白细胞介素1受体相关激酶M在脓毒症免疫麻痹中的作用

时间:2018-03-05 16:00:13 作者:古麻今醉网 阅读: 6156 点赞: 8 分享: 24

蒋政宇 卞金俊 邓小明

200433 上海,海军军医大学附属长海医院麻醉学部(蒋政宇、卞金俊、邓小明)

国际麻醉学与复苏杂志,2018,39(02):178-183.

DOI:10.3760/cma.j.issn.1673-4378.2018.02.20

基金项目:国家自然科学基金面上项目

(81671939,81471845);

上海市科委医学引导项目(15411963200)

REVIEW ARTICLES

【综述】

白细胞介素1受体相关激酶M(interleukin 1 receptor-associated kinase M, IRAK-M)是Toll样受体(toll-like receptor, TLR)通路中重要的负调控因子之一。作为一种丝/苏氨酸激酶,IRAK-M最开始被认为仅表达于单核细胞、巨噬细胞等,后来研究证实部分上皮细胞(如肺泡与支气管上皮细胞)等也可表达IRAK-M 。人类IRAK-M基因由 12个外显子组成,位于12号染色体上(12q14.3),由长约65 kb的核苷酸区域构成,编码的蛋白质相对分子质量为 68×103,含有 596 个氨基酸残基。IRAK-M 对TLR具有负向调控作用,主要通过抑制NF-κB炎症信号通路限制过度炎症反应,调节固有免疫动态平衡 。

脓毒症是由多种致病因素产生的一种系统性炎症免疫反应,常常伴多种器官功能障碍,是全球ICU最常见的死亡原因之一 。较多研究发现,导致脓毒症高病死率的主要原因,是在疾病后期由于机体反馈性抑炎机制的病理性级联放大效应所导致的持续性免疫抑制,或者称之为“免疫麻痹”,主要特征包括促炎细胞因子水平降低,抑炎细胞因子水平升高,固有免疫系统对病原体无应答和特异性免疫细胞的大量凋亡 。IRAK-M作为TLR炎症通路的一个中心调节分子,已被证明与哮喘、肺炎、自身免疫性疾病以及肿瘤等的发生发展密切相关 ,近年的研究也发现其在脓毒症引起的免疫功能障碍中具有重要作用。本文综述了IRAK-M的作用及调控机制,总结了近年来IRAK-M在脓毒症免疫功能障碍中的相关发现,提示IRAK-M可能作为脓毒症患者免疫状态和免疫调节治疗的重要靶点。

1 IRAK-M对TLR通路的调控作用

1.1 TAK1依赖性通路——脓毒症炎症反应期主要通路

IRAK-M 对TLR通路的负向调控主要通过TAK1依赖性通路来实现,其具体机制主要是通过对髓性分化蛋白88(myeloid differentiation factor 88, MyD88)-IRAK-4-IRAK-1/2-TNF受体相关因子6(tumor necrosis factor receptor associated factor 6, TRAF-6)复合体的结合干预 。在上游病原相关分子模式(pathogen associated molecular pattern, PAMP)被TLR家族蛋白识别后,TLR分子可与胞质内MyD88相互作用 。MyD88进而募集IRAK-4形成复合体,再募集IRAK-1/2并由IRAK-4磷酸化IRAK-1 。磷酸化后的IRAK-1/2结合TRAF-6并与复合物分离,进而通过级联反应激活下游转录因子NF-κB,启动促炎细胞因子的转录 。

IRAK-M可通过抑制IRAK-1的磷酸化,阻止IRAK-1/2从复合体解聚,从而抑制下游IRAK-1/2-TRAF-6复合体的形成,阻断级联反应 。在转化生长因子-β激活激酶1(transforming growth factor-β activated kinase-1, TAK1)依赖性通路中,下游细胞因子的转录激活依赖IRAK-1/2的存在 ,同时,IRAK-M因其死亡域与IRAK-4相似而具有结合IRAK-2的活性 ,两者形成的复合体对TAK1依赖性通路的下游细胞因子在转录过程中还具有调控作用 。因此,在TAK1通路中,IRAK-M一方面通过抑制IRAK-1/2从复合体的解聚抑制炎症通路的激活,另一方面通过与IRAK-2的结合,从转录水平调节炎症因子的表达(图1)。因而,在脓毒症早期炎症反应阶段,由PAMP导致TAK1通路的大量激活和早期IRAK-M低表达是过度炎症反应的主要原因,而后IRAK-M通过反馈性激活参与调控促炎反应。

1.2 促分裂原活化蛋白激酶/细胞外信号调节激酶-激酶3(mitogen-activated protein kinase/extracellular signal-regulated kinase-kinase 3, MEKK3)依赖性通路——参与脓毒症晚期免疫麻痹

以往认为TLR的信号转导中,NF-κB的激活依赖IRAK-1/2的存在,即经典的TAK1途径。近年研究发现,除了上述通路外,IRAK-M还可通过结合MyD88-IRAK-4复合体,介导TAK1非依赖性,MEKK3依赖性通路,后者的信号转导不依赖IRAK-1/2的参与 。

Zhou等 发现,在IRAK-1/2双缺陷的骨髓来源巨噬细胞中,仍然可以检测到由TLR-7诱导的NF-κB的激活,但这种激活在MyD88或IRAK-4缺陷的细胞中则无法实现,由此提示存在另外一条通路可以在IRAK-1/2缺失的情况下激活NF-κB。进一步研究发现,在IRAK-1/2/M均缺陷的细胞内,NF-κB的激活则被阻断,提示了IRAK-M在MEKK3依赖性途径中的作用。

这个结论在结构学同样得以验证。Lin等 在解析MyD88-IRAK-4-IRAK-2复合体时,报道了IRAK-2的死亡域结构。Zhou等 结合以上结果推测IRAK-M与IRAK-2具有相同的高度保守的死亡域结构,并能与MyD88-IRAK-4组成类似的复合体Mydossome。Du等 在解析IRAK-M的结构时则证实了上述结果。

Zhou等 最后证明,在形成MyD88-IRAK-4-IRAK-M复合体后,复合体可以进一步激活NF-κB,形成具有矛盾作用的“NF-κB的第二波活化”。此种活化主要激活下游其他参与负向调控的因子(包括SOCS1、SHIP1、A20 和 IκBα 等),进而对炎症反应进行进一步的负向调控(图1)。在脓毒症晚期免疫抑制阶段,由于IRAK-M的大量表达,其所参与的MEKK3通路激活下游众多负向调控因子,这些都进一步加重了脓毒症免疫麻痹。而过度激活的反馈性免疫抑制机制也正是脓毒症治疗时免疫增强治疗收效甚微的原因之一 。

2 IRAK-M的表达调控机制

IRAK-M的表达受到细胞表面、细胞内信号分子以及内源性与外源性可溶性因子的多重调控。比较经典的是,IRAK-M是响应许多TLR的激活而被诱导表达的,以对随后TLR激活起到负反馈性抑制作用。例如脂多糖(lipopolysaccharides, LPS)激活TLR4在3~6 h后即可诱导IRAM-M的表达 ,TLR2识别细菌细胞壁成分肽聚糖(peptidoglycan, PGN)和脂磷壁酸(lipoteichoic acid, LTA)可诱导NF-κB活化并增加IRAK-M表达 。在反复低剂量TLR激活下,IRAK-M呈现显著上调。在TLR7耐受细胞中观察到IRAK-M明显升高表达,TNF-α分泌减少,以及NF-κB、p38和应激激活蛋白激酶(stress-activated protein kinase, SAPK)的活化减少 。该结果还在鼠自身免疫性脑脊髓炎模型 、低水平CpG DNA(TLR9配体)处理的肝巨噬细胞中得到了验证 。因此,诱导IRAK-M的表达是限制病理性炎症和细胞因子分泌的一个中心环节。

研究表明,IRAK-M还可以被TNF-α、IL-1β、Pam3CSK4等分子激活。这些分子主要通过激活NF-κB 激酶抑制剂(inhibitor of NF-κB kinase β, IKKβ),进而磷酸化NF-κB抑制蛋白(inhibitor of nuclear factor kappa-B, IκB)分子,后者可以从NF-κB上解聚并导致NF-κB的激活,从而以负反馈的形式激活IRAK-M的表达 。

另有报道尼古丁可在巨噬细胞中通过结合并激活α7碱型乙酰胆碱受体(α7 nicotine acetylcholine receptor, α7 nAChRs) 来促进抑炎反应,并证明其主要通过IRAK-M的激活来介导抑制炎症 。进一步研究发现,α7 nAChRs可以通过酪氨酸激酶(jauns kinase, JAK)2通路激活抑制NF-κB的激活 。在JAK2通路中,α7 nAChRs通过磷酸化磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B(phosphatidylinositol-3-kinase/protein kinase B, PI3K/Akt),并激活下游信号传导子和转录激活因子(signal transducer, STAT3),它们均可促进IRAK-M的表达 。同时,还有研究提示STAT3蛋白的稳定性依赖于IRAK-M的参与 ,认为STAT3与IRAK-M的表达具有相关性。此外,还有研究表明原花青素二聚体B2也可以调控IRAK-M的激活而抑制激活后NF-κB结合到DNA的过程 。

表观遗传学的研究证实,在IRAK-M的启动子区存在较多的顺式作用元件 。在NF-κB反馈性激活IRAK-M方面,研究报道了在IRAK-M的启动子区存在多个重复的κB结合位点,对IRAK-M的表达具有促进作用 。另一方面,糖皮质激素(glucocorticoid, GC)介导激活IRAK-M的抑炎反应也存在对IRAK-M启动子区直接的表观调控。GC可以激活胞质内的糖皮质激素受体(glucocorticoids receptor, GR),两个GR形成二聚体以后入核,并结合在IRAK-M启动子上的糖皮质激素反应元件(glucocorticoid response element, GRE)上,促进IRAK-M的转录 。并且,IKKβ与GC呈协同作用而促进IRAK-M的转录;其高表达依赖IKKβ和GC的共同参与,任一分子阻断后,IRAK-M均呈现极低量的表达 。在我们之前研究中也报道的IRAK-M启动子中的GRE位点,以及AP-1可以通过结合IRAK-M的启动子,调节IRAK-M的表达 。因此,作为机体抑炎反应的中心分子,IRAK-M的调控受到多种分子与通路的影响,而哪一条通路起关键性作用则有待进一步的研究。

3 IRAK-M在脓毒症研究中的进展

脓毒症是创伤、病原体感染等多种致病因素引起的一种复杂的全身性炎症免疫反应,伴器官功能障碍,可严重危及生命,是ICU最常见的死亡原因之一 。脓毒症时,机体同时存在促炎和抑炎两种截然不同的免疫状态,它们之间的强弱变化决定了疾病的病理进程及预后。早期研究认为失控的、持续放大的全身性炎症反应是引起脓毒症患者死亡的主要原因。但是,越来越多的研究表明,机体产生的反馈性抗炎机制使患者快速进入更复杂的免疫抑制阶段,或称为免疫麻痹阶段 ,是脓毒症高病死率的主要病理机制。IRAK-M作为促炎反应中重要的负向调控因子,也越来越受到重视。

研究表明,脓毒症患者体内分离的巨噬细胞中,NF-κB活性被强烈抑制 ,这提示了IRAK-M在其中可能起到的关键作用。进一步的研究显示,在体外用LPS刺激患者体内分离出的单核细胞时,IRAK-M的表达显著上升 ,并建立了类似于脓毒症免疫麻痹的低免疫反应状态。基于动物模型的研究表明,在敲除IRAK-M后,小鼠肺部的巨噬细胞能有效抵抗脓毒症所引起的对LPS的低反应性,同时,小鼠呈现更高的生存率,体内细菌清除率也比同型对照组显著提高 ,这就提示了在脓毒症免疫抑制的情况下,IRAK-M具有重要的调控作用,并可能作为干预免疫麻痹的重要靶点。

大量研究认为,脓毒症的免疫麻痹与内毒素耐受(endotoxin tolerance, ET)可能具有相同或类似的机制;作为脓毒症免疫麻痹的一个病理环节,内毒素耐受的机制可能是脓毒症免疫麻痹建立的其中一个重要机制 。

已有较多研究报道了IRAK-M在ET中的重要作用。最早由Kobayashi等 发现IRAK-M敲除的巨噬细胞很难建立有效的ET状态,细胞在多次LPS刺激后仍然具有较强的反应性。进一步的研究显示,TLR信号通路的配体在多次或持续的刺激下,均可诱导IRAK-M的表达,并建立类似ET的病理状态 ,由此,有较多的学者认为,IRAK-M是ET的“主要调节器” 。另一方面,从脓毒症患者体内分离的单核细胞则表现出与ET相关的很多特点。例如都对LPS呈现低反应性和较低的促炎细胞因子水平 。然而,关于在脓毒症免疫麻痹的情况下,不同免疫细胞中IRAK-M的表达水平和调控变化的研究较少,仍有待进一步的探究。

在脓毒症的治疗中,研究者越来越关注IRAK-M在其中所起的作用。目前,在逆转脓毒症免疫耐受的治疗上,主要有γ-干扰素(interferon-γ, IFN-γ)、IL-7、GM-SCF、IL-15、酪氨酸激酶受体3配体等,这些因子均能一定程度上逆转脓毒症的低免疫反应状态。其中,IFN-γ的逆转作用主要涉及炎症反应的调节 。

研究证明重组IFN-γ能够增加脓毒症患者单核细胞上的HLA-DR表达,改善单核细胞功能,并且未出现副作用 。在另一项临床报告中,针对抗生素难以控制的严重葡萄球菌菌血症的糖尿病患者,IFN-γ在1周内可使患者的脓毒症症状消除 。而Delsing等 发现IFN-γ可成功地恢复脓毒症患者的部分免疫功能,表现为体内单核细胞HLA-DR分子表达上升,促炎细胞因子重新分泌,并认为这种作用似乎与IRAK-M的下调有关。但针对IFN-γ是否具有对IRAK-M的直接调控,或IFN-γ是否主要通过IRAK-M的调节来逆转脓毒症免疫麻痹等,目前的研究仍然较少。可以肯定的是,IFN-γ在逆转脓毒症期间免疫麻痹中具有重要的作用,IRAK-M也存在明显的调控变化。

值得注意的是,IFN-γ的治疗可能仅对免疫麻痹的脓毒症患者有益,例如单核细胞HLA-DR下调的患者,但并不是对所有患者有效 。因此,患者体内IRAK-M的表达活性很可能作为筛选适于IFN-γ治疗患者的一项重要指标。如果脓毒症患者体内IRAK-M表达较低,说明患者正处于脓毒症的促炎阶段,此时如果进一步刺激单核细胞则会引起过度炎症的恶性循环,对患者有害。因此,IFN-γ治疗应该对脓毒症患者进行个体化治疗,并且可以作为与IL-7和抗-PD1 /抗-PD-L1的辅助治疗,这是因为单独的IFN-γ不足以校正潜在的T细胞凋亡和在脓毒症期间T细胞耗竭的病理症状 。针对多种免疫辅助疗法,荷兰Radboud大学正在进行临床试验,以评估辅助治疗对脓毒症患者的免疫功能的影响,其结果值得期待。

4 展 望

IRAK-M是近年来引起学者关注的重要抑炎分子。以往研究主要集中在IRAK-M在炎症反应中的具体作用,对TLR通路的调控机制以及其本身的结构功能等方面。近年来,研究重点逐渐转向IRAK-M在内毒素耐受和脓毒症免疫麻痹等相关机制中的研究,并取得了一系列有意义的结果。

脓毒症免疫麻痹主要体现在脓毒症后期机体免疫功能紊乱和低免疫反应状态。将内毒素耐受建立的机制研究借鉴到脓毒症免疫麻痹的研究中来,可能有利于进一步阐明该过程中相关免疫细胞的功能与作用,以及造成免疫低反应性的具体分子机制。IRAK-M作为重要的抑炎分子,在免疫麻痹中很可能通过抑制机体的炎症通路,加重脓毒症后期的机体免疫麻痹状态。而揭示其具体机制,不仅有助于深入了解免疫麻痹期间机体的免疫紊乱状态,还可能为监测脓毒症患者免疫状态提供参考指标,并为脓毒症治疗提供新的靶点。

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