細(xì)胞間黏附分子1在甲型流感病毒感染中的研究進(jìn)展

郭翔 劉偉華 孫波 張慶

承德醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科067000

甲型流行性感冒是由甲型流感病毒感染引起的一種急性上呼吸道傳染性疾病;人群普遍易感,還具有高發(fā)病率、高病死率等特點(diǎn)[1]。在人類歷史上共發(fā)生4 次流感大流行——1918 年西班牙 (H1N1)流感、1957 年亞洲(H2N2)流感、1968年香港 (H3N2)流感以及2009年墨西哥 (H1N1)流感,每一次的流感大流行對(duì)人類健康和經(jīng)濟(jì)發(fā)展都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p害[2]。目前甲型流感常以季節(jié)性、區(qū)域性流行的方式每年影響全球數(shù)百萬人,并有多達(dá)65萬人死于季節(jié)性流感相關(guān)的呼吸系統(tǒng)疾病,因此甲型流感仍是全人類面臨的一個(gè)重大問題[3]。對(duì)甲型流感致病機(jī)制深入研究后發(fā)現(xiàn),流感病毒引起的免疫功能紊亂是重癥流感患者死亡的重要原因。而免疫功能紊亂常表現(xiàn)為過度的炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)及炎性介質(zhì)的釋放[4]。炎癥細(xì)胞是炎癥反應(yīng)中的主體成分,主要參與病原體的識(shí)別、吞噬、清除及炎性介質(zhì)的釋放等過程。而外周血中炎癥細(xì)胞遷移到炎癥部位發(fā)揮功能離不開細(xì)胞間黏附分子1 (intercellular adhesion molecule-1,ICAM-1)的黏附作用。ICAM-1 是細(xì)胞表面的一種糖蛋白,主要參與炎癥反應(yīng)中炎癥細(xì)胞的招募。本文旨在探討ICAM-1在甲型流感中發(fā)揮的作用,并從甲型流感病毒感染宿主誘導(dǎo)ICAM-1 的表達(dá)及機(jī)制、ICAM-1抑制流感病毒復(fù)制及ICAM-1與免疫等幾個(gè)方面進(jìn)行綜述。

1 ICAM-1

ICAM-1是免疫球蛋白超家族的成員,其基因位于染色體19p13.3-13.2,由7 個(gè)外顯子和6 個(gè)內(nèi)含子組成。ICAM-1也是一種跨膜糖蛋白,由于其糖基化水平不同,相對(duì)分子質(zhì)量為80 000～114 000。ICAM-1 的細(xì)胞外結(jié)構(gòu)由5個(gè)免疫球蛋白樣結(jié)構(gòu)域組成,是其發(fā)揮黏附作用及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的主要結(jié)構(gòu)[5-6]。ICAM-1 在體內(nèi)多種細(xì)胞均有表達(dá),包括淋巴細(xì)胞、單核巨噬細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞、各種組織的上皮細(xì)胞,通常細(xì)胞靜息狀態(tài)時(shí)ICAM-1表達(dá)水平較低,但在促炎性細(xì)胞因子 [IL-1、腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)或干擾素-γ (interferon-gamma,IFN-γ)]、激素、細(xì)胞應(yīng)激和細(xì)菌脂多糖等刺激下而迅速上調(diào)[6]。各種刺激因素通過激活核轉(zhuǎn)錄因子κB (nuclear factor kappa-B,NF-κB)、SP1、AP-1等轉(zhuǎn)錄因子上調(diào)ICAM-1基因的表達(dá)。ICAM-1主要與淋巴細(xì)胞功能相關(guān)抗原1 (lymphocyte function association antigen-1,LFA-1)和巨噬細(xì)胞表面抗原1結(jié)合參與促進(jìn)白細(xì)胞黏附、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和T 細(xì)胞活化,并且還是鼻病毒的主要受體[7]。ICAM-1 除了表達(dá)于細(xì)胞表面,還存在于血清、腦脊液和其他體液中,體液中的ICAM-1又稱為可溶性細(xì)胞間黏附分子1。ICAM-1在炎癥性疾病、自身免疫性疾病、腫瘤轉(zhuǎn)移中都有重要意義。并且ICAM-1的表達(dá)水平與社區(qū)獲得性肺炎、哮喘、腦外傷、急性胰腺炎、視網(wǎng)膜病變等疾病病情嚴(yán)重程度密切相關(guān)[8-12]。同時(shí)研究也表明ICAM-1與干眼病、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、心肌梗死、癌癥等多種疾病的發(fā)病機(jī)制、病理過程都密切相關(guān),并將ICAM-1作為潛在的治療靶點(diǎn)[13-16]。而在甲型流感的研究中發(fā)現(xiàn)多種細(xì)胞表面ICAM-1的水平明顯升高,并且在介導(dǎo)免疫反應(yīng)中具有重要意義。

2 甲型流感病毒與ICAM-1的表達(dá)

2.1 細(xì)胞ICAM-1表達(dá)情況 用流式細(xì)胞術(shù)、PCR、酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)、免疫組織化學(xué)等檢測(cè)表明感染 (H1N1 或者H5N1)流感病毒后的人或者鼠的多種細(xì)胞 (支氣管上皮細(xì)胞、肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞、咽部黏膜上皮細(xì)胞、鼻上皮細(xì)胞)表面ICAM-1的表達(dá)量明顯高于未感染組[17-21]。流感患兒外周血中檢測(cè)到單核/巨噬細(xì)胞和CD3+T 淋巴細(xì)胞表面ICAM-1 表達(dá)相對(duì)于對(duì)照組也明顯上調(diào)[22]。Matsukura等[18]研究表明甲型流感病毒感染支氣管上皮細(xì)胞后細(xì)胞表面ICAM-1 的表達(dá)呈時(shí)間依賴性上調(diào),并且ICAM-1由病毒直接刺激產(chǎn)生,不依賴于白細(xì)胞產(chǎn)生細(xì)胞因子 (IL-1β、TNF-α和IFN-γ)的誘導(dǎo)。趙宏霞等[17]研究表明在小鼠模型中支氣管及肺組織ICAM-1表達(dá)量與時(shí)間及病毒濃度均相關(guān),病毒感染第1～4天ICAM-1逐漸上升到峰值之后逐漸下降。而病毒濃度為0～5×10-5/50μl時(shí),ICAM-1表達(dá)量逐漸升高達(dá)到峰值,隨后降低。此外,Othumpangat等[21]研究證實(shí)在細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中ICAM-1的表達(dá)還與流感病毒菌株、活性及靶細(xì)胞類型有關(guān)。其中流感病毒:H9N1＞H1N1＞H3N2,并且活病毒誘導(dǎo)作用比滅活病毒更明顯。而感染細(xì)胞中ICAM-1表達(dá)的差異可能與細(xì)胞表面唾液酸受體含量有關(guān)。ICAM-1 除了上述細(xì)胞表達(dá)外,還可能表達(dá)于中性粒細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞等。大量研究表明,中性粒細(xì)胞在流感病毒感染早期被招募到肺組織,參與先天性免疫應(yīng)答,同時(shí)與肺組織損傷程度相關(guān)。ICAM-1在中性粒細(xì)胞的招募中作用重大[22-23]。

2.2 調(diào)控ICAM-1表達(dá)信號(hào)通路 ICAM-1基因的表達(dá)涉及細(xì)胞內(nèi)外多種信號(hào)通路協(xié)同合作。細(xì)胞外多種炎癥介質(zhì)(包括促炎細(xì)胞因子、激素、細(xì)胞應(yīng)激和病毒感染)的作用下通過細(xì)胞內(nèi)NF-κB、JAK/STAT、AP-1/MAP、PKC 等途徑誘導(dǎo)ICAM-1的表達(dá)。甲型流感病毒誘導(dǎo)感染細(xì)胞及其他細(xì)胞ICAM-1表達(dá)是一個(gè)非常復(fù)雜的過程,甲型流感病毒屬于正黏病毒科,病毒結(jié)構(gòu)自外而內(nèi)可分為包膜、基質(zhì)蛋白以及核心三部分。 包膜主要由血凝素(hemagglutinin,HA)和神經(jīng)氨酸酶這2種刺突蛋白組成?；|(zhì)蛋白包括基質(zhì)蛋白1和基質(zhì)蛋白2。而核心是由8段單股負(fù)鏈RNA 與核蛋白相結(jié)合形成核糖核蛋白體及RNA 多聚酶組成[24]。流感病毒蛋白可以激活JAK/STAT 信號(hào)通路并調(diào)控ICAM-1的表達(dá)。余治奇[25]研究表明H5N1病毒HA 蛋白誘導(dǎo)A549細(xì)胞內(nèi)JAK3、STAT1的磷酸化水平及ICAM-1表達(dá)水平顯著增高,而ICAM-1水平會(huì)被JAK3抑制劑和STAT1干擾RNA 所抑制。此過程可能與HA 抗原性有關(guān)。Cao等[26]研究證實(shí)H5N1的HA 可被呼吸道上皮細(xì)胞上的TLR4識(shí)別并促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)JAK3的激活,誘導(dǎo)免疫功能紊亂。此外,HPAI H5N1 病毒及HA 蛋白的三聚體可以直接激活γδT 細(xì)胞,導(dǎo)致CD69表達(dá)增強(qiáng)和IFN-γ分泌[26]。而IFN-γ是ICAM-1 誘導(dǎo)表達(dá)的重要調(diào)節(jié)因子。早先研究[27]證實(shí)IFN-γ 可通過與其受體結(jié)合激活JAK/STAT 通路,并與ICAM-1啟動(dòng)子中IFN-γ反應(yīng)元件結(jié)合促進(jìn)基因的轉(zhuǎn)錄。此外,NF-κB 信號(hào)通路是調(diào)控ICAM-1表達(dá)的主要途徑之一[27],其方式通過磷酸化NF-κB 與ICAM-1基因啟動(dòng)子中相應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄。Xu等[28]研究表明HA 刺激A549 細(xì)胞后細(xì)胞內(nèi)NF-κB的磷酸化水平呈時(shí)間依賴性升高。另一項(xiàng)研究[29]也表明流感病毒蛋白 (HA、核蛋白、基質(zhì)蛋白)均可以不同程度誘導(dǎo)IκB 激酶β的激活,進(jìn)而活化NF-κB 信號(hào)通路;并且該過程依賴于氧化還原反應(yīng)。流感病毒的復(fù)制導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中大量病毒蛋白的積累,從而誘導(dǎo)Ca2+釋放及細(xì)胞內(nèi)活性氧中間產(chǎn)物增加并激活I(lǐng)κB 及NF-κB[30]。此前小鼠模型研究中發(fā)現(xiàn)細(xì)胞因子TNF-α和IL-1β均可通過受體結(jié)合的方式誘導(dǎo)IκB的絲氨酸磷酸化并激活NF-κB。而TNF-α和IL-1β水平在流感患者血清中普遍升高。

3 ICAM-1在流感病毒感染中的作用

3.1 ICAM-1與病毒的復(fù)制 流感病毒在感染宿主細(xì)胞內(nèi)復(fù)制及存活,一方面需要病毒自身成分的分工協(xié)作,另一方面還需要宿主提供病毒復(fù)制原料、場(chǎng)所以及宿主細(xì)胞內(nèi)各種信號(hào)分子的調(diào)控。而ICAM-1作為大家熟知的黏附分子,主要參與免疫調(diào)節(jié)的作用。但最新研究發(fā)現(xiàn)ICAM-1能夠在病毒復(fù)制過程中起作用。對(duì)人類免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus,HIV)的研究中發(fā)現(xiàn)ICAM-1具有調(diào)節(jié)HIV 復(fù)制的作用。ICAM-1和LFA-1之間的相互作用是HIV 介導(dǎo)合胞體形成的關(guān)鍵[31]。并且ICAM-1的合成肽類似物可以抑制HIV 在MT-2細(xì)胞中的復(fù)制[32]。而在流感病毒的研究中發(fā)現(xiàn)ICAM-1具有相似的作用,但與HIV 不同的是ICAM-1在流感病毒早期復(fù)制中具有抑制作用。Othumpangat等[21]研究ICAM-1 siRNA 轉(zhuǎn)染上皮細(xì)胞并感染H1N1 株。結(jié)果顯示,轉(zhuǎn)染siRNA ICAM-1的細(xì)胞組相對(duì)于未轉(zhuǎn)染組表現(xiàn)出ICAM-1 的低表達(dá)和較高的流感病毒基質(zhì)基因拷貝數(shù)。在另一個(gè)實(shí)驗(yàn)中用ICAM-1特異性抗體來阻斷ICAM-1 與其受體的結(jié)合,結(jié)果表明:ICAM-1抗體處理組細(xì)胞內(nèi)基質(zhì)拷貝數(shù)相比于對(duì)照組顯著上調(diào),從而說明了ICAM-1有抑制流感病毒復(fù)制的作用。一項(xiàng)研究的熒光素酶報(bào)告實(shí)驗(yàn)表明轉(zhuǎn)染特異性siRNA 的細(xì)胞與NF-κB報(bào)告共轉(zhuǎn)染的細(xì)胞相比熒光素酶活性明顯降低,表明ICAM-1 抑制病毒復(fù)制可能通過活化NF-κB途徑。眾所周知,ICAM-1和LFA-1 相互作用可作為一種共刺激信號(hào)參與細(xì)胞增殖及先天性免疫反應(yīng)形成[33]。NF-κB信號(hào)通路是宿主免疫功能活化的重要途徑,同時(shí)也可以通過直接或者間接的方式調(diào)節(jié)病毒復(fù)制。在多項(xiàng)藥物研究[34-36]中發(fā)現(xiàn),苦參素、大黃素及santin均不同程度促進(jìn)NF-κB的激活,并抑制流感病毒的復(fù)制。

3.2 ICAM-1與免疫損傷 宿主免疫系統(tǒng)過度激活是嚴(yán)重流感導(dǎo)致死亡的重要原因之一。研究表明,流感病毒感染早期內(nèi)皮細(xì)胞的活化導(dǎo)致細(xì)胞因子包括IFN、TNF、IL 和趨化因子等過度產(chǎn)生和釋放,形成細(xì)胞因子風(fēng)暴[37-38],同時(shí)伴有中性粒細(xì)胞、單核巨噬細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞、嗜酸粒細(xì)胞、自然殺傷細(xì)胞、先天淋巴樣細(xì)胞、γδT 細(xì)胞、CD4+T 淋巴細(xì)胞和CD8+T 淋巴細(xì)胞的浸潤(rùn)及二次細(xì)胞因子釋放,加重肺部炎癥反應(yīng)[39-40]。重癥流感患者尸檢[41]表明流感患者肺部出現(xiàn)嚴(yán)重的彌漫性肺泡損傷,并伴有不同程度的肺泡出血、壞死性細(xì)支氣管炎和支氣管炎。細(xì)支氣管腔內(nèi)伴有大量中性粒細(xì)胞浸潤(rùn),肺泡內(nèi)及肺間質(zhì)可見大量巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)。肺部嚴(yán)重的病理改變與患者死亡率密切相關(guān)。Perrone等[42]研究表明中性粒細(xì)胞和單核巨噬細(xì)胞是流感病毒感染后總肺白細(xì)胞數(shù)量增加的主要原因,并且是流感病毒感染導(dǎo)致嚴(yán)重肺病理?yè)p傷的主要細(xì)胞類型。中性粒細(xì)胞導(dǎo)致組織損傷與其合成釋放彈性蛋白酶、髓過氧化物酶、基質(zhì)金屬蛋白酶9 和殺菌滲透性促進(jìn)蛋白等活性物質(zhì)有關(guān)[43]。而巨噬細(xì)胞則是通過參與合成細(xì)胞因子 (IL-1β、IL-8、IL-18、CCL3 和IFN-α/β)加重炎癥部位的炎性反應(yīng)。流感病毒感染誘導(dǎo)細(xì)胞因子風(fēng)暴的形成,在各種趨化因子的作用下中性粒細(xì)胞及單核巨噬細(xì)胞遷移到炎癥部位發(fā)揮作用。白細(xì)胞跨內(nèi)皮遷移是白細(xì)胞進(jìn)入炎癥、損傷和免疫反應(yīng)部位的關(guān)鍵一步。其中ICAM-1在遷移過程中作用尤為重要。ICAM-1 表達(dá)于上皮細(xì)胞、淋巴細(xì)胞、單核巨噬細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞等多種細(xì)胞表面。其作用體現(xiàn)在輔助免疫細(xì)胞功能。在脂多糖所致小鼠肺炎癥模型[44]中發(fā)現(xiàn)ICAM-1缺乏小鼠肺泡間隙中性粒細(xì)胞浸潤(rùn)數(shù)目減少54%,用抗ICAM-1抗體處理的野生型小鼠中性粒細(xì)胞的滲出數(shù)目減少了51%,中性粒細(xì)胞作為急性炎癥最先抵達(dá)炎癥部位發(fā)揮功能的細(xì)胞,同樣也是免疫功能紊亂后導(dǎo)致組織損傷的主要細(xì)胞之一。此外單核巨噬細(xì)胞也是免疫功能的主體細(xì)胞之一,其主要通過抗原提呈、非特異性吞噬作用及釋放活性介質(zhì)對(duì)抗病原體入侵。其功能的正常發(fā)揮對(duì)于機(jī)體穩(wěn)態(tài)維持具有重要意義。單核巨噬細(xì)胞部分存在于組織中,絕大部分來源為外周血單核細(xì)胞。在Herold 等[45]研究流感病毒感染所誘導(dǎo)ICAM-1表達(dá)對(duì)單核細(xì)胞遷移影響時(shí),通過ICAM-1特異性抗體阻斷上皮細(xì)胞ICAM-1 的作用,結(jié)果單核細(xì)胞遷移率顯著降低,暗示ICAM-1促進(jìn)單核細(xì)胞的遷移作用。此外,ICAM-1 可能參與免疫損傷病理機(jī)制的形成,在大鼠急性肺損傷模型[46]中發(fā)現(xiàn)抗ICAM-1抗體可以顯著降低肺損傷程度。另一項(xiàng)研究[47]表明可溶性ICAM-1促進(jìn)肺組織IgG 免疫復(fù)合物的沉積導(dǎo)致肺損傷,該過程與巨噬細(xì)胞激活釋放TNF-α和MIP-2及中性粒細(xì)胞募集增加有關(guān)。多項(xiàng)研究[43-45]表明在肺損傷模型中ICAM-1直接或者間接參與肺部病理改變的形成,而抗ICAM-1可能成為治療急性肺損傷的一種新方法。

4 展望

流感病毒的不斷變異、進(jìn)化,新的病毒亞型的出現(xiàn),都會(huì)成為流感大流行的潛在威脅。而目前對(duì)于流感致病機(jī)制的研究并未完全明確,對(duì)于流感的治療也存在明顯的局限。新的病毒亞型的形成也可能導(dǎo)致目前最有效的抗病毒藥物失效,所以對(duì)于流感的研究仍需要進(jìn)一步探索。眾所周知,流感重癥患者都會(huì)免疫功能紊亂 (例如細(xì)胞因子風(fēng)暴的形成)。其中炎癥細(xì)胞在免疫功能作用中占主導(dǎo)地位。而ICAM-1作為炎癥細(xì)胞的招募者,是否與免疫功能的紊亂相關(guān),目前缺乏相關(guān)研究。ICAM-1 在許多疾病發(fā)生、發(fā)展過程中都有重要作用,多種疾病中將ICAM-1作為治療的靶點(diǎn),ICAM-1在流感病毒感染誘導(dǎo)宿主免疫損傷過程中發(fā)揮重要作用。在流感病毒感染早期,ICAM-1 通過招募白細(xì)胞對(duì)抗病毒的入侵及抑制病毒在宿主細(xì)胞內(nèi)的復(fù)制,從而達(dá)到抗病毒的作用。而另一方面由于炎癥因子的過度釋放導(dǎo)致ICAM-1過度招募炎癥細(xì)胞,從而誘導(dǎo)宿主組織免疫損傷。因此,還需要對(duì)ICAM-1進(jìn)行更加深入的研究,明確在流感病毒感染不同階段ICAM-1所發(fā)揮的作用,從而有利于進(jìn)行早期干預(yù)措施,阻止或削弱ICAM-1介導(dǎo)的免疫損傷作用。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突