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《实验医学杂志》。2002年1月7日;195(1): 99–111.
数字对象标识:10.1084/jem.20001858
预防性维修识别码:PMC2196009
PMID:11781369

透明质酸寡糖通过Toll样受体4激活树突状细胞

摘要

炎症过程中产生的透明质酸多糖(sHA)的低分子量裂解产物被证明是树突状细胞(DC)和巨噬细胞等免疫活性细胞的有效激活剂。在这里,我们报道sHA通过Toll样受体(TLR)-4诱导DC成熟,这是一种与先天免疫和宿主抵抗细菌感染相关的受体复合体。来自携带突变TLR-4等位基因的C3H/HeJ和C57BL/10ScCr小鼠的骨髓来源的DC对sHA诱导的表型和功能成熟没有反应。相反,来自TLR-2缺陷小鼠的DC仍然对sHA敏感。据此,在人单核细胞衍生DC中添加抗TLR-4单克隆抗体可阻断sHA诱导的肿瘤坏死因子α的生成。Western blot分析显示,sHA处理导致p38/p42/44 MAP激酶的磷酸化和核因子(NF)-κB的核移位,这些都是TLR-4信号通路的组成部分。特异性抑制剂对该途径的阻断完全阻断了sHA诱导的DC成熟。最后,静脉注射sHA诱导DC从皮肤迁移,以及它们在脾脏中的表型和功能成熟,同样取决于TLR-4的表达。总之,这是第一次报道炎症期间产生的细胞外基质多糖降解产物可能作为树突状细胞TLR-4复合物的内源性配体。

关键词:细胞外基质、糖胺聚糖、树突状细胞、透明质酸、toll样受体

介绍

透明质酸(HA)*是细胞外基质的主要糖胺聚糖之一,已被证明在炎症部位迅速降解(12). 在其天然状态下,HA是一种高分子质量(高达106Da)由(β,1-4)-d-葡萄糖醛酸-(β,1-3)重复单元组成的非硫酸化线性多糖-N个-乙酰-D-葡萄糖胺(). 最近,研究发现HA的低分子量降解产物可引发多种促炎反应,如激活小鼠肺泡巨噬细胞以及刺激巨噬细胞并将其侵入类风湿关节炎患者的关节(45). 我们最近发现,HA的低分子量低聚糖(sHA)诱导人类DC的完全和不可逆表型和功能成熟,而高分子量HA(HMW-HA)没有这种作用(5). sHA的这些作用独立于HMW-HA的主要受体RHAMM和CD44,并且对sHA具有高度的特异性,因为其他类似于HA的二糖结构的糖胺聚糖,如硫酸软骨素、硫酸乙酰肝素或其裂解产物均无效(56). 此外,与HMW-HA相比,sHA还被报道在免疫活性细胞和内皮细胞中诱导特定的细胞内信号通路(7). 这些包括血管内皮中丝裂原活化蛋白激酶(MAPKs)的激活,以及小鼠肺泡巨噬细胞、小鼠肾小管上皮和大鼠肝细胞中NF-κB向细胞核的移位(4810).

最近,所谓的Toll样受体(TLRs),一组属于IL-1受体家族的新受体被描述(1114). TLR最初发现于果蝇属并在不同物种中保存。它们参与激活免疫活性细胞,如巨噬细胞和树突状细胞,从而参与抵抗细菌感染的先天防御(11121415). 在血巨噬细胞和髓单核细胞系细胞中已鉴定出几种TLR,但TLR-2和TLR-4似乎对DC的激活特别重要(1314). 与其他参与DC激活的受体不同,如CD14(16),TLR具有跨膜结构域(12)与细胞内适配器蛋白MyD88相关(1718)通过与丝氨酸激酶IRAK的相互作用介导TLR诱导的信号转导(18). LPS介导的TLR-4复合物激活被发现可诱导涉及p38、p42/p44 MAPK、c-Jun NH磷酸化的特定信号通路2-末端激酶,并导致NF-κB/Rel家族成员释放到细胞核(1319). 然而,TLR-4受体复合物的激活并不局限于LPS,其他促炎刺激物如紫杉醇和热休克蛋白60(HSP-60)被描述为替代配体(2021).

这些最新发现促使我们确定TLR-4受体是否参与sHA介导的DC成熟,以及这是否可能与不同细胞内信号通路的激活有关。本文表明TLR-4在sHA体内外激活人和小鼠DC的过程中起着关键作用,sHA刺激诱导TLR-4信号转导途径涉及p38/p42-44 MAPKs和NF-κB易位。

材料和方法

实验动物。

6-8周龄雌性C57BL/10和C57BL/10ScCr或C3H/HeN或C3H/ReJ小鼠(12)以及TLR-2缺陷型C57BL/6和C57BL-6野生型小鼠(14)保存在德国弗莱堡Max-Planck免疫生物学研究所的特定无病设施中。

材料。

MAPK抑制剂SB203580、PD 98059、Wortmann、Herbimycin A和CAPE购自Alexis Corporation。LPS来自明尼苏达沙门氏菌Re-595,马流产沙门氏菌,或如前所述制备粗细胞壁提取物(22).

多粘菌素B,一种取代钙的阳离子抗生素2+从钙生物化学中获得的阴离子磷脂。单克隆抗人TLR-4抗体用于FACS®上述浓度的分析和封闭研究(23).

HA片段的制备。

用于临床应用的HMW-HA(HEALON™)内毒素含量<0.1 ng/mg,由Amersham Pharmacia Biotech提供。如前所述,通过酶消化产生小的HA碎片产品(sHA)(5). 消化和分离后,制备1 mg/ml sHA储备溶液,其中含有<0.1 ng/ml LPS,通过鲎试剂(LAL)测定确定。对于实验用途,将其稀释至最终浓度20–50μg/ml,50μg/ml浓度下的最大估计内毒素含量为0.005 ng/ml。

人类DC的制备。

健康献血者的软毛外套是从德国弗莱堡弗莱堡大学医学中心输血医学系获得的。在无内毒素的Ficoll-paque plus™梯度(Amersham Pharmacia Biotech)上分离白细胞,并在冰上与非激活、非阻断的抗人CD14单克隆抗体(克隆26IC;美国型培养物收集)孵育45分钟。细胞在PBS中清洗数次,然后与适当的次级抗鼠MACS孵育®-珠子(Miltenyi Biotech)。CD14号机组+使用VS柱MACS通过磁性细胞分选来纯化细胞®系统™(Miltenyi Biotech)。流式细胞仪测定分离的单核细胞纯度>90%。单核细胞(5×106将每个孔的细胞)接种到6孔平底板(Costar)中,并在37°C、5%CO下培养2在RPMI 1640(GIBCO BRL)中加入5%无内毒素人血清白蛋白(拜耳诊断)、GCP/GMP质量1000 U/ml GM-CSF(Leukomax™;诺华公司)和100 U/ml IL-4(由Schering-Plough提供),持续4天。流式细胞术测定,CD14单克隆抗体在培养第3天从单核细胞的细胞表面完全消失。

小鼠骨髓衍生DC的生成。

DC是按照Inaba等人的方法生成的(24),略有改动。骨髓取自C57BL/6小鼠的胫骨和股骨(n个= 4). 细胞在10点重新悬浮6每毫升cRPMI 1640细胞(GIBCO BRL)和40 ng/ml GM-CSF和100 ng/ml IL-4(均为PromoCell)。在培养第3天和第5天喂食细胞,用含有GM-CSF和IL-4的新鲜cRPMI替换每个孔中一半的培养基。第三天,轻轻旋转平板后,将非粘附细胞吸出。第6天,轻轻移液收集松散粘附的细胞,包括DC。DC清洗一次,并在~5×10的条件下重新悬浮5cRPMI中每毫升细胞数。将等分的细胞悬液(8 ml)置于一个14-ml锥形底管(Becton Dickinson)中,下垫2 ml 14.5%的metrazamide(Boehringer Ingelheim),并在室温(22°C)下以600×收集低浮力密度细胞,清洗两次,然后重新悬浮使用。流式细胞术测定Iab阳性细胞的纯度>70%

TNF-α酶联免疫吸附试验。

在指定的时间点收集来自未刺激、LPS-或sHA-刺激DC的上清液,以测定TNF-α的含量。ELISA分析是根据制造商的说明(Becton Dickinson)进行的,并在630 nm的消光条件下在M(M) 第页5000 ELISA阅读器,并使用Bio-Linx™软件(均为Dynatech)进行分析。

淋巴细胞制备/T细胞增殖试验。

脾淋巴细胞的分离方法是,先用10毫升注射器的背面将器官切碎,然后将其放入一个60微米的尼龙网细胞过滤器中。通过添加赖氨酸溶液(0.15 M NH)去除红细胞4氯,1 mM KHCO,0.1 mM钠2-将EDTA调节至pH值7.2)5分钟。用磁珠标记的抗CD4单克隆抗体通过阴性选择去除剩余APC+在4°C下持续45分钟,然后进行磁电池分选(MACS®; Miltenyi Biotech)。流式细胞术显示CD4的纯度+细胞>85%,IA表达细胞<1%。细胞对PHA刺激没有反应。从CD4中取出磁珠+通过CD4检测载体和磁性细胞分选(MACS)培养细胞®; Miltenyi生物技术公司)。纯化CD4+cRPMI 1640中的细胞在105圆形96-well板(Costar)中每孔的细胞数以及5×10每孔异基因DC并在37°C、5%CO下培养2.第4天,1μCi/孔[H] 在培养的最后18小时添加胸腺嘧啶核苷(Amersham Pharmacia Biotech)。最后,将平板收集到96 well玻璃纤维滤板上,并使用TopCountβ计数器(全堪培拉-帕卡德)通过液体闪烁光谱测定放射性。

免疫染色和流式细胞术。

DC与原代单克隆抗体在4℃孵育30分钟,然后清洗,并用适当的FITC-标记的次级单克隆抗体染色。为了测定细胞活力并排除死细胞,添加1μg/ml碘化丙啶(Sigma-Aldrich)。5×10个样品4使用FACScan™和CELLQuest™研究软件(均为Becton Dickinson)对细胞进行分析。

Western Blot分析法测定p42/44和p38-MAPK的磷酸化形式。

使用磷酸化形式的激酶抗体,通过Western blot分析检测p42/44 MAPK(ERK1/2)和p38 MAPK的激活形式。在含有蛋白酶抑制剂和磷酸酶抑制剂原钒酸钠(1 mM)和磷酸甘油酯(50 mM)混合物的冰镇RIPA缓冲液(150 mM NaCl,0.1 mM Tris-HCl,pH 7.2,1%Triton X-100,1%脱氧胆酸钠,0.1%SDS,5 mM EDTA)中,通过超声处理从未经处理的细胞和用sHA或LPS培养的细胞中提取的提取物对于Western blot分析,100μg细胞提取蛋白在SDS/12%聚丙烯酰胺凝胶中电泳,并在硝化纤维过滤器上电泳。在含有0.2%吐温20和5%低脂牛奶的PBS中,在室温下将斑点封闭1小时。然后在4°C下与识别非磷酸化形式的p42/44 MAPK或p38 MAPK,或双磷酸化形式(Thr-202/Tyr-204)p42/44MAPK或(Thr-180/Tyr-182)p38MAPK(新英格兰生物实验室)的兔多克隆抗体孵育过夜。然后将印迹清洗五次,并在室温下与辣根过氧化物酶结合的山羊抗兔IgG(Santa Cruz Biotechnology,Inc.)孵育1小时。进一步洗涤后,用增强化学发光检测(ECD)试剂盒(Amersham Pharmacia Biotech)开发印迹。p42/44 MAPK或p38 MAPK的条带在将印迹暴露于Kodak RX胶片后显现。

核提取物和EMSA的制备。

NF-κB寡核苷酸(Promega)用γ标记-32[P] ATP(3000 Ci/mmol;Amersham)和T4多核苷酸激酶(Promega)。DC核提取物的制备如前所述(25). 简而言之,使用高盐洗涤剂缓冲液(20 mM Hepes,pH 7.9,Totex;350 mM NaCl;20%[wt/vol]甘油;1%[wt/vol]NP-40;1 mM MgCl)制备总细胞提取物2; 0.5 mM乙二胺四乙酸二乙酯;0.1 mM EGTA;0.5毫米DTT;0.1%PMSF;和1%抑肽酶)。通过离心收集细胞,在冰镇PBS(Sigma-Aldrich)中清洗一次,然后再悬浮在四个细胞体积的Totex缓冲液中。在冰上放置30分钟后,以13000×温度为4°C。测定上清液的蛋白质含量,并将等量的蛋白质(10–20μg)添加到含有20μg BSA(Sigma-Aldrich)、2μg poly(dI dC)(Boehringer Mannheim)和2μl缓冲液D的反应混合物中+(20%mM Hepes,pH 7.9,20%甘油,100 mM KCl,0.5 mM EDTA,0.25%NP-40,2 mM DTT和0.1%PMSF),4μl缓冲液F(20%Ficoll 400,100 mM-Hepes、300 mM KCl,10 mM DTD和0.1%PSF),以及100000 cpm(切伦科夫)的32[P] -标记的寡核苷酸,最终体积为20μl。样品在室温下孵育25分钟。使用γ标记NF-κB寡核苷酸(Promega)-32[P] ATP(3000 Ci/mmol;Amersham Pharmacia Biotech)和T4多核苷酸激酶(Promega)。样品在6%丙烯酰胺TBE凝胶上分离,凝胶干燥后进行放射自显影。

TLR-4和TLR-2 mRNA表达评估。

如前所述,对人类TLR-4的RT-PCR分析进行评估(26). 根据制造商的说明,使用法玛西亚快速准备试剂盒(Amersham Pharmacia Biotech)从单核细胞衍生DC中分离出总RNA。使用Superscript II逆转录酶(GIBCO BRL)从5μg总RNA合成cDNA。使用Taq-DNA-聚合酶(GIBCO BRL)在94°C/1 min、72°C/2 min、55°C/3 min条件下对产物进行30次PCR扩增。用于人类TLR-4的正向和反向PCR引物为5′-TGGATACGTTCCTTATAAG-3′和5′-GAATGGAGGCACCCCTTC-3′,扩增产物为506 bp。如前所述,使用TLR-2底漆(27):5′-TATCGTCTTCCTGGTTCAAGCC-3′和5′-AACAGACACAGAGACAGCGCAGAC-3′,扩增产物为1452 bp。通过1%琼脂糖凝胶电泳分析等分的PCR反应产物(25μl)。

皮肤器官培养。

C57BL/10ScSn野生型(TLR)含有表皮和乳头状真皮的全厚皮肤+/+)和TLR-4−/−C57BL/10Cr小鼠(每组三只)是通过耳朵软骨外表皮片的机械分解获得的。将耳罩漂浮在添加了RPMI 1640的6孔板(Greiner)上,添加或不添加30μg/ml sHA或100 ng/ml LPS。24小时后,从各组收集迁移到培养基中的细胞,并用FITC-共轭CD11c和Ia双重染色B类PE结合单克隆抗体。FACS公司®如上所述进行分析。从一个孔中获得的所有细胞(5–6×105细胞)进行分析,发现大的、高度CD11c和IaB类-阳性细胞被视为DC,并使用CELLQuest™软件(Becton Dickinson)计算百分比。

静脉注射实验。

将100μg sHA、10μg LPS或100μl PBS注射到C57BL/6ScSn野生型或SnCr TLR-4缺陷小鼠(每组三只小鼠)的尾静脉中。12 h后处死小鼠,并通过将脾脏通过60μm尼龙网细胞过滤器纯化脾脏DC。如上所述去除红细胞。用磁珠标记的单克隆抗体在4℃下对CD3(pan T细胞)和B220(pan B细胞)进行阴性选择45分钟,然后进行磁细胞分选(MACS),制备DC®; Miltenyi Biotech)。5 × 10用105如上所述的BALB/c T细胞。

结果

人和小鼠DC的最终成熟都是由sHA诱导的。

我们和其他人提出,在炎症期间,高分子量透明质酸被活化的成纤维细胞释放的酶降解。这些降解产物可以向DC和巨噬细胞传递激活信号(25). 与HMW-HA相比,含有4-16个寡糖单元的sHA组分刺激了人类单核细胞衍生DC的表型和功能成熟(5). 成熟包括上调MHC II类和共刺激B7分子,增强同种异体刺激能力和增加促炎细胞因子的产生。这与LPS污染无关,因为与多粘菌素B预培养没有影响(5). 此外,LAL分析显示,sHA制剂中的最大内毒素含量<0.1 ng/ml,这是一种无法诱导功能性或表型DC成熟的浓度(参考文献5,以及未示出的数据)。为了便于使用不同的小鼠菌株进一步分析sHA介导的DC成熟,我们着手确定sHA是否也有效激活小鼠DC。来自C57/BL-6小鼠的未成熟骨髓衍生DC与sHA、HMW-HA或LPS共培养48小时,或者未经治疗。MHC-Ⅱ类(Ia)的显著上调显示,只有sHA而非HMW-HA诱导小鼠DC成熟b条)和共刺激B7-2分子,类似于我们在人类DC中的观察结果(图1A和C)。sHA刺激DC的成熟伴随着在标准MLR中刺激原始同种异体反应T细胞增殖的能力显著增强(图1B和D)。这种表型和功能成熟度与100 ng/ml LPS诱导的DC成熟度完全匹配(图1D) ●●●●。

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sHA诱导人和小鼠DC的表型和功能成熟。在与20μg/ml sHA(粗体线)、50μg/ml HMW-HA(实线)、100 ng/ml LPS(虚线)或未经处理(虚线线)孵育48小时后,使用人单核细胞衍生的第4天DC(A和B)或小鼠骨髓衍生的DC(C和D)。(A和C)DC用针对MHC II类(顶部)或B7-2类(CD86;下部)的单克隆抗体染色,并用流式细胞术进行分析。显示了五个独立实验的代表。(B和D)细胞与10细胞共培养4天5DC:TC比率为1:20的同种反应性T细胞。在第5天通过添加1μCi[H] 最后18小时的胸腺嘧啶核苷。结果显示为三个孔的每分钟计数(CPM)±SD。* P(P)>0.001,与未经治疗的DC相比(−)。显示了四个独立实验的代表。

sHA治疗DC对TNF-α的诱导是时间和剂量依赖性的。

我们之前已经表明,sHA刺激的DC分泌大量的促炎细胞因子,如IL-1β、TNF-α和IL-12,并且sHA诱导的DC成熟是TNF-α依赖性的(5). 为了进一步表征sHA诱导的TNF-α表达的时间和剂量依赖性,我们使用RT-PCR分析sHA治疗人类DC后TNF-βmRNA的表达。观察到TNF-αmRNA的快速诱导,用25μg/ml sHA或100 ng/ml LPS刺激DC后4小时即可检测到TNF--αmRNA(图2A) ●●●●。与LPS诱导的相比,sHA诱导的TNF-α表达在该剂量下更持久(图2A) ●●●●。当用不同浓度的sHA刺激24小时后分泌到培养基中的TNF-α蛋白总量通过ELISA进行定量时,TNF-β产生有明显的剂量反应,50μg/ml sHA产生高达4 ng/ml(图2B和C)。sHA诱导TNF-α的动力学显示,共培养4-5小时后开始较晚,12小时后达到近峰值水平,24小时后略有增加。这种效果取决于浓度,因为10μg/ml sHA足以诱导显著的TNF-β生成,而在浓度>20μg/ml时观察到饱和(图2C) ●●●●。相比之下,100 ng/ml LPS诱导TNF-α的速度更快,30分钟后产生大量TNF-(图2B) ●●●●。我们得出结论,TNF-α响应是测量sHA诱导DC成熟度的一个非常敏感的参数,因此在进一步的实验中它被用作主要的读出系统。

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分析DC对sHA刺激的TNF-α生成。(A和B)用25μg/ml sHA或100 ng/ml LPS处理人类单核细胞衍生的第4天树突状细胞,持续指定时间。刺激后,收集(A)细胞并制备RNA用于TNF-α特异性RT-PCR,收集(B)无细胞上清液并用TNF-βELISA进行分析。虚线表示对LPS的响应,实线表示对sHA的响应。数据表示三份数值的TNF-α平均释放量;pg/mg总蛋白±SD。(C)DC与指定浓度的sHA或100 ng/ml LPS孵育24 h,收集无细胞上清液,并使用TNF-αELISA进行分析,如上所述。

sHA介导的DC激活需要p38-MAPK和P42/44-MAPK活性以及NF-κB的核转运。

研究表明,LPS诱导DC成熟涉及p38 MAPK和p42/44 MAPK的磷酸化(13). 为了测试MAPK通路的激活是否也参与sHA诱导的DC成熟,我们通过Western blot分析DC裂解物中的p38和p42/44 MAPK。在sHA处理(而非HMW-HA处理)后,与这些MAPK的总含量相比,p38和p42/44 MAPK在1-2小时内迅速磷酸化(图3A和B)。然后,我们研究了导致DC成熟的TNF-α生成是否需要p42/44 MAPK激活。用30μg/ml sHA或100 ng/ml LPS刺激的DC与不同浓度的特定激酶抑制剂预孵育7 h。具体而言,如前所述,使用了PD98059(阻断p42/44 MAPK)、SB-203580(p38-MAPK的选择性抑制剂)、Herbimycin a(src-like蛋白酪氨酸激酶抑制剂)和Wortmanin(磷脂酰肌醇(PI)3-激酶抑制剂)(2831). ELISA分析显示,与每种不同的MAPK抑制剂预孵育后,TNF-α的生成呈剂量依赖性降低,而沃特曼没有影响,这表明p38和p42/44 MAPK,而不是PI3-激酶参与sHA诱导的信号通路(图3C) ●●●●。由于PI3-激酶的激活与细胞内钙储存的控制有关,后一项发现与我们的结果一致,即sHA治疗DC不会引起Fura标记分析的细胞内钙流量(数据未显示)。

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sHA介导的DC成熟需要p38-MAPK和P42/44-MAPK磷酸化。(A和B)在指定的时间内,用50μg/ml sHA、100μg/ml HMW-HA或100 ng/ml LPS处理人类单核细胞衍生的第4天树突状细胞。使用针对磷酸化激酶(顶部)或细胞总激酶含量(底部)的单克隆抗体进行免疫印迹。所示为(A)p38 MAPK和(B)p42/44 MAPK的斑点。(C) 在MAPK抑制剂PD98059(p38)、SB 203580(p42/44)、Herbimycin A(src-like tyrosine kinases)或Wortmannin(PI3-激酶)的指示浓度存在下,用30μg/ml sHA或1 ng/ml LPS刺激DC的上清,7小时后采集上清,并通过ELISA筛选其TNF-α含量。数据表示三个重复井的平均TNF-α释放量;pg/mg总蛋白±标准偏差。

为了确定sHA诱导的DC成熟是否涉及NF-κB向细胞核的易位,对细胞核提取物进行了EMSA。如所示图4A、 sHA以时间依赖的方式诱导NF-κB活化,早在sHA治疗后30分钟就获得了显著的信号。此外,与特异性NF-κB抑制剂CAPE合用可剂量依赖性地抑制DC产生TNF-α的能力及其对HLA-DR的上调(图4B和数据未显示),在20μg/ml的浓度下观察到几乎全部的抑制作用。正如预期的那样,LPS促进了NF-κB从细胞液中的释放,与LPS孵育30分钟后观察到强烈的NF-κ的B信号(图4A) ●●●●。总之,这些数据表明p38和p42/44 MAPK的磷酸化以及NF-κB的核转位是sHA诱导DC产生TNF-α的先决条件。

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sHA诱导的DC成熟依赖于NF-κB。(A) 用HMW-HA(30μg/ml)、sHA(30微克/毫升)、LPS(10 ng/ml)或未经处理的DC制备核提取物。通过EMSA分析每个核提取物中总共10μg的蛋白质的NF-κB活性。箭头表示特定的NF-κB带。(B) 7小时后,在NF-κB抑制剂CAPE的指示浓度下,用30μg/ml sHA(白色条)或10 ng/ml LPS(黑色条)刺激DC的上清,并通过ELISA筛选其TNF-α含量。数据表示三个重复井的平均TNF-α释放量;pg/mg总蛋白±标准偏差。

TLR-4参与人树突状细胞分泌sHA介导的TNF-α,并在刺激后下调。

TLR-4家族,特别是TLR-4复合物,最近被描述为参与细菌感染期间树突状细胞的LPS依赖性激活(13). 我们研究了TLR-4是否也参与sHA诱导的DC活化。抗TLR-4单克隆抗体HTA125能够阻断TLR-4结扎(23). 因此,我们分析了这种抗体对DC对sHA产生TNF-α的影响。人DC与10μg/ml HTA125 mAb预孵育30分钟,之前显示该浓度可有效阻断TLR-4结扎(23),能够减少这些细胞在长达7小时内sHA诱导的TNFα释放,正如LPS所发现的那样(图5A) ●●●●。较高浓度的HTA125(20μg/ml)或较长的预孵育时间60min可以在一定程度上增强阻断作用(图5A) ●●●●。这些结果首次证明TLR-4参与sHA诱导的DC的细胞内信号传导和成熟。

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TLR-4介导sHA刺激的人类DC产生TNF-α,并在激活后下调。(A) 抗TLR-4抗体抑制DC对sHA(左)和LPS(右)的反应产生TNF-α。用10或20μg/ml抗TLR-4 mAb HTA 125(如图所示)、匹配的IgG同型对照品(黑圈)或未经处理(白圈)对DC进行预培养30或60分钟。然后用30μg/ml sHA(左)或100 ng/ml LPS(右)刺激细胞,刺激时间为所示时间(h)。如前所述,采集上清液并通过ELISA筛选其TNF-α含量。数据表示三个重复井的平均TNF-α释放量;ng/mg总蛋白。(B) 用RT-PCR分析100 ng/ml LPS或30μg/ml sHA处理指定时间的人DC的总mRNA。顶部显示TLR-2,中间显示TLR-4调节,底部显示β-actin控制。(C) 通过FACS分析DC®TLR-4的表面表达:未经处理的对照DC(实线)、HMW-HA处理的DC(30μg/ml;虚线)、sHA处理的DCs(30μg/ml;粗线)和LPS-处理的DC。点灰线:DC仅用二级抗体染色。显示了三个独立实验的代表。

为了进一步研究TLR与sHA诱导的DC成熟的关系,我们对TLR-4和TLR-2的表达进行了表征(后者是与细菌脂蛋白结合相关的受体;参考文献14)对sHA治疗的人类DC的反应。RT-PCR分析显示,TLR-4和TLR-2mRNA在未刺激DC的制剂中清楚表达。有趣的是,用20μg/ml sHA处理后,TLR-4和TLR-2 mRNA的表达在6-12小时内下调,而用sHA孵育12小时后没有检测到任何信号(图5B) ●●●●。当用FACS评估树突状细胞TLR-4蛋白的表面表达时,也得到了类似的结果®分析。再次,我们观察到与sHA或LPS孵育24小时后受体显著下调(图5C) ●●●●。

从这些数据中我们得出结论,TLR-4参与sHA诱导的DC激活,TLR-2和TLR-4在sHA治疗的反应中下调。为了获得TLR-2和TLR-4可能参与sHA诱导DC成熟的更多直接信息,我们从TLR-2-和TLR-4-缺陷小鼠的骨髓中分离出DC,并分析sHA对这些细胞的影响。

TLR-4缺陷小鼠的DC对sHA刺激无反应。

小鼠菌株C3H/HeJ和C57BL10/ScCr由于TLR-4受体的突变或缺失而对LPS无反应(19). 我们使用这些小鼠进一步表征了TLR-4在sHA介导的DC刺激期间的功能。制备来自C3H/HeJ、C57BL/10ScCr和野生型小鼠的骨髓衍生DC,并进行免疫表型分析。我们发现TLR-4缺乏或野生型小鼠DC中MHC II类、共刺激分子B7–1/B7–2或CD11c的表达水平没有差异(数据未显示)。此外,突变小鼠的树突状细胞具有功能活性,因为它们与细菌粗细胞壁提取物共培养后产生大量TNF-α,这些提取物被证明可以激活TLR-4缺陷小鼠的巨噬细胞(17),尽管这一数量低于野生型DC的产量(图6A) ●●●●。然而,虽然sHA剂量依赖性地刺激野生型DC产生TNF-α,但来自突变小鼠的DC对sHA刺激以及来自野生型DC的纯化LPS完全耐药马流产链球菌明尼苏达州南部295兰特(图6A) ●●●●。接下来,我们研究了TLR-4突变小鼠的DC对sHA刺激的无反应性是否与其T细胞刺激功能在功能上相关。在标准MLR中,与野生型DC相比,sHA处理突变体小鼠DC的同种异体刺激能力显著降低(图6B) ●●●●。相比之下,HMW-HA对野生型和突变型DC的TNF-α释放或T细胞刺激能力均无影响,即使浓度为100μg/ml(图6). 由于TLR-4是LPS的主要受体,低至50 pg/ml的浓度被描述为激活骨髓单核细胞系的细胞(32),我们希望排除本研究中使用的sHA制剂中内毒素污染的可能性。LAL分析显示,我们的1 mg/ml sHA储备溶液中的最大内毒素含量为0.1 ng/ml,在50μg/ml sHA浓度的整个分析过程中,最大可能污染为0.005 ng/ml。纯化LPS的滴定实验马流产链球菌结果表明,在我们实验中使用的培养条件下,树突状细胞对LPS浓度<0.2 ng/ml没有反应(数据未显示)。此外,通过在sHA刺激前用10μg/ml LPS抑制剂多粘菌素B预孵育DC进行阻断实验(图6C) ●●●●。多粘菌素B对sHA诱导的IA上调无影响b条、B7-1或B7-2,但在同一实验中几乎完全抑制了LPS效应(图6C) ●●●●。

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来自TLR-4缺陷小鼠的DC对sHA刺激不敏感。(A) 骨髓来源的DC来自C3H/HeN(野生型)和C3H/HeJ(TLR-4突变型)或C57BL/10ScSn(野生类型)和C57BL/10ScCr(TLR-5突变型)。在培养的第6天,DC要么与含有LPS和其他物质(如脂蛋白)的100 ng/ml细菌细胞壁裂解物一起培养,要么与来自马流产沙门氏菌米内索塔沙门菌菌株R595作为阳性和阴性对照。或者,添加10或50μg/ml sHA或100μg/ml HMW-HA。处理48小时后,通过ELISA筛选无细胞上清液的TNF-α含量。数据表示一式三份的孔的平均TNF-α释放量;pg/mg总蛋白±SD。(B)DC用A中描述的相同物质处理48 h,洗涤,并与105DC/TC比为1:20的同种反应性T细胞。在第5天通过添加1μCi[H] 最后18小时的胸腺嘧啶核苷。结果显示为三个孔的每分钟计数(CPM)±SD。(C) 第6天,用30μg/ml sHA或100 ng/ml LPS培养C57BL/10Sn(黑条)或C57BL/10Cr(白条)骨髓衍生DC 24小时,和/或在刺激前1小时用10 mg/ml多粘菌素B(polyB)预处理。培养24小时后,对DC进行Ia染色b条、B7-1和B7-2的表达并通过流式细胞术进行分析。结果显示平均荧光强度(MFI)。

sHA介导的DC刺激不依赖TLR-2的表达。

TLR-2是一种通过膜脂蛋白/脂肽激活巨噬细胞的受体伯氏疏螺旋体梅毒螺旋体、和发酵支原体(1433). 为了检测TLR-2是否在sHA诱导的DC成熟中发挥作用,TLR-2缺陷的DC(14)野生型小鼠是从骨髓中产生的。用LPS或sHA处理这些细胞,比较它们分泌TNF-α的能力。TLR-2缺陷的DC对LPS和sHA反应良好(图7A) ●●●●。这些数据在功能水平上得到了证实,因为在标准MLR中,sHA和LPS处理后突变体小鼠DC的异体刺激能力显著增强(图7B) ●●●●。综上所述,这些数据表明sHA介导的DC刺激依赖TLR-4而非TLR-2,因为DC中存在非功能性突变TLR-4受体不能支持sHA诱导的DC成熟,而TLR-2缺陷的DC对sHA的反应与野生型DC相似。

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sHA介导的DC刺激并不依赖TLR-2的表达。第6天骨髓-来源于C57BL/6或C57BL/6TLR-2的DC−/−用指示浓度的高纯度LPS培养48小时马流产沙门氏菌或sHA。(A) 通过ELISA筛选无细胞上清液中的TNF-α含量。数据表示三个重复井的平均TNF-α释放量;pg/mg总蛋白±SD。(B)DC用A中描述的相同物质处理48 h,洗涤,并与105DC/TC比为1:20的同种反应性T细胞。在第5天通过添加1μCi[H] 最后18小时的胸腺嘧啶核苷。结果显示为三个孔的每分钟计数(CPM)±SD。

sHA诱导DC激活的体内相关性。

迄今为止的数据表明,sHA诱导的DC成熟依赖于TLR-4,而TLR-4是通过体外方法产生的。因此,我们着手确定sHA诱导DC成熟的体内相关性。首次尝试将全厚度皮肤器官培养物漂浮在含有30μg/ml sHA或100 ng/ml LPS的培养基上(图8A) ●●●●。24小时后,收集迁移到培养基中的细胞,并对CD11c和Ia进行双重染色B类表达式。FACS公司®高前向散射、高CD11c/Ia的分析B类-阳性细胞显示,当添加sHA时,培养液中出现的DC的百分比明显较高(图8A) ●●●●。相反,TLR-4缺陷小鼠的耳朵皮肤在对sHA或LPS的反应中没有表现出增强的DC迁移(图8A) ●●●●。在第二组实验中,将100μg/只动物sHA或10μg LPS静脉注射到C57BL/10ScCr和野生型小鼠中(图8B) ●●●●。12小时后处死小鼠,并在脾细胞悬液中对前向散射的高CD11c高表达细胞进行Ia定量B类/B7–2表达(图8B) ●●●●。sHA诱导高Ia的显著富集b条和B7–2正极激活DC(图8B) ●●●●。相反,向TLR-4缺陷小鼠注射sHA并没有导致Ia的上调b条脾脏DC上的B7–2(图8B) ●●●●。为了量化其功能活性,从脾脏中纯化树突状细胞,并使用BALB/c小鼠的原始T细胞作为应答者测试其异体刺激功能(图8B) ●●●●。与PBS治疗的对照组相比,注射sHA的野生型小鼠脾脏中分离的DC诱导的胸腺嘧啶掺入明显增强了T细胞增殖。相反,从TLR-4缺陷的C57BL/10ScCr中分离的DC注射sHA后并没有诱导T细胞增殖增强(图8B) ●●●●。从这些结果中,我们得出结论,外源性sHA能够在体内诱导DC激活,并且这种激活再次由TLR-4依赖机制介导。

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sHA诱导DC刺激的体内相关性。(A) 全厚皮肤取自C57BL/10ScSn野生型(TLR)耳朵的外表皮+/+)和TLR-4−/−每组三只C57BL/10Cr小鼠。将耳片漂浮在添加或不添加30μg/ml sHA或100 ng/ml LPS的补充RPMI 1640上。24小时后,收集迁移到培养基中的细胞,并对CD11c和Ia进行双重染色B类表达式。大而高的CD11c和IaB阳性细胞被视为DC,并通过流式细胞术计算百分比。显示了两个独立实验的代表。(B) 将100μg/只动物的sHA或100μl PBS静脉注射到C57BL/10ScSn野生型(TLR)的尾静脉+/+)和TLR-4−/−每组三只C57BL/10Cr小鼠。12小时后处死小鼠,并分析脾脏中大而高度CD11c阳性细胞的IaB类流式细胞术检测B7-2的表达。结果显示为标记门±SD的平均荧光强度(MFI)。此外,从脾细胞和5×10DC再刺激4天,共10天5BALB/c小鼠的同种异体T细胞。在第4天通过添加1μCi[H] 最后18小时的胸腺嘧啶核苷。结果显示为三个孔的每分钟计数(CPM)±SD。显示了两个独立实验的代表。

讨论

DC的激活在T细胞介导的免疫反应的发展中起着关键作用。我们以前的工作表明,炎症部位产生的HA的低分子量降解产物(sHA)是DC激活的关键因素(5). 本研究的令人兴奋的结果是,人和小鼠DC对sHA的成熟和激活依赖于功能性TLR-4受体复合物。因此,sHA能够介导来自野生型C3H/HeN和C57BL/10Sn小鼠的骨髓来源DC的活化,但不介导来自各自密切相关的C3H/HeJ和C57BL/10ScCr小鼠的DC的活化。由于TLR-4的缺陷,这些小鼠对LPS无反应,对内毒素无炎症反应。相反,TLR-2缺陷小鼠的DC保留了对sHA反应的能力。此外,TLR-4对人单核细胞衍生的DC的阻断消除了它们对sHA产生TNF-α的能力。sHA对DC的刺激作用是由TLR-4激活的信号通路成分介导的,包括p38和p42/p44 MAPK的磷酸化以及NF-κB向细胞核的易位。

越来越明显的是,细胞外基质的亚组分,尤其是由重复的双糖单元构成的亚组份,可以具有免疫调节功能。硫酸皮肤素(一种与HA具有高度结构同源性的物质)在内皮细胞中诱导NF-κB和细胞内粘附分子1(34)低分子量硫酸乙酰肝素可以调节表皮郎格罕细胞(皮肤DC的未成熟前体)的迁移(35). 然而,与完整的亲本大分子相比,这些低分子量裂解产物是否使用相同或不同的受体来发挥作用,目前尚不清楚。HMW-HA与CD44和RHAMM结合(36)但我们和其他人可以排除sHA片段与这些受体的结合(537). 在这里,我们首次表明HA的小片段产物使用与HMW-HA不同的受体和信号级联。

诱导DC中TLR-4介导信号传导所需的sHA浓度比LPS高几个数量级。这是有道理的,因为HA是生物体的一种生理成分,微量的降解产物进入血液,在肝脏中进一步降解。有趣的是,脓毒症期间循环HA水平较高,与疾病严重程度和预后相关(38). 基于这些原因,似乎只有局部且仅发生在炎症部位的高浓度sHA才能诱发促炎信号。我们使用吸塑流体的初步数据(24)表明4-6个寡糖的小糖胺聚糖片段确实在发炎皮肤局部产生(数据未显示),这与该假设一致。

LPS和sHA激活DC之间有许多相似之处。例如,TLR-4缺陷小鼠的DC对LPS和sHA均无反应,但TLR-2缺陷的DC仍被这两种物质激活。因此,我们进行了广泛的控制,以排除我们的sHA制剂被LPS污染的可能性。在这方面,同样重要的是,虽然LPS和sHA诱导的信号通路有相似之处,但一个关键的区别是LPS诱导PI3激酶(39),而我们在这里显示sHA没有。此外,LPS在小鼠巨噬细胞中快速结扎TLR-4复合物,刺激后1小时内受体下调(40). 相反,我们发现sHA-刺激DC的细胞内信号和TNF-α蛋白合成与LPS相比显著延迟了约5-6小时。因此,尽管我们不能完全排除sHA可能与我们的sHA制剂中存在的微量LPS协同作用的可能性,这些LPS低于检测阈值,并且单独不能介导DC成熟,对我们结果更可能的解释是,sHA是DC激活的独立诱导剂,通过TLR-4发出信号。

sHA如何在分子水平上诱导TLR-4信号传导尚待证明。最近的结果表明TLR信号依赖于一系列复杂的蛋白质相互作用,通过TLR-4的LPS信号很好地证明了这一点(1318). 除TLR-4外,宿主对LPS的反应还需要血清蛋白LBP和GPI-连接的细胞表面蛋白CD14(16). LPS与LBP结合,LBP又与CD14结合。LPS-LBP-CD14复合物随后被认为与TLR-4相互作用,可能直接(1541)进而通过MyD88和IRAK诱导TLR-4信号。TLR-4似乎也能在多蛋白复合物中直接接触LPS。LPS诱导的信号传导还需要另一种称为MD-2的蛋白质(2341). 这种分泌的细胞外蛋白与TLR-4的细胞外部分结合,并可能稳定TLR-4二聚体(2342). TLR信号传导中涉及的复杂分子相互作用似乎定义了给定TLR可以识别的物质范围,其特异性至少部分由与配体结合的TLR辅助分子决定(42).

在sHA诱导的TLR-4信号传导中,sHA可能与已知TLR-4辅助分子结合,但更可能与未识别的辅助分子结合。结构因素强调了后一种可能性:LPS和sHA几乎没有同源性,除了LPS分子末端高度多样的重复糖单元(43). 然而,LPS与TLR-4复合物的结合及其对巨噬细胞的激活作用是由分子的脂质A部分介导的(43). 此外,已知能结合TLR-4复合物的其他物质表现出高度多样性。人类热休克蛋白60可以通过上调粘附分子和释放促炎介质来诱导巨噬细胞的TLR-4复合物依赖性激活(20). 紫杉醇,一种从短叶红豆杉还介导小鼠巨噬细胞的TLR-4和MD-2依赖性激活。有趣的是,这种效应只能在小鼠细胞中观察到,而在人类LPS反应细胞中则无法观察到(21). 因此,我们发现sHA能够有效激活小鼠和人类DC,这一点非常重要,这表明这是一种高度保守的机制,因为人类TLR-4被描述为在识别可能的配体方面更有效(2144). 未来的工作将集中于剖析sHA与TLR-4复合物成分相互作用的方式,以诱导导致DC成熟的信号转导。

从这里提供的数据和我们以前的研究中可以清楚地看出(5)sHA诱导的DC激活依赖于TNF-α分泌的诱导。我们的数据表明,这种诱导需要TLR-4,因为TLR-4缺陷的DC对sHA不产生TNF-α,而抗TLR-4抗体能够阻止野生型DC释放sHA介导的TNF-β。然而,如果在sHA治疗7小时后给予抗TLR-4抗体,则对TNF-α的产生没有影响(图5A) ●●●●。这与sHA引起TLR-4表达下调相一致,尽管sHA治疗24小时后DC表面明显存在一些TLR-4(图5B和C)。这些数据与DC对sHA反应产生的TNF-α与同一细胞上的TNF受体I结合的概念一致,后者反过来传递产生更多TNF-β的信号(45).

目前对TLR及其相关分子的理解表明,这些多蛋白复合物在低等生物中发育,如果蝇属通过识别病原体上的保守基序来提供先天免疫。因此,令人着迷的是,这里提供的数据表明,参与先天免疫反应的相同分子机制可能在进化上被协同激活免疫反应,以响应炎症期间内源性细胞外基质成分的降解。对TLR及其相互作用分子的进一步研究无疑将揭示许多新的和令人兴奋的关于调节免疫的分子机制的见解。

致谢

这项工作得到了德国基金会的资助(DFG TE 284/2-1)。

脚注

* 本文中使用的缩写:树突状细胞;透明质酸;鲎成釉细胞裂解物;丝裂原活化蛋白激酶;磷脂酰肌醇;sHA,HA的低分子量低聚糖;TLR,Toll样受体。

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文章来自实验医学杂志由以下人员提供洛克菲勒大学出版社