機體如何感受慢性癢：感覺神經(jīng)元利用經(jīng)典免疫信號通路介導(dǎo)慢性癢的分子機制

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機體如何感受慢性癢：感覺神經(jīng)元利用經(jīng)典免疫信號通路介導(dǎo)慢性癢的分子機制

哺乳動物進化出的神經(jīng)生理性反射（如咳嗽和抓撓），用來排除入侵的病原體和有害的環(huán)境刺激。這類機體反應(yīng)與慢性炎性疾病相關(guān)，包括哮喘和特性應(yīng)皮炎(AD)。然而，人們對炎癥通路如何介導(dǎo)軀體感覺（如癢覺）的機制仍然知之甚少。本研究結(jié)果顯示Th2型細(xì)胞因子直接激活小鼠和人類的感覺神經(jīng)元。慢性癢依賴于神經(jīng)元IL-4Rα和JAK1信號。臨床上，用JAK抑制劑治療慢性頑固性瘙癢的病人效果顯著，而其他免疫抑制治療無效。因此，經(jīng)典免疫信號機制可作為神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的新型治療靶點。綜之，這項研究揭示一個進化保守的范式，即感覺神經(jīng)系統(tǒng)采用經(jīng)典的免疫信號通路來影響哺乳動物的行為。

研究背景

神經(jīng)系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)協(xié)同工作來感知潛在的病原體，并提供機體保護性反應(yīng)。這兩大系統(tǒng)在包括腸道、肺、皮膚在內(nèi)的多個屏障表面存在廣泛的交互作用。這些交互作用可協(xié)調(diào)多方面的反應(yīng)，包括神經(jīng)生理反射（如咳嗽和抓撓），來排除入侵的病原體和逃避有害的環(huán)境刺激。神經(jīng)免疫交互作用共同促進機體生存，但這些反應(yīng)的失調(diào)能否導(dǎo)致感覺異常（特別慢性癢），對此我們?nèi)匀恢跎佟?/p>

慢性癢（定義為持續(xù)超過6周的瘙癢）影響高達15%的人群，并嚴(yán)重降低生活質(zhì)量。慢性癢是炎性皮膚疾病（如特應(yīng)性皮炎，AD）的主要臨床特征，但瘙癢也是多種神經(jīng)性疾病的癥狀。此外，慢性癢在沒有任何已知疾病過程的情況下也能發(fā)生，被描述為慢性特發(fā)性瘙癢癥(chronic idiopathic pruritus,CIP)。盡管慢性癢發(fā)病率高，但是目前還沒有專門用于治療慢性癢的有效藥物。

人們普遍認(rèn)為，皮膚炎癥會導(dǎo)致瘙癢。例如，致癢因子組胺與蕁麻疹的瘙癢有關(guān)，白細(xì)胞介素31(IL-31)與AD的瘙癢相關(guān)。然而，炎癥介誘導(dǎo)瘙癢的確切機制仍然不明確。在AD中，已知Th2型細(xì)胞因子IL-4、IL-5和IL-13介導(dǎo)皮膚炎癥反應(yīng)。在皮膚中過表達IL-4或IL-13的小鼠發(fā)展出AD樣病變和強烈的慢性癢。值得注意的是，最近獲批的單克隆抗體藥物dupilumab，通過作用于受體亞基IL-4Rα來阻斷IL-4和IL-13的信號傳導(dǎo)，對AD有顯著的治療效果。這些經(jīng)典炎癥介質(zhì)是否也能誘導(dǎo)瘙癢還不清楚。此外，其下游信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路在免疫系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)中是否保守以及靶向治療慢性癢的可能性仍然未知。本研究結(jié)果表明，Th2型細(xì)胞因子IL-4和IL-13直接激活小鼠和人類的感覺神經(jīng)元，且慢性癢依賴于神經(jīng)元IL-4Rα和JAK1信號。用Janus激酶 (JAK) 抑制劑托法替尼 (tofacitinib) 治療慢性頑固性瘙癢的病人效果顯著。因此，經(jīng)典免疫信號通路機制可能作為神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)治療慢性癢的新靶標(biāo)。

主要研究結(jié)果

1. Th2型細(xì)胞因子直接激活感覺神經(jīng)元

RT-PCR結(jié)果顯示小鼠和人類的背根神經(jīng)節(jié)(DRG) 和三叉神經(jīng)節(jié) (TG) 表達 IL-4Rα (Il4ra) 和 IL-13Rα1 (Il13ra1)，但不表達 IL-5Rα (Il5ra)的。鈣成像結(jié)果表明，IL-4或IL-13分別誘導(dǎo)4.1%和3.3%的DRG神經(jīng)元的胞內(nèi)鈣升高，且感覺神經(jīng)元對IL-4或IL-13的反應(yīng)頻率以劑量依賴性方式增加。由于缺乏Il5ra的表達，IL-5不引發(fā)DRG神經(jīng)元的鈣反應(yīng)。此外，IL-4也能誘導(dǎo)人類感覺神經(jīng)元的胞內(nèi)鈣升高。綜之，這些發(fā)現(xiàn)表明在小鼠和人類中感覺神經(jīng)元對Th2型細(xì)胞因子（如IL-4）的反應(yīng)是保守的。

2. Th2型細(xì)胞因子激活癢覺感覺通路

通過重新分析已發(fā)表的兩個神經(jīng)元轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫，本研究發(fā)現(xiàn)，Il4ra的表達在非肽能和肽能癢覺和傷害性感覺神經(jīng)元中較豐富。使用單細(xì)胞RNA-seq數(shù)據(jù)庫發(fā)現(xiàn)，與其他傷害性感覺神經(jīng)元 (PEP1和PEP2)和機械感受神經(jīng)元 (TH) 相比，Il4ra和Il13ra1的表達在癢覺神經(jīng)元（NP1，NP2和NP3）中較豐富。鈣成像結(jié)果發(fā)現(xiàn)，主要是小直徑的神經(jīng)元對 IL-4和IL-13有反應(yīng)。89%對IL-4反應(yīng)的神經(jīng)元對IL-31、組胺或兩者有反應(yīng)。75%對IL-13反應(yīng)的神經(jīng)元對IL-31、組胺或兩者有反應(yīng)。63%對IL-4反應(yīng)的神經(jīng)元也對IL-13有反應(yīng)。45%對IL-4反應(yīng)的神經(jīng)元也對胸腺基質(zhì)淋巴細(xì)胞生成素 (TSLP) 有反應(yīng)。先前研究表明，組胺和MrgprA3激動劑氯喹分別激活瞬時感受器電位通道 (TRP) TRPV1和TRPA1，誘導(dǎo)胞外鈣內(nèi)流。IL-4或IL-13誘導(dǎo)DRG神經(jīng)元的胞內(nèi)鈣升高完全依賴于TRPV1的表達和細(xì)胞外鈣。預(yù)處理DRG神經(jīng)元IL-4之后，可增強DRG神經(jīng)元對組胺、氯喹、TSLP和IL-31的鈣反應(yīng)。行為學(xué)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，皮內(nèi)注射高劑量的IL-4或IL-13并不引起急性抓撓行為，但皮內(nèi)注射IL-4可增強組胺誘導(dǎo)的抓撓行為。因此，盡管Th2型細(xì)胞因子本身不是有效的急性致癢劑，但是它們能使感覺神經(jīng)元對多種不同的致癢劑敏感化。

3. 感覺神經(jīng)元IL-4Rα信號介導(dǎo)慢性癢

為探討感覺神經(jīng)元特異的Th2型細(xì)胞因子信號轉(zhuǎn)導(dǎo)在慢性癢中的作用，本研究構(gòu)建了在感覺神經(jīng)元上特異性敲除IL-4Rα的小鼠 (NaV1.8-Cre+IL-4Rafl/fl，IL-4RαΔneuron)，并證實 IL-4RαΔneuron小鼠的DRG中缺失Il-4ra，而不是Il-2rg或Il-13ra1。IL-4RαΔneuron小鼠的DRG神經(jīng)元中對IL-4和IL-13的反應(yīng)大幅減弱。相比之下，IL-4RαΔneuron小鼠的DRG神經(jīng)元對其他致癢劑（包括IL-31和組胺）的反應(yīng)正常。建立MC903誘導(dǎo)的AD模型發(fā)現(xiàn)，IL-4RαΔneuron小鼠的搔抓行為明顯減少。耳厚度測量和組織病理學(xué)評估顯示，MC903處理IL-4RαΔneuron小鼠的皮膚炎癥減少。因此，神經(jīng)元IL-4Rα信號的缺失抑制慢性癢和皮膚炎癥。

4. 感覺神經(jīng)元JAK1信號介導(dǎo)慢性癢

在免疫細(xì)胞中，Th2型細(xì)胞因子通過JAK依賴性信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。本研究探討了癢覺神經(jīng)元是否也表達JAK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。使用已發(fā)表的單細(xì)胞RNA-seq數(shù)據(jù)庫，明確了JAK1的表達在癢覺神經(jīng)元中富集，而且IL-4刺激能誘導(dǎo)感覺神經(jīng)元JAK1磷酸化水平升高。為了在功能上評估Th2型細(xì)胞因子是否以JAK1依賴性方式激活感覺神經(jīng)元，本研究構(gòu)建了在感覺神經(jīng)元中敲除JAK1的小鼠 (NaV1.8-Cre+JAK1fl/fl,JAK1Δneuron)。鈣成像實驗發(fā)現(xiàn)，在缺少JAK1的情況下，DRG神經(jīng)元對IL-4的反應(yīng)消失。使用JAK抑制劑ruxolitinib藥理學(xué)抑制JAK信號，與JAK1Δneuron小鼠中的發(fā)現(xiàn)類似，將ruxolitinib作用于DRG神經(jīng)元導(dǎo)致其對IL-4的鈣反應(yīng)減少。建立MC903誘導(dǎo)的AD模型發(fā)現(xiàn)，JAK1Δneuron小鼠的搔抓行為明顯減少，并且腹腔注射ruxolitinib也能顯著減少搔抓行為。病理組織學(xué)研究顯示，腹腔注射ruxolitinib僅稍微減少炎癥反應(yīng)。因此，ruxolitinib的抗癢作用可能主要通過對神經(jīng)元的JAK信號直接抑制來介導(dǎo)，而不是通過抑制皮膚炎癥。此外，在AEW誘導(dǎo)的干皮病模型（一種與明顯炎癥無關(guān)的慢性癢模型），JAK1Δneuron小鼠的搔抓行為明顯減少。綜之，即使在沒有強烈的皮膚炎癥的情況下，神經(jīng)元JAK1仍是慢性癢的關(guān)鍵信號。

5. CIP病人在沒有皮膚炎癥的情況下表現(xiàn)出嚴(yán)重的瘙癢

CIP是一種未知病因的瘙癢癥，不伴有明顯的皮膚炎癥。由于Th1型免疫力的缺陷，CIP病人表現(xiàn)出輕微的Th2型免疫特征，即外周嗜酸性粒細(xì)胞增多和免疫球蛋白E (IgE) 升高。組織病理學(xué)表明AD存在皮膚炎癥的多種特征，包括角化過度，棘皮病和混合皮膚炎性浸潤。形成鮮明對比的是，CIP的組織病理學(xué)檢查中僅顯示極低的炎癥。值得注意的是，盡管皮膚炎癥比較輕微，但CIP病人報告比AD病人更癢。因此，慢性癢既能在強烈的皮膚炎癥情況下出現(xiàn)，也能在沒有明顯的炎癥情況下出現(xiàn)。

為了在分子水平表征CIP，本研究對來自CIP病人的皮膚、AD病人的損傷皮膚和對照受試者的皮膚進行RNA-seq分析。對表達在對照和AD皮膚的前100個差異表達的基因進行的樣本聚類分析，結(jié)果顯示，與對照皮膚相比，CIP皮膚與AD皮膚更密切相關(guān)。然而，CIP和AD皮膚的基因組富集分析(GSEA)揭示了許多將CIP與AD區(qū)分開的特異性轉(zhuǎn)錄程序，AD皮膚與免疫反應(yīng)的廣泛激活有關(guān)，然而CIP皮膚富含多種轉(zhuǎn)錄程序，包括細(xì)胞形態(tài)學(xué)和鈣轉(zhuǎn)運。綜之，這些發(fā)現(xiàn)表明CIP是一種與AD共享分子標(biāo)記的慢性癢癥，盡管在炎癥方面與AD有明顯的差異。

6. JAK抑制劑改善CIP病人的瘙癢癥

研究表明，JAK抑制劑作為一種抗炎藥物治療，可以快速和顯著減少AD病人的瘙癢癥狀。本研究發(fā)現(xiàn)阻斷神經(jīng)元JAK1信號顯著緩解炎性和非炎性慢性癢。因此，盡管在CIP中沒有明顯的皮膚炎癥，JAK抑制劑也可能有效緩解CIP病人的瘙癢癥。本研究對5例嚴(yán)重CIP病人使用JAK抑制劑tofacitinib進行了非適應(yīng)癥型用藥(off-label)。所有病人以前都沒有進行其他的非適應(yīng)癥型用藥（包括免疫抑制治療）?？诜ofacitinib治療1個月后，5例CIP病人的瘙癢癥均有明顯改善。與其他的免疫抑制治療相比，隨著時間的推移，服用tofacitinib治療的病人，報告了瘙癢癥的快速緩解。因此，使用JAK抑制劑可能作為慢性癢癥病人的新治療策略。

討 論

慢性癢在病人護理中經(jīng)常被忽視，臨床研究證實，慢性癢嚴(yán)重影響病人生活質(zhì)量，但目前還沒有針對慢性癢的具體治療方法。本研究首先證明經(jīng)典免疫信號分子IL-4Rα的激活直接刺激小鼠和人感覺神經(jīng)元。其次，感覺神經(jīng)元激活該信號通路 (IL-4Rα和JAK1) 對炎癥和非炎癥相關(guān)的慢性癢是必需的。最后，當(dāng)用JAK抑制劑治療時，CIP病人的瘙癢癥會改善。

機體通過屏障表面上皮、免疫和神經(jīng)系統(tǒng)的特有功能迅速排除潛在病原體和環(huán)境毒素。雖然以前認(rèn)為上皮組織僅為一種物理屏障，但最近的研究發(fā)現(xiàn)它在各種免疫功能中的關(guān)鍵作用。屏障表面多系統(tǒng)之間的交流對于適當(dāng)?shù)臋C體防御是必不可少的。除了免疫系統(tǒng)和上皮組織外，哺乳動物還采用由感覺神經(jīng)系統(tǒng)啟動的行為反應(yīng)，如咳嗽和抓撓，以機械方式去除有害刺激。本研究表明，經(jīng)典的免疫介質(zhì)是感覺環(huán)路的重要組成部分，通過激活和敏感化感覺神經(jīng)系統(tǒng)來調(diào)控機體行為。鑒于固有免疫系統(tǒng)采用Th2型細(xì)胞因子來增強屏障表面的免疫反應(yīng)，本研究提示，感覺神經(jīng)系統(tǒng)也采用該信號通路來介導(dǎo)行為反應(yīng)。因此，Th2型細(xì)胞因子的直接激活感覺神經(jīng)元，可能是促進機體保護性行為反應(yīng)（如抓撓行為）的關(guān)鍵的第一步。綜上所述，本研究明確了感覺神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的免疫信號通路的新功能，并有望作為治療慢性癢的新靶標(biāo)。

( Oetjen LK, Mack MR, Feng J,et al. Cell, 2017, 21,171(1):217-228. e13.doi:10.1016/j.cell.2017.08.006. 蘇州大學(xué),王志紅 譯劉通 校)

10.3969/j.issn.1006-9852.2017.12.003