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刘丹如, 范倩燕, 沈敏. 趋化因子及其受体在慢性阻塞性肺疾病中的研究进展. 25(1): 56-60
  
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趋化因子及其受体在慢性阻塞性肺疾病中的研究进展
刘丹如, 范倩燕, 沈敏
上海市杨浦区安图医院检验科,上海 200093

通讯作者：沈敏,联系电话：021-55820697。

作者简介：刘丹如,女,1981年生,硕士,技师,主要从事临床微生物研究。

关键词: 趋化因子; 趋化因子受体; 慢性阻塞性肺疾病; 蛋白水解酶
中图分类号:R446.62 文献标志码:A 文章编号:1673-8640(2010)01-0056-05

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease, COPD)在全世界范围内有很高的发病率和死亡率,是一种慢性进行性加重的气道炎性疾病,涉及小气道及肺实质的慢性炎症。COPD是巨噬细胞、中性粒细胞、CD8+T淋巴细胞参与的炎症过程,炎性细胞迁移由多种趋化因子及其受体协调。随着对COPD的深入研究,有关趋化因子及其受体与COPD的关系也日益受到重视。我们就COPD发病机制中趋化因子及其受体的作用以及COPD中可能涉及的蛋白水解酶作一综述。

一、趋化因子

趋化因子是一类能趋化细胞定向移动的小分子分泌蛋白,由70~100个氨基酸组成。成纤维细胞、单核细胞、淋巴细胞、上皮细胞等都能分泌趋化因子。趋化因子具有极其相似的三维结构,其N端含有保守半胱氨酸(Cys)结构,有显著的同源性,根据Cys排列方式,将趋化因子分为4个亚类:CXC、CC、CX3C 及C类(X为任意氨基酸)[ 1]。

二、趋化因子受体

趋化因子受体是一类介导趋化因子行使功能的三磷酸鸟苷(GTP)-蛋白偶连的跨膜受体(GPCR),通常表达于细胞膜上。按趋化因子的分类,将趋化因子受体分为4类:CXC类受体(CXCR)、CC类受体(CCR)、 CX3C类受体(CX3CR)、C类受体(CR)[ 1]。

三、趋化因子及其受体与COPD的关系

COPD是巨噬细胞、中性粒细胞、CD8+T淋巴细胞参与的炎症过程[ 2],炎性细胞迁移由多种趋化因子及其受体协调,其中最重要的趋化因子受体是CXCR和CCR。

1.CXCR1和CXCR2相关的趋化因子 白细胞介素8(IL-8), 又称趋化因子CXCL8,是巨噬细胞和上皮细胞等分泌的细胞因子。CXCL8结合趋化因子受体CXCR1和CXCR2,对中性粒细胞有细胞趋化作用而实现其对炎症反应的调节。有研究发现,COPD患者痰中CXCL8释放增多,引起中性粒细胞增多。在COPD急性加重期CXCL8浓度进一步升高,引起脓性痰。COPD患者支气管肺泡灌洗液中CXCL8浓度也升高[ 2]。

趋化因子CXCL1,又称生长调节致癌基因α(growth-regulated oncogene alpha, GROα),是由巨噬细胞、中性粒细胞和上皮细胞分泌的细胞因子。CXCL1结合趋化因子受体CXCR2,对中性粒细胞和单核细胞有细胞趋化作用[ 2]。COPD患者痰液及支气管肺泡灌洗液中CXCL1浓度较高。在肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor α, TNF-α)和白细胞介素17(IL-17)作用下,肺泡巨噬细胞和气管上皮细胞分泌CXCL1。与非吸烟者比较,COPD患者上皮细胞分泌CXCL1更多,引起中性粒细胞和单核细胞增多。单核细胞增多可以解释COPD患者肺泡巨噬细胞增多的原因,这很可能是吸烟易感性的分子机制之一[ 3]。

趋化因子CXCL5,又称上皮中性粒细胞活化肽78(epithelial-cell-derived neutrophil-activating peptide-78, ENA-78),是由上皮细胞分泌的细胞因子。CXCL5结合趋化因子受体CXCR2,对中性粒细胞有细胞趋化作用,但不能募集单核细胞。COPD患者支气管肺泡灌洗液细胞中CXCL5浓度较高,但与健康吸烟者比较,肺气肿患者CXCL5浓度没有差异。与非吸烟者比较,吸烟者支气管肺泡灌洗液细胞中CXCL5浓度较高。COPD急性加重期CXCL5浓度显著升高[ 2]。

趋化因子CXCL7,又称中性粒细胞活化肽2 (neutrophil-activating peptide-2, NAP-2),是由血小板释放的无活性前体,随后由蛋白酶(如组织蛋白酶G)水解而具有活性。CXCL7结合趋化因子受体CXCR2,对中性粒细胞和单核细胞有细胞趋化作用,这一点与CXCL1类似。尽管COPD患者并未显示CXCL7水平增加,但蛋白酶活性的增加可使CXCL7激活[ 2]。

2.CXCR3相关的趋化因子 有研究发现,COPD患者外周气道T细胞中CXCR3表达增强,CXCR3可由3种趋化因子激活,分别是干扰素-γ诱生单核因子(monokine induced by interferon gamma,MIG)/CXCL9、干扰素诱导蛋白10(IFN-g-inducible protein of 10 000,IP-10)/CXCL10、干扰素-γ诱导的T细胞α趋化因子(IFN-inducible T-cell-α chemoattractant,I-TIC)/CXCL11,其中I-TIC对CXCR3的亲和性更高。细支气管上皮细胞和气道平滑肌细胞中IP-10浓度升高,引起优先表达CXCR3的CD8+T细胞和CD4+ T细胞募集。肺泡巨噬细胞中MIG和IP-10浓度升高,并产生基质金属蛋白酶12(matrix metalloproteinase-12, MMP-12)。CD8+ T细胞和CD4+ T细胞产生干扰素-γ,致使T细胞在肺组织中不断募集。尽管COPD中CD8+T细胞的作用还不清楚,但CD8+T细胞产生的穿孔蛋白和粒酶B,在肺气肿中可以毁损肺泡壁[ 4]。

3.CCR1相关的趋化因子 趋化因子受体CCR1可由3种趋化因子激活,分别是趋化因子巨噬细胞炎性蛋白1α(macrophage inflammatory protein-1α, MIP-1α)/CCL3、巨噬细胞炎性蛋白1β(macrophage inflammatory protein-1β, MIP-1β)/CCL4、调节活化正常T细胞表达分泌因子(regulated upon activation normal T cell expressed and secreted,RANTES)/CCL5。MIP-1α和MIP-1β对中性粒细胞和单核细胞有细胞趋化作用,而RANTES对嗜酸性粒细胞和T淋巴细胞有细胞趋化作用。慢性支气管炎患者MIP-1β浓度升高,而MIP-1α浓度与无症状吸烟患者没有差异。COPD急性加重期RANTES浓度升高,表明RANTES在扩大炎症反应中发挥重要作用[ 5]。

4.CCR2相关的趋化因子 CCR2表达在单核细胞、未成熟树突状细胞、T淋巴细胞上,是单核细胞趋化蛋白-1 (monocyte chemotactic protein-1,MCP-1)/CCL2惟一的趋化因子受体。CCR2还可与MCP-3/CCL7、MCP-2/CCL8和MCP-4/CCL13结合。CCR2结合MCP-1/CCL2可以引起活化的中性粒细胞迁移。COPD中这些炎性细胞增多,MCP-1/CCL2浓度升高,表明CCR2/MCP-1有可能在COPD中发挥重要作用。COPD患者痰中CCR2/MCP-1浓度升高。CCR2/MCP-1水平与1 s用力呼气容量占预计值百分比(FEV1%)呈负相关,而与中性粒细胞数目呈正比,这可能由于单核细胞的迁移,引起中性粒细胞趋化因子分泌,如IL-8或CXCL1。此外还发现COPD患者支气管上皮细胞中CCR2和MCP-1/CCL2 mRNA表达增强。Toll样受体-2(Toll-like recepter-2,TLR-2)和TLR-4可以引起CCR2下调,这可能是终止单核细胞趋化作用的机制[ 6]。

5.CCR3相关的趋化因子 CCR3主要表达在嗜酸性粒细胞、树突状细胞、Th2淋巴细胞、上皮细胞和内皮细胞上。CCR3对嗜酸性粒细胞趋化因子-1(eotaxin-1)/CCL11、RANTES/CCL5具有高度亲和性。CCR3主要对嗜酸性粒细胞有趋化作用,因而在过敏性气道炎症反应中表达较高。尽管稳定的COPD患者中嗜酸性粒细胞并不增多,但是中度到重度恶化的COPD患者嗜酸性粒细胞增多,同时CCR3及其配体CCL11/嗜酸性粒细胞趋化因子-1、RANTES/CCL5表达上调[ 7]。

6.CCR4相关的趋化因子 CCR4主要表达在Th2淋巴细胞上,结合胸腺和活化控制趋化因子(thymus and activation regulated chemokine,TARC)/CCL17及巨噬细胞来源的趋化因子(macrophage-derived chemokine,MDC)/CCL22,二者不仅对过敏性疾病中Th2淋巴细胞具有趋化作用,而且对单核细胞和树突状细胞也有趋化作用。在吸烟诱导炎症的白鼠中,TARC/CCL17 和MDC/CCL22浓度升高,表明CCR4及其配体在COPD中发挥重要作用[ 8]。

7.CCR5相关的趋化因子 CCR5结合MIP-1α/CCL3、MIP-1β/CCL4和RANTES/CCL5,主要表达在粒细胞、巨噬细胞、未成熟树突状细胞、CD8+T淋巴细胞和CD4+T淋巴细胞。CCR5对单核细胞、巨噬细胞、树突状细胞、T淋巴细胞均有趋化作用,而且也是人类免疫缺陷病毒(HIV)的复合受体。中度到重度恶化的COPD患者CCR5+T淋巴细胞增加,肺功能损伤及肺气肿患者CCR5+T淋巴细胞也增加。COPD患者CCR5配体MIP-1α/CCL3、MIP-1β/CCL4和RANTES/CCL5增多。这些均表明CCR5在COPD中发挥重要作用。CCR5缺陷小鼠中吸烟诱导的MIP-1α/CCL3、MIP-1β/CCL4和RANTES/CCL5并没有增多,表明CCR5对其配体的自身诱导也有重要作用。CCR5募集的炎性细胞可以引起炎症介质(如TNF-α和TNF-γ)释放增多,这些炎症介质又可以引起CCR5配体释放增多[ 9]。

8.CCR6相关的趋化因子 CCR6仅有一种配体,即巨噬细胞炎性蛋白3α(MIP-3α)/CCL20,但一些β防御素(β-defensin)也可以结合CCR6,只不过亲和力较低。CCR6表达在未成熟树突状细胞、B淋巴细胞、T淋巴细胞、中性粒细胞、内皮细胞上。CCR6与MIP-3α/CCL20间的相互作用可能是未成熟树突状细胞募集的最主要机制。由于CCR6也对T淋巴细胞有趋化作用,所以CCR6也可能是COPD炎症反应中的另一重要因素。MIP-3α/CCL20主要表达在炎性上皮细胞上,COPD过程中释放的致炎细胞因子可以引起MIP-3α/CCL20表达上调。MIP-3α/CCL20在COPD患者中表达增多。肺组织的树突状细胞表达MIP-3α/CCL20,并且树突状细胞与疾病的严重程度呈正比[ 10]。

9.CX3CR相关的趋化因子 趋化因子CX3CL1结合CX3CR,干扰素-γ作用后在气道上皮细胞中表达增多,而且与单核细胞、T细胞和自然杀伤细胞积聚和黏附到上皮细胞相关。尽管CX3CL1在树突状细胞积聚和COPD的抗原递呈有关,但CX3CL及其受体CX3CR1是否在COPD增多还不清楚[ 11]。

四、趋化因子的蛋白水解酶

CD26/二肽酰肽酶IV(CD26/dipeptidyl-peptidase IV,CD26/DPPIV)是一种与水解趋化因子相关的蛋白酶,是一种丝氨酸蛋白水解酶,可以表达在多种细胞上,尤其是T淋巴细胞。CD26/DPPIV参与免疫调节、信号转导及细胞凋亡,并在肿瘤的发展过程中发挥重要作用。CD26/DPPIV对于在N末端包含脯氨酸或丙氨酸残基的底物具有高度选择性。人类大约三分之一的趋化因子具有含X-Pro N末端的二肽结构域,从而有可能成为CD26/DPPIV的底物[ 12]。

一些趋化因子由基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMP)水解。MMP能降解所有细胞外基质的蛋白成分,包括I型胶原和弹力蛋白。同时具有修复细胞外基质、促进细胞迁移、分解细胞因子和激活防御素的作用,但过量的MMP可能导致组织损伤。MMP由基质细胞和粒细胞表达,在炎症反应或癌症中表达上调。MMP在细胞外基质降解作用中具有重要作用,因而与血管发生和肿瘤进展有关。MMP特殊的趋化因子底物是CCL2/MCP-1、CCL7/MCP-3、CCL8/MCP-2 、CCL13/MCP-4、 CXCL8 和 CXCL12/基质细胞衍生因子(SDF-1)。炎症细胞减少可以引起蛋白水解酶MMP-12减少[ 13]。

组织蛋白酶G、弹性蛋白酶和蛋白水解酶是由活化的中性粒细胞和单核细胞释放产生,因而CXC和CC类趋化因子可能是由这些蛋白酶水解。另外趋化因子N末端的蛋白水解作用可能有CD13/氨肽酶N (CD13/aminopeptidase N ,CD13/APN)、尿激酶型纤溶酶原激活剂(uPA)、纤溶酶(plasmin)和 凝血酶(thrombin)。近来有研究报道了趋化因子C末端和核心区的蛋白水解作用。CCL20/肝脏活化调节趋化因子(LARC)和CCL21/次级淋巴组织趋化因子(SLC)分别在核心区被组织蛋白酶B和D水解失活。因而利用癌症相关的蛋白酶可能有助于发现趋化因子的代谢通路[ 14]。

趋化因子同样可以调节蛋白酶的表达。在巨噬细胞中,CCL2、CCL4 和CCL5可以刺激MMP-9表达。动脉平滑肌细胞中,CCL11/嗜酸性粒细胞趋化因子-1和CXCL12诱导MMP-2的释放。血管内皮细胞中,CCL2 和CXCL8调节膜型基质金属蛋白酶1(MT1-MMP)表达,CCL23调节MMP-2表达[ 15]。

此外,蛋白酶也可通过细胞及细胞外基质结合的氨基葡聚糖来干扰趋化因子的功能。趋化因子与氨基葡聚糖相互作用有利于趋化因子在细胞表面的停滞,因此干扰这种作用可能影响局部趋化因子的浓度并阻止趋化因子的功能[ 16]。

五、趋化因子及其受体在临床中的应用

由于趋化因子受体在炎症反应中起重要作用,应用趋化因子受体拮抗剂,可能为预防和治疗COPD开辟一条新的途径。COPD患者中CXCL8、CXCL1和CXCL5增多,他们共同结合CXCR2,因而阻断CXCR2就可以减少对中性粒细胞和单核细胞的趋化作用。利用抗体中和CXCL8,可以减少COPD患者中CXCL8对中性粒细胞的趋化作用,但这仅能减少30%,这是由于白三烯B4(leukotriene B4,LTB4)和补体C5α对中性粒细胞也具有趋化作用。因此CXCL8抗体在临床上应用价值较小[ 17, 18]。

CXCR2的小分子抑制剂正处于临床研究阶段。吸烟作用的小鼠中,CXCR2拮抗剂可以减少肺组织中中性粒细胞的炎性浸润。选择性的CXCR2拮抗剂SB225002可以抑制中性粒细胞迁移,CXCR2拮抗剂SB332235可以减少单核细胞对CXCL1、CXCL5 和CXCL7的趋化作用,但比起CXCL8的作用小。CXCR1和CXCR2共同拮抗剂SB468477可以抑制单核细胞对CXCL1、CXCL5、CXCL7和CXCL8的趋化作用,这种拮抗剂比CXCR2拮抗剂更有效[ 19, 20]。CCL2是单核细胞的有效趋化因子,巨噬细胞在COPD中具有至关重要的作用,所以阻断CCR2可能是有效的治疗策略。几种小分子抑制剂(包括RS504393)和阻抑抗体(如CCR2抗体MLN1202)正处于研究阶段。目前遇到的问题是CCR2拮抗剂似乎有种属特异性。此外,还有几种小分子CCR5拮抗剂(包括TAK220)一直被研究阻断HIV感染。炎症反应中表达CXCR3和CCR5的T淋巴细胞被募集,因此作用于CXCR3和CCR5的TAK779可能对炎症反应有拮抗作用[ 21, 22]。

六、结语

趋化因子及其受体在COPD发病机制、诊断和治疗的研究中发挥越来越重要的作用,最终可能通过有选择地抑制趋化因子及其受体的表达,减少炎症细胞对组织的浸润,减缓发病,为COPD的预防和临床治疗开辟一条新的途径。应用特异性趋化因子受体拮抗剂或趋化因子短肽类似物与受体结合,阻断信号传导途径可能是一种治疗COPD的有效方法。COPD中的炎症反应是由多种趋化因子受体调控的,因而需要抑制多种趋化因子受体才能取得治疗效果。

趋化因子的调控极其复杂,随着对趋化因子蛋白水解酶功能的深入研究,我们将进一步理解趋化因子的调控机制,这将为治疗COPD提供另一战略。

The authors have declared that no competing interests exist.

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