Toll样受体在缺血性脑损伤中的研究进展

张静波 赵磊 岳亮 刘海啸 李霞 林艳 屈延

(第四军医大学:1唐都医院神经外科; 2学员旅; 3科研部，陕西 西安 710038)

·综述·

Toll样受体在缺血性脑损伤中的研究进展

张静波1, 2赵磊1岳亮1刘海啸1李霞1林艳3屈延1*

(第四军医大学:1唐都医院神经外科;2学员旅;3科研部，陕西 西安 710038)

Toll样受体; 脑缺血; 髓样分化因子初次应答基因88

一、引言

大脑是一个高耗氧的器官，其重量为体重的2%，消耗的氧气却占总需氧量的20%，其中大部分用以产生足够的能量(即三磷酸腺苷)来维持电化学梯度和重要的神经功能。因此，由大脑栓塞、血栓以及大脑低灌注引起的血流量不足将会严重影响周围组织的糖氧供应，从而造成严重的脑损伤甚至脑死亡[1]。脑卒中是导致死亡的一大主要原因，其主要分为出血性和缺血性两种类型，后者占脑卒中患者总数的87%[2]。对于缺血性脑卒中，血栓溶解疗法是唯一的药物学治疗方法，其中应用最为广泛的是重组组织型纤维蛋白酶原激活剂(recombinant tissue plasminogen activator, rt-PA)，这种激活剂可以将纤维蛋白溶酶原转换为纤维蛋白溶酶，而后者可以破坏血块中的纤维蛋白从而溶解血栓[3]。Toll样受体(Toll-like receptor, TLR)是一类模式识别受体，能够激活固有免疫系统对抗外源微生物[4-5]。无论在感染性或者非感染性缺血性脑损伤中，TLR均起到至关重要的作用。本文旨在阐述TLR及其配体的结构、信号通路以及与缺血性脑损伤之间的联系，并探寻治疗缺血性脑损伤的新思路。

二、TLR的结构与配体

自1997年[6]TLR蛋白被首次报道，至今已有13种TLR被相继发现(人类10种，鼠类13种)。从结构上看，TLR的胞外段由大量的亮氨酸重复序列组成，可组成不同的结构域用以识别相应配体；胞内段则是Toll/白介素-1 受体(Toll/interleukin-1 receptor, TIR)结构域，可激活下游信号通路[7]。TLR在不同细胞器上的表达分布有所差异，TLR1、TLR2、TLR4和TLR5主要表达在质膜上，可与微生物致病体上的蛋白质/脂质结构结合并活化；TLR3、TLR7、TLR8、TLR9等在溶酶体与内含体膜上均有表达，并能识别外源性的核酸并产生活化，提示TLR表达的位置决定其识别的物质[8]。Barton[9]等发现，TLR9的胞内段能识别内源性DNA，并防止与之结合。

在非感染性缺血性脑损伤中，受损的组织或细胞能够释放一类内源性分子，包括热休克蛋白、S100蛋白等，这类物质被称为损伤相关分子模式(damage-associated molecular patterns, DAMP)，TLR能够识别并结合DAMP，进而激活炎性反应加重缺血性脑损伤的发展[6]。

细菌、真菌、寄生虫和病毒中含有一类特殊物质，即病原相关分子模式(pathogen-associated molecular patterns, PAMP)，包括TLR4的配体脂多糖(lipopoly saccharide, LPS)、TLR2配体的脂磷壁酸(lipoteichoic acid, LTA)和肽聚糖(peptidoglycan, PGN)、能够与TLR5结合的鞭毛蛋白(flagellin)、能够与TLR3结合的双链RNA(double-stranded RNA, dsRNA)、能够与TLR7结合的单链RNA(single strand RNA, ssRNA)、能够与TLR9结合的二核苷酸寡核苷酸链(cytosine-phosphate-guanine containing DNA oligodeoxynucleotides, CpG ODNs)[10-11]，TLR能够识别并结合这些物质从而发生活化。除了能在感染中识别外源性病原体上的PAMP分子，TLR还能识别损伤中的内源性分子即DAMP如透明质酸、硫酸肝素等，从而产生“无菌炎症”。TLR与PAMP或DAMP的相互作用可引发一系列信号转导通路，在缺血性脑损伤中扮演重要角色。

三、TLR介导的信号通路

TLR能够与包含TIR结构域的接头分子结合，进而激活下游的细胞内信号通路。目前已有4种接头分子被发现，即髓样分化因子初次应答基因88(myeloid differentiation primary responsegene88, MyD88)、TIR结构域接头蛋白(TIR domain-containing adaptor protein, TIRAP)、β干扰素TIR结构域接头蛋白(TIR domain-containing adaptor inducing interferon-β, TRIF)和TIR相关接头分子(TIR-related adaptor molecule, TRAM)。其中MyD88与TIRAP介导MyD88依赖性通路，而TRIF与TRAM则介导MyD88非依赖性通路。这些接头分子介导的信号通路均能够激活下游激酶以及转录因子，从而调节炎症反应和抗病毒反应[12]。

几乎所有TLR(除TLR3外)都能够募集MyD88，其中TLR1、TLR2、TLR4和TLR6需要通过桥梁分子TIRAP与MyD88结合。活化的TLR能够与MyD88结合，进而募集白细胞介素-1受体相关激酶(interleukin-1 receptor associated kinase, IRAK)，其中IRAK4被MyD88募集并被其他IRAK分子(如IRAK1)激活，从而激活促分裂原活化蛋白激酶与细胞核因子κB(nuclear factor-κB, NF-κB)信号通路。其中IRAK1的激活能够降解IκB-α(NF-κB的抑制剂)，后者能够启动炎性细胞因子如肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor, TNF)、白细胞介素-6(interleukin-6, IL-6)的转录[10-11]。

此外，TLR3与TLR4能够募集TRIF(通过接头蛋白TRAM)，激活MyD88非依赖性通路，进而诱导抗炎症分子和抗病毒I型干扰素关联分子(antiviral type I interferon, IFN)的表达。具体来讲，TRIF能够激活肿瘤坏死因子受体相关因子3(TNF-receptor associated factor 3, TRAF3)，活化的TRAF3能够使干扰素调节因子3(IFN regulatory factor 3, IRF3)磷酸化，后者进入细胞核内并诱导IFN-α和IFN-β的表达。此外，TRIF还能够通过TRAF6和受体相互作用蛋白1的活化激活NF-κB[10-11]。

四、TLR与脑缺血损伤

脑缺血损伤引起的血流量减少将会导致组织的糖氧缺乏，进而引起离子失衡、钙调节失衡、酸中毒以及兴奋性中毒[1]。随后，一系列的反应将会累及血脑屏障(blood brain barrier, BBB)，进而引起外周白细胞的渗透以及内源性小胶质细胞的活化[13]，进而释放DAMP分子，最终特异性的结合并激活TLR[14]。

TLR2与TLR4在小鼠的大脑皮质中均有表达，因此被广泛应用于TLR与缺血性脑损伤的研究中。研究发现，小鼠发生缺血再灌注时，其皮质中的TLR2水平会显著提高，与野生型小鼠相比，TLR2基因敲除小鼠受到的缺血性损伤会减轻许多，这说明TLR2的活化会促进缺血性脑损伤[15-16]。另一方面，Hua等[17]的研究发现，TLR2基因敲除小鼠的脑梗死体积与死亡率均比野生型小鼠的高，说明TLR2能够减轻缺血性脑损伤的危害。这两种截然相反的实验结果说明了TLR在脑缺血性损伤中，不同的作用取决于其作用的时间。在近期的一项实验中，这一理论得以证实，Bohacek等[18]发现TLR2对于脑梗死面积的扩大至关重要，在发病初期，TLR2基因敲除小鼠的脑梗死面积小于野生型小鼠，而在后期则会大于后者，即TLR2的缺乏延缓了脑缺血病灶的发展。总而言之，上述实验都说明TLR2在缺血性脑损伤中扮演者至关重要的角色。

部分临床实验还研究了TLR在脑卒中患者中的作用，其中包括TLR4基因多态性与脑卒中患病率的关联[19-20]。研究表明，在脑卒中患者中，外周单核细胞的TLR2[21]和TLR4[22]水平均有明显提高，且患者外周血中TLR4以及Myd88依赖性通路的基因表达亦有上调[22]。此外，还有研究发现，患者血样中高浓度的TLR7、TLR8与脑卒中的不良预后有着密切的联系。

高迁移率族蛋白1(high mobility group box 1, HMGB1)属于DAMP分子，也是TLR2、TLR4的配体，研究发现，大脑中动脉梗阻(middle cerebral artery occlusion, MCAO)发生时，HMGB1会从细胞核中迁移到细胞质中[23-24]。无论在动物模型还是在脑卒中患者的血浆中，HMGB1均有上升，而人工注入抗-HMGB1抗体能够减轻脑缺血程度，说明HMGB1会加重缺血性脑损伤[25-26]。过氧化物还原蛋白(peroxiredoxin protein, Prx)是一种广泛存在于大脑中的抗氧化酶，作用是保护神经系统[27]，然而当细胞死亡时，Prx会被释放到细胞间质中，激活TLR2、TLR4引起炎性反应，使缺血性脑损伤恶化[28]。

五、总结

Toll样受体属于监测类受体，不但在侦测和转移病原体扮演重要角色，而且在缺血性脑损伤的初期有着至关重要的作用。Toll样受体以及其作用通路的下游的分子均影响着缺血性脑损伤的发展，决定了其发展的方向。TLR在缺血性损伤中的作用时间与强度决定了其效果的利弊，这一发现对于缺血性脑损伤的治疗提供了新的思路。因此对TLR在缺血性脑损伤中作用机制的研究将有助于提供缺血性脑损伤治疗的新方案，进而大大降低脑卒中的死亡率以及致残率。然而，TLR在缺血性脑损伤治疗中的使用时机和剂量还有待进一步的研究。

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1671-2897(2017)16-472-03

国家自然科学基金资助项目(81222015, 81571215)；教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET-12-1004)；科技部创新人才推进计划中青年科技创新领军人才资助项目(2013RA2181)

张静波，本科在读，E-mail:49554556@qq.com

*通讯作者：屈延，教授，博士生导师，E-mail:yanqu0123@163.com

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2015-10-24；

2015-12-10)