Toll样受体4在消化系统疾病中的研究进展

石文瑶 罗和生

Toll样受体(TLRs)是一类在天然免疫系统中发挥重要作用的Ⅰ型跨膜蛋白质，属于模式识别受体(PRRs)家族，能识别病原体(PAMPs)/损伤相关分子模式(DAMPs)，在免疫及炎症机制中发挥作用，从而调节机体免疫和炎症应答。TLR4是TLRs家族中最早发现的成员之一，主要负责识别细菌的脂多糖(LPS)，在机体免疫和炎症应答的信号传导中发挥重要作用[1]。近年的研究发现，TLR4在多种疾病的发生、发展中起着重要作用，包括消化系统疾病、心血管系统疾病、代谢性疾病及风湿免疫系统疾病等。消化系统疾病中有部分疾病的发病机制目前尚未完全阐明，而许多研究表明TLR4信号通路与这些疾病的发病机制密切相关。本文主要就TLR4在消化系统疾病中作用及机制进行综述，为相关疾病的发病原因和治疗方向提供新的研究思路。

一、TLR4生物学特性

1984年Steward首次在果蝇中发现Toll蛋白，而TLRs是果蝇Toll蛋白的同源物[2]。TLRs广泛分布于各种免疫细胞中，如巨噬细胞、树突状细胞、中性粒细胞、T淋巴细胞、B淋巴细胞。目前，在人类和小鼠中分别发现了10个和12个功能性TLR，它们通过识别不同病原体相关分子模式PAMPs，从而调节机体免疫炎症应答，其中，TLR1、TLR2和TLR6识别脂蛋白，TLR3识别双链RNA，TLR4识别LPS，TLR5识别鞭毛蛋白，TLR7和TLR8识别单链RNA，TLR9识别DNA[3]。

TLRs家族成员属于Ⅰ型跨膜蛋白，具有胞外区、跨膜段和胞质区。TLRs的胞外区由18～31个富含亮氨酸的重复序列和一个富含半胱氨酸的结构域(半胱氨酸残基形成一个链内二硫环)组成，能通过与协同分子的亮氨酸重复序列结合来介导蛋白质与蛋白质之间的相互作用。胞质区由200多个氨基酸组成，与白细胞介素1受体(IL-1R)家族成员的胞质区具有显著同源性，因此被称为Toll/IL-1R同源区(TIR)。因此，TLR也属于IL-1R超家族成员。在TLR4与下游蛋白激酶的相互作用中，TIR结构域起着重要的作用，该结构域内关键序列的缺失将阻断向下的信号传递[4]。

LPS是革兰阴性菌外膜的主要成分，能够激活巨噬细胞和上皮细胞，诱导炎症介质释放，引起机体的病理反应。TLR4是唯一经鉴定的LPS跨膜受体，能将细胞外LPS信号传递到细胞内。迄今为止，在TLR4介导的LPS应答中已有2种信号通路被证实，即早期依赖性髓细胞分化因子(MyD)88通路和晚期非依赖性MyD88通路[5]。MyD88是一种调节大多数TLRs信号转导的适应蛋白，其通过自身的C端TIR域与TLRs细胞内的TIR域结合，并招募下游包含死亡域(DD)的信号分子，能够激活核转录因子(NF)-κB和核转录因子激活蛋白-1(AP-1)，从而控制炎性细胞因子的分泌。

二、TLR4与消化系统疾病

1.肠易激综合征(IBS)：IBS是一种慢性复发性功能性胃肠道疾病，最常发生在20～30岁人群中。目前IBS病因及机制仍不明确，被认为是一种生物-心理-社会紊乱，其关键因素是脑-肠相互作用的改变。脑-肠互动异常与肠道运动障碍、内脏高敏和自主胃肠反应紊乱有关。

Dlugosz等[6]比较了IBS患者和健康对照组的TLR4表达水平，结果显示IBS组TLR4 mRNA表达水平明显增加，提示小肠中TLR4表达水平的改变参与了IBS的发病机制。He等[7]的研究显示，腹泻型IBS动物模型中TLR4表达水平增加，而抑制TLR4/NF-κB信号通路可逆转异常肠道反应，改善肠黏膜组织状态，说明TLR4/NF-κB信号通路对腹泻型IBS症状有调节作用。Zhang等[8]的研究表明，脊髓小胶质细胞TLR4/MyD88/NF-κB信号通路激活促进了大鼠结肠直肠扩张(CRDs)模型中内脏超敏反应(VH)的发生，说明TLR4信号通路的激活导致大鼠VH。以上临床研究和动物实验均证实TLR4/NF-κB信号通路的激活使TLR4表达增加，从而诱发IBS肠道炎症、屏障功能障碍、VH和IBS症状，而抑制TLR4/NF-κB信号通路的激活可逆转相关改变，为IBS的发病机制和治疗手段提供了新方向。

2.炎症性肠病(IBD)：IBD是一种慢性、反复发作的非特异性肠道炎症性疾病，包括溃疡性结肠炎(UC)和克罗恩病(CD)。目前，IBD病因和发病机制尚不完全清楚。

UC病变主要侵及结肠黏膜，可以连续方式逐渐向结肠近端乃至全结肠进展。其临床症状轻重不一，以腹泻、黏液血便、腹痛、肠外表现为主。UC的发病机制尚未完全明确，目前主要认为是由遗传易感性、外界环境刺激、免疫异常和肠黏膜屏障损伤共同作用的结果。

多项研究表明，TLR4是体内外对LPS反应的主要介质，TLR4信号转导促进了葡聚糖硫酸钠(DSS)诱导的结肠炎的肠道损伤[9]。Shi等[10]的小鼠实验证明TLR4基因敲除减轻了DSS诱导的肠道损伤作用，且TLR4及其配体通过上调细胞修复因子前列腺素E2(PGE2)和粒细胞 -巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF)来修复DSS诱导的肠道损伤。Qiu等[11]基于TLR4/MyD88/NF-kB通路，研究了MaR1对大鼠UC的作用，发现MaR1通过减少TLR4信号通路的激活降低结肠组织的病理损伤，发挥了肠道保护作用。由此可见，TLR4信号通路的激活促进了UC的肠道损伤，而减少TLR4信号通路激活可以降低肠道组织的病理损伤，为UC的预防和治疗提供新的方向。

CD是一种慢性IBD，病变多见于回肠、盲肠和结肠，炎症通过肠壁从黏膜延伸到浆膜，具有典型的非对称性和节段性，部分患者可见上皮样肉芽肿。最常见的症状是腹痛和腹泻，严重影响患者的生活质量。

Wu等[12]研究表明，Hsa-miR-375在CD患者肠黏膜组织中的表达下调，TLR4是hsa-miR-375的直接下游，其水平受hsa-miR-375负调控，说明Hsa-miR-375通过激活TLR4/NF-κB通路参与CD的发病机制。Huang等[13]基于TLR4/MyD88/NF-κB通路研究鸦鹃对大鼠CD的作用，发现其能够减少大鼠结肠组织中促炎细胞因子[肿瘤坏死因子(TNF)-α、白细胞介素(IL)-1β、IL-6、IL-17、IL-23及干扰素(IFN)-γ]的表达，改善大鼠体重减轻情况，显著降低小鼠疾病活动度指数和宏观评分，使结肠长度缩短得以改善，抑制了结肠组织病理恶化，降低了组织学评分，对CD大鼠具有良好的保护作用。以上研究说明，通过激活TLR4信号通路，CD模型的结肠组织中促炎因子表达增加，从而引起结肠组织炎症病变，而抑制该通路则显著降低结肠组织的炎症损伤，对CD的精准靶向治疗有重大意义。

3.反流性食管炎(RE)：RE是由胃、十二指肠内容物反流入食管引起的食管炎症性病变，属于胃食管反流病(GERD)的范畴。RE的临床表现为烧心、反酸、反流、胸骨后灼痛等。内镜下表现为食管黏膜的破损，即食管糜烂和(或)食管溃疡，且有向Barrett食管和食管腺癌发展的危险。

Yang等[14]研究表明，胃食管反流破坏食管远端黏膜屏障，使鳞状上皮长期暴露于各种微生物生态系统或微生物群落中，引起慢性炎症。食管炎和Barrett食管的食管微生物群落均发生改变，革兰阳性菌显著减少，革兰阴性菌显著增加，而LPS是革兰阴性菌外膜的主要结构，可通过激活TLR4/NFκB-通路上调促炎细胞因子基因表达。LPS对RE的潜在影响可能是通过诱导型一氧化氮合酶松弛食管下括约肌，通过环氧合酶-2延迟胃排空。Verbeek等[15]研究发现，Barrett食管、RE患者TLR4表达明显高于正常食管鳞癌患者，并推断Barrett食管中TLR4的激活可导致环氧化酶(COX)-2大量增加，可能导致恶性转化。刘亚婷等[16]研究发现，旋覆代赭汤能抑制TLR4/NF-κB表达从而减轻RE模型大鼠食管黏膜损伤，促进食管黏膜损伤恢复。以上研究均证实，TLR4信号通路通过以下方式参与RE的发病机制：(1)TLR4信号通路的激活加重RE模型大鼠食管黏膜损伤；(2)TLR4信号通路的激活延迟胃排空，促进食管反流；(3)TLR4的激活引起COX-2大量增加，可能导致Barrett食管和RE的恶性转化。这些研究为RE的病因和治疗提供了新思路。

4.非酒精性脂肪肝(NAFLD)：NAFLD已成为世界范围内慢性肝病的主要病因之一，以肝脏脂肪沉积为特征，最终可导致非酒精性脂肪性肝炎(NASH)、纤维化、肝硬化和肝细胞癌(HCC)。

虽然NAFLD的发病机制尚未完全阐明，但脂肪细胞和(或)炎性细胞浸润脂肪组织产生的脂肪因子和细胞因子之间复杂的相互作用在NAFLD中起着重要作用。Polyzos等[17]研究发现，在肝脏中脂联素可通过抑制TLR4介导的信号通路发挥保肝作用，增加肝细胞活力和肝胰岛素敏感性，减轻肝脏炎症和纤维化。Rivera等[18]研究发现，在遗传性肥胖小鼠中，肠道通透性显著增加，同时循环内毒素可增加2～3倍，而TLR4基因缺陷可保护肝脏减少脂质积聚。这些研究均表明，通过抑制TLR4信号通路或TLR4基因本身存在缺陷，可减轻NAFLD肝脏炎症和纤维化改变，减少肝脏脂质聚集，从而对肝脏起到保护作用。该研究结果对NAFLD的病理机制和治疗有重大意义。

5.急性胰腺炎(AP)：AP是一种常见的急腹症，是由胰蛋白酶自消化胰腺及其周围组织所引起的一种化学炎症性疾病。轻度急性胰腺炎(MAP)可能是一种自限性疾病，而重症急性胰腺炎(SAP)发展迅速，可诱发多器官衰竭，死亡率较高。

Li等[19]研究发现，AP早期患者胰腺中TLR4、TNF-α和IL-6水平明显高于健康对照组，血浆TNF-α水平的增加与TLR4的表达呈正相关，提示早期AP患者外周血单核细胞表面TLR4表达上调可能与疾病早期先天性免疫系统激活有关。动物实验结果表明，天蓝诱导的水肿性胰腺炎大鼠模型胰腺中早期TLR4 mRNA水平上调，血清中TNF-α等细胞因子水平随之升高，两者之间存在相关性[20]。作为先天免疫受体，TLR4在AP早期炎症反应的启动和特异性免疫的偶联中起重要作用，其能识别内源性配体，从而激活巨噬细胞释放大量炎症介质，表现为机体过度的炎症反应，另外，TLR4基因的上调可能与AP期间多器官损伤的发生发展亦有关。

6.胃癌(GC)：GC是全球第五大最常见的恶性肿瘤，是导致恶性肿瘤相关死亡的第三大原因。除了遗传性癌症综合征外，已知的危险因素包括吸烟、饮酒、高盐、高脂肪、肥胖、纤维素摄入、衰老、经济地位低下及幽门螺杆菌感染。

Liu等[21]对中国北方地区TLR基因多态性和GC易感性研究发现，GC患者中TLR4 G-C(299Gly-399Thr)和G等位基因频率较高，表明该基因多态性使GC风险增加。Li等[22]对中国个体GC发病风险的研究发现，TLR4-2081G/A多态性可能降低GC发生风险，在一定程度上对幽门螺杆菌感染起保护作用。Hold等[23]的研究已证实在TLR4基因第4外显子896A位置的功能多态性是GC发生的危险因素之一。由此可见，TLR4相关基因多态性与GC发病风险密切相关，为GC诊断和治疗的研究提供基因水平的新方向。

7.HCC：HCC是世界范围内普遍存在的恶性肿瘤，在亚洲更为普遍。人体内诱发HCC的因素多种多样，任何原因引起的肝硬化都会增加HCC的风险，特别是丙型肝炎(HCV)、乙型肝炎(HBV)、NAFLD或遗传性血色素沉着病(HH)；其他报告的危险因素包括接触黄曲霉毒素、大量饮酒、糖尿病和肥胖[24]。

Lin等[25]的研究验证了TLR4在HCC细胞上具有功能表达，TLR4激动剂LPS能够促进HCC细胞的增殖和克隆形成及COX-2/PGE2/STAT3正反馈环在TLR4诱导的HCC细胞增殖和化疗耐多药(MDR)中起主导作用，以上均证实了TLR4信号通路在HCC发病进展中的分子机制。此外，Soares等[26]的研究发现HCC细胞中TLR4 mRNA和蛋白表达水平增加，提示TLR4可能通过某些机制诱导肝癌细胞存活。Li等[27]研究发现，TLR4表达增加可能通过CXCR3/CXCL10相互作用增加HCC患者肝脏调节性T淋巴细胞的募集，从而增加肿瘤复发的机会。以上研究均表明TLR4信号转导可促进HCC细胞的增殖、克隆，诱导其存活，增加肿瘤的复发机会，为TLR4信号通路参与HCC进展提供了准确的分子机制，提示TLR4可能是一个有希望的HCC治疗靶点。

8.结直肠癌(CRC)：CRC是全世界恶性肿瘤死亡的主要原因之一，是全球第三大最常被诊断的恶性肿瘤。CRC的复杂性主要归因于环境因素，遗传因素仅起次要作用，只有约20%的CRC患者具有家族性基础，如遗传性非息肉病性CRC和家族性腺瘤性息肉病。目前已知危险因素包括食源性突变、特定的肠道共生物和病原体及慢性肠道炎症[28]；腺瘤被认为是CRC的非专性前体病变，常见于50岁以上接受结肠镜检查的成年人。CRC最常见的症状是便血或复发性出血。

全基因组关联研究表明遗传变异有助于CRC预后诊断，迄今为止该项研究已成功在18个CRC危险位点中识别出20个易感单核苷酸多态性[29]，其中TLR基因多态性已被高度关注。最近的研究表明，TLR4中的基因变异对CRC易感性至关重要，它们影响受体的胞外结构域，从而降低其与配体识别的敏感性[30]。Doan等[31]观察到不同年龄和性别的CRC患者的黏膜及不同CRC细胞系(HT29、SW480和KM20)的TLR4表达增加，而TLR4基因敲除的小鼠在很大程度上可避免结肠癌的发生。基因水平的研究表明，TLR4基因多态性与CRC的发病风险有密切关系，为CRC的诊疗提供新的方向。而Yang等[32]发现，梭菌属通过激活TLR4/NF-κB信号通路及上调微小RNA-21表达，增加小鼠结肠癌细胞增殖和肿瘤发展，也证实结肠癌的发展与TLR4信号通路密切相关，为结肠癌的预防和治疗靶向方法提供了思路。

三、小结

目前，已有多项研究证实TLR4在多种疾病的发生、发展中起着重要作用。TLR4与消化系统的许多疾病有着非常密切的关系，可作为治疗潜在靶标，前景良好。然而，与TLR4相关的许多疾病的发病机制尚未完全阐明，因此其如何通过具体机制发挥作用需深入研究，以加强我们对疾病的预防和进一步治疗。