天然免疫分子在尿路感染中的作用及机制

k****o

尿路感染（urinarytractinfection,UTI）是人类最常见的感染性疾病之一，据统计全球每年约发生1.5亿人次，UTI的发生及复发严重影响了人类健康，给社会带来了极大的经济负担。UTI通常由细菌通过尿道上行至膀胱及肾脏所致，严重时可进入血液，引起全身感染。
    大部分的非复杂性UTI是由致尿路感染大肠杆菌（uropathogenicEscherichiacoli,UPEC）导致的，UPEC本身表达的受体及分泌的毒素有助于其在尿路定植，从而易于导致UTI.
    尽管目前对UPEC致病机制的了解逐渐深入，并伴随各种新型抗生素的问世，但UTI的发病人数并未得到显著降低，在临床也尚无得到广泛应用的有效预防措施；不仅如此，由于抗生素的滥用，细菌的耐药性逐渐增加，给UTI的疗带来了新的问题。
    在反复发作的UTI患者中，只有部分患者存在已知的易感或诱发因素，如尿路梗阻、结构功能异常等，对于大多数反复发作的UTI患者其易感因素仍不I 清楚。
    因此，有必要对UTI的致病机制及机体如何对UTI做出防御反应进行更深入的研究，从而有助于为更好地预防及治疗UTI提供新的思路。UTI发生时，尿路上皮细胞除了可以作为病原体进入的物理屏障外，还可在对抗微生物的天然免疫中发挥重要作用。
    天然免疫是宿主抵御病原微生物人侵的第一道防线，这其中天然免疫分子，如Tamm-Horsfall蛋白（Tamm-Horsfallprotein,THP）、Toll样受体（Tolllikereceptors,TLRs）、抗菌肽、可溶性模式识别分子等在UTI中的作用逐渐引起人们注意。
    天然免疫分子大多由尿路上皮细胞表达及分泌，在UTI发生时的作用机制大致如下：破坏细菌的膜结构从而直接杀灭细菌；抑制细菌与上皮细胞结合；作为模式识别受体，调节炎性因子的产生；对某些吞噬细胞起趋化及募集作用，以促进吞噬细胞对细菌的作用。本文就UTI中天然免疫分子的作用及其机制作一综述。
    一、Tamm-Horsfall蛋白（Tamm-Horsfallprotein,THP）THP在肾脏中主要表达于髓袢升支粗段及远曲小管，并可以分泌到尿液中，是人体尿液中含量最丰富的糖蛋白。体内研究发现，THP基因敲除小鼠对UTI易感性增加，说明THP对UTI的发生具有保护作用。
    进一步的研究表明，THP本身对于细菌的生长并没有直接抑制作用，THP对UTI保护作用的机制与尿液中的THP与UPEC1型菌毛的甘露糖基团结合有关，THP与1型菌毛的结合抑制了细菌菌毛与尿路上皮细胞分化特异性糖蛋白的结合，进而阻止UPEC黏附于尿路上皮，有助于尿液对细菌的冲刷。
    另外，THP也可作为免疫调节因子激活树突状细胞气而在肾盂肾炎发生时，固有树突状细胞的活化可产生中性粒细胞趋化蛋白2,促进中性粒细胞的募集，从而有助于中性粒细胞对细菌的清除作用。
    二、Toll样受体（Tolllikereceptors,TLRs）
    TLRs在巨噬细胞、树突状细胞、中性粒细胞、黏膜上皮细胞等多种固有细胞中都有表达。在哺乳动物中。共有11种Toll的同源物被发现，分别命名为TLR1——11.
    TLRS作为一种跨膜蛋白，可分为胞膜外区、胞质区和跨膜区3部分。当病原体突破机体的物理屏障，黏附于尿路上皮，尿路上皮细胞表达的TLRS作为模式识别受体，可识别来源于病原微生物高度保守的病原相关分子模式如脂多糖（LPS）等，通过跨膜信号传导途径激活机体产生免疫应答，以对感染做出防御反应。
    TLRs家族成员均依赖其胞内段Toll-IL-1受体结构域向细胞内转导识别信号，根据接头蛋白@不同，可分为MyD88依赖途径和非MyD88依赖途径，并最终活化丝裂原蛋白激酶CMAPIQP38及NF-kB,诱导多种A因子、趋化因子、干扰素及抗菌肽的表达及活化。TLRS在机体天然免疫应答中发挥重要作用，其在UTI中的作用也得到证实。
    人类尿路上皮细胞中主要表达的TLRs包括TLR2（识别细菌的脂磷壁酸或脂蛋白）、TLR3（识别双链RNA）、TLR4（识别LPS）、TLR5（识别鞭毛蛋白）和TLR9（识别细菌的非甲基化的DNA），这其中以对TLR4的研究较多。TLR4在肾脏及膀胱的上皮细胞中都有表达，UTI时TLR4的活化主要分为不依赖于LPS的P菌毛活化途径及依赖于LPS的1型菌毛激活途径，其中1型菌毛激活途径与TLR4协同**分子CD14的表达水平直接相关。
    另外，1型菌毛的黏性蛋白也可与TLR4直接发生反应，这提示1型菌毛也拥有***于LPS的信号通路。关于TLR4下游的信号分子，应用基因敲除动物，已发现MyD88、Toll样受体相关分子等在UPEC清除中扮演关键角色。
    不同类型的菌毛诱导的下游信号通路也不尽相同，但不管参与**的菌毛为何类型，所有信号分子所参与的信号通路都会导致下游的NF-kB激活并诱导炎性因子的表达。
    研究者发现TLR4基因缺失的小鼠发生UTI时，不能像野生型小鼠一样对细菌LPS有效的发生反应，且其膀胱内细菌量明显高于野生型小鼠，其原因可能在于因其缺乏对细菌的有效反应，一方面下游细胞因子、趋化因子产生不足，从而中性粒细胞募集过少，缺乏诱导炎性反应和细菌清除能力；另一方面可能与其介导的抗菌肽分泌不足有关。
    临床研究也发现，成人UTI的发生与TLR4基因多态性有关。新近有研究发现，TLR4可通过增加上皮细胞通透性，参与UPEC在肾脏上皮细胞内化的过程，且这种作用是依赖于脂筏的，但TLR4的这种作用究竞在UTI发生发展中发挥何种作用，值得进一步研究除TLR4外，TLR家族的其他成员在UTI宿主防御中也发挥重要作用。
    TLR5主要表达于膀胱，在膀胱中可通过识别UPEC鞭毛结构亚基对UPEC起识别作用，从而活化下游信号通路，TLR5基因敲除小鼠与野生型对照组相比，其发生UTI时炎性反应程度及细菌数量均显著增加。
    另外，TLR11基因敲除小鼠在发生UTI时肾脏细菌含量也会显著高于野生型小鼠，提示其在UTI的发生中可能具有保护作用。但人类基因组TLR11序列的开放阅读框中存在终止密码子，因此在人类中TLR11处于非活化状态，从而缺乏TLR11对UTI的保护作用，这可能有助于部分解释人类对UTI的场感性和复发性。
    TLRs除在天然免疫中发挥重要作用，还可作为天然免疫及获得性免疫之间的桥梁。在病原体感染时通过多种L制启动及调节获得性免疫反应。例如其在树突状细胞诱导的T细胞活化中发挥重要作用，不同树突状细胞亚型表达不同TLRs并产生不同的细胞因子，从而影响Thl及Th2细胞的分化但关于TLRS介导的获得性免疫反应在尿路感染中作用的报道相对较少，值得进一步深入研究。
    三、抗菌肽
    抗菌肽是主要由上皮细胞分泌的带正电荷的肽，可视为机体产生的一种天然抗生素。其可破坏细菌的膜结构，并可对某些免疫细胞具有趋化作用。
    抗菌肽抗菌的机制主要为可以识别革兰阴性菌LPS、革兰阳性菌胞壁酸和细菌未甲基化CpGDNA等细菌信号分子，与细菌膜结构结合，并以不同方式插人细菌的膜结构，从而在膜结构上形成穿膜孔道，最终导致菌体的死亡。
    肾脏及膀胱上皮可分泌多种抗菌肽，其中最主要的是防御素、Cathelicidin及Ribonuclease7,其在UTI中的作用也逐渐得到认识。防御素通常含有6个半胱氨酸残基，形成3个分子内二硫键，其抗菌谱很广，可以抗细菌、真菌、病毒等多种微生物。
    根据半胱氨酸残基及二硫键连接方式的不同，分为α和β防御素，这其中以P防御素在UTI发生时作用的研究较多。β防御素又分为β防御素1及β防御素2,β防御素1在正常肾脏中表达，主要由远曲小管及[根据相关法规进行屏蔽]管的上皮细胞所分泌，在正常的尿液中也有表达。
    肾盂肾炎患者中β防御素1表达水平升高，研究进一步发现β防御素1基因敲除小鼠其对UTI更易感，提示其对UTI的发生具有保护作用。
    在正常肾脏中未检测到β防御素2表达，而在慢性感染时肾脏远曲小管及[根据相关法规进行屏蔽]管可检测到β防御素2表达，高表达β防御素2的小鼠尿液细菌数及肾脏炎性反应评分均轻于野生小鼠。
    小鼠β防御素2除可直接破坏细菌的膜结构外，其同THP类似，还可活化树突状细胞，从而调节感染时中性粒细胞的趋化。
    抗菌肽Cathelicidin主要分布于中性粒细胞及上皮细胞，其在尿路中主要位于肾脏近端小管及肾盂和输尿管的上皮细胞中，尿路上皮细胞分泌的Cathelicidin在UPEC**时分泌增加，而UTI时Cathelicidin的作用机制可能一方面与其可破坏细菌的膜结构有关；另一方面与其可通过增加活性氧的产生，调节中性粒细胞的功能从而增加细菌的清除有关。
    新近研究表明。抗菌肽Ribonuclease7也在肾脏及膀胱中有表达。主要由膀胱，尿道的上皮细胞及肾脏[根据相关法规进行屏蔽]哲的闰细胞分泌。目前被认为是在尿路中含量最丰富的抗菌肽。其表达在发生UTI时升高，其可以在很短的时间内通过直接破坏膜结构，抑制细菌的生长。在UTI中起保护作用。
    四、可溶性模式识别分子
    可溶性模式识别分子主要包括胶原凝集素，纤维胶凝蛋白和五聚素，在天然免疫系统中发挥重要作用，这其中和UTI发生有关的主要为胶原凝集素和五聚素。
    1.胶原凝集素：
    研究者新近发现胶原凝集素家族成员中表面活性蛋白A（surfactantproteinA,SP-A）SP-D及肾胶原凝集素1可能在UTI中发挥天然免疫调节作用。
    SP-A及SP-D最早在肺泡Ⅱ型上皮细胞被发现，其中SP-A又包括2个亚型：SP-A1及SP-A2.SP-A和SP-D结构相似。均由4部分构成：含有半胱氨酸的氨基末端，胶原区域，颈部和糖识别域。
    SP-A和SP-D对于降低肺泡表面张力有重要作用；同时，SP-A及SP-D在调节天然免疫及调节炎性反应中也发挥着重要作用，这些作用包括：增加细菌膜结构通透性。直接抑制细菌的生长；凝集病原体。从而增强单核巨噬细胞等免疫细胞对病原体的清除；作为模式识别受体，调节NF-kB,进而调节下游炎性因子产生。
    进一步的研究表明，SP-A及SP-D的分布不仅局限于呼吸道，而且在泌尿道及女性生殖道中均有表达。不同研究者应用免疫组织化学、原位杂交、PCR、Western印迹等不同方法研究表明，SP-A（SP-A1及SP-A2）及SP-D在肾脏内均有表达，主要分布于近曲小管及[根据相关法规进行屏蔽]管上皮细胞，且作为模式识别受体参与LPS诱导炎性反应通路的活化。
    进一步研究发现，SP-A和SP-D在尿液中也有表达，且SP-A的基因多态性与复发性UTI的发生有关。新近有研究发现，SP-D可通过抑制UPEC与膀胱上皮细胞的黏附及降低UPEC对上皮细胞的细胞毒性，从而在膀胱炎的动物模型中起保护作用。
    应用SP-A及SP-D双基因敲除小鼠UTI模型也发现，双基因敲除小鼠发生UTI时肾脏及尿液内细菌量含量较野生型小鼠明显升高，一方面可能与SP-A及SP-D可破坏细菌膜结构，直接抑制UPEC生长有关；另一方面与SP-A及SP-D的受体钙网织蛋白或CD91介导的信号通路有关。
    既往研究表明，在肺发生感染时，SP-A及SP-D可以通过与其受体钙网织蛋白或CD91结合，上调p38,进而**核因子kB,促进下游炎性因子的表达，达到清除病原微生物的目的。
    而UTI发生时，肾脏炎性因子的产生也依赖于p38介导的NF-kB信号的激活。而SP-A及SP-D的受体钙网织蛋白及CD91在肾脏内均有表达。因此，SP-A及SP-D双基因敲除小鼠对UTI易感性的影响可能与其可介导p38-NF-kB信号的激活及下游炎性因子的活化有关，但其具体的作用通路，仍值得进一步研究另外，2006年在肾脏中发现了新型的胶原凝集素家族成员肾胶原凝集素1,其在肾脏内的分布主要位于肾小哲上皮细胞中。结构也与SP-A及SP-D有类似的地方。
    新近的研究表明，肾胶原凝集素1可以在体外与大肠杆菌结合，但其与UPEC及在UTI中的作用，目前尚不明确，值得进一步研究。
    2.五聚素3（penti-axin3,PTX3）：
    五聚素是一种多聚体蛋白超家族，其中可分为短五聚素（C反应蛋白和血清淀粉样蛋AP成分）和长五聚素（PTX3）PTX3是一种多功能多聚蛋A,可由不同的细胞类型（如单核细胞，巨噬细胞内皮细胞肾脏上皮细胞）产生PTX3与细菌等特定的病原体相互作用，对细菌有调理作用，并促进呑噬细胞对细菌的呑噬和清除。参与炎性反应的调节。
    研究发现UPEC可通过TLR4及MyD88依赖的方式，诱导PTX3表达，PTX3可以与UPEC结合，发挥其对UPEC的调理作用，增强中性粒细胞对细菌的呑噬；而缺乏PTX3则会导致机体对UTI场感性增加，炎性反应加重临床研究也发现发生UTI时，血液及尿液中PTX3水平均升高，且与炎性反应的严重程度呈正相关，进一步的研究表明，PTX3的基因多态性与急性肾盂肾炎及膀胱炎的发生相关。
    综上所述，在UTI发生时，一旦细菌上行至尿道，除了上皮细胞的物理屏障外，上皮细胞所分泌的THP,抗菌肽等对细菌具有直接的杀伤作用；一旦细菌突破这些屏障，黏附于尿路上皮，尿路上皮细胞表达的TLR4及可溶性模式识别分子活化，进而触发炎性反应级联信号的激活，释放趋化因子并募集白细胞等吞噬细胞，对病原体进行清除或杀灭。
    总之，这些天然免疫分子的协同作用，可帮助机体清除导致UTI的病原体。因此，深入理解UTI时天然免疫分子的作用及其机制，有助于针对UTI的发生制定更好的应对及预防措施。