脊髓損傷炎癥反應(yīng)的研究進(jìn)展

王 明，陳鐵戈，楊新樂，張東亮，張海鴻蘭州大學(xué)第二醫(yī)院 骨科，甘肅蘭州 730030；蘭州大學(xué)甘肅省骨關(guān)節(jié)疾病研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730030

脊髓損傷(spinal cord injury，SCI)是一種致殘率極高的中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system，CNS)創(chuàng)傷，常引起感覺、運(yùn)動(dòng)和括約肌功能全部喪失，導(dǎo)致患者癱瘓及尿便功能障礙等癥狀。其按發(fā)生機(jī)制可以分為原發(fā)性損傷與繼發(fā)性損傷，原發(fā)性損傷是由于初始外力直接或間接作用于脊髓所造成的；繼發(fā)性損傷是在原發(fā)性損傷基礎(chǔ)上通過一系列病理過程，使病灶周圍正常的組織發(fā)生病變，進(jìn)一步加深損傷程度，擴(kuò)大損傷范圍。以往對SCI的研究主要集中在損傷后期細(xì)胞移植方面[1]。近年來，多數(shù)學(xué)者對SCI后炎癥反應(yīng)及微環(huán)境有著濃厚的興趣，其既有有利的一面，又有不利的一面，因此研究SCI后的炎癥反應(yīng)及其調(diào)節(jié)機(jī)制對于臨床治療SCI至關(guān)重要。SCI后炎癥反應(yīng)主要由CNS活化的膠質(zhì)細(xì)胞和外周來源的免疫細(xì)胞等分泌細(xì)胞因子、趨化因子、活性氧和第二信使調(diào)節(jié)，是免疫、生化、病理生理過程共同作用的結(jié)果，嚴(yán)重程度取決于原發(fā)性損傷的機(jī)制及繼發(fā)性損傷的病理過程。炎癥反應(yīng)的急性期以中性粒細(xì)胞和單核細(xì)胞入侵脊髓受損區(qū)域?yàn)樘卣?，慢性期以淋巴?xì)胞介導(dǎo)為主。膠質(zhì)細(xì)胞對SCI反應(yīng)迅速，在數(shù)小時(shí)內(nèi)上調(diào)炎性因子表達(dá)。因此，本文重點(diǎn)就SCI后炎癥反應(yīng)及其相關(guān)病理過程進(jìn)行綜述，以期為臨床治療SCI提供理論指導(dǎo)。

1 介導(dǎo)SCI的炎癥細(xì)胞

1.1 中性粒細(xì)胞 SCI后中性粒細(xì)胞被募集到損傷區(qū)域，不僅參與SCI炎性反應(yīng)過程，還限制并修復(fù)病理性損傷[2]。SCI后中性粒細(xì)胞首先遷移到受傷部位，釋放細(xì)胞因子、自由基和蛋白水解酶等產(chǎn)生神經(jīng)細(xì)胞毒性[3]。Lee等[4]研究發(fā)現(xiàn)，在小鼠SCI環(huán)境中抑制中性粒細(xì)胞和單核細(xì)胞的募集可有效促進(jìn)其功能恢復(fù)。然而，利用Ly6G/Gr-1單克隆抗體選擇性降低小鼠SCI組織內(nèi)中性粒細(xì)胞數(shù)量導(dǎo)致?lián)p傷組織惡化，表明SCI后中性粒細(xì)胞的侵入對損傷組織可能有益[5]。因此，不能完全將抑制中性粒細(xì)胞浸潤損傷區(qū)作為治療SCI的一種策略。

1.2 巨噬細(xì)胞 巨噬細(xì)胞主要分為兩種亞型，M1型巨噬細(xì)胞具有促炎作用，M2型具有抗炎作用[6]。兩種巨噬細(xì)胞亞型所釋放細(xì)胞因子的比例(促炎細(xì)胞因子IL-1β、IL-6、IL-12、抗炎細(xì)胞因子IL-10、IL-13)對于調(diào)節(jié)SCI炎癥反應(yīng)非常重要。在哺乳動(dòng)物中，源自單核細(xì)胞和活化小膠質(zhì)細(xì)胞的巨噬細(xì)胞持續(xù)存在于SCI部位，增加修復(fù)性巨噬細(xì)胞表型可促進(jìn)軸突生長和運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)[7]。在動(dòng)物SCI模型中，體外攝取髓鞘可以改變巨噬細(xì)胞的功能，發(fā)揮抗炎作用，減少SCI區(qū)域組織細(xì)胞的損傷[8]。Gensel和Zhang[9]研究發(fā)現(xiàn)，在受損的脊髓組織中減少巨噬細(xì)胞能夠抑制炎癥病變的擴(kuò)散。因此，巨噬細(xì)胞的多樣性對于調(diào)節(jié)SCI后機(jī)體的免疫炎癥反應(yīng)非常重要。

1.3 淋巴細(xì)胞 淋巴細(xì)胞是免疫系統(tǒng)的主要細(xì)胞，包括許多功能不同的群體如T、B、NK細(xì)胞等[10]。B淋巴細(xì)胞在SCI病理生理過程中發(fā)揮復(fù)雜的作用，如抗炎/促炎作用。SCI后B細(xì)胞相關(guān)的B細(xì)胞活化因子(BAFF)、增殖誘導(dǎo)配體(APRIL)和B細(xì)胞成熟抗原(BCMA)表達(dá)升高調(diào)節(jié)自身免疫反應(yīng)[11]。SCI后釋放多種因子引起T細(xì)胞活化，分泌大量細(xì)胞黏附分子，與血管內(nèi)皮細(xì)胞黏附使T細(xì)胞進(jìn)入CNS，抑制軸突損傷并保護(hù)神經(jīng)元。自身免疫性腦脊髓炎大鼠模型中，T細(xì)胞分泌腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)抑制神經(jīng)元死亡并促進(jìn)軸突再生[12]。但淋巴細(xì)胞的活化也有可能加重SCI。因此，還須進(jìn)一步研究這些炎癥信號的發(fā)生和作用機(jī)制。

1.4 小膠質(zhì)細(xì)胞 由可興奮性的神經(jīng)元和不可興奮的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞組成的膠質(zhì)細(xì)胞，主要包括星形膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞，在CNS中發(fā)揮支持和保護(hù)神經(jīng)元的作用并參與CNS的固有免疫反應(yīng)。SCI區(qū)域組織或細(xì)胞釋放的損傷相關(guān)模式分子、髓磷脂、γ-干擾素和細(xì)胞碎片等產(chǎn)物可導(dǎo)致小膠質(zhì)細(xì)胞被激活，從而發(fā)生形態(tài)和功能改變[13]。小膠質(zhì)細(xì)胞存在兩種細(xì)胞亞型，M1促炎癥表型和M2抗炎癥表型，共同維持脊髓內(nèi)環(huán)境平衡。M1小膠質(zhì)細(xì)胞激活后釋放促炎性細(xì)胞因子并表達(dá)CD45、CD11b和iNOS，在繼發(fā)性SCI中引發(fā)神經(jīng)毒性級聯(lián)反應(yīng)導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞、神經(jīng)元、軸突和少突膠質(zhì)細(xì)胞的凋亡和壞死[14]；M2型小膠質(zhì)細(xì)胞活化后釋放抗炎細(xì)胞因子、CD206-甘露糖受體、CD16-3清道夫受體和精氨酸酶，保護(hù)神經(jīng)元和軸突[15]。脂質(zhì)運(yùn)載蛋白2(LCN2)是一種急性期蛋白，不僅可以促使小膠質(zhì)細(xì)胞從靜息狀態(tài)下轉(zhuǎn)化為M1表型，還能抑制M2型細(xì)胞活化[16]。另外，IL-10可將小膠質(zhì)細(xì)胞活化為M2表型，發(fā)揮抗炎作用[16]。研究發(fā)現(xiàn)，小膠質(zhì)細(xì)胞通過表觀遺傳機(jī)制修飾后影響CNS疾病，表觀遺傳機(jī)制可以修飾不同的SCI細(xì)胞群如膠質(zhì)細(xì)胞、免疫細(xì)胞和神經(jīng)元[17-18]。這反映了小膠質(zhì)細(xì)胞在SCI免疫調(diào)節(jié)中的多樣性和功能可塑性。

1.5 星形膠質(zhì)細(xì)胞 星形膠質(zhì)細(xì)胞在維持CNS動(dòng)態(tài)平衡中發(fā)揮關(guān)鍵作用。SCI后星形膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的固有免疫反應(yīng)參與繼發(fā)性脊髓損傷的毒性作用。通過鑒定星形膠質(zhì)細(xì)胞極化狀態(tài)下的功能，發(fā)現(xiàn)其存在多樣性和可塑性(經(jīng)典激活M1型合成促炎性細(xì)胞因子，交替活化的M2型產(chǎn)生抗炎性釋放物)，其活化狀態(tài)取決于細(xì)胞外環(huán)境。顯然，這兩種類型與巨噬細(xì)胞和小神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞相似[19]。炎癥刺激促使星形膠質(zhì)細(xì)胞肥大、遷移和增殖，環(huán)繞損傷區(qū)域形成膠質(zhì)瘢痕，抑制軸突的再生。同時(shí)，活化的星形膠質(zhì)細(xì)胞分泌抑制因子如硫酸軟骨素蛋白多糖、髓鞘相關(guān)糖蛋白和少突膠質(zhì)細(xì)胞髓鞘糖蛋白也阻礙軸突再生。煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶(NOX)過度活化導(dǎo)致星形膠質(zhì)細(xì)胞抗氧化劑谷胱甘肽消耗，從而引起神經(jīng)毒素谷氨酸鹽過度分泌，導(dǎo)致神經(jīng)元和少突膠質(zhì)細(xì)胞損傷[20]。因此，以氧化酶為治療靶點(diǎn)可以防止軸突脫髓鞘，保護(hù)少突膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元。星形膠質(zhì)細(xì)胞參與SCI后炎癥引起的軸突退變、神經(jīng)元死亡和運(yùn)動(dòng)/感覺功能缺失的過程。因此，以星形膠質(zhì)細(xì)胞為靶點(diǎn)的治療方案是值得研究的，如減少脊髓中M1型星形膠質(zhì)細(xì)胞和增加抗炎性M2型星形膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量。

2 介導(dǎo)SCI的細(xì)胞因子

2.1 腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor-α，TNF-α)TNF-α是一種生物學(xué)活性廣泛的炎性因子，SCI后數(shù)小時(shí)內(nèi)表達(dá)水平達(dá)到最大值。研究發(fā)現(xiàn)，TNF-α在SCI中既發(fā)揮直接的損害作用，又協(xié)同誘導(dǎo)多種炎性細(xì)胞因子的產(chǎn)生，從而加重繼發(fā)性損害[21]。TNF-α既能增加一氧化氮合酶(NOS)表達(dá)產(chǎn)生大量NO損傷組織，又與興奮性谷氨酸鹽有協(xié)同作用明顯增強(qiáng)谷氨酸鹽介導(dǎo)的細(xì)胞死亡，其對中性粒細(xì)胞和單核巨噬細(xì)胞有趨化作用，激活中性粒細(xì)胞和單核巨噬細(xì)胞，產(chǎn)生大量的蛋白水解酶、氧自由基等分子，破壞組織[22]。研究發(fā)現(xiàn)SCI后給予TNF-α抑制劑或通過TNF R1的基因敲除可改善運(yùn)動(dòng)功能、減少細(xì)胞凋亡和組織損傷并降低與SCI有關(guān)的炎癥反應(yīng)[23]。說明阻斷TNF-α在治療SCI方面具有潛在的功效，應(yīng)深入研究。

2.2 白細(xì)胞介素(interleukin，IL) IL主要是由白細(xì)胞產(chǎn)生的一組免疫活性因子，發(fā)揮多種生物學(xué)效應(yīng)，共同參與機(jī)體免疫反應(yīng)、應(yīng)激反應(yīng)和炎癥調(diào)節(jié)。IL-1、IL-2、IL-6、IL-11、IL-15等具有促炎作用，IL-4、IL-8、IL-10、IL-13等具有抗炎作用。IL-1β可以協(xié)同NF-κB、TNF-α、INF-γ上調(diào)黏附分子的表達(dá)，介導(dǎo)損傷后的炎癥反應(yīng)，引起繼發(fā)性損傷。IL-1β受體拮抗劑注入SCI大鼠髓鞘內(nèi)，神經(jīng)功能顯著改善，證明IL-1β在損傷早期對神經(jīng)元及組織損傷嚴(yán)重[24]。此外，Boato等[25]研究表明IL-1β可誘發(fā)周圍神經(jīng)和組織的損傷，導(dǎo)致病灶擴(kuò)大和神經(jīng)膠質(zhì)的活化，影響CNS軸突重塑。因此，進(jìn)一步研究IL-1β有利于對炎癥反應(yīng)實(shí)施更合理的控制，降低其不利影響。IL-6主要由神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生，是SCI后炎癥反應(yīng)中重要的細(xì)胞因子，和IL-1共同參與發(fā)熱、合成C-反應(yīng)蛋白、激活垂體-腎上腺軸等[26]。IL-10是一種有效的抗炎細(xì)胞因子，能夠使促炎性因子IL-1β、IL-6、TNF-α等的表達(dá)下調(diào)，減少神經(jīng)損傷炎癥的發(fā)生，對于SCI引起的炎癥反應(yīng)、興奮性毒性損傷及細(xì)胞凋亡具有潛在的治療作用。體外研究表明，IL-10與其抗體結(jié)合對神經(jīng)元產(chǎn)生保護(hù)作用[27]。

2.3 一氧化氮(nitricoxide，NO) NO主要通過一氧化氮合酶(NOS)合成，參與免疫調(diào)節(jié)等多種反應(yīng)。其存在3種不同的亞型：神經(jīng)元型(nNOS，NOS-2)、誘導(dǎo)型(iNOS，NOS-2)和內(nèi)皮型(eNOS，NOS-3)[28]。其中iNOS產(chǎn)生的NO最多，并且參與SCI后的炎癥過程。iNOS合成的NO可導(dǎo)致小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的脫髓鞘病變和神經(jīng)元凋亡。炎性細(xì)胞因子(TNF-α和IL-1)和糖鞘脂可誘導(dǎo)膠質(zhì)細(xì)胞和巨噬細(xì)胞產(chǎn)生iNOS，參與炎癥反應(yīng)[29]。研究SCI區(qū)域NOS酶家族的表達(dá)、活性、時(shí)空分布及調(diào)節(jié)NO至最佳水平可以作為SCI治療靶點(diǎn)。

2.4 趨化因子 趨化因子是細(xì)胞因子的一個(gè)亞家族，在CNS感染、炎癥和創(chuàng)傷中作為免疫細(xì)胞的化學(xué)誘導(dǎo)物[30]。趨化因子分為兩個(gè)家族：α家族(CXC)參與多形核細(xì)胞的募集，β家族(C-C)為巨噬細(xì)胞、淋巴細(xì)胞和粒細(xì)胞提供啟動(dòng)信號。α家族包括γ-干擾素誘導(dǎo)蛋白(IP-10/CXCL10)、血小板因子4和IL-1等。β家族的重要成員是單核細(xì)胞趨化蛋白(MCP-1/CCL2)。MCP-1 mRNA存在于正常脊髓中，SCI后1 h表達(dá)增加，24 h達(dá)高峰，在第14天恢復(fù)到低水平，其可招募循環(huán)中白細(xì)胞遷移至損傷部位[31]。IP-10 mRNA在正常脊髓中呈現(xiàn)低水平，SCI后1 h內(nèi)表達(dá)升高，在6 h達(dá)到頂峰，并保持高水平直到第5天，在第14天降至基線水平[30]。研究發(fā)現(xiàn)趨化因子CXCL10可以通過CXCR3B受體抑制血管生成、內(nèi)皮細(xì)胞的生長[32]。Gonzalez等[33]研究表明，大鼠SCI后給予CXCL-10封閉抗體治療可以顯著降低炎癥反應(yīng)、細(xì)胞凋亡、神經(jīng)元及組織的缺失，增強(qiáng)功能的恢復(fù)、組織和神經(jīng)元軸突再生，說明CXCL-10對SCI的恢復(fù)不利，中和或者抑制其表達(dá)可減輕CXCL-10在SCI中的不利影響。

3 炎癥環(huán)境中的病理損傷過程

3.1 缺血再灌注損傷 機(jī)械暴力對脊髓及周圍組織產(chǎn)生損傷后，引起持續(xù)的繼發(fā)性損傷，主要是由于低灌注造成的缺血性損傷和血腦屏障破壞。其引起損傷區(qū)域水腫、出血、內(nèi)皮滲透性增加和自身調(diào)節(jié)功能喪失，涉及多種細(xì)胞和生化途徑。血流中斷導(dǎo)致局部缺血、缺氧、血栓形成從而引起局部組織損傷和梗死形成[34]。這種損傷涉及由炎癥介質(zhì)、細(xì)胞死亡(凋亡、自噬和壞死)、免疫途徑、氧化應(yīng)激和血管功能障礙介導(dǎo)的復(fù)雜病理過程。缺血再灌注損傷在SCI區(qū)域?qū)τ谡T導(dǎo)免疫應(yīng)答發(fā)揮著重要作用。其損傷的特征是炎癥細(xì)胞的浸潤，如白細(xì)胞(巨噬細(xì)胞、嗜中性粒細(xì)胞和淋巴細(xì)胞)、小膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的激活，這些活化的細(xì)胞釋放炎性細(xì)胞因子共同參與炎癥反應(yīng)。

3.2 氧化應(yīng)激 在正常的機(jī)體內(nèi)，細(xì)胞抗氧化劑可以平衡氧化性物質(zhì)的活性如氧自由基和ROS。ROS持續(xù)性低水平伴隨許多炎癥性疾病，如CNS退變和創(chuàng)傷[35]。SCI后這種平衡轉(zhuǎn)向氧化應(yīng)激狀態(tài)，參與炎癥病理過程。氧化應(yīng)激與年齡有關(guān)，隨著年齡增加人體內(nèi)抗氧化劑逐漸減少。因此，SCI的嚴(yán)重程度隨著年齡增長而增加，其依賴于促氧化劑/抗氧化劑平衡[36]。ROS由活化小膠質(zhì)細(xì)胞和白細(xì)胞(巨噬細(xì)胞和嗜中性粒細(xì)胞)產(chǎn)生，主要包括超氧化物、羥自由基、過氧化氫、NO和過氧亞硝酸鹽(ONOO-)[37]。SCI后由超氧化物和羥自由基介導(dǎo)氧化應(yīng)激立即引起細(xì)胞膜損傷[38]。多不飽和脂肪酸被自由基攻擊后產(chǎn)生高活性親電醛、丙二醛和丙烯醛，被認(rèn)為是氧化損傷的生物標(biāo)記物。酶(環(huán)氧合酶)和非酶花生四烯酸的氧化產(chǎn)生8-異前列腺素F2α，是脂質(zhì)過氧化的標(biāo)記[39]，反映醛損傷血脊髓屏障，導(dǎo)致細(xì)胞活力下降和血管通透性增加[40]。氧化反應(yīng)物可被細(xì)胞內(nèi)外的抗氧化防御系統(tǒng)清除，如超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶和谷胱甘肽還原酶。郭磊等[41]研究表明在大鼠SCI模型中，應(yīng)用槲皮素可以清除氧自由基，抑制炎癥反應(yīng)，從而減輕繼發(fā)性脊髓損傷。SCI治療時(shí)間窗非常重要，在3 h內(nèi)采取干預(yù)措施，不僅能減少病理損傷，也能清除氧化反應(yīng)物[42]。因此，抗氧化治療可能會(huì)阻止和逆轉(zhuǎn)SCI的炎癥反應(yīng)。

3.3 補(bǔ)體系統(tǒng) 補(bǔ)體系統(tǒng)是固有免疫系統(tǒng)的一部分，由約60種蛋白質(zhì)組成，通過以下3種不同的途徑激活：經(jīng)典途徑、凝集素途徑(MBL)和旁路途徑。其既參與SCI后的病理性炎癥過程，也參與神經(jīng)保護(hù)、修復(fù)和再生過程[43]。SCI后補(bǔ)體活性增加，補(bǔ)體蛋白C3a和C5a參與促炎過程和神經(jīng)保護(hù)[44]。補(bǔ)體級聯(lián)反應(yīng)通過激活免疫系統(tǒng)和募集免疫細(xì)胞放大炎癥反應(yīng)。補(bǔ)體受體1(CR1)、衰變加速因子(DAF，CD55)和CD59都被認(rèn)為在補(bǔ)體激活中起監(jiān)管作用[43]。此外，H因子在補(bǔ)體級聯(lián)反應(yīng)的不同時(shí)間點(diǎn)調(diào)節(jié)蛋白水解活性，并且是補(bǔ)體蛋白C3b的主要調(diào)節(jié)劑[45]?？笴5單克隆抗體已被用于治療陣發(fā)性睡眠性血紅蛋白尿(PNH)患者，其拮抗C5b-9(MAC)的形成有效地減少患者的溶血[46]。在SCI后補(bǔ)體基因缺陷小鼠中發(fā)現(xiàn)，其出現(xiàn)感覺和運(yùn)動(dòng)恢復(fù)的現(xiàn)象[47]。因此，補(bǔ)體抑制劑作為SCI治療策略值得深入研究。

4 結(jié)語

在SCI的發(fā)生發(fā)展中，多因素炎癥反應(yīng)過程是導(dǎo)致繼發(fā)性損傷的重要因素，其病理性炎癥環(huán)境涉及多種復(fù)雜調(diào)節(jié)機(jī)制。SCI后炎癥反應(yīng)具有兩面性，既是機(jī)體對損傷因素的積極應(yīng)答，也是造成脊髓繼發(fā)性病理損傷的關(guān)鍵因素。因此可以SCI后炎癥病理過程為干預(yù)靶點(diǎn)，為治療SCI提供新的方向。目前，雖然對炎癥反應(yīng)眾多參與因素做了大量的研究，但難以解釋其復(fù)雜的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)、掌握炎癥反應(yīng)發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵調(diào)節(jié)機(jī)制。如何適當(dāng)調(diào)節(jié)SCI后的免疫炎性環(huán)境仍是未來需要研究的課題。