肾上腺素能促炎通路

儿茶酚胺与炎症的研究进展青年委员会2009年年会论文投稿 刘念,徐军美 (中南大学湘雅二医院麻醉科,湖南长沙410011) 电话:0731-******* 邮箱:liunian82@ gmail.com 类别:麻醉临床与基础研究摘要目前认为自主神经系统(autonomic nervous system,ANS)在炎症过程中通过交感神经和副交感神经通路与免疫系统相互作用。ANS在神经-内分泌-免疫调节网络中的作用举足轻重。最近的研究已经证实,迷走神经的输出信号,通过吞噬细胞的胆碱能受体发挥重要的炎症调控作用。该“胆碱能抗炎通路”(cholinergic antiinflammatory pathway,CAP)可以使吞噬细胞失活,抑制细胞因子释放,对于控制全身及局部的炎症有重要意义。肾上腺素能系统与免疫系统的相互作用可能和副交感神经系统正相反,与CAP相抗衡。不同来源的儿茶酚胺(catecholamines,CAs)通过神经-体液机制或自分泌/旁分泌的方式作用于肾上腺素能受体(adrenergic receptors,ARs),从而发挥促炎的效应。我们称之为“肾上腺素能促炎通路”。 关键词儿茶酚胺;细胞因子;炎症;肾上腺素能促炎通路 Development of research on catecholamines and inflammatory LIU- Nian,XU Jun-mei (Department of Anesthesiology Second Xiangya Hospital,Central South University,Changsha ,Hunan 410011,P.R.China) Abstract It is becoming increasingly clear that the autonomic nervous system and the immune system demonstrate cross-talk during inflammation by means of sympathetic and parasympathetic pathways.One of the key pathways involved in the neuroendocrine–immune modulating network is the autonomic nervous system. Recently, vagal parasympathetic signalling has been shown to have an important regulatory function in inflammation through cholinergic receptors on phagocytic cells . Cholinergic anti-inflammatory pathway leading to cellular deactivation and inhibition of cytokine release, plays a critical role in controlling the systemic and local inflammations.Functional interplay of the adrenergic nervous system with the immune/inflammatory system may counterbalance effects of the parasympathetic nervous system.Various sources of catecholamines by means of neural ,humoral or an autocrine/paracrine way can exert pro-inflammatory effects through adrenergic receptors on phagocytic cells during inflammation .We can call it adrenergic pro-inflammatory pathway. Key words adrenergic pro-inflammatory pathway; catecholamines;cytokines; inflammatory 感染、创伤等外界刺激会引起机体免疫细胞释放致炎因子并导致炎症反应。适当的免疫与炎症反应是维持健康所必需的,但炎症反应不足或过强/不当都会对人体造成危害。事实上,人体的许多疾病的真正的罪魁正是机体自身对一些轻微的损害或病原体的不适当的炎症或免疫反应的结果。一方面,缺乏足够的炎症反应的免疫缺陷,导致感染和癌症的发生率增加。另一方面,炎性介质过度释放导致全身性炎症反应,伴随发生严重并发症,可造成全身炎症反应综合征(systemic inflammatory response syndrome, SIRS)、引起休克和多器官功能障碍综合症(multiple organ dysfunction syndrome, MODS);而许多慢性病如类风湿性关节炎、克隆病等都与不当的炎症反应有关。 近年来的研究表明,神经系统和免疫系统具有复杂的双向作用,以维持 机体的稳态。而神经系统的免疫调节功能逐渐成为研究热点。下丘脑-垂体-肾上腺(hypothalamic- pituitary- adrenal ,HPA)轴和自主神经系统(autonomic nervous system,ANS)是神经系统和免疫系统相互作用的两个关键系统[1]。ANS控制内脏功能和腺体活动,ANS有两个主要分支:交感神经和副交感神经通路,二者协同或拮抗调节机体的基本生理活动。自主神经系统一方面通过交感神经和迷走神经的输出,直接控制炎症反应水平;另一方面,通过激活肾上腺髓质,控制肾上腺素及去甲肾上腺素的释放来调节炎症反应。 1.“胆碱能抗炎通路”(cholinergic antiinflammatory pathway,CAP) 最近研究证明,机体内存在反射性的调控炎症反应的神经通路[1]。炎症刺激感觉神经,将信息传递到下丘脑,发出迅速的、自发的抗炎反应,以阻止炎性介质溢出到血液循环中。 CAP主要指中枢的免疫调节信号通过激活传出迷走神经,引起外周神经末梢释放乙酰胆碱(acetylcholine,ACh),与免疫细胞上具有α7亚单位的N 型ACh受体结合,通过细胞内信号传导抑制促炎因子的释放,调控炎症反应。CAP与HPA轴和交感神经系统(sympathetic nervous system,SNS)等神经内分泌免疫调节通路具有广泛联系。 在外周,ACh主要由交感神经的节前纤维、副交感神经节前和节后纤维释放。ACh通过毒蕈碱型受体(M受体)和烟碱型受体(N受体)发挥作用。这些受体的亚型和亚单位的RNA存在于大量的淋巴细胞和其他免疫细胞或可产生细胞因子的非免疫细胞上。ACh能够抑制炎症反应时促炎介质的释放,包括肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor α,TNF-α)、白介素(interleukin,IL) 等。 TNF-α主要由巨噬细胞和活化T细胞产生,是局部和全身炎症反应所必需的调节因子。Borovikova等[2]在体外实验中观察到ACh或其他拟胆碱药,可抑制内毒素(lipopolysaccharide,LPS)刺激引起的巨噬细胞大量释放TNF-α,并认识到ACh的抗炎靶点是作用于蛋白水平,而非转录水平。 IL是细胞损伤或感染时介导急性时相反应的一类多肽,具有广泛的免疫学活性。Borovikova等[2]研究表明,ACh可抑制由内毒素刺激巨噬细胞所产生的促炎性细胞因子IL-l、IL-6、IL-18的释放,但并不抑制抗炎细胞因子IL-l0的释放。而ACh可能也是通过转录后机制抑制IL的释放。巨噬细胞对ACh的高度敏感性,提示神经细胞以外的能分泌ACh的细胞,如上皮细胞、T淋巴细胞等参与邻近组织巨噬细胞功能的调节[3]。 外周血单核细胞表面存在M受体和N受体,两者均能与ACh结合,抑制TNF在体内的合成,以N型受体为主。已证实人类有l6种不同的N型ACh受体亚单位,而完全分化的初级巨噬细胞特异地表达α7亚单位。该亚单位与胆碱能抗炎通路的功能相关。通过基因敲除而缺失α7亚单位的小鼠与野生鼠比较,在内毒素血症状态下血浆中存在更多的TNF-α、IL-1和IL-6。而且,电刺激野生鼠的迷走神经可以降低血浆和组织中促炎细胞因子的水平,但对α7亚单位缺失的小鼠无效[4]。很多实验证明迷走神经对各主要脏器和外周局部炎症反应有显著作用。如Bernik等[5]以电刺激迷走神经能减少缺血再灌注损伤所导致的全血TNF升高,抑制心脏和肝脏TNF-α生成,缓解缺血再灌注引起的休克,但对肺脏和肾脏的TNF-α生成没有显著抑制。 2.“肾上腺素能促炎通路”的设想 肾上腺素(epinephrine,E)、去甲肾上腺素(norepinephrine,NE)及多巴胺统称为儿茶酚胺(catecholamines,CAs)。本文所讨论的主要是E和NE。CAs 通过肾上腺素能受体将胞外信号转导至细胞内,产生生物学效应,调节脏器的功能。肾上腺素能受体(adrenergic receptors,ARs)主要有α受体和β受体。其中α受体分为α1、α2,各自还具有不同的亚型,而β受体主要分为β1、β2、β3三型。去甲肾上腺素对α受体亲和力较强,而肾上腺素对β受体亲和力更强。 外周儿茶酚胺(CAs)主要来源于肾上腺髓质和交感神经节后纤维。近年来发现免疫细胞能自主合成CAs,可以看作一种新的CAs 能系统[6]。肾上腺素能受体广泛表达在各种免疫细胞、脂肪细胞、心肌细胞和其它多种类型细胞上,介导CAs调节细胞因子水平和炎症反应。 通常自主神经系统的交感与副交感这两部分作用相反,那么机体是否可能存在“肾上腺素能促炎通路”,作为与“胆碱能抗炎通路”的抗衡呢?α受体和β受体各自在促炎方面有哪些最新的研究进展呢? 2.1 α受体的促炎效应 2.1.1 α1受体 NE通过外周血单个核细胞(human peripheral blood mononuclear cells ,PBMCs)的α1受体,活化细胞外信号调节激酶(ERK)-2通路,从而增加IL-6及TNF-α的释放[7]。Bierhaus等[8]通过研究社会心理应激活化PBMCs 的机制时发现,该应激可引起NE明显增加,NE通过α1和β受体诱导NF-κB 活化,从而激活PBMCs,释放细胞因子。其中ERK1/2和p38促分裂原活 化蛋白激酶(MAPK)的激活在该机制中起中心作用。E的增加不明显,但对NE诱导NF-κB的活化起到协同作用,与NF-κB活化程度相关。 2.1.2 α2受体 内毒素血症时,外周交感神经活性增强,导致血浆NE增高,而肠道是内毒素血症初期交感神经输出的重要器官。肠源性NE通过肝脏Kupffer细胞的α2受体,可以增加TNF-α的释放,引起早期肝功能的障碍[9-11]。酪氨酸羟化酶(tyrosine hydroxylase,TH)的基因及蛋白的表达增强,可能与这种肠源性NE的增加有关[12]。而使用α2受体阻滞剂能够显著降低LPS诱导的小鼠血浆巨噬细胞炎性蛋白(MIP)-1α的水平[13]。α2受体激动剂如可乐定等能够诱导小鼠巨噬细胞大量分泌IL-12,α2受体阻滞剂、p38MAPK抑制剂及蛋白激酶C(PKC)抑制剂皆能显著减少IL-12的产生。这表明α2受体激活后,进一步活化PKC/p38MAPK信号通路,促进IL-12的表达[14]。 Nicola等[15]发现E主要通过α2受体增加P-选择素及糖蛋白Ⅱb/Ⅲa 的表达,从而增强血小板和中性粒细胞的粘附。 近来的研究表明,免疫细胞如淋巴细胞、巨噬细胞等能够自身合成、储存、释放CAs,通过自分泌/旁分泌的形式作用于肾上腺素能受体,调节炎症介质的释放。Engler等[16]认识到活化巨噬细胞产生的CAs能够调节IL- 1β的释放,α2受体阻滞剂可以明显减少细胞外IL- 1β的水平。Flierl等[17]通过两种急性肺损伤的动物模型发现,使用α2受体阻滞剂,能够大幅度减少促炎因子TNF-α、IL- 1β、IL-6的释放,减轻肺损伤,而使用α2受体激动剂会产生相反的效应。通过使用CAs合成酶和分解酶阻滞剂,改变体内CAs 的水平,同样可以调控炎症。该实验认识到吞噬细胞产生的CAs能够增强 急性炎性损伤。 2.2 β受体的促炎效应 2.2.1 β受体与免疫细胞 巨噬细胞高度表达β2受体,是促炎因子的一个主要来源。以往的研究表明,转录因子NF-κB是巨噬细胞上促炎信号通路的主要调节因子。激活巨噬细胞上β2受体,可以抑制转录因子NF-κB,从而抑制LPS诱导的促炎因子TNF-α、IL- 1β、IL-6的释放[18]。由此β2受体的抗炎性质被认识。 然而最近的一些研究显示,在没有外源性刺激的情况下,活化β2受体可以促进促炎性细胞因子的释放。Tan等[19]通过应用β2受体激动剂对鼠的巨噬细胞进行刺激后发现,IL- 1β、IL-6的转录及蛋白合成明显增加。使用蛋白激酶A(PKA)或NF-κB通路的抑制剂不能阻断这些细胞因子的释放。该试验还表明β2受体激活后,经B-raf-ERK1/2和p38 MAPK通路,活化转录因子ATF-1和ATF-2,从而刺激cAMP效应元件(CRE),引起IL- 1β、IL-6的释放增加。 Szelenyi等[20]发现即使是受到炎性刺激的巨噬细胞,由于刺激物不同,β2受体激活所表现的免疫调节作用不同。LPS是研究单核/巨噬细胞系统最常用的诱导剂,它可以通过结合巨噬细胞表面的CD14/TLR4受体复合物,诱导NF-κB活化,引起炎症反应[21]。然而巨噬细胞也可以因其他受体受刺激而活化,包括FcγR及各种细胞因子、化学因子、佛波醇等受体。采用PKC 激动剂佛波醇-肉豆蔻-乙酸(PMA)和LPS分别诱导巨噬细胞活化,同时加入异丙肾上腺素(Iso)激动β2受体,发现前者TNF-α、IL-12、NO的释放明显增加,而后者则显示相反的效应。这种差异和ERK1/2和p38 MAPK的活化是 否受抑制有关。而不同亚型的PKC通路的活化也可能与β2受体表现的不同的免疫调节效应有关[20]。PKC/ PKCα活化后可以进一步激活Ras-Raf-1-ERK1/2通路,促进TNF-α释放[22]。使用PKC抑制剂观察TNF-α的变化时发现,LPS结合CD14/TLR4受体复合物所激活的信号传导通路中, PKC通路的活化只占了很小的一部分(7%),而PMA组PKC通路的活化达到70%。有研究显示LPS可以活化PKC-zeta,而后者属一种非典型的PKC 亚型[23]。因此,尽管LPS可以使PKC通路活化,β受体激活后可以进一步激活PKC/MAPK信号通路,但由于该PKC通路所占比例较少,β受体更多是显示其他信号通路活化后的效应,因此整体上未表现出促炎效应。 2.2.2 β受体与非免疫细胞 β受体激活后显示的促炎效应在许多不同类型的细胞上都得到证实,如骨骼肌细胞、垂体细胞、脂肪细胞、心肌细胞、心肌成纤维细胞等[24-27]。 Frost 等[24]发现,E可以刺激β受体显著增加骨骼肌细胞IL-6基因和蛋白质的表达,而内毒素可以起到协同作用。其中c-Jun氨基端激酶(JNK)和p38 MAPK等应激激酶和组蛋白脱乙酰基酶的活性,对于IL-6的合成起关键作用。而脂肪细胞上的β2/β3受体活化后同样可以刺激IL-6的合成,因此对于肥胖症患者来说,交感激活所引起的血浆IL-6浓度的增加,更多的是来源于脂肪组织,而不是巨噬细胞[26]。 体外和体内实验早已发现β受体兴奋后通过Gs-AC-cAMP信号通道影响IL-6的分泌。Yin等[27]发现心肌成纤维细胞是IL-6分泌的主要来源而不是心肌细胞。心肌成纤维细胞主要分布β受体,该细胞经异丙肾上腺素(Iso)处理后,导致β2受体兴奋,通过Gs-AC-cAMP信号通道诱导IL-6分泌, 此通道可被Gi和PI3K负性调节。进一步研究发现,p38MAPK抑制剂SB203580可以减少Iso诱导的IL-6释放。而且,p38MAPK能被Gs-AC-cAMP 正性调节,被Gi-PI3K负性调节。同时,调节IL-6基因的多个转录因子(AP-1,CEBP,NF-KB, CREB)被激活,这种激活是上游cAMP-p38MAPK和下游IL-6基因转录关联的本质。 Chen等[28]发现E可以通过刺激β受体,促进冠脉内皮细胞表达细胞间粘附分子(CAM)的表达,从而增强中性粒细胞的粘附,该效应可以被β受体阻滞剂普萘洛尔减弱。 Aninat等[29]研究CAs对LPS诱导的肝细胞的作用时发现,E和NE能明显增强肝细胞IL-6和C 反应蛋白(CRP)mRNA的表达,其IL-6的量足以引起肝细胞的炎症反应,与此同时,肝细胞的功能也明显受损。β1和β2受体激动剂也表现此效应,只是程度较弱,而α受体激动剂无此效应。 2.3 去交感神经对炎症的影响 Zhu等[30]报道阻断供肝交感神经和抑制供肝Kupffer细胞能明显下调肝组织P-选择素、ICAM-1基因表达,减轻移植肝的缺血再灌注损伤。Xia等[31]发现去交感神经状态可减轻CCl4致急性肝脏内严重的炎症反应而引起的肝功能损害的程度,却对正常肝脏无明显影响。该实验室现正应用急性肝损伤模型、cDNA芯片技术和磷酸化蛋白质组学技术对交感神经调控Kuppfer细胞活化启动促炎通路的机制行进一步研究。 由于共同存在于神经和免疫系统,CAs可以看做是神经-内分泌-免疫调节网络中的“通用语言”,通过作用于不同的肾上腺素能受体,参与炎症反 应的调控。而α受体和β受体都具备促炎特性,提示体内可能存在调控全身和局部炎症反应的“肾上腺素能促炎通路”。即交感神经系统(SNS)兴奋和/或免疫细胞活化后,合成并释放E和NE,与免疫细胞上α受体和/或β受体结合,通过细胞内信号传导促进促炎因子的释放,调控炎症反应。其中MAPK 信号通路(主要是ERK1/2、JNK和p38MAPK)的激活可能在该促炎通路中起关键的作用。至于该通路在炎症过程中如何与其他抗炎通路相联系,如何衡量不同来源的CAs所起的作用,以及多巴胺是否参与此通路,作用如何等问题,则需要进一步研究。 3. 展望 炎症的发生与发展是一个复杂的过程,受到很多因素的影响和调节。对于全身炎症反应综合征(SIRS),临床上使用阻止炎症级联反应的多种细胞因子的抗体及炎症介质的拮抗剂进行抗炎治疗的试验结果并不理想,至今仍无有效的治疗方法。随着对神经调节炎症的分子和受体机制的知识不断增多,尤其对胆碱能抗炎通路和肾上腺素能促炎通路的深入研究,人们可能会从新的角度对全身炎症反应及相应脏器损伤的发生、发展及调节机制重新认识,为过度炎症反应以及MODS的治疗提供了新的思路,同时也为目前仍缺乏有效治疗手段的一些炎症损害性疾病的防治开辟一条新途径。 参考文献 [1] Tracey KJ. 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