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白血病抑制因子与支气管哮喘
作者:牛聪 来源:国际呼吸杂志 2014-05-22

  支气管哮喘(简称哮喘)是由多种炎症细胞和炎性因子参与的以气道高反应性为特点的炎症性疾病,目前,医学界对哮喘发病机制的理解并非十分成熟,仍然处于探索阶段。已证实气道非特异性炎症是哮喘的病理生理学基础,其发病机制不仅与多种炎性细胞、炎性因子、炎性介质有关,而且与免疫、神经和内分泌系统之间的相巨作用密切相关。作为联系气道免疫、神经和内分泌机制的中介物质,白血病抑制因子(leukemia inhibitory factor ,LIF )在哮喘的发病过程中起着重要的作用。

  LIF 与睫状神经营养因子、IL-11 、心肌营养素-1 、制瘤素M 以及神经营养素-1/B 细胞刺激因子3 同属于IL-6 家族,是一种多功能的分泌型细胞因子,最早因其能抑制髓样白血病系M1 的增殖和促进其分泌而得名。LIF 在不同的组织和细胞中有不同的生物学活性,如调节胚胎干细胞、原始生殖细胞、肝细胞和内皮细胞等多种细胞的生长和多向性分化,在胚胎发育、炎症反应以及组织修复等方面均有重要作用。近年来,LIF 在炎症反应中的作用一直引起人们的关注。早期,人们发现LIF mRNA 及其蛋白在正常情况下表达水平极低,但结核性胸膜炎患者的胸腔积液、急性呼吸窘迫综合征患者的肺泡灌洗液以及风湿性关节炎患者的全血内均可检测到LIF 高表达。1999 年Zheng 等研究发现,过敏性哮喘患者体内(血清)LIF 表达水平显著高于正常对照人群,使人们认识到LIF 可能在气道炎症反应中发挥着重要作用。近年来有研究认为,LIF 参了炎症与哮喘的病理生理过程,它可能是调节神经系统、免疫系统和内分泌系统相互作用的重要介质。

  1 LIF 基因与分子结构

  1.1 基因 LIF 基因为单拷贝基因,没有多态现象。人和小鼠LIF 基因分别定位于第22 号和第11 号染色体,基因长度分别为6.0 kb 和6.9 kb ,均含有3 个外显子和2 个内含子及5' 端和3' 端侧翼非编码区。人和小鼠LIF 基因的编码区域有高度保守的序列,其种属间同源性可达78% ~94% 。

  1.2 分子结构 LIF 蛋白是一种在天冬氨酸残基上高度糖基化的分泌型蛋白,由180 个氨基酸残基组成,由于糖基化程度的不同,LIF 相对分子质量和电荷有所差别,相对分子质量为38 000 ~64 000 ,IP8.6 ~9.2 。去糖基化的核心蛋白相对分子质量为20 000 ,LIF 蛋白分子有7 个糖基化位点,6 个cys ,残基间以二硫键连接,是维持LIF 分子的结构和生物学活性的结构基础。由于可变剪辑产生的3 个不同外显子1 与共同的外显子2 、外显子3 的组合,LIF 基因可以转录出3 个不同的mRNA : LIF-T (truncated , T-LIF ),LIF M (marix-associated ,M LIF ),LIF-D (diffusibe , D-LIF )。LIF-T 蛋白广泛分布于细胞核和细胞质,LIF-M 蛋白主要在细胞外基质中表达,LIF-D 蛋白在细胞外液中表达。LIF 蛋F1 的三级结构从N 端到C 端,由螺旋体A 、B 、C 和D 组成,并连接形成两个长襻AB 、CD 和一个短襻BC ,三个功能性结合位点分别与LIF 受体(leukemia inhibitory factor receptor , LIFR )和gp130 受体亚单位结合而发挥作用。

  2 LIFR 与信号转导机制

  2.1 LIFR LIFR 有低亲和力和高亲和力两种受体。LIFR 为LIF 特异性受体,广泛分布于细胞膜表面。gp130 是一种跨膜糖蛋白,相对分子质量约为130 000 ,是IL-6 家族中细胞因子的共同受体。首先,gp130 与低亲和力受体LIFRα 链形成一个异源二聚体。LIF 再与其结合,继而转导信号激活细胞浆中的酪氨酸激酶家族而发挥LIF 的佳物学作用。

  2.2 LIF 信号转导机制 作为细胞因子,LIF 必须依赖于细胞内外信号转导通路的介导才能发挥生物学作用。两面神激酶- 信号转导及转录激活因子途径(Janus protein tyrosine kinase/signal transducers and acticators of transeription ,JAK/STAT )途径与丝裂原激活的蛋白激酶途径(mitogen-activated protein kinase ,MAPK )途径是真核细胞信号转导通路体系中的两个基本系统,LIF 的许多生物学作用亦是通过上述信号转导通路介导得以实现的。LIF 生物学效应的启动依赖于一定的程序:LIF 首先与LIF 受体和gp130 受体亚单位结合(LIF 受体与gp130 形成异二聚体),LIF 与其受体结合后,可激活结合于gp130 胞内近膜部分的JAK 激酶,从而催化gp130 胞浆区的酪氨酸磷酸化,进而激活与gp130 的磷酸化酪氨酸结合的STAT ,活化的STAT 分子与包含SHP2 位点的酪氨酸残基形成二聚体并移向核内,与核内特异的靶基因位点结合而使靶基因激活。作为一种酪氨酸磷酸酶,SHP2 能够激活MAPK 信号转导通路的上游激酶Ras ,使得Ras/MAPK 途径活性启动。由此可见,LIF 生物学效应的发挥与JAK/STAT 和MAPK 两条信号转导通路均有密切关系,而这些通路已被证实参与哮喘气道炎症的诸多病理生理过程。

  3 LIF 在气道中的表达

  3.1 炎症细胞 研究证实,嗜酸粒细胞、肥大细胞、T 细胞、单核巨噬细胞等炎症细胞可以表达、合成并释放LIF 。嗜酸粒细胞是哮喘发病机制中一种重要的效应细胞,Zheng 等研究发现人类嗜酸粒细胞可以表达LIF 及LIFR mRNA ,并能够储存和释放大量的LIF 蛋白。在炎症环境刺激下,嗜酸粒细胞聚集于气道神经周围,合成并释放大量的LIF 及神经生长因子(nerve growth factor ,NGF )作用于气道副交感神经介导气道炎症。肥大细胞与哮喘关系密切,参与哮喘早期相和晚期相反应。肥大细胞表达、合成、释放LIF 的机制可能如下:肥大细胞通常聚集于中枢神经系统的特殊部位或邻近外周神经系统的轴突,当气道黏膜损伤后,暴露的感觉神经末梢受刺激,邻近的肥大细胞就释放LIF 等细胞因子、神经肽和神经营养素等。研究发现,人类天然调节性T 细胞和适应性调节T 细胞激活后均可合成并释放大量的LIF ,当上述细胞被激活后可上调LIFRα 和gp130 的表达,并增加STAT3 信号通路的磷酸化作用,进而增加LIF 的分泌。Viallard 等也报道脂多糖(LPS )与植物血凝素协同作用可诱导外周血单核细胞产生LIF 增加。有研究提示,炎症介质IL-1 、IL-6 、IL-17 、TNFα 以及LPS 等可诱导LIF 基因表达,抗炎症物质可抑制LIF 基因的表达,例如:糖皮质激素、IL-4 、IL-13 。近年来研究显示,IL-1β 介导的膜刺激位点的不同(如膜顶端或膜的基底外侧)可以影响LIF 的极性分泌。

  3.2 结构细胞 哮喘时,不仅炎症细胞释放大量的LIF ,肺组织的结构细胞也可释放大量的LIF ,二者共同构成LIF 的主要来源。现已证实肺组织结构细胞可表达LIF 和LIFR ,当人类肺组织暴露于前炎症因子IL-1β 中,LIF 基因会表达上调,继而IgE 受体被触发启动。此外,IL-6 可以诱导肺组织持续性释放LIF ,特别是支气管平滑肌细胞。气道纤维母细胞和平滑肌细胞是人类肺组织中LIF 的主要来源,支气管上皮细胞的表达水平较二者偏低。体外实验发现,TNF-α 可以刺激不成熟的气道平滑肌细胞(airway smooth muscle cell ,ASMC )分泌LIF mRNA 和蛋白,导致气道高反应性。

  4 LIF 在气道中的效应

  4.1 炎症细胞 正如前面所述,当气道黏膜损伤后,许多炎症细胞会释放大量的LIF ,表达增高的LIF 又可以反过来作用于炎症细胞例如:LIF 可以明显增强嗜酸粒细胞对血小板活化因子(PAF )和P 物质(SP )的迁移反应,并诱导嗜酸粒细胞释放颗粒蛋白,表达活性标记物CD69 。Gyotoku 等发现LIF 有促进肥大细胞增生的作用,Fayon 等证明了LIF 对肥大细胞的趋化作用具有积极效应。巨噬细胞可表达低亲和力的IgE 受体,产生许多前炎症因子,是体内功能最为活跃的细胞之一,尤其在产生和维持气道炎症和气道高反应性中被认为是中心性前炎症细胞。体外实验发现,LIF 有助于单核细胞向巨噬细胞的分化,并介导巨噬细胞的增殖效应。LIF 可促进肿瘤相关性巨噬细胞的产生,并可能作用于单核细胞发挥其部分免疫抑制效应,参与肿瘤与癌症的病理生理过程。在LIF 基因缺陷的小鼠体内,发现巨噬细胞释放的渗透物质CCL2 、CCL3 和CXCL10 及中性粒细胞都有不同程度的降低。此外,LIF 可调节T 细胞成熟,并平衡T 、B 细胞的分布,在LIF 基因缺陷的小鼠,其淋巴细胞的数量和细胞表面标记物CD3 、CD4 和CD8 的表型正常,但他们对同种异体刺激的增生反应明显减弱。最近,汤彦等实验发现LIF 可促进哮喘大鼠脾淋巴细胞Th2 细胞因子IL-4 和IL-5 的表达和分泌并呈浓度依赖性。

  4.2 结构细胞 Hu 和他的同事们研究发现,在哮喘大鼠模型上,LIF 可以增加气道上皮细胞NK-1 受体(neurokinin-1 receptor ,NK-1R )的表达,介导哮喘的神经源性炎症。气道重塑是哮喘的重要病理特征,原因是ASMC 的过度增殖及凋亡不足所致。研究证实LIF 可促进ASMCDNA 的合成,并增加细胞内Ca2+ 信号的转导,加强气道收缩,临床研究发现,哮喘患者气道壁网状基底膜中肌纤维母细胞数量是增多的,其数量与基底膜的增厚相关,而LIF 具有介导肌纤维母细胞增殖的作用,提示LIF 可能通过作用于肌纤维母细胞诱发气道重塑,此外,IL-6 可通过释放金属蛋白酶如MMP-2 和MMP-9 导致细胞外基质在气道壁沉积增多,是哮喘气道重建的重要病理变化之一。LIF 是IL-6 家族中的一员,但它是否具有同样的效用,目前还不清楚。

  5 LIF 在哮喘中可能作用

  5.1 LIF 对哮喘气道神经系统的影响及其机制人类的肺组织和气道受一个复杂的气道自主神经网络支配,哮喘时气道自主神经功能紊乱主要表现为:胆碱能神经和非肾上腺素能非胆碱能(NANC )神经功能的亢进。LIF 是神经系统的潜在调节因子,它的许多乍物学特性可以证明它可能参与了哮喘的神经机制。

  随着哮喘发病机制的深入研究,由NANC 介导的气道神经源性炎症成为目前的研究热点。速激肽是感觉神经末梢释放的神经肽,是哮喘的气道炎症中的潜在介质,它叮以引起气道平滑肌细胞收缩、增加微血管漏出、促进黏液分泌、促进炎症介质释放以及加重气道高反应性,从而介导了神经源性炎症的发生。Knight 等发现LIF 可增强离体气道对辣椒素和外源性速激肽的收缩反应,体内和体外试验均证实,LIF 能诱导气道表达P 物质(SP )及NK1R ,有人对哮喘患者内镜活检物气道上皮的SP 及NK-1R 表达进行了检测,发现SP 和NK-1R 在哮喘患者气道上皮的表达明显增加。朱锦琪等认为LIF 可能通过逆行轴浆运输聚集于脊髓背根神经节的神经元,使其产生速激肽增加。

  由此,想象哮喘气道神经源性炎症发病机制中可能存在一个循环作用链:气道上皮、ASMC 、支气管肺组织炎性细胞(嗜酸粒细胞等)合成LIF 增加,合成的LIF 被转运到脊髓背根神经节中储存,并刺激神经节细胞合成SP 等神经肽增多,SP 再通过神经突触分泌,作用于气道效应细胞(上皮细胞、平滑肌细胞等)而触发气道神经源性炎症反应,反过来,炎症反应又可以显著上调肺组织LIF 的表达,从而形成恶性循环。

  气道高反应性是哮喘的重要特征,主要受气道胆碱能神经的调控,LIF 是神经系统的潜在调节因子,它叮刺激交感神经元呈现胆碱能神经功能,促进外周胆碱能神经分化和功能成熟。气道副交感神经可调节支气管收缩受体的表达,主要神经递质是乙酰胆碱(Ach )。ASMC 上表达M3 受体,与Ach 结合后可收缩气道平滑肌,导致气道高反应性。副交感神经节后纤维上表达有抑制性M2 受体,介导Ach 分泌的负反馈机制。哮喘时,可能是M2 受体被阻断或表达下调,导致大量的Ach 分泌而诱发气道高反应性。Knight 等发现,豚鼠气道中胆碱能神经有LIF 受体的表达,LIF 与其受体结合后可下调周围性胆碱能神经上M2 受体的表达,抑制Ach 负反馈机制,导致Ach 大量的分泌,诱发支气管平滑肌收缩。TNFα 可刺激ASMC 释放大量的LIF ,LIF 增加细胞内Ca2+ 信号转导,导致气道高反应性及气道重塑。

  5.2 LIF 对哮喘免疫系统的影响及其机制 前已述及,哮喘时炎症细胞、炎症介质及肺组织结构细胞可释放大量的LIF ,表达增高的LIF 又可反过来作用于炎症细胞,从而形成恶性循环。大量的证据证实,LIF 参与哮喘的免疫炎症过程。在LIF 基因敲除的小鼠,观察到中性粒细胞、巨噬细胞和肥大细胞浸润中枢神经和外周神经病灶的过程延迟,这提示LIF 可能有助于炎症细胞的趋化。LIF 可诱导不同的细胞产生促炎症细胞因子,刺激趋化因子IL-8 和MCP-1 的合成。Jkczono 等发现LIF 可诱导气道上皮细胞表达磷脂酶A2 ,从而调节花生四烯酸的代谢,产生白三- 烯、前列腺素和PAF 等炎症介质。哮喘的免疫炎症发生进展机制主要由Th2 及来源于Th2 的细胞因子如IL4 、IL-5 等所调控。LIF 与哮喘的Th2 类细胞因字子疫失衡之间可能存在因果关系,LIF 可能通过上调淋巴细胞的Th2 类细胞因子IL-4 mRNA 、IL-5 mRNA 表达和蛋白分泌,参与促进和放夫哮喘Th2 类细胞因子免疫失衡效应。这提示LIF 是典型的炎症调节剂,是调节炎症的始动因素之一,LIF 不仅对哮喘的发作而且对哮喘病理状态的维持都有重要意义。

  5.3 LIF 对哮喘内分泌系统的影响及其机制 近年来,科学家们提出NGF 可能启动肾上腺髓质细胞冗余性,使髓质细胞产生神经元分化,由内分泌细胞向神经细胞转化,导致其内分泌功能削弱,分泌肾上腺素减少,最终导致循环中肾上腺素达不到维持气道舒张状态所需要的水平。LIF 与NFG 同属神经营养因子,但关于LIF 是否也具有上述作用,这方面的研究较少,目前还不清楚。重度和极重度哮喘,由于应激和免疫分子的作用,CRH 、ACTH 、GCs 分泌均增加,早期它们的血液含量可升高;随着疾病的进展,由于GCs 的消耗和负反馈抑制造成CRH 、ACTH 减少,GCs 的浓度可能会降低。研究发现LIF 对下丘脑- 腺垂体- 肾上腺皮质轴具有正性调节作用,在应激及炎症反应刺激下,下丘脑和腺垂体中的LIF 会释放大量的ACTH ,导致ACTH 和皮质醇大量的分泌,提示LIF 可能与哮喘急性发作有关。除此之外,LIF 可以下调中枢性糖皮质激素受体(glucocorticoid receptor ,GR )的表达,导致糖皮质激素抵抗,提示LIF 可能与激素抵抗型哮喘的发病机制有关,至于LIF 是否同样也会导致周围性GR 表达的下调,暂无相关文献报道。目前,有关LIF 与哮喘内分泌系统的研究比较少,LIF 究竟起到什么样的作用尚不清楚,期待今后的进步科学研究。

  6 结论

  归纳起来,LIF 在哮喘发病过程中的作用机制可能如下:在炎症环境中,靶细胞合成LIF 增加,方面,LIF 能够直接作用于机体免疫细胞,造成免疫功能紊乱;另一方面,LIF 被神经突触转运到脊髓背根神经节的神经元细胞中储存,并刺激神经节细胞合成SP 等神经肽相关物质增多,SP 再通过神经突触分泌,作用于气道效应细胞(上皮细胞、平滑肌细胞等)而触发气道神经源性炎症反应,反过来炎症反应又可以显著上调机体LIF 的表达,从而形成恶性循环;LIF 可下调胆碱能神经纤维上M2 受体的表达,增加细胞内Ca2+ 信号转导,参与气道高反应和气道重塑;此之外,LIF 可以通过下调GR 的表达,导致激素抵抗,参与哮喘的病理生理过程。

  综上所述,LIF 可能通过影响机体神经、内分泌与免疫三大系统参与哮喘的发病,关于LIF 与哮喘发病机制的基础及临床研究不仅有助于阐明其与哮喘发病的关系,而且将为通过调控LIF 的表达来控制哮喘发作,寻求新的哮喘治疗途径奠定重要的理论及临床基础。