CXC趋化因子受体3及其配体在气道疾病中的研究进展

李论 高金明

中国医学科学院 北京协和医学院 北京协和医院呼吸内科100730

支气管哮喘 (哮喘)和COPD 是气道疾病的重要组成部分,它们病变的共同特点是慢性气道炎症。趋化因子在炎性反应中发挥着重要作用,它们和靶细胞 (中性粒细胞、巨噬细胞等)表面相应的趋化因子受体特异性结合,启动细胞内信号转导途径从而发挥生物学效应。CXC 趋化因子受体3 (CXC chemokine receptor 3,CXCR3)是CXC趋化因子家族的受体之一,属于辅助性T 细胞1 (T helper cell 1,Th1)型趋化因子受体。CXCR3 及其配体与哮喘、COPD 的发生发展密切相关。本文就CXCR3及其配体在气道疾病中的作用作一综述。

1 CXCR3及其配体的结构特点

1.1 CXCR3受体 CXCR3是具有7次跨膜结构的G 蛋白耦联受体,基于其配体的结构特点归属于CXC 型受体。CXCR3基因定位在X 染色体q13区,cDNA 全长1 104 bp,包括2个外显子和1个内含子,编码368个氨基酸。CD4+T 辅助细胞 (Th)、CD8+毒性T 细胞和记忆T 细胞均高度表达CXCR3。但在Th细胞中,CXCR3特异性表达于Th1细胞,而非Th2及Th17细胞[1]。除此以外,自然杀伤细胞、树突状细胞、肥大细胞等免疫细胞以及成纤维细胞、上皮细胞、平滑肌细胞等均表达CXCR3。

1.2 CXCR3配体 根据CXCR3配体理化性质及生物学特性的不同,可大致分为两大类。一类是传统的CXCR3 配体,包括干扰素诱导的单核细胞因子 (monokine induced by IFN-γ,Mig)/CXC 趋化因子配体9 (CXC chemokine ligand 9,CXCL9)、干扰素诱导蛋白-10 (IFN-γinduced protein 10,IP-10)/CXCL10 以及干扰素诱导的T 细胞α趋化因子 (interferon-inducible T Cellα-chemoattractant,I-TAC)/CXCL11。另一类是血小板因子-4 (platelet factor 4,PF-4)/CXCL4和血小板因子4变体 (platelet factor-4 variant,PF-4var)/CXC配体4变体1 (CXC chemokine ligand 4 variant 1,CXCL4L1)。

1.2.1 IFN-γ诱导性CXCR3配体 IFN-γ诱导性CXCR3配体是指CXCL9、CXCL10 和CXCL11。虽然这三种配体中40%以上的氨基酸相同,但它们表达于不同的细胞并受到不同的调控。不仅如此,CXCL9、CXCL10 和CXCL11也具有不同的受体结合特点。这三种配体和经典CXCR3的亲和力强度为：CXCL11＞CXCL10＞CXCL9。从钙离子动员能力及趋化作用衡量,CXCL11也是CXCR3效能最强的配体。CXCL10易受多种因素调控从而广泛参与到多种病理生理过程中,故目前对它的研究也最为深入。

1.2.2 血小板趋化性CXCR3配体 血小板趋化性CXCR3配体是指CXCL4和CXCL4L1。CXCL4和CXCL4L1与其他配体的区别主要在于：(1)与CXCR3亲和力不同；(2)主要由活化的血小板释放,而非IFN-γ 诱导产生。CXCL4L1是CXCL4的变异体,但CXCL4L1 在抗血管生成方面的作用远远强于CXCL4,因而具有抑制肿瘤生长和转移的生物学效能。近期也发现CXCL4L1存在不同亚型,但其功能方面的异同尚未完全阐明[2]。

2 CXCR3及其配体与气道疾病

2.1 CXCR3及其配体与哮喘 哮喘是由多种细胞 (如嗜酸粒细胞、肥大细胞、T 淋巴细胞、中性粒细胞、气道上皮细胞)和细胞组分参与的慢性气道炎症性疾病。目前认为Th两种亚型Th1、Th2的失衡是哮喘发病的重要因素。而CXCR3及其配体的相互作用与Th1细胞应答密切相关,近年发现其在哮喘中有着重要的调节作用。

CXCR3基因多态性与哮喘的发病风险相关。Cheong等[3]用测序的方法比较了韩国人群中哮喘患者与健康对照者的CXCR3基因序列,结果提示CXCR3基因内含子c.12+234G＞A (rs2280964G＞A)的单核苷酸多态性 (single nucleotide polymorphism,SNP)可降低哮喘的发病风险,在过敏的男性患者中更为显著。对于该位点功能方面的进一步研究发现,rs2280964A 可使CXCR3 的表达量降低,可能机制为携带SNP的内含子序列有抑制启动子的活性及调节DNA-蛋白质相互作用的功能,且rs2280964A 的免疫细胞对细胞因子/趋化因子的应答减弱[4]。

目前对于CXCR3及其配体在哮喘中的作用存在争议。一些研究认为CXCR3 及其配体在促进哮喘的发生发展、加重气道炎症反应的过程中具有重要作用。CXCR3的表达与哮喘的严重程度相关。一项纳入186例哮喘患者的临床研究提示,随着哮喘病情的加重,外周血CXCR3+T 细胞显著增多[5]。多项研究发现CXCR3 的配体参与及加重哮喘患者的气道炎症反应。其中研究最广泛的是CXCL10,它是由气道上皮细胞、平滑肌细胞、单核细胞和巨噬细胞分泌,可募集活化的T 细胞和嗜酸粒细胞到炎症部位。临床研究表明,在稳定期哮喘患者的痰液中可检测到CXCL9、CXCL10水平的升高,而且CXCL9的升高与第1秒用力呼气容积呈负相关[6]。此外,轻症及过敏性哮喘患者的外周血和肺泡灌洗液中CXCL10 水平升高[7]。Gauthier等[8]研究结果提示,CXCL10 表达增加与激素抵抗及重症哮喘的发生相关。但本课题组前期研究发现,在屋尘螨致敏的动物模型中,CXCR3基因敲除小鼠比野生型小鼠气道炎症反应更重,CXCL9和CXCL10水平更低；提示CXCR3及其配体可能为哮喘的保护性因素[9]。Thomas等[10]研究结果表明,CXCL9 可改善气道高反应。目前对CXCX3以及配体在哮喘中的作用机制尚未完全阐明,有待进一步研究验证。

肥大细胞是参与Ⅰ型超敏反应的主要效应细胞,与哮喘的病理生理过程关系紧密。多种气道平滑肌 (airway smooth cell,ASM)细胞释放的趋化因子可调控肥大细胞向ASM 层迁移[11]。在哮喘患者的ASM 中可观察到肥大细胞数量明显增加,且均表达CXCR3,然而黏膜下层的其他部位表达CXCR3的比例不足50%。不仅如此,相较于健康人,哮喘患者的ASM 可检测到CXCL10 的高表达。ASM 分泌的CXCL10与肥大细胞CXCR3结合可驱动肥大细胞向ASM 趋化,ASM 中的肥大细胞可局部调控CXCL10水平并影响炎症细胞的募集[12]。

嗜酸粒细胞易聚集在过敏性炎症部位,通过释放包括主要碱性蛋白、白三烯、细胞因子在内的炎性介质从而发挥重要作用。研究表明,CXCR3配体CXCL9、CXCL10及CXCL11可通过CXCR3 上调嗜酸粒细胞的功能,其中CXCL10效应最强；CXCL10 还可诱导嗜酸粒细胞脱颗粒及释放大量细胞因子[13]。目前对于CXCL9 及CXCL11 在哮喘中的作用尚未完全阐明,也有研究发现二者在哮喘患者中水平无明显升高,CXCL9 有抑制嗜酸粒细胞功能的作用[14-15]。

2.2 CXCR3及其配体与COPD COPD 是以不完全可逆的气流受限为特征的慢性气道炎症性疾病。肺内炎性细胞以巨噬细胞、中性粒细胞和T 淋巴细胞 (尤其是CD8+T细胞)为主。目前认为吸烟是COPD 的高危因素,接触香烟刺激后,气道上皮细胞和巨噬细胞通过直接作用或募集T 细胞来介导气道炎症。CD8+T 细胞可通过细胞溶解作用破坏肺实质,CD4+T 细胞可募集和活化包括中性粒细胞在内的其他免疫细胞,持续推进气道炎症反应。与吸烟非COPD 患者相比,吸烟COPD 患者的痰液和肺泡灌洗液中巨噬细胞数量明显上升,提示COPD 患者在香烟的刺激下会引起外周血单核细胞向巨噬细胞分化并向肺内迁移。

CXCR 和CC 趋 化 因 子受体 (CC chemokine receptor,CCR)是COPD 炎症反应中的主要受体。CXCR3和CCR5均是Th1 细胞的特异性标记。多项临床研究发现,在COPD 患者的痰液和气道黏膜中,可以观察到CXCR3 和CCR5阳性T 细胞的浸润以及CXCL9-11、CC 趋化因子配体5 (CC chemokine ligand 5,CCL5)水平的显著升高[16-18]。不仅如此,CXCR3及CCR5阳性T 细胞的数量与COPD 的严重程度密切相关[17]。在COPD 患者的CD8+T细胞、Th1 细胞及巨噬细胞中均可见到CXCR3 和/或CCR5 表达升高[19-20]。也有研究表明,这两种受体在COPD 患者外周血淋巴细胞及单核细胞中的表达较非COPD 患者无明显差异,但COPD 患者外周血单个核细胞和分离的单核细胞受CXCL9～11 及CCL5 的趋化作用更强[21]。不同性别的COPD 患者在临床症状、预后等方面也存在差异。一项临床研究发现,与女性吸烟非COPD 的人群相比,女性吸烟COPD 患者的肺泡灌洗液中CD8+T 细胞高表达CCR5,同时外周血中CXCR3+CD8+T 细胞比例更高[22]。

肺气肿是COPD 的一个重要表型,肺泡基质的破坏与蛋白酶/抗蛋白酶的失衡有关。基质金属蛋白酶 (matrix metalloproteinases,MMPs)是调节细胞外基质合成和降解的主要酶类。多种MMPs在COPD 患者中表达或活化增加,其中MMP-2、MMP-9、MMP-12与肺气肿发病相关。虽然细胞因子及趋化因子是MMPs的底物,但是它们仍然可以调节MMPs 的表达。CXCR3 及其配体可通过调节MMPs而促进肺气肿的形成。Grumelli等[23]发现肺气肿患者肺内淋巴细胞分泌的CXCL9和CXCL10可上调MMP-12的水平,通过形成蛋白水解的微环境而加速肺脏的损伤；T 细胞及巨噬细胞表达CXCR3也是应答CXCL9/CXCL10从而分泌MMP-12所需要的条件。也有研究表明,MMP-12受到Th1或IFN-γ相关信号的调节[24]。本课题组前期建立了短期暴露于烟雾刺激的小鼠模型,研究结果发现,与野生型小鼠相比,CXCR3敲除的小鼠肺泡腔的扩大更为轻微,CXCL10 水平以及MMP-2、MMP-12 的m RNA 的水平更低,提示MMPs受其底物细胞因子的调控[25]。目前关于CXCR3及其配体与MMPs相互调控机制的研究较少,有待进一步研究论证两者之间的关系,及其参与COPD 发生的分子机制。此外,另有动物实验发现,香烟暴露可使肺微血管内皮细胞和肺组织内皮细胞的CXCR3受体表达上调,并在CXCL10及内皮-单核细胞激活多肽Ⅱ的作用下诱导细胞凋亡,导致肺泡完整性缺失进而引起肺气肿的形成[26]。

3 展望

CXCR3及其配体在哮喘和COPD 的发生发展过程中发挥着重要作用。目前CXCR3基因多态性与气道疾病相关的研究鲜有报道,仍需继续探索遗传因素对疾病的影响。CXCR3及其配体在未来可能成为气道疾病新的治疗靶点,仍需进一步研究探讨,我们期待新的药物能在慢性炎症性疾病的治疗中带来新的突破。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突