TLR4在神經(jīng)炎癥及其介導(dǎo)的神經(jīng)退行性疾病中的作用①

金毅然 邵寶平 丁艷平 張晉平

(西北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，蘭州730070)

神經(jīng)炎癥是發(fā)生在中樞神經(jīng)系統(tǒng)(Central nervous system，CNS)的一種炎癥反應(yīng)。近來研究表明神經(jīng)炎癥與多種神經(jīng)退行性疾病如阿爾茲海默癥(Alzheimer′s disease,AD)、帕金森癥(Parkinson′s disease,PD)和肌萎縮側(cè)索硬化癥(Amyotrophic lateral sclerosis,ALS)等的發(fā)生和發(fā)展有密切的關(guān)系[1]。在神經(jīng)炎癥發(fā)展過程中，神經(jīng)細(xì)胞表達(dá)各種促炎細(xì)胞因子。Toll-like受體4(Toll-like receptor 4，TLR4)是一種獨(dú)特的模式識別受體(Pattern recognition receptor,PRR)，廣泛存在于神經(jīng)細(xì)胞中[2]。它識別并結(jié)合相應(yīng)的病原相關(guān)分子模式(Pathogen-associated molecular patterns,PMAPs)引發(fā)機(jī)體天然免疫應(yīng)答，誘導(dǎo)炎性反應(yīng)。神經(jīng)炎癥引發(fā)TLR4表達(dá)水平上調(diào)，參與CNS病理生理過程[3]。 該文綜述了TLR4在神經(jīng)炎癥中的激活和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，闡述了TLR4與神經(jīng)炎癥的關(guān)系及其在神經(jīng)退行性疾病中的作用機(jī)制。最后，提出抑制TLR4作為藥物靶點(diǎn)的應(yīng)用前景，為促進(jìn)TLR4發(fā)展為一種新的治療靶點(diǎn)提供基礎(chǔ)資料。

1 TLR4信號通路

天然免疫通過TLRs識別病原微生物，所有的TLR都有一個Toll-白細(xì)胞介素1受體域(Toll-interleukin 1 receptor domain,TIR)負(fù)責(zé)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。當(dāng)TLRs識別PMAPs后，發(fā)生二聚化，進(jìn)而構(gòu)象改變(圖1)，募集下游的接頭蛋白分子。TLR4主要有兩條途徑：一條是髓樣分化因子88 (Myeloid differentiation factor 88,MyD88)途徑，另一條是MyD88非依賴途徑[4]。胞外信號傳遞到胞內(nèi)，胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域TIR與MyD88的羥基端結(jié)合，同時MyD88氨基端再與IL-1受體相關(guān)激酶4(IL-1 receptor-associated kinase 4,IRAK4)結(jié)合，激活I(lǐng)RAKs。IRAK4磷酸化后與MyD88分離，進(jìn)一步和TNF相關(guān)受體因子6(TNF receptor associated factor 6,TRAF6)相互作用。TRAF 6激活NF-κB抑制物的激酶(Inhibitor of nuclear factor kappa-B kinases,IKKs)復(fù)合體，誘導(dǎo)IκB(Inhibitor of nuclear factor kappa-B)磷酸化。磷酸化的IκB從復(fù)合物中分離出來，直接靶向泛素化和蛋白酶體降解，從而激活轉(zhuǎn)錄因子NF-κB。釋放的NF-κB位于細(xì)胞核，介導(dǎo)多種促炎細(xì)胞因子基因的表達(dá)[5]。IKKs的信號通路激活MAPK級聯(lián)導(dǎo)致另一個轉(zhuǎn)錄因子AP-1的激活。它們都在促炎細(xì)胞因子的表達(dá)中發(fā)揮重要作用[6]。

MyD88非依賴途徑是由易位關(guān)聯(lián)膜蛋白(Translocating chain-associated membrane protein,TRAM)啟動的。依賴β干擾素TIR結(jié)構(gòu)域連接蛋白(TIR domaincontaining adaptor inducing IFN-β,TRIF)被招募后，與IKKs相互作用，實現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子IRF3的磷酸化[7]。TRIF還能與IRAK1相互作用，激活轉(zhuǎn)錄因子干擾素調(diào)節(jié)因子7(Interferon regulatory factory 7,IRF7)。激活的IRFs轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核，與DNA結(jié)合，產(chǎn)生IFN-β等抗病毒分子[8]。TRIF還通過受體相互作用蛋白1(Receptor-interacting protein 1,RIP1)來激活MyD88非依賴的NF-κB途徑。RIP1與TRIF結(jié)合，導(dǎo)致Fas相關(guān)的死亡域依賴性凋亡和NF-κB激活[9]。

2 TLR4在神經(jīng)炎癥及其介導(dǎo)的神經(jīng)退行性疾病中的作用(見圖2)

2.1TLR4與神經(jīng)炎癥 神經(jīng)炎癥過程涉及多種細(xì)胞，包括小膠質(zhì)細(xì)胞(Microglia，MG)、星形膠質(zhì)細(xì)胞(Astrocytes,Ast)、神經(jīng)元、內(nèi)皮細(xì)胞和淋巴細(xì)胞。MG是CNS的免疫細(xì)胞，在穩(wěn)態(tài)下，MG監(jiān)測微環(huán)境，保護(hù)Ast和神經(jīng)元；在病理條件下，MG被激活形態(tài)發(fā)生改變，通過吞噬細(xì)胞碎片和改變分泌物保護(hù)神經(jīng)細(xì)胞。然而，MG的過度激活會導(dǎo)致神經(jīng)元損傷，因此MG在神經(jīng)炎癥中起著重要的作用[10]。TLR4是CNS感染和損傷過程中調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)的關(guān)鍵宿主分子。在大腦中TLR4主要在MG中表達(dá)，能被脂多糖(Lipopolysaccharide,LPS)特異性識別[11]。當(dāng)TLR4被LPS觸發(fā)后，TLR4信號通路的下游蛋白NF-κB被激活，釋放炎性細(xì)胞因子。研究表明，對TLR4信號通路的抑制可減輕神經(jīng)炎癥，這提示TLR4的拮抗劑可以作為神經(jīng)炎癥一種治療方案。從而進(jìn)一步證實了TLR4及其下游信號通路在神經(jīng)炎癥中起關(guān)鍵作用。

圖1 TLR4信號通路Fig.1 TLR4 signal pathway

2.2TLR4在AD中的作用 AD是一種神經(jīng)退行性疾病，其病理特征包括細(xì)胞外淀粉樣斑塊聚集、淀粉樣前體蛋白(Amyloid precursor protein,APP)切割產(chǎn)物β-淀粉樣蛋白(Amyloid β-protein,Aβ)Aβ1-42與Aβ1-40 (Aβ)和細(xì)胞內(nèi)神經(jīng)纖維纏結(jié)(Neurofibrillary tangles,NFTs)的產(chǎn)生[12]。AD炎癥反應(yīng)的特征包括MG形態(tài)改變以及Ast在衰老斑周圍數(shù)量增加。

臨床研究表明，Aβ和NFTs能夠與各種PRRS結(jié)合，啟動MG介導(dǎo)的炎性反應(yīng)，這導(dǎo)致細(xì)胞活化、促進(jìn)炎癥因子釋放和MG標(biāo)記物表達(dá)增加[13]。關(guān)于AD患者死后腦組織及相關(guān)小鼠模型的研究表明，分布在老年斑周圍MG上TLR4及其共受體CD14的表達(dá)水平均有所升高[14]。研究證明TLR4能被Aβ寡聚體所激活，小鼠腦內(nèi)注射寡聚Aβ，通過TLR4信號誘導(dǎo)MG活化，并大量釋放炎性因子IL-1β、IL-6 以及TNF-α[15]。TLR4體外研究顯示，抗體誘導(dǎo)阻斷TLR4抑制MG的活化與NO和IL-6的釋放顯著降低有關(guān)[16]。此外，在AD小鼠模型中TLR4基因突變會導(dǎo)致IL-1β和巨噬細(xì)胞炎性蛋白1α(Macrophage inflammatory protein-1α,MIP-1α)表達(dá)增加，并提高Aβ的聚集[17]。有文獻(xiàn)表明TLR4的激活所呈現(xiàn)出的Asp299Gly多態(tài)性有利于Aβ聚集。與之相反，一種LPS衍生的脂質(zhì)單磷酰脂A(Monophosphonyl lipid A,MPLA)輕度刺激可改善MG和單核細(xì)胞的吞噬功能，從而降低AD(APP/PS1)轉(zhuǎn)基因小鼠Aβ的聚集[18]。這顯示了TLR4在AD中的復(fù)雜性。早期結(jié)果表明，LPS誘導(dǎo)TLR4活化和IL-1β產(chǎn)生對Tau磷酸化和NFTs有不利的影響[19]，但是最近有研究顯示，LPS刺激TLR4可以減少Tau磷酸化，減輕認(rèn)知缺陷[20]。這些數(shù)據(jù)表明TLR4信號在AD的MG活化和神經(jīng)損傷過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，提示TLRs信號通路可能是AD治療的重要靶點(diǎn)。

圖2 TLR4信號途徑與各種神經(jīng)退行性疾病之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between TLR4 signal pathway and various neurodegenerative diseases

2.3TLR4在PD中的作用 PD是AD后第二常見的神經(jīng)退行性疾病。其特征是神經(jīng)元、神經(jīng)纖維或神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中α-突觸核蛋白(α-synuclein,α-SYN)的異常聚集[21]。其發(fā)生神經(jīng)炎癥的病理學(xué)標(biāo)志為患者殼核、海馬、橫嗅皮質(zhì)、扣帶回皮質(zhì)和顳葉皮質(zhì)中存在活化的MG，并伴有Ast增生[22]。

活化的MG產(chǎn)生各種促炎因子和神經(jīng)毒性因子，包括細(xì)胞因子和自由基，引發(fā)炎癥的惡性循環(huán)，這可能加重PD的神經(jīng)毒性。炎性細(xì)胞因子和TLR4共受體CD14作為PD的調(diào)節(jié)因子，能在多巴胺能神經(jīng)元變性和α-SYN病中發(fā)揮作用[23]。研究發(fā)現(xiàn)在α-SYN病患者和小鼠模型中TLR4表達(dá)顯著升高[24]。此外，敲除TLR4減弱了MG對α-SYN的吞噬作用，導(dǎo)致α-SYN積聚、多巴胺能神經(jīng)元損失和運(yùn)動障礙。進(jìn)一步在TLR4缺陷型PD小鼠中發(fā)現(xiàn)，TLR4缺乏抑制黑質(zhì)(Substantia nigra,SN)中多巴胺能神經(jīng)元的數(shù)量[25]。1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氫吡啶(Pyridine，1,2,3,6-tetrahydro-1-methyl-4-phenyl,MPTP)制備的小鼠 PD模型中，膠質(zhì)細(xì)胞中TLR4炎癥信號表達(dá)上調(diào)，多巴胺能神經(jīng)元壞死。因此這種神經(jīng)元損傷和小膠質(zhì)細(xì)胞活化的相互作用可能是驅(qū)動進(jìn)行性神經(jīng)變性的關(guān)鍵過程之一?？寡咨窠?jīng)保護(hù)劑可以降低MG的激活。另外通過特異性TLR4抗體可部分阻斷MPTP誘導(dǎo)的神經(jīng)炎癥，降低MG的活化，減少促炎癥因子TNF-α、IL-1β的表達(dá)，從而部分緩解PD小鼠模型的行為學(xué)異常[26]。Ast在PD發(fā)病中的確切機(jī)制研究較少，動物研究表明，在疾病發(fā)生早期Ast通過促炎分子的表達(dá)來激活MG，也發(fā)揮了潛在的神經(jīng)保護(hù)作用[27]。

2.4TLR4在ALS中的作用 ALS是一種持續(xù)性神經(jīng)退行性疾病，其特征是腦干、脊髓和運(yùn)動皮質(zhì)中運(yùn)動神經(jīng)元選擇性丟失?；加蠥LS的個體伴有神經(jīng)自發(fā)性收縮、肌肉萎縮、反射亢進(jìn)。絕大多數(shù)ALS病例是散發(fā)性的，這可能是由于基因和環(huán)境之間復(fù)雜的相互作用，只有約10%的ALS是家族性的[28]。

與AD和PD相似，ALS影響的腦區(qū)也伴隨神經(jīng)炎癥的發(fā)生。它的特征是膠質(zhì)增生、MG和Ast活化及促炎細(xì)胞因子的大量產(chǎn)生[29,30]。此外，在相關(guān)的腦區(qū)也可觀察到浸潤性淋巴細(xì)胞和巨噬細(xì)胞。在小鼠ALS模型中表達(dá)人類超氧化物歧化酶1(Superoxide dismutase 1,SOD1)G93A可觀察到運(yùn)動神經(jīng)元喪失和神經(jīng)炎癥[31]。G93A能與CD14相互作用，經(jīng)TLR2和TLR4信號通路誘導(dǎo)TNF-α、IL-1β和NO等炎癥介質(zhì)的產(chǎn)生，使用TLR2、TLR4和CD14封閉性抗體可降低MG的活化[32]。在ALS患者脊髓中檢測到的細(xì)胞因子和趨化因子表達(dá)情況類似于AD和PD，并且包括IL-1β、TNF-α、CCL2和IL-6等。多種證據(jù)表明IL-1β促進(jìn)ALS促炎因子表達(dá)[33]。在ALS動物模型中觀察到TLR2、TLR4和CD14的升高表達(dá);然而在患者身上卻沒有發(fā)現(xiàn)類似的情況[34]。體外研究已經(jīng)證明細(xì)胞外SOD1可以誘導(dǎo)MG分泌炎性因子IL-1β和TNF-α的表達(dá)，并且這種效應(yīng)是TLR2/4和CD14依賴性的[35]。雖然TLRs增加可能增強(qiáng)MG的激活，但ALS患者數(shù)據(jù)表明，這種現(xiàn)象一般與神經(jīng)炎癥相關(guān)，與疾病特異性發(fā)病機(jī)制相反。例如大規(guī)模的運(yùn)動神經(jīng)元變性釋放ATP，其通過MG和Ast上的嘌呤受體P2X7抗體(P2X purinoceptor 7，P2X7)受體發(fā)出信號，導(dǎo)致炎性分子的表達(dá)，這種神經(jīng)毒性反應(yīng)可以通過抑制P2X7信號傳導(dǎo)來減弱[36]。因此需要對ALS潛在免疫應(yīng)答更進(jìn)一步的研究。

3 TLR4作為藥物靶點(diǎn)的作用前景

TLR4抑制劑可能有利于神經(jīng)炎癥的減輕。研究表明，TLR4特異性抑制劑tak-242能促進(jìn)腦出血后血腫吸收并明顯改善神經(jīng)功能缺損。另一種新型TLR4拮抗劑異丁司特可抑制TNF-α、IL-6等促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生，并誘導(dǎo)CNS產(chǎn)生抗炎細(xì)胞因子IL-10，目前正在進(jìn)行阿片依賴Ⅱ期試驗[37]。此外，病毒蛋白衍生肽opn-401能抑制TLR4信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，但仍處于臨床前的試驗階段[38]。

將TLR4信號通路作為神經(jīng)退行性疾病的靶點(diǎn)還有許多亟待解決的問題。目前主要問題是如何在抑制神經(jīng)炎癥的同時保持先天免疫優(yōu)勢。TLR4的持續(xù)激活可能會失去天然免疫的優(yōu)勢并導(dǎo)致神經(jīng)炎癥，但炎性反應(yīng)產(chǎn)生的一些細(xì)胞因子也會驅(qū)動宿主的防御機(jī)制和CNS的修復(fù)過程。因此TLR4相關(guān)拮抗劑和抑制劑的開發(fā)和應(yīng)用將會進(jìn)一步促進(jìn)天然免疫在疾病治療中的潛力。

4 結(jié)論

綜上所述，越來越多的證據(jù)表明TLR4通過MyD88依賴性途徑啟動了許多促炎基因、細(xì)胞表面分子和趨化因子的表達(dá)，加重腦損傷。抑制TLR4信號是減輕神經(jīng)炎癥的一種很有前途的方法，而且靶向TLR4信號通路的預(yù)處理可能有效地保護(hù)CNS免受損傷。然而，直接抑制TLR4也可能不是改善神經(jīng)炎癥的一種有希望的治療途徑，因為TLR4的抑制可能導(dǎo)致天然免疫機(jī)制功能的喪失。雖然過度促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生對神經(jīng)炎癥有不利作用，但一些細(xì)胞因子也會驅(qū)動宿主的防御和CNS的修復(fù)過程。盡管相關(guān)研究取得了很大進(jìn)展，但關(guān)于向臨床應(yīng)用的徹底過渡仍有許多尚未解決的問題，這些問題得到解決，才能將TLR4作為神經(jīng)炎癥及其誘導(dǎo)產(chǎn)生的神經(jīng)退行性疾病的有價值的治療靶點(diǎn)。