人抗菌肽LL-37与肺部疾病的研究进展

王全珍，张玉可，姜志明

（山东第一医科大学第一附属医院RICU，山东 济南 250014）

0 引言

抗菌肽（Anti Microbial Peptides，AMPs）是固有免疫的重要组成部分，除能直接杀灭有害微生物，它还能抑制肿瘤、中和内毒素及抗炎，并且能够趋化树突状细胞、单核细胞和记忆T细胞，从而启动适应性免疫[1]，是连接固有免疫和适应性免疫之间的桥梁。哺乳动物体内主要有两大抗菌肽家族defensin和cathelicidin。Cathelicidin家族是一类信号肽高度保守、成熟肽高度多样、功能丰富的抗菌肽，主要由中性粒细胞、皮肤和黏膜上皮细胞分泌。Cathelicidin抗菌肽在人体仅LL-37一种，在小鼠中表达LL-37的蛋白命名为CRAMP。

近年的研究表明LL-37在多种肺部疾病的发生和发展中起到重要的调控作用。本文总结了LL-37的结构、功能及其在多种肺部疾病中的作用机制，为探索以LL-37为靶点的治疗提供新的理论基础和思路。

1 LL-37的结构、分布及表达

1995 年，小分子肽hCAP18首次被发现。hCAP基因由4个外显子和3个内含子组成。正常生理状态下，细胞中hCAP-18以无活性的前肽形式被合成和储存，hCAP-18前肽由信号肽、Cathelin保守区以及C端功能区组成。细胞受到外界刺激后，hCAP-18由胞内释放至胞外，并在这一过程中去掉信号肽，成为分子量约18kDa的hCAP-18。后经丝氨酸蛋白酶3作用，Cathelin保守区也被剪切掉，最终释放出C端具有活性的小分子的α螺旋多肽[2]。该小分子多肽由37个氨基酸构成，因其N端前两位为亮氨酸而得名为LL-37。LL-37带有正电荷，与带负电荷的分子或结构相互作用，如细菌细胞壁、LPS和遗传物质。LL-37在人体各器官中均有表达，特别是在呼吸、消化、泌尿、皮肤及口腔等上皮细胞中表达明显[3]，此外，它在伤口渗出物、汗液、血液中均有表达。研究发现，白介素6（IL6）、糖皮质激素、肿瘤坏死因子α（TNFα）、丁酸钠等均可参与调节LL-37表达[4]。

2 LL-37的生物学功能

（1）抗感染作用，LL-37兼有抗细菌、病毒、真菌的活性。LL37对多种革兰阳性球菌及阴性杆菌均具有抗菌活性。细胞膜破坏作用是其杀菌的主要作用机制，LL-37与细菌结合后由线性结构变为螺旋结构，迅速插入细菌的细胞膜，导致细菌裂解和死亡[5]；此外，LL-37主要抗菌区域还可直接与DNA相作用；通过TLR-9识别，LL-37可将DNA导入宿主细胞。LL-37可以通过与病毒蛋白衣壳和包膜[4]直接相互作用、阻断病毒进入宿主细胞或通过抑制病毒基因表达复制来抑制病毒感染。此外，它还能诱导I型干扰素的产生和释放及树突状细胞[6]的成熟，增强病毒dsDNA向位于细胞核附近的toll样受体的传递，从而达到有效的抗病毒作用。LL-37尚具有抗真菌作用，尤其抗白色念珠菌[7]。目前研究发现LL-37通过以下步骤发挥作用：与真菌细胞壁相互作用；诱导ROS活性；细胞质膜中通道或孔隙的形成；小于40kDa的分子向外扩散。

（2）抗内毒素作用。脂多糖（LPS）又称内毒素，在体内，LL-37是唯一能直接中和LPS的AMP。LL-37抑制LPS反应的多种促炎细胞因子的产生，如TNFα、IL1[8]。LL-37抑制LPS诱导的核因子kB活化，它还可以诱导外周血单核细胞激活丝裂原活化蛋白激酶、细胞外信号调节激酶1/2（ERK1/2）和p38，促进趋化因子的产生。

（3）免疫调节作用。LL-37可影响免疫系统细胞的趋化和细胞因子释放。LL-37是中性粒细胞、单核细胞、树突状细胞和T细胞的趋化因子。

（4）促进细胞凋亡。在中性粒细胞、T细胞、血管平滑肌细胞、气道上皮细胞和牙周膜细胞中，LL-37具有促凋亡作用。可能通过调节钙离子内流、中性粒细胞P2X7受体和甲酰肽受体2（FPR2）、抑制脓毒症这些机制。

（5）促皮肤伤口修复、血管生成。伤口修复的过程大多需要表皮生长因子受体（EGFR）活化介导，而LL-37可以加速G蛋白偶联受体反式激活EGFR。LL-37还具有促进血管新生作用，它可以在伤口愈合的部位吸引内皮祖细胞，并诱导其增殖[9]。

（6）参与癌症发生发展。由于LL-37参与增殖、迁移和血管生成等多种细胞生理过程，不加控制的LL-37表达，也可能导致上述过程的异常并促发癌症。但实际上在不同肿瘤中LL-37致癌、抑癌作用各不相同，考虑可能与LL-37诱导的膜受体不同组织特异性有关。

3 LL-37与支气管哮喘

支气管哮喘是由多种细胞及其所分泌的细胞组分参与的气道慢性炎症，包括：肥大细胞、嗜酸粒细胞和T淋巴细胞等。LL-37通过其趋化及免疫调节作用参与气道炎症反应过程。它能够促进中性粒细胞释放细胞因子如白细胞介素8（IL-8）等；通过活化巨噬细胞及肥大细胞等引起TNF-α及组胺的生成增多；还作用于嗜酸性粒细胞促进其生成白三烯。IL-8、TNF-α及白三烯等都是哮喘发病过程中的重要炎性介质[10]。

王璐等[11]等发现，哮喘患儿LL-37、白三烯水平显著高于肺炎组及对照组患儿，初步提示LL-37与哮喘的发生发展密切相关。王辉等则[12]分析了不同炎症表型哮喘患者的血浆及痰液上清中LL-37表达。仅在治疗后，EOS型哮喘患者与非EOS型哮喘患者血浆及痰液上清LL-37水平均显著增高，且EOS型哮喘患者高于非EOS型患者。王利玲等[13]研究得到LL-37可作为嗜酸性粒细胞激活肽触发炎症介质的释放，通过调节ERK1/2的磷酸化激活细胞质磷脂酶A2（cPLA2）磷酸化，进而引起半胱胺酰白三烯（Cys-LTs）的合成，参与哮喘的发生发展，此研究也再次验证了2013年J.Sun等关于LL-37是种嗜酸性粒细胞激活肽的说法。

4 LL-37与慢性阻塞性肺疾病（COPD）

LL-37的抗感染作用使得其与COPD急性加重密切相关。此外，LL37还可通过诱导支气管及肺泡上皮细胞的凋亡，对体内多种细胞（如单核细胞、上皮细胞和树突细胞等）产生免疫调节及诱导成纤维细胞增长、胶原合成增加促进气道纤维化等方面参与COPD的发生发展。

M Golec等[14]对COPD患者根据GOLD分类进行分组，与健康对照相比，早期COPD（GOLD I-II期）无论支气管肺泡灌洗液（BALF）还是肺泡内衬液（ELF）中LL-37水平均显著升高，而晚期COPD（GOLD Ⅲ-IV）患者的BALF和ELF中LL-37浓度均显著降低。Pelin Uysal[15]的研究也得到相似的趋势，提示血浆LL-37低水平可能是COPD患者加重的预示因素。但是Persson LJ等[16]研究结果却不尽相同，COPD稳定患者的痰中AMP水平高于对照组，随COPD加重患者痰及血浆LL-37均升高。关于严重COPD患者血浆LL-37增高或者降低的不同结论考虑与不同研究选取的患者人群疾病病程不同有关。我们课题组近年来致力于LL-37与COPD气道重塑的研究。Sun CC等2014年研究发现[17]，LL-37在上皮细胞中的表达量与气道壁厚度和胶原沉积呈正相关。同年，Zhang YK等的研究[18]显示LL-37诱导气道上皮细胞产生MUC5AC粘蛋白，其中需要TNF-α转换酶（TACE）-EGFR-ERK1/2途径和IL-8参与。此外，近期我们还发现LL-37通过调节气道上皮间质转化参与COPD发展。

5 LL-37与支气管扩张

支气管扩张是一种以支气管永久性扩张为特征的慢性炎症性肺病。Cole提出的“恶性循环模型”是目前广为接受的发病模型。气道内持续发生炎症反应，使支气管管腔内中性粒细胞募集及支气管壁和肺组织内中性粒细胞、单核巨噬细胞、CD4+细胞浸润，这些炎症细胞释放多种细胞因子，包括IL-16、IL-8、TNFα等。研究表明，抗菌肽作为一种先天宿主防御机制，在支气管扩张反复的炎症过程中可能是无效的，特别是在那些患有严重疾病和慢性铜绿假单胞菌感染的支气管扩张患者中，抗菌肽可能有助于维持炎症增加的恶性循环，而不消除细菌感染。以往主要在囊性纤维化中的研究表明，LL-37与DNA和糖胺聚糖在炎症肺中的相互作用损害了LL-37的抗菌功能及其中和LPS的能力[19]。LL-37能够增强黏液的产生和促进炎症，同时失去其抗菌活性。

我国学者在4~5年前就进行过LL-37在支气管扩张患者中的研究。武莉莉等[20]发现，随着血25（OH）D水平的升高，可以上调LL-37的表达，增强免疫应答，有助于患者防御病原微生物和促炎性细胞因子的攻击。李成伟等[21]研究发现，支气管扩张症患者灌洗液LL-37水平显著增高，且与支气管扩张症严重程度具有相关性，提示LL-37参与了支气管扩张的发病过程。

其他关于LL-37与支气管扩张具体机制的研究尚不多，LL-37是否通过抗感染、免疫调节之外的途径参与支气管扩张发生发展尚不得而知。

6 LL-37与肺结核

在21世纪之初有较多关于肺结核与LL-37的研究[22]。针对结核分枝杆菌这类特殊细菌，Martineau等人指出LL-37可以抑制结核分枝杆菌的生长，而且这种抑菌作用与LL-37的含量成正比。LL-37除了通过其直接的抑菌作用，还通过TLRs作为宿主反应的启动子来发挥抗结核分枝杆菌的作用。2006年Liu等还第一次证实了维生素D通过调控hCAP-18（CAMP）基因表达LL-37进而在液体培养系统中抑制结核分枝杆菌的生长。

Nathella P K等[23]研究发现，与肺结核（PTB），潜伏期肺结核（LTB）或无肺结核（NTB）患者相比，合并糖尿病的肺结核患者（PTB-DM）循环cathelicidin水平显著增高，而且在患有双侧和空洞疾病的PTB-DM或PTB个体cathelicidin的水平显著增高，此外还显示出与细菌负荷的显著正相关。而抗结核疗法可显著降低抗菌肽水平。2020年Dhruva Deshpande等人[24]通过超高分辨率显微镜揭示了细胞内结核分枝杆菌与抗菌肽LL-37的直接相互作用。LL-37破坏了细胞内和细胞外结核分枝杆菌的细胞壁，从而杀死病原体。

7 LL-37与肺损伤

急性肺损伤（ALI）是由感染性和非感染性的炎症刺激因子启动的细胞内“瀑布式”反应所产生的。抗菌肽LL-37在抗感染、免疫调节中的突出作用使得其成为当前肺损伤研究的热点。

Zuo YL等研究发现[25]，LL-37治疗后可阻止线粒体DNA降解诱导的自噬，从而加重脓毒症相关急性肺损伤的局部炎症。Qin XC[26]发现了肽LL-37及其类似物sLL-37可以通过抑制中性粒细胞的渗透和通过FAK，ERK和P38途径的迁移，减轻败血症诱导的急性肺损伤进程。谭丹等[27]研究了百草枯中毒患者及大鼠血清LL37浓度，在发病早期LL-37即显著升高，提示其可能是百草枯中毒所致肺部损伤的早期致病因素，且LL-37水平与中毒时间以及肺损伤程度成正比。2020年张群先等[28]研究发现机械通气引起的肺损伤会导致抗菌肽LL-37和维生素D受体表达下调，免疫功能紊乱，从而介导或者加重机械通气肺损伤。

鉴于LL-37在肺部疾病发生、发展中发挥的重要作用，它可能成为诊断及治疗上述疾病的重要靶点，但LL-37在这些疾病中的具体分子机制仍需要进一步深入研究。