Toll樣受體4與2型糖尿病及其心血管并發(fā)癥

曹柳 劉寬芝

Toll樣受體4(Toll-like receptor 4，TLR4)是模式識別受體之一，可特異地識別病原體相關(guān)分子模式，激活細胞信號轉(zhuǎn)導途徑，從而導致一系列的炎癥和免疫反應的發(fā)生。TLR4在2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)及其心血管并發(fā)癥的發(fā)生、發(fā)展過程中具有重要作用，本文就其近年來的研究進展作一綜述。

1 TLR4簡介

1.1 TLR4的結(jié)構(gòu)、分布及配體 TLR4是 Medzhitov等［1］于1997年首次發(fā)現(xiàn)的人類第一種Toll樣受體蛋白，屬于I型跨膜受體，由胞外區(qū)、跨膜區(qū)和胞內(nèi)區(qū)組成。其胞外區(qū)由24個串聯(lián)的富含亮氨酸的重復序列組成，主要作用是識別配體;其胞內(nèi)區(qū)有一段序列保守區(qū)，與白細胞介素1受體1(inter leuldn-1 receptor 1，IL-1R1)的胞內(nèi)區(qū)相似，被稱為TIR區(qū)(TLR/IL-R1 homologous region)，負責活化信號的轉(zhuǎn)導。

TLR4廣泛分布于免疫細胞和非免疫細胞中，如內(nèi)皮細胞、單核巨噬細胞、心肌細胞、肥大細胞、腸上皮細胞等。研究發(fā)現(xiàn)胰島內(nèi)分泌細胞中也有TLR4分布［2］。

TLR4的配體包括外源性和內(nèi)源性配體兩種。其主要的外源性配體為病原微生物表達的自身特定分子結(jié)構(gòu)，即病原體相關(guān)分子模式，如脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)、肽聚糖、非甲基化的胞嘧啶、磷酸鳥嘌呤基序、活結(jié)核桿菌的某些成分等。內(nèi)源性熱休克蛋白60是第一個被報道的內(nèi)源性TLR4配體［3］。隨著研究的深入，表面活性劑A、透明質(zhì)烷低聚糖、硫酸肝素片段、纖維蛋白原肽、β防御素2、纖連蛋白的額外域等內(nèi)源性配體也相繼被報道［4］。這些內(nèi)源性配體大部分是機體受損處或處于應激狀態(tài)的細胞產(chǎn)生的。

1.2 TLR4信號轉(zhuǎn)導通路 TLR4對某些配體的識別需要CD14和髓樣分化蛋白2(myeloid differentiatial protein 2，MD2)的協(xié)同作用，CD14必需通過TLR4才能激活細胞內(nèi)的信號級聯(lián)反應，MD2可提高TLR4對LPS的敏感性，且可增加TLR4受體的穩(wěn)定性。TLR4的信號轉(zhuǎn)導途徑可大體分為髓樣分化蛋白88(myeloid differentiatial protein 88，MyD88)依賴性和MyD88非依賴性途徑，前者主要通過一系列反應引起核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)易位進入細胞核內(nèi)，從而誘導炎性細胞因子的產(chǎn)生;而后者主要負責LPS誘導的干擾素誘導性蛋白10、糖皮質(zhì)激素終止反應基因16、干擾素調(diào)節(jié)基因1的表達和樹突狀細胞的成熟。

2 TLR4與T2DM

Bagarolli等［5］研究表明 TLR4 基因 Asp299Gly、Thr399Ile多態(tài)性，可降低TLR4對LPS的反應，從而防止T2DM的發(fā)生。而胡文超等［6］對天津地區(qū)365例T2DM患者及95例健康人的研究卻表明，TLR4基因Asp299Gly、Thr399Ile多態(tài)性與T2DM無明顯相關(guān)性。上述研究的不同結(jié)果可能與種族的差異和遺傳背景的不同有關(guān)。C3H/HeJ小鼠(TLR4基因功能喪失的小鼠)Ikappa B激酶復合物和c-Jun氨基末端激酶活性較對照組下降，且胰島素抵抗亦明顯減輕［7］，說明TLR4信號轉(zhuǎn)導通路可能參與胰島素抵抗(insulin resistance，IR)的發(fā)生，而IR又是T2DM的重要發(fā)病機制之一。Kim等［8］發(fā)現(xiàn)用棕櫚酸孵育的人微血管內(nèi)皮細胞，NF-κB抑制蛋白激酶β活化，從而抑制了胰島素的信號傳遞，降低了胰島素的敏感性，這說明TLR4-NF-κB信號轉(zhuǎn)導途徑可通過影響胰島素信號通路而引起IR，參與T2DM的發(fā)生。

T2DM患者單核細胞TLR4 mRNA較對照組顯著增多［9］，表明T2DM中TLR4信號轉(zhuǎn)導通路作用增強。T2DM患者存在體重增加、IR、血糖升高、氧化應激增強等，這些可使TLR4內(nèi)源性配體熱休克蛋白60、游離脂肪酸、內(nèi)毒素、透明質(zhì)酸、纖維蛋白原等增多，從而激活TLR4信號通路。T2DM患者細胞本身的功能異常也可使TLR4信號通路的作用增強。在單核細胞，升高的游離脂肪酸可通過釋放過量的超氧陰離子、增強NF-κB的活性和誘導促炎因子的釋放而使高糖誘導的TLR4表達增加［10］。

3 TLR4與T2DM心血管并發(fā)癥

3.1 動脈粥樣硬化 T2DM心血管并發(fā)癥的主要病理表現(xiàn)為動脈粥樣硬化(atherosclerosis，AS)，TLR4介導的炎癥和免疫反應在AS的形成、進展以及斑塊破裂等各個環(huán)節(jié)均發(fā)揮重要作用。Hodgkinson等［11］建立小鼠和人的糖尿病模型，發(fā)現(xiàn)在TLR4功能喪失的小鼠巨噬細胞和人冠狀動脈內(nèi)皮細胞，糖化低密度脂蛋白刺激合成的炎性細胞因子顯著下降，從而AS的發(fā)生率也下降，提示TLR4介導的炎性反應與糖尿病AS的發(fā)生有關(guān)。研究顯示內(nèi)皮細胞中的氧化型低密度脂蛋白能被TLR4識別，從而引起白細胞介素8的分泌［12］，提示氧化應激可通過TLR4致內(nèi)皮功能紊亂，進而促進AS的形成。Grenier等［13］發(fā)現(xiàn)LPS可通過激活TLR4介導的炎性反應，使基質(zhì)金屬蛋白酶9、蛋白水解酶表達，從而降解細胞外基質(zhì)，使AS的斑塊脆性增加而易于破裂，提示TLR4介導的炎性反應與AS斑塊的不穩(wěn)定密切相關(guān)。

3.2 高血壓 Eissler等［14］發(fā)現(xiàn)與對照組比較，自發(fā)性高血壓大鼠TLR4、腫瘤壞死因子α、白細胞介素6的表達均明顯增強，通過硝基精氨酸甲酯誘發(fā)的高血壓大鼠TLR4的表達和活性亦明顯增強，提示TLR4介導的炎性反應參與高血壓的發(fā)生。Heo等［15］研究發(fā)現(xiàn)LPS可激活TLR4介導的信號轉(zhuǎn)導通路，使人體主動脈平滑肌細胞中的一氧化氮、白細胞介素8、血管內(nèi)皮生長因子、血管細胞黏附分子l、細胞間黏附分子1水平升高，從而導致血管內(nèi)皮功能紊亂，促進高血壓的發(fā)生。此外，T2DM患者體內(nèi)TLR4信號轉(zhuǎn)導通路介導的IR在高血壓的發(fā)生中也起著重要的作用。IR引起的高胰島素血癥能使腎臟鈉排泄下降，從而導致水鈉潴留;能使交感神經(jīng)系統(tǒng)和腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)活性亢進，還能通過胰島素樣生長因子使動脈平滑肌細胞增生，從而導致動脈內(nèi)膜增厚、管腔狹窄、阻力增加，進而發(fā)生高血壓。

3.3 心肌梗死(myocardial infarction，MI) MI的發(fā)生與炎性反應密切相關(guān)。在急性MI患者的和單核細胞，TLR4的表達水平均顯著升高［16］。Ishikawa等［17］研究表明與對照組比較，急性MI患者單核細胞TLR4的表達不僅在全身血液循環(huán)中明顯增加，而且在AS斑塊破裂處亦明顯增加。Timmers等［18］研究發(fā)現(xiàn)TLR4缺陷的急性MI小鼠，與正常的急性MI小鼠比較，在梗死區(qū)域中膠原密度增加伴隨的巨噬細胞浸潤較少，炎性調(diào)節(jié)細胞因子的表達較少，基質(zhì)金屬蛋白酶2和9的活性也減弱;在非梗死區(qū)域，間質(zhì)纖維化和心肌肥厚亦減弱。上述研究均提示TLR4介導的炎性反應可能是急性MI的發(fā)病機制之一。TLR4基因的多態(tài)性可能對MI的易感性有影響。近來研究發(fā)現(xiàn)，TLR4的等位基因299G可使他汀類藥物對MI的治療作用降低，使吸煙男性患MI的危險性增加［19］。

3.4 心力衰竭 心力衰竭的發(fā)病機制非常復雜，其中包括炎性反應。在心力衰竭患者中，TLR4及其下游的白細胞介素1受體相關(guān)激酶和 NF-κB信號通路分子均表達增加［20］，提示TLR4介導的炎性反應參與心力衰竭的發(fā)生。Satoh等［21］研究發(fā)現(xiàn)與急性MI后無心力衰竭者相比，急性MI后心力衰竭者TLR4和血漿炎性細胞因子，如白細胞介素6、粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子、腫瘤壞死因子α等水平均明顯升高，表明從MI到心力衰竭的演變中TLR4信號轉(zhuǎn)導通路發(fā)揮著重要的作用。致命的炭疽毒素可通過自噬誘導心臟收縮功能障礙，而Kandadi等［22］研究發(fā)現(xiàn)使用小干擾RNA而不是自噬抑制劑敲除TLR4后，可明顯減弱甚至消除炭疽毒素誘導的自噬，這說明TLR4介導的炎性反應在炭疽毒素誘導的心臟收縮功能障礙中起著關(guān)鍵的作用。

4 干預TLR4信號通路

4.1 改善生活方式 改善生活方式首先是戒煙。吸煙可導致TLR4介導的炎性反應的激活，又是T2DM的危險因素之一，且與糖尿病心血管事件的發(fā)生密切相關(guān)。其次是控制飲食，防止肥胖。高脂高碳水化合物飲食可導致血中脂多糖濃聚物增加，進而激活TLR4信號轉(zhuǎn)導通路，導致IR;相反，富含纖維和水果的飲食則不會引起這樣的變化［23］。第三，加強運動。體育鍛煉和高強度的體力活動可通過影響TLR4信號轉(zhuǎn)導通路而發(fā)揮抗炎作用。Oliveira等［24］研究表明體育鍛煉可降低肥胖大鼠血清LPS水平，進而抑制其肝臟、肌肉、脂肪組織中的TLR4信號通路，提高其組織對胰島素的敏感性。

4.2 糾正代謝紊亂 高脂高碳水化合物飲食可使LPS、TLR4、腫瘤壞死因子α、白細胞介素1β表達增加，引起氧化應激和炎性反應［25］，提示高脂高糖可激活TLR4信號轉(zhuǎn)導通路。Reyna等［26］研究發(fā)現(xiàn)棕櫚酸可使T2DM患者體內(nèi)TLR4、白細胞介素6、超氧化物歧化酶2表達增加，從而激活I(lǐng)κB/NF-κB信號途徑，這說明游離脂肪酸可作為配體激活TLR4信號轉(zhuǎn)導通路。因此，降糖、調(diào)脂可通過抑制TLR4、降低炎性反應防止T2DM及其心血管并發(fā)癥的發(fā)生、發(fā)展。

4.3 抗炎藥物的應用 他汀類藥物可降低T2DM患者心血管事件的發(fā)生率，除調(diào)脂、抗血栓外，可能還與其抗炎作用有關(guān)。Satoh等［27］用let-7i轉(zhuǎn)染的人THP-1細胞試驗表明，阿托伐他汀可通過let-7i的表達下調(diào)冠狀動脈疾病患者的TLR4信號，從而發(fā)揮抗炎作用。桂皮醛可通過抑制TLR-NF-κB信號轉(zhuǎn)導通路而減少血漿TLR4、一氧化氮、NF-κB等的表達，從而對病毒性心肌炎起治療作用［28］。Zhang等［29］研究發(fā)現(xiàn) TLR4小干擾RNA可明顯降低糖尿病小鼠TLR4 mRNA的表達水平，抑制活性氧的產(chǎn)生和NADPH氧化酶的活化，從而抑制心肌細胞凋亡的級聯(lián)反應，表明通過TLR4基因沉默可預防高血糖癥誘導的心肌細胞凋亡。Du等［30］研究發(fā)現(xiàn)煙曲霉文C可通過抑制巨噬細胞TLR4及NF-κB信號轉(zhuǎn)導通路而發(fā)揮抗炎作用，其有望成為AS抗炎治療的一個新藥。

TLR4基因在炎癥和免疫反應中起著要作用，其在T2DM及其心血管并發(fā)癥中的作用也越來越引起人們的重視。對TLR4信號轉(zhuǎn)導通路中某些環(huán)節(jié)的干預也正成為研究熱點，但大多還處在實驗探索階段。相信隨著對TLR4研究的進一步深入，會為T2DM及其心血管并發(fā)癥的防治帶來新思路。

1 Medzhitov R，Janeway CAJ，Preston-Hurburt P.A human homologue of the Drosophila Toll protein signals activation of adaptive immunity.Nature，1997，388：394-397.

2 Vives-Pi M，Somoza N，F(xiàn)ernandez-Alvarez J，etal.Evidence of expression of endotoxin receptors CD14，toll-like receptors TLR4 and TLR2 and associated molecule MD-2 and of sensitivity to endotoxin(LPS)in islet beta cells.Clin Exp Immunol，2003，133：208-218.

3 Ohashi K，Burkart V，F(xiàn)lohe S，etal.Cutting edge：heat shock protein 60 is a putative endogenous ligand of the toll-like receptor-4 complex.JImmunol，2000，164：558-561.

4 Sabroe I，Read RC，Whyte MK，etal.Toll-like receptors in health and disease：complex questions remain.JImmunol，2003，171：1630-1635.

5 Bagarolli RA，Saad MJ，Saad ST.Toll-like receptor 4 and inducible nitric oxide synthase gene polymorphisms are associated with type 2 diabetes.J Diabetes Complications，2010，24：192-198.

6 胡文超，劉德敏，孫穎，等.PPARγ、TLR4基因多態(tài)性與2型糖尿病的相關(guān)性研究.天津醫(yī)藥，2008，36：167-169.

7 Tsukumo DM，Carvalho-Filho MA，Carvalheira JB，etal.Loss-of-function mutation in Toll-like receptor 4 prevents diet-induced obesity and insulin resistance.Diabetes，2007，56：1986-1998.

8 Kim F，Pham M，Luttrell I，etal.Toll-like receptor 4 mediates vascular inflammation and insulin resistance in diet-induced obesity.Circ Res，2007，100：1589-1596.

9 Dasu MR，Devaraj S，Park S，etal.Increased toll-like receptor(TLR)activation and TLR ligands in recently diagnosed type 2 diabetic subjects.Diabetes Care，2010，33：861-868.

10 Dasu MR，Jialal I.Freefatty acids in the presence of high glucoseamplify monocyte inflammation via Toll-like receptors.Am JPhysiol Endocrinol Metab，2011，300：E145-E154.

11 Hodgkinson CP，Laxton RC，Patel K，etal.Advanced glycation endproduct of low density lipoprotein activates the toll-like 4 receptor pathway implications for diabetic atherosclerosis.Arterioscler Thromb Vasc Biol，2008，28：2275-2281.

12 Walton KA，Hsieh X，Gharavi N，etal.Receptors involved in the oxidized 1-palmitoy 1-2-arachidonoy1-sn-glycero-3-phosphorylcholine-mediated synthesis of interleukin-8.A role for Toll-like receptor 4 and a glycosylphosphatidylinositol-anchored protein.J Biol Chem，2003，278：29661-29666.

13 Grenier D，Grignon L.Response of human macrophage-like cells to stimulation by Fusobacterium nucleatum ssp.nucleatum lipopolysaccharide.Oral Microbiol Immunol，2006，21：190-196.

14 Eissler R，Schmaderer C，Rusai K，etal.Hypertension augments cardiac Toll-like receptor 4 expression and activity.Hypertens Res，2011，34：551-558.

15 Heo SK，Yun HJ，Noh EK，etal.LPSinduces inflammatory responses in human aortic vascular smooth muscle cells via Toll-like receptor 4 expression and nitric oxide production.Immunol Lett，2008，120：57-64.

16 Kashiwagi M，Imanishi T，Ozaki Y，etal.Differential expression of Tolllike receptor 4 and human monocyte subsets in acute myocardial infarction.Atherosclerosis，2012，221：249-253.

17 Ishikawa Y，Satoh M，Itoh T，etal.Local expression of Toll-like receptor 4 at the site of ruptured plaques in patients with acute myocardial infarction.Clin Sci(Lond)，2008，115：133-140.

18 Timmers L，Sluijter JP.Toll-like receptor 4 mediates maladaptive left ventricular remodeling and impairs cardiac function after myocardial infarction.Circ Res，2008，102：257-264.

19 Balistreri CR，Candore G，Colonna-Romano G，etal.Role of Toll-like receptor 4 in acute myocardial infarction and longevity.JAm Med Assoc，2004，292：2339-2340.

20 Tillmanns J，Carlsen H，Blomhoff R，etal.Caught in the act：in vivo molecular imaging of the transcription factor NF-Kappa B after myocardial infarction.Biochem Biophys Res Commun，2006，342：773-774.

21 Satoh M，Shimoda Y，Maesawa C，etal.Activated toll-like receptor 4 in monocytes is associated with heart failure after acute myocardial infarction.Int J Cardiol，2006，109：226-234.

22 Kandadi MR，F(xiàn)rankel AE，Ren J.Toll-like receptor 4 knockout protects against anthrax lethal toxin-induced cardiac contractile dysfunction：role of autophagy.Br J Pharmacol，2012，167：612-626.

23 Ghanim H，Abuaysheh S，Sia CL，etal.Increase in plasma endotoxin concentrations and the expression of Toll-like receptors and suppressor of cytokine signaling-3 in mononuclear cells after a high-fat，high-carbohydrate meal：implications for insulin resistance.Diabetes Care，2009，32：2281-2287.

24 Oliveira AG，Carvalho BM，Tobar N，etal.Physical exercise reduces circulating lipopolysac-charide and TLR4 activation and improves insulin signaling in tissues of DIO rats.Diabetes，2011，60：784-796.

25 Deopurkar R，Ghanim H，F(xiàn)riedman J，etal.Differential effects of cream glucose and orange juice on inflammation，endotoxin，and the expression of Toll-like receptor-4 and suppressor of cytokine signaling-3.Diabetes Care，2010，33：991-997.

26 Reyna SM，Ghosh S，Tantiwong P，etal.Elevated toll-like receptor 4 expression and signaling in muscle from insulin-resistant subjects.Diabetes，2008，57：2595-2602.

27 Satoh M，Tabuchi T，Minami Y，etal.Expression of let-7i is associated with Toll-like receptor 4 signal in coronary artery disease：effect of statins on let-7i and Toll-like receptor 4 signal.Immunobiology，2012，217：533-539.

28 Ding Y，Qiu L，Zhao G，etal.Influence of cinnamaldehyde on viral myocarditis in mice.Am JMed Sci，2010，340：114-120.

29 Zhang Y，Peng T，Zhu H，etal.Prevention of hyperglycemia-induced myocardial apoptosis by gene silencing of Toll-like receptor-4.J Transl Med，2010，8：133.

30 Du RH，Li EG，Cao Y，etal.Fumigaclavine C inhibits tumor necrosis factorαproduction via suppression of toll-like receptor 4 and nuclear factorκB activation in macrophages.Life Sci，2011，89：235-240.