Toll樣受體與慢性阻塞性肺疾病發(fā)病機(jī)制的研究進(jìn)展

高 嫻 李素云 王海峰 (河南中醫(yī)學(xué)院老年病研究所，河南 鄭州 450008)

慢性阻塞性肺疾病(COPD)是一種常見、多發(fā)、高致殘率和高致死率的慢性呼吸系統(tǒng)疾病，以氣流受限為特征，氣流受限不完全可逆，呈進(jìn)行性發(fā)展。Toll樣受體(TLRs)是一類天然的免疫受體，參與機(jī)體的各種免疫應(yīng)答，在各種炎癥反應(yīng)細(xì)胞吞噬作用的調(diào)節(jié)和細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)及細(xì)胞凋亡中起重要作用。本文就COPD的發(fā)病機(jī)制與TLRs信號(hào)傳導(dǎo)通路的研究進(jìn)展作一綜述。

1 TLRs及其信號(hào)傳導(dǎo)通路

1.1 TLRs分布、結(jié)構(gòu)及功能 TLRs是一類最早發(fā)現(xiàn)與果蠅胚胎背、腹側(cè)的發(fā)育有關(guān)的天然的免疫受體，目前在人和大鼠體內(nèi)共檢測(cè)13種 TLR，其中 TLR1-9存在于兩者體內(nèi)，而TLR10由于逆轉(zhuǎn)錄異常在大鼠體內(nèi)無功能，TLR11-13在人類基因序列中不表達(dá)〔1〕。TLRs廣泛分布于多種細(xì)胞，大部分在造血干細(xì)胞來源的細(xì)胞上表達(dá)，如巨噬細(xì)胞、白細(xì)胞和樹突細(xì)胞等;在非造血干細(xì)胞源性細(xì)胞則呈選擇性表達(dá)，如上皮細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞〔2〕，其中TLR蛋白基因表達(dá)最強(qiáng)的是在脾臟及外周血的白細(xì)胞中〔3〕。

TLRs屬于Ⅰ型跨膜蛋白受體(PRR)，由胞外區(qū)、跨膜區(qū)和胞內(nèi)區(qū)組成〔4〕。其中胞外區(qū)含有固定分布的亮氨酸重復(fù)序列(LRR)，參與對(duì)病原微生物或其產(chǎn)物的特征性識(shí)別，即對(duì)病原相關(guān)分子模式(PAMP)的識(shí)別;跨膜區(qū)富含半胱氨酸的結(jié)構(gòu)域;胞內(nèi)區(qū)由Toll同源結(jié)構(gòu)域(THD)和分子羧基端長(zhǎng)短不同的短尾肽組成，由于其與人白介素-1受體(IL-1R)的胞內(nèi)區(qū)結(jié)構(gòu)相似，故稱為TIR結(jié)構(gòu)域(TIR)，其功能主要是向下游傳導(dǎo)信號(hào)。

根據(jù)TLR的細(xì)胞定位不同，可將其主要分為兩類：一類位于細(xì)胞表面，包括 TLR1、TLR2、TLR4、TLR5、TLR6 和 TLR11，以微生物的膜結(jié)構(gòu)(如蛋白、脂類、脂蛋白等)為配體，可以被小分子或抗體激活;另一類位于細(xì)胞內(nèi)的囊泡結(jié)構(gòu)(溶酶體、內(nèi)涵體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等)，包括 TLR3、TLR7、TLR8和 TLR9，識(shí)別微生物的核酸〔1，5〕。

1.2 TLRs信號(hào)傳導(dǎo)通路 TLR信號(hào)傳導(dǎo)通路是由TLRs介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路誘導(dǎo)很多快速反應(yīng)基因的活化，產(chǎn)生許多效應(yīng)分子，并參與機(jī)體的防御反應(yīng)。TLR信號(hào)傳導(dǎo)途徑相似，但也有其多樣性和特異性。TLR信號(hào)傳導(dǎo)的基本過程是：TLRs通過識(shí)別配體的PAMPs，使配體與TLR接頭蛋白結(jié)合并觸發(fā)下游信號(hào)途徑，通過一系列的蛋白級(jí)聯(lián)反應(yīng)激活轉(zhuǎn)錄因子NF-κB等，活化的NF-κB進(jìn)入細(xì)胞核，引起促炎性基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)，使 IL-1、IL-6、IL-8、TNF-α 等細(xì)胞因子大量釋放。

目前已知的TLR接頭蛋白主要有MyD88(Myeloid differentiation factor 88)、MAL(MyD88 adapter-like)、TRIF(TIR domaincontaining adapter inducing interferon IFN-β)、TRAM(TRIF-related adapter molecule)和 SARM(sterile α and HEAT/Toll/IL-IR resistance motif containing)〔6〕。已知多數(shù) TLRs存在相應(yīng)的天然配體，如TLR2識(shí)別革蘭陽性菌和某些革蘭陰性菌的脂蛋白、脂壁酸等〔7〕，TLR3識(shí)別病毒的雙股 RNA(dsRNA)，TLR4主要識(shí)別革蘭陰性菌脂多糖(LPS)，TLR5識(shí)別有鞭毛細(xì)菌的鞭毛蛋白，TLR9識(shí)別細(xì)菌及病毒的未發(fā)生甲基化的CpGDNA序列等〔8〕。此外，不同TLRs之間還存在形成異源二聚體的組合識(shí)別形式，從而有助于擴(kuò)大TLRs家族對(duì)PAMPs的識(shí)別范圍〔9〕。

目前發(fā)現(xiàn)的TLR信號(hào)傳導(dǎo)通路有以下幾類〔10〕：①M(fèi)yD88依賴途徑，這是一條幾乎所有TLR都依賴的主要途徑，經(jīng)過一系列的磷酸化和脫磷酸化，最終激活的NF-κB和促分裂素原活化蛋白激酶(MAPK)誘導(dǎo)炎性因子的表達(dá)〔11〕;②小GPT酶路徑;③磷脂酰肌醇磷酸途徑。這兩條屬于MyD88依賴途徑的旁路，直接接受受體傳導(dǎo)的信號(hào)，也可以最終激活NF-κB和MAPK;④非MyD88依賴途徑，則僅限于TLR3和TLR4介導(dǎo)的信號(hào)傳導(dǎo)通路，可活化遲發(fā)相的NF-κB和MAPK，另外還可激活干擾素調(diào)節(jié)基因從而引起Ⅰ型干擾素基因的表達(dá)。

2 TLRs與COPD的發(fā)病機(jī)制

目前普遍認(rèn)為COPD是一種以氣道、肺實(shí)質(zhì)和肺血管的慢性炎癥為特征的疾病，其中炎癥反應(yīng)是疾病發(fā)生發(fā)展過程中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此炎癥因子(如中性粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和淋巴細(xì)胞等)及炎癥介質(zhì)(如白介素8、白介素6、TNF-α、基底細(xì)胞間黏附分子等)也成為COPD的關(guān)鍵，而影響COPD炎癥反應(yīng)的因素研究最多的是吸煙和感染〔12〕。肺泡巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞表面的TLRs作為第一道天然防線，被吸入氣道的有害物質(zhì)(如香煙煙霧、細(xì)菌及病毒)刺激，繼而產(chǎn)生一系列病理生理改變，參與到COPD的整個(gè)病程中。

2.1 香煙與TLRs在COPD發(fā)生發(fā)展中的關(guān)系 Mortaz等〔13〕通過由香煙煙霧誘導(dǎo)產(chǎn)生的白介素8(IL-8/CXCL-8)被TRL4抗體抑制，及暴露人氣道上皮細(xì)胞于TRL4配體中來誘導(dǎo)CXCL-8和IL-1β的釋放等實(shí)驗(yàn)，證明分布在人支氣管上皮細(xì)胞膜上的TLR4參與了香煙煙霧誘導(dǎo)的CXCL-8和IL-1β的釋放及相關(guān)的炎癥反應(yīng)。Khalil Karimi等〔14〕采用不同技術(shù)對(duì)外周血中的巨噬細(xì)胞分離，并給予香煙煙霧的刺激后分析發(fā)現(xiàn)，在肺泡巨噬細(xì)胞中，TLR4受體通道誘導(dǎo)產(chǎn)生大量IL-8，進(jìn)一步誘導(dǎo)中性粒細(xì)胞和CD8+T淋巴細(xì)胞參與COPD的炎癥反應(yīng)。Hadi Sarir等〔15〕研究通過短時(shí)間(1H)暴露巨噬細(xì)胞于香煙煙霧中，香煙煙霧抑制了TLR4的表面表達(dá)并使其內(nèi)化，同時(shí)通過上游調(diào)節(jié)刺激TLR4 mRNA和IL-8 mRNA增多，從而產(chǎn)生更多的自由基增強(qiáng)白介素受體相關(guān)激酶(interleukin receptor associated kinase，IRAK)的磷酸化，激活NF-κB，進(jìn)而產(chǎn)生大量炎癥因子。

Baines等〔16〕在健康者和成年COPD患者中，通過對(duì)外周血中TLR2和TLR4表達(dá)情況的研究，發(fā)現(xiàn)中性粒細(xì)胞計(jì)數(shù)明顯升高，同時(shí)TLR2和TLR4的基因表達(dá)也明顯增多。Pace等〔17〕在健康不吸煙者、吸煙COPD患者、不吸煙COPD患者中研究支氣管肺泡灌洗液中TLR4和TLR2的表達(dá)情況，結(jié)果顯示COPD患者灌洗液中TLR4的表達(dá)明顯增加，同時(shí)中性粒細(xì)胞趨化因子活性增強(qiáng)，但TLR2的表達(dá)無明顯差異。由此說明TLR4的表達(dá)情況與COPD的氣道及血液中的中性粒細(xì)胞分泌情況關(guān)系密切。

另外，Geraghty等〔18〕發(fā)現(xiàn)與氣道重塑緊密相關(guān)的基質(zhì)金屬蛋白酶1(MMP-1)的表達(dá)也可在香煙煙霧的刺激下，通過TLR4的MyD88/IRAK1信號(hào)途徑，誘導(dǎo)MMP-1的生成增多。Song等〔19〕通過對(duì)香煙煙熏造模大鼠應(yīng)用TLR9拮抗劑，發(fā)現(xiàn)模型組大鼠氣道黏液分泌明顯增加，支氣管壁纖維化，氣道旁平滑肌增厚。由此可見TLR與COPD病程過程中的氣道重塑亦關(guān)系密切。

2.2 感染與TLRs在COPD發(fā)生發(fā)展中的關(guān)系 感染是COPD發(fā)生發(fā)展的重要因素之一。病毒、細(xì)菌是本病急性加重的重要因素。TLRs能識(shí)別各種病毒及細(xì)菌，參與COPD的發(fā)病過程，直接影響到患者的疾病加重次數(shù)及免疫系統(tǒng)功能。

2.2.1 細(xì)菌感染 隨著抗生素的廣泛應(yīng)用，革蘭陰性菌已成為逐漸全球范圍包括中國在內(nèi)的COPD發(fā)病及發(fā)展過程中的主要病原菌〔20～22〕。相關(guān)研究證明〔23〕，吸入革蘭陰性菌內(nèi)毒素或者LPS可引起中性粒細(xì)胞增多及肺功能的減退，而長(zhǎng)期吸入LPS能夠引起中性粒細(xì)胞從血管內(nèi)滲出至氣道，從而引起慢性氣道重塑。分布肺組織中的TLR4在LPS進(jìn)入宿主體內(nèi)后，成為L(zhǎng)PS的信號(hào)傳遞的重要通路。肺泡巨噬細(xì)胞是呼吸道的重要防線，亦是LPS的主要效應(yīng)細(xì)胞，TLR4啟動(dòng)的胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)最終激活NF-κB，后者進(jìn)入細(xì)胞核，調(diào)控眾多炎癥介質(zhì)的基因表達(dá)，尤其是TNF-α和IL-1等原發(fā)性介質(zhì)的增加，進(jìn)一步誘導(dǎo)肺泡巨噬細(xì)胞產(chǎn)生大量繼發(fā)性炎性細(xì)胞因子和介質(zhì)，如IL-6、IL-8等，這些炎性介質(zhì)和細(xì)胞因子反過來又可以進(jìn)一步激活NF-κB，從而產(chǎn)生過度的炎癥反應(yīng)，引起COPD的急性加重，影響患者的生存質(zhì)量〔24，25〕。李雯等〔26〕通過對(duì)比 LPS 刺激前后COPD組與非COPD組患者氣道上皮細(xì)胞表面TLR4及其mRNA的表達(dá)水平，發(fā)現(xiàn)兩者在COPD組均處于較高水平，前后無明顯差異，由此說明氣道上皮細(xì)胞表面TLR4及TLR4 mRNA的表達(dá)水平有可能是COPD發(fā)病的一個(gè)關(guān)鍵因素。同時(shí)最近的研究表明，TLR2和TLR4對(duì)革蘭陽性菌和陰性菌有特殊的識(shí)別功能，但在誘導(dǎo)細(xì)胞因子的表達(dá)方面并沒有差異〔27〕。

2.2.2 病毒感染 呼吸道病毒(如鼻病毒、流感病毒、腺病毒、呼吸道合胞病毒等)也是不容忽視的一種致病因素。

呼吸道合胞病毒(RSV)的F蛋白通過TLR4和CD14分子刺激機(jī)體產(chǎn)生抗病毒的細(xì)胞因子，TLR4缺陷的小鼠肺部NK細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和單核細(xì)胞數(shù)量均減少，IL-12分泌下降，NK細(xì)胞介導(dǎo)的細(xì)胞毒效應(yīng)受到破壞，清除RSV的能力降低〔28〕。同時(shí)，Huang等〔29〕通過觀察由感染RSV引起的急性肺部炎癥的BALB/c大鼠，發(fā)現(xiàn)感染RSV可在短時(shí)間內(nèi)迅速增加TLR7和TLR3的肺內(nèi)表達(dá)，進(jìn)而激活NF-κB引起一系列的肺部炎癥反應(yīng)。而Castro等〔30〕發(fā)現(xiàn)煙草煙霧抑制了感染RSV的漿細(xì)胞樣樹突細(xì)胞(pDC)對(duì)TLR7的表達(dá)及對(duì)干擾素調(diào)節(jié)因子-7(IRF-7)的活化，但對(duì)其他細(xì)胞因子如IL-6、TNF-α及CXCL8等的表達(dá)無影響。

另外，鼻病毒(RV)是最常見的呼吸道感染病毒，是COPD急性加重的主要誘因。Sajjan等〔31〕研究發(fā)現(xiàn)在氣道上皮細(xì)胞中，TLR3信號(hào)通道參與誘導(dǎo)RV39感染后IL-8的釋放。最近研究發(fā)現(xiàn)鼻病毒(RV)可通過活化氣道平滑肌細(xì)胞中的TLR3和TLR7/8引起細(xì)胞外基質(zhì)沉積，從而引起氣道重塑〔32〕。

3 TLRs及其傳導(dǎo)通路在COPD治療中的前景

目前長(zhǎng)效支氣管擴(kuò)張劑之一沙美特羅已廣泛應(yīng)用于COPD的臨床治療中，MacRedmond等〔33〕研究發(fā)現(xiàn)沙美特羅與激素合用時(shí)能上調(diào)肺臟氣道上皮細(xì)胞TLR4的表達(dá)，并增強(qiáng)其對(duì)LPS的反應(yīng)程度。由此提示沙美特羅除了對(duì)支氣管有擴(kuò)張作用外，還可能對(duì)提高患者氣道的防御功能有一定幫助。

因此，TLRs的發(fā)現(xiàn)使機(jī)體的天然免疫防御機(jī)制的研究達(dá)到了一個(gè)新的水平，對(duì)TLRs傳導(dǎo)通路的進(jìn)一步研究可以更好地了解機(jī)體識(shí)別、抵御病原體侵入的分子機(jī)制。但目前TLRs對(duì)COPD相關(guān)機(jī)制探討的研究多停留在實(shí)驗(yàn)室或動(dòng)物模型水平，而在患者體內(nèi)的表達(dá)情況及其在氣道慢性炎癥過程中的具體作用需進(jìn)一步探討。

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