張靜波 趙磊 岳亮 劉海嘯 李霞 林艷 屈延

(第四軍醫(yī)大學(xué):1唐都醫(yī)院神經(jīng)外科; 2學(xué)員旅; 3科研部，陜西 西安 710038)

·綜述·

Toll樣受體在缺血性腦損傷中的研究進(jìn)展

張靜波1, 2趙磊1岳亮1劉海嘯1李霞1林艷3屈延1*

(第四軍醫(yī)大學(xué):1唐都醫(yī)院神經(jīng)外科;2學(xué)員旅;3科研部，陜西 西安 710038)

Toll樣受體; 腦缺血; 髓樣分化因子初次應(yīng)答基因88

一、引言

大腦是一個(gè)高耗氧的器官，其重量為體重的2%，消耗的氧氣卻占總需氧量的20%，其中大部分用以產(chǎn)生足夠的能量(即三磷酸腺苷)來維持電化學(xué)梯度和重要的神經(jīng)功能。因此，由大腦栓塞、血栓以及大腦低灌注引起的血流量不足將會(huì)嚴(yán)重影響周圍組織的糖氧供應(yīng)，從而造成嚴(yán)重的腦損傷甚至腦死亡[1]。腦卒中是導(dǎo)致死亡的一大主要原因，其主要分為出血性和缺血性兩種類型，后者占腦卒中患者總數(shù)的87%[2]。對(duì)于缺血性腦卒中，血栓溶解療法是唯一的藥物學(xué)治療方法，其中應(yīng)用最為廣泛的是重組組織型纖維蛋白酶原激活劑(recombinant tissue plasminogen activator, rt-PA)，這種激活劑可以將纖維蛋白溶酶原轉(zhuǎn)換為纖維蛋白溶酶，而后者可以破壞血塊中的纖維蛋白從而溶解血栓[3]。Toll樣受體(Toll-like receptor, TLR)是一類模式識(shí)別受體，能夠激活固有免疫系統(tǒng)對(duì)抗外源微生物[4-5]。無論在感染性或者非感染性缺血性腦損傷中，TLR均起到至關(guān)重要的作用。本文旨在闡述TLR及其配體的結(jié)構(gòu)、信號(hào)通路以及與缺血性腦損傷之間的聯(lián)系，并探尋治療缺血性腦損傷的新思路。

二、TLR的結(jié)構(gòu)與配體

自1997年[6]TLR蛋白被首次報(bào)道，至今已有13種TLR被相繼發(fā)現(xiàn)(人類10種，鼠類13種)。從結(jié)構(gòu)上看，TLR的胞外段由大量的亮氨酸重復(fù)序列組成，可組成不同的結(jié)構(gòu)域用以識(shí)別相應(yīng)配體；胞內(nèi)段則是Toll/白介素-1 受體(Toll/interleukin-1 receptor, TIR)結(jié)構(gòu)域，可激活下游信號(hào)通路[7]。TLR在不同細(xì)胞器上的表達(dá)分布有所差異，TLR1、TLR2、TLR4和TLR5主要表達(dá)在質(zhì)膜上，可與微生物致病體上的蛋白質(zhì)/脂質(zhì)結(jié)構(gòu)結(jié)合并活化；TLR3、TLR7、TLR8、TLR9等在溶酶體與內(nèi)含體膜上均有表達(dá)，并能識(shí)別外源性的核酸并產(chǎn)生活化，提示TLR表達(dá)的位置決定其識(shí)別的物質(zhì)[8]。Barton[9]等發(fā)現(xiàn)，TLR9的胞內(nèi)段能識(shí)別內(nèi)源性DNA，并防止與之結(jié)合。

在非感染性缺血性腦損傷中，受損的組織或細(xì)胞能夠釋放一類內(nèi)源性分子，包括熱休克蛋白、S100蛋白等，這類物質(zhì)被稱為損傷相關(guān)分子模式(damage-associated molecular patterns, DAMP)，TLR能夠識(shí)別并結(jié)合DAMP，進(jìn)而激活炎性反應(yīng)加重缺血性腦損傷的發(fā)展[6]。

細(xì)菌、真菌、寄生蟲和病毒中含有一類特殊物質(zhì)，即病原相關(guān)分子模式(pathogen-associated molecular patterns, PAMP)，包括TLR4的配體脂多糖(lipopoly saccharide, LPS)、TLR2配體的脂磷壁酸(lipoteichoic acid, LTA)和肽聚糖(peptidoglycan, PGN)、能夠與TLR5結(jié)合的鞭毛蛋白(flagellin)、能夠與TLR3結(jié)合的雙鏈RNA(double-stranded RNA, dsRNA)、能夠與TLR7結(jié)合的單鏈RNA(single strand RNA, ssRNA)、能夠與TLR9結(jié)合的二核苷酸寡核苷酸鏈(cytosine-phosphate-guanine containing DNA oligodeoxynucleotides, CpG ODNs)[10-11]，TLR能夠識(shí)別并結(jié)合這些物質(zhì)從而發(fā)生活化。除了能在感染中識(shí)別外源性病原體上的PAMP分子，TLR還能識(shí)別損傷中的內(nèi)源性分子即DAMP如透明質(zhì)酸、硫酸肝素等，從而產(chǎn)生“無菌炎癥”。TLR與PAMP或DAMP的相互作用可引發(fā)一系列信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，在缺血性腦損傷中扮演重要角色。

三、TLR介導(dǎo)的信號(hào)通路

TLR能夠與包含TIR結(jié)構(gòu)域的接頭分子結(jié)合，進(jìn)而激活下游的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路。目前已有4種接頭分子被發(fā)現(xiàn)，即髓樣分化因子初次應(yīng)答基因88(myeloid differentiation primary responsegene88, MyD88)、TIR結(jié)構(gòu)域接頭蛋白(TIR domain-containing adaptor protein, TIRAP)、β干擾素TIR結(jié)構(gòu)域接頭蛋白(TIR domain-containing adaptor inducing interferon-β, TRIF)和TIR相關(guān)接頭分子(TIR-related adaptor molecule, TRAM)。其中MyD88與TIRAP介導(dǎo)MyD88依賴性通路，而TRIF與TRAM則介導(dǎo)MyD88非依賴性通路。這些接頭分子介導(dǎo)的信號(hào)通路均能夠激活下游激酶以及轉(zhuǎn)錄因子，從而調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)和抗病毒反應(yīng)[12]。

幾乎所有TLR(除TLR3外)都能夠募集MyD88，其中TLR1、TLR2、TLR4和TLR6需要通過橋梁分子TIRAP與MyD88結(jié)合?；罨腡LR能夠與MyD88結(jié)合，進(jìn)而募集白細(xì)胞介素-1受體相關(guān)激酶(interleukin-1 receptor associated kinase, IRAK)，其中IRAK4被MyD88募集并被其他IRAK分子(如IRAK1)激活，從而激活促分裂原活化蛋白激酶與細(xì)胞核因子κB(nuclear factor-κB, NF-κB)信號(hào)通路。其中IRAK1的激活能夠降解IκB-α(NF-κB的抑制劑)，后者能夠啟動(dòng)炎性細(xì)胞因子如腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor, TNF)、白細(xì)胞介素-6(interleukin-6, IL-6)的轉(zhuǎn)錄[10-11]。

此外，TLR3與TLR4能夠募集TRIF(通過接頭蛋白TRAM)，激活MyD88非依賴性通路，進(jìn)而誘導(dǎo)抗炎癥分子和抗病毒I型干擾素關(guān)聯(lián)分子(antiviral type I interferon, IFN)的表達(dá)。具體來講，TRIF能夠激活腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子3(TNF-receptor associated factor 3, TRAF3)，活化的TRAF3能夠使干擾素調(diào)節(jié)因子3(IFN regulatory factor 3, IRF3)磷酸化，后者進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)并誘導(dǎo)IFN-α和IFN-β的表達(dá)。此外，TRIF還能夠通過TRAF6和受體相互作用蛋白1的活化激活NF-κB[10-11]。

四、TLR與腦缺血損傷

腦缺血損傷引起的血流量減少將會(huì)導(dǎo)致組織的糖氧缺乏，進(jìn)而引起離子失衡、鈣調(diào)節(jié)失衡、酸中毒以及興奮性中毒[1]。隨后，一系列的反應(yīng)將會(huì)累及血腦屏障(blood brain barrier, BBB)，進(jìn)而引起外周白細(xì)胞的滲透以及內(nèi)源性小膠質(zhì)細(xì)胞的活化[13]，進(jìn)而釋放DAMP分子，最終特異性的結(jié)合并激活TLR[14]。

TLR2與TLR4在小鼠的大腦皮質(zhì)中均有表達(dá)，因此被廣泛應(yīng)用于TLR與缺血性腦損傷的研究中。研究發(fā)現(xiàn)，小鼠發(fā)生缺血再灌注時(shí)，其皮質(zhì)中的TLR2水平會(huì)顯著提高，與野生型小鼠相比，TLR2基因敲除小鼠受到的缺血性損傷會(huì)減輕許多，這說明TLR2的活化會(huì)促進(jìn)缺血性腦損傷[15-16]。另一方面，Hua等[17]的研究發(fā)現(xiàn)，TLR2基因敲除小鼠的腦梗死體積與死亡率均比野生型小鼠的高，說明TLR2能夠減輕缺血性腦損傷的危害。這兩種截然相反的實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明了TLR在腦缺血性損傷中，不同的作用取決于其作用的時(shí)間。在近期的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，這一理論得以證實(shí)，Bohacek等[18]發(fā)現(xiàn)TLR2對(duì)于腦梗死面積的擴(kuò)大至關(guān)重要，在發(fā)病初期，TLR2基因敲除小鼠的腦梗死面積小于野生型小鼠，而在后期則會(huì)大于后者，即TLR2的缺乏延緩了腦缺血病灶的發(fā)展?？偠灾?，上述實(shí)驗(yàn)都說明TLR2在缺血性腦損傷中扮演者至關(guān)重要的角色。

部分臨床實(shí)驗(yàn)還研究了TLR在腦卒中患者中的作用，其中包括TLR4基因多態(tài)性與腦卒中患病率的關(guān)聯(lián)[19-20]。研究表明，在腦卒中患者中，外周單核細(xì)胞的TLR2[21]和TLR4[22]水平均有明顯提高，且患者外周血中TLR4以及Myd88依賴性通路的基因表達(dá)亦有上調(diào)[22]。此外，還有研究發(fā)現(xiàn)，患者血樣中高濃度的TLR7、TLR8與腦卒中的不良預(yù)后有著密切的聯(lián)系。

高遷移率族蛋白1(high mobility group box 1, HMGB1)屬于DAMP分子，也是TLR2、TLR4的配體，研究發(fā)現(xiàn)，大腦中動(dòng)脈梗阻(middle cerebral artery occlusion, MCAO)發(fā)生時(shí)，HMGB1會(huì)從細(xì)胞核中遷移到細(xì)胞質(zhì)中[23-24]。無論在動(dòng)物模型還是在腦卒中患者的血漿中，HMGB1均有上升，而人工注入抗-HMGB1抗體能夠減輕腦缺血程度，說明HMGB1會(huì)加重缺血性腦損傷[25-26]。過氧化物還原蛋白(peroxiredoxin protein, Prx)是一種廣泛存在于大腦中的抗氧化酶，作用是保護(hù)神經(jīng)系統(tǒng)[27]，然而當(dāng)細(xì)胞死亡時(shí)，Prx會(huì)被釋放到細(xì)胞間質(zhì)中，激活TLR2、TLR4引起炎性反應(yīng)，使缺血性腦損傷惡化[28]。

五、總結(jié)

Toll樣受體屬于監(jiān)測類受體，不但在偵測和轉(zhuǎn)移病原體扮演重要角色，而且在缺血性腦損傷的初期有著至關(guān)重要的作用。Toll樣受體以及其作用通路的下游的分子均影響著缺血性腦損傷的發(fā)展，決定了其發(fā)展的方向。TLR在缺血性損傷中的作用時(shí)間與強(qiáng)度決定了其效果的利弊，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于缺血性腦損傷的治療提供了新的思路。因此對(duì)TLR在缺血性腦損傷中作用機(jī)制的研究將有助于提供缺血性腦損傷治療的新方案，進(jìn)而大大降低腦卒中的死亡率以及致殘率。然而，TLR在缺血性腦損傷治療中的使用時(shí)機(jī)和劑量還有待進(jìn)一步的研究。

1DOYLE K P, SIMON R P, STENZEL-POORE M P. Mechanisms of ischemic brain damage [J]. Neuropharmacology, 2008, 55(3):310-318.

2MOZAFFARIAN D, BENJAMIN E J, GO A S, et al. Heart disease and strokestatistics-2012 update:a report from the American Heart Association [J]. Circulation, 2012, 125(1):188-197.

3SHOBHA N, BUCHAN A M, HILL M D, et al. Thrombolysis at 3-4.5 hours after acute ischemic stroke onset-evidence from the Canadian Alteplase for Stroke Effectiveness Study (CASES) Registry [J]. Cerebrovasc Dis, 2011, 31(3):223-228.

4ITO M, KONDO T, SHICHITA T, et al. Post-ischemic innate immunity and its application for novel therapeutic strategy targeting brain inflammation [J]. Nihon Rinsho, 2013, 71(7):1291-1301.

5張欣, 賀曉生. 創(chuàng)傷性腦損傷后Toll樣受體4表達(dá)變化對(duì)小鼠海馬區(qū)MYD88mRNA的影響 [J]. 中華神經(jīng)外科疾病研究雜志, 2016, 15(1):33-36.

6MEDZHITOVR, PRESTON-HURLBURT P, JANEWAY C J. A human homologue of the Drosophila Toll protein signals activation of adaptive immunity [J]. Nature, 1997, 388(6640):394-397.

7DE NARDO D. Toll-like receptors:Activation, signalling and transcriptional modulation [J]. Cytokine, 2015, 74(2):181-189.

8KAWAI T, AKIRA S. Toll-like receptors and innate immunity [J]. Biochem Biophys Res Commun, 2009, 388(4):621-625.

9BARTON G M, KAGAN J C, MEDZHITOV R. Intracellular localization of Toll-likereceptor 9 prevents recognition of self DNA but facilitates access to viral DNA [J]. Nat Immunol, 2006, 7(1):49-56.

10AKIRA S, UEMATSU S, TAKEUCHI O. Pathogen recognition and innate immunity [J]. Cell, 2006, 124(4):783-801.

11YAMAMOTO M, SATO S, HEMMI H, et al. Role of adaptor TRIF in the MyD88-independent toll-like receptor signaling pathway [J]. Science, 2003, 301(5633):640-643.

12AKIRA S, TAKEDA K. Toll-like receptor signaling [J]. Nat Rev Immunol, 2004, 4(7):499-511.

13IADECOLA C, ANRATHER J. The immunology of stroke:from mechanisms to translation [J]. Nat Med, 2011, 17(7):796-808.

14GESUETE R, KOHAMA S G, STENZEL-POORE M P. Toll-like receptors and ischemic brain injury [J]. J Neuropathol Exp Neurol, 2014, 73(5):378-386.

15LEHNARDT S, LEHMANN S, KAUL D, et al. Toll-like receptor 2 mediates CNS injury in focal cerebral ischemia [J]. Neuroimmunol, 2007, 190(1-2):28-33.

16FAMAKIN B M. The immune response to acute focal cerebral ischemia and associated post-stroke immuno depression:a focused review [J]. Aging Dis, 2014, 5(5):307-326.

17HUA F, MA J, HA T, et al. Differential roles of TLR2 and TLR4 in acute focal cerebral ischemia/reperfusion injury in mice [J]. Brain Res, 2009, 1262:100-108.

18BOHACEK I, CORDEAU P, LALANCETTE-HEBERT M, et al. Toll-like receptor 2 deficiency leads to delayed exacerbation of ischemic injury [J]. Neuroinflamm, 2012, 9:191.

19RASHIDIAN J, ROUSSEAUX M W, VENDEROVA K, et al. Essential role of cytoplasmic cdk5 and Prx2 in multiple ischemic injury models, in vivo [J]. J Neurosci, 2009, 29(40):12497-12505.

20LIN Y C, CHANG Y M, YU J M, et al. Toll-like receptor 4 gene C119A but not Asp299Gly polymorphism is associated with ischemic stroke among ethnic Chinese in Taiwan [J]. Atherosclerosis, 2005, 180(2):305-309.

21LORNE E, DUPONT H, ABRAHAM E. Toll-like receptors 2 and 4:initiators of non-septic inflammation in critical care medicine? [J]. Intensive Care Med, 2010, 36(11):1826-1835.

22LISSAUER M E, JOHNSON S B, BOCHICCHIO G V, et al. Differential expression of toll-like receptor genes:sepsis compared with sterile inflammation 1 day before sepsis diagnosis [J]. Shock, 2009, 31(3):238-244.

23QIU J, NISHIMURA M, WANG Y, et al. Early release of HMGB-1 from neurons after the onset of brain ischemia [J]. Cereb Blood Flow Metab, 2008, 28(5):927-938.

24ZHANG J, TAKAHASHI H K, LIU K, et al. Anti-high mobility group box-1 monoclonal antibody protects the blood-brain barrier from ischemia-induced disruption in rats [J]. Stroke, 2011, 42(5):1420-1428.

25LIESZ A, DALPKE A, MRACSKO E, et al. DAMP signaling is a key pathway inducing immune modulation after brain injury [J]. Neurosci, 2015, 35(2):583-598.

26LIU K, MORI S, TAKAHASHI H K, et al. Anti-high mobility group box-1 monoclonal antibody ameliorates brain infarction induced by transient ischemia in rats [J]. FASEB, 2007, 21(14):3904-3916.

27RASHIDIAN J, ROUSSEAUX M W, VENDEROVA K, et al. Essential role of cytoplasmic cdk5 and Prx2 in multiple ischemic injury models, in vivo [J]. Neurosci, 2009, 29(40):12497-12505.

28YOSHIMURA A, ITO M, KONDO T, et al. Peroxiredoxin triggers post-ischemic inflammation [J]. Seikagaku, 2013, 85(3):179-186.

1671-2897(2017)16-472-03

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(81222015, 81571215)；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(NCET-12-1004)；科技部創(chuàng)新人才推進(jìn)計(jì)劃中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才資助項(xiàng)目(2013RA2181)

張靜波，本科在讀，E-mail:49554556@qq.com

*通訊作者：屈延，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail:yanqu0123@163.com

R 651

A

2015-10-24；

2015-12-10)