IL-4、IL-13与IL-22在人类皮肤屏障功能障碍和特应性皮炎中的独特作用机制及治疗意义

本综述深入探讨了IL-4、IL-13和IL-22在特应性皮炎（AD）发病机制中的独特作用。研究利用离体人皮肤模型结合多组学分析，揭示了这三种细胞因子通过不同途径破坏皮肤屏障（如下调FLG、CLDN1表达）、调控免疫反应及影响角质形成细胞分化的复杂机制，为AD的精准治疗提供了新的靶点和见解。

　　

摘要

特应性皮炎（Atopic Dermatitis, AD）是一种常见的慢性2型炎症性皮肤病，以湿疹样病变和上皮屏障功能障碍为主要特征。除了2型细胞因子IL-4和IL-13外，IL-22也被认为在AD的发病机制中扮演重要角色。以往的研究多依赖于重建的表皮模型，未能完全反映真实皮肤的复杂反应。本研究旨在利用具有完整屏障结构和免疫细胞的生物稳定人皮肤模型，揭示IL-4、IL-13和IL-22的独特效应。

引言

AD影响全球3%–5%的成年人和20%的儿童，其发病机制涉及免疫失调、神经炎症和上皮屏障功能障碍。免疫学上，AD主要由Th2（2型）和Th22炎症驱动，并伴有不同程度的Th1和Th17反应。针对2型炎症的阻断剂，如抗IL-4受体α链（IL4Rα）的单克隆抗体dupilumab，在成人和儿童中重度AD患者中显示出显著疗效。然而，约20%的患者对治疗反应有限，提示除Th2轴外，其他生物学通路可能发挥作用。IL-22是另一个重要的AD相关细胞因子，由Th22和Th17细胞产生。研究表明，基线IL-22水平高的AD患者在使用抗IL-22单抗fezakinumab后出现临床改善。因此，深入理解IL-4、IL-13和IL-22在AD pathogenesis中的具体作用，对于实现个体化治疗和识别治疗无应答者及潜在治疗靶点至关重要。

方法

本研究使用了来自健康捐赠者的离体人皮肤样本（NativeSkin），这些样本保留了表皮的完整结构以及驻留免疫细胞。样本分别用IL-4（100 ng/mL）、IL-13（100 ng/mL）、IL-4+IL-13（各100 ng/mL）、IL-22（100 ng/mL）、dupilumab（100 μg/mL）或PBS对照处理。通过电阻抗谱（Electrical Impedance Spectroscopy, EIS）评估皮肤屏障完整性，并利用RNA测序（RNA-Seq）和非靶向蛋白质组学进行分子水平分析。此外，还结合了dupilumab治疗的AD患者皮肤活检数据以及空间转录组学数据（来自GEO数据库 accession GSE197023），以全面解析细胞因子的效应。

结果

空间转录组学揭示AD皮肤屏障功能障碍的特征

空间转录组学分析显示，AD皮损处（LS）的关键屏障基因表达降低，包括CLDN1、FLG和FLG2。这些基因的表达主要位于表皮，且在AD皮损的上、下表皮层均显著下调。其他密蛋白家族基因（如CLDN5、CLDN7、CLDN8）则主要位于真皮层，与内皮细胞和汗腺重叠。此外，AD皮损中某些连接分子（如DSG1、DSG3）和角蛋白（如KRT6A-C、KRT16）表达上调，表明屏障破坏伴随代偿性反应。

2型炎症破坏离体人皮肤上皮屏障

EIS测量发现，IL-4、IL-13及其组合处理均能显著降低皮肤电阻抗，表明屏障完整性受损。IL-4在6小时即引起阻抗下降，IL-13在12小时达到相似效果。转录组分析显示，IL-4、IL-13及其组合分别上调和下调大量基因。这些细胞因子共同上调了与2型炎症反应相关的基因（如CCL26、POSTN、SOCS1），而下调了与上皮细胞粘附、细胞间信号传导和外周神经系统发育相关的基因。

IL-4和IL-13的组合抑制皮肤屏障、上皮细胞分化和角化相关基因的表达

IL-4和IL-13单独或组合处理均能显著改变皮肤转录组。组合处理特异性抑制了与角化、皮肤屏障建立、桥粒组织和上皮细胞分化调节相关的基因（如CLDN1、CLDN4、KRT1、CDSN）。GO富集分析显示，这些过程显著富集于下调基因中。此外，IL-13单独处理下调了抗菌肽（如S100A8、S100A9）和细菌防御反应相关基因，而IL-4则影响白细胞趋化和稳态。

IL-4和IL-13在皮肤中的独特转录组特征

比较IL-4和IL-13的效应发现，IL-13抑制血管生成相关基因（如TIE1、FLT1），而加入IL-4后则恢复这些基因的表达。IL-4还影响细胞粘附和分化。此外，IL-4和IL-13组合下调了IL22RA1（IL-22受体）的表达，而IL-22上调了IL4R的表达，提示细胞因子信号通路间存在交叉调控。

IL-22损害人皮肤上皮屏障并诱导抗菌肽

IL-22处理同样导致皮肤电阻抗显著下降，表明屏障功能受损。转录组分析显示，IL-22上调了257个基因，下调了227个基因。上调基因富集于先天免疫反应、NF-κB信号、T细胞活化等通路；下调基因则与角化、皮肤屏障建立、表皮细胞分化等相关。与2型细胞因子不同，IL-22特异性上调了抗菌肽基因（如DEFB4A、S100A7A），其在AD皮损的表皮和真皮均表达升高。

IL-4、IL-13和IL-22诱导的皮肤屏障和角化相关基因的差异表达

RNA-seq分析揭示，2型细胞因子和IL-22均下调屏障相关基因（如CLDN1、FLG、FLG2、LOR、LCEs、KRT1），但存在差异：2型细胞因子强烈抑制CLDN1和CLDN4，而IL-22对它们影响不大；IL-22则强烈抑制FLG和FLG2。蛋白质组学证实，IL-4、IL-13和IL-22均降低了CLDN1和丝聚蛋白（FLG）的表达。免疫组化显示，这些细胞因子处理均减少了FLG蛋白表达。

Dupilumab恢复AD皮损中IL4/IL13特征基因的表达

分析dupilumab治疗3个月后的AD患者皮肤转录组数据发现，许多由IL-4+IL-13调控的基因（2型特异性）表达被抑制或恢复（如KRT9、NREP）。然而，由IL-22单独或与2型细胞因子共同调控的基因（如HRH1）对dupilumab反应有限。FLG表达在治疗后未显著恢复，提示单纯阻断2型通路可能不足以完全修复屏障。

IL4Rα的阻断阻止了IL-4和IL-13诱导的上皮屏障损伤

在离体皮肤模型中，dupilumab预处理显著减轻了IL-4+IL-13引起的电阻抗下降。即使存在IL-22，dupilumab仍能恢复屏障功能，表明其具有保护作用。

讨论

本研究利用离体人皮肤模型，揭示了IL-4、IL-13和IL-22在皮肤免疫炎症和屏障完整性中的独特作用。这些细胞因子通过不同机制破坏皮肤屏障，如下调CLDN1和FLG表达，并调控抗菌反应、血管生成和神经生成相关基因。2型细胞因子抑制IL-22信号，而IL-22增强IL4R表达，形成反馈环路。研究还识别出一些新的AD相关基因（如CAPN14、LURAP1L）。dupilumab能有效逆转2型细胞因子的效应，但对IL-22相关通路影响有限，这为AD的个体化治疗提供了依据。未来研究需关注细胞因子浓度的异质性、样本性别偏差等限制，并利用空间转录组等技术深入探索。

结论

本研究阐明了IL-4、IL-13和IL-22在人皮肤中的独特转录组和蛋白质组反应。这些细胞因子均损害皮肤屏障功能，但通过不同机制：IL-4促进细胞粘附和血管生成；IL-13驱动IL-22信号抑制；IL-22增强先天免疫和抗菌肽产生。研究结果为AD的精准治疗和生物标志物开发提供了重要见解。