免疫炎症反应在动脉粥样硬化中作用的研究进展

江高峰,秦旭平,李 洁,2*

(1.南华大学药物与药理研究所,湖南衡阳421001;2.郴州市第一人民医院药剂科)

免疫炎症反应在动脉粥样硬化中作用的研究进展

江高峰1,秦旭平1,李 洁1,2*

(1.南华大学药物与药理研究所,湖南衡阳421001;2.郴州市第一人民医院药剂科)

免疫应答在动脉粥样硬化(As)的发生、发展过程中起着至关重要的作用。Toll样受体(TLR)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)及白介素-1β(IL-1β)作为介导机体免疫应答的重要炎性介质在As进程中起着重要作用。对免疫应答及相关炎症因子在As形成中的作用进行深入研究,不仅有助于理解As的形成过程,而且能为临床防治心血管疾病提供新的治疗靶点。

Toll样受体; 肿瘤坏死因子-α; 白介素-1β; 动脉粥样硬化

动脉粥样硬化(atherosclerosis,As)指在动脉及其分支血管壁内膜发生脂质沉积,主要为胆固醇及胆固醇酯,且平滑肌细胞大量增殖并向内膜迁移,从而导致内膜增厚并最终形成粥样病灶的一种慢性炎症性疾病[1]。近年来,随着国内人口老龄化进程的不断加剧及人们饮食习惯的不断改变,以As为病理基础的心脑血管疾病发生率呈逐年上升趋势,并成为致死的第一顺位原因[2]。寻找As的发病机制,并以此为靶点延缓或逆转As发生及发展,是降低包括脑卒中、冠心病、急性心肌梗死等心脑血管疾病的关键[3]。大量证据显示,免疫应答在As的发生、发展过程中起着至关重要的作用。Toll样受体(toll like receptors,TLRs)、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor,TNF-α)及白介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)作为介导机体免疫应答的重要炎性介质在As进程中的作用日益受到关注[4]。本文就TLRs、TNF-α及IL-1β与As的相关性做一综述,旨在进一步阐明As发生机制,并为寻找As治疗靶点提供新思路。

1 免疫炎症反应与动脉粥样硬化

人体As斑块中包含大量免疫细胞(主要为T细胞及巨噬细胞)、炎症细胞、血管内皮细胞、平滑肌细胞、细胞外基质及富含脂质的细胞碎片[5]。免疫细胞的募集是诱发As斑块形成的主要因素。低密度脂蛋白(low density lipoprotein,LDL)大量沉积于血管内膜,其活化内皮细胞,诱导T细胞及单核细胞向动脉内皮趋化,促进血管平滑肌细胞及内皮细胞分泌大量巨噬细胞集落刺激因子(macrophage colony stimulating factor,M-CSF),M-CSF诱导单核细胞分化为巨噬细胞,后者的炎性反应是As的重要诱因[6]。随着时间的推移,斑块进展为更加复杂的病变。死亡细胞及细胞外脂滴共同形成斑块核心,而富含胶原的基质及平滑肌细胞则包绕其外。斑块内除T细胞及巨噬细胞外,还包括大量肥大细胞、树突状细胞(dendritic cell,DC),及少量自然杀伤T(natural killer T,NKT)细胞及B细胞。斑块中的T细胞可识别局部抗原,诱发免疫级联反应,进一步加重局部炎症反应及斑块形成[7]。而斑块炎症反应的加剧又可诱导局部蛋白质水解,造成斑块破裂及血栓形成,并最终导致与As相关性的心血管事件的发生[8]。总之,免疫炎症反应在As的发病机制中扮演重要角色,并贯穿As发生发展的整个过程[9],尤其以TLRs、TNF-α及IL-1β为代表的免疫分子网络在其中发挥重要作用,三者相互影响,相互促进,其作用机制复杂,调控以 TLRs、TNF-α及 IL-1β介导的免疫炎症反应可能是防治As的潜在靶向。

2 TLRs与动脉粥样硬化

Toll基因属于跨膜受体,最早被发现于果蝇中,其可参与调控胚胎果蝇背腹轴分化并介导果蝇产生天然免疫反应。基于果蝇Toll信号途径与哺乳类动物白介素-1(interleukin-1,IL-1)信号途径的高度相似性,Toll在果蝇先天免疫反应中的作用逐渐被学者认可[10]。1997年,有研究首次鉴定并克隆了一种人细胞表面的Ⅰ型跨膜蛋白,因其与果蝇Toll分子高度同源而被命名为Toll样受体(Toll-like receptors,TLRs)[11]。不同的TLRs可识别不同的病原体相关分子模式(pathogen associated molecular patterns,PAMPs),是先天免疫反应的重要机制组成。TLR2识别肽聚糖(peptidoglycan,PGN)、TLR4识别脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)、TLR5识别鞭毛蛋白,TLR9识别细菌基因组CpG-DNA。此外,TLRs还可形成诸如TLR1-TLR6、TLR2-TLR6的同源或异源二聚体,从而拓宽其识别功能[12]。

As进程包括斑块形成、进展及破裂等多个阶段,每个阶段的细胞与分子特征各异。越来越多的证据显示TRLs可参与As进程,并通过多种途径贯穿其始终[13]。TLRs在机体炎症反应及免疫级联反应中发挥重要作用。TLR4作为LPS信号转导受体,可介导包括依赖MyD88及非依赖MyD88途径的信号通路,前者募集IL-1受体相关激酶(IL-1 receptor-associatedkinase,IRAK),IRAK磷酸化后与TNF受体相关因子6(tumour necrosis factor receptorassociated factor 6,TRAF6)结合,活化的TRAF6磷酸化IκB激酶,进而活化NF-κB,启动炎症因子转录,后者则通过IFN-β诱导连接蛋白(TIR-domaincontainingadaptor protein inducing IFN-β,TRIF) 和TRIF相关接头分子(TRIF-related adaptor molecule,TRAM),同时激活NF-κB和IRF,诱导相关靶基因合成[14-15]。T细胞及单核细胞募集并趋化至动脉血管壁是As形成的早期事件,该过程是通过内皮细胞表面粘附因子介导实现的,而内皮细胞表面粘附因子的转录调节又与NF-κB调控密切相关[16]。LPS通过TLR4信号通路激活NF-κB上调内皮细胞白细胞粘附分子(endothelial leukocyte adhesion molecules,ELAM)、血管细胞粘附分子-1(vascular cell adhesion molecule-1,VCAM-1)、细胞间粘附分子-1(intercellular adhesion molecule-1,ICAM-1)等趋化因子表达从而参与T细胞及单核细胞的增殖和募集,并启动炎症反应。

TLRs受体亚型不同,对As的作用有差异。细胞膜上的TLR4、TLR2受体促进了As的生成,而胞内TLR3则对此有抑制作用。有报道血管外膜成纤维细胞中TLR4激活促进血管内膜生成,而TLR4缺陷的基因敲除鼠模型中此作用显著降低,并伴有TNF-α和IL-1β的下调,表明TLR4参与As进程中动脉内膜形成机制以及炎症因子的分泌[17-18]。TLR4介导内膜平滑肌细胞增殖促进As发生发展[19]。As斑块的不稳定性是诱导临床心血管事件的独立危险因素,而前者主要是由于炎症反应进展所致。TLR4通过激活信号级联反应激活NF-κB和MAPK通路,诱导蛋白酶及炎症因子表达。炎性细胞大量聚集并分泌基质降解酶,可改变斑块结构,增加斑块脆性,使斑块易于破裂。而TLR4基因缺陷小鼠As模型中,斑块稳定性显著提高,说明TLR4信号通路与斑块稳定性密切相关。有报道TLR4信号途径可上调凋亡因子表达,细胞凋亡是促使斑块不稳定的独立危险因素[20],TLR4通路通过诱导平滑肌细胞凋亡,可以导致斑块不稳定甚至破裂[21]。TLR2在As的发生发展中与TLR4起协同作用。LDLR-/-小鼠敲除TLR2能使斑块面积缩小伴随巨噬细胞凋亡率下降[22]。当体内同时转染TLR2和TLR4可以导致As的形成加速[23]。而胞内的TLR3对As起保护作用,ApoE-/-小鼠缺失TLR3后能加速As的启动和颈动脉弹性膜的断裂,使用TLR3抑制剂,可降低损失血管处新内膜的形成。TLR3可以保护高胆固醇血症和损伤诱导的斑块[24]。因此,深入了解TLRs对As的促进及保护作用,很可能成为治疗As的新靶点。

3 TNF-α与动脉粥样硬化

1975年,Carswell等首次于接种卡介苗的小鼠血清中发现一种可引起肿瘤出血坏死的活性因子,并将其命名为肿瘤坏死因子(TNF)。按结构类型可将TNF分为2类,即 TNF-α及 TNF-β,二者具有相似的生物学活性。TNF-α主要由活化的单核巨噬细胞及淋巴细胞生成,其分子量为17 kDa,共由157个氨基酸组成。TNF-α的蛋白前体包含26个疏水氨基,从而使TNF-α具有跨膜性,经由内质网和高尔基体的介导,使其最终成为成熟的人类TNF-α[25]。TNF-α具有多种生物学活性并参与机体免疫应答、炎症反应等进程。TNF-α可通过激活T细胞和巨噬细胞增殖,调控 B细胞分化,增强自然杀伤细胞(natural killer,NK)的细胞毒性,达到调控免疫功能的作用[26]。在细胞因子网络中,TNF-α可诱导脂质介质、生长因子及多种细胞因子表达,并通过与IL-1β协同作用参与细胞因子网络结构调控[27]。此外,TNF-α 还可诱导包括 c-jun、c-fos、NF-κB 等在内的转录因子表达,促使花生四烯酸分泌,抑制脂蛋白酶活性。

TNF-α作为介导机体内免疫应答及炎症反应的前炎性细胞因子,其表达水平与动脉粥样硬化的发生与发展密切相关。TNF-α导致动脉内皮炎症细胞浸润及内皮受损可能是通过调控炎症因子表达,促使细胞粘附分子分泌,诱导炎症细胞粘附与聚集,并最终导致发热、中性粒细胞增殖及血流动力学改变等炎症反应。TNF-α在动脉粥样硬化炎症反应早期阶段诱导IL-1、IL-6、白细胞粘附分子ICAM-1等炎症因子大量表达,并促使ICAM-1趋化大量单核白细胞使其粘附于血管内皮组织表面并向内膜方向聚集,引起血管壁炎症反应[28],TNF-α被认为是诱发As及斑块不稳定的独立危险因素。

TLRs信号转导通路激活下游NF-κB和MAPK通路,引起TNF-α过表达,而TNF-α可通过调控细胞增殖、分化及凋亡等参与As进程[29]。TNF-α过表达还可促进活性氧自由基(reactive oxide species,ROS)大量生成,最终导致内皮功能紊乱,使内皮细胞活化、受损,造成血管壁损伤及血栓形成,加剧心肌细胞凋亡,导致心肌生理结构及功能损伤,最终导致As斑块形成,并加剧斑块不稳定性[30]。临床研究显示,内皮功能紊乱及主动脉僵硬可加剧As进程,而采用anti-TNF-α疗法,可有效改善内皮损伤,降低主动脉僵硬程度,减轻局部炎症反应,从而缓解或逆转As进程[31]。研究发现TNF-α在健康人群冠脉组织中无表达或弱阳性表达,在稳定性斑块组织中显著表达,而在不稳定斑块组织中则极显著表达,提示TNF-α的过表达可启动动脉粥样硬化形成机制。而TNF-α相关的凋亡诱导配体(TNF related apoptosis inducing ligand,TRAIL)可通过死亡受体途径诱导内皮细胞凋亡参与As发生机制。了解TNF-α致As的作用机制可能为As的临床诊断及治疗指明新方向。

4 IL-1β与动脉粥样硬化

IL-1β是IL-1的主要分泌形式,主要由巨噬细胞、淋巴细胞、单核细胞、内皮细胞、星状细胞及肿瘤细胞等分泌和释放。IL-1β在合成初期首先形成31 kDa大小的前体,即Pro-IL-1β,之后Pro-IL-1β被IL-1β转换酶降解,形成大小为17 kDa的多肽物质,即成熟的IL-1β,随后其被释放至细胞外并发挥多种生物学活性。IL-1β的生物学活性是通过与其相应的高亲和力受体(IL-1R)介导产生的,目前已知的两种细胞表面IL-1R包括I型IL-1R(IL-1RI)和II型(IL-1RII),二者分子量大小分别为80 kDa和67 kDa。IL-1β的生物学活性的异同主要依赖于其所释放的细胞因子含量,IL-1β低表达状态下,其主要作为局部炎症反应介质,并作用于血管内皮细胞及单核巨噬细胞系,从而诱导IL-6合成;而当IL-1β高表达时,其可进入血液循环系统并产生致热作用[32]。

目前研究认为IL-1β可通过多种途径参与As进程,具体包括:(1)增加氧化低密度脂蛋白(oxidized low-density lipoprotein,ox-LDL)及其受体(LOX-1)表达。IL-1β可通过上调ox-LDL及LOX-1表达,参与死亡蛋白介导的内皮细胞损伤,促进平滑肌细胞增殖、趋化;上调细胞粘附分子表达,募集单核巨噬细胞并使其向血管内皮下趋化;诱导巨噬细胞凋亡使其成为泡沫细胞;上调CD40及其配体表达,参与AS发展及斑块破裂[33]。(2)促进细胞因子分泌。 IL-1β 可有效 促进 IL-6、IL-8、TNF-α、ICAM-1、VCAM-1、MCP-1 及 C 反应蛋白(C react protein,CRP)表达,从而加速As形成[34]。(3)诱导血浆纤溶酶原激活抑制物-1(plasminogen activator inhibitor-1,PAI-1)和血小板衍化生长因子(platelet derived growth factor,PDGF)合成。IL-1β可通过调节PAI-1、PDGF合成,直接影响血管内膜中纤溶系统状态,从而促进动脉血栓形成。有研究显示,动脉粥样硬化模型大鼠血清IL-1β表达水平及升主动脉内膜IL-1β蛋白表达水平均显著高于正常大鼠,而免疫组织化学结果进一步表明,动脉粥样硬化模型大鼠升主动脉内膜显著增厚,大量泡沫细胞聚集并覆盖于血管壁表面,脂质斑块弥漫,血管壁平滑肌细胞、胶原纤维及弹力纤维排列紊乱,中膜弹力纤维显著增粗,说明IL-1β过表达可能是诱导动脉血管生理结构改变的主要因素,并以此促进动脉血栓形成。Persson等[35]以脂蛋白处理后的巨噬细胞作为研究对象,并用含IL-1β的培养基培养上述细胞,结果显示IL-1β可显著抑制上述巨噬细胞中脂质代谢,同时加剧内源性泡沫细胞的形成。Rios等[36]通过对667位冠脉综合征患者进行研究发现,冠脉粥样硬化病变危险程度与其IL-1β-511位点的C＞T多态性密切相关。Olofsson等[37]采用RT-PCR对人肾动脉IL-1β的mRNA水平进行测定,结果显示As斑块处IL-1β的mRNA水平显著高于健康人群。深入研究IL-1β参与As过程的多种途径为As的发病机制提供了新的研究视角。

TLRs、TNF-α及IL-1β作为免疫炎症反应介质,在As发生与发展过程中发挥至关重要的作用。TLR4表达缺失可以导致TNF-α和IL-1β的表达下调[22],TLRs通路可能是TNF-α和IL-1β表达的上游,进一步研究TLRs、TNF-α及IL-1β与As的相关性为阐明As发生机制并为防治As提供新思路。

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R96

A

10.15972/j.cnki.43-1509/r.2015.02.026

2014-10-21;

2015-02-04

国家自然科学基金资助项目(81202535,81173060);郴州市科技局资助项目(CZ2014015).

*通讯作者,E-mail:lijieemail2005@163.com.

(此文编辑:朱雯霞)