热应激引起动物炎症反应的研究进展

刘宇宸,王向明,万平民,高 景,张轶凤,王定发,齐智利

(1.华中农业大学动物科技学院,湖北 武汉430070;2.武汉市农业科学院畜牧兽医研究所,湖北 武汉 430070)

热应激一直是限制畜牧业发展的关键因素,是国内外的研究热点,随着全球气温的升高,热应激给畜牧业带来了巨大的经济损失。当外界环境温度超过机体自身调节能力时,会引发机体产生一系列的免疫应答反应,即热应激。动物如果长时间处于热应激状态会导致免疫器官萎缩,特异性细胞免疫和体液免疫功能受到抑制,非特异性免疫能力大大降低[1],促进炎性介质的释放,诱导白细胞分泌活性氧,使一系列炎性因子如肿瘤坏死因子-α(Tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白细胞介素(Interleukin,IL)-1β和IL-6等的表达上调,并在粘附因子和趋化因子的作用下激活白细胞向受感染或损伤的部位聚集,从而引发炎症反应,最终导致动物发病甚至死亡[2]。因此本文就热应激在免疫细胞、炎性介质、粘附因子和趋化因子3个方面对炎症反应的作用机理进行综述。

图1 TLR-4介导的LPS信号传导

1 热应激与免疫细胞

巨噬细胞、肥大细胞和嗜中性粒细胞被认为是炎症反应的主要免疫细胞。肥大细胞广泛分布于皮肤和内脏黏膜微血管周围,是天然炎症反应的最初反应细胞[3]。该细胞通过释放多种炎性介质、趋化因子和生长因子等,启动宿主对病原体的免疫应答和炎症反应。当机体处于热应激条件时,激活肥大细胞释放大量组胺和其他炎性介质,增加血管通透性,黏膜充血、水肿,引起炎症反应;同时随着肥大细胞的逐渐增多,其释放的炎性介质也会逐渐增多而暴发瀑布效应,加速炎症反应的发生[4]。

巨噬细胞是一种多功能免疫细胞,是机体对感染源等发生排斥的第二线细胞,在全身性炎症反应中通过分泌多种生长因子、趋化因子、炎性因子和免疫调节因子等发挥作用[5]。研究发现,热应激通过促进NLRP3炎性小体的形成激活半胱氨酸天冬氨酸酶-1(Caspase-1),促使巨噬细胞释放IL-1β,使外周血中的IL-1β的含量明显升高[6],从而使局部的器官组织受到炎性迫害引发炎症反应。

嗜中性粒细胞是一类具有趋化、吞噬和杀菌作用的炎症细胞,是机体抵御微生物病原体入侵的第一道免疫屏障,当机体处于感染、缺血环境时被激活而产生应激反应[7]。嗜中性粒细胞被激活后,一方面可通过其内的溶酶体酶将吞噬的病原体分解;另一方面,通过释放具有强氧化功能的活性氧和蛋白水解酶,使机体发生炎症反应。当机体处于热应激条件时,嗜中性粒细胞的凋亡加速,对抗IL-6等炎性因子对嗜中性粒细胞凋亡的抑制作用[8],凋亡的嗜中性粒细胞被巨噬细胞识别后,打破机体的第一道免疫屏障,抑制机体的免疫功能,引发炎症反应。

2 热应激与炎性介质

在急性炎症反应中的炎性因子会直接作用于血管内皮,引起损伤使血管通透性增加。但许多炎性因子不直接作用于组织,而是通过内源性化学因素导致机体损伤和炎症反应,因此也被称为化学介质或炎症介质。

2.1 外源性炎性介质 内毒素是炎症反应中发挥主要作用的外源性炎性介质,是革兰阴性菌细胞壁的结构成分,主要成分是脂多糖(Iipopolysaccharide,LPS)。以肠道为例,正常情况下,绝大多数内毒素被肠道屏障阻隔在肠道内。研究表明,热应激可显著降低机体超氧化物歧化酶(Superoxide Dismutase,SOD)和谷胱甘肽过氧化物酶(Glutathione peroxidase,GSH-Px)活性,导致供氧不足而引起肠屏障功能受损[9],内毒素穿过肠系膜淋巴结、门静脉系统,进入体循环而使血清中的内毒素含量急剧升高[10]。

LPS进入血液后,与结合蛋白(Lipopolysaccharide binding protein,LBP)、特异性受体CD14结合形成复合物后被单核细胞、巨噬细胞等识别,通过Toll样受体(Toll-like receptor,TLR)将胞浆内的信号转录因子如(Nuclear factor kB,NF-kB)磷酸化。活化的巨噬细胞分泌大量的细胞因子(TNF-α、IL-6等)、粘附因子、氧自由基等。同时,嗜中性粒细胞聚集到血管中,导致内皮细胞损伤后浸润组织[11],被浸润的组织通过呼吸暴发产生大量的炎性介质和自由基,破坏肠道屏障,大量内毒素再次进入体循环而产生“瀑布式炎症级联反应”,引发全身性炎症反应。

2.2 内源性炎性介质 参与炎症反应的内源性炎性介质主要有前列腺素(Prostaglandin,PG)、白细胞三烯(Leukotriene,LT)、组胺及炎性细胞因子等。

2.2.1 热应激与 PG、LT及组胺 花生四烯酸(Arachidonic acid,AA)是一种不饱和脂肪酸,其代谢产物PG、LT是AA经环氧化酶和脂氧化酶途径代谢而生成的[12],它们都可介导炎症反应并维持体内平衡。在生理浓度下,一方面,血管扩张剂PG能增强组胺和缓激肽的通透性,而LT可在急性炎症反应期间促进白细胞积聚;另一方面,前列腺素的代谢产物如环戊烯酮前列腺素,可以通过抑制NF-kB激活来减轻急性炎症[13]。因此,花生四烯酸氧合产物可诱导或消除由细菌感染引起的急性炎症的多重效应。研究表明,当人、鼠等处于热应激状态时,机体免疫功能下降,热应激通过刺激磷脂酶的活性使AA代谢途径增强,并伴随着环加氧酶产物PGE2、PGF2α和5-脂氧合酶代谢物LTB4的加速积累[14]。AA及代谢物可能参与热应激引起的细胞毒性作用,激活NF-kB通路,PG作为血管扩张剂可通过增强血管通透性,使体内炎性介质大量释放,同时LT促使白细胞等在受感染部位活化、聚集,加剧炎症反应的发生[15]。

组胺是一种在组织中以无活性的形式存在于肥大细胞和嗜碱性粒细胞颗粒中的自体活性物质之一[16],激活后可与淋巴细胞、巨噬细胞及存在于反应部位的其他免疫细胞相互作用,调节机体免疫、炎症反应。研究表明,组胺可通过NF-kB通路显著提高瘤胃上皮细胞中p65的表达,进而提高TNF-α、IL-6和IL-1β的浓度及其mRNA的表达,引发炎症。此外,Ahmad等人报道,热应激时机体肥大细胞和组胺含量明显升高,激活NF-kB通路[17],释放多种炎性介质,加重炎症反应。

2.2.2 热应激与炎性因子 炎性因子(IL-1、IL-6和TNF-α)主要是参与免疫反应和全身炎症反应的多肽类物质。IL-1是热应激最常见的细胞因子之一,被认为是免疫系统与下丘脑-垂体-肾上腺轴系统的重要桥梁。TNF-α是由单核巨噬细胞产生的具有免疫调节功能的炎性因子,在机体抵抗感染和通过免疫调节维持正常生理功能时起着重要作用,但当TNF-α产生过多或持续释放时,会刺激发热中枢,引起机体发热甚至休克。研究发现,机体发生炎症时血清IL-6的水平显著升高,有利于受感染病毒的清除[18]。当机体受到环境中有害刺激时,肥大细胞、巨噬细胞等机体内免疫细胞诱导大量内外源性炎性介质向感染部位迁移并聚集,这些炎性介质可通过正反馈通路形成瀑布效应和细胞因子风暴,不断扩大机体炎症反应。

近几年的研究发现,革兰阴性菌外膜释放的LPS所诱导的NF-kB通路与TLRs家族密切相关,而TLR是先天性免疫防御反应的关键组成部分,其可识别微生物的特定结构如脂多糖等[19]。如中插彩版图1,热应激时,LPS刺激血清中TLR-4的表达显著上调,进而激活TLR-4信号通路促进炎性介质的表达[20]。LPS在进入宿主血液后,与类脂A和LBP结合,然后结合血浆中可溶性 CD14或膜CD14。然而,CD14需要与MD-2和TLR-4结合生成复合物,才可进入细胞并激活下游的信号转导通路。TLR-4可进行相类似的胞内信号传导,其信号传递分子处于胞内的 IL-IR同源结构下游[21]。TLRs接收相应信号后通过在胞浆内募集接头蛋白髓样分化蛋白(Myeloiddifferentiationpmtein,MyD88)和IL-1受体相关激酶家族(IL-1 receptor associated kinase,IRAK)的丝氨酸/苏氨酸激酶自动磷酸化,激活肿瘤坏死因子受体相关因子6(Tumor necrosis factor-associated factor-6,TRAF6)并与之形成复合物,同时激活转移生长因子 β活性激酶(Transforming growth factor activated kinase1,TAK1)及其结合蛋白(TAKl binding protein,TAB1/2)与TRAF6结合形成TRAF-6-TAK1-TAB1/2复合物[22],该复合物可激活并启动MEKK4和应急活化蛋白激酶JNK1信号通路,同时可激活p38的磷酸化激酶MKK3和MKK6,从而刺激促炎因子的分泌。TRAF6还可刺激复合物从而启动NF-kB对激酶(NF-kB-inducing kinase,NIK)的诱导,同时,Toll信号进化保守中介分子(Evolutionarily conserved signaling intermediated in toll pathways,ECSIT)激活MEKK1,NF-kB抑制物的激酶(Inhibitor of NF-kB kinases,IKKs)在NIK和MEKK1的共同作用下被激活。在IKK复合体(IKKα、IKKβ及IKKγ)的作用下,IkB磷酸化后与NF-kB分离,NF-kB持续活化并进入核内[23],分泌大量的促炎性因子IL-1、TNF-α等,引起全身性炎症反应。

3 热应激与粘附、趋化因子

粘附、趋化因子在白细胞迁移过程中发挥着十分重要的作用。粘附因子按其结构特点分为整合素、选择素、免疫球蛋白类分子及钙调素,在细胞和细胞之间、细胞与基质之间、细胞-基质-细胞之间,以配体-受体的形式发挥其作用[25];趋化因子是一类对白细胞具有趋化作用的小分子蛋白质,通过与其受体(G蛋白偶联受体)结合后发挥生物效应,一方面可直接作用于白细胞诱导粘附因子在内皮表面细胞的表达,募集更多的免疫细胞穿过血管壁在感染部位聚集;另一方面间接诱导血管内皮细胞、胶质细胞和巨噬细胞等生成多种趋化因子,并向受感染或损伤部位聚集,引起炎症反应[26]。研究表明[27],当机体处于热应激条件时,由于热适应尚未形成,白细胞和淋巴细胞数明显低于非应激期,白细胞的迁移、趋化作用减弱,说明机体的免疫功能下降,可能发生炎症。同时热应激激活NF-kB通路,趋化因子将各种免疫细胞募集到炎症部位,促使巨噬细胞等释放大量炎性介质,在机体抵抗力弱时侵入感染组织,扩大机体炎症反应及组织损伤。

4 展望

热应激状态下炎性介质分泌增多从而引发炎症反应,本文就热应激如何引起炎症反应进行了详细阐述,可作为缓解热应激的切入点。但目前热应激对粘附、趋化因子影响的研究较少,且多是在白细胞迁移过程中发挥作用。而热应激对机体的影响机制还不完善,今后还需进一步探索其在各种信号通路中的作用机理,为采取营养调控手段降低热应激对动物生产性能及繁殖性能的危害、降低炎症反应的发生及保障动物健康提供科学依据。