CXC趨化因子受體3及其配體在氣道疾病中的研究進展

李論 高金明

中國醫學科學院 北京協和醫學院 北京協和醫院呼吸內科100730

支氣管哮喘 (哮喘)和COPD 是氣道疾病的重要組成部分,它們病變的共同特點是慢性氣道炎癥。趨化因子在炎性反應中發揮著重要作用,它們和靶細胞 (中性粒細胞、巨噬細胞等)表面相應的趨化因子受體特異性結合,啟動細胞內信號轉導途徑從而發揮生物學效應。CXC 趨化因子受體3 (CXC chemokine receptor 3,CXCR3)是CXC趨化因子家族的受體之一,屬于輔助性T 細胞1 (T helper cell 1,Th1)型趨化因子受體。CXCR3 及其配體與哮喘、COPD 的發生發展密切相關。本文就CXCR3及其配體在氣道疾病中的作用作一綜述。

1 CXCR3及其配體的結構特點

1.1 CXCR3受體 CXCR3是具有7次跨膜結構的G 蛋白耦聯受體,基于其配體的結構特點歸屬于CXC 型受體。CXCR3基因定位在X 染色體q13區,cDNA 全長1 104 bp,包括2個外顯子和1個內含子,編碼368個氨基酸。CD4+T 輔助細胞 (Th)、CD8+毒性T 細胞和記憶T 細胞均高度表達CXCR3。但在Th細胞中,CXCR3特異性表達于Th1細胞,而非Th2及Th17細胞[1]。除此以外,自然殺傷細胞、樹突狀細胞、肥大細胞等免疫細胞以及成纖維細胞、上皮細胞、平滑肌細胞等均表達CXCR3。

1.2 CXCR3配體 根據CXCR3配體理化性質及生物學特性的不同,可大致分為兩大類。一類是傳統的CXCR3 配體,包括干擾素誘導的單核細胞因子 (monokine induced by IFN-γ,Mig)/CXC 趨化因子配體9 (CXC chemokine ligand 9,CXCL9)、干擾素誘導蛋白-10 (IFN-γinduced protein 10,IP-10)/CXCL10 以及干擾素誘導的T 細胞α趨化因子 (interferon-inducible T Cellα-chemoattractant,I-TAC)/CXCL11。另一類是血小板因子-4 (platelet factor 4,PF-4)/CXCL4和血小板因子4變體 (platelet factor-4 variant,PF-4var)/CXC配體4變體1 (CXC chemokine ligand 4 variant 1,CXCL4L1)。

1.2.1 IFN-γ誘導性CXCR3配體 IFN-γ誘導性CXCR3配體是指CXCL9、CXCL10 和CXCL11。雖然這三種配體中40%以上的氨基酸相同,但它們表達于不同的細胞并受到不同的調控。不僅如此,CXCL9、CXCL10 和CXCL11也具有不同的受體結合特點。這三種配體和經典CXCR3的親和力強度為：CXCL11＞CXCL10＞CXCL9。從鈣離子動員能力及趨化作用衡量,CXCL11也是CXCR3效能最強的配體。CXCL10易受多種因素調控從而廣泛參與到多種病理生理過程中,故目前對它的研究也最為深入。

1.2.2 血小板趨化性CXCR3配體 血小板趨化性CXCR3配體是指CXCL4和CXCL4L1。CXCL4和CXCL4L1與其他配體的區別主要在于：(1)與CXCR3親和力不同；(2)主要由活化的血小板釋放,而非IFN-γ 誘導產生。CXCL4L1是CXCL4的變異體,但CXCL4L1 在抗血管生成方面的作用遠遠強于CXCL4,因而具有抑制腫瘤生長和轉移的生物學效能。近期也發現CXCL4L1存在不同亞型,但其功能方面的異同尚未完全闡明[2]。

2 CXCR3及其配體與氣道疾病

2.1 CXCR3及其配體與哮喘 哮喘是由多種細胞 (如嗜酸粒細胞、肥大細胞、T 淋巴細胞、中性粒細胞、氣道上皮細胞)和細胞組分參與的慢性氣道炎癥性疾病。目前認為Th兩種亞型Th1、Th2的失衡是哮喘發病的重要因素。而CXCR3及其配體的相互作用與Th1細胞應答密切相關,近年發現其在哮喘中有著重要的調節作用。

CXCR3基因多態性與哮喘的發病風險相關。Cheong等[3]用測序的方法比較了韓國人群中哮喘患者與健康對照者的CXCR3基因序列,結果提示CXCR3基因內含子c.12+234G＞A (rs2280964G＞A)的單核苷酸多態性 (single nucleotide polymorphism,SNP)可降低哮喘的發病風險,在過敏的男性患者中更為顯著。對于該位點功能方面的進一步研究發現,rs2280964A 可使CXCR3 的表達量降低,可能機制為攜帶SNP的內含子序列有抑制啟動子的活性及調節DNA-蛋白質相互作用的功能,且rs2280964A 的免疫細胞對細胞因子/趨化因子的應答減弱[4]。

目前對于CXCR3及其配體在哮喘中的作用存在爭議。一些研究認為CXCR3 及其配體在促進哮喘的發生發展、加重氣道炎癥反應的過程中具有重要作用。CXCR3的表達與哮喘的嚴重程度相關。一項納入186例哮喘患者的臨床研究提示,隨著哮喘病情的加重,外周血CXCR3+T 細胞顯著增多[5]。多項研究發現CXCR3 的配體參與及加重哮喘患者的氣道炎癥反應。其中研究最廣泛的是CXCL10,它是由氣道上皮細胞、平滑肌細胞、單核細胞和巨噬細胞分泌,可募集活化的T 細胞和嗜酸粒細胞到炎癥部位。臨床研究表明,在穩定期哮喘患者的痰液中可檢測到CXCL9、CXCL10水平的升高,而且CXCL9的升高與第1秒用力呼氣容積呈負相關[6]。此外,輕癥及過敏性哮喘患者的外周血和肺泡灌洗液中CXCL10 水平升高[7]。Gauthier等[8]研究結果提示,CXCL10 表達增加與激素抵抗及重癥哮喘的發生相關。但本課題組前期研究發現,在屋塵螨致敏的動物模型中,CXCR3基因敲除小鼠比野生型小鼠氣道炎癥反應更重,CXCL9和CXCL10水平更低；提示CXCR3及其配體可能為哮喘的保護性因素[9]。Thomas等[10]研究結果表明,CXCL9 可改善氣道高反應。目前對CXCX3以及配體在哮喘中的作用機制尚未完全闡明,有待進一步研究驗證。

肥大細胞是參與Ⅰ型超敏反應的主要效應細胞,與哮喘的病理生理過程關系緊密。多種氣道平滑肌 (airway smooth cell,ASM)細胞釋放的趨化因子可調控肥大細胞向ASM 層遷移[11]。在哮喘患者的ASM 中可觀察到肥大細胞數量明顯增加,且均表達CXCR3,然而黏膜下層的其他部位表達CXCR3的比例不足50%。不僅如此,相較于健康人,哮喘患者的ASM 可檢測到CXCL10 的高表達。ASM 分泌的CXCL10與肥大細胞CXCR3結合可驅動肥大細胞向ASM 趨化,ASM 中的肥大細胞可局部調控CXCL10水平并影響炎癥細胞的募集[12]。

嗜酸粒細胞易聚集在過敏性炎癥部位,通過釋放包括主要堿性蛋白、白三烯、細胞因子在內的炎性介質從而發揮重要作用。研究表明,CXCR3配體CXCL9、CXCL10及CXCL11可通過CXCR3 上調嗜酸粒細胞的功能,其中CXCL10效應最強；CXCL10 還可誘導嗜酸粒細胞脫顆粒及釋放大量細胞因子[13]。目前對于CXCL9 及CXCL11 在哮喘中的作用尚未完全闡明,也有研究發現二者在哮喘患者中水平無明顯升高,CXCL9 有抑制嗜酸粒細胞功能的作用[14-15]。

2.2 CXCR3及其配體與COPD COPD 是以不完全可逆的氣流受限為特征的慢性氣道炎癥性疾病。肺內炎性細胞以巨噬細胞、中性粒細胞和T 淋巴細胞 (尤其是CD8+T細胞)為主。目前認為吸煙是COPD 的高危因素,接觸香煙刺激后,氣道上皮細胞和巨噬細胞通過直接作用或募集T 細胞來介導氣道炎癥。CD8+T 細胞可通過細胞溶解作用破壞肺實質,CD4+T 細胞可募集和活化包括中性粒細胞在內的其他免疫細胞,持續推進氣道炎癥反應。與吸煙非COPD 患者相比,吸煙COPD 患者的痰液和肺泡灌洗液中巨噬細胞數量明顯上升,提示COPD 患者在香煙的刺激下會引起外周血單核細胞向巨噬細胞分化并向肺內遷移。

CXCR 和CC 趨 化 因 子受體 (CC chemokine receptor,CCR)是COPD 炎癥反應中的主要受體。CXCR3和CCR5均是Th1 細胞的特異性標記。多項臨床研究發現,在COPD 患者的痰液和氣道黏膜中,可以觀察到CXCR3 和CCR5陽性T 細胞的浸潤以及CXCL9-11、CC 趨化因子配體5 (CC chemokine ligand 5,CCL5)水平的顯著升高[16-18]。不僅如此,CXCR3及CCR5陽性T 細胞的數量與COPD 的嚴重程度密切相關[17]。在COPD 患者的CD8+T細胞、Th1 細胞及巨噬細胞中均可見到CXCR3 和/或CCR5 表達升高[19-20]。也有研究表明,這兩種受體在COPD 患者外周血淋巴細胞及單核細胞中的表達較非COPD 患者無明顯差異,但COPD 患者外周血單個核細胞和分離的單核細胞受CXCL9～11 及CCL5 的趨化作用更強[21]。不同性別的COPD 患者在臨床癥狀、預后等方面也存在差異。一項臨床研究發現,與女性吸煙非COPD 的人群相比,女性吸煙COPD 患者的肺泡灌洗液中CD8+T 細胞高表達CCR5,同時外周血中CXCR3+CD8+T 細胞比例更高[22]。

肺氣腫是COPD 的一個重要表型,肺泡基質的破壞與蛋白酶/抗蛋白酶的失衡有關。基質金屬蛋白酶 (matrix metalloproteinases,MMPs)是調節細胞外基質合成和降解的主要酶類。多種MMPs在COPD 患者中表達或活化增加,其中MMP-2、MMP-9、MMP-12與肺氣腫發病相關。雖然細胞因子及趨化因子是MMPs的底物,但是它們仍然可以調節MMPs 的表達。CXCR3 及其配體可通過調節MMPs而促進肺氣腫的形成。Grumelli等[23]發現肺氣腫患者肺內淋巴細胞分泌的CXCL9和CXCL10可上調MMP-12的水平,通過形成蛋白水解的微環境而加速肺臟的損傷；T 細胞及巨噬細胞表達CXCR3也是應答CXCL9/CXCL10從而分泌MMP-12所需要的條件。也有研究表明,MMP-12受到Th1或IFN-γ相關信號的調節[24]。本課題組前期建立了短期暴露于煙霧刺激的小鼠模型,研究結果發現,與野生型小鼠相比,CXCR3敲除的小鼠肺泡腔的擴大更為輕微,CXCL10 水平以及MMP-2、MMP-12 的m RNA 的水平更低,提示MMPs受其底物細胞因子的調控[25]。目前關于CXCR3及其配體與MMPs相互調控機制的研究較少,有待進一步研究論證兩者之間的關系,及其參與COPD 發生的分子機制。此外,另有動物實驗發現,香煙暴露可使肺微血管內皮細胞和肺組織內皮細胞的CXCR3受體表達上調,并在CXCL10及內皮-單核細胞激活多肽Ⅱ的作用下誘導細胞凋亡,導致肺泡完整性缺失進而引起肺氣腫的形成[26]。

3 展望

CXCR3及其配體在哮喘和COPD 的發生發展過程中發揮著重要作用。目前CXCR3基因多態性與氣道疾病相關的研究鮮有報道,仍需繼續探索遺傳因素對疾病的影響。CXCR3及其配體在未來可能成為氣道疾病新的治療靶點,仍需進一步研究探討,我們期待新的藥物能在慢性炎癥性疾病的治療中帶來新的突破。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突