评论文章

前面。Immunol。,2016年8月12日|https://doi.org/10.3389/fimmu.2016.00302

新见解中性粒细胞胞外陷阱:在炎症机制的形成和作用

杨挂 ^{1 __},

蒙纳赫勒拿比尔曼 ^{2 __},

Jan马库斯·布劳恩 ^{2 __},

易刘 ^{1 __},

易赵 ¹*^__和

马丁·赫尔曼 ^{2 __}

¹风湿病学和免疫学,华西医院,四川大学,成都,四川,中国
²内科3风湿病学和免疫学Friedrich-Alexander-University埃(能力),德国埃朗根

最近的数据表明,NETosis先天免疫反应中扮演着关键角色和扰乱体内平衡的免疫系统。NETosis是neutrophil-specific细胞死亡的一种形式以释放大型网络式结构称为中性粒细胞胞外陷阱(网)。网是由DNA链与组蛋白和装饰着大约20家不同的蛋白质,包括中性粒细胞弹性蛋白酶、髓过氧化物酶、组织蛋白酶G,蛋白酶3,高机动组蛋白B1和LL37。据报道,NETosis可以诱导一些微生物,以及颗粒物包括无菌刺激,通过不同的细胞机制。与此同时,NETosis自杀NETosis和至关重要的是有争议的。NETosis,当我们进入第二个十年的研究,我们有部分理解网作为先天免疫的双刃的剑。在本文中,我们将讨论NETosis的机制,其抗菌作用,在自身免疫性疾病中的角色,以及NET-associated线粒体DNA的相对较新的领域。

介绍

嗜中性粒细胞是最丰富的一种白血细胞在人类和先天免疫中发挥重要作用的保护主机对入侵的病原体。中性粒细胞的免疫监管职能包括吞噬作用,生成活性氧(ROS),脱粒,和中性粒细胞胞外陷阱的形成(网),这一过程称为NETosis。NETosis被接受为一个特定的细胞死亡形式子程序由粒细胞,不同于凋亡和坏死(1,2)。当中性粒细胞接受NETosis、核能和颗粒膜分解,染色质decondenses,扩散进入细胞质,细胞质蛋白质混合。这是紧随其后的是质膜破裂和染色质的释放,装饰着细粒度的蛋白质,在细胞外空间(2,3)。网由染色质纤维直径在15 - 17海里包含DNA和组蛋白H1, H2A、H2B, H3和H4。此外,DNA纤维装饰着一些蛋白质,如中性粒细胞弹性蛋白酶(NE)、髓过氧化物酶(MPO)、组织蛋白酶G,蛋白酶3 (PR3),高机动组蛋白B1 (HMGB1)和LL37,从而显示促炎的特征(1)。在过去的十年中,中性粒细胞功能的新方面出现公布他们的意义不仅在保护宿主对微生物,也导致许多自身免疫性病理条件。因此,本文的目的是提出并讨论了当前知识NETosis机制及其在自身免疫性疾病的发病机制中的作用。

NETosis机制

中性粒细胞自杀,有别于坏死或凋亡,与佛波醇后第一次描述了化学刺激12-myristate 13-acetate (PMA) 1996年(4)。这种形式的细胞死亡是核和颗粒膜的解体和decondensed染色质的释放到细胞质中。2004年,Zychlinsky和他的同事报道,中性粒细胞自杀导致释放大decondensed染色质组成的网状结构和中性粒细胞抗菌因子,和中性粒细胞胞外陷阱(这个名字1)。在他们的研究中,他们使用PMA和interleukin-8(引发)引出网在体外。在2007年,有报道称,随着染色质decondensation,中性粒细胞进行NADPH oxidase-dependent死亡过程,包括核膜解体和核酸和蛋白质颗粒的混合在一个大的细胞内液泡(3)。核酸和蛋白质颗粒协会后,网公布通过等离子体膜穿孔和细胞裂解。这个过程是completed1-4 h后煽动刺激。染色质结构容易发布绑定特定的物质,如细菌。作者得出结论,PMA-induced NETosis是一种有益的自杀(3)。除了PMA和引发,细菌,真菌,原生动物,antibody-antigen复合物(5)、自身抗体(6)、肿瘤坏死因子(TNF)、干扰素(IFN) (7),也进一步刺激触发NETosis。

通路

传统自杀NETosis长期以来被认为是一种截然不同的活跃的细胞死亡。此外,一些研究人员描述了一种不同的机制网形成,称为NETosis至关重要。经常这非自杀式路径允许净从中性粒细胞释放保持可行的(8- - - - - -12)。

传统的自杀NETosis

传统自杀NETosis通常是由配体结合为IgG-Fc中性粒细胞toll样受体和受体,补充,或细胞因子(1,5,13)。这些受体激活后,钙存储的内质网钙离子释放到细胞质中。胞质钙水平升高增加蛋白激酶C (PKC)活性和磷酸化gp91phox (14)。这导致装配NADPH氧化酶的胞质和膜结合型子单位的功能配合物在细胞质或phagosomal膜(也称为吞噬氧化酶,PHOX)和随后的一代的ROS (15)。活性氧的影响下,颗粒和核膜破裂。随后,公布核、粒状和胞质混合内容。NE和MPO通常存储在azurophilic颗粒,迁移到细胞核。这里,不降解链接器组蛋白H1和流程核心组织蛋白,和MPO提高染色质decondensation (15)。组蛋白deimination肽基精氨酸deiminase 4 (PAD4)和蛋白水解乳沟的组蛋白启动之前核分解另外导致染色质decondensation (16,17)。质膜的破裂允许释放网和导致细胞死亡和损失的活细胞迁移和吞噬作用(图的函数1)(15)。

图1

图1所示。(我)几个刺激(如细菌、病毒、真菌)发起NETosis绑定到中性白细胞受体(例如,Fc受体,通常,这激活内质网释放钙离子存储。(2)胞质钙水平升高PKC活性增加,导致NADPH氧化酶组装成一个功能复杂的(PHOX)。(3)随后,PHOX(或者线粒体呼吸链)产生活性氧。(IV) ROS生成导致颗粒破裂和核膜。(V)与此同时,东北和MPO把原子核。(VI)因此,组蛋白deimination和染色质decondensation导致网的形成。(七)最后,质膜的破裂导致中性粒细胞溶解并允许发布网。

活性氧

ROS的普遍接受的观念发挥着至关重要的作用在古典自杀NETosis通路是基于两个重要的观察结果:(1)从慢性肉芽肿性疾病患者中性粒细胞(CGD),不能执行氧化破裂,显示强烈减少能力形成网。这是独立于类型的突变导致缺陷PHOX复杂。慢性感染(CGD患者患有严重的,经常3,18)。此外,治疗H₂O₂获救的生产网从CGD患者中性粒细胞,下游的PHOX复杂(3)。(2)ROS食腐动物,例如N乙酰半胱氨酸或trolox据说抑制NETosis (3,19)。事实上,目前尚不清楚ROS如何参与核膜的拆除或混合的网络组件。一些研究表明,ROS直接促进NETosis期间观察到的形态学变化(14)。ROS可能还存在或者灭活,从而抑制细胞凋亡和自噬有助益。这导致溶解细胞膜(20.)。这两个选择并不是相互排斥的,在一定的实验条件下,每个人也可以独立行动。现在有越来越多的证据表明,一些刺激诱发NETosis NADPH氧化酶的独立。Oxidant-independent释放网被Winterbourn详细研究和他的同事们(21)。

肽基精氨酸Deiminase 4

肽基精氨酸deiminase 4催化精氨酸残基的转换citrullinein多肽,从而消除正电荷的蛋白质。因此,组蛋白的citrullination削弱了核小体的稳定(22,23)。损失的正电荷引起染色质结构紧凑的开幕式,并允许decondensation和染色质分散网的形式。始终,从小鼠中性粒细胞PAD4缺陷显示能力形成网和非常容易受损严重的皮肤感染在活的有机体内(16,17)。然而,缺PAD4并不导致肺部感染引起的流感病毒(16)。

NETosis至关重要

与先前的研究描述的规范途径NETosis过程需要几个小时,克拉克等人在2007年报道,脂多糖(LPS)刺激NETosis涉及TLR4在血小板(发生在短短30分钟8)。是证明中性粒细胞释放网仍然不透水SYTOX绿色,这表明他们保持结构完整。因此,作者后来创造了这个词至关重要的NETosis (12)。电子显微镜显示,净释放引起的金黄色葡萄球菌发生通过起泡的核膜和水泡出口在体外和在活的有机体内(9)。因此,这个途径保存的完整性中性粒细胞的等离子体膜(图2)。网中性粒细胞成为无核的细胞质的追逐和囚禁住葡萄球菌(10)。白色念珠菌报道进一步刺激至关重要的NETosis (11)。它仍然有争议是否以及如何自杀和重要NETosis共存。此外,目前还不清楚如果嗜中性粒细胞,驱逐其DNA(或其部分内容)应该称为“可行的”。

图2

图2。一些NETosis-inducing刺激涉及TLR4在血小板。在这种情况下,中性粒细胞释放网通过起泡的核膜和水泡出口。因此,中性粒细胞成为核细胞质,仍然能够迁移和保留几个可行的嗜中性粒细胞的传统功能。

线粒体DNA

如前所述,ROS是不可或缺的几种NETosis (24)。在哺乳动物中,线粒体呼吸链和NADPH氧化酶独立导致活性氧的生产(25)。最近,它已被观察到在活的有机体内抑制线粒体活性氧的生产减少细胞内ROS水平和NETosis (26)。核糖核蛋白免疫复合物(RNP ICs)被用来刺激中性粒细胞和线粒体ROS生成。线粒体成为hypopolarized,转移到细胞表面,观察在驱逐了网。与此同时,线粒体活性氧氧化线粒体DNA (mtDNA),促炎在体外。当注入老鼠,引发炎症和氧化mtDNA I型干扰素的生产通过路径依赖于DNA传感器刺(7,26)。从细菌和线粒体进化包含unmethylated CpG图案(27)以及N-formylated肽(28)。类似于细菌、细胞外线粒体是刺激器的炎性信号。一些报告属性这一效应unmethylated CpG DNA重复在mtDNA (29日),其他突出DNA氧化的影响(28)。

在系统性红斑狼疮(SLE)患者NETosis异常和缺陷在清除网发现促进I型干扰素的生产和发布(30.)。相比之下,CGD患者携带风险增加患系统性红斑狼疮,尽管缺乏功能性NADPH氧化酶活动(18),在健康的中性粒细胞激活活性氧的主要来源。在此基础上观察,人们可能会质疑NETosis增加是一个因素导致系统性红斑狼疮的发病机理。相反,缺乏间隙的网可能会促进反核在系统性红斑狼疮患者自身免疫(30.,31日)。然而,卡普兰和他的同事们重新审视了ROS的重要性低密度粒细胞CGD患者和观察到这个粒细胞族群发生自发NETosis及其线粒体呼吸产生足够数量的ROS NETosis执行。活性氧的水平由低密度粒细胞与I型干扰素的水平在相应的病人。因此,作者不仅证实了线粒体开车NETosis还得出结论,NETosis是能够培养系统性红斑狼疮(病理因素26,32)。一致,anti-mtDNA抗体升高在系统性红斑狼疮患者的血清,以及抗体水平与IFN分数和疾病活动。免疫复合物含有mtDNA诱导比那些核dsDNA IFN-α。因此,anti-mtDNA抗体可以被视为典型的驾驶系统性红斑狼疮、狼疮肾炎(33)。作为药物选择性抑制线粒体呼吸链复杂我和降低NADPH氧化酶活动(34)、二甲双胍治疗系统性红斑狼疮(可能是一个新选项33)。

抗菌素

据说许多微生物诱导形成网(表1)。NET-inducing分子包括细菌细胞表面组件有限合伙人,lipoteichoic酸及其分解产物。据报道一些细菌和真菌有说服力地诱发网络形成,如金黄色葡萄球菌(9,35),链球菌sp。36),流感嗜血杆菌(37),克雷伯氏菌肺炎(15),单核细胞增多性李斯特氏菌(38),结核分枝杆菌(39),弗氏志贺菌(1),曲霉属真菌nidulans,来自烟曲霉菌,白色念珠菌(40- - - - - -42)。进一步的例子是病原体,例如鼠疫(1)和口腔微生物组的成员,包括Porphyromonas gingivalis(43)。网可以固定和杀死一个广泛的微生物,包括细菌、真菌和原生动物(1,9,15,35- - - - - -42),因此防止微生物病原体的传播(37)。一些研究质疑的杀戮能力网自可行金黄色葡萄球菌和白色念珠菌芽生孢子被释放从网孵化与dna (44)。Branzk等人发现,在应对大量的病原体,如丝状白色念珠菌,中性粒细胞有选择地发布网(45)。有趣的是,没有发生NETosis回应的酵母形式白色念珠菌或单一细菌。吞噬作用通过dectin-1作为微生物大小的传感器,使净释放表达下调易位的NE细胞核。除了直接杀死微生物,蚊帐灭活微生物“毒性因素”,改变宿主细胞的功能。NET-associated NE特别是裂解毒性的因素弗氏志贺菌、鼠伤寒沙门氏菌,鼠疫enterocolitica(1)。丝氨酸蛋白酶组织蛋白酶G和PR3也可能破坏进一步类微生物的毒力因素(46)。网含有一些抑制微生物的蛋白质,包括酶、抗菌肽、calgranulin,组蛋白。网的杀菌剂的活动共同作用的结果几个组件被介质的浓度高的地方增强网的表面(15)。

表1

表1。病原体引起网。

各种组件的网导致杀菌剂的活动的不同方面。结果表明:MPO的活性在网消除至关重要金黄色葡萄球菌(47)。的抗真菌活性网已经分配给calgranulin (48锌螯合物),真菌生长所需的阳离子(15)。另外,组蛋白限制微生物增长非常有效,组蛋白抗体预防NET-mediated杀菌剂的活动(1)。建议被困是由于微生物之间的静电相互作用细菌表面带正电和负电的染色质纤维基于静电相互作用(49)。封装的病原体或那些可以改变他们的表面电荷可能逃离陷阱(50)。重要的是,一些细菌可以被核酸酶降解体系,从而逃避NET-mediated诱捕(表2)。这些包括革兰氏阴性病菌Vibrium霍乱(51)和革兰氏阳性细菌链球菌引起的肺炎(52),酿脓链球菌(53),鼠疫ssp。(54),链球菌agalactiae(55),猪链球菌(56),金黄色葡萄球菌(57),气单胞菌属hydrophila(58)。这强调了核酸酶作为致病因素的重要性。

表2

表2。病原体,躲避陷阱通过有辱人格的网。

NETosis在自身免疫性疾病中的作用

血管炎

在血管壁炎症和血管炎表现会影响身体的任何器官系统。ANCA-associated血管炎(AAV),一群vasculitides,小型船舶的特点是参与,neutrophil-rich坏死性炎症,anti-neutrophil胞质抗体的存在(ANCAs) (59)。与polyangiitis AAV包括肉芽肿病(原韦格纳肉芽肿病),微观polyangiitis,嗜酸性肉芽肿病polyangiitis(原名Churg-Strauss综合症)。许多ANCAs针对PR3、MPO酶通常发现在azurophilic中性粒细胞的颗粒和表面的网(60)。据报道网发布的ANCA-stimulated中性粒细胞,反过来包含自身抗原PR3和MPO (39)。这表明,净形成触发血管炎和促进自身免疫反应在个人对中性粒细胞组件与小血管血管炎(61年)。一致,增加了核小体的净残余包含复合物和MPO水平已发现在患者的血液循环活跃的血管炎(39)和活跃AAV患者(60)。患者中性粒细胞的AAV表现出增加的趋势自发的细胞死亡。净残余的水平与疾病活动和中性粒细胞计数呈正相关,但与ANCA反向至少在缓解。

系统性红斑狼疮

系统性红斑狼疮是一种复杂的多因子的自身免疫性疾病伴有严重的器官损伤。网被认为是一个潜在的自身抗原的来源。多形核白细胞(中性粒细胞)的系统性红斑狼疮患者显示增加执行NETosis倾向与退化的网循环DNase1受损。异常网诱导I型干扰素,与血管并发症和相关组织损伤(30.,62年)。

大量的低密度粒细胞已确定在系统性红斑狼疮患者中性粒细胞的特定子集。低密度粒细胞持续产生TNF和1型干扰素和自发地接受NETosis (24)。此外,增加IFN-α系统性红斑狼疮患者是一个重要的驱动力,质数执行NETosis中性粒细胞(63年)。

不仅生产也退化网是系统性红斑狼疮患者的改变。血清群的系统性红斑狼疮患者降低网更有效地比健康对照组(30.)。网的间隙不足系统性红斑狼疮患者肾脏病与anti-NET抗体的滴度高,(30.)。在健康个体,单核吞噬细胞清除网合作DNase1和C1q协同加强在简化了染色质部分(64年)。活动的系统性红斑狼疮患者血清DNase1低于健康对照组(65年)。增加血清水平的DNase1抑制剂,DNase1罕见的基因突变,anti-DNase 1抗体可以解释的减少活动DNase 1 (66年,67年)。循环染色质免疫复合物的形式在系统性红斑狼疮患者包含LL37,触发TLR9识别在血浆树突细胞,诱发IFN-α合成、和保护核酸免受核酸酶降解(68年,69年)。净退化的研究发现,个体活动循环的一个给定的病人与疾病活动改变了。系统性红斑狼疮患者血清,无法降低网,显示增加补充消耗,因为网激活补体经典与C1q(由于他们互动70年)。因此,策略,消除循环构成的网及其组件有前途的治疗方法治疗系统性红斑狼疮患者(70年)。

血栓形成

中性粒细胞胞外陷阱促进血栓形成通过提供一个支架和刺激血小板和红细胞粘附和聚集71年),从而提高凝血(72年)。中性粒细胞在血栓是深静脉血栓形成的传播需要通过绑定第十二因素和支持其激活NETosis (73年)。网的主要组件(DNA,组蛋白和蛋白酶)所有显示促凝血的属性。DNA诱发凝血酶生成等离子体和增加凝固的蛋白酶活性因素(74年,75年)。组蛋白可以直接诱导上皮和内皮细胞死亡(76年),可以调节血栓形成在活的有机体内(77年)。组蛋白被发现抑制抗凝血浆通过促进凝血酶生成和阻碍thrombomodulin函数(78年,79年)。弹性蛋白酶灭活组织因子途径抑制剂;因此,进一步提高凝固和纤维蛋白沉积在活的有机体内(72年)。释放的血管网间引发了促凝血的状态和提升绑定和激活血小板导致血栓形成(80年)。

类风湿性关节炎

在自身免疫性疾病,类风湿性关节炎(RA)、自身抗体的形成citrullinated蛋白质(ACPA)被认为是一个关键的致病因素。考虑到组蛋白citrullination是涉及网络形成,NETosis可能发挥重要作用在类风湿性关节炎(81年)。2013年,卡普兰和他的同事们发现,中性粒细胞从RA患者更倾向于比中性粒细胞释放网健康对照组。RA血清和滑液NETosis强烈诱导物(82年)。此外,NETosis导致citrullinated蛋白质抗原的外化和immune-stimulatory分子可以促进关节异常的适应性和先天免疫反应。

糖尿病

糖尿病(糖尿病)是一种慢性,终身疾病,胰岛素分泌受损和可变度外周胰岛素抵抗导致高血糖和影响身体利用食物能量的能力。条件下的高血糖,据说中性粒细胞产生更多的超氧化物和细胞因子,像TNF-α,触发NETosis (83年,84年)。基于这些研究,我们推测高血糖可能促进NETosis。最近,黄等。85年)孤立的中性粒细胞从人类和老鼠1型和2型糖尿病。近两倍来自患者中性粒细胞释放网从健康对照组细胞相比。作者将此归因于PAD4和显示四倍upregulation PAD4蛋白质表达的中性粒细胞从糖尿病患者与健康对照组相比。建立这延迟伤口愈合是糖尿病患者的一个特点。作者报道,大量的网被发现在切除皮肤伤口的糖尿病小鼠DNase1,拆除网,加速伤口愈合。尽管NETosis触发器的伤口难以捉摸,已经证实,抑制NETosis或有辱人格的网改善伤口愈合和减少网络慢性炎症在糖尿病(85年)。然而,在伤口愈合NETosis的确切作用还有待揭示。

癌症

NETosis可能影响肿瘤的发展在许多阶段,包括生长、血管生成和转移。已经注意到,有一个大的坏死区域死去的中性粒细胞和呈网状结构在路易斯肺癌和尤因肉瘤(86年,87年)。它还有待澄清这些网负责坏死区域的生成。另外,网可以保护健康组织坏死区域。一项研究观察了净沉积的微脉管系统和随后的地方捕获循环癌细胞。肿瘤细胞,固定网、存活和繁衍,形成结节。这说明网络在促进肿瘤转移的作用(88年)。然而,无论是网保护或锚癌细胞身体或他们是否促进肿瘤增长仍然是难以捉摸的。

脓毒症

感染,脓毒症的病理结果hyperinflammatory主机反应和免疫麻痹。在脓毒症中,网被释放的血管系统,在那里他们陷阱细菌(8,12)。困可以杀死细菌,保护病人免受细菌溢出(1,44)。相反,净沉积在器官和pro-thrombotic活动也可能导致器官衰竭(89年,90年)。当研究人员对脓毒症小鼠幼童腹壁薄弱盲肠的结扎和穿刺后,PAD4-deficient老鼠表现出相似的生存率与野生型相比控件(91年)。然而,PAD4-deficient老鼠部分免受LPS-induced冲击,表明网可能导致有毒的炎症和促凝血的主机响应败血症的细菌。作者提出,防止净形成PAD4抑制炎症或血栓性疾病不可能增加主机易受细菌感染(91年)。

结论

的研究进展NETosis大大增加了我们对它在免疫中的作用的理解过程和自身免疫性疾病。NETosis期间公布的最近的研究描述了自身抗原,激活免疫细胞,细胞因子产生进一步NETosis。最后隔离和降低促炎介质聚合体系,以避免过度的炎症(8,14)。公布的数据还显示,阻断NETosis或抑制的活动组件的过程在网可能有效的治疗自身免疫性疾病。未来的工作调查NETosis的确切过程和网络组件和免疫系统的相互作用将有助于更深入地理解角色的感应和分辨率的中性粒细胞炎症。

作者的贡献

和YZ为什么写这篇文章的初稿。HY,我们设计了数字。YL、MB、JB和MH至关重要的知识内容的修订后的手稿。所有作者批准了最终版本。

利益冲突声明

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

资金

目前的工作是由中国国家自然科学基金(81273286)YZ,国际科技合作项目(2015 hh0050)四川省YZ、MH的国际科技合作项目(2014 hh0027)四川省YL和MH。MH是德国研究委员会支持的crc - 643 b5和B8、crc - 1181 c03 KFO257, SPP 1468近年来IMMUNOBONE,和博士培训GK1660 SFB643。

引用

1。Brinkmann V, Reichard U, Goosmann C, B的过错,Uhlemann Y,维斯DS, et al .中性粒细胞胞外陷阱杀死细菌。科学(2004)303(5663):赔率。doi: 10.1126 / science.1092385

这篇文章的一部分的研究课题