IL-1β 在新冠重症发病机制中的关键作用及相关研究新发现

为探究细胞死亡过程在新冠重症发病机制中的作用，研究人员发现 IL-1β 驱动 SARS-CoV-2 疾病，但与炎性小体和焦亡途径无关。

　　在新冠疫情的大背景下，新冠病毒（SARS-CoV-2）感染引发的疾病严重程度差异巨大，从轻微症状到重症 COVID-19 甚至导致死亡。其中，过度炎症和细胞因子释放是重症 COVID-19 的典型特征。然而，究竟是哪些宿主因素导致了疾病的不同严重程度，一直是科学界亟待解决的谜题。解开 SARS-CoV-2 感染后免疫系统失调和异常激活的分子机制，对于制定有效策略降低这种大流行病毒导致的发病率和死亡率至关重要。此前有研究提出，炎症和某些程序性（调节性）细胞死亡过程在 COVID-19 的发病机制中起关键作用，像焦亡（pyroptosis）这种由炎性小体（inflammasome）启动、通过成孔蛋白 Gasdermin D（GSDMD）执行的促炎性调节性细胞死亡形式，被认为与 COVID-19 相关的免疫系统失调有关。但这些理论大多基于体外实验或非生理性过表达 hACE2 的小鼠模型，在体内的真实情况并不明确。在此背景下，来自澳大利亚沃尔特和伊丽莎?霍尔医学研究所（The Walter and Eliza Hall Institute of Medical Research）等机构的研究人员开展了相关研究，研究成果发表在《Cell Death & Differentiation》杂志上。

研究人员用到的主要关键技术方法包括：一是基因敲除小鼠模型构建，通过构建多种基因敲除小鼠，如 NLRP3、NLRP1、ASC、GSDMD 等基因敲除小鼠，来研究相关基因在疾病中的作用；二是病毒感染实验，用适应小鼠的 SARS-CoV-2 病毒株 P21 感染小鼠，观察疾病进程和相关指标变化；三是组织病理学分析和免疫组化染色，对感染小鼠的肺组织进行染色，观察病理变化和病毒定位；四是细胞因子和趋化因子检测，利用 ELISA 等方法检测肺组织匀浆中细胞因子和趋化因子的水平 。

研究结果如下：

1. 炎性小体信号通路对疾病进程影响不大：研究人员使用适应小鼠的 SARS-CoV-2 病毒株 P21 感染多种基因敲除小鼠，包括 NLRP3^-/-、NLRP1^-/-和 ASC^-/-小鼠。结果发现，这些小鼠与野生型（WT）对照小鼠相比，病毒载量、体重减轻情况以及肺部病理表现相似。虽然部分炎性小体敲除小鼠的某些细胞因子水平有所变化，但总体而言，NLRP1/3 和 ASC 对疾病严重程度（体重减轻）或病毒载量没有关键影响。这表明经典的 ASC 依赖的炎性小体途径在 SARS-CoV-2 发病机制中虽有一定作用，但并非至关重要。
2. 焦亡效应蛋白 GSDMD 在新冠感染中作用不关键：研究人员感染 GSDMD^-/-小鼠，发现其与 WT 小鼠在感染 SARS-CoV-2 P21 后的病毒载量和体重减轻情况相似。在肺组织匀浆中，GSDMD^-/-小鼠的 IL-1β 水平略有降低，但 IL-18 和 IL-23 水平升高。进一步研究发现，在 WT 动物的严重疾病中，未检测到裂解（即激活）的 GSDMD。这说明 GSDMD 在 SARS-CoV-2 感染体内致病性促炎细胞因子释放中并非必需，炎症与严重 SARS-CoV-2 疾病相关，但并不导致或需要 GSDMD 的激活。
3. 非经典焦亡途径对疾病发病机制并非必需：研究人员感染 GSDME^-/-小鼠、GSDMD/E 双敲除小鼠、GSDMA/C/E 三敲除小鼠以及 NINJ1^-/-小鼠等，发现这些小鼠与感染的 WT 小鼠相比，疾病表型没有差异。这表明非经典焦亡途径，包括涉及 GSDME 激活的途径，以及参与焦亡、凋亡、铁死亡和意外细胞裂解终末阶段的质膜破裂和高分子量 DAMP 释放的 NINJ1 蛋白，对 SARS-CoV-2 感染诱导的发病机制都不是必需的。
4. 细胞因子加工不依赖特定半胱天冬酶：研究人员利用缺乏半胱天冬酶 - 1、-11 和 - 12（C1/11/12^-/-）的基因敲除小鼠进行研究，发现感染 SARS-CoV-2 P21 后，这些小鼠与 WT 小鼠的病毒载量、体重减轻情况以及肺部病理表现相似，细胞因子 / 趋化因子反应也相似。这表明在 SARS-CoV-2 感染期间，促炎细胞因子 IL-1β 和 IL-18 的加工和释放可以独立于这三种炎性半胱天冬酶进行。
5. IL-1β 而非 IL-18 对重症 SARS-CoV-2 疾病有重要影响：研究人员感染 IL-1β^-/-和 IL-18^-/-小鼠，结果显示 IL-18^-/-小鼠与感染的 WT 动物相比，没有明显的保护作用；而 IL-1β^-/-小鼠肺部病毒载量显著降低，体重减轻也较少，肺部病理变化也明显减轻。此外，IL-1R^-/-小鼠虽也能减轻疾病严重程度，但病毒载量与 WT 小鼠相似。这证明 IL-1β 在重症 SARS-CoV-2 诱导的疾病中起关键作用，而 IL-18 的作用可忽略不计。
6. IL-1β 与年龄相关的 SARS-CoV-2 疾病严重程度有关：研究人员感染 11 周龄和 6 月龄的 IL-1β^-/-小鼠和 WT 小鼠，发现 IL-1β^-/-小鼠在感染后的存活率更高，6 月龄 IL-1β^-/-小鼠在感染高峰期肺部病毒载量更低。但在 6 月龄以上的动物中，敲除 IL-1β 基因不足以完全改善与年龄相关的 COVID-19 病理。这表明 IL-1β 是导致 SARS-CoV-2 疾病严重程度的关键细胞因子，但其在老年动物中的作用更为复杂。
7. 抑制 IL-1 信号通路的治疗效果不佳：研究人员用 IL-1β 中和单克隆抗体和 anakinra（一种 IL-1 受体拮抗剂）处理感染 SARS-CoV-2 P21 的 WT 小鼠，结果发现这两种治疗方法都不能有效提高小鼠的存活率。这说明单独抑制 IL-1β 或 IL-1R 不足以预防 SARS-CoV-2 诱导的死亡，可能需要更深入地抑制 IL-1β 和 / 或同时抑制其他致病细胞因子来对抗重症 COVID-19。

研究结论和讨论部分表明，该研究证实了 IL-1 信号通路通过 IL-1β 促进重症 SARS-CoV-2 疾病，而 IL-18 作用较小。同时，研究挑战了 NLRP3、NLRP1 和其他 ASC 依赖的炎性小体是 IL-1β 驱动的 SARS-CoV-2 疾病发病机制所必需的这一观点，发现炎性小体和 GSDMD 对达到致病性肺部 IL-1β 水平、疾病发病机制或病毒传播并非必需。此外，研究还表明，程序性细胞死亡的裂解形式在 SARS-CoV-2 驱动的疾病中总体上并不起突出作用，IL-1β 的加工和释放可能通过非经典炎性小体和 gasdermin 效应的焦亡途径以外的机制进行。该研究为深入了解 SARS-CoV-2 的发病机制提供了重要的体内遗传学证据，强调了进一步研究促进 IL-1β 释放的过程的重要性，这可能有助于确定新的治疗靶点，开发更有效的治疗策略来对抗重症 COVID-19。