Toll樣受體4信號轉導通路在腦梗死后運動康復中的研究前景

馬躍文,何曼

腦梗死是最常見的腦血管疾病(cerebrovascular disease,CVD)類型,約占全部CVD的70%,是由于腦血液供應障礙引起的腦部病變。2008年國外大樣本臨床調查顯示,急性缺血性腦血管病患者生命體征穩定以后盡早介入康復治療,可以顯著降低患者神經功能缺損積分和改善運動功能[1]。運動訓練是腦梗死后康復治療方法中的重要手段,但關于運動康復的作用機制則說法眾多,沒有定論。Toll樣受體4(Toll-like receptor 4,TLR4)是一種模式識別受體(pattern recognition receptor,PRR),介導組織免疫炎性反應。目前有研究顯示,TLR4信號轉導通路在腦缺血再灌注過程中促成了腦組織的缺血性損傷,而TLR4基因缺失時則表現出了對腦組織的保護作用[2-4],其在腦缺血性損傷后非感染性炎癥中作用研究的日益深入,為腦梗死的治療和康復機制研究開辟了新的探索路徑。

1 TLR4信號轉導通路簡介

TLR4是最早發現的TLRs家族成員。1997年Medzhitov等[5]鑒定和克隆出人類的第一種果蠅Toll樣同源物受體,證實其能誘導核因子-κ B(NF-κ B)激活,并啟動受NF-κ B調控的炎癥因子,如白細胞介素(IL)-1、IL-6和 IL-8等的基因轉錄。TLRs分布廣泛,在人體主要表達于單核細胞、巨噬細胞、樹突細胞等細胞膜上,是與微生物識別有關的天然免疫受體家族,為模式識別受體,能識別和結合特定類型微生物的保守分子成分——病原體相關分子模式(pathogen associated molecular patterns,PAMPs)。TLRs屬于Ⅰ型跨膜蛋白,其胞外區結構有富含亮氨酸的重復序列,負責識別不同的病原分子;胞內區與IL-1受體的胞內區相似,負責受體活化后的信號轉導[6]。TLRs最突出的生物學功能是促進細胞因子的合成與釋放,引發炎癥反應[7];另一項功能是促進抗原提呈細胞的成熟,從而誘導機體的獲得性免疫反應。TLRs是機體介導天然免疫轉向獲得性免疫的橋梁[8]。

TLR4基本上表達于所有的細胞系,在大腦則主要表達于小膠質細胞[9]。TLR4識別的最主要的外源性配體是格蘭氏陰性菌的脂多糖(LPS);此外TLR4還能識別呼吸道合胞病毒包膜蛋白、分枝桿菌成分、熱休克蛋白、飽和與不飽和脂肪酸、透明質酸片段、表面活性蛋白A等[10]。

LPS與TLR4結合后可活化髓樣分化因子88(myeloid differentiation factor 88,MyD88)依賴性和非依賴性兩條信號途徑:前者活化絲裂原激活的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)和NF-κ B信號通路,后者活化NF-κ B和干擾素調節因子-3(IFN regulated factor-3,IRF3)信號通路[10]。NF-κ B是炎癥瀑布中的重要環節,對炎癥的發生、發展起主要調節作用。它可使腫瘤壞死因子(TNF)-α、IL-1等炎性細胞因子的轉錄水平增強,同時這兩者又是NF-κ B的激活劑,通過正反饋機制,加重機體炎癥反應。

TLR4還能通過活化樹突狀細胞促進抗原遞呈,介導先天性免疫向獲得性免疫的轉化[11]。TLR信號轉導的最主要產物是炎性細胞因子和蛋白質,在諸多疾病的病理生理過程中發揮作用,如心血管疾病、2型糖尿病、哮喘、炎癥性腸病、類風濕關節炎等[12]。

2 腦缺血時TLR4改變

腦缺血再灌注損傷的發生機制復雜,至今有多種相關學說,如自由基損傷學說、興奮性氨基酸中毒學說、細胞內鈣超載學說、酸中毒學說及細胞凋亡學說等。許多研究均支持腦缺血再灌注本身引起的炎癥反應參與了腦損傷過程[13-14]。有學者認為,無論心肌梗死、腦梗死還是其他缺血再灌注損傷等病理情況的共同標志是過度炎癥反應,而TLR4在病原菌介導的炎癥中起主要作用;同時其在損傷本身引發的非感染性炎癥中的作用也被肯定,低分子透明質酸、纖連蛋白、HSP70、硫酸肝素等內源性配體黏附于炎性組織,無論有沒有病原菌,均能激活TLR4信號轉導通路[15]。

TLR4 被激活后,通過 MAPK/NF-κ B 和 NF-κ B/IRF3 等信號轉導途徑,表達多種炎性細胞因子、趨化因子、酶等,產生炎癥反應,加重腦缺血性損傷。文獻報道,與野生型相比,TLR4缺陷的小鼠腦缺血后腦梗死體積縮小,神經行為明顯改善[2]。TLR4缺陷小鼠 IRF-1、iNOS、COX-2和 MMP-9的表達都減少,IFN-β、脂質過氧化的標記物丙二醛(malondialdehyde,MDA)水平也降低。iNOS和COX-2表達增多會產生大量活性氧(reactive oxygen species,ROS)和活性氮(reactive nitrogen species,RNS),使細胞組分(如膜脂質)被氧化,產生 MDA等細胞毒素參與腦缺血損傷。Cao等用大鼠大腦中動脈閉塞模型(MCAO)研究TLR4在腦缺血再灌注中的作用時發現,腦缺血6 h再灌注24 h后,無論是腦水腫程度、腦梗死體積,還是神經元損傷程度,TLR4缺陷的小鼠都明顯低于野生型,證明TLR4在腦缺血再灌注損傷中起重要作用[3]。最近Hua等研究發現,TLR4在全腦缺血海馬神經元死亡過程中起關鍵作用。TLR4(-/-)小鼠的 NF-κ B 抑制蛋白(I-κ B)磷酸化水平、NF-κ B 激活程度均比野生型低,炎性細胞因子表達量也較野生型少;小鼠的神經元死亡數比野生型低[4]。

另外有實驗證明,短暫缺血事件(缺血預處理)能導致對下一次嚴重缺血的抵抗(缺血耐受),且TLR4缺失的小鼠缺血預處理后48 h建立永久MCAO,神經保護作用較TLR4正常表達的野生型小鼠差,后者的梗死體積小且有較好的神經功能學評分,同時在缺血預處理后 18 h、24 h、48 h有較高的 TNF-α、iNOS、COX-2及活化的 NF-κ B表達。這些數據表明 TLR4能提高大腦的耐受能力[16]。可見TLR4信號轉導對于腦缺血事件而言是一把雙刃劍。

3 運動對TLR4表達的影響

Lancaster最早報道一次長時間的有氧運動能夠降低外周血單核細胞(CD14+)TLR4的表達[17]。他們研究了在高溫條件下(34℃)1.5 h負荷單車運動(約為最大耗氧量的65%)對于TLR4在體內表達的影響,對比于安靜條件下的樣本,TLR4在運動后即刻及運動后2 h的表達明顯降低。Lancaster在高溫條件下訓練受試者,可能夸大了運動對TLR4表達產生的影響。在該研究中,受試者經歷了比他們在正常條件下運動時更大的體溫漲幅,這也造成了運動后TLR4表達的減少不能確定是由于運動引起的正常生理變化還是像發熱性疾病一樣是由體溫升高造成的。為了驗證溫度是否能夠直接影響TLR4的表達,Gleeson等采取8名健康男性志愿者的外周血,分別于22℃、37℃、40℃培養,并且按照的同樣的方法檢測 TLR4在單核細胞表面的表達,發現溫度對 TLR4的表達并無明顯影響[18]。

但是,McFarlin等發現,對于接受訓練和不接受訓練的老年女性而言,在一次劇烈阻力運動后,單核細胞(CD14+)表面TLR4的表達并無明顯改變[19]。但有可能這一實驗的運動持續時長并不足以誘發單核細胞表面TLR4表達的降低。Flynn最早發現10周耐力訓練能夠明顯降低受試者外周血被LPS刺激后生成炎性因子 IL-6、IL-8、TNF-α,接受抗阻訓練的老年女性比不進行該訓練靜坐狀態下的老年女性全血TLR4 mRNA表達減低[20]。

他們隨后的研究發現,不論是劇烈運動還是耐力運動都能導致單核細胞表面TLR4表達的減少,并且經過長期觀察發現,TLR4表達的減少是有益的,因為這樣可以減弱白細胞的炎性勢力,進而改變全身的慢性炎癥狀態[18]。Flynn等進行的臨床試驗發現,TLR4在運動訓練受試者的外周血表達較非運動受試者低,且同一受試者在運動后TLR4的表達較運動前低,說明運動能抑制TLR4的表達[21]。McFarlin等發現,跑臺運動組受試者的外周血 LPS刺激的IL-6、IL-1β、TNF-α及 TLR4的表達較非運動組低(P＜0.05)[22],支持運動或較多體育活動的生活方式能夠抗炎的說法,同時提示TLR4在炎性細胞因子的產生和運動的聯系中起調節作用。

運動能夠降低人類外周血TLR4及其下游炎性因子的表達目前雖然已基本上達成了共識,但運動介導細胞表面TLR4表達減少的確切生理刺激目前仍不明確,不過部分可能相關的信號物質已經被發現,包括抗炎性因子如IL-4等[23]和應激激素如糖皮質激素[24]。

4 TLR4信號轉導在運動康復中的研究前景探討

綜合以上各方面的研究進展,我們可以認為,腦梗死發生后,TLR4參與了梗死區非感染性炎癥反應,造成了腦組織和細胞的損傷。而運動能使TLR4的表達下調,減弱整個TLR4信號轉導通路的活性,減少外周血中各種白細胞的分布,降低外周血對外源性配體(如LPS)的應答,減少炎性因子的生成,減輕炎性損傷。有理由假設腦梗死超急性期過后開始進行的康復訓練也可以抑制TLR4信號轉導通路的活性,減輕組織炎性反應,加快功能恢復。我們還可以進一步考慮通過調整運動訓練的方式、強度、持續時間,以最大程度地抑制TLR4的表達,減輕其對腦組織的炎性損傷。此外,由于缺血再灌注損傷發生于多個器官,如心、肝、腎等,這也在理論上擴大了運動康復能夠發揮作用的領域。

5 總結與展望

近年來國外專家關于運動減少 TLR4、NF-κ B及其下游炎性因子 TNF-α表達的研究,提示我們除了可以從 TLR4信號轉導通路方面深入研究腦梗死后的運動康復機制,完善康復訓練方式,以更好地達到腦梗死患者功能恢復的目的外,還可以通過日常生活方式的改變,進行預防性的運動訓練,盡可能減少腦梗死的發生,以及梗死發生后的神經細胞損傷和死亡,保留更多的神經功能,保證患者的生存質量。另外,隨著這一信號通路的轉導機制的深入研究,也為腦梗死治療的臨床藥物開發提供了新路徑。

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