摘要

白介素-4（Interleukin-4, IL-4）是免疫网络中最早被发现的Th2型细胞因子之一，传统教科书将其定义为"体液免疫指挥官"。然而，随着单细胞组学、条件性基因敲除模型及CGT（细胞与基因治疗）临床数据的积累，IL-4的生物学角色在过去五年被大幅改写。它不仅仅是Th2分化的开关，更是肿瘤微环境免疫抑制的核心组织者、CAR-T细胞耗竭的驱动因子，以及iPSC来源免疫细胞定向分化的关键工具。本文从分子结构、信号转导、细胞类型特异性效应出发，系统梳理IL-4的基础生物学，并深度探讨其在CGT领域的应用场景——包括CAR-T/NK功能优化、iPSC来源免疫细胞分化、调节性免疫细胞工程以及IL-4轴阻断策略。

01 引言：IL-4——从经典到前沿的认知演进

1986年，Paul和Ohara首次纯化出B细胞刺激因子-1（BSF-1），后被命名为白介素-4[1]。近四十年来，IL-4的研究经历了三个认知迭代：第一阶段确认了其在Th2细胞分化和IgE类别转换中的核心地位；第二阶段揭示了其在过敏性疾病（哮喘、特应性皮炎）和抗寄生虫免疫中的病理角色；第三阶段——也就是过去十年——发现IL-4在肿瘤免疫微环境中充当免疫抑制的组织者，并直接影响过继性T细胞治疗的临床效果。

2024年，Stewart等人的一项关键研究首次证明：IL-4是驱动CD8+ CAR-T细胞终末耗竭的直接因素，阻断IL-4信号可恢复CAR-T的杀伤功能[2]。这一发现不仅挑战了过去将IL-4简单归类为"抗炎因子"的二分法框架，更将IL-4推向CGT优化策略的核心靶点位置。

本文将在此基础上，以结构-信号-功能-应用的逻辑线索，重新审视IL-4的完整生物学图景。

02 分子结构与进化背景

IL-4由5q31.1染色体上的IL4基因编码，该基因座同时聚类编码IL-5、IL-13和GM-CSF，构成Th2型细胞因子基因簇[3]。人类IL-4前体蛋白含153个氨基酸，信号肽切除后生成129个氨基酸的成熟蛋白，分子量约15 kDa（非糖基化形式），N-糖基化后约18-20 kDa。糖基化修饰并非IL-4活性所必需，但影响其血清半衰期和与细胞外基质的结合[4]。

IL-4属于短链四α螺旋束（short-chain four-helix bundle）细胞因子家族，该家族还包括IL-2、IL-7、IL-9、IL-15和IL-21。与家族其他成员不同，IL-4的螺旋A和螺旋C之间的连接环较长（约20个氨基酸），赋予其独特的受体结合构象[5]。IL-4与IL-13在三维结构上高度同源（RMSD < 1.5 Å），共享约25%的氨基酸序列同一性，这一结构基础解释了二者共享II型受体的能力[6]。

从进化角度，IL-4和IL-13起源于约4.5亿年前的一次基因复制事件，但分化后的功能分工体现了精密的免疫调控逻辑：IL-4主要作用于适应性免疫（T/B细胞），而IL-13主要靶向组织固有细胞（上皮细胞、平滑肌细胞、成纤维细胞）[7]。

IL4   三维结构（doi: 10.1126/science.256.5064.1673）

03 受体系统与信号转导：双受体·双通路

IL-4的信号转导是细胞因子受体生物学中最经典的案例之一。它通过两种结构不同的受体复合物启动信号——这是IL-4区别于大多数细胞因子的独特特征。

3.1 Type I受体（IL-4Rα + γc）

Type I受体由IL-4Rα链（CD124）和共同γ链（γc/CD132）组成。γc链同时也是IL-2、IL-7、IL-9、IL-15和IL-21受体的共享亚基[8]。Type I受体几乎仅表达于造血谱系细胞——T细胞、B细胞、NK细胞、肥大细胞和嗜碱性粒细胞——这决定了IL-4对这些细胞群体的优先调控能力。

IL-4与IL-4Rα亚基结合（亲和力 Kd ≈ 20-300 pM）后，募集γc链形成异源二聚体。随后JAK1（与IL-4Rα结合）和JAK3（与γc链结合）交叉磷酸化，磷酸化IL-4Rα链Y575、Y603和Y631位点的酪氨酸残基[9]。这些磷酸化位点作为STAT6的SH2结构域停靠平台，STAT6被招募后被JAK磷酸化，形成同源二聚体，转位入核，结合GAS（IFN-γ激活序列）基序，驱动靶基因转录[10]。

除经典的JAK-STAT通路外，Type I受体还激活IRS-2/PI3K-Akt途径。IL-4Rα的Y497位点（位于ID-1基序）被磷酸化后，招募IRS-2衔接蛋白，启动PI3K-Akt-mTORC1信号传导[11]。这一通路不依赖STAT6，主要调控细胞存活、葡萄糖代谢和蛋白合成，在Th2细胞的代谢重编程中发挥关键作用。

3.2 Type II受体（IL-4Rα + IL-13Rα1）

Type II受体由IL-4Rα链和IL-13Rα1链组成。与Type I受体的关键区别在于：γc链被替换为IL-13Rα1，因此IL-13也可以使用同一受体[12]。Type II受体主要表达于非造血细胞——上皮细胞、成纤维细胞、平滑肌细胞和角质形成细胞。

IL-4与IL-4Rα结合（通过其螺旋A和螺旋C），IL-13Rα1以较低的亲和力（Kd ≈ 50-200 nM）加入复合物。Type II受体也能激活JAK1（与IL-4Rα链结合）和TYK2（与IL-13Rα1链结合），随后磷酸化STAT6和STAT3[13]。与Type I受体不同，Type II受体不能有效激活IRS-2/PI3K通路，因此其下游信号主要限于STAT6/STAT3。

IL-4信号通路示意图(doi.org/10.3389/fncel.2014.00183）

04 细胞类型特异性的生物学功能

IL-4的生物效应由其受体表达模式、STAT6靶基因谱和细胞类型特异性转录因子网络共同决定。以下从不同靶细胞角度梳理其功能谱系：

4.1 T细胞亚群调控

naïve CD4+ T细胞在IL-4信号作用下，STAT6直接结合GATA3启动子，启动Th2分化程序。GATA3作为主转录因子，抑制T-bet（Th1）和Foxp3（Treg）的表达，同时激活IL-4、IL-5和IL-13的基因座[14]。IL-4自分泌形成Th2正反馈环路——这是过敏性疾病中Th2极化得以维持的核心机制[15]。

CD8+ T细胞上通常不表达高水平的IL-4Rα，但2024年Stewart等人的研究证明，在慢性抗原刺激下——即CAR-T细胞在体内遇到的真实环境——肿瘤微环境中的IL-4可显著上调CD8+ CAR-T细胞IL-4Rα表达，激活STAT6通路，持续抑制TOX表达导致终末耗竭程序的启动[2]。阻断IL-4信号或使用STAT6抑制剂可阻止这一耗竭进程，且不影响CAR-T的初始抗肿瘤活性。这一发现是对"IL-4不具备CD8+ T调控功能"传统认知的直接修正。

4.2 B细胞与免疫球蛋白类别转换

IL-4是诱导免疫球蛋白重链恒定区基因（Cγ1→Cε）类别转换的关键因子[16]。在人B细胞中，IL-4 + CD40L共刺激诱导ε种系转录本表达，随后通过AID介导的DNA重组完成IgE类别转换。IgE结合肥大细胞和嗜碱性粒细胞上的FcεRI高亲和力受体，是I型超敏反应的效应机制[17]。

4.3 巨噬细胞极化

IL-4是M2型巨噬细胞极化的经典诱导因子。与IFN-γ/LPS诱导的M1型（促炎、杀菌）相反，IL-4通过STAT6诱导精氨酸酶-1（Arg-1）、Fizz1、Ym1等M2标志基因表达[18]。M2型巨噬细胞以抗炎、组织修复和免疫抑制为特征，在肿瘤微环境中大量存在。IL-4驱动的M2极化是肿瘤免疫逃逸的核心机制之一。

4.4 固有淋巴细胞（ILC2）

ILC2是组织驻留的固有免疫细胞，也是IL-4的重要来源。与适应性Th2细胞不同，ILC2无需抗原特异性激活，可在警报素（IL-25、IL-33、TSLP）刺激下快速分泌大量的IL-4、IL-5和IL-13[19]。ILC2来源的IL-4在脂肪组织代谢调节、过敏性疾病早期启动和寄生虫感染的早期防御中起关键作用。值得注意的是，ILC2也是IL-4的自分泌正反馈环路的起始引擎——这是过敏反应可由非抗原特异性刺激触发的原因[20]。

05 IL-4在CGT中的应用：从被动认知到主动干预

5.1 CAR-T细胞：耗竭的驱动因子与治疗靶点

2024年来自Stewart等的研究发表在Cancer Immunology Research上，是首个系统揭示IL-4对CD8+ CAR-T细胞负面影响的论文[2]。核心发现包括：（1）CART19细胞在体内遇到的肿瘤微环境中确实存在大量IL-4（主要由M2型巨噬细胞和Th2细胞产生）；（2）IL-4通过STAT6通路诱导CD8+ CAR-T细胞进入TOXhighTCF1-终末耗竭状态；（3）IL-4Rα阻断抗体或STAT6小分子抑制剂（AS1517499）可阻止CAR-T细胞耗竭并恢复肿瘤杀伤活性。

这一发现对CAR-T治疗策略的设计具有深远影响，因为它揭示了：CART失败不仅仅是肿瘤抗原丢失或CART扩增不足的问题，而是肿瘤微环境主动通过细胞因子向CART施加减速信号。阻断这一信号轴——无论是通过中和IL-4、阻断IL-4Rα还是抑制STAT6——都可能成为增强现有CAR-T疗法疗效的通用策略，而无需对CAR分子本身进行重新设计。

5.2 CAR-NK细胞工程：IL-4的正面应用

与CD8+ T细胞相反，NK细胞上IL-4Rα的表达水平和功能依然存在争议。一些研究表明IL-4可增强NK细胞的IFN-γ分泌和细胞毒活性[21]，但其他研究报道了相反效果。在CAR-NK工程中是否将IL-4系统纳入设计策略，需要根据具体的NK细胞来源（原代/NK92/iPSC来源）和目标瘤种单独评估。

5.3 iPSC来源免疫细胞定向分化

这是IL-4在CGT中最重要的正面应用场景之一。在人多能干细胞（hPSC）向特定免疫细胞分化的方案中，IL-4已被用于：

- 树突状细胞（DC）分化与成熟：hPSC来源DC中添加IL-4可促进其向免疫耐受性DC2亚型分化，用于自身免疫性疾病的细胞疗法[22]

- 巨噬细胞M2定向极化：iPSC来源巨噬细胞在IL-4/IL-13刺激下被极化为M2型，在组织修复和抗炎应用中具有潜力

- T细胞体外扩增方案优化：在特定的CGT生产流程中，IL-4可辅助维持Th2/Tfh表型用于疫苗佐剂研发

5.4 调节性T细胞（Treg）工程

尽管IL-4和STAT6通常抑制Treg分化，但在特定条件下，STAT6可与Foxp3协同调节部分效应分子表达[23]。在工程化Treg（eTreg）的CAR设计中如何利用或规避IL-4信号，是一个仍处于早期探索阶段的方向。

5.5 肿瘤微环境重塑：IL-4阻断策略

IL-4驱动的M2巨噬细胞极化和Th2细胞活化是多种实体瘤免疫逃逸的共同机制。度普利尤单抗（Dupilumab，抗IL-4Rα单抗）在特应性皮炎和哮喘中的临床成功为肿瘤适应症的探索提供了安全性基础[24]。目前已有早期临床试验评估IL-4/IL-13阻断联合PD-1抑制剂在实体瘤中的效果。这是IL-4从经典的"过敏性疾病靶点"向"肿瘤免疫治疗靶点"跨界的标志性转变。

06 结构生物学与药物开发视角

IL-4与IL-4Rα的高亲和力结合界面（主要由IL-4的螺旋A和螺旋C与IL-4Rα的FN-III结构域组成）已是药物开发的成熟靶点。度普利尤单抗（Dupilumab）的Fab片段结合IL-4Rα D1结构域，以变构方式阻止IL-4Rα与γc和IL-13Rα1的二聚化，从而同时阻断IL-4和IL-13信号[25]。

从药物开发角度，当前IL-4/IL-4Rα靶向策略可分为三类：（1）全阻断（如度普利尤单抗），同时阻断IL-4和IL-13的Type I和Type II受体；（2）选择性IL-4阻断，只靶向IL-4本身而不影响IL-13；（3）条件性阻断，通过前药或条件性激活策略实现组织中特异性的IL-4信号调控。

对于CGT中的CAR-T优化，选择性STAT6抑制剂（非阻断上游IL-4/IL-13）可能是更精准的策略，可以在保护GATA3/Th2正常免疫功能的前提下，仅解除肿瘤微环境中IL-4对CAR-T的耗竭信号。

07 知禾泰克重组人IL-4产品

在IL-4的CGT应用研究中，高纯度、无动物源、批间一致的重组人IL-4是不可或缺的工具试剂。知禾泰克提供重组人白介素-4（货号CK100502S），CHO细胞表达，无动物源生产，适用于：

- CAR-T/NK细胞体外功能验证（IL-4信号对效应细胞的影响评估）

- 树突状细胞/巨噬细胞分化与极化方案

- iPSC来源免疫细胞的定向分化

- 肿瘤微环境模拟研究（IL-4/IL-13共培养系统搭建）

- 度普利尤单抗等IL-4Rα靶向药物的生物活性检测（报告基因法/细胞增殖法）

产品特点：

- CHO细胞真核表达，天然构象，高生物活性

- 无动物源生产，无外源病毒/朊病毒风险

- 批次间高度一致，支持从研究级到工业规模的稳定使用

08 结语

IL-4的故事远未结束。从1986年Paul和Ohara的第一篇纯化论文开始，到2024年Stewart等人发表在Cancer Immunology Research上的CAR-T研究——在近四十年的时间里，IL-4从一个B细胞刺激因子逐步演变为免疫网络中连接适应性免疫、固有免疫和组织稳态的核心枢纽。

在CGT时代，IL-4的双面性——它既能驱动Th2分化和组织修复，又能促进肿瘤免疫逃逸和CAR-T耗竭——意味着它不是简单的"好"或"坏"的因子，而是一个需要被精确理解和巧妙操控的调控节点。对于CGT研发人员而言，真正理解了IL-4，就理解了免疫系统的复杂性。

参考文献

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