全 文 :第26卷 第10期
2014年10月
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
Vol. 26, No. 10
Oct., 2014
文章编号:1004-0374(2014)10-0998-06
DOI: 10.13376/j.cbls/2014143
收稿日期:2014-09-10
*通信作者:E-mail: zhangyanbo@sibcb.ac.cn
∙ 发现的历程 ∙
VEGFR-3反馈性抑制巨噬细胞TLR4诱发的炎症反应
张彦波
(中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所,上海 200031)
编者按:当机体受到病原微生物感染时,Toll样受体 (TLR)
在固有免疫反应中发挥关键调控作用。然而,过度的 TLR信
号引起的炎症反应将导致组织损伤,甚至内毒素休克等疾病的
发生。为了更好地理解 TLR4信号稳态机制,中国科学院上海
生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所,王红艳实验室
研究发现,在细菌感染的巨噬细胞中,血管内皮生长因子受体
3 (VEGFR-3)和其配体 VEGF-C的表达量明显上升。VEGF-C
结合并活化 VEGFR-3受体后,显著降低巨噬细胞中促炎因子
IL-6和 TNFα等的分泌。这主要是由于 VEGFR-3通过活化
PI3K-Akt1通路和上调 SOCS1的表达,抑制了巨噬细胞中
TLR4-NF-κB信号通路。在严重细菌感染时,VEGFR-3胞外配体结合区域缺失或胞内激酶活性区突变的基
因工程小鼠死亡率显著升高。王红艳实验室及其合作者的研究揭示了 VEGFR-3在巨噬细胞中反馈调控
TLR4-NF-κB通路,为治疗淋巴水肿伴随的感染提供了新策略。
固有免疫 (innate immunity)是机体免疫系统的
重要组成部分。在机体受到病原微生物入侵时,发
挥着监测和诱导机体免疫应答反应的关键作用。
Toll样受体 (Toll-like receptors, TLRs)作为一种重要
的模式识别受体 (pattern recognition receptor, PRR),
主要表达于巨噬细胞 (macrophage)和树突状细胞
(dendritic cell, DC)等固有免疫细胞表面 [1]。这些固
有免疫细胞通过识别病原菌相关分子模式 (PAMPs)
并活化转录因子,分泌多种炎性细胞因子和趋化因
子,启动固有免疫应答反应,构成机体免疫反应的
第一道防线 [2]。TLR4是最早发现的 TLR家族成员
之一, 在识别革兰氏阴性菌来源的脂多糖成份 LPS
后,引起巨噬细胞内两条通路的活化:(1)MyD88
依赖性早期 NF-κB信号通路的活化,该信号通路引
起下游炎症性因子如 IL-6、IL-1β、TNFα等的表达;
(2)通过MyD88非依赖性途径,TLR4活化下游干
扰素调控因子 (IRF3)并且导致晚期 NF-κB的活化。
两种方式均引起干扰素 IFN-β的分泌和 IFN诱导基
因的表达,晚期 NF-κB活化信号同样引起炎症性细
胞因子的产生 [3]。
TLR4-NF-κB信号通路活化能够通过刺激固有
免疫应答和促进获得性免疫反应,对机体发挥着至
关重要的作用。但是,过度活化或持续性炎症反应
也会引起严重的机体损伤和相关炎症性疾病,包括感
染性疾病、自身性免疫疾病和慢性炎症,如细菌感
染引起TLR4过度活化导致败血症 (sepsis)的产生 [4]。
败血症是指致病菌侵入血液循环,生长繁殖,产生
毒素而发生的急性全身性感染,常伴有炎症因子风
暴,引起严重组织损伤。败血症是一种死亡率高的
疾病,在医院手术感染患者中具有较高发病率 [5-6]。
因而,TLR4-NF-κB信号通路的活化必须受到
严格且精密的负性调控,从而维持机体免疫系统发
挥稳定的保护作用 [7]。鉴于 TLRs信号负性调控的
重要性,对于负性调控 TLRs机理的研究已成为近
些年免疫学领域的研究热点。尽管已有研究结果已
经发现了能够抑制 TLR信号通路的众多细胞内调
节因子 [4,7],但很少定位在细胞膜的信号蛋白能够
张彦波:VEGFR-3反馈性抑制巨噬细胞TLR4诱发的炎症反应第10期 999
下调 TLR信号,并且保护宿主避免内毒素性休克
的发生。同时,尽管研究结果暗示多种细胞因子可
能用来作为败血症的生物标记物 [8],但其调控败血
症休克的分子机制还知之甚少。
生物标记物 (biomarker)能够对患者进行早期
快速诊断和分类,对于败血症治疗过程中的病情监
测具有重要作用,并且能够用来评估治疗方案的效
果 [8]。至今临床上仍缺乏针对败血症疗效高、副作
用小的治疗方法。TLR4的阻断抗体能有效地抑制
革兰氏阴性细菌感染诱导炎症因子的分泌和败血症
的发生 [9]。TLR4受体拮抗剂 E5564 (Eritoran)可作
为治疗细菌感染所引起的严重的败血症的候选药
物 [10],但近期发现其临床二期试验中不能有效降低
死亡率 [11],因而新的败血症治疗药物和治疗靶点亟
待发现。
很多 TLR阴性调控分子在炎症刺激下能够被
诱导性表达,然后反馈性地抑制 TLR信号通路,
减弱炎症反应,或引发内毒素耐受。那么,巨噬细
胞内是否存在受 TLR4活化而被诱导产生的细胞因
子受体和相应的细胞因子,负反馈性地抑制 TLR4
过度活化,从而发挥保护作用呢?
为了找到这个问题的答案,本课题组检测了在
巨噬细胞受到 TLR4刺激物 (包括 LPS、沙门氏菌
和大肠杆菌等 )活化时,胞内多种细胞因子、趋化
因子、生长因子和相关受体的表达情况,以期发现
新型 TLR4炎症反应过程中抑制性细胞因子 -受体
组合。细胞因子在外周循环中能够方便地作为败血
症生物标记物,探索该组合调控 TLR4的分子机制
有助于发现新的败血症治疗方法和手段。与已有研
究结果一致 [8],本课题组通过实时荧光定量 PCR方
法检测到在巨噬细胞 TLR4活化过程中,多种促炎
因子和趋化因子表达量上升,包括 IL-6、IL-1β、
CCL2和 CXCL10等。然而,这些因子相关的受体,
包括 IL-6R、IL-1R、CCR2 和 CXCR3 的表达量,
变化很小或者有一定程度的减少。有意思的是,血
管内皮生长因子 C (VEGF-C)和其受体血管内皮生
长因子受体 3 (VEGFR-3)的表达显著上升。
前期的研究表明,在生理 (如胚胎发育、伤口
愈合和肌肉生长等 )和病理条件下 (如缺血性心脏
病、肿瘤和多种炎症性疾病等 ),血管内皮生长因
子及其受体在血管生成和淋巴管生成中发挥着关键
作用,并调节血管通透性和内皮细胞的生存 [12]。跨
膜蛋白 VEGFRs家族包括 VEGFR-1、VEGFR-2 和
VEGFR-3。VEGFRs 具有保守的胞外免疫球蛋白类
似结构域、单次跨膜结构域和胞内激酶结构域,具
有酪氨酸激酶活性并可发生自身磷酸化。本课题组
的研究结果显示,VEGFR-3在 LPS或 E. coli刺激
后的小鼠原代巨噬细胞中的表达显著上升。在 LPS
刺激的人类 THP-1细胞中,VEGFR-3的表达也显
著提高。除受体之外,还发现 LPS刺激和 E. coli
感染迅速诱导小鼠腹腔渗出巨噬细胞 (PEM)、骨髓
来源巨噬细胞 (BMM)和 PMA诱导的人类 THP-1
巨噬细胞分泌 VEGF-C。VEGF-C在 LPS休克的小
鼠血清中的含量相对于对照小鼠要高 10倍。本研
究同时发现,在沙门氏菌 SL1344菌株感染的小鼠
血清中,VEGF-C的含量也大幅度上升。更为重要
的是,本课题组发现在败血症患者血清中,VEGF-C
的含量也有类似小鼠败血症休克模型中的显著上升
现象,提示 VEGF-C 有可能被用作败血症诊断的一
种标志物。
那么,VEGFR-3和 VEGF-C是否是受到 TLR4
活化信号而被诱导产生的呢。NF-κB是 TLR4活化
后下游主要的转录因子,本课题组利用 NF-κB抑制
剂有效地抑制了 VEGFR-3在 LPS活化的巨噬细胞
中的表达。通过染色质共沉淀技术,进一步证实了
NF-κB亚基 p65能够结合在 VEGFR-3基因启动子
区域。 然后,利用 siRNA方法将巨噬细胞中 p65
表达量敲减,发现 VEGFR-3和 VEGF-C的表达量
下降。另外,当MyD88缺失后,VEGFR-3和VEGF-C
在巨噬细胞中的表达量也受到了抑制。因此,本
课题组的结果证实 TLR4-NF-κB信号通路促进了
VEGFR-3和 VEGF-C在巨噬细胞中的表达。
接下来的研究重点是,VEGFR-3及其配体是
否能抑制巨噬细胞中 TLR4活化和炎症因子的分
泌呢。
经过对巨噬细胞进行单独 LPS或 LPS加上外源
性 VEGF-C刺激,本课题组发现,外源性 VEGF-C
的加入抑制了 LPS诱导的炎症因子的产生,包括
IL-6、IL-1β和 TNFα。为了进一步确定 VEGFR-3
在 TLR4调控的炎症反应过程中的阴性调控作用,
本课题组利用 siRNA 将小鼠原代巨噬细胞中
VEGFR-3的表达量敲减。VEGFR-3表达敲减后,
促炎因子 IL-6、IL-1β和 TNFα的表达量显著上升。
相应的,在 PMA诱导的人类巨噬细胞系 THP-1中,
过表达 VEGFR-3的确抑制了促炎因子的产生。
接下来,本课题组使用了在巨噬细胞中特异性
表达缺失 VEGFR-3胞外配体结合区域 (Vegfr3ΔLBD)
和胞内激酶活性突变 (Vegfr3TKmut)的两种小鼠的原
生命科学 第26卷1000
代巨噬细胞和细菌感染的活体小鼠模型,验证
VEGFR-3对炎症因子分泌的抑制作用。
作为细胞表面具有酪氨酸激酶活性的受体,
VEGFR-3具有本底低水平的自我磷酸化,而VEGF-C
的结合能够进一步增强其酪氨酸磷酸化程度 [13-14]。
缺失胞外配体结合区域的 VEGFR-3不能与 VEGF-C
相互作用 [15]。这种小鼠使得本课题组能够研究配体
VEGF-C的结合对于 VEGFR-3信号调控巨噬细胞
抑炎反应是否重要。
本课题组发现 TLR4活化的 Vegfr3ΔLBD/ΔLBD巨
噬细胞确实表达更高水平的 IL-6、IL-1β和 TNFα。
接下来,在体内验证 Vegfr3ΔLBD/ΔLBD小鼠是否对 LPS
诱导的败血症休克更为敏感。在 LPS和伤沙门氏菌
SL1344分别诱导的小鼠败血症休克模型中,同野
生型或杂合型小鼠相比,Vegfr3ΔLBD/ΔLBD突变小鼠显
示更高的死亡率;并且在 Vegfr3ΔLBD/ΔLBD小鼠发生
内毒素休克过程中,伴随更为严重的肺组织损伤和
更多的免疫细胞浸润到肺组织。
此外,本课题组比较了野生型小鼠和激酶活性
缺失的 TKmut小鼠在应对细菌感染时的反应。由
于纯合 Vegfr3TKmut/TKmut基因型的小鼠在胚胎期致死,
本课题组利用杂合 Vegfr3WT/TKmut小鼠 (也称 Chy小
鼠 )对比野生型小鼠巨噬细胞的功能。体外和体内
实验均证明 VEGFR-3胞内激酶活性丧失后,巨噬
细胞产生更多的促炎因子 IL-6、IL-1β和 TNFα,并
且 Vegfr3WT/TKmut小鼠在细菌诱发的败血症休克模型
中,在更早期出现更高的死亡率,并且伴有更严重
的肺部组织损伤。
值得一提的是,由于 VEGFR-3激酶活性突变,
Vegfr3WT/TKmut小鼠具有淋巴水肿 (lymphoedema)症
状,这种症状与人类淋巴水肿相似。在人类中存在
VEGFR-3遗传突变,引起 VEGFR-3激酶活性下降,
导致人类淋巴水肿疾病的发生 [16]。有趣的是,这类
淋巴水肿患者常伴随感染症状 [17]。由以上研究结果
推测,淋巴水肿症状的产生,除了由于突变导致淋
巴管内皮细胞功能缺陷之外,还可能是由于
Vegfr3TKmut突变通过影响巨噬细胞功能而导致了感
染症状的发生。
接下来,VEGFR-3发挥功能的分子机制是什
么。由于是 TLR4激发转录因子 NF-κB活性,引起
IL-6、IL-1β、TNFα等炎症因子的产生 [18],那么,
VEGFR-3是否通过影响 NF-κB的活化而降低这些
炎症因子或趋化因子的表达。已有研究结果显示,
IKKs能够磷酸化 IκB,导致 IκB与 NF-κB转录活
性亚基的解离,从而使 NF-κB亚基 (如 p65)进入
细胞核内,启动下游基因的转录 [19]。本课题组发现
外源性 VEGF-C处理降低了 LPS刺激的小鼠巨噬
细胞中 p-IKKα、p-IKKβ和 p-IκBα的含量。在 LPS
刺激下,与对照组野生型小鼠来源的巨噬细胞相比,
VEGFR-3敲减后的巨噬细胞中 p-IKKα、p-IKKβ和
p-IκBα的含量相对增加。更为重要的是,siRNA敲
减小鼠原代巨噬细胞中 VEGFR-3的表达,的确促进
NF-κB的亚单位 p65转移进入 TLR4活化的巨噬细
胞的核内。与上述结果一致的是,本课题组在
Vegfr3ΔLBD/ΔLBD小鼠和 Vegfr3WT/TKmut小鼠来源的原代
巨噬细胞中也检测到了NF-κB信号通路的过度活化。
那么,VEGFR-3是否通过与其他关键信号分
子相互作用而影响 TLR4-NF-κB信号通路呢。
VEGFR-3不能与 TLR4直接相互作用,也不与内源
性 TLR4下游重要信号分子如 MyD88、TRAF6、
TRIF、TAK1、TIRAP和 TBK1等结合。
由于 Vegfr3TKmut突变导致 VEGFR-3胞内酪氨
酸几乎不发生磷酸化,并且突变后不能有效抑制
TLR4信号活性,本课题组猜测 VEGFR-3很可能通
过其胞内区域结合含有 SH2结构域的阴性调节分子
而影响 TLR4通路,并且这种结合可能依赖于其酪
氨酸磷酸化位点。据报道,PI3K分子能够负性调
控 TLR4-NF-κB信号通路 [20-22]。PI3K的亚单位 p85
含有 SH2结构域,并且在 LPS刺激后能定位于细
胞膜部位,这种蛋白分子分布区域的变化有利于其
与细胞膜表面受体分子磷酸化酪氨酸位点的结合。
本课题组发现,发生自磷酸化后的 VEGFR-3能够
结合 PI3K调节性亚基 p85α蛋白。更为重要的是,
VEGFR-3能够促进 p85α发生磷酸化。将 p85α上的
SH2结构域切除之后 (p85αΔSH2),p85αΔSH2与
VEGFR-3不能相互结合。
IA型 PI3K由调节性亚基 p85α与活性亚基
p110δ异二聚体组成。磷酸化酪氨酸肽段结合 p85α
亚基的 SH2结构域,能够使其释放对 p110δ亚基活
性的抑制作用,从而引起 PI3K激酶的活化 [23]。与
此一致,本课题组发现在 LPS刺激的 Vegfr3WT/TKmut
小鼠巨噬细胞中 PI3K (p85/p55)和 Akt (Ser473)的
磷酸化水平显著下降。与对照组相比,在 LPS刺激
下的巨噬细胞中,siRNA敲减VEGFR-3降低了p-Akt
(Ser473)的水平。另外,外源性 VEGF-C处理增强
了 LPS诱导的 Akt (Ser473)磷酸化水平,但是在
VEGFR-3敲减的巨噬细胞中,外源性 VEGF-C不
能诱导 Akt (Ser473)的磷酸化。
张彦波:VEGFR-3反馈性抑制巨噬细胞TLR4诱发的炎症反应第10期 1001
Akt1是 PI3K下游的主要信号分子,因此本课
题组更深入地研究了 Akt1是否是 VEGFR-3抑制炎
症反应的主要下游效应分子。经 TLR4活化后, Akt
特异性抑制剂 (Triciribine)处理的巨噬细胞或缺失
Akt1的小鼠巨噬细胞产生更多的 IL-6和 IL-1β等炎
症因子。通过逆转录病毒包装体系,将持续活化
的 Akt1 (Myr-Akt1)表达质粒转入野生型、杂合型
和 Vegfr3ΔLBD /ΔLBD小鼠原代巨噬细胞中,发现Myr-
Akt1回复了 Vegfr3ΔLBD/ΔLBD细胞中 NF-κB亚基 p65
过度入核的现象。
前人的研究结果证明,Akt1和 PI3K催化活性
亚基 p110δ能够影响 TLR4的内吞和 TLR4 mRNA
的表达而抑制 NF-κB活化 [20, 24]。尽管 TLR4在野生
型和 Vegfr3ΔLBD /ΔLBD小鼠原代巨噬细胞中的含量相
同,但通过流式细胞术分析或激光共聚焦显微镜观
察,本课题组发现 LPS诱导的 Vegfr3ΔLBD/ΔLBD细胞
明显下调 TLR4分子内吞的程度。这意味着在 LPS
等刺激时,VEGFR-3缺陷的巨噬细胞表面持续分
布更多的 TLR4分子,从而引起下游更强的 NF-κB
活化水平。
SOCS1 (suppressor of cytokine signaling 1)被证
实是巨噬细胞 TLR4炎症反应过程中的重要负性调
控分子 [25-27],而 Akt1活性缺失导致 SOCS1的表达
下降 [24]。由于VEGFR-3活性影响PI3K-Akt1的活化,
在 Vegfr3ΔLBD/ΔLBD小鼠巨噬细胞中,SOCS1的表达
量相对野生型显著减少。尽管经外源性 VEGF-C处
理的巨噬细胞能一定程度抑制 IL-6的产生,但这种
效应在 siRNA敲减 SOCS1后消失。相应地,外源
性VEGF-C处理的巨噬细胞降低了p-IKKα和p-IKKβ
水平,而 siRNA敲减 SOCS1能够阻断这种效应。
此外,经外源性 VEGF-C处理后,野生型巨噬细胞
降低了 IL-6的表达;而 Vegfr3ΔLBD/ΔLBD巨噬细胞在
接受外源性 VEGF-C刺激后的反应明显减弱,不能
降低 IL-6的表达。
总结上述结果,本课题组认为巨噬细胞表面受
体 VEGFR-3能够通过其胞内磷酸化酪氨酸肽段,
结合并磷酸化 PI3K亚基 p85α,然后活化 PI3K-
Akt1通路,促进 SOCS1的表达,最终抑制 TLR4-
NF-κB信号的活化。
在该研究中,本课题组发现 VEGF-C在败血症
休克小鼠模型或患者血清中显著升高,该结果表明
VEGF-C或可作为人或动物败血症诊断的一种生物
标记物。同时,实验证实细胞表面受体分子VEGFR-3
能够抑制巨噬细胞中 TLR4-NF-κB信号反应。不同
于其他一些胞内负性调控分子,VEGFR-3是一种
巨噬细胞跨膜蛋白,并且该受体分子具有酪氨酸激
酶活性。VEGFR-3的这种特性已经被应用于临床
治疗,例如利用 VEGFR-3阻断性抗体或特异性抑
制剂来治疗肿瘤 [28-29]。本研究结果揭示,在巨噬细
胞中,TLR4-MyD88-NF-κB信号能够促进 VEGF-C
和 VEGFR-3的表达,VEGF-C-VEGFR-3信号形成
负反馈性通路而一定程度地抑制 TLR4活化的炎症
反应 (图 1)。此外,利用 VEGF-C的治疗方法已经
成功地应用于小鼠淋巴水肿模型 [30],是否能通过
VEGF-C激活 VEGFR-3信号,避免宿主发生严重
炎症感染或败血症将是一项拟开展的重要课题。
同时,研究过程中所用 Chy或 Vegfr3TKmut小鼠
具有与人类淋巴水肿患者相似的症状 [16]。而且,
图1 VEGFR-3和VEGF-C反馈性抑制TLR4介导的炎症反应
生命科学 第26卷1002
Chy小鼠对内毒素休克诱导更为敏感。这提示易发
严重感染或败血症患者的可能伴有 Vegfr3无义突
变、Vegfr3突变或片段缺失。
总之,本课题组的研究发现,巨噬细胞中 TLR
活化引起 VEGFR-3和 VEGF-C表达量显著上升,
VEGFR-3作为一种“自我反馈”的调节机制,下
调 TLR4-NF-κB信号,防止巨噬细胞在细菌性感染
时发生过度炎症反应 (图 1)。本项研究不仅发现了
VEGFR-3-VEGF-C能够作为严重感染的治疗靶点或
疾病诊断标记物,还拓展了对利用VEGFR-3-VEGF-C
治疗淋巴水肿的认识。但在临床利用 VEGFR-3治疗
败血症的路途还很漫长,最大的问题是解决如何特
异性地激活 VEGFR-3而不产生副作用,如外源性
VEGF-C因子的注射会增加血管通透性等严重副作
用。目前有一种特异性 VEGFR-3改造型配体——
VEGF-C156S,能够增强 VEGFR-3激酶活性而对血
管通透性影响较小,也许有望尝试其体内治疗效果。
后记
该课题从开始探索到作为封面文章在 Immunity
杂志发表用了三年半的时间,过程还是很辛苦的。
但最难忘的是发现过程中的惊喜和乐趣。沉浸在科
研带来的兴奋中时甚至觉得如果不吃饭将能拥有更
多工作时间,也因此养成了每天五六个小时睡眠的
习惯。炎症反应需要平衡,生活也需要调节。尽管
我绝大多数时间都投入到了实验室中,但为了身体
健康,也为了更好地保持科研兴趣,我养成了晨跑
的习惯。早晨五点多钟起床,跑步 10公里回到家,
吃过早餐,八点半来到实验室,精神地开始一天 14
个多小时的实验工作。跑步带来的快乐也很好地平
衡了我这几年单调的实验室生活。有意思的是,在
文章正式接受前,我参加了上海国际马拉松,全程
竟然跑出了 3小时 11分的成绩,可见习惯和坚持
的力量。科研如同马拉松,路途是辛苦的,但如果
真的热爱,一路也是很快乐的;坚持到了终点,更
能体会到莫名的兴奋和满足感。马拉松有 42.195公
里的里程,踏上这段路程需要勇气;对生命科学奥
秘的探索没有尽头,选择科研更需要毅力。跑马拉
松要挥洒汗水,做科研甚至还需倾注心血。
致 谢:衷心感谢我的导师王红艳研究员,感谢路瑶、
马丽等合作者以及实验室全体成员的支持和帮助。
感谢参与课题合作的上海生科院魏滨老师、苏州大
学何玉龙老师、上海生科院李党生老师、中国疾控
中心段招军老师和安徽医科大学陈洁霞医生对本工
作给予的悉心指导和大力支持。感谢上海生科院孙
兵老师、同济大学戈宝学老师、南京大学杨中州老
师、第二军医大学曹雪涛院士、上海生科院王纲老
师和美国里海大学张晓辉老师等在课题进展过程中
提供实验材料的帮助。
[参 考 文 献]
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