Toll样受体在神经系统相关疾病中的研究进展

Research Progress of Toll-Like Receptors in Neurosystem-Related Diseases

摘要: Toll样受体(TLRs)是一种I型跨膜蛋白，作为一种模式识别受体，可以诱导天然免疫。近年来，TLRs在神经系统相关疾病中的作用受到了人们广泛的关注，大量的研究表明，TLRs介导的神经炎症反应在脑血管疾病、神经退行性疾病以及中枢脱髓鞘疾病中有着重要的作用。故本文就其在几种较为典型的神经系统疾病中的研究进展做一综述，以期为相关领域研究提供参考。

Abstract: Toll-like receptors (TLRs) are a type I transmembrane protein that acts as a pattern recognition receptor and can induce innate immunity. In recent years, the role of TLRs in nervous system-related diseases has received extensive attention. A large number of studies have shown that TLRs mediated neuroinflammatory response plays an important role in cerebrovascular diseases, neurodegenerative diseases and central demyelinating diseases. Therefore, this article reviews the research progress in several typical nervous system diseases in order to provide reference for the research in related fields.

1. 引言

Toll样受体(toll-like receptors, TLRs)作为一种跨膜受体，广泛分布于免疫器官和脑、肺、心、肝、肾等器官组织中。研究发现，TLRs存在于多种天然免疫细胞上，如单核/巨噬细胞、中性粒细胞、树突状细胞和NK细胞，在这些细胞中，它们能够立即对病原体产生反应[1]。中枢神经系统中，大多数TLRs主要分布在神经胶质细胞上，包括小胶质细胞、星形胶质细胞和少突胶质细胞等[2]。定位于中枢神经系统的免疫或神经细胞表达的TLRs在诱导和维持神经炎症方面具有重要作用[3]。神经炎症既可作为神经系统疾病的致病因素，也可作为其继发反应，在神经炎症中，星形胶质细胞和小胶质细胞释放Toll样受体，待其活化后进一步刺激细胞内的炎症级联反应，使得多种促炎因子表达[4]。因此，Toll样受体可能在许多中枢神经系统相关疾病的发病机制中发挥作用，参与神经炎症，如缺血性或出血性脑血管疾病、神经退行性疾病和中枢脱髓鞘疾病等。本文就TLRs在几种较为典型的神经系统疾病中的研究进展做一综述。

2. TLRs概述

TLRs是I型跨膜蛋白，其包括三个结构域：胞外富含亮氨酸重复序列(LRR)结构域、跨膜结构域和胞内Toll/IL-1受体(TIR)结构域[5]。作为一种模式识别受体，可以识别和结合相应的病原相关分子模式以及损伤相关分子模式，诱导天然免疫[1]。TLRs最早是在果蝇胚胎发育中发现的，在果蝇胚胎的背腹极性的形成中发挥着重要的作用[6]。后来Medzhitov [7]等克隆并鉴定了果蝇Toll蛋白的人类同源物，其可以诱导信号，激活脊椎动物的先天免疫反应和获得性免疫反应。这种果蝇Toll蛋白的同源物在哺乳动物中被命名为Toll样受体。几乎所有的生物都编码不同数量的TLRs，目前在人类中发现10个TLRs，而在小鼠中发现12个TLRs，在哺乳动物中，TLRs是在内质网中合成的，然后被运送至质膜或内体[8]。根据定位，TLRs进一步可以分为两类，一类在细胞表面表达，如TLR1、2、4、5、6，可以识别微生物的膜成分；另一类在细胞内表达，如TLR3、7、8、9、10，可以识别微生物的核酸[9]。目前有关TLRs在中枢神经系统疾病的研究主要集中在动物实验及小部分临床患者上，在脑血管病、神经退行性疾病及中枢神经系统脱髓鞘疾病等疾病中研究广泛，下面进行详细的论述。

3. TLRs在神经系统疾病中的研究进展

3.1. TLRs与脑缺血性疾病

缺血性脑卒中(ischemic stroke, IS)是指脑组织血液循环障碍导致脑血管堵塞或严重狭窄，使脑血流灌注下降，进而缺血、缺氧并导致脑血管供血区脑组织死亡，具有高发病率、高患病率、高复发率、高致残率及高死亡率的特点[10]。在2019年全球卒中负担报告中，全球范围共有约1220万卒中新发病例，1.01亿例卒中现患病例，因卒中死亡人数高达655万例，而在所有卒中新发病例中，缺血性脑卒中就可达62.4% [11]。《柳叶刀–神经病学》联合世界卒中组织发布“减少全球脑卒中负担的实用性解决方案”重大报告，报告指出若不采取进一步的预防措施，到2050年，全球因脑卒中死亡的人数预计将增加50%，从2020年的660万人增加到2050年的970万人，脑卒中对健康和经济的影响将不断扩大，尤其是中低收入国家[12]。根据最新数据显示，我国急性缺血性卒中患者占新发卒中的69.6%~72.8%，住院期间患者的病死率为0.5%。发病后3个月，患者复发率为6.3%、致残率为14.6%~23.1%、病死率为1.5%~3.2% [13]。TLRs反应在脑缺血损伤中起关键作用，这些受体通过识别缺血过程中释放的内源性和外源性分子，促进TLRs反应，触发促炎细胞因子和趋化因子，进而导致了神经组织的损伤，而在TLRs中，TLR2和TLR4是脑缺血时被激活的主要受体[14]。有研究将缺血性脑卒中患者的发病 ≤ 3小时、5小时和24小时的外周血样本与对照组比较，通过检测早期外周血的多种基因表达，并使用改良Rankin量表(modified Rankin Scale, mRS)和美国国立卫生研究院卒中量表(National Institutes of Health Stroke Scale, NIHSS)评估90天后缺血性脑卒中的预后情况，结果表明在众多基因中，Toll样受体与脑卒中预后不良有关[15]。有研究表明与假手术组比较，脑缺血再灌注的小鼠模型TLR4水平显著升高，提示了TLR4基因与神经炎症高度相关，其可能在缺血性脑卒中的神经炎症中起关键作用[16]。此外，通过建立脑损伤小鼠模型，研究发现与TLR4正常表达的小鼠相比，TLR4基因敲除的小鼠明显有更好的结果，表现为脑梗塞体积显著减少，神经功能缺失显著恢复[17]。黄红丽[18]等研究通过检测血浆中的TLR4水平，发现与健康对照组相比，急性缺血性脑卒中患者血浆中的TLR4水平明显升高，预后良好组患者的TLR4水平明显低于预后不良组，患者血浆中的TLR4水平与脑梗死的体积以及神经功能缺损相关。ApTOLL是一种适配体，是TLR4的拮抗剂，在临床前研究中，ApTOLL在包括大鼠和小鼠在内的多个大脑中动脉闭塞(middle cerebral artery occlusion, MCAO)动物模型中均被证实具有持续的脑保护作用[19]。目前一项1b/2a期的随机临床试验表明，对于急性缺血性脑卒中的患者，在发病后6小时内给予0.2 mg/kg的ApTOLL联合EVT是安全的，并具有明显的临床效果，与安慰剂相比，其降低了90天时的死亡率和残疾[20]。由此可见，在缺血性脑卒中疾病中，TLRs的表达显著升高，TLRs的拮抗剂无论是在脑损伤的动物模型中，或是急性缺血性脑卒中患者中均有保护性的作用。

3.2. TLRs与脑出血性疾病

脑出血(intracerebral hemorrhage, ICH)是指非外伤性脑实质内出血，高血压合并细小动脉硬化是导致脑出血的最常见的病因。免疫系统在脑出血的损伤和修复中起着重要作用，TLRs在脑出血免疫和炎症反应中发挥关键作用。Sansing [21]等研究通过对TLR4信号缺失的转基因小鼠和野生型小鼠进行纹状体血注射，从而建立脑出血模型，结果显示TLR4缺陷小鼠的血肿周围炎症明显减少，中性粒细胞和单核细胞募集减少，小胶质细胞减少，脑出血后第3天功能结果改善。Fei [22]等通过对TLR4基因敲除小鼠和野生型小鼠诱导ICH后进行生存曲线分析和行为评分，分别于术后第1、3、7天检测出血部位脑组织中TLR4的表达，发现TLR4表达明显升高，在第3天达到最高水平，研究表明敲除TLR4基因可显著提高脑出血小鼠的存活率，TLR4基因敲除小鼠的Longa评分[23]明显低于野生型小鼠。蛛网膜下腔出血(subarachnoid hemorrhage, SAH)是指颅内的血管发生破裂，血液流入蛛网膜下腔，颅内动脉瘤是蛛网膜下腔出血最常见的病因。在动脉瘤破裂以后，进入蛛网膜下腔中的红细胞受到破坏并发生降解，产生降解产物，如血红蛋白、高铁血红蛋白等，这些物质可以激活TLRs发生反应。有研究通过建立小鼠颅内动脉瘤模型，发现TLR4基因敲除小鼠的动脉瘤破裂率和促炎细胞因子水平低于野生型小鼠[24]，抑制TLR4通路可能是预防动脉瘤破裂和继发性蛛网膜下腔出血的一种潜在策略。在SAH雄性小鼠脑室内应用选择性TLR4拮抗剂IAXO-102和TAK-242，可显著抑制SAH后神经功能恶化、血脑屏障的破坏和脑水肿，从而提高生存率[25]。临床有关动脉瘤性蛛网膜下腔出血的研究发现患者外周血单个核细胞表面的TLR4表达水平显著高于健康对照组，发生迟发性脑缺血的患者TLR4表达水平也显著高于未发生组，TLR4水平升高与3个月功能预后不良有显著相关性[26]。由此可见，在脑出血和蛛网膜下腔出血的发生进展过程中，TLRs表达显著增加，参与出血后的炎症反应。

3.3. TLRs与帕金森病

帕金森病(parkinson disease, PD)是一种常见的神经系统退行性疾病，多发于中老年患者。在临床的表现分别为运动症状和非运动症状，其中前者包括静止性震颤、肌强直、运动迟缓和姿势平衡障碍，后者包括睡眠障碍、自主神经功能障碍以及认知和精神障碍等[27]。其特点是a-突触核蛋白异常聚集在神经元胞浆中形成路易小体和中脑黑质多巴胺能神经元的变性坏死[28]。作为第二大常见的神经退行性疾病[29]，从1990年至2019年，我国帕金森病的发病人数从9.92万人增长到30.15万人，年龄标准化发病率从13.24/10万上升到15.27/10万人[30]。尽管TLRs在帕金森病的神经炎症中确切的作用机制尚不清楚，但有一些理论提出，这些受体可能在识别α-突触核蛋白聚集体为阻滞剂方面发挥作用，通过诱导促炎下游途径，导致神经炎症[31]。有关帕金森病的动物模型，最常用且经典的是神经毒素模型，制作这些模型最广泛使用的神经毒素是6-羟基多巴胺(6-OHDA)和1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶(MPTP) [32]。He [33]等通过给小鼠注射MPTP构建帕金森病模型，将小鼠分为TLR2基因敲除组和野生组，分别于注射后3天、7天，14天对小鼠进行行为测试，发现在MPTP注射后3天和7天，TLR2缺乏对多巴胺能损伤无明显影响，而在注射后14天，TLR2缺乏不仅能显著减轻小鼠爬杆试验和转棒试验中的运动缺陷和黑质纹状体多巴胺能神经元的变性，而且还通过抑制TLR2/MyD88/TRAF6/NF-κB信号通路来减轻神经炎症，表明TLR2缺乏在疾病后期对MPTP的毒性有保护作用，包括改善运动功能障碍、减少α-突触核蛋白的表达和神经炎症。在帕金森病的发展过程中，受到肠道微生物区系影响的大脑和胃肠道之间的通讯被称为微生物–脑轴，肠道微生物和肠源性炎症反应在中枢神经系统的炎症反应和帕金森病的发病机制中起着重要的作用，TLRs信号通路在这一过程中起着调节作用[34]。Zhao [35]等人通过建立慢性鱼藤酮诱导的帕金森病小鼠模型，将小鼠分为对照组、鱼藤酮组、粪便微生物区系移植(FMT)组，检测TLR4通路在黑质和结肠中的激活状态，结果显示与对照组相比，鱼藤酮组TLR4、MyD88和NF-κB的表达显著增强，而FMT组表达显著减少，FMT治疗降低了黑质和结肠中的脂多糖水平，随后抑制黑质和结肠中的TLR4/MyD88/NF-κB信号通路及其下游的促炎产物。粪便微生物区系移植通过微生物区系–肠–脑轴抑制脂多糖-TLR4信号通路介导的炎症，从而保护鱼藤酮诱导的帕金森病小鼠。郭清华[36]等人使用酶联免疫吸附实验检测了帕金森病患者血清中TLR4蛋白水平并分析其与临床分期及分型的关系，发现与健康对照组相比，帕金森组患者外周血血清中的TLR4水平升高；且分期越高，TLR4的表达越高。DZAMKO [37]等人通过检测帕金森病患者和对照组死后脑组织中TLR2的表达，发现TLR2在帕金森病患者脑内的表达增加，并且发现TLR2的水平与病理性α-突触核蛋白的积聚有关。由此可见，帕金森病动物模型或患者体内TLRs的表达水平显著升高，其在帕金森病的发生进展中发挥一定的作用，TLRs的相关信号传导通路可能也在与微生物–肠–脑轴相关的帕金森病的发病机制的过程中起到调节作用。

3.4. TLRs与多发性硬化

多发性硬化(multiple sclerosis, MS)是一种免疫介导的中枢神经系统慢性炎性脱髓鞘性疾病，病变具有空间多发与时间多发的特征[38]。该疾病好发于青壮年，给患者的家庭和社会带来了巨大的生理、心理和经济负担。根据一项基于中国住院患者的流行病学资料显示，中国人群多发性硬化的发病率为0.235/10万人年，成人男女患者比例为1:2.02 [39]。实验性自身免疫性脑脊髓炎模型(experience allergic encephalitis, EAE)是以特异性致敏的CD4+T细胞介导为主的自身免疫疾病，是多发性硬化经典的实验动物模型[40]。韩晶晶[41]等通过给小鼠注射髓鞘少突胶质细胞糖蛋白(myelin oligodendrocyte glycoprotein, MOG) 35~55建立EAE模型，研究发现与野生对照组相比，TLR4基因敲除组小鼠的体重下降程度较轻、发病时间延迟、神经功能评分降低、炎性细胞浸润减少、髓鞘脱失减轻、髓鞘碱性蛋白表达增加，从而得出敲除TLR4可减轻EAE小鼠的病理症状的结论。Shao [42]等通过构建自身免疫性脊髓炎动物模型，探讨效应分子纤维蛋白样蛋白2 (Fgl2)对自身免疫性脊髓炎DNA受体TLR9表达的影响，认为TLR9信号通路在自身免疫性脊髓炎的发生发展中发挥了重要作用。研究表明Fgl2组脑组织和脊髓组织TLR9阳性细胞数少于自身免疫性脊髓炎组，并且随着Fgl2剂量的增加，TLR9阳性细胞数量逐渐减少，认为通过Fgl2治疗可降低自身免疫性脊髓炎炎症因子的表达和功能障碍的严重程度，抑制TLR9的表达，从而改善自身免疫性脊髓炎的病情。在TLRs中，TLR4激活导致髓样分化因子88 (myeloid differentiation factor 88, MyD88)募集，从而刺激肿瘤坏死因子受体相关因子(TNF receptor associated factor, TRAF)-6激活丝裂原激活蛋白激酶(mitogen activated protein kinase, MAPK)家族，最终导致NF-κB激活，后者会触发一系列促炎因子的转录，如肿瘤坏死因子-α (tumor necrosis factor-alpha, TNF-α)、白细胞介素-1β (interleukin-1β, IL-1β)、白细胞介素-6 (interleukin-6, IL-6)等。Mustafa [43]等通过对EAE小鼠使用尼可地尔和卡维地洛减轻实验性自身免疫性脑脊髓炎诱导的多发性硬化运动障碍的研究中发现，两种方法均下调TLR4/MyD88/TRAF6信号通路的蛋白表达，下游抑制(pT183/Y185)-JNK/p38(pT180/Y182)-MAPK轴，导致神经炎症状态的减轻，表现为NF-κB、TNF-α、IL-1β和IL-6含量的降低。Hossain [44]等临床研究表明MS患者复发和缓解期血清可溶性TLR2水平显著高于健康对照组，有可能成为一种潜在的疾病标志物。由此可见，TLRs在多发性硬化中的表达增加，说明其在多发性硬化的发病机制或进展中起到一定的作用，通过调控TLRs相关信号通路或许可以成为多发性硬化的一个潜在疗法。

4. 总结与展望

随着对TLRs不断的深入了解，其发现过程、在人体的分布与表达、相关信号传导通路、参与炎症反应的机制以及在疾病发生进展过程中发挥的作用等不断被阐明，我们发现TLRs与神经系统的疾病密切相关，在缺血性脑卒中、脑出血、蛛网膜下腔出血、帕金森病、多发性硬化等疾病中均起到一定的作用。截至目前，有关TLRs和神经系统相关疾病的研究中，以动物模型和TLRs信号传导通路为主，相关的临床实验仍然较少，我们需要在确保安全的前提下进行更多的临床实验来验证，进而为与TLRs信号传导通路相关的靶向药物开发以及改善神经系统相关疾病的诊疗提供新的方向。

NOTES

^*通讯作者。