脂多糖的效应及其机理研究进展

张晓音，吴 旻，李雨萌，洪 盼，尹 剑，吉昱斌，刘海艳，郑 鑫

（吉林农业大学 动物科学技术学院，吉林长春130118）

脂多糖是革兰阴性菌细胞壁外膜中的主要成分，因只有当细菌死亡溶解或用人工的方法破坏细菌后才能被释放出来，又称内毒素［1］，能够激发机体的炎症反应，是临床上内毒素血症的主要诱因［2］，由O－特异性多糖、核心多糖和类脂A 三部分构成。位于LPS外层的O－特异性多糖具有亲水性，结构不稳定，决定LPS的抗原性。类脂A 位于内层，是LPS的毒性中心和主要生物活性部分，高度保守，无种属特异性，所以不同的革兰阴性菌感染，产生的LPS的毒性作用大致相同。核心多糖位于两者中间，结构比较稳定，起到连接两者的作用。LPS在体内可以通过细胞信号转导系统激活单核巨噬细胞、内皮细胞、上皮细胞等，合成和释放多种细胞因子和炎性介质，进而引起机体一系列的反应。

1 与LPS作用有关的受体

1.1 脂多糖结合蛋白

脂多糖结合蛋白（lipopolysaccharide－binding protein，LBP）是一种Ⅰ型急性期反应蛋白，先由肝脏和肠上皮细胞合成分泌成单链多肽，再经糖基化后形成糖蛋白。主要存在于人和动物的血清中，对类脂A 有高度的亲和性，有磷脂转运作用。LBP不耐热，56℃处理30min即可使其生物活性丧失70%以上，另外，在不同的动物种属之间，LBP具有高度的同源性。LBP的生物学功能具有浓度依赖的双重效应，低浓度时，启动致炎位点，引起增敏促炎效应；高浓度时，则启动抗炎位点，有抑制炎症，保护机体的作用。

1.1.1 LBP的促炎作用 在LPS 介导的跨膜信号转转导中，LBP的N 段与LPS结合，C 段与CD14分子结合，形成LPS－LBP－CD14复合物，是LPS发挥其生物学功能的重要载体。正常生理条件下，LPS的浓度很低，即使在LPS所致的脓毒症中，其在血浆中的浓度也只有0.01ng／mL～1.00ng／mL，当LBP存在时，LBP可以识别微量的LPS，通过LBP／CD14增敏效应发挥其炎症效应，引起败血症或急性呼吸窘迫综合征［3］。研究表明［4］，在LBP的作用下，0.1μg／L 的LPS 即可刺激兔腹腔中的巨噬细胞产生TNF－α，使其增敏1 000 倍，且在一定范围内，其增敏效应随着LBP浓度的增加而增加。

LPS一般以多聚体的形式存在，但LPS的有效激 活 形 式 是LPS 单 体［5］，LBP 可 以 加 剧LPS 解 离成单体，使其内部结构暴露出来以利于LBP 与CD14、Toll样受体4（TLR4）的结合。对于髓源性细胞，LBP可以加速LPS与膜CD14（mCD14）分子的结合，在细胞对LPS的应答途径中，增强其对髓源性细胞的刺激作用。对于非髓源性细胞，LBP可以增强水溶性CD14（sCD14）分子与细胞的结合，从而加剧细胞对低浓度LPS的反应性以及相应炎性介质的释放。

LBP实际上是一种催化剂，在形成LPS－LBPCD14三联复合物，完成转运作用后，会从复合物中脱落出来，进入下一个循环。LBP 如此反复作用，会使LPS的活性增高百倍至千倍，使炎症反应呈级联放大，最终形成恶性循环。

1.1.2 LBP 的保护作用 在炎症急性期，血浆中的LBP会急剧升高，最高达到200μg／mL，而高浓度的LBP可以抑制LPS介导的炎性细胞因子的释放，从而抑制细胞信号转导的激活，这被认为是一种机体防止过度免疫而产生的自身调节机制［6］。

在机体中，生理水平的高密度脂蛋白（HDL）具有中和LPS的作用，在一定范围内，增加HDL的浓度可以增强LPS损伤的保护作用，而高浓度的LBP可以介导LPS 与HDL 的结合。LBP 是一种脂转运分子，当LPS／LBP达到一定的比例时，LBP会解聚LPS多聚体，催化LPS单体向HDL 转运并组成复合体，该复合体会在循环中被清除，然后通过肝脏排出体外，从而降低LPS 的毒性。但是，LPS 与HDL分子结合的速率远低于LPS 与mCD14分子结合的速率，所以，当高浓度的LPS 刺激时，HDL在中和LPS引起的刺激效应之前已发生严重的炎症反应。Klein R D 等［7］发现，LBP 还可以增加巨噬细胞与大肠埃希菌的结合及吞噬作用，并且存在剂量和时间的依赖型。另外，高浓度的LBP会将一部分LPS转移给sCD14分子，通过sCD14途径中和LPS；LBP还可以促进磷脂与mCD14分子结合，进而抑制LPS与mCD14分子结合，最终抑制LPS诱导的单核细胞反应。

LPS的化学型有光滑型和粗糙型之分，有研究发现，高浓度的LBP抑制细胞激活的作用机制与其化学型选择模式有关［8］。光滑型的LPS 主要被转运至HDL，形成复合物；粗糙型的LPS 主要通过mCD14分子依赖型和非依赖型通路被细胞摄取。

1.2 CD14分子

CD14分子是LPS的关键受体之一，它的N 段富含亮氨酸重复单位，有识别LPS 的作用，且对LPS具有高亲和性。CD14分子是细胞表面糖蛋白家族成员，主要功能是在LBP分子的帮助下与LPS结合，活化LPS，介导细胞对LPS的反应，在相应细胞的应答中发挥关键作用。

CD14分子有两种存在方式，mCD14和sCD14，mCD14分子主要存在于单核巨噬细胞表面，少部分存在于中性粒细胞表面，另外，在不同的组织中的单核巨噬细胞表面，其表达水平不一样。sCD14分子主要存在于人和动物的血清中，呈游离状态［9］。因它们存在的部位不同，在LPS引起的细胞反应中，其介导的细胞也略有不同。mCD14分子主要介导髓源性细胞，如单核巨噬细胞、中性粒细胞等，可以使其对LPS 的反应增强，且可使极低水平的LPS诱导细胞产生强烈的反应；sCD14分子主要介导那些不表达mCD14 的细胞，如内皮细胞、上皮细胞、树突状细胞等，对机体有双重作用。

1.2.1 sCD14分子的促炎作用 sCD14是分子质量为48ku～50ku的单链糖蛋白，蛋白质的结构与mCD14分子基本相似。在正常人血清中sCD14分子浓度为2μg／mL～6μg／mL，且随着炎症的发展，含量逐渐升高，体内的CD14分子主要以sCD14形式存在，约占体内总CD14分子含量的99%。另外，sCD14 分子可由mCD14 分子在内源性酶或磷脂酶的作用下直接脱落形成，也可由单核巨噬细胞直接分泌产生。在血浆中，sCD14可以转运从LPSLBP复合物中解离出的LPS与非髓源性细胞表面的其他受体结合，然后通过胞内信号转导途径活化细胞，释放一系列炎性因子；也可以介导巨噬细胞，促进LPS 单体向mCD14 受体转运，通过增强mCD14介导的细胞反应，诱导机体的炎症反应。

1.2.2 sCD14 分子的保护作用 急性炎症时，sCD14分子的浓度会显著升高，抑制过度的全身性反应，从而对机体产生一种保护机制，与LBP相似。对于单核巨噬细胞，高浓度的sCD14可以促使髓源性细胞表面上与mCD14结合的LPS解离入血，然后与LPS结合，减弱LPS对细胞的激活反应；也可以通过LBP 的作用，加速LPS 向HDL 的转运过程，从而中和LPS，经肝脏排出体外。另外，高浓度的sCD14还可以以LPS－LBP－sCD14三联复合体的形式与非髓源性细胞膜上的受体结合，产生内化而被清除。

1.3 其他相关受体

1.3.1 髓样分化蛋白－2 髓样分化蛋白－2（myeloid differentiation protein－2，MD－2）是一种可溶性的分泌蛋白，主要存在于单核巨噬细胞和淋巴细胞表面，在LPS介导的细胞反应中发挥重要作用。它没有跨膜区，主要与TLR4 的胞外区结合，形成TLR4－MD－2 复 合 体 来 帮 助TLR4 与LPS－LBPCD14三联体的结合。在此过程中，MD－2 提高了TLR4对LPS的敏感性并增强了TLR4 受体分子的稳定性，最终增强LPS 介导的NF－kB 通路和MAPK 通路［10］。

MD－2分子在细胞膜上一般以单体的形式与TLR4结合，但分泌在细胞外的一般以二聚体的形式存在，且与LPS 有亲和作用。在细胞应答过程中，二聚体MD－2分子会与LBP 竞争性结合LPS，形成复合物，该复合物与TLR4 的结合作用较弱，所以会减弱LPS通过TLR4对细胞的激活作用，从而抑制LPS的转导。

1.3.2 清道夫受体 清道夫受体（scavenger receptor，SR）是细胞表面的一种糖蛋白，主要分布于巨噬细胞的表面，属于受体超家族。根据其功能域结构的不同，分为A、B、C、D、E 和F 6个亚家族，其中SR－A 是一种跨膜蛋白，在清除LPS中发挥重要作用。与其他LPS受体不同的是，SR 主要介导细胞从血循环中清除，与LPS激活细胞无直接关系。SR－A 可以与LPS结合，介导巨噬细胞结合、内化和降解LPS，从而阻断CD14－TLR4信号通路，减少炎性因子的产生，起到抗炎作用。

2 LPS的作用机制

2.1 LPS介导的跨膜信号转导

LPS多以多聚体的形式存在于水溶液中，可以自然解聚成单体，但速度很低。当LPS进入机体入血后，LBP可以识别LPS，加快LPS多聚体的解聚，并与LPS单体结合运送至髓源性细胞表面。髓源性细胞表面的mCD14 与之结合，形成LPS－LBPCD14三联复合体［11］，随后将其转运至TLR4－MD－2蛋白复合体处，三联复合体在MD－2 的帮助下与TLR4结合，激活TLR4，使之二聚化。TLR4 是一种跨膜蛋白，其胞内区有一段保守的高度同源序列，可以介导与下游蛋白激酶的相互作用［12］。TLR4被激活后，胞内的集团构象发生变化，将信号传入胞内，从而活化胞内信号转导通路。

2.2 LPS介导的胞内信号转导

信号传至胞内后，激活转接分子髓样分化因子（MyD88），IL－1R 相 关 蛋 白 激 酶－1（IRAK－1）、IRAK－4通过MyD88和MyD88转接蛋白类似物聚集到受体复合物中，使IRAK－1 磷酸化。随后IRAK－1从复合物中解离，把信号传给肿瘤坏死因子受体相关因子6（TRAF－6），使之活化。活化的TRAF－6通过激活核因子－kB 诱导激酶（NIK）和转化生长因子β活化的激酶（TAK1）进行信号转导，激活相应的NF－kB 和丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）两条通路［13］。

NIK 激 活NF－kB 抑 制 蛋 白 激 酶（IKK），诱 导IKK 磷酸化，从而解除NF－kB的抑制，从胞浆中释放NF－kB至细胞核内，启动相关细胞因子基因的转录，完成NF－kB 通路。MAPK 通路是通过TAK1激活C－Jun氨基端激酶（JNK）、p38、胞外信号调节激酶（ERK）等最后激活转录因子AP－1，诱导相关细胞因子基因的表达［14］。通过这两条通路，最终引起IL－1、IL－6、TNF－α、NO 等的释放［15－16］，导致脓毒症、炎症等疾病的发生。另外，有一些研究发现，非髓源性细胞表面的sCD14与LPS结合所产生的细胞信号传导途径，与MAPK 家族，特别是p38 和ERK1亚族的酪氨酸磷酸化密切相关［17］，具体的特性和作用机制还不是十分清楚，需要进一步的研究。

胞内信号转导途径除了上述的MyD88依赖型途径，还有MyD88非依赖型途径［18］。在MyD88非依赖型途径中，有一种接头分子TRAM，与MyD88转接蛋白类似物在结构上相似，有连接诱导IFN－β且含TIR 的转接蛋白（TRIF）和TLR4 的作用，而TRIF 可 以 活 化 干 扰 素 调 节 因 子3（IRF－3），启 动IFN－β基因的转录，从而影响IFN 诱导基因的表达。LPS通过MyD88非依赖型途径，引起IFN 诱导基因的大量表达，产生一系列的炎性细胞因子，最终导致机体的炎性反应。

CD11／CD18受体又称β2 整合素，是存在于白细胞表面的一种糖蛋白受体，有CD11a／CD18、CD11b／CD18和CD11c／CD18三种异质性二聚体。其中，CD11c／CD18可以参与单核－巨噬细胞等的黏附、迁移、趋化和吞噬，是LPS跨膜信号转导的又一种受体。当高浓度的LPS刺激机体时，CD11／CD18受体可代替CD14分子使LPS集中于靶细胞表面，发挥生物学作用［19］。

3 小结

近年来，对LPS的结构特点、相关受体以及作用机制研究取得了很大进展，但LPS介导的细胞信号传导途径是一个庞大而复杂的过程，特别是LPS介导的跨膜信号转导过程位于整个信号通路的最上游，涉及多个双重作用的受体，对其后所介导的通路有决定作用。本文对LPS通路中有双重作用的受体及其机制进行综述，根据LBP、CD14这些受体的双重作用，对LPS介导的上游通路进行早期控制或阻断，发挥受体保护机体的部分，为治疗LPS引起的炎症等疾病提供新的思路和依据。LBP、CD14等受体虽然有双重作用，但具体与LPS对机体的分子机制还不是很清楚，有待进一步深入的研究。

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