趋化因子及其受体与气道疾病关系的研究进展

1、文章编号:100126325(20040420366205趋化因子及其受体与气道疾病关系的研究进展高金明,林耀广(中国医学科学院中国协和医科大学北京协和医院呼吸内科,北京100730摘要:气道慢性炎症是哮喘和慢性阻塞性肺疾病的本质特点。炎症细胞浸润组织是炎症和宿主免疫应答的基础,这一过程受到趋化因子的控制。本文将阐述趋化因子及其受体家族的特点,特别是在慢性气道炎症病理生理过程中的作用以及作为气道慢性炎症靶向性治疗的可能性。关键词:趋化因子;受体;气管疾病中图分类号:Q51413;R56文献标识码:A炎症反应的特点是炎症细胞识别炎症灶;特异的白细胞亚群浸润炎症组织;清除致炎因子、受损伤细胞和组织

2、碎片;修复损伤部位。这种复杂的病理生理过程涉及了“细胞因子网”和可溶性介质如趋化因子(chem otactic cytokines,chem okine之间的相互协调。趋化因子与其相应的受体相互作用而发挥前炎、趋化及诱导白细胞脱颗粒等作用。哮喘和慢性阻塞性肺疾病(C OPD的共同特点是各种炎症细胞浸润气道,本文将就趋化因子、受体的生物学特点及其与气道炎症的关系作一综述。1趋化因子1炎症反应早期由白介素21(interleukin21,I L21、肿瘤坏死因子(tum or necrosis factor,T NF、细胞表面分子及趋化因子介导。趋化因子是指对中性粒细胞、嗜酸性粒细胞、嗜碱性粒细胞

3、、单核细胞、肥大细胞、树突细胞、NK细胞、T和B淋巴细胞具有强大趋化作用的细胞因子。人类趋化因子是由四个结构上紧密相关的多肽家族构成,即CXC、CC、C和CX3C趋化因子。趋化因子在结构上的共同特点是在氨基(NH2末端存在保守的半胱氨酸。CXC家族趋化因子的NH2末端最前面的两个半胱氨酸间存在一个非保守的氨基酸;CC家族趋化因子的NH2末端最前面的两个半胱氨酸间紧密相连;C家族趋化因子在长的NH2末端有一个半胱氨酸;CX3C家族趋化因子的NH2末端最前面的两个半胱氨酸被三个非保守的氨基酸分开。CXC趋化因子位于第4号染色体;CC家族趋化因子位于第17号染色体;C和CX3C趋化因子分别为淋巴细胞

4、趋化因子(lym photactin和fractalkine,分别位于第1和16号染色体。这四个趋化因子家族成员间有20%40%的同源性,分子量从710ku,均为结合肝素的碱性蛋白。根据CXC家族趋化因子的结构功能区的第1个半胱氨酸前是否存在谷氨酸2亮氨酸2精氨酸(G lu2Leu2Arg,即E LR结构,CXC趋化因子又可进一步分为E LR+CXC和E LR-CXC趋化因子。E LR+CXC趋化因子是作用强的中性粒细胞趋化因子并具有促进血管新生的作用;而E LR-CXC趋化因子对单核细胞具有趋化作用并抑制血管发生。基质细胞衍生因子(stromal cell2derived fator21,S

5、 DF21是一个E LR-CXC趋化因子,它具有诱导淋巴细胞移动,抑制T细胞被人类免疫缺陷病毒(HI V21亲淋巴细胞株感染。在体外,S DF21能诱导人脐静脉内皮细胞移动;在体内,S DF21减弱了E LR+CXC趋化因子促血管发生的活性。CC趋化因子对单核细胞、T和B淋巴细胞、NK细胞、树突细胞、嗜酸性粒细胞、嗜碱性粒细胞及肥大细胞具有强大的趋化活性。CX3C趋化因子即fractalkine是一种糖蛋白,对T细胞及单核细胞有趋化作用。C家族趋化因子只有一个即淋巴细胞趋化2004年8月第24卷第4期基础医学与临床Basic Medical Sciences and ClinicsAugust

6、.2004V ol.24N o.4收稿日期:2004-06-16因子,主要表达于胸腺,其功能是从骨髓募集未成熟的T淋巴细胞。2趋化因子受体(chemokine receptor可溶性的趋化因子与其特异性受体间的相互结合发挥其生物学功能。趋化因子受体是目前已知最大的细胞表面受体家族。到目前为止,已知有11个CC趋化因子受体,5个CXC趋化因子受体,1个CX3C趋化因子受体和1个C趋化因子受体2,3。趋化因子受体分布于白细胞,这一特点使其对不同亚型的白细胞具有特异的选择性趋化作用。CXC趋化因子如I L28选择性地激活中性粒细胞,CC趋化因子如RANTES和嗜伊红素对多种细胞成份如巨噬细胞、嗜酸性

7、粒细胞和嗜碱性粒细胞有趋化作用。趋化因子受体的表达不仅局限于炎症细胞,许多结构细胞如上皮细胞、内皮细胞、平滑肌细胞和成纤维细胞也有趋化因子受体的表达(表1。要表达CCR3、CCR4和CCR8。巨噬细胞炎症蛋白(macrophage inflammatory protein,MIP21是CCR5的配基;可诱导蛋白210(inducible protein210,IP210、Mig 和干扰素诱导的T细胞趋化因子(interferon22in2 ducible T cellchem oattractant,I2T AC是CXCR3的配基,这四个趋化因子选择性趋化Th1细胞、CCR3的配基嗜伊红素、C

8、CR8的配基I2309;CCR4的配基胸腺激活调节的趋化因子(thymus and activation2regulat2 ed chem okine,T ARC和巨噬细胞衍生趋化因子(mac2 rophage2derived chem okine,MDC只对Th2细胞具有趋化作用。单核巨噬细胞、中性粒细胞和Th1细胞表达CCR1和CCR5,而CCR1和CCR5的配基又对上述细胞具有趋化作用。4趋化因子介导的信号传导在炎症中的作用CXC趋化因子家族成员涉及了全身系统炎症机制,肺组织I L28水平的升高与ARDS的死亡率呈正相关5,细胞因子的瀑布式反应还见于肝缺血再灌注模型,肝衍生的T NF诱导

9、肺产生E NA278,后者与表1气道疾病相关的趋化因子家族T able1Chemokine family associated with airw ay diseases趋化因子受体趋化因子配基表达的细胞类型组织潜在治疗的疾病CCR1MIP21,MIP21,RANTES,MCP22,MCP23NK细胞,T淋巴细胞,巨噬细胞,嗜碱性粒细胞,嗜酸性粒细胞,中性粒细胞重症哮喘CCR2MCP21,2,3,4,5单核细胞,记忆T淋巴细胞,B淋巴细胞,嗜碱性粒细胞,中性粒细胞COPD,慢性支气管炎,哮喘CCR3E otaxin,22,23,RANTES,MCP22,23,24,MIP21,MIP21嗜酸性

10、粒细胞,Th2细胞,嗜碱性粒细胞,肥大细胞哮喘和过敏性疾病CCR4M DC,T ARC,MCP21Th2细胞,NK细胞过敏性疾病CCR8I2309,T ARC Th2细胞,单核细胞,脑,脾,和淋巴结过敏性疾病CXC趋化因子受体CXCR1I L28,G CP22,E NA278中性粒细胞,巨噬细胞COPD,慢性支气管炎,重症哮喘CXCR2I L28,NAP22,E NA278,G RO,中性粒细胞,巨噬细胞,嗜酸性粒细胞COPD,慢性支气管炎,重症哮喘3趋化因子受体在T细胞的表达4不同类型的白细胞可特异地表达几种趋化因子受体,其表达受T细胞激活和分化的不同阶段、所表达的组织及抗原递呈细胞的调节。

11、寄居于皮肤和小肠的T细胞表达CCR4和CCR9;从人肺泡灌洗液分离的T细胞表达CXCR3、CCR5和CCR4;Th1淋巴细胞选择性地表达CCR5和CXCR3;Th2淋巴细胞则主中性粒细胞相关的肺损伤相关6。相反,CXC趋化因子介导了细菌性肺炎时中性粒细胞对细菌的清除7。CC趋化因子家族成员中的巨噬细胞趋化蛋白21(macrophage chem ocettractant protein1,MCP21和RANTES在败血症时有表达,这两个趋化因子通过募集并激活组织特异性的白细胞而发挥前炎作用。MCP21在系统性炎症反应中具有更为广泛的作用,败血症和休克患者MCP21明显升高,并且与死亡率673基

12、础医学与临床Basic Medical Sciences and Clinics2004124(4升高有关。预先使用MCP21可避免致死剂量的细菌和内毒素导致小鼠的死亡8。MCP21不仅使绿脓杆菌感染小鼠死亡率降低,还能有效地保护环磷酰胺导致粒细胞减少小鼠抗绿脓杆菌感染的能力。以上事实说明了趋化因子在炎症反应中的多效性作用。5趋化因子及其受体与气道炎症的关系无论哮喘还是C OPD都是气道慢性炎症,趋化因子通过其相应受体不仅募集炎症细胞进入气道,而且对炎症细胞的信号传导及免疫反应的类型有很重要的作用,因此趋化因子及其受体在炎症性疾病发病中的作用是目前研究的热点9。下面就与气道炎症相关的趋化因子及

13、受体做一总结。511CCR3在CC趋化因子家族中,研究最为深入的是嗜伊红素,它通过与CCR3的相互作用而对嗜酸性粒细胞具有趋化作用。CCR3受体除表达于嗜酸性粒细胞外,嗜碱性粒细胞、肥大细胞和Th2细胞均有表达。CCR3结合很多CC家族的趋化因子包括RANTES、MIP21、MIP22、MIP23、MIP24、嗜伊红素22和嗜伊红素23。其中,嗜伊红素在体内和体外都具有诱导嗜酸性粒细胞趋化和移动的能力。抗嗜伊红素抗体可明显减弱嗜酸性粒细胞对肺的浸润,嗜伊红素基因敲除小鼠可见抗原诱导的组织嗜酸性粒细胞增多现象明显减弱。给豚鼠注射CCR3中和抗体,随后注射嗜伊红素,侵入肺的嗜酸性粒细胞现象明显减少

14、10。使用抗人CCR3抗体可抑制人嗜酸性粒细胞对嗜伊红素、RANTES、MCP22、MCP23和MCP24的反应11。以上研究提示,针对CCR3受体的治疗效果较之某一趋化因子的效果更为明显。在过敏原激发后,上皮细胞是产生嗜伊红素的主要来源。Th2细胞因子I L24和I L213可诱导许多细胞表达嗜伊红素,但肺上皮细胞即使在无Th2细胞的情况下也可分泌嗜伊红素12。哮喘患者的支气管粘膜有CCR3及其配基的表达13,CCR32嗜伊红素轴对于募集Th2淋巴细胞浸润过敏灶也具有重要作用,抗CCR3抗体可抑制嗜伊红素引起Th2细胞对小鼠肺的浸润、抗原诱导的嗜酸性粒细胞血症及过敏原诱导的支气管收缩。人嗜碱

15、性粒细胞也有CCR3的高表达,在体外用嗜伊红素刺激后,嗜碱性粒细胞释放组胺和白三稀的炎症介质。体外实验还表明,嗜伊红素对肥大细胞的移动、原位分化及脱颗粒也有一定的作用。CCR3趋化因子相对于受体来说存在“过剩”现象,这些趋化因子与受体间的作用方式是时间依赖性的。有一项研究将过敏原注入特应质患者的皮肤,结果表明嗜伊红素在炎症反应早期6h对嗜酸性粒细胞的募集起作用,而嗜伊红素22和MCP24在晚期24h起作用。此外,嗜碱性粒细胞浸润皮肤的高峰在24h,与嗜伊红素22和MCP24表达峰值一致。因此,在过敏性哮喘发病的全过程中,炎症细胞的募集在时间和空间上受到趋化因子表达的调控13。512CCR48C

16、CR4是CC家族趋化因子胸腺激活调节趋化因子(thymus and activation2regulated chem okine, T ARC和巨噬细胞衍生趋化因子(macrophage2derived chem okine,MDC的高亲和力受体。CCR4受体高表达于Th2淋巴细胞。中和MDC可显著抑制鼠嗜酸性粒细胞浸润肺,降低支气管的反应性并调节Th2细胞因子,特别是I L24的表达。目前认为CCR4的功能包括树突细胞的信号传导、T细胞再循环进入淋巴结、T细胞成熟后从胸腺游出、T细胞移入异位淋巴样组织及T细胞从寄居部位浸润皮下炎症部位。故有学者假设如果针对CCR4靶位设计一个抑制剂,将为T

17、细胞始动疾病的治疗带来希望14。另一个T h2细胞特异表达的趋化因子受体是CCR8,其配基在人是I2309,而小鼠则为T激活特异基因3(T2cell activation2specific gene3,T C A3,这两个趋化因子在体外对T h2细胞具有很强的趋化活性。CCR8基因敲除小鼠的表型与I L24基因敲除的表型相似,使用蟑螂为致敏源复制哮喘模型,表明两种基因敲除小鼠血嗜酸性粒细胞增多和支气管周围嗜酸性粒细胞浸润现象明显减弱,并且气道高反应性也明显降低15。CCR8在胸腺及T h2细胞的高表达提示了它在T h2依赖的过敏性炎症反应中有一定作用。513CCR2CCR2有2种形式即CCR2

18、a和CCR2b,CCR2b占大多数。CCR2可见于多种与呼吸系统疾病相关的细胞类型如单核细胞、T淋巴细胞、B淋巴细胞和嗜碱性粒细胞,并且CCR2的配基MCP21对激活的中性粒细胞具有趋化作用。有证据表明C OPD患者的肺组织有MCP21和CCR2的高表达,而且C OPD患者肺的巨噬细胞、T细胞、上皮细胞和内皮细胞均表773达MCP21和CCR2,它们的表达与C OPD患者肺内肥大细胞和巨噬细胞的增多有关16。CCR2MCP21轴也是过敏性炎症疾病如哮喘的一个研究兴趣点,CCR2基因敲除小鼠在用蟑螂致敏后支气管高反应性明显降低,MCP21抗体可显著减弱卵蛋白致敏小鼠的气道高反应性、单核细胞和嗜酸

19、性粒细胞的积聚并最终消除了肺组织的T细胞的存在,并与致敏小鼠肺泡灌洗液中IgE、I L24和I L25水平的降低相一致。卵蛋白激发的研究结果显示MCP21基因缺乏小鼠不能产生Th2样反应,淋巴结I L24、I L25和I L210的表达水平降低,但IFN2和I L22表达水平正常。虽然CCR4高表达于Th2细胞与MCP21有非常高的亲和力,但不排除MCP21是通过CCR4而非CCR2发挥其生物学作用17。另一个CC家族趋化因子即CCR1能结合大多数CC家族的趋化因子如MIP21、RANTES、MCP22、MCP23和MIP25,它表达于NK细胞、树突细胞、巨噬细胞、中性粒细胞、嗜酸性粒细胞和嗜

20、碱性粒细胞, CCR1基因敲除小鼠对胰腺炎诱发的肺泡炎具有防护作用,该研究还表明CCR1对Th1Th2的平衡也有影响4。514CXCR家族受体I L28是CX CR1和CX CR2的天然配基,CX CR12结合具有E LR氨基酸结构的CX C趋化因子,如E N A278, G CP23,N AP22,G r o,CX CR2对G r o、E N A278、N AP22有高度选择性,而CX CR1受体对I L28选择性高。CX CR1和CX CR2高表达于中性粒细胞、巨噬细胞、激活的嗜酸性粒细胞、嗜碱性粒细胞、T淋巴细胞、肥大细胞和树突细胞,在体内只有表达于中性粒细胞和巨噬细胞的CX CR1和C

21、X CR2受体才有功能。因为中性粒细胞在慢性支气管炎,重症哮喘和C OP D的炎症反应中起重要作用,有学者认为抗CX CR1和CX CR2的药物有助于这3种疾病的治疗14。现已有CX CR2和I L28的阻断抗体、抑制性肽和小分子量的拮抗剂。小分子量的拮抗剂具有抑制I L28和G r o介导的人和大鼠中性粒细胞在体外的趋化活性及I L28诱导的大鼠中性粒细胞的移动能力。CX CR1和CX CR2在体外对人中性粒细胞的作用各不相同, CXCR1是I L28的受体,介导了中性粒细胞的趋化活性、过氧化物的产生及磷酯酶D的激活;而CXCR2是NAP22和G ro的受体,G ro对中性粒细胞具有趋化活性

22、。CXCR12均介导了激动剂所引起的钙内流和中性粒细胞脱颗粒15。CXCR3仅被Th1淋巴细胞特异表达,CXCR4对总T细胞具有抑制作用14。6治疗展望不同于传统的抗炎治疗,趋化因子激活可特异性地使炎症细胞向远处炎症部位移动,因此设想通过抑制趋化因子的活性可达到抗炎的作用。不同类型的趋化因子及其受体趋化不同类型的白细胞,趋化因子还通过改变细胞因子的分泌及介导白细胞亚群的激活和脱颗粒而影响了免疫反应的最终结局。特异性趋化因子间的相互协调作用及特异性受体在不同白细胞亚型的表达可能决定了炎症反应的类型、强度和严重性,这使得趋化因子受体成为理想的治疗靶位,目前已开发出几个小分子的趋化因子受体的拮抗剂,

23、相信不久将用于临床试验,我们期待着这些新的药物能为炎症性疾病的治疗带来新的希望。参考文献:1S trieter RM,K unkel S L.Chem okines in the lungA.SecondEdition,Crystal R,West J,et al.Scientific F oundationM.New Y ork:Raven Press,1997.155-186.2Z lotnik A,M orales J,Hedrick JA.Recent advances in chem o2kines and chem okine receptorsJ.Crit Rev Immunol

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