Toll樣受體4信號(hào)傳導(dǎo)通路在急性肺損傷發(fā)病機(jī)制中的作用

付玉梅，陳旭昕，韓志海

Toll樣受體4信號(hào)傳導(dǎo)通路在急性肺損傷發(fā)病機(jī)制中的作用

付玉梅，陳旭昕，韓志海

炎癥反應(yīng)失控是急性肺損傷/急性呼吸窘迫綜合征重要的發(fā)病機(jī)制之一。Toll樣受體4介導(dǎo)生成的炎癥介質(zhì)是急性肺損傷炎癥反應(yīng)中重要的分子生物學(xué)基礎(chǔ)之一。作者就Toll樣受體4的炎癥信號(hào)傳導(dǎo)通路在急性肺損傷/急性呼吸窘迫綜合征中的作用機(jī)制進(jìn)行綜述。

Toll樣受體4；炎癥；信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路；急性肺損傷

急性肺損傷(acute lung injury，ALI)/急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome，ARDS)臨床上以頑固性的低氧血癥和呼吸窘迫為主要表現(xiàn)，炎癥反應(yīng)失控是其發(fā)病的重要原因。感染，尤其革蘭陰性桿菌引起的膿毒血癥是導(dǎo)致ALI/ARDS的重要原因，革蘭陰性桿菌細(xì)胞外的脂多糖(lipopolysaccharides，LPS)是先天性免疫反應(yīng)及炎癥反應(yīng)的啟動(dòng)子。Toll樣受體4(Toll-like receptor-4，TLR4)既作為L(zhǎng)PS的受體，又作為信號(hào)傳遞分子，通過一系列蛋白激酶級(jí)聯(lián)放大反應(yīng)，并最終誘導(dǎo)相關(guān)炎癥基因的表達(dá)，導(dǎo)致細(xì)胞分泌炎癥介質(zhì)和趨化因子，引發(fā)系統(tǒng)性炎癥反應(yīng)。宿主通過TLR4對(duì)LPS的免疫應(yīng)答，產(chǎn)生大量的炎性介質(zhì)在ALI/ARDS的發(fā)生、發(fā)展中起著重要的作用，阻斷Toll樣受體通路可以減輕ALI/ARDS的炎癥反應(yīng)[1]。作者就TLR4炎癥信號(hào)傳導(dǎo)通路在ALI/ARDS中的最新研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 TLR4及其家族

Toll樣受體家族(Toll like receptors，TLRs)是一種跨細(xì)胞膜受體，通過識(shí)別病原相關(guān)分子模式感知不同的微生物刺激，進(jìn)而區(qū)別“自己”和“非己”，激活天然免疫反應(yīng)，在天然免疫系統(tǒng)和炎癥反應(yīng)中發(fā)揮著重要作用[2]。TLR4是TLRs中的一員，主要分布于免疫效應(yīng)細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和上皮細(xì)胞表面。研究表明，TLR4是識(shí)別并啟動(dòng)LPS炎癥信號(hào)向胞內(nèi)傳導(dǎo)進(jìn)而引發(fā)炎癥反應(yīng)的受體[1]。當(dāng)LPS在CD14錨定分子和TLR4的附屬蛋白MD2分子的協(xié)助下與TLR4結(jié)合后，主要有2條信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路途徑，即髓樣分化因子88(myeloid differentiation factor 88，MyD88)依賴途徑和MyD88非依賴途徑[β-干擾素Toll/白介素-1受體(Toll/interleukin-1 receptor，TIR)結(jié)構(gòu)域銜接蛋白(TIR-domain-containing adaptor inducinginterferon-β，TRIF)依賴型途徑]。

1.1 MyD88依賴途徑 MyD88通過其TIR結(jié)構(gòu)域與TLRs的相應(yīng)結(jié)構(gòu)域相互作用，隨后MyD88通過其死亡結(jié)構(gòu)域募集具有相同死亡結(jié)構(gòu)域的IL-1受體相關(guān)激酶(IL-1 receptor-associated kinase，IRAK)，導(dǎo)致IRAK自身磷酸化，自身磷酸化的IRAK與腫瘤壞死因子(tumor necnosis factor，TNF)受體相關(guān)因子6(TNF receptor-associated factor 6，TRAF6)形成復(fù)合物，進(jìn)而導(dǎo)致TRAF6寡聚化；寡聚化后，再與轉(zhuǎn)移生長(zhǎng)因子β激酶-1(transforming growth factor-β-activa-ted kinase-1，TAK1)、TAK1結(jié)合蛋白-1(TAK1-binding protein-1，TAB1)及TAB2相互作用，TAK1磷酸化，核因子-κB(nuclear factor-kappa B，NF-κB)抑制物激酶和c-Jun氨基末端激酶激活，使NF-κB和轉(zhuǎn)錄激活蛋白-1活化，啟動(dòng)炎癥因子基因的轉(zhuǎn)錄、翻譯，釋放炎癥介質(zhì)，導(dǎo)致炎癥反應(yīng)發(fā)生。

1.2 MyD88非依賴途徑 通過TLR4的胞內(nèi)TIR結(jié)構(gòu)域，激活下游接頭分子進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，TRIF-受體相互作用蛋白-1或者TRIF-TRAF6通路激活NF-κB誘導(dǎo)炎癥因子的分泌，而TRIF-TRAF聯(lián)合NF-κB激酶結(jié)合激酶-1/NF-κB抑制物激酶ε通路激活干擾素調(diào)節(jié)因子-3，誘導(dǎo)Ⅰ型干擾素分泌和樹突狀細(xì)胞的活化[3]。

2 TLR4信號(hào)通路在ALI/ARDS發(fā)病機(jī)制中作用

TLR4活化在炎癥反應(yīng)中也是一把“雙刃劍”[4]。一方面，TLR4作為機(jī)體感知病原體入侵的主要門戶，能及時(shí)激活機(jī)體的天然免疫系統(tǒng)和獲得性免疫系統(tǒng)，以抵御和清除病原體。正常情況下，炎癥反應(yīng)主要是以防御為主的局部組織反應(yīng)，可以起到防止組織損傷擴(kuò)大，促進(jìn)組織修復(fù)的作用，是機(jī)體修復(fù)和生存所必需的。感染、創(chuàng)傷可以觸發(fā)機(jī)體的炎癥反應(yīng)，如果炎癥反應(yīng)能夠局限，及時(shí)清除病原體及異物，則對(duì)機(jī)體有利。

另一方面，過度的TLR4應(yīng)答又會(huì)導(dǎo)致炎癥反應(yīng)瀑布式爆發(fā)和免疫相關(guān)性組織損傷，如ALI/ARDS。感染，尤其是革蘭陰性桿菌的細(xì)胞外膜上的LPS是導(dǎo)致ALI/ARDS的重要原因。在LPS誘導(dǎo)的ALI/ ARDS信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中，TLR4作為L(zhǎng)PS的受體，控制著LPS炎癥信號(hào)的細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)導(dǎo)以及NF-κB的激活和大量炎癥介質(zhì)的釋放[5]。LPS-TLR4通路的激活，導(dǎo)致TNF-α、IL-1β多種細(xì)胞因子、趨化因子基因表達(dá)增強(qiáng)，如果炎癥反應(yīng)不能夠局限，產(chǎn)生的炎癥介質(zhì)可進(jìn)一步刺激和激活單核-巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、淋巴細(xì)胞、上皮細(xì)胞及內(nèi)皮細(xì)胞釋放大量的炎癥介質(zhì)，形成炎癥介質(zhì)介導(dǎo)的瀑布樣連鎖反應(yīng)，猶如多米諾骨牌的逐級(jí)放大，使炎癥反應(yīng)失控。大量的炎癥介質(zhì)、活化的炎性細(xì)胞、自由基等的釋放，誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞活化、白細(xì)胞遷移、粒細(xì)胞脫顆粒及毛細(xì)血管通透性增加，肺泡及肺間質(zhì)的水腫，肺泡蛋白的滲出，造成肺組織損傷、結(jié)構(gòu)破壞，并最終發(fā)展為ALI/ ARDS[6]。ALI/ARDS常作為全身炎癥反應(yīng)綜合征的并發(fā)癥存在，ALI/ARDS患者主要的死亡原因并非原發(fā)病，而是炎癥反應(yīng)失控所繼發(fā)的多臟器功能障礙綜合征(multiple organ dysfunction syndrome，MODS)，或多器官功能衰竭(multiple organ failure，MOF)，ALI/ARDS是MODS/MOF在肺臟的具體體現(xiàn)[7]。Matute-Bello等[8]給予失血休克后的小鼠盲腸結(jié)扎穿刺，成功制造了膿毒癥誘導(dǎo)的急性肺損傷模型。Baumgarten等[9]通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)了TLR4/CD14信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路在內(nèi)毒素導(dǎo)致的ALI/ARDS機(jī)制中發(fā)揮著重要作用。黃繼義等[10]研究表明，阻斷TLR4表達(dá)能抑制LPS誘導(dǎo)的ALI大鼠體內(nèi)炎癥因子的分泌，減輕肺組織病理損害，發(fā)揮著治療ALI的作用。

炎癥介質(zhì)在ALI/ARDS的發(fā)生、發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。NF-κB在炎癥反應(yīng)的調(diào)節(jié)中起了核心作用，并在炎癥反應(yīng)的啟動(dòng)和放大過程中扮演了重要角色。NF-kB介導(dǎo)了大量的促炎基因的表達(dá)，包括細(xì)胞因子、趨化因子、免疫受體、酶及促炎因子的表達(dá)。NF-κB的激活可能是大量炎癥介質(zhì)基因表達(dá)的調(diào)控點(diǎn)，防止NF-κB的激活或抑制其活性可以減輕LPS導(dǎo)致 ALI/ARDS[11]。TNF-α是重要的致炎因子，通過以下機(jī)制導(dǎo)致ALI/ARDS的發(fā)生:①直接破壞溶酶體和內(nèi)皮細(xì)胞，引起肺組織損傷；②抑制血管內(nèi)皮細(xì)胞的抗凝功能，促進(jìn)血栓的形成，造成肺動(dòng)脈高壓，引起通氣/血流比例失調(diào)，導(dǎo)致低氧血癥；③促使肺血管內(nèi)皮細(xì)胞表達(dá)細(xì)胞黏附分子-1，促使白細(xì)胞跨越內(nèi)皮細(xì)胞遷移到炎癥部位，發(fā)生炎癥反應(yīng)，引起肺損傷；④促進(jìn)炎癥趨化因子IL-8的釋放，與中性多核白細(xì)胞表面特異性受體結(jié)合后，導(dǎo)致細(xì)胞變形、脫顆粒反應(yīng)、釋放溶酶體和過氧化物，促進(jìn)炎癥反應(yīng)，引起肺損傷。有研究表明，TNF-α是體外循環(huán)導(dǎo)致ALI的始動(dòng)因子，是否是內(nèi)毒素導(dǎo)致ALI的始動(dòng)因子仍待進(jìn)一步確定[12]。除了TNF-α還有IL-1β、IL-6、IL-8、γ-干擾素、磷脂酶A2、血小板活化因子炎癥介質(zhì)通過級(jí)聯(lián)放大反應(yīng)導(dǎo)致炎癥反應(yīng)，體內(nèi)同時(shí)存在抗炎反應(yīng)，產(chǎn)生內(nèi)源性抗炎介質(zhì)如IL-10、IL-1受體拮抗劑、可溶性TNF受體等，炎癥和抗炎反應(yīng)平衡，保持內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定，一旦失衡，就會(huì)導(dǎo)致ALI/ARDS的發(fā)生。

3 TLR4及其家族的負(fù)調(diào)控可以減輕ALI/ARDS

TLRs信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的激活可誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生大量炎癥介質(zhì)，產(chǎn)生很強(qiáng)的免疫應(yīng)答反應(yīng)，有利于機(jī)體對(duì)抗病原體和促進(jìn)組織損傷的修復(fù)，但是過強(qiáng)的免疫應(yīng)答反應(yīng)也會(huì)給機(jī)體帶來不利的影響，如產(chǎn)生內(nèi)毒素休克、ALI/ARDS。正常情況下，機(jī)體之所以能夠保持內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)，機(jī)體存在負(fù)反饋限制調(diào)節(jié)——TLRs的負(fù)性調(diào)節(jié)，適時(shí)終止TLRs信號(hào)，避免過強(qiáng)的免疫應(yīng)答反應(yīng)。炎癥反應(yīng)時(shí)正反饋的蛋白激酶“級(jí)聯(lián)放大”反應(yīng)與負(fù)反饋限制調(diào)節(jié)平衡狀態(tài)，決定著全身炎癥反應(yīng)的發(fā)生和發(fā)展。通過特異性的受體阻滯劑阻斷TLR4信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，可以不同程度地抑制炎癥細(xì)胞的活化和組織浸潤，抑制炎癥細(xì)胞因子級(jí)聯(lián)放大反應(yīng)，從而減輕ALI/ARDS。具體可歸結(jié)5種不同機(jī)制:①可溶性的TLRs競(jìng)爭(zhēng)相應(yīng)的配體，如可溶性TLR4等；②通過跨膜區(qū)的負(fù)調(diào)節(jié)分子；③細(xì)胞內(nèi)的負(fù)調(diào)控分子，如細(xì)胞因子信號(hào)抑制因子(suppressor of cell signaling，SOCS)等；④下調(diào)TLRs的表達(dá)；⑤誘導(dǎo)TLRs信號(hào)過強(qiáng)細(xì)胞的凋亡。目前，研究發(fā)現(xiàn)的TLRs負(fù)性調(diào)節(jié)因子，主要包括免疫球蛋白單體IL-1相關(guān)受體(single immunoglobulin IL-1-related receptor，SIGIRR)、短鏈MyD88、SOCS、磷脂酰肌醇-3等[13]。

4 TLR4及其家族信號(hào)通路的負(fù)性調(diào)節(jié)因子

4.1 SIGIRR SIGIRR又稱TIR8，是新近發(fā)現(xiàn)的TLR/IL-1R超家族成員之一。近年研究表明，SIGIRR對(duì)TLRs信號(hào)通路有負(fù)性調(diào)控作用[14]。Chen等[15]從體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)分別證實(shí)了過表達(dá)SIGIRR對(duì)TLRs信號(hào)通過起負(fù)調(diào)控作用，可減輕LPS誘導(dǎo)的肺損傷，改善肺損傷小鼠預(yù)后。

4.2 SOCS-1 SOCS是一種細(xì)胞因子信號(hào)阻抑蛋白，不僅通過對(duì)Janus激酶/信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄活化因子信號(hào)通路的負(fù)反饋?zhàn)饔脕碚{(diào)節(jié)炎癥因子的釋放，而且通過膜識(shí)別受體TLR調(diào)節(jié)NF-κB，參與天然免疫反應(yīng)的負(fù)性調(diào)節(jié)，減輕ALI/ARDS[16]。SOCS-1是SOCS蛋白家族成員之一，SOCS-1表達(dá)于巨噬細(xì)胞及樹突狀細(xì)胞表面，抑制多種免疫分子的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。Nakagawa等[17]研究表明，SOCS-1缺失的小鼠對(duì)LPS誘導(dǎo)的內(nèi)毒素休克非常敏感及產(chǎn)生的細(xì)胞因子增多，異位表達(dá)的SOCS-1可削弱LPS誘導(dǎo)的NF-κB激活，SOCS-1可以直接下調(diào)TLR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。

4.3 IRAK-M IRAK是TIR家族信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中重要的接頭分子，IRAK-M可阻止IRAK-1/IRAK-4從MyD88復(fù)合物中分離，從而防止IRAK-1/TRAF6復(fù)合物的形成[18]。Kobayashi等[19]發(fā)現(xiàn)先用 LPS刺激后IRAK-M表達(dá)明顯增加，IRAK-1的磷酸化減弱，促使復(fù)合物TLR/MyD88/IRAK-4/IRAK-1穩(wěn)定結(jié)合，阻止IRAK-1/IRAK-4從MyD88復(fù)合物中分離，從而防止IRAK-1/TRAF6復(fù)合物的形成，導(dǎo)致信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的中斷從而削弱LPS誘導(dǎo)的NF-κB的激活，出現(xiàn)內(nèi)毒素耐受現(xiàn)象，而IRAK-M基因缺陷的細(xì)胞發(fā)生內(nèi)毒素耐受的能力大大地減弱。

4.4 短鏈MyD88 過量表達(dá)的短鏈MyD88可通過阻斷TIR家族信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中IRAK-4介導(dǎo)的IRAK-1磷酸化[20]，從而削弱LPS誘導(dǎo)的NF-κB的激活，減弱大量炎癥介質(zhì)的釋放，減輕ALI/ARDS。

TLR4信號(hào)通路過度激活是導(dǎo)致炎癥反應(yīng)爆發(fā)失控的主要機(jī)制之一，過度的TLR4應(yīng)答又會(huì)導(dǎo)致炎癥反應(yīng)瀑布式爆發(fā)和免疫相關(guān)性組織損傷，阻斷或減弱TLR4應(yīng)答可能會(huì)減輕ALI/ARDS的炎癥反應(yīng)。炎癥反應(yīng)和抗炎癥因子反應(yīng)在疾病的發(fā)生、發(fā)展中發(fā)揮著重要作用，仍有大量關(guān)于TLR4及其家族介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的上游、下游信號(hào)接頭分子及負(fù)性調(diào)控因子未被了解。更好地了解TLR4及其家族與ALI/ARDS的關(guān)系，將為預(yù)防、干預(yù)、治療ALI/ ARDS提供全新的策略和方案，有助于降低ALI/ARDS的發(fā)病率和病死率。

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The role of Toll-like receptor 4 signaling pathways in the mechanism of acute lung injury

FU Yumei，CHEN Xuxin，HAN Zhihai
(Department of Respiratory，Navy General Hospital，Beijing 100048，China)

Uncontrolled inflammatory response plays an important role in the mechanism of acute lung injury/acute respiratory distress syndrome(ALI/ARDS).Studies have shown that the molecular biological basis of the inflammatory response in the ALI/ARDS is inflammatory mediators generated by Toll-like receptor 4.This review presents the mechanism of Toll-like receptor 4 signaling pathways in the ALI/ARDS.

Toll-like receptor 4(TLR4)；Inflammatory；Signal transduction pathway；Acute lung injury

R563

A

2095-3097(2015)04-0236-04

10.3969/j.issn.2095-3097.2015.04.013

2015-01-29 本文編輯:張?jiān)谖?

國家自然科學(xué)基金(81300050)；海軍總醫(yī)院創(chuàng)新培育基金(CXPY201417)

100048北京，海軍總醫(yī)院呼吸內(nèi)科(付玉梅，陳旭昕，韓志海)

韓志海，E-mail:hzhngh＠sina.com