β-防御素2的生物学特性及与肠道相关疾病的关系

李文龙，廖宝春，曾祥泰

（1.赣南医学院2018级硕士研究生；2.赣南医学院第一附属医院甲状腺外科，江西 赣州 341000）

由于人类自身不良饮食习惯及食品污染等原因，近年来肠道疾病在我国的发病率逐年升高。肠道黏膜屏障是外界环境与宿主生物体分离的动态屏障，它与肠道菌群和免疫系统进行复杂动态的交流，对肠道免疫功能和菌群微环境的稳定具有重要的调节作用［1］。近年来，研究发现肠道黏膜屏障的破坏是多种肠道疾病的首趋阶段。因此，肠道黏膜细胞及其分泌的免疫因子的功能便成为研究及治疗肠道疾病的关键所在。

人β-防御素（human beta-defensin，HBD）主要在皮肤和黏膜上皮细胞中表达，具有强大的抗菌、抗病毒、抗肿瘤和免疫活性等，是人体抵抗外界病原微生物入侵并参与人体免疫反应的重要组成部分。目前，β-防御素包括HBD1～6［2］。德国学者HARDER J［3］在1997 年首次发现人的β-防御素2（human beta-defensin-2，HBD-2），主要在人的表皮细胞和黏膜细胞表达，是最早被发现可被诱导表达的β-防御素。HBD-2 在人体消化道分布广泛，是肠道免疫系统的重要组成部分，对肠道疾病的发生发展起到关键作用。本文对国内外有关HBD-2 生物学特性及与肠道疾病关系的研究进行了总结，以更加深入的了解HBD-2 对肠道疾病的作用机制，为以后的研究提供思路。

1 HBD-2的生物学特性

1.1 HBD-2 的生物结构及组织分布HBD-2 分子包含41 个氨基酸残基，在空间结构上依靠3 对二硫键形成稳定的1个α 螺旋和3个β 折叠，其稳定的分子结构是降低致病微生物活性的关键。氨基酸残基阳离子形成的表面正电荷使HBD-2 在空间结构上形成带电区和疏水区［4］，这种特殊结构使HBD-2即具有亲脂性又具备亲水性。结构上的“双亲性”决定了HBD-2 的抗菌活性，使其能够破坏病原微生物的细胞膜，从而起到杀灭病菌的作用。而正常的真核细胞不具备这种结构，因而不与HBD-2 发生作用。

HBD-2 在人体中分布广泛，在皮肤、消化系统、呼吸系统、造血系统（骨髓、胸腺）、泌尿生殖道、血管、牙龈等组织细胞中均有分布［5］。此外，HBD-2 在人母乳中也有表达［6］。正常情况下，肠道HBD-2 主要在结肠表达，但表达水平很低，当肠上皮被致病微生物入侵或发生炎症时，肠黏膜细胞被诱导大量表达HBD-2，发挥重要的防御作用［7］。

1.2 HBD-2 的基因及表达HBD-2 基因簇定位于人第8 号染色体8p22～p23.1 区域内。HBD-2 基因序列中包含2 个外显子，其中外显子1 长度较长，编码5"端非翻译区和信号肽区；外显子2长度较短，编码成熟肽和3"端非翻译区，而前导肽区由二者共同编码。原始多肽成熟后才能执行HBD-2 的各种生物活性，经基因转录、翻译和酶切后，原始多肽N 端23 个氨基酸的先导肽被切去，进而形成3 对二硫键成为成熟稳定的HBD-2，发挥各种生物活性［8］。

HBD-2 在微生物刺激及促炎因子诱导后表达上调，是第一种被发现可呈诱导表达的抗菌肽。HBD-2 被诱导表达的机制复杂，研究发现，上皮细胞表达HBD-2都需活化病原模式识别受体（PRRs）。尤其是Toll样受体识别配体导致NF-κB信号通路激活，促使HBD-2 的表达的研究已相当清楚［9］。除NF-κB 信号通路外，HBD-2 的合成还与Src-依赖的Raf-MEK1/2ERK、MAP 激 酶 等 信 号 通 路 有 关［10］。HBD-2 表达的基本途径是：上皮细胞被病原微生物入侵或炎症因子刺激，病原模式识别受体被活化，进而激活NF-κB等转录因子，转录因子随之与HBD-2基因启动子相结合，HBD-2 基因随之被激活，表达上调，HBD-2mRNA 增加［10］。但HBD-2 基因被诱导表达的机制尚未完全明确，有待进一步研究。

1.3 HDB-2 的生物活性HBD-2 具有高效、广谱的抗菌活性。HBD-2 对革兰阴性菌有高效的杀伤作用，10 μg·mL-1浓度的HBD-2 对绿脓杆菌、大肠杆菌等革兰阴性菌的杀伤效果可达90%；而对金黄色葡萄球菌等革兰阳性菌，100 μg·mL-1浓度的HBD-2才有杀伤作用［11］。此外，HBD-2 对一些耐药菌株同样具有一定的抗菌作用。HBD-2 具有稳定的分子结构，能够抵御病原微生物蛋白酶的水解，可有效减少抗药菌的出现，目前尚未发现耐药菌株的存在［12］。研究发现，HBD-2 融合蛋白在体外对多重耐药幽门螺杆菌具有显著的抗菌活性［13］。另有研究证实，HBD-2 对多重耐药大肠埃希菌的抗菌作用随着时间的加长而逐渐加强，并且与其他防御素合用时，其抗耐药菌作用进一步加强［14］。由此推测HBD-2 在体内可能是通过与其他防御素协同而发挥抗耐药菌作用。据报道，HBD-2 对结核分枝杆菌菌株H37Rv（1.5 μM）有抗菌活性，表明使用防御素对抗结核分支杆菌是有可能的［15-16］。

HBD-2对真菌有较强的杀灭作用。HBD-2对体外培养的白色念珠菌具有明显的杀灭作用，其作用机制可能是通过磷脂酰肌醇4，5-双磷酸酯介导的膜通透性杀死白色念珠菌［17］。

HBD-2 对支原体、病毒有抑制作用。有学者发现，唾液支原体感染牙龈上皮细胞后，能诱导牙龈上皮细胞表达HBD-2，而HBD-2 的表达能显著抑制唾液支原体的生长［18］。HBD-2 对病毒也有一定的杀伤作用。陈飞等［19］发现宫颈癌和HPV 感染患者阴道灌洗液HBD-2 的表达明显升高，提示HBD-2 在阴道的表达有可能成为宫颈癌的辅助诊断标准，但其具体的作用机制尚不明确。另有研究表明，HBD-2在外阴疣及尖锐湿疣等皮肤HPV 感染中的表达也有显著增加，由此猜测HBD-2可能有抗HPV 感染的能力［20-21］。先前的研究已证实，HBD-2 对带状疱疹病毒等也有一定的杀伤作用［22］。HIV/AIDS 患者血液中HBD-2 表达水平上调，可能是HIV 病毒诱导所致，HBD-2 可能参与了HIV/AIDS 的免疫调控过程［23］。

HBD-2 对恶性肿瘤具有抑制作用。晚期肿瘤的治疗目的是为了改善患者生存质量及延长患者生命，长期以来晚期肿瘤的治疗方法主要以放疗和化疗为主，然而这两种治疗方法都有明显的不良反应，对消化系统和造血系统造成损害，进一步打击人的免疫系统。防御素抗肿瘤作用主要通过损伤肿瘤细胞骨架来实现，对人体正常细胞和免疫系统没有损害［24］。目前普遍认为防御素主要通过抑制癌细胞的增殖、迁移和侵袭能力而发挥抗肿瘤作用［25-26］。研究发现，HBD-2 在黑色素瘤细胞中，通过激活qRB、上调p21WAF1 的表达水平、下调B-Raf、CyclinD1和CyclinE 的表达水平，使黑色素瘤细胞周期阻滞在G1/S期［27］。时妍梅等［28］的研究发现HBD-2对TGF-β/Smad信号通路的活性有负向调控的作用，进而抑制胃癌细胞的增殖、迁移和侵袭能力，然而，HBD-2 的过量表达可能具有致癌作用，动物实验表明食管中HBD-2 的过量表达与大鼠食管鳞状细胞癌（SCC）的进展呈正相关，表明HBD-2 可能在食管SCC的发生和发展中起着致癌作用［29］。

HBD-2 在人的免疫系统中发挥重要作用。HBD-2 在mmol·L-1主要起杀菌作用，在μmol·L-1主要起趋化活性。在天然免疫中，HBD-2 被大量诱导表达和释放，发挥其趋化活性到达感染组织局部，对病原微生物造成直接的杀伤作用，同时趋化巨噬细胞、肥大细胞、嗜中性粒细胞和单核细胞到达感染部位，从而增强局部的防御功能［30］。NIYONSABA F等［31］研究证实HBD-2 能趋化并激活肥大细胞，使其脱颗粒，释放前列腺素和组胺，使血管壁舒张通透性增加，有利于中性粒细胞等炎症因子向炎症局部移动和聚集。在获得性免疫中，HBD-2 能趋化树突状细胞、记忆T细胞，激活机体获得性免疫系统。据报道，低分子浓度的HBD-2 能与记忆性细胞和未成熟树突状细胞相结合，趋化记忆性细胞和未成熟树突状细胞朝着受致病微生物侵袭的部位迁移，从而提高机体的获得性免疫反应水平［32］。

2 HBD-2与肠道相关疾病的关系

在防御素与肠道疾病相关性的研究中，HBD-2是研究最为深入的防御素。研究发现HBD-2 和人类多种肠道疾病的关系密切。目前，HBD-2 对炎症性肠病、肠道肿瘤和肝脏相关的肠道疾病作用的研究较为深入，但具体作用机制尚未完全清楚。

2.1 HBD-2与炎症性肠病溃疡性结肠炎（UC）是一种与自身免疫相关的慢性非特异性肠道炎症性疾病，与克罗恩病（CD）一起被称为炎症性肠病（IBD）。UC 在欧美国家发病率较高，近年来UC 在我国的发病例数也逐年增多。目前，UC的发病机制尚不明确，临床上也无特效药，是难治性肠道疾病之一［33］。因此，对UC 病因及发病机制的研究已成为医学界的重点。有学者研究发现，HBD-2 在UC患者病变结肠黏膜组织中的表达水平显著升高，且HBD-2 表达的上调与HBD-2 在天然免疫和获得性免疫中的作用有关［34-35］。同时，VORA 等［36］学者认为HBD-2 有限制UC 炎症反应的作用，HBD-2 通过趋化获得性免疫细胞在炎症部位聚集，增强肠道获得性免疫反应，影响溃疡性结肠炎的进程。另有研究表明，HBD-2 的表达水平与结肠黏膜组织炎症程度呈正相关，但HBD-2 的表达水平与UC 患者临床病情轻重无关［37］。

此外，HBD-2 能限制UC 炎症反应，同时也能使炎症反应不断放大，对肠道造成损伤。陈曦等［38］研究发现UC 患者结肠黏膜组织中HBD-2 与TLR4 的表达呈显著正相关，TLR4 通过与肠道细菌-LPS 反应，诱导肠上皮HBD-2 的表达，而HBD-2 能够趋化未成熟树突状细胞和记忆性T细胞并与这两种细胞结合，并通过TLR4 途径诱导它们成熟，保护肠黏膜不受病原微生物入侵。由此推测TLR4 的过度表达而引起的一系列反应可能是导致UC 免疫失衡的重要因素。UC 患者结肠黏膜组织中HBD-2 的过量表达可能对肠道造成进一步损伤。有学者认为HBD-2可能与结肠炎症反应持久放大有关［39］。研究表明UC结肠黏膜组织HBD-2 的表达水平与促炎因子IL-1β和TNF-α 的表达呈正相关，互为因果、互相诱生，使UC 炎症损伤不断加重［40］。因此，有效预防UC 患者过量表达HBD-2 对病情的恢复非常重要。已有研究证实，加味白头翁汤、银杏叶提取物（EGB761）、化浊解毒抑溃方等药物可下调溃疡性结肠炎HBD-2的表达，减轻炎性反应，促进黏膜修复，而双歧杆菌胞壁蛋白可以诱导人肠腺上皮细胞HBD-2 基因表达［41］。

β-防御素基因在健康人群中存在多态性，多态性改变可能导致防御素表达缺陷，有学者发现CD患者普遍都有HBD-2、HBD-3 的缺乏，以HBD-2 的缺乏更为显著，由此推测HBD-2 的表达缺陷可能与CD密切相关［42］。随着研究的深入，HBD-2将为临床上诊断炎症性肠病提供一个新的依据。此外，由于HBD-2 是一种内源性多肽，利用基因工程技术大量制备，将为炎症性肠病的治疗提供新的选择。

2.2 HBD-2 与结直肠癌近年来，结直肠癌在中国的发病率和死亡率呈持续上升趋势，但其确切病因仍然未知。因此，深入研究结直肠癌的病因和发病机制，进而达到有效预防、早期诊断和靶向治疗是一项迫切的医学任务。目前，对防御素与结直肠癌关系的研究成为学术界的热点。有学者在结直肠癌组织中检测到了高表达量的HBD-2，由此推测HBD-2 在结直肠癌中的表达水平可能与结直肠癌的发生和发展相关，或可为结直肠癌的预测提供依据［43］。研究表明HBD-2 对结直肠癌有一定的抑制作用，HBD-2 通过趋化并激活树突状细胞和T 细胞对肿瘤细胞产生抑制作用，而树突状细胞在局部的浸润程度与肿瘤的进展相联系，其浸润程度可通过检测S100 蛋白的表达情况进行标明［44］。在孙小娟等［45］的研究中，运用免疫组化法检测HBD-2 和S100蛋白在结直肠癌患者结肠黏膜组织中的表达情况，分析HBD-2 与树突状细胞浸润的相关性，结果表明S100 蛋白和HBD-2 在结直肠癌组织中的表达显著升高，且HBD-2 在肿瘤组织中的表达与树突状细胞的浸润程度呈正相关，提示HBD-2 和树突状细胞可能共同参与对肿瘤的免疫反应，且树突状细胞浸润程度越高，HBD-2 的表达水平就越高，对肿瘤的抵御作用也就越强。

2.3 HBD-2 与肝脏相关的肠道疾病肝脏和肠道具有共同的胚胎起源，两者之间在生物学功能上联系紧密。肝脏功能受到损伤时，由于肠道内的细菌及内毒素移位进入血液循环，内毒素随血液循环侵入肝脏，激活肝脏的Kupffer细胞，释放炎症因子，对肠道黏膜屏障造成进一步的破坏［46］。在动物实验中，β 防御素-2 在急性肝损伤大鼠模型小肠中表达增加，且随着肠黏膜损伤程度的加重而升高［47］。滕丽娟［48］建立急性肝损伤小鼠模型，采用实时荧光定量PCR法检测β防御素-2 mRNA在急性肝损伤小鼠模型回肠组织中的表达。结果提示造模6 h 后小鼠肠组织β 防御素-2 mRNA 开始升高，12 h 后β 防御素-2 mRNA表达量达高峰。随着小鼠肝损伤进一步加重，β 防御素-2 水平在早期升高，后逐渐下降，且与小鼠ALT、AST 的变化水平一致，推测可能是肠黏膜通过表达β防御素-2对抗肠源性内毒素血症所作出的保护性反应。但是，人类肝损伤是否会引起肠道HBD-2表达的改变，目前缺乏相关研究。

3 小结与展望

HBD-2 具有高效的杀菌作用，且HBD-2 稳定的分子结构能有效抵抗致病菌蛋白酶的水解，这为抗生素的不合理应用而导致的“超级细菌”的出现提供了新的解决思路。HBD-2 是机体固有免疫不可或缺的一员，也是联系细胞免疫和体液免疫的重要媒介。此外，HBD-2 对肿瘤细胞有抑制作用，且对机体的毒副作用小，在晚期肿瘤的治疗中具有良好的前景。HBD-2 作为肠道抵御病原微生物的重要物质，参与了肠道黏膜屏障的构成，为维护肠道健康发挥了重要作用。

在深入了解HBD-2 表达的调节机制的基础上，设计药物对肠道HBD-2 的表达进行特异地调节，以此达到治疗目的。深入研究HBD-2 转基因体系，应用基因工程构建HBD-2 高表达系统，大量生产人源化的抗菌肽，将有助于对疾病发病机制的阐明，并为新型抗生素的开发提供理想的模板和分子骨架，给炎症性肠病、肠道肿瘤及与肝脏相关的肠道疾病的治疗带来新的希望。此外，对肠道HBD-2 的深入研究，可能为早期诊断及治疗以肠道黏膜屏障损伤为特征的肠缺血性疾病提供新的方法。