Toll样受体信号转导通路与急性肺损伤的研究进展①

李玉华 综述 赵 敏 审校

(中国医科大学盛京医院急诊科，沈阳 110004)

急性肺损伤(acute lung injury,ALI)是一种威胁生命的疾病，可能与严重感染、休克、创伤、急性重症胰腺炎或烧伤有关，其特征在于非心源性肺水肿、呼吸窘迫、低氧血症等[2]。严重的ALI可导致急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome,ARDS)，表现为顽固性低氧血症、肺顺应性降低、呼吸衰竭等[3]。近年来，对ALI/ARDS的定义、发病机制和诊治的研究取得了很大进展，但由于其发病机制尚不完全明确，治疗仍较为困难。Toll样受体(Toll-like receptors,TLRs)属于天然免疫系统的首要调节因子，在机体抵抗外来病原体并诱导机体免疫应答中起着至关重要的作用[3]，同时其对组织损伤等来源的内源性配体的识别可参与调节组织修复的过程，因此研究TLRs与肺损伤发病机制间的关系可为临床治疗提供新的思路。

1 TLRs简介

1.1结构与功能 TLRs是一种连接固有免疫与获得性免疫的重要模式识别受体(pattern recognition receptors，PRRs)，在上皮细胞、树突状细胞、中性粒细胞及巨噬细胞都有表达，广泛分布于机体各个部位[4]。TLRs种类众多，目前已发现人TLRs有10种，分别命名为TLR1～TLR10，其中TLR1、TLR2、TLR4、TLR5、TLR6位于细胞表面，TLR3、TLR7、TLR8、TLR9位于细胞内囊泡中，TLR10作为一种伪基因，不具备识别病原体和信号转导功能[5]。TLRs由能识别受体及与其他辅助受体结合形成受体复合物的胞膜外区、含Toll-IL-1受体结构域(Toll-IL-1 receptor domain，TIR)的胞质区以及跨膜区3部分组成，在结构上胞外区具有富含亮氨酸的重复序列(leucine-rich repeats，LRRs)，参与识别各种病原体。而含有TIR的胞质区作为TLRs的核心区域可介导多种下游信号级联反应，激发其他信号通路的产生[6]。

TLRs作为一种进化上保守的Ⅰ型跨膜蛋白，是一种重要的PRRs，可同时触发病原体相关分子模式(pathogen associated molecular patterns,PAMPs)和损伤相关分子模式(damage-associated molecular patterns，DAMPs)[7-8]。PAMPs主要来自病原或非病原微生物的外源性分子，包括革兰氏阴性菌外膜中的脂多糖、革兰氏阳性菌细胞壁中的肽聚糖、鞭毛蛋白和病毒双链RNA(dsRNA)等。TLRs通过识别不同PAMPs引起特异性免疫应答，目前发现的配体蛋白有四种，分别为MyD88、Mal也称TIRAP、TRIF和TRAM[9-10]。除了PAMPs，TLRs还可识别来自机体应激、组织损伤、无菌性炎症及退化等产生的内源性分子即DAMPs,如高迁移率族蛋白B1(HMGB1)、热休克蛋白(HSPs)和透明质酸等[11]。不同的TLR成员识别不同的PAMPs和一些内源性的DAMPs，在感染及非感染性疾病中启动天然免疫反应和引发抗原特异性的获得性免疫[8]。

1.2TLRs的信号转导通路 TLRs的激活既可诱导先天性炎症反应，也可激活抗原适应性免疫应答反应。目前研究已证明，活化TLRs信号传导途径主要有两条：一种是由MyD88衔接蛋白介导的MyD88依赖性信号转导通路，另外一种是MyD88非依赖性信号转导通路[12]。MyD88依赖性信号转导通路：除TLR3以外的所有TLRs诱导的炎症反应都经过一条经典的信号通路，该通路与TLRs的一段胞内保守序列TIR密切相关[13]。活化的TLR胞内结构域TIR与MyD88羧基端结合，并且MyD88的氨基端与IL-1受体相关激酶的氨基端结合，进而诱导白细胞介素受体相关激酶(interleukin-1 receptor-associated kinase,IRAK)自身磷酸化，获得磷酸化IRAK1和IRAK4，磷酸化IRAK1可结合并激活肿瘤坏死因子受体相关因子6(tumor necrosis factor receptor-associated factor 6,TRAF6)，活化的TRAF6导致转录因子核因子κB(nuclear factor kapppaB，NF-κB)和激活蛋白-1(activator protein-1，AP-1)的活化，最终诱导炎症细胞因子如IL-1、IL-6、IL-8、TNF-α和趋化因子的基因表达和释放[14-15]。MyD88非依赖性信号转导通路：TRIF在MyD88依赖途径中发挥重要作用。在此过程中，TLR3和TLR4可以通过TRAM募集并激活干扰素(IFN)-β的包含TIR结构域的TRIF，与TRIF相互作用后激活TRAF3，进而使干扰素调节因子-3(interferon regulator factor-3，IRF-3)磷酸化，最终促进抗炎因子如IFN-α、IFN-β、IL-10和TGF-β等的释放。与此同时，TLR4激活的TRIF也可募集受体相互作用蛋白1(RIP1)和下游的TRAF6，从而启动NF-κB途径[12,16]。需要指出的是，TLR4是目前研究最广泛的TLRs之一。由TLR4介导的信号通路既可以是MyD88依赖性的，也可以是MyD88非依赖性的，具体是哪种类型的通道与配体的特异性相关[17]，TLR4的这一特性使其在感染性及非感染性急性器官功能障碍中发挥着重要作用[18]。

此外，TLR4作为配体脂多糖(lipopolysaccha-ride,LPS)作用的经典受体，还可以激活磷脂酰肌醇3激酶(phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K)途径，LPS刺激TLR4活化可促进PI3K及其下游分子蛋白激酶B(PKB，也称AKT)与MyD88形成复合物，进而导致NF-κB的活化，该途径与细胞生存、生长、血管生成及代谢等密切相关[19]。

2 TLRs与感染性肺损伤

TLRs与许多肺相关性免疫反应和病理密切相关，越来越多的证据表明，TLRs在ALI的先天和适应性免疫反应中起着关键作用[20-21]。早期大量研究已证实TLR4参与革兰阴性杆菌LPS的识别和跨膜转导，TLR4基因突变或TLR4基因缺陷的小鼠表现为对LPS具有低反应性和对革兰阴性杆菌高度易感性[22]。在肺炎克雷伯杆菌感染的TLR4缺陷小鼠中，发现TLR4基因缺陷的小鼠在清除肺炎克雷伯杆菌方面的能力明显下降，炎症介质释放减少以及降低小鼠生存率，表明TLR4介导的信号传导可诱导针对肺炎克雷伯杆菌肺感染的保护性免疫应答[23]。在含有肺炎链球菌感染TLR4突变(C3H/HeJ)和对照组野生型(C3H/HeN)小鼠，发现TLR4突变的小鼠对肺炎球菌溶血素识别产生障碍，并对肺炎链球菌表现出易感性，细胞和血液中细菌计数增加，存活时间缩短[24]。MyD88作为TLRs(TLR3除外)信号转导介导的先天免疫反应中的关键配体，在调节细菌感染诱导的炎症反应中发挥着关键作用[13,25]。研究表明MyD88突变与免疫缺陷密切相关，而免疫缺陷使患者容易发生反复的危及生命的细菌感染，类似情况在MyD88缺陷小鼠中也有所观察[26]。这些发现均提示了TLRs信号通路及其完整性对特异的病原感染的免疫应答具有重要作用。

TLRs在病毒及真菌等感染方面也扮演着重要的角色。TLRs是识别病毒分子模式的传感器，从而启动针对入侵病毒的先天免疫反应。TLR3缺陷小鼠对严重急性呼吸综合征冠状病毒(SARS-CoV)易感，肺组织中病毒滴度高于正常野生型小鼠，这一发现强调了TLR3诱导针对SARS-CoV感染的先天免疫反应的作用[27]。TLRs作为先天免疫的重要诱导者，在真菌感染的检测中也起着重要作用。在烟曲霉诱导的侵袭性肺曲霉菌病中发现，TLR2缺陷小鼠肺巨噬细胞对烟曲霉的反应性低下，较对照组小鼠TNF-α、IL-12等的浓度更低，小鼠存活率明显降低[28]。ZHANG等[29]首次报道了TLR2介导了光滑念珠菌(Candida glabrata)感染大鼠支气管上皮细胞的先天免疫反应及炎症反应，TLR2基因敲除可进而加重光滑念珠菌对支气管上皮细胞损伤程度，提高支气管上皮细胞对光滑念珠菌的易感性[29]。这些实验数据证实TLRs在微生物的识别和清除中发挥一定作用。

大多数的感染模型都显示出TLRs的保护性作用，但有动物实验证实，感染广泛耐药结核杆菌(XDR-TB)的小鼠血清中TNF-α、IFN-γ、IL-4和IL-10水平低于感染药物敏感型结核杆菌(DS-TB)的小鼠。此外，与感染DS-TB的小鼠相比，感染XDR-TB的小鼠存活时间更长，并且肺泡损伤的严重程度更轻以及肉芽肿形成面积更小。进一步研究发现感染XDR-TB的小鼠TLR2、TLR4的表达量更低，推断XDR-TB小鼠的低毒力归因于通过TLR2和TLR4途径的细胞因子表达减少[30]。通过腹腔注射内毒素诱导的ALI动物模型中发现，抑制TLR4/MyD88/NF-κB信号通路可减轻肺泡损伤、减少肺泡炎症细胞浸润、降低炎症因子的表达，从而改善肺功能[31]。因此，各种不同的TLRs在感染性肺损伤中的作用存在一定差异，它们介导炎症的具体机制有待于进一步深入研究和探索。

3 TLRs与非感染性肺损伤

在动物模型中，研究发现TLRs与ALI的启动和免疫调节有着密切的联系。大量的数据说明，TLR2和TLR4不仅针对感染性刺激发生炎症反应和作出免疫应答，也可以调节并促进非感染性刺激诱导的组织损伤的发生。HOTH等[32]模拟人类常见创伤性肺损伤的动物肺挫伤模型中已经发现，TLR2和TLR4的激活介导了肺损伤的炎症反应。肺部挫裂伤可激活TLR2和TLR4信号通路，通过MyD88依赖性途径诱导趋化因子CXCL-1及TNF-α等炎症介质的表达，从而引起中性粒细胞在肺部聚集[32]。

炎症级联反应是加重肺损伤的重要原因，TLRs的过度活化可导致炎症因子和抗炎因子之间的不平衡，因此对TLRs介导的NF-κB信号通路进行适当抑制可在一定程度上减轻非感染性肺损伤。LIU等[33]的研究表明TLR2通过p38-NF-κB和ERK-AP-1信号通路介导博来霉素诱导小鼠树突状细胞的成熟和细胞因子IL-6、IL-17、IL-23及趋化因子MCP-1的分泌，阻断TLR2的信号传导可显著减轻博来霉素诱导的肺损伤、炎症与纤维化，提高动物生存率。LI等[34]在高潮气量机械通气诱导ALI研究中发现，TLR4和MyD88缺陷小鼠中NF-κB和MAPK的活化减少，减轻了细胞因子的表达和炎症反应。预防TLR9介导的中性粒细胞过度募集可以减少烟雾暴露诱导的肺损伤，TLR9的缺陷可降低烟雾诱导肺损伤中炎症细胞浸润程度，抑制肺组织细胞凋亡，在一定程度上改善肺功能[35]。同样，对TLR3介导的NF-κB活化的抑制可以减轻缺血再灌注肺损伤严重程度，ZHANG等[36]研究结果显示TLR3的缺陷可能通过减少肺细胞凋亡和炎症反应来减轻缺血再灌注引起的肺损伤。也有研究发现TLR4参与并介导了百草枯诱导的ALI，TLR4基因的缺陷可逆转炎症因子如TNF-α、IL-1β、NF-κB等过表达造成的严重肺损伤，减轻肺组织病理损害[37]。TLR9的表达与百草枯诱导的肺损伤严重程度相关，TLR9表达量越高，肺损伤越严重[38]。百草枯中毒可通过MyD88依赖性途径激活NF-κB信号通路，刺激炎症因子TNF-α、IL-1等的表达和释放，导致ALI。而MyD88基因敲除可减弱百草枯诱导ALI的严重程度，通过抑制炎症级联反应、恢复炎症因子抗炎因子之间的平衡改善肺功能[39]。

4 小结与展望

肺部在病原体感染和非感染性环境损伤的长期暴露可引起严重肺损伤，而先天免疫系统在维持肺组织稳态中发挥关键作用。TLR主要参与先天免疫系统的激活，并且近年来已经进行了大量研究以探索TLR在宿主防御和组织稳态中的作用，为重新认识肺部疾病中的炎症过程及减轻肺损伤打下了坚实的基础。而TLRs的激活也是一把双刃剑，它可通过识别PAMPs和DAMPs刺激先天性免疫应答并提高获得性免疫应答保护机体，同时由TLRs激活的信号传导所引起的持续性炎症反应可对机体产生损伤。尽管TLR激活在肺炎性疾病的进展中起着关键作用，但仍有许多问题需要回答。除此之外，使用TLR作为治疗靶标涉及使用TLR激动剂或拮抗剂，由于剂量毒性和给药时间及途径的不易控制，目前很少有TLR激动剂和拮抗剂被用作ALI的治疗方式。因此，需要更多的研究来探索TLR作为治疗策略的潜力。此外，对TLRs相关机制的深刻理解有助于我们阐明先天免疫系统与ALI发生发展之间的联系，可为包括肺损伤在内的感染性疾病和非感染性损伤提供新的思路。