鐘樣受體4信號通路與非感染性炎癥疾病的關系

李 靜(綜述),王愛忠(審校)

(上海交通大學附屬第六人民醫(yī)院麻醉科,上海 200233)

鐘樣受體4(Toll-like receptor 4,TLR4)分子由胞外區(qū)、穿膜區(qū)及胞內區(qū)三部分組成，胞外區(qū)富含亮氨酸重復序列結構域，胞內區(qū)存在一段序列保守區(qū)，與白細胞介素1受體胞內段的保守序列有高度的同源性，被稱為TIR區(qū)域。TLR4廣泛表達于單核細胞、巨噬細胞和中性粒細胞、內皮細胞和上皮細胞等。TLR4能識別細菌和其他微生物的病原相關分子模式，如脂多糖、肽聚糖、酵母多糖及微生物的核酸，導致感染性疾病。近年來發(fā)現(xiàn)，TLR4亦可識別危險相關分子模式(danger-associated molecular patterns,DAMPs)。DAMPs來源于損傷組織，能使機體警戒組織損傷，啟動組織修復過程，也可以參與炎癥和自身免疫疾病的發(fā)病。迄今已知作用于TLR4的DAMPs有十多種[1]，包括高遷移率族蛋白B1、熱激蛋白、透明質酸、β淀粉、纖維蛋白原等。有學者研究認為，DAMPs激活TLR4細胞內信號通路引起炎性反應，但也有學者認為其并不能直接激活TLR4，而是作為病原相關分子模式連接分子或病原相關分子模式敏化分子，使TLR4易被體內微量的病原體激活[2]。DAMPs與TLR4作用能引發(fā)非細菌性炎癥疾病，如風濕性關節(jié)炎、糖尿病、實驗性自身免疫性腦脊髓炎、缺血/再灌注(ischemia reperfusion，I/R)損傷及組織損傷和修復再生等。

1 TLR4信號通路

TLR4的細胞內信號通路主要有兩條:髓樣分化蛋白88依賴途徑和Trif途徑。TLR4與配體結合,通過髓樣分化蛋白88招募腫瘤壞死因子受體相關因子6引起IκBα激酶復合物激活，使核因子κB(nuclear factorκB,NF-κB)的抑制物IκBα降解，釋放NF-κB易位核內，激活κB-依賴基因，包括促炎性因子和一些炎癥與免疫調節(jié)因子。TLR4的信號分子除了能激活NF-κB通路，也能激活絲裂原活化蛋白激酶家族，從而誘導轉錄激活因子蛋白1活化，調節(jié)細胞增殖、轉化和死亡。Trif途徑通過Trif和Trif相關調節(jié)分子,激活下游信號，導致干擾素調節(jié)因子3活化，使干擾素基因轉錄。TLR4存在一些輔助分子，協(xié)助配體與其結合，如CD14、髓樣細胞分化蛋白2。

2 TLR4與自身免疫性疾病

TLR4是人類抵御微生物反應的第一道防線，也參與一些與感染無關的炎癥和免疫疾病，如類風濕性關節(jié)炎(rheumatoid arthritis，RA)、糖尿病、實驗性自身免疫性腦炎等。TLR4的這種特性可歸因于能識別疾病進展過程中釋放的宿主源性激動劑,通過激活抗原呈遞細胞，在固有免疫和獲得性免疫間提供一個關鍵的聯(lián)系。

RA是以滑膜炎癥和軟骨及骨破壞為主要特征的自身免疫性疾病。在RA成纖維樣滑膜細胞中TLR2和TLR4表達增加，而TLR2和TLR4配體能促進RA滑膜破骨細胞分化[2]。有研究發(fā)現(xiàn),TLR4激動劑熱激蛋白88在RA滑膜組織中高表達；熱激蛋白的釋放可能引起持續(xù)的炎性細胞激活，從而放大滑膜炎癥[3]。人滑膜組織培養(yǎng)的RA體外模型中，Sacre等[4]發(fā)現(xiàn)TLR2和TLR4在培養(yǎng)的組織中表達能對外源性配體發(fā)生反應，且髓樣分化因子88介導的信號通路參與RA滑膜金屬蛋白酶和細胞因子的持續(xù)生成。

實驗性自身免疫性腦炎是人類多發(fā)性硬化癥的一種動物模型，表現(xiàn)為中樞神經系統(tǒng)的廣泛性炎癥脫髓鞘病變。在中樞神經系統(tǒng)，膠質細胞的激活啟動炎癥級聯(lián)反應，導致組織破壞、脫髓鞘和神經系統(tǒng)的缺失。脂多糖激活TLR4能引起人小膠質細胞趨化因子10的分泌，而趨化因子10是T淋巴細胞主要化學引誘物，說明TLR4介導的信號級聯(lián)可能促進實驗性自身免疫性腦炎時T細胞浸潤[5]。近來有研究證實了實驗性自身免疫性腦炎中TLR4激動劑的免疫左劑特性，提示TLR4通路的負性調節(jié)可能限制中樞神經系統(tǒng)的自身免疫反應[6]。

1型糖尿病是以白細胞浸潤胰島為特征的自身免疫疾病。研究發(fā)現(xiàn)，高遷移率族蛋白在1型糖尿病患者血清中顯著升高；而與無微血管病變的患者相比，微血管并發(fā)癥患者TLR4蛋白及其信號通路表達增強，說明TLR4信號通路可能促進1型糖尿病炎癥加重和并發(fā)癥發(fā)生[7]。在占糖尿病患者大多數(shù)的2型糖尿病中，陳海英等[8]發(fā)現(xiàn)單核細胞TLR4表達增高，說明單核細胞TLR4可能參與了2型糖尿病的炎性反應。肥胖是2型糖尿病的重要危險因素，它與胰島素抵抗相關。有研究顯示，飽和脂肪酸能引起脂肪細胞和其他組織的胰島素抵抗，而TLR4也能被其激活且在TLR4基因缺失的動脈模型中，飽和脂肪酸引起的血管炎癥和胰島素反應受損不明顯[9]。因此，TLR4似乎是肥胖和胰島素抵抗的重要介質，同樣也是代謝紊亂治療的一個潛在靶點。

3 TLR4和I/R損傷

近年來，器官的I/R損傷越來越引起人們高度重視。缺血引起組織損傷，再灌注又會加劇損傷，這種損傷會影響一系列病理狀態(tài)，表現(xiàn)為過度的炎癥,而TLR4信號通路在I/R引起器官損害和炎癥的機制中占據(jù)重要地位[10]。

有研究發(fā)現(xiàn),TLR4基因剔除對小鼠大腦中動脈阻斷引起的腦缺血損傷起神經保護作用，證實了TLR4在腦I/R中的重要作用[11]。肝I/R后肝細胞高遷移率族蛋白1的釋放和乙?；难芯恳沧C實了TLR4在肝I/R中的作用[12]。研究發(fā)現(xiàn),TLR4/Trif信號通路在腎臟I/R引起的炎癥和損傷中起重要作用[13]。而Wu等[14]研究發(fā)現(xiàn)，重組高遷移率族蛋白1預處理對TLR4介導的小鼠腎I/R損傷有明顯的保護作用，為腎I/R損傷的治療提供了新的視點。在鼠肺I/R損傷時，TLR4在肺實質細胞水腫過程中起重要作用[15]。右旋美托咪啶能減輕肺I/R引起的肺損傷和無菌性炎癥，而TLR4/髓樣分化因子88/絲裂原活化蛋白激酶信號通路是其重要作用機制[16]。

4 TLR4與創(chuàng)傷、出血性疾病

意外創(chuàng)傷導致的組織損傷，引起受損或壞死細胞釋放TLR4的內源性配體。TLR4與內源性配體結合引發(fā)炎癥，促進急性損傷或器官功能障礙的發(fā)展。亞鐵血紅素在溶血或過度組織損傷狀態(tài)下增加，如創(chuàng)傷、血紅蛋白病、血腫清除、出血和肌肉損傷[17]。巨噬細胞暴露于亞鐵血紅素，通過依賴髓樣分化因子88、TLR4和CD14機制，引起促炎細胞因子、腫瘤壞死因子α表達增加[18]。鄭仲謹?shù)萚19]發(fā)現(xiàn)創(chuàng)傷后患者血漿腫瘤壞死因子α、白細胞介素10升高，TLR4信使RNA的表達均降低,但預后良好的可在傷后第5日恢復正常水平,預后差的在傷后第5日仍處于低水平，說明創(chuàng)傷后人外周血單核細胞內TLR4信使RNA的表達與患者的免疫功能、預后情況密切相關。有文獻報道，在雙側股骨骨折的模型中，TLR4突變小鼠系統(tǒng)炎性因子釋放和肝損傷較野生鼠低[20]。在燒傷后的TLR4-/-小鼠微血管通透性和白細胞黏附明顯減弱；燒傷后的血漿處理微血管內皮細胞，細胞間黏附屏障功能障礙，且TLR4干擾小RNA處理能減輕功能障礙，說明TLR4在非膿毒癥燒傷后炎癥的微血管漏出和白細胞黏附方面起重要作用[21]。

5 TLR4和組織修復/再生

除了介導I/R損傷，TLR4在機體對其他類型組織損傷和組織修復再生反應中也起著至關重要的作用。有學者報道，在人急性胰腺炎發(fā)病、病情進展中TLR4通過激活NF-κB，引起大量炎性遞質的釋放，加重病情的進展[22]。在嚴重急性胰腺炎并發(fā)多器官功能衰竭的小鼠肝臟中，TLR2/4表達顯著升高,說明TLR4在多器官功能衰竭中起著重要作用[23]。在TLR4或CD14缺失時減輕急性胰腺炎的嚴重程度，也證實了TLR4的促炎作用[24]。

葡聚糖硫酸鹽誘導的急性大腸炎中，上皮細胞TLR4激活放大炎性反應引起黏膜損傷[25]。同樣在葡聚糖硫酸鹽誘導急性大腸炎模型中，有學者發(fā)現(xiàn)TLR4有差別地上調上皮生長因子相關的生長因子，這種因子在急性損傷和修復過程中作用不同[26]。有文獻報道，乙醇和燒傷損傷引起的肺部炎癥在TLR4缺陷小鼠中減弱，而急性肺損傷時，注入TLR4-短發(fā)夾RNA慢病毒抑制TLR4能改善肺組織纖維化，表明TLR4信號通路在肺損傷后炎癥的發(fā)生中起著至關重要的作用[27-28]。在乙醇誘導的肝損傷中，TLR4信號通路增強參與肝損傷[29]，也有研究發(fā)現(xiàn)TLR4缺陷能減弱非酒精性脂肪性肝炎和纖維化，提示TLR4參與肝損傷和肝損傷愈合[30]。TLR4也參與神經炎癥，呼吸道內用干擾小RNA處理抑制TLR4能降低神經性疼痛[31]。此外，TLR4在酒精引起的腦損害及慢性酒精中毒導致的神經退行性變中也起核心作用[32]。近來有證據(jù)表明，TLR4信號通路可促進阿爾茨海默病小膠質細胞的炎性反應[33]。

6 TLR4與心血管相關疾病

在高血壓大鼠中發(fā)現(xiàn)，左心室心肌組織中TLR4和NF-κB的表達水平升高；TLR4表達水平與左心室心肌纖維化呈正相關；TLR4表達水平與左心室心肌肥厚程度、收縮功能指數(shù)顯著相關，表明TLR4信號通路的活化可能參與Goldblatt大鼠心肌肥厚的發(fā)生、發(fā)展[34]。TLR4與動脈粥樣硬化的炎癥發(fā)展也密切相關，TLR4和腫瘤壞死因子α信使RNA在動脈粥樣硬化斑塊組織中均有強烈表達[35]。在動脈粥樣硬化時，CD36-TLR4-TLR6激活被認為是致動脈粥樣硬化的脂質和淀粉刺激的無菌炎癥的一個共同的分子機制[36]。

7 結 語

TLR4信號通路在無菌炎癥性疾病中起著至關重要的作用。研究TLR4在非感染性炎癥疾病中的作用及機制，闡明無菌炎性反應啟動的關鍵事件，能使疾病的發(fā)生機制更加明確，為疾病的預防和治療提供可行的方向。目前很多TLR4預處理及TLR4表達抑制的方法已應用到TLR4相關疾病的研究中，并取得了一定的成果。

目前的研究從基因和生化角度對TLR激活的信號通路進行了研究，但還有些問題仍不明確，如TLR4與DAMPs如何作用，TLR4如何激活它們的下游信號通路，如何招募結合蛋白及在結合體召集和功能等。明確非感染性炎癥性疾病中TLR4信號通路的具體途徑，對尋找疾病治療的新靶點有重要意義。

[1] Erridge C.Endogenous ligands of TLR2 and TLR4:agonists or assistants?[J].J Leukoc Biol,2010,87(6):989-999.

[2] Kim KW,Cho ML,Lee SH,etal.Human rheumatoid synovial fibroblasts promote osteoclastogenic activity by activating RANKL via TLR-2 and TLR-4 activation[J].Immunol Lett,2007,110(1):54-64.

[3] Roelofs MF，Boelens WC,Joosten LA,etal.Identification of small heat shock protein B8(HSP22) as a novel TLR4 ligand and potential involvement in the pathogenesis of rheumatoid arthritis[J].JImmunol,2006,176(11):7021-7027.

[4] Sacre SM,Andreakos E,Kiriakidis S,etal.The Toll-like receptor adaptor proteins MyD88 and Mal/TIRAP contribute to the inflammatory and destructive processes in a human model of rheumatoid arthritis[J].Am J Pathol,2007,170(2):518-525.

[5] Jack C,Ruffini F,Bar-Or A,etal.Microglia and multiple sclerosis[J].J Neurosci Res,2005,81(3):363-373.

[6] Hansen BS,Hussain RZ,Lovett-Racke AE,etal.Multiple toll-like receptor agonists act as potent adjuvants in the induction of autoimmunity[J].J Neuroimmunol,2006,172(1/2):94-103.

[7] Devaraj S,Jialal I,Yun JM,etal.Demonstration of increased toll-like receptor 2 and toll-like receptor 4 expression in monocytes of type 1 diabetes mellitus patients with microvascular complications[J].Metabolism,2011,60(2):256-259.

[8] 陳海英,曲鵬,丁彥春,等.2型糖尿病患者單核細胞TLR4表達及其與血漿TNF-α相關性研究[J].臨床內科雜志,2009,2 6(4):261-263.

[9] Kim F,Pham M,Luttrell I,etal.Toll-like receptor-4 mediates vascular inflammation and insulin resistance in diet-induced obesity[J].Circ Res,2007,100(11):1589-1596.

[10] Arumugam TV,Okun E,Tang SC,etal.Toll-like receptors in ischemia-reperfusion injury[J].Shock,2009,32(1):4-16.

[11] Hyakkoku K,Hamanaka J,Tsuruma K,etal.Toll-like receptor 4 (TLR4),but not TLR3 or TLR9,knock-out mice have neuroprotective effects against focal cerebral ischemia[J].Neuroscience,2010,171(1):258-267.

[12] Dhupar R,Klune JR,Evankovich J,etal.Inte rferon regulatory factor 1 mediates acetylation and release of high mobility group box 1 from hepatocytes during murine liver ischemia-reperfusion injury[J].Shock,2011,35(3):293-301.

[13] Dvoriantchikova G,Santos AR,Danek D,etal.The TIR-domain-containing adapter inducing interferon-β-dependent signaling cascade plays a crucial role in?ischemia-reperfusion-induced retinal injury,whereas the contribution of the myeloid differentiation primary response 88-dependent signaling cascade is not as pivotal[J].Eur J Neurosci，2014.

[14] Wu H,Steenstra R,de Boer EC,etal.Preconditioning with recombinant high-mobility group box 1 protein protects the kidney against ischemia-reperfusion injury in mice[J].Kidney Int,2014,85(4):824-832.

[15] Zanotti G,Casiraghi M,Abano JB,etal.Nove l critical role of Toll-like receptor 4 in lung ischemia-reperfusion injury and edema[J].Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol,2009,297(1):52-63.

[16] Jiang L,Li L,Shen J,etal.Effect of dexmedetomidine on lung ischemiareperfusion injury[J].Mol Med Rep,2014,9(2):419-426.

[17] Nath KA,Vercellotti GM,Grande JP,etal.Heme protein-induced chronic renal inflammation:suppressive effect of induced heme oxygenase-1[J].Kidney Int,2001,59(1):106-117

[18] Figueiredo RT,Fernandez PL,Mourao-Sa DS,etal.Characterization of heme as activator of Toll-like receptor 4[J].J Biol Chem,2007,282(28):20221-20229.

[19] 鄭仲謹,顧長國,李磊.TLR4在創(chuàng)傷后人外周血單核細胞內的表達變化[J].中國現(xiàn)代醫(yī)學雜志,2003,13(12):1-4.

[20] Levy RM,Prince JM,Yang R,etal.Syste,mic inflammation and remote organ damage following bilateral femur fracture requires Toll-like receptor 4[J].Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol,2006,291(4):970-976.

[21] Breslin JW,Wu MH,Guo M,etal.Toll-like receptor 4 contributes to microvascular inflammation and barrier dysfunction in thermal injury[J].Shock,2008,29(3):349-355.

[22] 尹金,于豐彥,曾育輝,等.TLR4和NF-κB及細胞因子炎癥反應在急性胰腺炎發(fā)病中的作用[J].廣東醫(yī)學,2011,32(2):178-181.

[23] Xiong J,Zhu ZH,Liu JS,etal.The expression of toll-like receptor 2,4 of livers in mice with systemic inflammatory response syndrome[J].Hepatobiliary Pancreat Dis Int,2006,5(1):143-146.

[24] Zhang X,Zhu C,Wu D,etal.Possible role of Toll-like receptor 4 in acute pancreatitis[J].Pancreas,2010,39(6):819-824.

[25] Fukata M,Shang L,Santaolalla R,etal.Constitutive activation of epithelial TLR4 augments inflammatory responses to mucosal injury and drives colitis-associated tumorigenesis[J].Inflamm Bowel Dis,2011,17(7):1464-1473.

[26] Hsu D,Fukata M,Hernandez YG,etal.Toll-like receptor 4 differentially regulates epidermal growth factor-related growth factors in response to intestinal mucosal injury[J].Lab Invest,2010,90(9):1295-1305.

[27] Bird MD,Zahs A,Deburghgraeve C,etal.Decreased pulmonary inflammation following ethanol and burn injury in mice deficient in TLR4 but not TLR2 signaling[J].Alcohol Clin Exp Res,2010,34(10):1733-1741.

[28] He Z,Zhu Y,Jiang H.Inhibiting Toll-like receptor 4 signaling ameliorates pulmonary fibrosis during acute lung injury induced by lipopolysaccharide:an experimental study[J].Respir Res,2009,10:126.

[29] Shi QZ,Wang LW,Zhang W,etal.Betaine inhibits Toll-like receptor 4 expression in rats with ethanol-induced liver injury[J].World J Gastroenterol,2010,16(7):897-903.

[30] Csak T,Velayudham A,Hritz I,etal.Deficiency in myeloid differentiation factor-2 and Toll-like receptor 4 expression attenuates nonalcoholic steatohepatitis and fibrosis in mice[J].Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol,2011,300(3):433-441.

[31] Wu FX,Bian JJ,Miao XR,etal.Intrathecal siRNA against Toll-like receptor 4 reduces nociception in a rat model of neuropathic pain[J].Int J Med Sci,2010,7(5):251-259.

[32] Alfonso-Loeches S,Pascual-Lucas M,Blanco AM,etal.Pivotal role of TLR4 receptors in alcohol-induced neuroinflammation and brain damage[J].J Neurosci,2010,30(24):8285-8295.

[33] Song M,Jin J,Lim JE,etal.TLR4 mutation reduces microglial activation,increases Abeta deposits and exacerbates cognitive deficits in a mouse model of Alzheimer′s disease[J].J Neuroinflammation,2011,8:92.

[34] 和亞萍,曲鵬,李桂華.Toll樣受體在Goldblatt鼠左室心肌中的表達-炎癥與左心室肥厚相關的一個證據(jù)[J].高血壓雜志,2005,13(8):483-487.

[35] 馬克娟,馬克威,趙利華.Toll樣受體4和腫瘤壞死因子αmRNA在動脈粥樣硬化中表達的相關性研究[J].中華心血管病雜志,2004,32(10):899-902.

[36] Stewart CR,Stuart LM,Wilkinson K,etal.CD36ligands promote sterile inflammation through assembly of a Toll-like receptor 4 and 6 heterodimer[J].Nat Immunol,2010,11(2):155-161.