熱應(yīng)激引起動物炎癥反應(yīng)的研究進(jìn)展

劉宇宸,王向明,萬平民,高 景,張軼鳳,王定發(fā),齊智利

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院,湖北 武漢430070;2.武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所,湖北 武漢 430070)

熱應(yīng)激一直是限制畜牧業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素,是國內(nèi)外的研究熱點,隨著全球氣溫的升高,熱應(yīng)激給畜牧業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。當(dāng)外界環(huán)境溫度超過機(jī)體自身調(diào)節(jié)能力時,會引發(fā)機(jī)體產(chǎn)生一系列的免疫應(yīng)答反應(yīng),即熱應(yīng)激。動物如果長時間處于熱應(yīng)激狀態(tài)會導(dǎo)致免疫器官萎縮,特異性細(xì)胞免疫和體液免疫功能受到抑制,非特異性免疫能力大大降低[1],促進(jìn)炎性介質(zhì)的釋放,誘導(dǎo)白細(xì)胞分泌活性氧,使一系列炎性因子如腫瘤壞死因子-α(Tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白細(xì)胞介素(Interleukin,IL)-1β和IL-6等的表達(dá)上調(diào),并在粘附因子和趨化因子的作用下激活白細(xì)胞向受感染或損傷的部位聚集,從而引發(fā)炎癥反應(yīng),最終導(dǎo)致動物發(fā)病甚至死亡[2]。因此本文就熱應(yīng)激在免疫細(xì)胞、炎性介質(zhì)、粘附因子和趨化因子3個方面對炎癥反應(yīng)的作用機(jī)理進(jìn)行綜述。

圖1 TLR-4介導(dǎo)的LPS信號傳導(dǎo)

1 熱應(yīng)激與免疫細(xì)胞

巨噬細(xì)胞、肥大細(xì)胞和嗜中性粒細(xì)胞被認(rèn)為是炎癥反應(yīng)的主要免疫細(xì)胞。肥大細(xì)胞廣泛分布于皮膚和內(nèi)臟黏膜微血管周圍,是天然炎癥反應(yīng)的最初反應(yīng)細(xì)胞[3]。該細(xì)胞通過釋放多種炎性介質(zhì)、趨化因子和生長因子等,啟動宿主對病原體的免疫應(yīng)答和炎癥反應(yīng)。當(dāng)機(jī)體處于熱應(yīng)激條件時,激活肥大細(xì)胞釋放大量組胺和其他炎性介質(zhì),增加血管通透性,黏膜充血、水腫,引起炎癥反應(yīng);同時隨著肥大細(xì)胞的逐漸增多,其釋放的炎性介質(zhì)也會逐漸增多而暴發(fā)瀑布效應(yīng),加速炎癥反應(yīng)的發(fā)生[4]。

巨噬細(xì)胞是一種多功能免疫細(xì)胞,是機(jī)體對感染源等發(fā)生排斥的第二線細(xì)胞,在全身性炎癥反應(yīng)中通過分泌多種生長因子、趨化因子、炎性因子和免疫調(diào)節(jié)因子等發(fā)揮作用[5]。研究發(fā)現(xiàn),熱應(yīng)激通過促進(jìn)NLRP3炎性小體的形成激活半胱氨酸天冬氨酸酶-1(Caspase-1),促使巨噬細(xì)胞釋放IL-1β,使外周血中的IL-1β的含量明顯升高[6],從而使局部的器官組織受到炎性迫害引發(fā)炎癥反應(yīng)。

嗜中性粒細(xì)胞是一類具有趨化、吞噬和殺菌作用的炎癥細(xì)胞,是機(jī)體抵御微生物病原體入侵的第一道免疫屏障,當(dāng)機(jī)體處于感染、缺血環(huán)境時被激活而產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)[7]。嗜中性粒細(xì)胞被激活后,一方面可通過其內(nèi)的溶酶體酶將吞噬的病原體分解;另一方面,通過釋放具有強(qiáng)氧化功能的活性氧和蛋白水解酶,使機(jī)體發(fā)生炎癥反應(yīng)。當(dāng)機(jī)體處于熱應(yīng)激條件時,嗜中性粒細(xì)胞的凋亡加速,對抗IL-6等炎性因子對嗜中性粒細(xì)胞凋亡的抑制作用[8],凋亡的嗜中性粒細(xì)胞被巨噬細(xì)胞識別后,打破機(jī)體的第一道免疫屏障,抑制機(jī)體的免疫功能,引發(fā)炎癥反應(yīng)。

2 熱應(yīng)激與炎性介質(zhì)

在急性炎癥反應(yīng)中的炎性因子會直接作用于血管內(nèi)皮,引起損傷使血管通透性增加。但許多炎性因子不直接作用于組織,而是通過內(nèi)源性化學(xué)因素導(dǎo)致機(jī)體損傷和炎癥反應(yīng),因此也被稱為化學(xué)介質(zhì)或炎癥介質(zhì)。

2.1 外源性炎性介質(zhì) 內(nèi)毒素是炎癥反應(yīng)中發(fā)揮主要作用的外源性炎性介質(zhì),是革蘭陰性菌細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)成分,主要成分是脂多糖(Iipopolysaccharide,LPS)。以腸道為例,正常情況下,絕大多數(shù)內(nèi)毒素被腸道屏障阻隔在腸道內(nèi)。研究表明,熱應(yīng)激可顯著降低機(jī)體超氧化物歧化酶(Superoxide Dismutase,SOD)和谷胱甘肽過氧化物酶(Glutathione peroxidase,GSH-Px)活性,導(dǎo)致供氧不足而引起腸屏障功能受損[9],內(nèi)毒素穿過腸系膜淋巴結(jié)、門靜脈系統(tǒng),進(jìn)入體循環(huán)而使血清中的內(nèi)毒素含量急劇升高[10]。

LPS進(jìn)入血液后,與結(jié)合蛋白(Lipopolysaccharide binding protein,LBP)、特異性受體CD14結(jié)合形成復(fù)合物后被單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞等識別,通過Toll樣受體(Toll-like receptor,TLR)將胞漿內(nèi)的信號轉(zhuǎn)錄因子如(Nuclear factor kB,NF-kB)磷酸化?；罨木奘杉?xì)胞分泌大量的細(xì)胞因子(TNF-α、IL-6等)、粘附因子、氧自由基等。同時,嗜中性粒細(xì)胞聚集到血管中,導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞損傷后浸潤組織[11],被浸潤的組織通過呼吸暴發(fā)產(chǎn)生大量的炎性介質(zhì)和自由基,破壞腸道屏障,大量內(nèi)毒素再次進(jìn)入體循環(huán)而產(chǎn)生“瀑布式炎癥級聯(lián)反應(yīng)”,引發(fā)全身性炎癥反應(yīng)。

2.2 內(nèi)源性炎性介質(zhì) 參與炎癥反應(yīng)的內(nèi)源性炎性介質(zhì)主要有前列腺素(Prostaglandin,PG)、白細(xì)胞三烯(Leukotriene,LT)、組胺及炎性細(xì)胞因子等。

2.2.1 熱應(yīng)激與 PG、LT及組胺 花生四烯酸(Arachidonic acid,AA)是一種不飽和脂肪酸,其代謝產(chǎn)物PG、LT是AA經(jīng)環(huán)氧化酶和脂氧化酶途徑代謝而生成的[12],它們都可介導(dǎo)炎癥反應(yīng)并維持體內(nèi)平衡。在生理濃度下,一方面,血管擴(kuò)張劑PG能增強(qiáng)組胺和緩激肽的通透性,而LT可在急性炎癥反應(yīng)期間促進(jìn)白細(xì)胞積聚;另一方面,前列腺素的代謝產(chǎn)物如環(huán)戊烯酮前列腺素,可以通過抑制NF-kB激活來減輕急性炎癥[13]。因此,花生四烯酸氧合產(chǎn)物可誘導(dǎo)或消除由細(xì)菌感染引起的急性炎癥的多重效應(yīng)。研究表明,當(dāng)人、鼠等處于熱應(yīng)激狀態(tài)時,機(jī)體免疫功能下降,熱應(yīng)激通過刺激磷脂酶的活性使AA代謝途徑增強(qiáng),并伴隨著環(huán)加氧酶產(chǎn)物PGE2、PGF2α和5-脂氧合酶代謝物L(fēng)TB4的加速積累[14]。AA及代謝物可能參與熱應(yīng)激引起的細(xì)胞毒性作用,激活NF-kB通路,PG作為血管擴(kuò)張劑可通過增強(qiáng)血管通透性,使體內(nèi)炎性介質(zhì)大量釋放,同時LT促使白細(xì)胞等在受感染部位活化、聚集,加劇炎癥反應(yīng)的發(fā)生[15]。

組胺是一種在組織中以無活性的形式存在于肥大細(xì)胞和嗜堿性粒細(xì)胞顆粒中的自體活性物質(zhì)之一[16],激活后可與淋巴細(xì)胞、巨噬細(xì)胞及存在于反應(yīng)部位的其他免疫細(xì)胞相互作用,調(diào)節(jié)機(jī)體免疫、炎癥反應(yīng)。研究表明,組胺可通過NF-kB通路顯著提高瘤胃上皮細(xì)胞中p65的表達(dá),進(jìn)而提高TNF-α、IL-6和IL-1β的濃度及其mRNA的表達(dá),引發(fā)炎癥。此外,Ahmad等人報道,熱應(yīng)激時機(jī)體肥大細(xì)胞和組胺含量明顯升高,激活NF-kB通路[17],釋放多種炎性介質(zhì),加重炎癥反應(yīng)。

2.2.2 熱應(yīng)激與炎性因子 炎性因子(IL-1、IL-6和TNF-α)主要是參與免疫反應(yīng)和全身炎癥反應(yīng)的多肽類物質(zhì)。IL-1是熱應(yīng)激最常見的細(xì)胞因子之一,被認(rèn)為是免疫系統(tǒng)與下丘腦-垂體-腎上腺軸系統(tǒng)的重要橋梁。TNF-α是由單核巨噬細(xì)胞產(chǎn)生的具有免疫調(diào)節(jié)功能的炎性因子,在機(jī)體抵抗感染和通過免疫調(diào)節(jié)維持正常生理功能時起著重要作用,但當(dāng)TNF-α產(chǎn)生過多或持續(xù)釋放時,會刺激發(fā)熱中樞,引起機(jī)體發(fā)熱甚至休克。研究發(fā)現(xiàn),機(jī)體發(fā)生炎癥時血清IL-6的水平顯著升高,有利于受感染病毒的清除[18]。當(dāng)機(jī)體受到環(huán)境中有害刺激時,肥大細(xì)胞、巨噬細(xì)胞等機(jī)體內(nèi)免疫細(xì)胞誘導(dǎo)大量內(nèi)外源性炎性介質(zhì)向感染部位遷移并聚集,這些炎性介質(zhì)可通過正反饋通路形成瀑布效應(yīng)和細(xì)胞因子風(fēng)暴,不斷擴(kuò)大機(jī)體炎癥反應(yīng)。

近幾年的研究發(fā)現(xiàn),革蘭陰性菌外膜釋放的LPS所誘導(dǎo)的NF-kB通路與TLRs家族密切相關(guān),而TLR是先天性免疫防御反應(yīng)的關(guān)鍵組成部分,其可識別微生物的特定結(jié)構(gòu)如脂多糖等[19]。如中插彩版圖1,熱應(yīng)激時,LPS刺激血清中TLR-4的表達(dá)顯著上調(diào),進(jìn)而激活TLR-4信號通路促進(jìn)炎性介質(zhì)的表達(dá)[20]。LPS在進(jìn)入宿主血液后,與類脂A和LBP結(jié)合,然后結(jié)合血漿中可溶性 CD14或膜CD14。然而,CD14需要與MD-2和TLR-4結(jié)合生成復(fù)合物,才可進(jìn)入細(xì)胞并激活下游的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。TLR-4可進(jìn)行相類似的胞內(nèi)信號傳導(dǎo),其信號傳遞分子處于胞內(nèi)的 IL-IR同源結(jié)構(gòu)下游[21]。TLRs接收相應(yīng)信號后通過在胞漿內(nèi)募集接頭蛋白髓樣分化蛋白(Myeloiddifferentiationpmtein,MyD88)和IL-1受體相關(guān)激酶家族(IL-1 receptor associated kinase,IRAK)的絲氨酸/蘇氨酸激酶自動磷酸化,激活腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子6(Tumor necrosis factor-associated factor-6,TRAF6)并與之形成復(fù)合物,同時激活轉(zhuǎn)移生長因子 β活性激酶(Transforming growth factor activated kinase1,TAK1)及其結(jié)合蛋白(TAKl binding protein,TAB1/2)與TRAF6結(jié)合形成TRAF-6-TAK1-TAB1/2復(fù)合物[22],該復(fù)合物可激活并啟動MEKK4和應(yīng)急活化蛋白激酶JNK1信號通路,同時可激活p38的磷酸化激酶MKK3和MKK6,從而刺激促炎因子的分泌。TRAF6還可刺激復(fù)合物從而啟動NF-kB對激酶(NF-kB-inducing kinase,NIK)的誘導(dǎo),同時,Toll信號進(jìn)化保守中介分子(Evolutionarily conserved signaling intermediated in toll pathways,ECSIT)激活MEKK1,NF-kB抑制物的激酶(Inhibitor of NF-kB kinases,IKKs)在NIK和MEKK1的共同作用下被激活。在IKK復(fù)合體(IKKα、IKKβ及IKKγ)的作用下,IkB磷酸化后與NF-kB分離,NF-kB持續(xù)活化并進(jìn)入核內(nèi)[23],分泌大量的促炎性因子IL-1、TNF-α等,引起全身性炎癥反應(yīng)。

3 熱應(yīng)激與粘附、趨化因子

粘附、趨化因子在白細(xì)胞遷移過程中發(fā)揮著十分重要的作用。粘附因子按其結(jié)構(gòu)特點分為整合素、選擇素、免疫球蛋白類分子及鈣調(diào)素,在細(xì)胞和細(xì)胞之間、細(xì)胞與基質(zhì)之間、細(xì)胞-基質(zhì)-細(xì)胞之間,以配體-受體的形式發(fā)揮其作用[25];趨化因子是一類對白細(xì)胞具有趨化作用的小分子蛋白質(zhì),通過與其受體(G蛋白偶聯(lián)受體)結(jié)合后發(fā)揮生物效應(yīng),一方面可直接作用于白細(xì)胞誘導(dǎo)粘附因子在內(nèi)皮表面細(xì)胞的表達(dá),募集更多的免疫細(xì)胞穿過血管壁在感染部位聚集;另一方面間接誘導(dǎo)血管內(nèi)皮細(xì)胞、膠質(zhì)細(xì)胞和巨噬細(xì)胞等生成多種趨化因子,并向受感染或損傷部位聚集,引起炎癥反應(yīng)[26]。研究表明[27],當(dāng)機(jī)體處于熱應(yīng)激條件時,由于熱適應(yīng)尚未形成,白細(xì)胞和淋巴細(xì)胞數(shù)明顯低于非應(yīng)激期,白細(xì)胞的遷移、趨化作用減弱,說明機(jī)體的免疫功能下降,可能發(fā)生炎癥。同時熱應(yīng)激激活NF-kB通路,趨化因子將各種免疫細(xì)胞募集到炎癥部位,促使巨噬細(xì)胞等釋放大量炎性介質(zhì),在機(jī)體抵抗力弱時侵入感染組織,擴(kuò)大機(jī)體炎癥反應(yīng)及組織損傷。

4 展望

熱應(yīng)激狀態(tài)下炎性介質(zhì)分泌增多從而引發(fā)炎癥反應(yīng),本文就熱應(yīng)激如何引起炎癥反應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)闡述,可作為緩解熱應(yīng)激的切入點。但目前熱應(yīng)激對粘附、趨化因子影響的研究較少,且多是在白細(xì)胞遷移過程中發(fā)揮作用。而熱應(yīng)激對機(jī)體的影響機(jī)制還不完善,今后還需進(jìn)一步探索其在各種信號通路中的作用機(jī)理,為采取營養(yǎng)調(diào)控手段降低熱應(yīng)激對動物生產(chǎn)性能及繁殖性能的危害、降低炎癥反應(yīng)的發(fā)生及保障動物健康提供科學(xué)依據(jù)。