TLR4与神经变性疾病和多发性硬化

郑为娜 王珊 生晓娜 孙文蕾 张国华

TLR4与神经变性疾病和多发性硬化

郑为娜 王珊 生晓娜 孙文蕾 张国华

Toll样受体4(toll-like receptor 4，TLR4)是天然免疫系统识别病原微生物的主要受体，在天然免疫反应中起着关键性作用。研究表明，TLR4介导的神经炎性反应参与了阿尔茨海默病、帕金森病、肌萎缩侧索硬化等神经变性疾病和多发性硬化的发生发展。本文将TLR4在神经变性疾病和多发性硬化的研究现状进行综述，期望为深入阐明神经变性疾病的发病机制和拓展治疗方法提供新思路和方向。

Toll样受体4；神经变性疾病；阿尔茨海默病；帕金森病；肌萎缩侧索硬化；多发性硬化

神经变性疾病是一组以原发性神经元变性为基础的慢性进行性神经系统疾病，其发生可能是由于神经组织在衍化、发育、成熟、衰老等过程中出现一系列复杂的分子生物学障碍，从而表现出结构和功能等方面的变化，主要包括阿尔茨海默病(Alzheimer disease，AD)、帕金森病(Parkinson disease，PD)和肌萎缩侧索硬化(amyotrophiclateral sclerosis，ALS)等。多发性硬化(multiple sclerosis, MS)是一种常见的神经系统自身免疫性疾病。上述疾病其发病机制、发展过程及治疗方法尚未明确。近年研究表明，多种神经变性疾病和MS伴有免疫功能异常。Toll样受体4(toll-like receptor 4，TLR4)是天然免疫系统识别病原微生物的主要受体，其在神经变性疾病和MS中所产生的作用受到越来越多研究者的重视。本文将TLR4在神经变性疾病的研究现状进行综述。

1 TLR4的特点及其在神经系统表达

Toll样受体(toll-like receptors，TLRs)属于病原相关分子模式识别受体，通过与微生物病原相关分子模式相结合，启动信号转导通路，在人体天然免疫及获得性免疫中起重要作用。目前发现并确定的TLRs共有13种，其中人TLRs同源体共有11种[1]。TLR4是TLRs家族中极为重要的成员，是天然免疫系统识别病原微生物的主要受体，其在天然免疫反应中起着关键性作用。

人们最初发现TLR4主要通过识别革兰阴性细菌细胞膜上的脂多糖而发挥生物学效应。但进一步研究发现，TLR4 还通过多种配体发挥作用，包括部分热休克蛋白、游离脂肪酸、透明质酸和β淀粉样蛋白(β-amyloid，Aβ)等[2]。TLR4主要位于细胞膜上，在 CD14 与 MD-2 的协同作用下与相应配体结合，从而激活细胞内的信号转导通路来发挥效应。

TLR4分布广泛，在中枢神经系统多种细胞中均有表达，如小胶质细胞(microglia，MI)、星形胶质细胞和少突胶质细胞等[3]。近年研究表明，TLR4在内皮细胞和神经元中也有少量表达[4]。MI是中枢神经系统TLR4炎性反应的主要细胞类型，较易被激活诱导，TLR4主要表达在MI。

2 TLR4介导的信号转导途径

TLR4信号转导途径有髓样分化因子88(myeloid differentiation factor 88，MyD88)依赖信号通路和MyD88非依赖信号通路，其主要根据接头分子的不同进行分类，两条通路接头分子分别为MyD88和β干扰素TIR结构域衔接蛋白(TIR-domain containing adaptor inducing interferon-β， TRIF)。

2.1 MyD88依赖通路 MyD88依赖性途径主要介导炎性细胞因子的产生。TLR4与相关配体结合后促使其本身二聚化，然后通过TIR结构域与MyD88羧基端的TIR结构域相互作用，活化后的MyD88与其下游IL-1受体相关激酶(interleukin-1 receptor associated kinase，IRAK)的氨基端相互作用，导致IRAK自身磷酸化，磷酸化的IRAK激活肿瘤坏死因子受体相关因子6(TNF receptor associated factor 6，TRAF6)，活化的TRAF6与转化生长因子β活化激酶(TGF activated kinase，TAK1)及TAK1的结合蛋白TAB1/2形成复合物，进一步活化核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)诱导激酶(inhibitor of NF-κB kinases，IKKs)，IKKs降解NF-κB抑制因子(inhibitor of NF-κB, IκB)，促使NF-κB从细胞质转位进入细胞核，诱导相关基因转录，进而引起炎性因子的合成和释放[5]。

2.2 非 MyD88 依赖通路 该通路主要诱导干扰素1(IFN-1)的表达和NF-κB的晚发活化。TLR4通过TRIF相关接头蛋白分子与TRIF连接，进而与下游的TRAF3和TRAF6相互作用。TRIF通过TRAF3催化干扰素调节因子3(interferon regulatory factor-3，IRF3)的磷酸化并促使其核异位，而激活后的IRF3能诱导 IFN-1 的表达；同时，TRIF通过TRAF6激活TAK1，进而与 MyD88依赖通路类似的途径激活 NF-κB，促使炎性细胞因子产生和释放[6]。

3 TLR4与神经变性疾病和MS

多种神经变性疾病(如AD、PD、ALS等)和MS都伴有免疫功能异常，近年越来越多的证据证实免疫功能调节异常参与神经元的变性坏死。神经变性疾病和MS中免疫异常主要表现为MI过度激活，TLR4作为MI表面的主要模式识别受体(pattern recognition receptors，PRRs)，在神经变性疾病和MS中扮演着关键角色。

3.1 TLR4与AD AD是中枢神经系统最常见的变性疾病，其主要病理改变包括老年斑、神经纤维缠结、神经元缺失和胶质增生等。AD发病机制复杂，病因至今不清，目前关于AD发病过程的研究表明，Aβ沉积诱导的炎性反应是导致AD发病的主要机制之一[7]。

越来越多的研究发现MI在Aβ诱导的炎性反应中起着关键作用。AD尸检发现，AD患者脑内伴有明显的胶质细胞反应，老年斑周围有大量MI聚集。MI作为脑内炎性细胞，表面存在多种受体，用来识别病原体或异物。增多的Aβ寡聚体及原纤维作为危险相关分子模式，可以激活MI表面的PRRs及相关补体，引起慢性炎性反应[8]。TLR4作为主要的PRRs之一，在AD时MI激活过程中发挥了重要作用。Walter等[9]从C3H/HeJ(TLR4基因突变型)小鼠和C3H/HeN (野生型)小鼠中分离出MI进行培养，再用Aβ刺激上述细胞，结果发现，C3H/HeJ小鼠MI生成的IL-6和TNF-α等炎性因子较C3H/HeN小鼠MI明显减少；进一步用上述两种小鼠的MI处理小鼠原代培养的海马神经元，结果显示，用C3H/HeJ小鼠MI处理的海马神经元存活率显著高于用C3H/HeN小鼠MI处理的海马神经元，这表明TLR4介导了Aβ诱导的MI神经毒性作用。He等[10]在侧脑室注射纤丝状Aβ(FAβ)和Aβ寡聚体(AβO)诱导的AD模型大鼠中发现，其海马组织TLR4及NF-κB的mRNA和蛋白表达水平均明显升高。Reed-Geaghan等[11]发现，TLR4兴奋剂与FAβ引发的信号转导级联反应完全一致，而且Aβ活化NF-κB通路需要TLR4参与。应用抗体封闭TLR4或者敲除siRNA，可以阻止FAβ诱导的IL-6和TNF-α等炎性因子生成[12]。上述研究表明，Aβ是在TLR4参与下激活了MI，活化的MI导致TNF-α、IL-1及IL-6等炎性因子表达增多，这些炎性因子的过度生成造成AD患者神经元变性坏死。

Ding等[13]发现，大豆异黄酮可以减轻Aβ1-42侧脑室注射诱导的AD模型大鼠学习记忆损害，血清中TNF-α和IL-1水平以及海马组织中TLR4和NF-κB的mRNA及蛋白水平降低。与此类似，染料木黄酮也可以通过调节TLR4/NF-κB信号通路，减轻Aβ诱导的炎性损伤[14]。

上述研究表明，通过TLR4活化的MI在AD的发生、发展过程中起着重要作用，TLR4信号通路可能成为治疗AD的潜在靶点。

3.2 TLR4与PD PD是继AD之后第二种常见的神经变性疾病，其病理特点为：黑质多巴胺能神经元大量变性丢失和残留的神经细胞内出现嗜酸性包涵体(即Lewy小体)。

尽管PD的发病及慢性进展机制仍未明，但近年在PD患者和动物模型研究中表明，神经炎性反应在PD发病机制中起着重要作用。Tufekci等[15]发现，在PD患者纹状体、脑脊液及血清中TNF-α、IL-1β、IL-6和IL-2水平均明显升高。最近一项基因芯片分析显示，PD 患者脑内编码促炎因子的基因表达增加，并且这些变化以MI最为显著[16]。对PD患者尸检可观察到黑质部位存在异常激活的MI[17]；Ouchi等[18]采用(11C)(R)-PK11195和 (11C)CFT对PD患者进行PET检查发现，随着疾病的进展，患者脑内多巴胺转运蛋白显影剂(11C)CFT摄取值显著降低，而活化的MI明显增多，提示MI激活与多巴胺能神经元变性具有相关性。McGeer等[19]对PD患者尸检结果发现，黑质致密部激活的MI聚集在Lewy小体周围。α-突触核蛋白是Lewy小体的主要成分，许多PD实验模型证实其作为病理蛋白可刺激MI发生异常激活，活化的MI分泌大量炎性因子如TNF-α、IL-1β和IL-6等，从而介导对神经元的损伤作用[20]。

Fellner等[21]用α-突触核蛋白处理TLR4基因缺陷型和野生型MI，结果发现，与野生型MI相比，TLR4基因缺陷型MI的NF-κB核转移、细胞因子释放和活性氧生成等明显受到抑制。这表明TLR4在α-突触核蛋白活化MI中起着重要作用。Noelker等[22]进一步研究证实TLR4途径参与多巴胺能神经元的丢失，推动了PD的发病和病理进程。

此外，MI对多巴胺能神经元的破坏作用，间接影响着异动症的发生及其严重程度。Paille等[23]研究证实，发生异动症的PD大鼠，其黑质多巴胺能神经元至少丧失95%以上，明显高于未发生异动症的大鼠，且异动症严重程度与多巴胺能神经元减少的百分比呈正相关；而黑质致密部损伤较轻的PD大鼠即使经过长达半年的左旋多巴治疗亦未出现异动症。可见，黑质多巴胺能神经元减少不仅是PD发病的始动环节，也是异动症发病基础之一。因此，如能在PD病程的早期调节TLR4信号通路抑制MI过度活化、阻断其代谢产物诱导多巴胺能神经元的变性，从而避免左旋多巴对基底节环路平衡的进一步破坏，则有可能延迟异动症的发生或减轻其程度。

随着对PD发病机制的深入研究，特别是在TLR4在PD发病中的作用得到阐明，使TLR4有望成为PD潜在治疗的又一新靶点。

3.3 TLR4与ALS ALS是一种慢性神经变性疾病，以运动皮层和脊髓的运动神经元缺失、星形胶质细胞和小胶质细胞活化为特点。绝大部分ALS患者为散发型ALS(sporadic amyotrophic lateral sclerosis，SALS)，仅有5%～10% ALS患者为家族遗传型ALS(familial amyotrophic lateral sclerosis，FALS)，FALS中约20%存在超氧化物歧化酶1(superoxide dismutase 1，SOD1)基因突变[24]。尽管ALS的病因和发病机制至今未明，但近年研究已经证实活化的MI与SALS和FALS的发病均有关。Beers等[25]研究发现，与野生型MI相比，SOD1基因突变(mutant superoxide dismutase 1，mSOD1)的MI释放更多的超氧化物，并且诱导了神经元坏死。Letiembre等[26]还发现，mSOD1小鼠TLR4表达增多。进一步研究证明，mSOD1是通过TLR4活化MI，诱导TNF-α、IL-1β和 NO等炎性因子产生，进而导致运动神经元坏死。用mSOD1处理MI，可以增加MI的活化及神经毒性，而应用TLR4抗体封闭，可以减少MI的活化[27]。

在SALS患者外周血及脊髓病变区中存在着大量活化的MI[28]。近来研究已经证实，活化的MI在SALS发生发展中起着重要作用。Zhang等[29]提取SALS患者外周血单核细胞(peripheral blood mononuclear cells ，PBMCs)进行短期培养，进而检测PBMCs的基因表达变化，结果发现 LPS/TLR4信号通路的相关基因表达上调，而其上调程度与PBMCs的活化水平及血浆中LPS的水平有关，而且类似结果在应用LPS处理健康人PBMCs的研究中得到证实。上述研究表明，SALS中单核细胞的活化可能是通过TLR4信号通路。Trotta等[30]发现在SALS运动神经元中TLR4表达上调，而且其在运动神经元变性中起着重要作用，这可能是通过TLR4/RAGE信号通路的活化加重了炎性反应，进而导致运动神经元损伤。

此外，TLR4对ALS的病情进展也有影响。Casula等[31]发现，ALS患者MI的TLR4表达增高，而且过表达TLR4的MI可以加重ALS患者的脊髓损害。Nguyen等[32]应用LPS诱导ALS模型小鼠TLR4活化，结果发现处理组较空白对照组病情加重。

上述研究表明，TLR4在ALS的发病及疾病进展中起着重要作用，调节TLR4信号通路可能为ALS的治疗提供新的思路。

3.4 TLR4与MS MS是中枢神经系统自身免疫性疾病，以炎性反应、髓鞘脱失及进行性轴索变性为特征，MS确切病因及发病机制未明，但目前多认为免疫功能异常在其发病中起着关键性作用。

在MS患者中枢神经系统病变周围除有T淋巴细胞、单核细胞和巨噬细胞浸润外，还有大量活化的MI和星形胶质细胞，这提示固有免疫系统参与介导了神经元损伤[33]。Felts等[34]发现，局部注射LPS进入中枢神经系统引起的脱髓鞘和轴索损伤，主要是由于LPS通过TLR4激活MI介导免疫反应所致。近年研究表明，TLR4在MS及其动物模型自身免疫性脑脊髓炎(experimental autoimmune encephalomyelitis，EAE)的发病中起着重要作用[35]。即使没有微生物的刺激，TLR4在中枢神经系统的表达水平在EAE的整个疾病过程中始终呈持续升高状态[36]。而抑制TLR4信号转导途径[37]或MyD88基因敲除阻断TLR4的MyD88依赖信号转导，对EAE发生均有一定抑制作用[38]。Xu等[39]发现，非诺贝特能抑制MI表达TLR4、MyD88和CD14，从而抑制MyD88信号转导途径对NF-κB激活，使MI分泌炎性因子减少，抑制EAE发病。

此外，通过TLR4激活的MI表达MHC-Ⅱ类分子及共刺激分子CD80、CD86、CD40，并提呈抗原使CD4+T细胞活化、增值，启动MS获得性免疫。MI捕获抗原后，提呈MHC-Ⅱ类分子到细胞表面，形成抗原肽-MHC-Ⅱ类分子复合物，T细胞受体与其特异性结合，提供了T细胞活化的第一信号；CD80、CD86和CD40与T细胞表面黏附分子结合提供活化的第二信号，使T细胞活化、增殖为效应细胞[40]。MI提呈抗原启动获得性免疫对MS的发病起重要作用。Nikodemova等[41]研究发现，米诺环素能减少MI表达MHC-Ⅱ类分子，抑制MI提呈抗原功能，从而减轻MS病情。

上述研究表明，MI通过TLR4启动天然和获得性免疫反应，在MS发病中起着重要作用，这也提示TLR4信号通路可能成为治疗MS潜在靶点。

综上所述， TLR4在AD、PD和ALS等神经变性疾病及MS的发生发展中发挥着重要作用。因此，对 TLR4及其信号通路进行更加深入的研究与探索，可为进一步阐明这些疾病的发病机制和拓展治疗方法提供新的思路和方向。

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(本文编辑：邹晨双)

10.3969/j.issn.1006-2963.2015.04.016

河北省自然科学基金资助项目(C2011206110)

050000 河北医科大学第二医院神经内科 河北省神经病学重点实验室

张国华，Emai：zhangguohua1983@sina.com

R741

A

1006-2963 (2015)04-0291-05

2014-10-29)