TLR4在青光眼視神經(jīng)損傷機(jī)制中的作用

李 倩，張立宇，許育新

青光眼是一種以視乳頭萎縮凹陷、視野缺損及視力下降為共同特征的不可逆的致盲性疾病，其視神經(jīng)損傷的本質(zhì)為視神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的凋亡。盡管通過(guò)藥物干預(yù)和手術(shù)控制眼壓可以對(duì)青光眼起到一定的治療作用，但如何從根本上阻止青光眼的進(jìn)一步發(fā)展仍處于探索階段。因此，研究青光眼視神經(jīng)損傷機(jī)制，通過(guò)阻斷視神經(jīng)損傷而治療青光眼至關(guān)重要。近幾年，免疫機(jī)制對(duì)青光眼視神經(jīng)損傷的影響成為研究熱點(diǎn)，本文中主要對(duì)Toll樣受體4(TLR4)通過(guò)不同免疫通路并與神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞相互作用引起青光眼患者視神經(jīng)損傷進(jìn)行綜述。

0 引言

青光眼是一組以視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(retinal ganglion cells, RGCs)的逐漸凋亡和軸突變性，以及視野的缺損為特點(diǎn)的神經(jīng)退行性疾病，病理性眼壓升高是其主要危險(xiǎn)因素。青光眼是世界性導(dǎo)致人類(lèi)不可逆失明的主導(dǎo)因素, 其發(fā)病率高達(dá)2.6%[1-2]。迄今為止，全球40～80歲的青光眼患者約占總?cè)丝诘?.5%，而青光眼患者的人數(shù)至2040年預(yù)計(jì)將增加到111萬(wàn)人[3]。現(xiàn)階段青光眼的治療以傳統(tǒng)的降眼壓和視神經(jīng)保護(hù)藥物以及濾過(guò)性手術(shù)和激光手術(shù)為主要方法[4]。然而，正常眼壓的青光眼患者或者是眼壓控制良好的青光眼患者視神經(jīng)損傷仍然存在。由此可見(jiàn)，青光眼視神經(jīng)損傷的機(jī)制尚未完全明了。研究青光眼患者視神經(jīng)損傷的具體機(jī)制，通過(guò)阻斷或者延緩受損機(jī)制從根本上解決視神經(jīng)損傷的發(fā)生尤為重要。免疫應(yīng)答與神經(jīng)退行性疾病(例如阿爾茲海默癥、帕金森疾病)息息相關(guān)，而Toll樣受體4(TLR4)作為免疫應(yīng)答中信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的重要部分，其對(duì)神經(jīng)退行性疾病的影響逐漸受到大家的關(guān)注[5]。目前，已有多篇報(bào)道發(fā)現(xiàn)TLR4和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的激活在阿爾茲海默癥中的病理作用[5-6]，而青光眼作為神經(jīng)退行性疾病的一種，其視神經(jīng)損傷機(jī)制與TLR4亦密不可分。本文將就TLR4通過(guò)免疫作用導(dǎo)致青光眼視神經(jīng)損傷進(jìn)行綜述。盡管青光眼在臨床上分為不同類(lèi)型，但都以高眼壓為其主要的高危因素，導(dǎo)致視神經(jīng)損傷的機(jī)制也大致相同，本文中討論的青光眼視神經(jīng)損傷指的是所有病理性高眼壓導(dǎo)致的視神經(jīng)損傷。

1 青光眼視神經(jīng)損傷的機(jī)制

關(guān)于青光眼的視神經(jīng)損傷機(jī)制主要有兩種學(xué)說(shuō)，即機(jī)械學(xué)說(shuō)和缺血學(xué)說(shuō)。機(jī)械學(xué)說(shuō)強(qiáng)調(diào)視神經(jīng)受壓，軸漿流中斷的重要性。缺血學(xué)說(shuō)則強(qiáng)調(diào)視神經(jīng)供血不足，對(duì)眼壓耐受性的重要性。目前一般認(rèn)為青光眼視神經(jīng)損害的機(jī)制是機(jī)械壓迫和缺血的共同作用。在高眼壓作用下，視神經(jīng)纖維和鞏膜相互施壓以致變形,視神經(jīng)軸突萎縮,軸漿流受阻,影響視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(retinal ganglion cells,RGCs)的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng),使視神經(jīng)纖維壞死、溶解、消失[7]。正常眼部血管具有自我調(diào)節(jié)能力，使血流相對(duì)穩(wěn)定，當(dāng)視盤(pán)灌注壓明顯下降，眼壓升高導(dǎo)致微循環(huán)自身調(diào)節(jié)功能紊亂，通過(guò)形成缺血性環(huán)境加劇視神經(jīng)損傷。隨著對(duì)各種細(xì)微分子的研究逐漸加深，各種機(jī)制也隨之被提出。Qu 等[8]通過(guò)分析青光眼患者視神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的凋亡過(guò)程，將機(jī)制分為通過(guò)受體依賴的胱天蛋白酶(caspase)內(nèi)部途徑和外部途徑以及激發(fā)該家族相關(guān)分子促進(jìn)凋亡三個(gè)方面。通過(guò)該三個(gè)方面詳細(xì)解釋了神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子缺乏、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞激活、氧化應(yīng)激、自噬作用、細(xì)胞因子、谷氨酸毒性作用和鈣離子作用等機(jī)制的具體過(guò)程。此外，國(guó)內(nèi)有學(xué)者通過(guò)宏觀因素和微觀因素來(lái)區(qū)分作用機(jī)制，或者是強(qiáng)調(diào)軸突相關(guān)機(jī)制和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞免疫應(yīng)答在青光眼中的重要影響[9-10]。Evangelho等[11]從缺氧、缺血、興奮性毒性、視軸傳導(dǎo)和營(yíng)養(yǎng)障礙多方面總結(jié)了視神經(jīng)損傷的機(jī)制。盡管視神經(jīng)損傷的機(jī)制有多種，但均表現(xiàn)為視神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的死亡。近年來(lái)越來(lái)越重視青光眼發(fā)病與免疫調(diào)節(jié)存在的相關(guān)性[12]。多種機(jī)制通過(guò)免疫調(diào)節(jié)導(dǎo)致神經(jīng)節(jié)細(xì)胞死亡。例如氧化應(yīng)激產(chǎn)生的氧化物或者氮化物可通過(guò)激活P38MAPK，來(lái)激活caspase-3而引起神經(jīng)節(jié)細(xì)胞凋亡損傷。而其詳細(xì)的免疫炎癥通路皆與TLR4有著密不可分關(guān)系。

圖1 TLR4通過(guò) MyDD8 依賴途徑損傷視神經(jīng)。

2 Toll樣受體

Toll樣受體(toll like receptor,TLR)是一類(lèi)典型的1型模式識(shí)別受體(pattern recognition receptors，PRR)，在天然免疫系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用[13-14]，該家族共有13個(gè)成員(TLR1-13)被發(fā)現(xiàn)，其中10個(gè)與人有關(guān)[15]，TLRs又稱為原型模式識(shí)別受體(PRRs)，能夠識(shí)別危險(xiǎn)相關(guān)分子模式(DAMP)或病原體相關(guān)分子模式(PAMPs)，從受損的組織或微生物中釋放出來(lái)[16]。Toll樣受體是一類(lèi)1 型跨膜蛋白,由胞外區(qū)、跨膜區(qū)和胞內(nèi)區(qū)3個(gè)功能區(qū)組成。由于其胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域與白細(xì)胞介素1(interleukin-1, IL-1) 受體的細(xì)胞內(nèi)區(qū)域類(lèi)似,又被稱為T(mén)oll/IL-1 受體(Toll/interleukin-1 receptor,TIR) 同源結(jié)構(gòu)域[17],起到調(diào)節(jié)TLR其下游信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的作用。

3 TLR4信號(hào)通路

作為天然免疫系統(tǒng)的一部分，TLR4通過(guò)與脂結(jié)合輔助受體MD-2形成復(fù)合物來(lái)識(shí)別細(xì)菌細(xì)胞表面脂多糖(LPS)，并導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)炎癥信號(hào)的產(chǎn)生[18]。TLR4是唯一一個(gè)既可以通過(guò)髓樣分化因子88 (Myeloid differentiation factor 88, MyD88) 依賴信號(hào)通路，又可以通過(guò)MyD88非依賴信號(hào)通路的Toll樣受體[19]。被激活時(shí)分別通過(guò)誘導(dǎo)活化其下游的IL-1受體相關(guān)激酶 (IL-1R associated kinase, I-RAK) 和腫瘤壞死因子受體 (tumor necrosis factor receptor, TNFR) 相關(guān)因子6 (TNFR associated factor 6, TRAF-6), 并進(jìn)一步激活核轉(zhuǎn)錄因子 (nuclear transcription factor-kappa B, NF-κB),參與介導(dǎo)細(xì)胞凋亡、炎癥、氧化應(yīng)激等多種病理生理過(guò)程[20-21]。

4 TLR4的信號(hào)通路與青光眼

4.1 TLR4與青光眼的關(guān)系 TLR4與青光眼的病理機(jī)制有關(guān)[22-26]，TLR4在人視網(wǎng)膜、虹膜、眼角膜等組織中都有表達(dá)。在青光眼患眼中，TLR4表達(dá)升高將會(huì)導(dǎo)致眼壓升高[27]。青光眼是一種由于眼內(nèi)高壓所導(dǎo)致神經(jīng)退行性疾病，而眼壓又受房水循環(huán)控制。因此任何引起房水循環(huán)阻塞的因素均會(huì)形成高眼壓而觸發(fā)視神經(jīng)損傷機(jī)制[28]。

4.2 TLR4的MyD88依賴性通路與青光眼 王乾等[29]研究表明青光眼患者中視野損傷嚴(yán)重的患者其TLR4和 MyD88的表達(dá)遠(yuǎn)高于視野輕度損傷的患者，其過(guò)程依照TLR4-MyD88的信號(hào)傳導(dǎo)?；罨腡LR4通過(guò)和細(xì)胞內(nèi)TIRAP即含有TIR結(jié)構(gòu)域的接頭蛋白，相互作用招募MyD88,激活的MyD88招募下游的TRAK1和IRAK4,活化的IRAK募集并激活下游的TRAF6,此時(shí)TRAF6通過(guò)形成復(fù)合物的形式激活下游的TAK1，TAK1活化下游兩條不同途徑，即P38MAPK和NF-κB信號(hào)級(jí)聯(lián)途徑，從而調(diào)節(jié)各種炎性細(xì)胞因子的轉(zhuǎn)錄。

4.3 通過(guò)TLR4-NF-κB途徑影響青光眼視神經(jīng)損傷 TLR4-NF-κB途徑與視神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的死亡有關(guān)[30-31]。正常情況下，神經(jīng)節(jié)細(xì)胞會(huì)自身凋亡,但是炎癥因子的增多會(huì)誘導(dǎo)細(xì)胞過(guò)度凋亡[32]。因此通過(guò)TLR4-NF-κB誘導(dǎo)更多的炎癥因子產(chǎn)生必然會(huì)加重RGC的凋亡。此外,caspase家族在細(xì)胞凋亡信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中有著重要的作用，而TLR4-NF-κB的通路下游將誘導(dǎo)激活caspase-8信號(hào)通路[24]，在青光眼中，高眼壓的形成會(huì)導(dǎo)致TLR4增多，在其通路下激活caspase-8，caspase-8又可以通過(guò)兩條途徑誘導(dǎo)激活I(lǐng)L-β導(dǎo)致神經(jīng)節(jié)細(xì)胞死亡，即caspase-1依賴途徑(通過(guò)調(diào)節(jié)激活Nod樣受體家族的NLRP1和NLRP3炎癥反應(yīng))和caspase-1非依賴途徑。當(dāng)TLR-4增加,在兩條途徑共同作用下，IL-β前體轉(zhuǎn)化為IL-β使視神經(jīng)損傷加重[33]。此外，青光眼患者在缺血的誘導(dǎo)下通過(guò)TLR4-NF-κB可使TNF-α、IL-1β、IL-6、Cox-2和MCP-1上調(diào)，炎癥反應(yīng)活躍，損傷視神經(jīng)[34]。TLR4-NF-κB信號(hào)通路與青光眼視神經(jīng)損傷有著正相關(guān)的關(guān)系基本成立。然而Dvoriantchikova等[35]研究中發(fā)現(xiàn)，通過(guò)激活TLR4-NF-κB途徑存在著保護(hù)視網(wǎng)膜缺血的作用，病毒表達(dá)活性NF-κB可降低RGCs凋亡(圖1)。

4.4 通過(guò)TLR4-P38途徑影響青光眼視神經(jīng)損傷 盡管TLR4-NF-κB是TLR4的主要通路，但TLR4-P38對(duì)青光眼視神經(jīng)損傷的影響也仍存在。該途徑中P38MAPK的激活使細(xì)胞分泌更多的IL-1β，借此可促進(jìn)分泌Hsp60，Hsp60與TLR4結(jié)合，通過(guò)MEK 3/6激活P38MAPK，誘導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞炎癥，這一過(guò)程使視網(wǎng)膜的炎癥反應(yīng)不斷循環(huán)加重，使視神經(jīng)損傷進(jìn)一步加深[36-37]。在氧化應(yīng)激機(jī)制中，氧化應(yīng)激產(chǎn)生的氧化物或者氮化物可通過(guò)激活P38MAPK，來(lái)激活caspase-3而引起神經(jīng)節(jié)細(xì)胞凋亡[38]。

圖2 TLR4 通過(guò)MyD88非依賴途徑對(duì)視神經(jīng)產(chǎn)生保護(hù)作用。

4.5 MyD88非依賴途徑作用機(jī)制 MyD88非依賴途徑是通過(guò)結(jié)合 TRIF的 TLR4實(shí)現(xiàn)的，TRIF 活化己結(jié)合IKKi的 TBK1，調(diào)節(jié)IRF-3的活化和核轉(zhuǎn)位，最終使IFN-β 表達(dá)；MYD88非依賴途徑的TLR4信號(hào)在橋梁接頭分子 TRAM的作用下，經(jīng)由 TRIF活化TRAF6也可導(dǎo)致NF-κB活化，進(jìn)而引起炎癥反應(yīng)。Halder等[39]實(shí)驗(yàn)表明在誘導(dǎo)視網(wǎng)膜缺血損傷48h前給予胸腺素原α處理完全防止缺血所致的神經(jīng)節(jié)細(xì)胞喪失，雙極細(xì)胞和光感受器細(xì)胞部分存活，其作用原理就是激活TLR4-TRIF-IRF3通路產(chǎn)生保護(hù)性基因，抑制TLR4-MyD88-NF-κB途徑所產(chǎn)生的損害基因，該實(shí)驗(yàn)中TRIF以干擾素β(interferon-β,IFN-β)為代表。除此之外，在該通路的下游還將產(chǎn)生IFIT1和IL1RN等保護(hù)性分子。Vartania等[40]實(shí)驗(yàn)中證明TLR4-TRIF-IRF3 通路比MyD88-NF-κB和TRIF-NF-κB通路要快和強(qiáng)烈。然而，利用視神經(jīng)鉗夾傷模型研究TRIF在視神經(jīng)損傷再生中的作用機(jī)制，卻發(fā)現(xiàn)敲除TRIF使RGC存活率增高且視神經(jīng)再生能力增強(qiáng)[41]。因此該通路對(duì)青光眼疾病發(fā)展的影響還有待進(jìn)一步研究(圖2)。

5 TLR4與神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞相互作用

膠質(zhì)細(xì)胞的激活是多種神經(jīng)退行性疾病的病理特征,青光眼視神經(jīng)損傷的發(fā)生與神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞也有著密不可分的關(guān)系。視網(wǎng)膜的炎癥改變主要是依賴于其自身的免疫細(xì)胞即神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，其中以小膠質(zhì)細(xì)胞為多，M2型的小膠質(zhì)細(xì)胞主要參與炎癥損傷，對(duì)視神經(jīng)損傷有著重大影響，此外TLR4主要表達(dá)也在神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞[42]。正常情況下小膠質(zhì)細(xì)胞可以產(chǎn)生神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子和炎癥因子對(duì)視神經(jīng)起營(yíng)養(yǎng)免疫防御的作用，維持視網(wǎng)膜內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)平衡，當(dāng)RGCs壞死激發(fā)小膠質(zhì)細(xì)胞過(guò)度增殖導(dǎo)致內(nèi)環(huán)境紊亂時(shí)，破壞血視網(wǎng)膜屏障使神經(jīng)元壞死加重。神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的增多可誘導(dǎo)TLR4-NF-κB途徑[39,43]，其通過(guò)激活NF-κB通路，分泌 IL-6、TNF-α 等促炎性因子，誘導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞的遷移、活化，同時(shí)使活化的小膠質(zhì)細(xì)胞更多分化成為 M2 型小膠質(zhì)細(xì)胞[44]。另有報(bào)道持續(xù)高眼壓可引起視神經(jīng)慢性炎癥反應(yīng)，這一過(guò)程就是小膠質(zhì)細(xì)胞激活及激活后TLR-4的信號(hào)通路完成[45]?？偠灾?，TLR4和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞相互作用相互促進(jìn)，神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞在TLR4的刺激下逐漸增多，通過(guò)NO和TNF-α誘導(dǎo)RGC凋亡。而TLR4在神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的作用下,產(chǎn)生更多的炎癥因子誘導(dǎo)視神經(jīng)節(jié)細(xì)胞凋亡(圖3)。

6 TLR4作用于小梁網(wǎng)細(xì)胞(TM)引起視神經(jīng)損傷

TLR4除了對(duì)視神經(jīng)節(jié)細(xì)胞產(chǎn)生直接的損害外還可通過(guò)作用于其他組織結(jié)構(gòu)影響視神經(jīng)細(xì)胞的生存。轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子(transforming growth factor, TGF)是多種組織纖維化的主要調(diào)節(jié)因子，通過(guò)細(xì)胞外基質(zhì)增加來(lái)引起細(xì)胞纖維化。而TLR4已被證實(shí)在多個(gè)組織中可通過(guò)信號(hào)通路引起細(xì)胞纖維化[46]。在通過(guò)TLR4基因突變阻斷TGF-β表達(dá)的小鼠模型中表明[47]，TLR 4通過(guò)纖維連接蛋白串?dāng)_來(lái)控制轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β信號(hào)的表達(dá)，引起小梁網(wǎng)纖維化，導(dǎo)致房水引流阻塞，眼壓升高最終使神經(jīng)節(jié)細(xì)胞死亡。

圖3 膠質(zhì)細(xì)胞與TLR4共同作用導(dǎo)致視神經(jīng)損傷的作用機(jī)制。

7 展望與討論

由于青光眼對(duì)人們的生活帶來(lái)了極大的傷害，研究出新的治療方案刻不容緩，因此對(duì)于青光眼發(fā)病機(jī)制和危險(xiǎn)因素的研究成為當(dāng)今時(shí)代的熱點(diǎn)，青光眼具有家族聚集性，與年齡、性別、種族都有關(guān)系，不同地區(qū)青光眼發(fā)病的種類(lèi)也不同，不同基因?qū)膊∫赘行圆煌琜48-49]，近幾年發(fā)現(xiàn)，免疫反應(yīng)對(duì)青光眼視神經(jīng)損傷的影響至關(guān)重要，隨著科學(xué)的發(fā)展和進(jìn)步以及對(duì)青光眼視神經(jīng)損傷機(jī)制的研究越加深入，不斷揭示了青光眼視神經(jīng)損傷與TLR4的免疫調(diào)節(jié)之間的聯(lián)系，阻斷TLR4的信號(hào)通路或者抑制神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的激活，可有效減緩青光眼的視神經(jīng)損傷[50-51]，然而TLR4不同信號(hào)通路對(duì)青光眼具體的作用機(jī)制仍存在疑惑，在MyD88依賴性途徑在中，TLR4-NF-κB在青光眼視神經(jīng)的損傷中激活caspase家族加速神經(jīng)節(jié)細(xì)胞凋亡，釋放多種促炎癥因子的物質(zhì)，炎癥反應(yīng)活躍使視神經(jīng)損傷。然而Dvoriantchikova等[35]卻證實(shí)病毒表達(dá)活性的TLR4-NF-κB可對(duì)視神經(jīng)節(jié)細(xì)胞起保護(hù)作用，可見(jiàn)該通路的具體影響機(jī)制仍存在疑惑。此外TLR4-P38途徑對(duì)視神經(jīng)主要起損傷作用，TLR4-TRIF-IRF3 對(duì)青光眼視神經(jīng)損傷卻起預(yù)防性的保護(hù)作用，由此可見(jiàn)，盡管都是TLR4介導(dǎo)的免疫通路其不同的下游激活物對(duì)視神經(jīng)的作用卻是相反的，那么在青光眼視神經(jīng)損害過(guò)程中，機(jī)體是否存在某些信號(hào)物質(zhì)使保護(hù)性通路發(fā)揮其最大功效而抑制對(duì)視神經(jīng)起損害作用的途徑？小膠質(zhì)細(xì)胞在正常情況下發(fā)揮著營(yíng)養(yǎng)和免疫防御作用，當(dāng)視神經(jīng)細(xì)胞病理性死亡時(shí)才會(huì)過(guò)多激活其分化增殖通過(guò)與TLR4的相互作用，引起內(nèi)環(huán)境紊亂，加重視神經(jīng)損傷。如何阻斷視神經(jīng)壞死對(duì)小膠質(zhì)細(xì)胞的影響，使小膠質(zhì)細(xì)胞僅發(fā)揮其神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)和免疫防御的功能而又不表達(dá)過(guò)多的TLR4？這些TLR4的矛盾存在是否是因?yàn)門(mén)LR4的基因多樣性，使TLR4發(fā)生突變而形成不同的功能。亦或者機(jī)體針對(duì)TLR4的作用可產(chǎn)生尚未發(fā)現(xiàn)的影響因子，對(duì)機(jī)體各個(gè)方面起繼發(fā)的調(diào)節(jié)作用。盡管TLR4對(duì)青光眼視神經(jīng)損傷的機(jī)制尚未完全開(kāi)發(fā)，但不可否認(rèn)的是針對(duì)TLR4這一作用靶點(diǎn)可對(duì)青光眼的治療起到至關(guān)重要的作用。TLR4不同通路之間的平衡如何去調(diào)節(jié)來(lái)治療青光眼成為進(jìn)一步需要研究的內(nèi)容。