劉宇宸,王向明,萬平民,高 景,張軼鳳,王定發(fā),齊智利

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院,湖北 武漢430070;2.武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所,湖北 武漢 430070)

熱應(yīng)激一直是限制畜牧業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素,是國內(nèi)外的研究熱點,隨著全球氣溫的升高,熱應(yīng)激給畜牧業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟損失。當外界環(huán)境溫度超過機體自身調(diào)節(jié)能力時,會引發(fā)機體產(chǎn)生一系列的免疫應(yīng)答反應(yīng),即熱應(yīng)激。動物如果長時間處于熱應(yīng)激狀態(tài)會導(dǎo)致免疫器官萎縮,特異性細胞免疫和體液免疫功能受到抑制,非特異性免疫能力大大降低[1],促進炎性介質(zhì)的釋放,誘導(dǎo)白細胞分泌活性氧,使一系列炎性因子如腫瘤壞死因子-α(Tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白細胞介素(Interleukin,IL)-1β和IL-6等的表達上調(diào),并在粘附因子和趨化因子的作用下激活白細胞向受感染或損傷的部位聚集,從而引發(fā)炎癥反應(yīng),最終導(dǎo)致動物發(fā)病甚至死亡[2]。因此本文就熱應(yīng)激在免疫細胞、炎性介質(zhì)、粘附因子和趨化因子3個方面對炎癥反應(yīng)的作用機理進行綜述。

圖1 TLR-4介導(dǎo)的LPS信號傳導(dǎo)

1 熱應(yīng)激與免疫細胞

巨噬細胞、肥大細胞和嗜中性粒細胞被認為是炎癥反應(yīng)的主要免疫細胞。肥大細胞廣泛分布于皮膚和內(nèi)臟黏膜微血管周圍,是天然炎癥反應(yīng)的最初反應(yīng)細胞[3]。該細胞通過釋放多種炎性介質(zhì)、趨化因子和生長因子等,啟動宿主對病原體的免疫應(yīng)答和炎癥反應(yīng)。當機體處于熱應(yīng)激條件時,激活肥大細胞釋放大量組胺和其他炎性介質(zhì),增加血管通透性,黏膜充血、水腫,引起炎癥反應(yīng);同時隨著肥大細胞的逐漸增多,其釋放的炎性介質(zhì)也會逐漸增多而暴發(fā)瀑布效應(yīng),加速炎癥反應(yīng)的發(fā)生[4]。

巨噬細胞是一種多功能免疫細胞,是機體對感染源等發(fā)生排斥的第二線細胞,在全身性炎癥反應(yīng)中通過分泌多種生長因子、趨化因子、炎性因子和免疫調(diào)節(jié)因子等發(fā)揮作用[5]。研究發(fā)現(xiàn),熱應(yīng)激通過促進NLRP3炎性小體的形成激活半胱氨酸天冬氨酸酶-1(Caspase-1),促使巨噬細胞釋放IL-1β,使外周血中的IL-1β的含量明顯升高[6],從而使局部的器官組織受到炎性迫害引發(fā)炎癥反應(yīng)。

嗜中性粒細胞是一類具有趨化、吞噬和殺菌作用的炎癥細胞,是機體抵御微生物病原體入侵的第一道免疫屏障,當機體處于感染、缺血環(huán)境時被激活而產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)[7]。嗜中性粒細胞被激活后,一方面可通過其內(nèi)的溶酶體酶將吞噬的病原體分解;另一方面,通過釋放具有強氧化功能的活性氧和蛋白水解酶,使機體發(fā)生炎癥反應(yīng)。當機體處于熱應(yīng)激條件時,嗜中性粒細胞的凋亡加速,對抗IL-6等炎性因子對嗜中性粒細胞凋亡的抑制作用[8],凋亡的嗜中性粒細胞被巨噬細胞識別后,打破機體的第一道免疫屏障,抑制機體的免疫功能,引發(fā)炎癥反應(yīng)。

2 熱應(yīng)激與炎性介質(zhì)

在急性炎癥反應(yīng)中的炎性因子會直接作用于血管內(nèi)皮,引起損傷使血管通透性增加。但許多炎性因子不直接作用于組織,而是通過內(nèi)源性化學(xué)因素導(dǎo)致機體損傷和炎癥反應(yīng),因此也被稱為化學(xué)介質(zhì)或炎癥介質(zhì)。

2.1 外源性炎性介質(zhì) 內(nèi)毒素是炎癥反應(yīng)中發(fā)揮主要作用的外源性炎性介質(zhì),是革蘭陰性菌細胞壁的結(jié)構(gòu)成分,主要成分是脂多糖(Iipopolysaccharide,LPS)。以腸道為例,正常情況下,絕大多數(shù)內(nèi)毒素被腸道屏障阻隔在腸道內(nèi)。研究表明,熱應(yīng)激可顯著降低機體超氧化物歧化酶(Superoxide Dismutase,SOD)和谷胱甘肽過氧化物酶(Glutathione peroxidase,GSH-Px)活性,導(dǎo)致供氧不足而引起腸屏障功能受損[9],內(nèi)毒素穿過腸系膜淋巴結(jié)、門靜脈系統(tǒng),進入體循環(huán)而使血清中的內(nèi)毒素含量急劇升高[10]。

LPS進入血液后,與結(jié)合蛋白(Lipopolysaccharide binding protein,LBP)、特異性受體CD14結(jié)合形成復(fù)合物后被單核細胞、巨噬細胞等識別,通過Toll樣受體(Toll-like receptor,TLR)將胞漿內(nèi)的信號轉(zhuǎn)錄因子如(Nuclear factor kB,NF-kB)磷酸化。活化的巨噬細胞分泌大量的細胞因子(TNF-α、IL-6等)、粘附因子、氧自由基等。同時,嗜中性粒細胞聚集到血管中,導(dǎo)致內(nèi)皮細胞損傷后浸潤組織[11],被浸潤的組織通過呼吸暴發(fā)產(chǎn)生大量的炎性介質(zhì)和自由基,破壞腸道屏障,大量內(nèi)毒素再次進入體循環(huán)而產(chǎn)生“瀑布式炎癥級聯(lián)反應(yīng)”,引發(fā)全身性炎癥反應(yīng)。

2.2 內(nèi)源性炎性介質(zhì) 參與炎癥反應(yīng)的內(nèi)源性炎性介質(zhì)主要有前列腺素(Prostaglandin,PG)、白細胞三烯(Leukotriene,LT)、組胺及炎性細胞因子等。

2.2.1 熱應(yīng)激與 PG、LT及組胺 花生四烯酸(Arachidonic acid,AA)是一種不飽和脂肪酸,其代謝產(chǎn)物PG、LT是AA經(jīng)環(huán)氧化酶和脂氧化酶途徑代謝而生成的[12],它們都可介導(dǎo)炎癥反應(yīng)并維持體內(nèi)平衡。在生理濃度下,一方面,血管擴張劑PG能增強組胺和緩激肽的通透性,而LT可在急性炎癥反應(yīng)期間促進白細胞積聚;另一方面,前列腺素的代謝產(chǎn)物如環(huán)戊烯酮前列腺素,可以通過抑制NF-kB激活來減輕急性炎癥[13]。因此,花生四烯酸氧合產(chǎn)物可誘導(dǎo)或消除由細菌感染引起的急性炎癥的多重效應(yīng)。研究表明,當人、鼠等處于熱應(yīng)激狀態(tài)時,機體免疫功能下降,熱應(yīng)激通過刺激磷脂酶的活性使AA代謝途徑增強,并伴隨著環(huán)加氧酶產(chǎn)物PGE2、PGF2α和5-脂氧合酶代謝物L(fēng)TB4的加速積累[14]。AA及代謝物可能參與熱應(yīng)激引起的細胞毒性作用,激活NF-kB通路,PG作為血管擴張劑可通過增強血管通透性,使體內(nèi)炎性介質(zhì)大量釋放,同時LT促使白細胞等在受感染部位活化、聚集,加劇炎癥反應(yīng)的發(fā)生[15]。

組胺是一種在組織中以無活性的形式存在于肥大細胞和嗜堿性粒細胞顆粒中的自體活性物質(zhì)之一[16],激活后可與淋巴細胞、巨噬細胞及存在于反應(yīng)部位的其他免疫細胞相互作用,調(diào)節(jié)機體免疫、炎癥反應(yīng)。研究表明,組胺可通過NF-kB通路顯著提高瘤胃上皮細胞中p65的表達,進而提高TNF-α、IL-6和IL-1β的濃度及其mRNA的表達,引發(fā)炎癥。此外,Ahmad等人報道,熱應(yīng)激時機體肥大細胞和組胺含量明顯升高,激活NF-kB通路[17],釋放多種炎性介質(zhì),加重炎癥反應(yīng)。

2.2.2 熱應(yīng)激與炎性因子 炎性因子(IL-1、IL-6和TNF-α)主要是參與免疫反應(yīng)和全身炎癥反應(yīng)的多肽類物質(zhì)。IL-1是熱應(yīng)激最常見的細胞因子之一,被認為是免疫系統(tǒng)與下丘腦-垂體-腎上腺軸系統(tǒng)的重要橋梁。TNF-α是由單核巨噬細胞產(chǎn)生的具有免疫調(diào)節(jié)功能的炎性因子,在機體抵抗感染和通過免疫調(diào)節(jié)維持正常生理功能時起著重要作用,但當TNF-α產(chǎn)生過多或持續(xù)釋放時,會刺激發(fā)熱中樞,引起機體發(fā)熱甚至休克。研究發(fā)現(xiàn),機體發(fā)生炎癥時血清IL-6的水平顯著升高,有利于受感染病毒的清除[18]。當機體受到環(huán)境中有害刺激時,肥大細胞、巨噬細胞等機體內(nèi)免疫細胞誘導(dǎo)大量內(nèi)外源性炎性介質(zhì)向感染部位遷移并聚集,這些炎性介質(zhì)可通過正反饋通路形成瀑布效應(yīng)和細胞因子風(fēng)暴,不斷擴大機體炎癥反應(yīng)。

近幾年的研究發(fā)現(xiàn),革蘭陰性菌外膜釋放的LPS所誘導(dǎo)的NF-kB通路與TLRs家族密切相關(guān),而TLR是先天性免疫防御反應(yīng)的關(guān)鍵組成部分,其可識別微生物的特定結(jié)構(gòu)如脂多糖等[19]。如中插彩版圖1,熱應(yīng)激時,LPS刺激血清中TLR-4的表達顯著上調(diào),進而激活TLR-4信號通路促進炎性介質(zhì)的表達[20]。LPS在進入宿主血液后,與類脂A和LBP結(jié)合,然后結(jié)合血漿中可溶性 CD14或膜CD14。然而,CD14需要與MD-2和TLR-4結(jié)合生成復(fù)合物,才可進入細胞并激活下游的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。TLR-4可進行相類似的胞內(nèi)信號傳導(dǎo),其信號傳遞分子處于胞內(nèi)的 IL-IR同源結(jié)構(gòu)下游[21]。TLRs接收相應(yīng)信號后通過在胞漿內(nèi)募集接頭蛋白髓樣分化蛋白(Myeloiddifferentiationpmtein,MyD88)和IL-1受體相關(guān)激酶家族(IL-1 receptor associated kinase,IRAK)的絲氨酸/蘇氨酸激酶自動磷酸化,激活腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子6(Tumor necrosis factor-associated factor-6,TRAF6)并與之形成復(fù)合物,同時激活轉(zhuǎn)移生長因子 β活性激酶(Transforming growth factor activated kinase1,TAK1)及其結(jié)合蛋白(TAKl binding protein,TAB1/2)與TRAF6結(jié)合形成TRAF-6-TAK1-TAB1/2復(fù)合物[22],該復(fù)合物可激活并啟動MEKK4和應(yīng)急活化蛋白激酶JNK1信號通路,同時可激活p38的磷酸化激酶MKK3和MKK6,從而刺激促炎因子的分泌。TRAF6還可刺激復(fù)合物從而啟動NF-kB對激酶(NF-kB-inducing kinase,NIK)的誘導(dǎo),同時,Toll信號進化保守中介分子(Evolutionarily conserved signaling intermediated in toll pathways,ECSIT)激活MEKK1,NF-kB抑制物的激酶(Inhibitor of NF-kB kinases,IKKs)在NIK和MEKK1的共同作用下被激活。在IKK復(fù)合體(IKKα、IKKβ及IKKγ)的作用下,IkB磷酸化后與NF-kB分離,NF-kB持續(xù)活化并進入核內(nèi)[23],分泌大量的促炎性因子IL-1、TNF-α等,引起全身性炎癥反應(yīng)。

3 熱應(yīng)激與粘附、趨化因子

粘附、趨化因子在白細胞遷移過程中發(fā)揮著十分重要的作用。粘附因子按其結(jié)構(gòu)特點分為整合素、選擇素、免疫球蛋白類分子及鈣調(diào)素,在細胞和細胞之間、細胞與基質(zhì)之間、細胞-基質(zhì)-細胞之間,以配體-受體的形式發(fā)揮其作用[25];趨化因子是一類對白細胞具有趨化作用的小分子蛋白質(zhì),通過與其受體(G蛋白偶聯(lián)受體)結(jié)合后發(fā)揮生物效應(yīng),一方面可直接作用于白細胞誘導(dǎo)粘附因子在內(nèi)皮表面細胞的表達,募集更多的免疫細胞穿過血管壁在感染部位聚集;另一方面間接誘導(dǎo)血管內(nèi)皮細胞、膠質(zhì)細胞和巨噬細胞等生成多種趨化因子,并向受感染或損傷部位聚集,引起炎癥反應(yīng)[26]。研究表明[27],當機體處于熱應(yīng)激條件時,由于熱適應(yīng)尚未形成,白細胞和淋巴細胞數(shù)明顯低于非應(yīng)激期,白細胞的遷移、趨化作用減弱,說明機體的免疫功能下降,可能發(fā)生炎癥。同時熱應(yīng)激激活NF-kB通路,趨化因子將各種免疫細胞募集到炎癥部位,促使巨噬細胞等釋放大量炎性介質(zhì),在機體抵抗力弱時侵入感染組織,擴大機體炎癥反應(yīng)及組織損傷。

4 展望

熱應(yīng)激狀態(tài)下炎性介質(zhì)分泌增多從而引發(fā)炎癥反應(yīng),本文就熱應(yīng)激如何引起炎癥反應(yīng)進行了詳細闡述,可作為緩解熱應(yīng)激的切入點。但目前熱應(yīng)激對粘附、趨化因子影響的研究較少,且多是在白細胞遷移過程中發(fā)揮作用。而熱應(yīng)激對機體的影響機制還不完善,今后還需進一步探索其在各種信號通路中的作用機理,為采取營養(yǎng)調(diào)控手段降低熱應(yīng)激對動物生產(chǎn)性能及繁殖性能的危害、降低炎癥反應(yīng)的發(fā)生及保障動物健康提供科學(xué)依據(jù)。