、IL－4、IL-9均可维持和促进T细胞的增生。（3）生物学作用的两面性：通常在生理条件下，可发挥免疫调节，促进造血功能、抗感染、抗肿瘤等作用；在一定条件下，又具有介导炎症反应，诱导自身免疫反应，诱发肿瘤的作用。（4）作用的协同性:细胞因子之间可发挥协同作用，表现为两种细胞因子对细胞活性的联合作用要大于单个细胞因子效应的累加。如IL-1，IL-2,IL-4，IL-6,TNF等协同促进活化的B细胞增生；低浓度IFN-γ或TNF单独应用均不能激活巨噬细胞，联合使用则有显著的激活作用。（5）作用的拮抗性：一种细胞因子的效应可抑制或抵消其他细胞因子的效应。(6)作用的网络性：细胞因子的作用不是独立存在的，细胞因子间可通过合成分泌的相互调节，受体表达的相互制约，生物学效应的相互影响而构成网络性。第三节细胞因子的生物学活性CK的生物学作用及其广泛而复杂，不同CK其功能既有特殊性，又有重叠性、协同性与拮抗性，本节仅简述CK的免疫学作用。一、刺激造血细胞增生分化IL-3可刺激早期造血干细胞增生分化，G-CSF和M-CSF分别对粒系干细胞和单核系干细胞起作用，红细胞生成素（EPO）对红系干细胞起作用，IL-6和IL-11对巨核系干细胞起作用，而IL-7则淋巴系血细胞即前B细胞和前T细胞起作用。二、参与免疫应答和免疫调节在免疫应答致敏阶段：IFN诱导APC表达MHCⅡ类分子，促进抗原呈递；IL-10降低APC表达MHCⅡ类分子和B7等协同刺激分子，抑制抗原呈递；在免疫应答反应阶段：IL-2、4、5、6等促进T、B细胞的活化、增殖与分化，IL-3刺激肥大细胞增殖；TGF-β则起负性调节作用。在免疫应答效应阶段：IFN激活巨噬细胞，增强其吞噬杀伤活性，增强NK细胞细胞毒性、TNF-α具有细胞毒作用，促进中性粒细胞活化；在免疫应答过程中：1.免疫细胞之间存在错综复杂的调节关系，细胞因子是传递这种调节信号必不可少的信息分子。例如在T-B细胞之间，T细胞产生IL-2、4、5、6、10、13，干扰素γ等细胞因子刺激B细胞的分化、增殖和抗体产生；而B细胞又可产生IL-12调节TH1细胞活性和Tc细胞活性。在单核巨噬细胞与淋巴细胞之间，前者产生IL-1、6、8、10，干扰素α，TNFα等细胞因子促进或抑制T、B、NK细胞功能；而淋巴细胞又产生IL-2、6、10，干扰素γ，GM-CSF，巨噬细胞移动抑制因子（MIF）等细胞因子调节单核巨噬细胞的功能。2.许多免疫细胞还可通过分泌细胞因子产生调节单核巨噬细胞功能和自身调节功能。例如T细胞产生的IL-2可刺激T细胞的IL-2