Toll樣受體4信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路在腦梗死后運(yùn)動(dòng)康復(fù)中的研究前景

馬躍文,何曼

腦梗死是最常見的腦血管疾病(cerebrovascular disease,CVD)類型,約占全部CVD的70%,是由于腦血液供應(yīng)障礙引起的腦部病變。2008年國(guó)外大樣本臨床調(diào)查顯示,急性缺血性腦血管病患者生命體征穩(wěn)定以后盡早介入康復(fù)治療,可以顯著降低患者神經(jīng)功能缺損積分和改善運(yùn)動(dòng)功能[1]。運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練是腦梗死后康復(fù)治療方法中的重要手段,但關(guān)于運(yùn)動(dòng)康復(fù)的作用機(jī)制則說法眾多,沒有定論。Toll樣受體4(Toll-like receptor 4,TLR4)是一種模式識(shí)別受體(pattern recognition receptor,PRR),介導(dǎo)組織免疫炎性反應(yīng)。目前有研究顯示,TLR4信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路在腦缺血再灌注過程中促成了腦組織的缺血性損傷,而TLR4基因缺失時(shí)則表現(xiàn)出了對(duì)腦組織的保護(hù)作用[2-4],其在腦缺血性損傷后非感染性炎癥中作用研究的日益深入,為腦梗死的治療和康復(fù)機(jī)制研究開辟了新的探索路徑。

1 TLR4信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路簡(jiǎn)介

TLR4是最早發(fā)現(xiàn)的TLRs家族成員。1997年Medzhitov等[5]鑒定和克隆出人類的第一種果蠅Toll樣同源物受體,證實(shí)其能誘導(dǎo)核因子-κ B(NF-κ B)激活,并啟動(dòng)受NF-κ B調(diào)控的炎癥因子,如白細(xì)胞介素(IL)-1、IL-6和 IL-8等的基因轉(zhuǎn)錄。TLRs分布廣泛,在人體主要表達(dá)于單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、樹突細(xì)胞等細(xì)胞膜上,是與微生物識(shí)別有關(guān)的天然免疫受體家族,為模式識(shí)別受體,能識(shí)別和結(jié)合特定類型微生物的保守分子成分——病原體相關(guān)分子模式(pathogen associated molecular patterns,PAMPs)。TLRs屬于Ⅰ型跨膜蛋白,其胞外區(qū)結(jié)構(gòu)有富含亮氨酸的重復(fù)序列,負(fù)責(zé)識(shí)別不同的病原分子;胞內(nèi)區(qū)與IL-1受體的胞內(nèi)區(qū)相似,負(fù)責(zé)受體活化后的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[6]。TLRs最突出的生物學(xué)功能是促進(jìn)細(xì)胞因子的合成與釋放,引發(fā)炎癥反應(yīng)[7];另一項(xiàng)功能是促進(jìn)抗原提呈細(xì)胞的成熟,從而誘導(dǎo)機(jī)體的獲得性免疫反應(yīng)。TLRs是機(jī)體介導(dǎo)天然免疫轉(zhuǎn)向獲得性免疫的橋梁[8]。

TLR4基本上表達(dá)于所有的細(xì)胞系,在大腦則主要表達(dá)于小膠質(zhì)細(xì)胞[9]。TLR4識(shí)別的最主要的外源性配體是格蘭氏陰性菌的脂多糖(LPS);此外TLR4還能識(shí)別呼吸道合胞病毒包膜蛋白、分枝桿菌成分、熱休克蛋白、飽和與不飽和脂肪酸、透明質(zhì)酸片段、表面活性蛋白A等[10]。

LPS與TLR4結(jié)合后可活化髓樣分化因子88(myeloid differentiation factor 88,MyD88)依賴性和非依賴性兩條信號(hào)途徑:前者活化絲裂原激活的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)和NF-κ B信號(hào)通路,后者活化NF-κ B和干擾素調(diào)節(jié)因子-3(IFN regulated factor-3,IRF3)信號(hào)通路[10]。NF-κ B是炎癥瀑布中的重要環(huán)節(jié),對(duì)炎癥的發(fā)生、發(fā)展起主要調(diào)節(jié)作用。它可使腫瘤壞死因子(TNF)-α、IL-1等炎性細(xì)胞因子的轉(zhuǎn)錄水平增強(qiáng),同時(shí)這兩者又是NF-κ B的激活劑,通過正反饋機(jī)制,加重機(jī)體炎癥反應(yīng)。

TLR4還能通過活化樹突狀細(xì)胞促進(jìn)抗原遞呈,介導(dǎo)先天性免疫向獲得性免疫的轉(zhuǎn)化[11]。TLR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的最主要產(chǎn)物是炎性細(xì)胞因子和蛋白質(zhì),在諸多疾病的病理生理過程中發(fā)揮作用,如心血管疾病、2型糖尿病、哮喘、炎癥性腸病、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎等[12]。

2 腦缺血時(shí)TLR4改變

腦缺血再灌注損傷的發(fā)生機(jī)制復(fù)雜,至今有多種相關(guān)學(xué)說,如自由基損傷學(xué)說、興奮性氨基酸中毒學(xué)說、細(xì)胞內(nèi)鈣超載學(xué)說、酸中毒學(xué)說及細(xì)胞凋亡學(xué)說等。許多研究均支持腦缺血再灌注本身引起的炎癥反應(yīng)參與了腦損傷過程[13-14]。有學(xué)者認(rèn)為,無論心肌梗死、腦梗死還是其他缺血再灌注損傷等病理情況的共同標(biāo)志是過度炎癥反應(yīng),而TLR4在病原菌介導(dǎo)的炎癥中起主要作用;同時(shí)其在損傷本身引發(fā)的非感染性炎癥中的作用也被肯定,低分子透明質(zhì)酸、纖連蛋白、HSP70、硫酸肝素等內(nèi)源性配體黏附于炎性組織,無論有沒有病原菌,均能激活TLR4信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路[15]。

TLR4 被激活后,通過 MAPK/NF-κ B 和 NF-κ B/IRF3 等信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑,表達(dá)多種炎性細(xì)胞因子、趨化因子、酶等,產(chǎn)生炎癥反應(yīng),加重腦缺血性損傷。文獻(xiàn)報(bào)道,與野生型相比,TLR4缺陷的小鼠腦缺血后腦梗死體積縮小,神經(jīng)行為明顯改善[2]。TLR4缺陷小鼠 IRF-1、iNOS、COX-2和 MMP-9的表達(dá)都減少,IFN-β、脂質(zhì)過氧化的標(biāo)記物丙二醛(malondialdehyde,MDA)水平也降低。iNOS和COX-2表達(dá)增多會(huì)產(chǎn)生大量活性氧(reactive oxygen species,ROS)和活性氮(reactive nitrogen species,RNS),使細(xì)胞組分(如膜脂質(zhì))被氧化,產(chǎn)生 MDA等細(xì)胞毒素參與腦缺血損傷。Cao等用大鼠大腦中動(dòng)脈閉塞模型(MCAO)研究TLR4在腦缺血再灌注中的作用時(shí)發(fā)現(xiàn),腦缺血6 h再灌注24 h后,無論是腦水腫程度、腦梗死體積,還是神經(jīng)元損傷程度,TLR4缺陷的小鼠都明顯低于野生型,證明TLR4在腦缺血再灌注損傷中起重要作用[3]。最近Hua等研究發(fā)現(xiàn),TLR4在全腦缺血海馬神經(jīng)元死亡過程中起關(guān)鍵作用。TLR4(-/-)小鼠的 NF-κ B 抑制蛋白(I-κ B)磷酸化水平、NF-κ B 激活程度均比野生型低,炎性細(xì)胞因子表達(dá)量也較野生型少;小鼠的神經(jīng)元死亡數(shù)比野生型低[4]。

另外有實(shí)驗(yàn)證明,短暫缺血事件(缺血預(yù)處理)能導(dǎo)致對(duì)下一次嚴(yán)重缺血的抵抗(缺血耐受),且TLR4缺失的小鼠缺血預(yù)處理后48 h建立永久MCAO,神經(jīng)保護(hù)作用較TLR4正常表達(dá)的野生型小鼠差,后者的梗死體積小且有較好的神經(jīng)功能學(xué)評(píng)分,同時(shí)在缺血預(yù)處理后 18 h、24 h、48 h有較高的 TNF-α、iNOS、COX-2及活化的 NF-κ B表達(dá)。這些數(shù)據(jù)表明 TLR4能提高大腦的耐受能力[16]?？梢奣LR4信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)對(duì)于腦缺血事件而言是一把雙刃劍。

3 運(yùn)動(dòng)對(duì)TLR4表達(dá)的影響

Lancaster最早報(bào)道一次長(zhǎng)時(shí)間的有氧運(yùn)動(dòng)能夠降低外周血單核細(xì)胞(CD14+)TLR4的表達(dá)[17]。他們研究了在高溫條件下(34℃)1.5 h負(fù)荷單車運(yùn)動(dòng)(約為最大耗氧量的65%)對(duì)于TLR4在體內(nèi)表達(dá)的影響,對(duì)比于安靜條件下的樣本,TLR4在運(yùn)動(dòng)后即刻及運(yùn)動(dòng)后2 h的表達(dá)明顯降低。Lancaster在高溫條件下訓(xùn)練受試者,可能夸大了運(yùn)動(dòng)對(duì)TLR4表達(dá)產(chǎn)生的影響。在該研究中,受試者經(jīng)歷了比他們?cè)谡l件下運(yùn)動(dòng)時(shí)更大的體溫漲幅,這也造成了運(yùn)動(dòng)后TLR4表達(dá)的減少不能確定是由于運(yùn)動(dòng)引起的正常生理變化還是像發(fā)熱性疾病一樣是由體溫升高造成的。為了驗(yàn)證溫度是否能夠直接影響TLR4的表達(dá),Gleeson等采取8名健康男性志愿者的外周血,分別于22℃、37℃、40℃培養(yǎng),并且按照的同樣的方法檢測(cè) TLR4在單核細(xì)胞表面的表達(dá),發(fā)現(xiàn)溫度對(duì) TLR4的表達(dá)并無明顯影響[18]。

但是,McFarlin等發(fā)現(xiàn),對(duì)于接受訓(xùn)練和不接受訓(xùn)練的老年女性而言,在一次劇烈阻力運(yùn)動(dòng)后,單核細(xì)胞(CD14+)表面TLR4的表達(dá)并無明顯改變[19]。但有可能這一實(shí)驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)長(zhǎng)并不足以誘發(fā)單核細(xì)胞表面TLR4表達(dá)的降低。Flynn最早發(fā)現(xiàn)10周耐力訓(xùn)練能夠明顯降低受試者外周血被LPS刺激后生成炎性因子 IL-6、IL-8、TNF-α,接受抗阻訓(xùn)練的老年女性比不進(jìn)行該訓(xùn)練靜坐狀態(tài)下的老年女性全血TLR4 mRNA表達(dá)減低[20]。

他們隨后的研究發(fā)現(xiàn),不論是劇烈運(yùn)動(dòng)還是耐力運(yùn)動(dòng)都能導(dǎo)致單核細(xì)胞表面TLR4表達(dá)的減少,并且經(jīng)過長(zhǎng)期觀察發(fā)現(xiàn),TLR4表達(dá)的減少是有益的,因?yàn)檫@樣可以減弱白細(xì)胞的炎性勢(shì)力,進(jìn)而改變?nèi)淼穆匝装Y狀態(tài)[18]。Flynn等進(jìn)行的臨床試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),TLR4在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練受試者的外周血表達(dá)較非運(yùn)動(dòng)受試者低,且同一受試者在運(yùn)動(dòng)后TLR4的表達(dá)較運(yùn)動(dòng)前低,說明運(yùn)動(dòng)能抑制TLR4的表達(dá)[21]。McFarlin等發(fā)現(xiàn),跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)組受試者的外周血 LPS刺激的IL-6、IL-1β、TNF-α及 TLR4的表達(dá)較非運(yùn)動(dòng)組低(P＜0.05)[22],支持運(yùn)動(dòng)或較多體育活動(dòng)的生活方式能夠抗炎的說法,同時(shí)提示TLR4在炎性細(xì)胞因子的產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)的聯(lián)系中起調(diào)節(jié)作用。

運(yùn)動(dòng)能夠降低人類外周血TLR4及其下游炎性因子的表達(dá)目前雖然已基本上達(dá)成了共識(shí),但運(yùn)動(dòng)介導(dǎo)細(xì)胞表面TLR4表達(dá)減少的確切生理刺激目前仍不明確,不過部分可能相關(guān)的信號(hào)物質(zhì)已經(jīng)被發(fā)現(xiàn),包括抗炎性因子如IL-4等[23]和應(yīng)激激素如糖皮質(zhì)激素[24]。

4 TLR4信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)在運(yùn)動(dòng)康復(fù)中的研究前景探討

綜合以上各方面的研究進(jìn)展,我們可以認(rèn)為,腦梗死發(fā)生后,TLR4參與了梗死區(qū)非感染性炎癥反應(yīng),造成了腦組織和細(xì)胞的損傷。而運(yùn)動(dòng)能使TLR4的表達(dá)下調(diào),減弱整個(gè)TLR4信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的活性,減少外周血中各種白細(xì)胞的分布,降低外周血對(duì)外源性配體(如LPS)的應(yīng)答,減少炎性因子的生成,減輕炎性損傷。有理由假設(shè)腦梗死超急性期過后開始進(jìn)行的康復(fù)訓(xùn)練也可以抑制TLR4信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的活性,減輕組織炎性反應(yīng),加快功能恢復(fù)。我們還可以進(jìn)一步考慮通過調(diào)整運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的方式、強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間,以最大程度地抑制TLR4的表達(dá),減輕其對(duì)腦組織的炎性損傷。此外,由于缺血再灌注損傷發(fā)生于多個(gè)器官,如心、肝、腎等,這也在理論上擴(kuò)大了運(yùn)動(dòng)康復(fù)能夠發(fā)揮作用的領(lǐng)域。

5 總結(jié)與展望

近年來國(guó)外專家關(guān)于運(yùn)動(dòng)減少 TLR4、NF-κ B及其下游炎性因子 TNF-α表達(dá)的研究,提示我們除了可以從 TLR4信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路方面深入研究腦梗死后的運(yùn)動(dòng)康復(fù)機(jī)制,完善康復(fù)訓(xùn)練方式,以更好地達(dá)到腦梗死患者功能恢復(fù)的目的外,還可以通過日常生活方式的改變,進(jìn)行預(yù)防性的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練,盡可能減少腦梗死的發(fā)生,以及梗死發(fā)生后的神經(jīng)細(xì)胞損傷和死亡,保留更多的神經(jīng)功能,保證患者的生存質(zhì)量。另外,隨著這一信號(hào)通路的轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制的深入研究,也為腦梗死治療的臨床藥物開發(fā)提供了新路徑。

[1]Purvis T,Cadilhac D,Donnan G,et al.Systematic review of process indicators:including early rehabilitation interventions used to measure quality of acute stroke care[J].Int JStroke,2009,4(2):72-80.

[2]Caso JR,Pradillo JM,Hurtado O,et al.Toll-like receptor 4 is involved in brain damage and inflammation after experimental stroke[J].Circulation,2007,115(12):1599-1608.

[3]Cao CX,Yang QW,Lv FL,et al.Reduced cerebral ischemia-reperfusion injury in Toll-like receptor 4 deficient mice[J].Biochem Biophys Res Commun,2007,353(2):509-514.

[4]Hua F,Ma J,Ha T,et.al.Activation of Toll-like receptor 4 signaling contributes to hippocampal neuronal death following global cerebral ischemia/reperfusion[J].JNeuroimmunol,2007,190(122):101-111.

[5]Medzhitov R,Hurlburt P,Janeway CA.A human homologue of the drosophila Toll protein signals activation of adaptive immunity[J].Nature,1997,388(6640):394-397.

[6]Akira S,Takeda K.Toll-like receptor signaling[J].Nat Rev Immunol,2004,4(7):499-511.

[7]Akira S,Uematsu S,Takeuchi O.Pathogen recognition and innate immunity[J].Cell,2006,124(4):783-801.

[8]MacLeod H,Wetzler LM.Tcell activation by TLRs:a role for TLRs in the adaptive immune response[J].Sci STKE,2007,(402):pe48.

[9]Lehnardt S,Massillon L,Follett P,et al.Activation of innate immunity in the CNS triggers neurodegeneration through a Toll-like receptor 4-dependent pathway[J].Proc Natl Acad Sci USA,2003,100(14):8514-8519.

[10]張宇,孫瑞利,胡錦躍.Toll樣受體4信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)研究進(jìn)展[J].國(guó)際病理科學(xué)與臨床雜志,2009,29(1):32-36.

[11]Pastor CM,Pugin J,Kwak B,et al.Role of Toll-like receptor 4 on pancreatic and pulmonary injury in a mice model of acute pancreatitis associated with endotoxemia[J].Crit Care Med,2004,32(8):1759-1763.

[12]Cristofaro P,Opal SM.Role of Toll-like receptors in infection and immunity:clinical implications[J].Drugs,2006,66(1):15-29.

[13]De Simoni MG,Milia P,Barba M,et al.The inflammato ry response in cerebral ischemia:focus on cy tokines in stroke patients[J].Clin Exp Hypertens,2002,24(7-8):535-542.

[14]Stoll G.Inflammatory cytokines in the nervous sy stem:multifunctional mediators in autoimmunity and cerebral ischemia[J].Rev Neurol,2002,158:887-891.

[15]Arumugam TV,Okun E,Tang SC,et al.Toll-like receptors in ischemia-reperfusion injury[J].Shock,2009,32(1):4-16.

[16]Pradillo JM,Ferná ndez-López D,Garc í a-Yé benes I,et al.Tolllike receptor 4 is involved in neuroprotection affo rded by ischemic preconditioning[J].JNeurochem,2009,109(1):287-294.

[17]Lancaster GI,Khan Q,Drysdale P,et al.The physiological regulation of toll-like receptor expression and function in humans[J].JPhysiol,2005,563(3):945-955.

[18]Gleeson M,McFarlin B,Flynn M.Exercise and Toll-like receptors[J].Exerc Immunol Rev,2006,12:34-53.

[19]McFarlin BK,Fly nn MG,Campbell WW,et al.TLR4 is lower in resistance-trained older women and related to inflammatory cytokines[J].Med Sci Sports Exerc,2004,36(11):1876-1883.

[20]Flynn MG,McFarlin BK,Phillips MD,et al.Toll-like receptor 4 and CD14mRNA expression are lower in resistive exercise-trained elderly women[J].JAppl Physiol,2003,95(5):1833-1842.

[21]Flynn MG,McFarlin BK.Toll-like recepto r 4:link to the anti-inflammatory effects of ex ercise?[J].Exerc Sport Sci Rev,2006,34(4):176-181.

[22]McFarlin BK,Flynn MG,Campbell WW,et al.Physical activity status,but not age,influences inflammato ry biomarkers and tolllike receptor 4[J].JGerontol A Biol Sci Med Sci,2006,61(4):388-393.

[23]Miettinen M,Sareneva T,Julkunenm I,et al.IFNs activate tolllike receptor gene expression in viral infections[J].Genes Immun,2001,2(6):349-355.

[24]Lancaster GI,Khan Q,Drysdale P,et al.The physiological regulation of toll-like receptor expression and function in humans[J].JPhysiol,2005,563(3):945-955.