Toll樣受體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路與急性肺損傷的研究進(jìn)展①

李玉華 綜述 趙 敏 審校

(中國(guó)醫(yī)科大學(xué)盛京醫(yī)院急診科，沈陽(yáng) 110004)

急性肺損傷(acute lung injury,ALI)是一種威脅生命的疾病，可能與嚴(yán)重感染、休克、創(chuàng)傷、急性重癥胰腺炎或燒傷有關(guān)，其特征在于非心源性肺水腫、呼吸窘迫、低氧血癥等[2]。嚴(yán)重的ALI可導(dǎo)致急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome,ARDS)，表現(xiàn)為頑固性低氧血癥、肺順應(yīng)性降低、呼吸衰竭等[3]。近年來(lái)，對(duì)ALI/ARDS的定義、發(fā)病機(jī)制和診治的研究取得了很大進(jìn)展，但由于其發(fā)病機(jī)制尚不完全明確，治療仍較為困難。Toll樣受體(Toll-like receptors,TLRs)屬于天然免疫系統(tǒng)的首要調(diào)節(jié)因子，在機(jī)體抵抗外來(lái)病原體并誘導(dǎo)機(jī)體免疫應(yīng)答中起著至關(guān)重要的作用[3]，同時(shí)其對(duì)組織損傷等來(lái)源的內(nèi)源性配體的識(shí)別可參與調(diào)節(jié)組織修復(fù)的過(guò)程，因此研究TLRs與肺損傷發(fā)病機(jī)制間的關(guān)系可為臨床治療提供新的思路。

1 TLRs簡(jiǎn)介

1.1結(jié)構(gòu)與功能 TLRs是一種連接固有免疫與獲得性免疫的重要模式識(shí)別受體(pattern recognition receptors，PRRs)，在上皮細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞、中性粒細(xì)胞及巨噬細(xì)胞都有表達(dá)，廣泛分布于機(jī)體各個(gè)部位[4]。TLRs種類眾多，目前已發(fā)現(xiàn)人TLRs有10種，分別命名為TLR1～TLR10，其中TLR1、TLR2、TLR4、TLR5、TLR6位于細(xì)胞表面，TLR3、TLR7、TLR8、TLR9位于細(xì)胞內(nèi)囊泡中，TLR10作為一種偽基因，不具備識(shí)別病原體和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)功能[5]。TLRs由能識(shí)別受體及與其他輔助受體結(jié)合形成受體復(fù)合物的胞膜外區(qū)、含Toll-IL-1受體結(jié)構(gòu)域(Toll-IL-1 receptor domain，TIR)的胞質(zhì)區(qū)以及跨膜區(qū)3部分組成，在結(jié)構(gòu)上胞外區(qū)具有富含亮氨酸的重復(fù)序列(leucine-rich repeats，LRRs)，參與識(shí)別各種病原體。而含有TIR的胞質(zhì)區(qū)作為TLRs的核心區(qū)域可介導(dǎo)多種下游信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)，激發(fā)其他信號(hào)通路的產(chǎn)生[6]。

TLRs作為一種進(jìn)化上保守的Ⅰ型跨膜蛋白，是一種重要的PRRs，可同時(shí)觸發(fā)病原體相關(guān)分子模式(pathogen associated molecular patterns,PAMPs)和損傷相關(guān)分子模式(damage-associated molecular patterns，DAMPs)[7-8]。PAMPs主要來(lái)自病原或非病原微生物的外源性分子，包括革蘭氏陰性菌外膜中的脂多糖、革蘭氏陽(yáng)性菌細(xì)胞壁中的肽聚糖、鞭毛蛋白和病毒雙鏈RNA(dsRNA)等。TLRs通過(guò)識(shí)別不同PAMPs引起特異性免疫應(yīng)答，目前發(fā)現(xiàn)的配體蛋白有四種，分別為MyD88、Mal也稱TIRAP、TRIF和TRAM[9-10]。除了PAMPs，TLRs還可識(shí)別來(lái)自機(jī)體應(yīng)激、組織損傷、無(wú)菌性炎癥及退化等產(chǎn)生的內(nèi)源性分子即DAMPs,如高遷移率族蛋白B1(HMGB1)、熱休克蛋白(HSPs)和透明質(zhì)酸等[11]。不同的TLR成員識(shí)別不同的PAMPs和一些內(nèi)源性的DAMPs，在感染及非感染性疾病中啟動(dòng)天然免疫反應(yīng)和引發(fā)抗原特異性的獲得性免疫[8]。

1.2TLRs的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路 TLRs的激活既可誘導(dǎo)先天性炎癥反應(yīng)，也可激活抗原適應(yīng)性免疫應(yīng)答反應(yīng)。目前研究已證明，活化TLRs信號(hào)傳導(dǎo)途徑主要有兩條：一種是由MyD88銜接蛋白介導(dǎo)的MyD88依賴性信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，另外一種是MyD88非依賴性信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路[12]。MyD88依賴性信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路：除TLR3以外的所有TLRs誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)都經(jīng)過(guò)一條經(jīng)典的信號(hào)通路，該通路與TLRs的一段胞內(nèi)保守序列TIR密切相關(guān)[13]。活化的TLR胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域TIR與MyD88羧基端結(jié)合，并且MyD88的氨基端與IL-1受體相關(guān)激酶的氨基端結(jié)合，進(jìn)而誘導(dǎo)白細(xì)胞介素受體相關(guān)激酶(interleukin-1 receptor-associated kinase,IRAK)自身磷酸化，獲得磷酸化IRAK1和IRAK4，磷酸化IRAK1可結(jié)合并激活腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子6(tumor necrosis factor receptor-associated factor 6,TRAF6)，活化的TRAF6導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄因子核因子κB(nuclear factor kapppaB，NF-κB)和激活蛋白-1(activator protein-1，AP-1)的活化，最終誘導(dǎo)炎癥細(xì)胞因子如IL-1、IL-6、IL-8、TNF-α和趨化因子的基因表達(dá)和釋放[14-15]。MyD88非依賴性信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路：TRIF在MyD88依賴途徑中發(fā)揮重要作用。在此過(guò)程中，TLR3和TLR4可以通過(guò)TRAM募集并激活干擾素(IFN)-β的包含TIR結(jié)構(gòu)域的TRIF，與TRIF相互作用后激活TRAF3，進(jìn)而使干擾素調(diào)節(jié)因子-3(interferon regulator factor-3，IRF-3)磷酸化，最終促進(jìn)抗炎因子如IFN-α、IFN-β、IL-10和TGF-β等的釋放。與此同時(shí)，TLR4激活的TRIF也可募集受體相互作用蛋白1(RIP1)和下游的TRAF6，從而啟動(dòng)NF-κB途徑[12,16]。需要指出的是，TLR4是目前研究最廣泛的TLRs之一。由TLR4介導(dǎo)的信號(hào)通路既可以是MyD88依賴性的，也可以是MyD88非依賴性的，具體是哪種類型的通道與配體的特異性相關(guān)[17]，TLR4的這一特性使其在感染性及非感染性急性器官功能障礙中發(fā)揮著重要作用[18]。

此外，TLR4作為配體脂多糖(lipopolysaccha-ride,LPS)作用的經(jīng)典受體，還可以激活磷脂酰肌醇3激酶(phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K)途徑，LPS刺激TLR4活化可促進(jìn)PI3K及其下游分子蛋白激酶B(PKB，也稱AKT)與MyD88形成復(fù)合物，進(jìn)而導(dǎo)致NF-κB的活化，該途徑與細(xì)胞生存、生長(zhǎng)、血管生成及代謝等密切相關(guān)[19]。

2 TLRs與感染性肺損傷

TLRs與許多肺相關(guān)性免疫反應(yīng)和病理密切相關(guān)，越來(lái)越多的證據(jù)表明，TLRs在ALI的先天和適應(yīng)性免疫反應(yīng)中起著關(guān)鍵作用[20-21]。早期大量研究已證實(shí)TLR4參與革蘭陰性桿菌LPS的識(shí)別和跨膜轉(zhuǎn)導(dǎo)，TLR4基因突變或TLR4基因缺陷的小鼠表現(xiàn)為對(duì)LPS具有低反應(yīng)性和對(duì)革蘭陰性桿菌高度易感性[22]。在肺炎克雷伯桿菌感染的TLR4缺陷小鼠中，發(fā)現(xiàn)TLR4基因缺陷的小鼠在清除肺炎克雷伯桿菌方面的能力明顯下降，炎癥介質(zhì)釋放減少以及降低小鼠生存率，表明TLR4介導(dǎo)的信號(hào)傳導(dǎo)可誘導(dǎo)針對(duì)肺炎克雷伯桿菌肺感染的保護(hù)性免疫應(yīng)答[23]。在含有肺炎鏈球菌感染TLR4突變(C3H/HeJ)和對(duì)照組野生型(C3H/HeN)小鼠，發(fā)現(xiàn)TLR4突變的小鼠對(duì)肺炎球菌溶血素識(shí)別產(chǎn)生障礙，并對(duì)肺炎鏈球菌表現(xiàn)出易感性，細(xì)胞和血液中細(xì)菌計(jì)數(shù)增加，存活時(shí)間縮短[24]。MyD88作為TLRs(TLR3除外)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)介導(dǎo)的先天免疫反應(yīng)中的關(guān)鍵配體，在調(diào)節(jié)細(xì)菌感染誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[13,25]。研究表明MyD88突變與免疫缺陷密切相關(guān)，而免疫缺陷使患者容易發(fā)生反復(fù)的危及生命的細(xì)菌感染，類似情況在MyD88缺陷小鼠中也有所觀察[26]。這些發(fā)現(xiàn)均提示了TLRs信號(hào)通路及其完整性對(duì)特異的病原感染的免疫應(yīng)答具有重要作用。

TLRs在病毒及真菌等感染方面也扮演著重要的角色。TLRs是識(shí)別病毒分子模式的傳感器，從而啟動(dòng)針對(duì)入侵病毒的先天免疫反應(yīng)。TLR3缺陷小鼠對(duì)嚴(yán)重急性呼吸綜合征冠狀病毒(SARS-CoV)易感，肺組織中病毒滴度高于正常野生型小鼠，這一發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了TLR3誘導(dǎo)針對(duì)SARS-CoV感染的先天免疫反應(yīng)的作用[27]。TLRs作為先天免疫的重要誘導(dǎo)者，在真菌感染的檢測(cè)中也起著重要作用。在煙曲霉誘導(dǎo)的侵襲性肺曲霉菌病中發(fā)現(xiàn)，TLR2缺陷小鼠肺巨噬細(xì)胞對(duì)煙曲霉的反應(yīng)性低下，較對(duì)照組小鼠TNF-α、IL-12等的濃度更低，小鼠存活率明顯降低[28]。ZHANG等[29]首次報(bào)道了TLR2介導(dǎo)了光滑念珠菌(Candida glabrata)感染大鼠支氣管上皮細(xì)胞的先天免疫反應(yīng)及炎癥反應(yīng)，TLR2基因敲除可進(jìn)而加重光滑念珠菌對(duì)支氣管上皮細(xì)胞損傷程度，提高支氣管上皮細(xì)胞對(duì)光滑念珠菌的易感性[29]。這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)TLRs在微生物的識(shí)別和清除中發(fā)揮一定作用。

大多數(shù)的感染模型都顯示出TLRs的保護(hù)性作用，但有動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)，感染廣泛耐藥結(jié)核桿菌(XDR-TB)的小鼠血清中TNF-α、IFN-γ、IL-4和IL-10水平低于感染藥物敏感型結(jié)核桿菌(DS-TB)的小鼠。此外，與感染DS-TB的小鼠相比，感染XDR-TB的小鼠存活時(shí)間更長(zhǎng)，并且肺泡損傷的嚴(yán)重程度更輕以及肉芽腫形成面積更小。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)感染XDR-TB的小鼠TLR2、TLR4的表達(dá)量更低，推斷XDR-TB小鼠的低毒力歸因于通過(guò)TLR2和TLR4途徑的細(xì)胞因子表達(dá)減少[30]。通過(guò)腹腔注射內(nèi)毒素誘導(dǎo)的ALI動(dòng)物模型中發(fā)現(xiàn)，抑制TLR4/MyD88/NF-κB信號(hào)通路可減輕肺泡損傷、減少肺泡炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)、降低炎癥因子的表達(dá)，從而改善肺功能[31]。因此，各種不同的TLRs在感染性肺損傷中的作用存在一定差異，它們介導(dǎo)炎癥的具體機(jī)制有待于進(jìn)一步深入研究和探索。

3 TLRs與非感染性肺損傷

在動(dòng)物模型中，研究發(fā)現(xiàn)TLRs與ALI的啟動(dòng)和免疫調(diào)節(jié)有著密切的聯(lián)系。大量的數(shù)據(jù)說(shuō)明，TLR2和TLR4不僅針對(duì)感染性刺激發(fā)生炎癥反應(yīng)和作出免疫應(yīng)答，也可以調(diào)節(jié)并促進(jìn)非感染性刺激誘導(dǎo)的組織損傷的發(fā)生。HOTH等[32]模擬人類常見創(chuàng)傷性肺損傷的動(dòng)物肺挫傷模型中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，TLR2和TLR4的激活介導(dǎo)了肺損傷的炎癥反應(yīng)。肺部挫裂傷可激活TLR2和TLR4信號(hào)通路，通過(guò)MyD88依賴性途徑誘導(dǎo)趨化因子CXCL-1及TNF-α等炎癥介質(zhì)的表達(dá)，從而引起中性粒細(xì)胞在肺部聚集[32]。

炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)是加重肺損傷的重要原因，TLRs的過(guò)度活化可導(dǎo)致炎癥因子和抗炎因子之間的不平衡，因此對(duì)TLRs介導(dǎo)的NF-κB信號(hào)通路進(jìn)行適當(dāng)抑制可在一定程度上減輕非感染性肺損傷。LIU等[33]的研究表明TLR2通過(guò)p38-NF-κB和ERK-AP-1信號(hào)通路介導(dǎo)博來(lái)霉素誘導(dǎo)小鼠樹突狀細(xì)胞的成熟和細(xì)胞因子IL-6、IL-17、IL-23及趨化因子MCP-1的分泌，阻斷TLR2的信號(hào)傳導(dǎo)可顯著減輕博來(lái)霉素誘導(dǎo)的肺損傷、炎癥與纖維化，提高動(dòng)物生存率。LI等[34]在高潮氣量機(jī)械通氣誘導(dǎo)ALI研究中發(fā)現(xiàn)，TLR4和MyD88缺陷小鼠中NF-κB和MAPK的活化減少，減輕了細(xì)胞因子的表達(dá)和炎癥反應(yīng)。預(yù)防TLR9介導(dǎo)的中性粒細(xì)胞過(guò)度募集可以減少煙霧暴露誘導(dǎo)的肺損傷，TLR9的缺陷可降低煙霧誘導(dǎo)肺損傷中炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)程度，抑制肺組織細(xì)胞凋亡，在一定程度上改善肺功能[35]。同樣，對(duì)TLR3介導(dǎo)的NF-κB活化的抑制可以減輕缺血再灌注肺損傷嚴(yán)重程度，ZHANG等[36]研究結(jié)果顯示TLR3的缺陷可能通過(guò)減少肺細(xì)胞凋亡和炎癥反應(yīng)來(lái)減輕缺血再灌注引起的肺損傷。也有研究發(fā)現(xiàn)TLR4參與并介導(dǎo)了百草枯誘導(dǎo)的ALI，TLR4基因的缺陷可逆轉(zhuǎn)炎癥因子如TNF-α、IL-1β、NF-κB等過(guò)表達(dá)造成的嚴(yán)重肺損傷，減輕肺組織病理?yè)p害[37]。TLR9的表達(dá)與百草枯誘導(dǎo)的肺損傷嚴(yán)重程度相關(guān)，TLR9表達(dá)量越高，肺損傷越嚴(yán)重[38]。百草枯中毒可通過(guò)MyD88依賴性途徑激活NF-κB信號(hào)通路，刺激炎癥因子TNF-α、IL-1等的表達(dá)和釋放，導(dǎo)致ALI。而MyD88基因敲除可減弱百草枯誘導(dǎo)ALI的嚴(yán)重程度，通過(guò)抑制炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)、恢復(fù)炎癥因子抗炎因子之間的平衡改善肺功能[39]。

4 小結(jié)與展望

肺部在病原體感染和非感染性環(huán)境損傷的長(zhǎng)期暴露可引起嚴(yán)重肺損傷，而先天免疫系統(tǒng)在維持肺組織穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。TLR主要參與先天免疫系統(tǒng)的激活，并且近年來(lái)已經(jīng)進(jìn)行了大量研究以探索TLR在宿主防御和組織穩(wěn)態(tài)中的作用，為重新認(rèn)識(shí)肺部疾病中的炎癥過(guò)程及減輕肺損傷打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。而TLRs的激活也是一把雙刃劍，它可通過(guò)識(shí)別PAMPs和DAMPs刺激先天性免疫應(yīng)答并提高獲得性免疫應(yīng)答保護(hù)機(jī)體，同時(shí)由TLRs激活的信號(hào)傳導(dǎo)所引起的持續(xù)性炎癥反應(yīng)可對(duì)機(jī)體產(chǎn)生損傷。盡管TLR激活在肺炎性疾病的進(jìn)展中起著關(guān)鍵作用，但仍有許多問題需要回答。除此之外，使用TLR作為治療靶標(biāo)涉及使用TLR激動(dòng)劑或拮抗劑，由于劑量毒性和給藥時(shí)間及途徑的不易控制，目前很少有TLR激動(dòng)劑和拮抗劑被用作ALI的治療方式。因此，需要更多的研究來(lái)探索TLR作為治療策略的潛力。此外，對(duì)TLRs相關(guān)機(jī)制的深刻理解有助于我們闡明先天免疫系統(tǒng)與ALI發(fā)生發(fā)展之間的聯(lián)系，可為包括肺損傷在內(nèi)的感染性疾病和非感染性損傷提供新的思路。