细胞间黏附分子1在甲型流感病毒感染中的研究进展

郭翔 刘伟华 孙波 张庆

承德医学院附属医院呼吸与危重症医学科067000

甲型流行性感冒是由甲型流感病毒感染引起的一种急性上呼吸道传染性疾病;人群普遍易感,还具有高发病率、高病死率等特点[1]。在人类历史上共发生4 次流感大流行——1918 年西班牙 (H1N1)流感、1957 年亚洲(H2N2)流感、1968年香港 (H3N2)流感以及2009年墨西哥 (H1N1)流感,每一次的流感大流行对人类健康和经济发展都会产生严重损害[2]。目前甲型流感常以季节性、区域性流行的方式每年影响全球数百万人,并有多达65万人死于季节性流感相关的呼吸系统疾病,因此甲型流感仍是全人类面临的一个重大问题[3]。对甲型流感致病机制深入研究后发现,流感病毒引起的免疫功能紊乱是重症流感患者死亡的重要原因。而免疫功能紊乱常表现为过度的炎症细胞浸润及炎性介质的释放[4]。炎症细胞是炎症反应中的主体成分,主要参与病原体的识别、吞噬、清除及炎性介质的释放等过程。而外周血中炎症细胞迁移到炎症部位发挥功能离不开细胞间黏附分子1 (intercellular adhesion molecule-1,ICAM-1)的黏附作用。ICAM-1 是细胞表面的一种糖蛋白,主要参与炎症反应中炎症细胞的招募。本文旨在探讨ICAM-1在甲型流感中发挥的作用,并从甲型流感病毒感染宿主诱导ICAM-1 的表达及机制、ICAM-1抑制流感病毒复制及ICAM-1与免疫等几个方面进行综述。

1 ICAM-1

ICAM-1是免疫球蛋白超家族的成员,其基因位于染色体19p13.3-13.2,由7 个外显子和6 个内含子组成。ICAM-1也是一种跨膜糖蛋白,由于其糖基化水平不同,相对分子质量为80 000～114 000。ICAM-1 的细胞外结构由5个免疫球蛋白样结构域组成,是其发挥黏附作用及信号转导的主要结构[5-6]。ICAM-1 在体内多种细胞均有表达,包括淋巴细胞、单核巨噬细胞、内皮细胞、成纤维细胞、树突状细胞、各种组织的上皮细胞,通常细胞静息状态时ICAM-1表达水平较低,但在促炎性细胞因子 [IL-1、肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)或干扰素-γ (interferon-gamma,IFN-γ)]、激素、细胞应激和细菌脂多糖等刺激下而迅速上调[6]。各种刺激因素通过激活核转录因子κB (nuclear factor kappa-B,NF-κB)、SP1、AP-1等转录因子上调ICAM-1基因的表达。ICAM-1主要与淋巴细胞功能相关抗原1 (lymphocyte function association antigen-1,LFA-1)和巨噬细胞表面抗原1结合参与促进白细胞黏附、信号转导和T 细胞活化,并且还是鼻病毒的主要受体[7]。ICAM-1 除了表达于细胞表面,还存在于血清、脑脊液和其他体液中,体液中的ICAM-1又称为可溶性细胞间黏附分子1。ICAM-1在炎症性疾病、自身免疫性疾病、肿瘤转移中都有重要意义。并且ICAM-1的表达水平与社区获得性肺炎、哮喘、脑外伤、急性胰腺炎、视网膜病变等疾病病情严重程度密切相关[8-12]。同时研究也表明ICAM-1与干眼病、类风湿性关节炎、心肌梗死、癌症等多种疾病的发病机制、病理过程都密切相关,并将ICAM-1作为潜在的治疗靶点[13-16]。而在甲型流感的研究中发现多种细胞表面ICAM-1的水平明显升高,并且在介导免疫反应中具有重要意义。

2 甲型流感病毒与ICAM-1的表达

2.1 细胞ICAM-1表达情况 用流式细胞术、PCR、酶联免疫吸附试验、免疫组织化学等检测表明感染 (H1N1 或者H5N1)流感病毒后的人或者鼠的多种细胞 (支气管上皮细胞、肺微血管内皮细胞、咽部黏膜上皮细胞、鼻上皮细胞)表面ICAM-1的表达量明显高于未感染组[17-21]。流感患儿外周血中检测到单核/巨噬细胞和CD3+T 淋巴细胞表面ICAM-1 表达相对于对照组也明显上调[22]。Matsukura等[18]研究表明甲型流感病毒感染支气管上皮细胞后细胞表面ICAM-1 的表达呈时间依赖性上调,并且ICAM-1由病毒直接刺激产生,不依赖于白细胞产生细胞因子 (IL-1β、TNF-α和IFN-γ)的诱导。赵宏霞等[17]研究表明在小鼠模型中支气管及肺组织ICAM-1表达量与时间及病毒浓度均相关,病毒感染第1～4天ICAM-1逐渐上升到峰值之后逐渐下降。而病毒浓度为0～5×10-5/50μl时,ICAM-1表达量逐渐升高达到峰值,随后降低。此外,Othumpangat等[21]研究证实在细胞实验中ICAM-1的表达还与流感病毒菌株、活性及靶细胞类型有关。其中流感病毒:H9N1＞H1N1＞H3N2,并且活病毒诱导作用比灭活病毒更明显。而感染细胞中ICAM-1表达的差异可能与细胞表面唾液酸受体含量有关。ICAM-1 除了上述细胞表达外,还可能表达于中性粒细胞、树突状细胞等。大量研究表明,中性粒细胞在流感病毒感染早期被招募到肺组织,参与先天性免疫应答,同时与肺组织损伤程度相关。ICAM-1在中性粒细胞的招募中作用重大[22-23]。

2.2 调控ICAM-1表达信号通路 ICAM-1基因的表达涉及细胞内外多种信号通路协同合作。细胞外多种炎症介质(包括促炎细胞因子、激素、细胞应激和病毒感染)的作用下通过细胞内NF-κB、JAK/STAT、AP-1/MAP、PKC 等途径诱导ICAM-1的表达。甲型流感病毒诱导感染细胞及其他细胞ICAM-1表达是一个非常复杂的过程,甲型流感病毒属于正黏病毒科,病毒结构自外而内可分为包膜、基质蛋白以及核心三部分。 包膜主要由血凝素(hemagglutinin,HA)和神经氨酸酶这2种刺突蛋白组成。基质蛋白包括基质蛋白1和基质蛋白2。而核心是由8段单股负链RNA 与核蛋白相结合形成核糖核蛋白体及RNA 多聚酶组成[24]。流感病毒蛋白可以激活JAK/STAT 信号通路并调控ICAM-1的表达。余治奇[25]研究表明H5N1病毒HA 蛋白诱导A549细胞内JAK3、STAT1的磷酸化水平及ICAM-1表达水平显著增高,而ICAM-1水平会被JAK3抑制剂和STAT1干扰RNA 所抑制。此过程可能与HA 抗原性有关。Cao等[26]研究证实H5N1的HA 可被呼吸道上皮细胞上的TLR4识别并促进细胞内JAK3的激活,诱导免疫功能紊乱。此外,HPAI H5N1 病毒及HA 蛋白的三聚体可以直接激活γδT 细胞,导致CD69表达增强和IFN-γ分泌[26]。而IFN-γ是ICAM-1 诱导表达的重要调节因子。早先研究[27]证实IFN-γ 可通过与其受体结合激活JAK/STAT 通路,并与ICAM-1启动子中IFN-γ反应元件结合促进基因的转录。此外,NF-κB 信号通路是调控ICAM-1表达的主要途径之一[27],其方式通过磷酸化NF-κB 与ICAM-1基因启动子中相应转录因子结合位点结合促进基因转录。Xu等[28]研究表明HA 刺激A549 细胞后细胞内NF-κB的磷酸化水平呈时间依赖性升高。另一项研究[29]也表明流感病毒蛋白 (HA、核蛋白、基质蛋白)均可以不同程度诱导IκB 激酶β的激活,进而活化NF-κB 信号通路;并且该过程依赖于氧化还原反应。流感病毒的复制导致内质网中大量病毒蛋白的积累,从而诱导Ca2+释放及细胞内活性氧中间产物增加并激活IκB 及NF-κB[30]。此前小鼠模型研究中发现细胞因子TNF-α和IL-1β均可通过受体结合的方式诱导IκB的丝氨酸磷酸化并激活NF-κB。而TNF-α和IL-1β水平在流感患者血清中普遍升高。

3 ICAM-1在流感病毒感染中的作用

3.1 ICAM-1与病毒的复制 流感病毒在感染宿主细胞内复制及存活,一方面需要病毒自身成分的分工协作,另一方面还需要宿主提供病毒复制原料、场所以及宿主细胞内各种信号分子的调控。而ICAM-1作为大家熟知的黏附分子,主要参与免疫调节的作用。但最新研究发现ICAM-1能够在病毒复制过程中起作用。对人类免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus,HIV)的研究中发现ICAM-1具有调节HIV 复制的作用。ICAM-1和LFA-1之间的相互作用是HIV 介导合胞体形成的关键[31]。并且ICAM-1的合成肽类似物可以抑制HIV 在MT-2细胞中的复制[32]。而在流感病毒的研究中发现ICAM-1具有相似的作用,但与HIV 不同的是ICAM-1在流感病毒早期复制中具有抑制作用。Othumpangat等[21]研究ICAM-1 siRNA 转染上皮细胞并感染H1N1 株。结果显示,转染siRNA ICAM-1的细胞组相对于未转染组表现出ICAM-1 的低表达和较高的流感病毒基质基因拷贝数。在另一个实验中用ICAM-1特异性抗体来阻断ICAM-1 与其受体的结合,结果表明:ICAM-1抗体处理组细胞内基质拷贝数相比于对照组显著上调,从而说明了ICAM-1有抑制流感病毒复制的作用。一项研究的荧光素酶报告实验表明转染特异性siRNA 的细胞与NF-κB报告共转染的细胞相比荧光素酶活性明显降低,表明ICAM-1 抑制病毒复制可能通过活化NF-κB途径。众所周知,ICAM-1和LFA-1 相互作用可作为一种共刺激信号参与细胞增殖及先天性免疫反应形成[33]。NF-κB信号通路是宿主免疫功能活化的重要途径,同时也可以通过直接或者间接的方式调节病毒复制。在多项药物研究[34-36]中发现,苦参素、大黄素及santin均不同程度促进NF-κB的激活,并抑制流感病毒的复制。

3.2 ICAM-1与免疫损伤 宿主免疫系统过度激活是严重流感导致死亡的重要原因之一。研究表明,流感病毒感染早期内皮细胞的活化导致细胞因子包括IFN、TNF、IL 和趋化因子等过度产生和释放,形成细胞因子风暴[37-38],同时伴有中性粒细胞、单核巨噬细胞、树突状细胞、嗜酸粒细胞、自然杀伤细胞、先天淋巴样细胞、γδT 细胞、CD4+T 淋巴细胞和CD8+T 淋巴细胞的浸润及二次细胞因子释放,加重肺部炎症反应[39-40]。重症流感患者尸检[41]表明流感患者肺部出现严重的弥漫性肺泡损伤,并伴有不同程度的肺泡出血、坏死性细支气管炎和支气管炎。细支气管腔内伴有大量中性粒细胞浸润,肺泡内及肺间质可见大量巨噬细胞浸润。肺部严重的病理改变与患者死亡率密切相关。Perrone等[42]研究表明中性粒细胞和单核巨噬细胞是流感病毒感染后总肺白细胞数量增加的主要原因,并且是流感病毒感染导致严重肺病理损伤的主要细胞类型。中性粒细胞导致组织损伤与其合成释放弹性蛋白酶、髓过氧化物酶、基质金属蛋白酶9 和杀菌渗透性促进蛋白等活性物质有关[43]。而巨噬细胞则是通过参与合成细胞因子 (IL-1β、IL-8、IL-18、CCL3 和IFN-α/β)加重炎症部位的炎性反应。流感病毒感染诱导细胞因子风暴的形成,在各种趋化因子的作用下中性粒细胞及单核巨噬细胞迁移到炎症部位发挥作用。白细胞跨内皮迁移是白细胞进入炎症、损伤和免疫反应部位的关键一步。其中ICAM-1在迁移过程中作用尤为重要。ICAM-1 表达于上皮细胞、淋巴细胞、单核巨噬细胞、内皮细胞等多种细胞表面。其作用体现在辅助免疫细胞功能。在脂多糖所致小鼠肺炎症模型[44]中发现ICAM-1缺乏小鼠肺泡间隙中性粒细胞浸润数目减少54%,用抗ICAM-1抗体处理的野生型小鼠中性粒细胞的渗出数目减少了51%,中性粒细胞作为急性炎症最先抵达炎症部位发挥功能的细胞,同样也是免疫功能紊乱后导致组织损伤的主要细胞之一。此外单核巨噬细胞也是免疫功能的主体细胞之一,其主要通过抗原提呈、非特异性吞噬作用及释放活性介质对抗病原体入侵。其功能的正常发挥对于机体稳态维持具有重要意义。单核巨噬细胞部分存在于组织中,绝大部分来源为外周血单核细胞。在Herold 等[45]研究流感病毒感染所诱导ICAM-1表达对单核细胞迁移影响时,通过ICAM-1特异性抗体阻断上皮细胞ICAM-1 的作用,结果单核细胞迁移率显著降低,暗示ICAM-1促进单核细胞的迁移作用。此外,ICAM-1 可能参与免疫损伤病理机制的形成,在大鼠急性肺损伤模型[46]中发现抗ICAM-1抗体可以显著降低肺损伤程度。另一项研究[47]表明可溶性ICAM-1促进肺组织IgG 免疫复合物的沉积导致肺损伤,该过程与巨噬细胞激活释放TNF-α和MIP-2及中性粒细胞募集增加有关。多项研究[43-45]表明在肺损伤模型中ICAM-1直接或者间接参与肺部病理改变的形成,而抗ICAM-1可能成为治疗急性肺损伤的一种新方法。

4 展望

流感病毒的不断变异、进化,新的病毒亚型的出现,都会成为流感大流行的潜在威胁。而目前对于流感致病机制的研究并未完全明确,对于流感的治疗也存在明显的局限。新的病毒亚型的形成也可能导致目前最有效的抗病毒药物失效,所以对于流感的研究仍需要进一步探索。众所周知,流感重症患者都会免疫功能紊乱 (例如细胞因子风暴的形成)。其中炎症细胞在免疫功能作用中占主导地位。而ICAM-1作为炎症细胞的招募者,是否与免疫功能的紊乱相关,目前缺乏相关研究。ICAM-1 在许多疾病发生、发展过程中都有重要作用,多种疾病中将ICAM-1作为治疗的靶点,ICAM-1在流感病毒感染诱导宿主免疫损伤过程中发挥重要作用。在流感病毒感染早期,ICAM-1 通过招募白细胞对抗病毒的入侵及抑制病毒在宿主细胞内的复制,从而达到抗病毒的作用。而另一方面由于炎症因子的过度释放导致ICAM-1过度招募炎症细胞,从而诱导宿主组织免疫损伤。因此,还需要对ICAM-1进行更加深入的研究,明确在流感病毒感染不同阶段ICAM-1所发挥的作用,从而有利于进行早期干预措施,阻止或削弱ICAM-1介导的免疫损伤作用。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突