Toll样受体4信号转导通路在脑梗死后运动康复中的研究前景

马跃文,何曼

脑梗死是最常见的脑血管疾病(cerebrovascular disease,CVD)类型,约占全部CVD的70%,是由于脑血液供应障碍引起的脑部病变。2008年国外大样本临床调查显示,急性缺血性脑血管病患者生命体征稳定以后尽早介入康复治疗,可以显著降低患者神经功能缺损积分和改善运动功能[1]。运动训练是脑梗死后康复治疗方法中的重要手段,但关于运动康复的作用机制则说法众多,没有定论。Toll样受体4(Toll-like receptor 4,TLR4)是一种模式识别受体(pattern recognition receptor,PRR),介导组织免疫炎性反应。目前有研究显示,TLR4信号转导通路在脑缺血再灌注过程中促成了脑组织的缺血性损伤,而TLR4基因缺失时则表现出了对脑组织的保护作用[2-4],其在脑缺血性损伤后非感染性炎症中作用研究的日益深入,为脑梗死的治疗和康复机制研究开辟了新的探索路径。

1 TLR4信号转导通路简介

TLR4是最早发现的TLRs家族成员。1997年Medzhitov等[5]鉴定和克隆出人类的第一种果蝇Toll样同源物受体,证实其能诱导核因子-κ B(NF-κ B)激活,并启动受NF-κ B调控的炎症因子,如白细胞介素(IL)-1、IL-6和 IL-8等的基因转录。TLRs分布广泛,在人体主要表达于单核细胞、巨噬细胞、树突细胞等细胞膜上,是与微生物识别有关的天然免疫受体家族,为模式识别受体,能识别和结合特定类型微生物的保守分子成分——病原体相关分子模式(pathogen associated molecular patterns,PAMPs)。TLRs属于Ⅰ型跨膜蛋白,其胞外区结构有富含亮氨酸的重复序列,负责识别不同的病原分子;胞内区与IL-1受体的胞内区相似,负责受体活化后的信号转导[6]。TLRs最突出的生物学功能是促进细胞因子的合成与释放,引发炎症反应[7];另一项功能是促进抗原提呈细胞的成熟,从而诱导机体的获得性免疫反应。TLRs是机体介导天然免疫转向获得性免疫的桥梁[8]。

TLR4基本上表达于所有的细胞系,在大脑则主要表达于小胶质细胞[9]。TLR4识别的最主要的外源性配体是格兰氏阴性菌的脂多糖(LPS);此外TLR4还能识别呼吸道合胞病毒包膜蛋白、分枝杆菌成分、热休克蛋白、饱和与不饱和脂肪酸、透明质酸片段、表面活性蛋白A等[10]。

LPS与TLR4结合后可活化髓样分化因子88(myeloid differentiation factor 88,MyD88)依赖性和非依赖性两条信号途径:前者活化丝裂原激活的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)和NF-κ B信号通路,后者活化NF-κ B和干扰素调节因子-3(IFN regulated factor-3,IRF3)信号通路[10]。NF-κ B是炎症瀑布中的重要环节,对炎症的发生、发展起主要调节作用。它可使肿瘤坏死因子(TNF)-α、IL-1等炎性细胞因子的转录水平增强,同时这两者又是NF-κ B的激活剂,通过正反馈机制,加重机体炎症反应。

TLR4还能通过活化树突状细胞促进抗原递呈,介导先天性免疫向获得性免疫的转化[11]。TLR信号转导的最主要产物是炎性细胞因子和蛋白质,在诸多疾病的病理生理过程中发挥作用,如心血管疾病、2型糖尿病、哮喘、炎症性肠病、类风湿关节炎等[12]。

2 脑缺血时TLR4改变

脑缺血再灌注损伤的发生机制复杂,至今有多种相关学说,如自由基损伤学说、兴奋性氨基酸中毒学说、细胞内钙超载学说、酸中毒学说及细胞凋亡学说等。许多研究均支持脑缺血再灌注本身引起的炎症反应参与了脑损伤过程[13-14]。有学者认为,无论心肌梗死、脑梗死还是其他缺血再灌注损伤等病理情况的共同标志是过度炎症反应,而TLR4在病原菌介导的炎症中起主要作用;同时其在损伤本身引发的非感染性炎症中的作用也被肯定,低分子透明质酸、纤连蛋白、HSP70、硫酸肝素等内源性配体黏附于炎性组织,无论有没有病原菌,均能激活TLR4信号转导通路[15]。

TLR4 被激活后,通过 MAPK/NF-κ B 和 NF-κ B/IRF3 等信号转导途径,表达多种炎性细胞因子、趋化因子、酶等,产生炎症反应,加重脑缺血性损伤。文献报道,与野生型相比,TLR4缺陷的小鼠脑缺血后脑梗死体积缩小,神经行为明显改善[2]。TLR4缺陷小鼠 IRF-1、iNOS、COX-2和 MMP-9的表达都减少,IFN-β、脂质过氧化的标记物丙二醛(malondialdehyde,MDA)水平也降低。iNOS和COX-2表达增多会产生大量活性氧(reactive oxygen species,ROS)和活性氮(reactive nitrogen species,RNS),使细胞组分(如膜脂质)被氧化,产生 MDA等细胞毒素参与脑缺血损伤。Cao等用大鼠大脑中动脉闭塞模型(MCAO)研究TLR4在脑缺血再灌注中的作用时发现,脑缺血6 h再灌注24 h后,无论是脑水肿程度、脑梗死体积,还是神经元损伤程度,TLR4缺陷的小鼠都明显低于野生型,证明TLR4在脑缺血再灌注损伤中起重要作用[3]。最近Hua等研究发现,TLR4在全脑缺血海马神经元死亡过程中起关键作用。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,炎性细胞因子表达量也较野生型少;小鼠的神经元死亡数比野生型低[4]。

另外有实验证明,短暂缺血事件(缺血预处理)能导致对下一次严重缺血的抵抗(缺血耐受),且TLR4缺失的小鼠缺血预处理后48 h建立永久MCAO,神经保护作用较TLR4正常表达的野生型小鼠差,后者的梗死体积小且有较好的神经功能学评分,同时在缺血预处理后 18 h、24 h、48 h有较高的 TNF-α、iNOS、COX-2及活化的 NF-κ B表达。这些数据表明 TLR4能提高大脑的耐受能力[16]。可见TLR4信号转导对于脑缺血事件而言是一把双刃剑。

3 运动对TLR4表达的影响

Lancaster最早报道一次长时间的有氧运动能够降低外周血单核细胞(CD14+)TLR4的表达[17]。他们研究了在高温条件下(34℃)1.5 h负荷单车运动(约为最大耗氧量的65%)对于TLR4在体内表达的影响,对比于安静条件下的样本,TLR4在运动后即刻及运动后2 h的表达明显降低。Lancaster在高温条件下训练受试者,可能夸大了运动对TLR4表达产生的影响。在该研究中,受试者经历了比他们在正常条件下运动时更大的体温涨幅,这也造成了运动后TLR4表达的减少不能确定是由于运动引起的正常生理变化还是像发热性疾病一样是由体温升高造成的。为了验证温度是否能够直接影响TLR4的表达,Gleeson等采取8名健康男性志愿者的外周血,分别于22℃、37℃、40℃培养,并且按照的同样的方法检测 TLR4在单核细胞表面的表达,发现温度对 TLR4的表达并无明显影响[18]。

但是,McFarlin等发现,对于接受训练和不接受训练的老年女性而言,在一次剧烈阻力运动后,单核细胞(CD14+)表面TLR4的表达并无明显改变[19]。但有可能这一实验的运动持续时长并不足以诱发单核细胞表面TLR4表达的降低。Flynn最早发现10周耐力训练能够明显降低受试者外周血被LPS刺激后生成炎性因子 IL-6、IL-8、TNF-α,接受抗阻训练的老年女性比不进行该训练静坐状态下的老年女性全血TLR4 mRNA表达减低[20]。

他们随后的研究发现,不论是剧烈运动还是耐力运动都能导致单核细胞表面TLR4表达的减少,并且经过长期观察发现,TLR4表达的减少是有益的,因为这样可以减弱白细胞的炎性势力,进而改变全身的慢性炎症状态[18]。Flynn等进行的临床试验发现,TLR4在运动训练受试者的外周血表达较非运动受试者低,且同一受试者在运动后TLR4的表达较运动前低,说明运动能抑制TLR4的表达[21]。McFarlin等发现,跑台运动组受试者的外周血 LPS刺激的IL-6、IL-1β、TNF-α及 TLR4的表达较非运动组低(P＜0.05)[22],支持运动或较多体育活动的生活方式能够抗炎的说法,同时提示TLR4在炎性细胞因子的产生和运动的联系中起调节作用。

运动能够降低人类外周血TLR4及其下游炎性因子的表达目前虽然已基本上达成了共识,但运动介导细胞表面TLR4表达减少的确切生理刺激目前仍不明确,不过部分可能相关的信号物质已经被发现,包括抗炎性因子如IL-4等[23]和应激激素如糖皮质激素[24]。

4 TLR4信号转导在运动康复中的研究前景探讨

综合以上各方面的研究进展,我们可以认为,脑梗死发生后,TLR4参与了梗死区非感染性炎症反应,造成了脑组织和细胞的损伤。而运动能使TLR4的表达下调,减弱整个TLR4信号转导通路的活性,减少外周血中各种白细胞的分布,降低外周血对外源性配体(如LPS)的应答,减少炎性因子的生成,减轻炎性损伤。有理由假设脑梗死超急性期过后开始进行的康复训练也可以抑制TLR4信号转导通路的活性,减轻组织炎性反应,加快功能恢复。我们还可以进一步考虑通过调整运动训练的方式、强度、持续时间,以最大程度地抑制TLR4的表达,减轻其对脑组织的炎性损伤。此外,由于缺血再灌注损伤发生于多个器官,如心、肝、肾等,这也在理论上扩大了运动康复能够发挥作用的领域。

5 总结与展望

近年来国外专家关于运动减少 TLR4、NF-κ B及其下游炎性因子 TNF-α表达的研究,提示我们除了可以从 TLR4信号转导通路方面深入研究脑梗死后的运动康复机制,完善康复训练方式,以更好地达到脑梗死患者功能恢复的目的外,还可以通过日常生活方式的改变,进行预防性的运动训练,尽可能减少脑梗死的发生,以及梗死发生后的神经细胞损伤和死亡,保留更多的神经功能,保证患者的生存质量。另外,随着这一信号通路的转导机制的深入研究,也为脑梗死治疗的临床药物开发提供了新路径。

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