TLR4参与的炎症通路在术后认知功能障碍中的研究进展

余镇河,朱昭琼

(遵义医科大学附属医院 麻醉科，贵州 遵义 563099)

术后认知功能障碍(postoperative cognitive dysfunction，POCD)是一种麻醉和手术后的常见并发症，是指手术后认知功能下降，表现为记忆力，注意力和理解力受损，以及处理信息的能力降低。虽然至今术后认知功能障碍的确切机制尚不明确，但主要研究方向集中在“中枢胆碱能假说”和“β淀粉肽假说[1-2]”，但是进来大量研究发现，手术创伤、麻醉或者应激都会导致术后认知功能障碍的发生[3]，而创伤后引起的炎症反应在术后认知功能障碍中扮演着重要角色[4-5]。TLR4作为炎症反应中的重要靶点，其参与的炎症反应在导致术后认知功能障碍中，自然也发挥了重要作用。有研究发现[6]，当位于小胶质细胞表面的Toll样受体(toll-like receptors，TLR4)与外来刺激结合后，通过激活下游的NF-kB信号通路和MAPK通路，导致炎症因子的的大量释放，最终作用于中枢神经系统，导致认知功能障碍。TLR4参与的炎症通路在POCD发展过程中，扮演着不可或缺的作用。本文就TLR4参与的炎症通路和POCD的关系的相关研究综述如下：

1 TLR4的结构与功能

TLR4是一种模式识别受体，属于1型跨膜糖蛋白受体家族，通常在小胶质细胞上表达[7]。目前有13个Toll样受体家族，其中TLR4主要由免疫细胞和免疫样细胞表达，它包括粒细胞、单核细胞和巨噬细胞，并通过进化来检测危险信号[8]。TLR4由细胞外结构域、跨膜结构域和细胞内的TLR-IL1结构域组成。细胞外的结构域由18～31个富含亮氨酸的重复序列组成[9]，它能识别不同的病原相关模式，可由许多内源性和外源性因素激活。其中外源性配体主要包括脂多糖，而脂多糖是TLR4必不可少的传感器和信号适配器。TLR4又是脂多糖免疫刺激中最强的成分之一，两者相互作用[10]。内源性配体主要包括高迁移族蛋白、纤连蛋白-EDA、S100A8等，有研究发现S100A8通过激活TLR4ˉ髓样分化因子88(TLR4- myeloid differentiation divisor 88，MyD88)传导通路导致小鼠发生胫骨骨折术后认知功能障碍[11]。当TLR4和配体结合后，TLR4信号适配器启动一系列信号级联，导致NF-kB的激活并释放炎性因子，产生一系列的变化，导致神经炎症的发生并作用于神经系统最终损害认知功能。TLR4信号通路由两个分支组成，分别为MyD88依赖途径和MyD88独立途径，绝大多数TLR(TLR2、4、8和9)通过MyD88依赖途径传递，只有TLR3通过MyD88独立途径传递[12]。这两种途径都可以诱导NF-kB的磷酸化以及发生降解，最后产生大量细胞因子和炎症因子，参与适应性和免疫性的过程[5]。有研究表明，在浆细胞中激活TLR4会导致产生和分泌大量的IgG，其信号通路可能在浆细胞生物学中发挥核心作用[13]。术后的TLR4在大脑内小胶质细胞中大量表达，并且在脑中的HMGB1/ TLR4通路激活引起的过度炎症已经涉及神经退行性病变。高迁移率族蛋白(high mobility group protein，HMGB1)是一种DNA结合蛋白，广泛存在于各种组织中，并在炎症晚期刺激后从细胞核转移到细胞质，有研究证实，其与糖基化终产物结合产生炎症介质，最终损伤记忆和认知等功能[14]。而许多实验证明，有效抑制HMGB1可以明显改善由炎症导致的POCD[15]。

2 TLR4与小胶质细胞

小胶质细胞的激活一直被认为是神经炎症的的标志[16]，而炎症和POCD的关系又密不可分。当TLR4与外来配体结合后，位于小胶质细胞表面上的TLR4受体就会激活下游的信号通路，最后引发以TLR4为重要靶点的炎症反应参与POCD的发展。

小胶质细胞是中枢神经系统的实质免疫细胞，占中枢神经系统细胞10%～20%。在稳态中，小胶质细胞协调神经发育和可塑性，它们不断地在微环境中巡逻，为周围的细胞提供营养并协调突触的形成[17]。一般情况下呈现为静息状态，细胞突起以较高的频率收缩。当受到感染、炎症创伤或其他神经系统疾病激活时，小胶质细胞迅速活化并且改变各种表达分子响应大脑的变化，与TLR4结合激活下级信号通路，使得小胶质细胞产生大量的炎性因子，最后引发神经炎症。当小胶质细胞活化时，它的功能是保护神经元和吞噬病原体。但一旦小胶质细胞过度活化，海马中小胶质细胞在形态学上会变成“变形虫”[18]，在表型上也会极化，并且会产生和释放大量的促炎因子，产生过度的神经炎症反应且对神经元细胞造成有害的影响。然而，异常的小胶质细胞反应也是退行性疾病的重要组成部分[17]。小胶质细胞存在不同的表型，即M1型和M2型，其在疾病发展中起着双重作用。M1型小胶质细胞对最初的刺激、伤害和感染有反应，并且作为第一线防御外来病原体的破坏，它主要参与抗原呈递和清除外来物质的过程，以及与其他免疫细胞的信息交流。M2型小胶质细胞是具有潜在效应作用的细胞，其抑制促炎免疫反应并促进基因表达的修复。根据激活的状态或者是激活的因素，小胶质细胞具有“经典激活、替代激活和获得性激活”三种状态。经典激活与促炎症因子例如肿瘤坏死因子(Tumor necrosis factor-α，TNF-α)、白介素-1(interleukin-1，IL-1β)和一氧化氮(nitric oxide，NO)等相关，并且该状态下的小胶质细胞表型是M1。M2型小胶质细胞则包括替代激活和获得性激活。替代激活仅用来处理IL-4或IL-13的炎症状态。获得性激活则是缓解急性炎症的另一种状态，主要通过摄取凋亡细胞或暴露于抗炎细胞因子如IL-10和转化生长因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)的损伤来诱导[19-20]。目前对于两种表型之间是否可以共存或者是否有形态差异尚不清楚，但是两种表型在特定的环境下可以相互转换。研究表明，拮抗过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisome proliferator-activated receptor，PPARγ)可以促进LPS刺激的原代小胶质细胞极化从M1型变为M2型[21]。调节小胶质细胞激活状态的因素，特别是将小胶质细胞极化从促炎表型变为抗炎表型是抑制炎症分子的一个重要靶点。而如果能有效抑制炎症在发展，也必将延缓POCD的进展。

小胶质细胞激活下游通路包括Notch信号通路、TOLL样信号通路、AMPK信号通路和NF-kB信号通路[20]。Notch信号通路是连接两个相邻细胞的重要转导信号通路，它是将信号转导至细胞核，激活相关转录因子，最终调控细胞活化。有研究证实，Notch信号通路参与调节颞叶癫痫大鼠模型中的小胶质细胞激活和炎症反应[22]。并且还发现辛伐他汀通过Notch信号传导改变小鼠BV2小胶质细胞的M1 / M2极化[23]。Toll样信号通路激活MyD88依赖途径和MyD88独立途径，重要的MyD88依赖途径会同时激活丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)和NF-kB这两个下游的重要信号通路。腺苷一磷酸激活蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK)是单磷酸腺苷激活蛋白激酶组成的异源三聚体，由偶联两个调节亚基(β1或β2、γ1、γ2或γ3)的催化亚基(α1或α2)组成。作为主传感器和调节剂参与能量平衡和控制许多细胞过程，如自噬、细胞死亡和炎症。一些研究证明，AMPK可能是介导小胶质细胞抗神经炎症反应的治疗靶点[24]。化合物3C可通过CaMKKβ依赖的AMPK / PGC-1α信号通路调节小胶质细胞激活状态[25]，这些都表明AMPK信号通路在激活小胶质细胞中的重要作用。在研究中，picroliv通过TLR4 /NF-kB途径缓解由脂多糖诱导的神经炎症并改善认知功能障碍，这表明NF-kB信号通路在小胶质细胞以及术后认知功能障碍中的核心地位[26]。小胶质细胞这些信号通路并不是孤立的存在的，都是存在交叉反应，相互作用。正是多个炎症通路的相互作用，才导致炎症因子的大量释放，最后使神经炎症作用于中枢神经系统，损伤认知功能。

3 TLR4与NF-kB通路

一旦TLR4受体激活后，信号将传递到下级信号通路，MYD88依赖的丝裂原活化蛋白激酶信号转导途径和NF-kB信号转导途径将被激活，其中，一部分由MAPK信号转导途径，另一部分则由NF-kb释放进入细胞核，产生最后的炎症反应，导致POCD的发生[27]。

NF-kB是信号通路中的核心转录因子，是炎症的中枢介质。并且位于TLR4下游的NF-kb被看作是炎症反应当中的使动因素，它从根本上参与炎症与术后认知功能障碍的关系。NF-kb是受调节的蛋白水解酶依赖性受体信号传导途径，其在休息时与细胞质中的kB抑制蛋白(KB inhibitory protein，IKB)结合，IKB是一种抑制性蛋白，它结合Rel 同源结构域(rel homology domain，RHD)并干扰核定位序号信号序列的功能。RHD是NF-kB蛋白上一个含300个氨基酸组成的结构域[21]。当受到其上游发出的刺激后，IKB蛋白被磷酸化并降解，导致核定位序号信号序列被暴露出来并使NF-kb被释放出来，进入细胞核中，与特定的基因启动子相结合启动靶基因的转录。释放出来的细胞因子又会反过来作用于NF-kb，形成正反馈反应，放大了级联的效应。

由NF-kB激活的信号传导途径可分为两条途径，即经典途径和非经典途径。经典途径被视为激活NF-kB的重要途径，但不是唯一的激活途径。经典途径诱导黏附分子 VCAM-1、 炎症趋化因子 IL-8、细胞因子 IL-6、TNFα和IL-1β，它对于炎症反应来说，具有重要的意义。非经典途径参与B细胞和T细胞的NIK激酶的激活，其对于维持淋巴器官的发育很重要。曹莉等[28]实验发现新霉素A的抗炎作用可能是由于TNFα、IL-1β、IL-6、和NO下调并且通过抑制NF-kB信号转导途径引起的。Lai JL等[29]实验发现靛玉红下调脂多糖诱导的环氧合酶-2(COX-2)和TLR4表达，抑制LPS诱导的NF-kBP65蛋白磷酸化，最终抑制NF-kB信号通路。实验结果表明在炎症发展过程中TLR4-MyD88-NF-kb信号通路的重要性。通过抑制炎症的发生，从而达到有效避免POCD的发生。

4 TLR4与MAPK通路

而TLR4激活的信号通路不仅由NF-kb通路传导，一部分也是由MAPK介导的信号通路来完成的。MAPK是一种调节细胞转导通路中细胞生长、发育、分化和增殖的酶，家族成员包括细胞外信号调节激酶(the extracellular signal-regulated kinase，ERK)、p38MAPK以及c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)。其中p38MAPK在炎症反应、疼痛机制以及其他相关疾病反应中，都发挥了重要的作用[30]。研究表明，β-胡萝卜素可以通过抑制巨噬细胞中的 p38 MAPK信号通路来减轻LPS诱导的炎症，这表明可以通过抑制MAPK通路，从而改善炎症反应[31]。Jung 等的实验表明，morin抑制脂多糖刺激的小鼠脑中的小胶质细胞活化和细胞因子表达，Morin是从某些水果和中草药中分离出来的黄酮类化合物，这表明Morin能抑制LPS激活MAPK通道，从而在LPS刺激的小胶质细胞中发挥抗炎改善认知功能的作用[32]。

5 TLR4与POCD的关系

一旦TLR4与受体结合后，小胶质细胞激活下游信号传导通路，导致神经炎症的发生，释放的炎症因子作用于中枢神经系统，最后导致POCD的发生。目前，TLR4是否保护或损伤神经元具体机制仍不清楚，一些证据表明TLR4的信号转导到中枢神经系统是具有有益作用，但一些数据也说明TLR4诱导的小胶质细胞活化和促炎分子的释放是导致各种中枢神经系统疾病发生的病理学基础。而有效的抑制TLR4受体的结合、小胶质细胞的激活以及抑制下游通路传递过程中的各个环节都成为预防和治疗POCD的重要靶点。在BV-2小胶质细胞系中，已经显示通过抑制TLR4的表达，最终可以减少由脂多糖刺激产生的的IL-1和TNF-α的表达[6]。以此证明通过对TLR4的抑制可以减少促炎因子下游信号转导，通过抑制靶基因的表达和炎症反应的途径，减少炎性因子的释放从而起到保护功能。刘丽华等[33]用电针(EA)和米诺环素处理大鼠后，导致大鼠海马中促炎细胞因子(IL-1β、IL-6、TNF-a和HMGB1)降低，文章中提到通过EA治疗可以减轻神经炎症并且改善老年大鼠术后认知功能障碍，这种机制可能是通过小胶质细胞/ TLR4信号途径并且抑制海马中炎症因子的表达来完成的。百草枯通过在体外上调HSP60-TLR4-MyD88-NF-kB的表达来引起小胶质细胞炎症，用TLR4特效抑制剂(CLI-095)处理后，炎症因子的表达明显减少，以此表明TLR4可以调节百草枯诱导的炎症在细胞内的信号传导，抑制TLR4显着降低百草枯激活的小胶质细胞中的炎症强度[34]。使用蒲公英有机酸成分后，可以缓解由脂多糖引起的神经炎症，这种功能可能与TLR4介导的信号通路的调节有关[35]。有效抑制TLR4以及引起炎症的各个环节，就可以达到减少炎症的释放，而只要有效的抑制炎症反应，就能够改善术后认知功能障碍[33]，这些都表明TLR4介导的炎症通路与术后认知功能障碍密不可分的关系。基于这些研究，说明TLR4可能与POCD有着密切的关系。

6 展望

POCD已经发展成为术后严重的并发症之一，随着发生率的越来越高，有效的预防以及寻找治疗的靶点已经成为当下研究的热点。当TLR4和配体结合后，激活下游NF-kB信号通路和MAPK通路，导致多种促炎介质的释放，最终释放大量炎症因子，而炎症因子最终参与POCD的发展。对TLR4参与的炎症通路在POCD中发挥的研究日益深入，可能为临床预防以及治疗POCD提供依据，对POCD的治疗和防治都具有重要的意义。