白細(xì)胞介素6在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的研究進(jìn)展

劉秋燕，張雷紅，于曉明，苑愛(ài)云

青島市婦女兒童醫(yī)院神經(jīng)康復(fù)科，山東青島市266034

目前，越來(lái)越多的證據(jù)支持中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system,CNS)可產(chǎn)生包括白細(xì)胞介素(interleukin,IL)-6在內(nèi)的多種神經(jīng)免疫因子。在正常的CNS中IL-6的表達(dá)呈低水平，但在神經(jīng)系統(tǒng)變性病、精神類疾病、感染和損傷時(shí)IL-6的表達(dá)水平升高，與此同時(shí)，會(huì)伴有CNS功能和行為學(xué)的改變[1]。

臨床和動(dòng)物模型研究均表明，IL-6是CNS認(rèn)知功能調(diào)節(jié)中的關(guān)鍵調(diào)控因子之一[2-3]。體內(nèi)外研究還發(fā)現(xiàn)，IL-6能夠調(diào)節(jié)神經(jīng)元和突觸的功能，是參與突觸傳遞、神經(jīng)可塑性、學(xué)習(xí)記憶和行為改變的重要調(diào)節(jié)分子[4-7]。

因此，了解IL-6在CNS中的產(chǎn)生、與IL-6表達(dá)水平相關(guān)的CNS狀態(tài)、IL-6對(duì)神經(jīng)元和突觸功能的調(diào)控及其潛在作用機(jī)制，對(duì)于制定相關(guān)CNS疾病治療策略均具有重要意義。

1 CNS中IL-6與IL-6受體(IL-6 receptor,IL-6R)的表達(dá)及信號(hào)傳導(dǎo)

1.1 CNSIL-6的產(chǎn)生

如其他神經(jīng)免疫因子一樣，星形膠質(zhì)細(xì)胞是CNS中IL-6的主要來(lái)源[8]，神經(jīng)元在CNS疾病、損傷或強(qiáng)烈的神經(jīng)活動(dòng)時(shí)亦可產(chǎn)生IL-6[9]。正常情況下CNS中IL-6的表達(dá)呈低水平狀態(tài)，在CNS感染和損傷等病理狀況下，星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元受到刺激后產(chǎn)生IL-6，可引起CNS中IL-6水平顯著增高。

IL-1β等細(xì)胞因子可誘導(dǎo)星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元合成、釋放IL-6[10-11]。IL-6在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中合成和包裝，然后被轉(zhuǎn)運(yùn)至高爾基體進(jìn)一步加工和分泌。IL-6在星形膠質(zhì)細(xì)胞高爾基體中的加工和分泌通過(guò)經(jīng)典途徑完成，該途徑首先將IL-6包裹入膜旁細(xì)胞器，進(jìn)而轉(zhuǎn)運(yùn)到胞膜進(jìn)行溶解和胞外分泌[12]。

神經(jīng)元內(nèi)是否存在該經(jīng)典途徑尚不清楚。但培養(yǎng)皮層神經(jīng)元的研究顯示，神經(jīng)元通過(guò)另一不同的途徑分泌IL-6。研究發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)烈的神經(jīng)元刺激可引起IL-6由高爾基體通過(guò)軸漿運(yùn)輸轉(zhuǎn)運(yùn)到突觸終端，然后在突觸部位或突觸附近釋放[13]。

1.2 CNS中IL-6R的表達(dá)及信號(hào)傳導(dǎo)

IL-6需與其受體IL-6R相互作用，才能產(chǎn)生生物學(xué)功能。IL-6R系統(tǒng)由1個(gè)配體結(jié)合亞基和1個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換亞基組成，即IL-6Rα和糖蛋白130(glycoprotein 130,gp130)組成的多亞基復(fù)合體。IL-6Rα以跨膜黏附和可溶形式兩種方式存在。通過(guò)膜黏附形式傳遞的信號(hào)稱為經(jīng)典信號(hào)，而通過(guò)可溶形式傳遞的信號(hào)稱為反式信號(hào)[14]。

在經(jīng)典信號(hào)途徑中，當(dāng)IL-6Rα與IL-6結(jié)合時(shí)，該復(fù)合體與兩個(gè)跨膜黏附區(qū)gp130形成異源三聚體，然后與下游信號(hào)分子相互作用啟動(dòng)生物學(xué)功能，如基因表達(dá)等[15]。在反式信號(hào)途徑中，IL-6與其可溶性受體在細(xì)胞外液中相結(jié)合，然后IL-6/IL-6Rα復(fù)合體再與gp130結(jié)合啟動(dòng)下游信號(hào)。因?yàn)間p130廣泛表達(dá)于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，反式信號(hào)可使不能表達(dá)IL-6Rα膜黏附區(qū)的細(xì)胞亦可對(duì)IL-6起反應(yīng)。研究表明，反式信號(hào)在IL-6的病理活動(dòng)中起著至關(guān)重要的作用[16-18]。

IL-6RαmRNA和蛋白表達(dá)于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的諸多區(qū)域，包括海馬、皮層和小腦等[19]。CNS的神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞均可表達(dá)IL-6Rα和gp130。免疫組化研究發(fā)現(xiàn)，IL-6R在海馬區(qū)的膠質(zhì)細(xì)胞中均勻表達(dá)，但在神經(jīng)元中主要表達(dá)在核周和外周樹(shù)突的尖端，而且在錐體神經(jīng)元和齒狀回的顆粒細(xì)胞中也存在致密的IL-6Rα表達(dá)。有關(guān)IL-6Rα亞基的亞細(xì)胞分布的研究表明，在鼠的腦皮質(zhì)中，IL-6Rα和gp130在突觸前膜和突觸后膜均有表達(dá)[20]。

研究表明，許多下游信號(hào)伴侶與IL-6R活性相關(guān)。IL-6/IL-6R/gp130復(fù)合體的觸發(fā)與gp130有關(guān)的酪氨酸激酶(tyrosine kinases of the Janus kinase,JAK)家族的磷酸化有關(guān)?；罨腏AK家族觸發(fā)一系列反應(yīng)導(dǎo)致gp130磷酸化，由此募集和活化信號(hào)傳導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄活化因子3(signal transducer and activator of transcription-3,STAT3)。除了STAT途徑活化外，絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)和磷脂酰肌苷三磷酸激酶(phosphatidylinositol-3 kinase,PI3K)途徑也可被IL-6/IL-6R/gp130復(fù)合體激活。研究顯示，JAK2和STAT3位于海馬突觸部位的突觸后致密區(qū)[21-23]，而MAPK表達(dá)于海馬神經(jīng)元的胞體和樹(shù)突[24]。由此可見(jiàn)，IL-6R可與上述定位恰如其分的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子相互作用，進(jìn)而影響突觸的功能。

2 IL-6與CNS相關(guān)疾病

在CNS感染、損傷、神經(jīng)變性病及其他病理狀態(tài)中CNS免疫因子的表達(dá)可發(fā)生變化。本文僅關(guān)注IL-6的變化。

越來(lái)越多的臨床研究發(fā)現(xiàn)，IL-6主要在與認(rèn)知功能和行為改變有關(guān)的CNS疾病中高表達(dá)[25-29]。這種相關(guān)性提示IL-6有潛在的神經(jīng)元和突觸活性，這種可能性也已得到諸多動(dòng)物模型研究的支持。

阿爾茨海默病(Alzheimer"s disease,AD)是以癡呆、記憶損害和其他認(rèn)知障礙為特征的中樞神經(jīng)系統(tǒng)變性病。許多研究發(fā)現(xiàn)，在AD患者的CSF和血液中IL-6蛋白或mRNA水平是升高的[30]。Luterman等[31]評(píng)定AD患者(死亡年齡78～88歲)生命的最后6個(gè)月期間的認(rèn)知功能，通過(guò)尸檢測(cè)定內(nèi)嗅皮質(zhì)、顳上回和枕葉皮質(zhì)中IL-6 mRNA的水平。研究發(fā)現(xiàn)，與認(rèn)知正常者相比，嚴(yán)重癡呆患者在內(nèi)嗅皮質(zhì)和顳上回中有高水平IL-6 mRNA表達(dá)，而枕葉皮質(zhì)中無(wú)上述發(fā)現(xiàn)。而且，在上述腦區(qū)中無(wú)IL-6 mRNA高表達(dá)的患者少有嚴(yán)重的認(rèn)知功能損害。研究提示，AD的癡呆程度與CNS中IL-6 mRNA的水平相關(guān)。

在其他以認(rèn)知下降或癡呆為特征的疾病如路易體癡呆和血管性癡呆中也可觀察到CNS中IL-6 mRNA水平的增高。與正常對(duì)照腦相比，路易體癡呆患者的尸檢腦在海馬和扣帶回中均有IL-6 mRNA的顯著增高[32]。與血管病無(wú)癡呆者相比，血管性癡呆患者腦脊液中IL-6水平明顯升高[33]。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，血管性癡呆患者血漿中IL-6水平(1.95～6.98 pg/ml)與其從事的日?；顒?dòng)功能狀態(tài)(如穿衣、沐浴)成反比。

另有研究顯示，IL-6與精神疾病如抑郁癥及其他情感障礙之間也存在關(guān)聯(lián)。抑郁癥是一種慢性復(fù)發(fā)性疾病，以中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能損害為特征，包括認(rèn)知障礙、記憶力減退以及抑郁的心情、睡眠障礙、興趣缺乏等一系列可變的癥狀，病態(tài)行為受到包括IL-6在內(nèi)的多種炎性細(xì)胞因子調(diào)節(jié)。一項(xiàng)針對(duì)有自殺傾向的重度抑郁癥患者的研究發(fā)現(xiàn)，患者CNS中的IL-6水平較正常對(duì)照者顯著升高[34]，自殺傾向者的血漿IL-6水平亦明顯升高，并且顯著高于非自殺抑郁癥患者和健康對(duì)照者；與正常對(duì)照相比，年輕自殺者(12～20歲)前額葉皮質(zhì)中IL-6 mRNA以及蛋白水平均明顯升高[35]。另有研究發(fā)現(xiàn)，在抑郁癥患者和健康成年人中，記憶水平與血漿IL-6水平無(wú)關(guān)聯(lián)性[36]。與健康對(duì)照相比，重度抑郁癥或精神分裂癥患者CSF中IL-6水平明顯升高，血漿IL-6水平卻無(wú)顯著變化[37]。

研究還發(fā)現(xiàn)，孤獨(dú)癥患者CSF和血液中IL-6水平明顯升高[38-40]。有趣的是，Woolfenden等[41]發(fā)現(xiàn)并發(fā)智力缺陷的孤獨(dú)癥患者較正常人有更高的癲癇患病率，由此推斷高水平的IL-6可能導(dǎo)致驚厥和驚厥相關(guān)腦損傷的發(fā)生[42]。另有研究認(rèn)為驚厥發(fā)作可引起CNS和血液中IL-6的升高[43-44]。

當(dāng)然，不同臨床研究間也存在不一致的結(jié)果，這可能與研究的隊(duì)列特征(如研究對(duì)象的年齡、疾病的階段)、納入研究對(duì)象數(shù)量及使用的檢測(cè)方法不同有關(guān)。

總之，臨床研究顯示，IL-6在CNS病理過(guò)程中起關(guān)鍵作用，CNS中IL-6的變化與有認(rèn)知功能改變的疾病相關(guān)。因此，IL-6有望成為某些特定CNS疾病的生物學(xué)標(biāo)記物。

3 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中的IL-6與認(rèn)知行為學(xué)

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)已經(jīng)顯示，CNS中IL-6的變化與學(xué)習(xí)和記憶等認(rèn)知功能相關(guān)，且IL-6過(guò)量和不足均會(huì)影響認(rèn)知功能。

Donegan等[45]通過(guò)行為學(xué)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，腦室內(nèi)注射IL-6抗體可逆轉(zhuǎn)AD小鼠的學(xué)習(xí)認(rèn)知缺陷。代謝綜合征鼠模型研究顯示，焦慮樣行為(曠場(chǎng)和高架迷宮測(cè)驗(yàn))的增加和空間工作記憶(特殊識(shí)別測(cè)驗(yàn))的受損與海馬中IL-6 mRNA水平增高相關(guān)[46]。相對(duì)于強(qiáng)迫癥抵抗鼠，攜帶強(qiáng)迫癥基因的大鼠不僅在水迷宮測(cè)試中存在空間學(xué)習(xí)缺陷，而且海馬和皮質(zhì)中IL-6 mRNA的表達(dá)明顯升高[47]。Zhu等[48]發(fā)現(xiàn)，大鼠的睡眠障礙導(dǎo)致的學(xué)習(xí)和記憶受損與海馬中的IL-6升高相關(guān)，但與皮質(zhì)中的IL-6的表達(dá)無(wú)關(guān)。

IL-6的高表達(dá)還與抑郁表型存在相關(guān)性。研究發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)性紅斑狼瘡鼠模型在強(qiáng)迫游泳和懸尾實(shí)驗(yàn)中存在抑郁樣行為，該抑郁樣行為與海馬和前額皮質(zhì)中IL-6的升高相關(guān)[49]。由結(jié)腸癌細(xì)胞誘導(dǎo)的外周腫瘤小鼠模型在行為測(cè)試中表現(xiàn)出記憶受損和抑郁樣行為，上述表現(xiàn)與海馬中IL-6 mRNA水平升高相關(guān)[50]。遭受光剝奪的鼠也會(huì)出現(xiàn)抑郁樣行為，其海馬和血漿中均顯示IL-6水平升高[51]。腦室內(nèi)注射IL-6(500～1000 ng，2 h預(yù)處理)會(huì)使鼠產(chǎn)生抑郁樣行為[49]。抑郁癥常共患癲癇[52]，也提示與CNS中IL-6水平升高相關(guān)[53-54]。證實(shí)IL-6與特定CNS狀態(tài)和行為的相關(guān)性對(duì)于理解IL-6在CNS生理和病理中的作用至關(guān)重要。目前針對(duì)IL-6R與行為相關(guān)聯(lián)的研究較少。既往研究發(fā)現(xiàn)，由IL-6R引起的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子如JAK2、STAT3和MAPK，參與神經(jīng)或精神類疾病，也支持IL-6/IL-6R信號(hào)途徑在這些疾病中起重要作用[55]。

4 IL-6與突觸功能調(diào)控

4.1 IL-6與神經(jīng)元及突觸功能

體內(nèi)外研究均證實(shí)IL-6可調(diào)控神經(jīng)元和突觸的功能。如前所述，腦中存在IL-6和IL-6R。CNS相關(guān)疾病中IL-6水平升高與認(rèn)知功能改變相關(guān)的事實(shí)均提示，IL-6具有神經(jīng)元和突觸活性。近年來(lái)有關(guān)IL-6的實(shí)驗(yàn)研究對(duì)上述觀點(diǎn)提供有力證據(jù)。在許多中樞神經(jīng)系統(tǒng)的疾病中，神經(jīng)細(xì)胞長(zhǎng)期(數(shù)天至數(shù)年)暴露于IL-6，可導(dǎo)致神經(jīng)的適應(yīng)性變化，從而對(duì)神經(jīng)元及突觸功能產(chǎn)生持續(xù)的影響。

目前有三種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用于研究IL-6的神經(jīng)適應(yīng)性效應(yīng)，包括外源性IL-6的暴露、使用CNS中高表達(dá)IL-6的轉(zhuǎn)基因小鼠(如GFAP-IL-6轉(zhuǎn)基因小鼠)以及利用病毒(如腺病毒)誘導(dǎo)IL-6基因在CNS中高表達(dá)[15]。研究發(fā)現(xiàn)，IL-6(10 ng/ml)外源性應(yīng)用于皮層切片，可導(dǎo)致抑制性突觸傳遞減少，這一行為被認(rèn)為是突觸后發(fā)生的，可能與細(xì)胞膜中γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)受體表達(dá)減少有關(guān)[18]。利用病毒誘導(dǎo)的方法使培養(yǎng)的顆粒神經(jīng)元產(chǎn)生高水平IL-6，發(fā)現(xiàn)兩種突觸前標(biāo)志性蛋白包括突觸標(biāo)志性蛋白突觸素和興奮性突觸標(biāo)志物囊泡谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1(VGluT1)表達(dá)明顯升高[40]。

上述結(jié)果提示，神經(jīng)元持續(xù)表達(dá)IL-6可以促進(jìn)興奮性突觸的形成，但外源性IL-6應(yīng)用于顳葉皮層切片未發(fā)現(xiàn)興奮性突觸傳遞的改變。

星形膠質(zhì)細(xì)胞是神經(jīng)元突觸傳遞的重要參與者，與突觸本身、神經(jīng)元的動(dòng)態(tài)交互作用及突觸功能的調(diào)節(jié)密切相關(guān)[56-57]。大量研究通過(guò)檢測(cè)GFAP-IL-6轉(zhuǎn)基因小鼠的突觸傳遞，以確定星形膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生的IL-6對(duì)突觸功能產(chǎn)生潛在影響。對(duì)GFAPIL-6雜合小鼠海馬切片的場(chǎng)電位記錄發(fā)現(xiàn)，興奮性突觸傳遞較非轉(zhuǎn)基因小鼠明顯增強(qiáng)[58]。海馬CA1錐體神經(jīng)元興奮性突觸傳遞增強(qiáng)可能增加GFAP-IL-6小鼠對(duì)海人酸和N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartate,NMDA)誘導(dǎo)癲癇發(fā)作的敏感性[59]。使用腺病毒基因傳遞方式制作CNS過(guò)表達(dá)IL-6鼠模型(Ad-GFPIL-6)，對(duì)其海馬切片的場(chǎng)電位記錄發(fā)現(xiàn)，CA1區(qū)錐體神經(jīng)元的回返抑制與對(duì)照組相比明顯降低；與對(duì)照組海馬相比，Ad-GFP-IL-6模型鼠海馬CA1區(qū)興奮性突觸標(biāo)志物增加，抑制性突觸標(biāo)志物降低[39]。上述研究存在不一致的結(jié)果，可能與研究方法及IL-6暴露劑量的不同有關(guān)。

綜上所述，IL-6在蛋白表達(dá)、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、神經(jīng)功能和突觸傳遞等多個(gè)層面對(duì)CNS產(chǎn)生影響，也提示IL-6作為一種信號(hào)分子，參與CNS的各種生理或病理功能。

4.2 IL-6與海馬突觸可塑性

海馬是記憶與學(xué)習(xí)的關(guān)鍵腦區(qū)，海馬的突觸可塑性是記憶表編碼和形成的生物學(xué)基礎(chǔ)。長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)(long-term potentiation,LTP)和強(qiáng)直后增強(qiáng)(post-tetanic potentiation,PTP)是構(gòu)成學(xué)習(xí)與記憶的重要表現(xiàn)形式，與突觸可塑性密切相關(guān)。

研究發(fā)現(xiàn)，急性暴露于IL-6(5～50 ng/ml)的海馬腦片，Schaffer側(cè)支到CA1錐體神經(jīng)元突觸的LTP和PTP降低，并呈劑量依賴性，且IL-6R參與突觸可塑性的改變，LTP和PTP的抑制與STAT3的磷酸化增高及MAPK的磷酸化降低有關(guān)。并且，IL-6對(duì)LTP和PTP的作用可以被JAK2抑制劑阻斷[60]。對(duì)GFAP-IL-6轉(zhuǎn)基因鼠及非轉(zhuǎn)基因鼠的海馬切片進(jìn)行場(chǎng)電位記錄，以確定長(zhǎng)時(shí)間暴露于IL-6對(duì)LTP的神經(jīng)適應(yīng)效應(yīng)[58]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在1～2月齡的幼鼠和3～6月齡的成年鼠中，GFAP-IL-6轉(zhuǎn)基因鼠與非轉(zhuǎn)基因鼠的海馬CA1錐體神經(jīng)元突觸的LTP水平無(wú)顯著性差異；然而，在幼年GFAP-IL-6轉(zhuǎn)基因小鼠海馬中，PTP明顯降低，這一影響在成年小鼠中未見(jiàn)[58]。

對(duì)正常動(dòng)物體內(nèi)和體外研究發(fā)現(xiàn)，刺激神經(jīng)元誘導(dǎo)海馬LTP產(chǎn)生的同時(shí)伴有海馬內(nèi)源性IL-6 mRNA水平的增高，IL-6 mRNA的表達(dá)位于靠近刺激區(qū)組織的星形膠質(zhì)細(xì)胞，但不在神經(jīng)元內(nèi)。體外海馬腦片研究也有類似結(jié)果[61]，且只有LTP被成功誘導(dǎo)，才會(huì)觀察到IL-6 mRNA的增加。IL-6中和抗體灌注也能改善海馬依賴的任務(wù)行為(如空間選擇)，而這種任務(wù)行為的改善與海馬IL-6水平有關(guān)。與LTP誘導(dǎo)實(shí)驗(yàn)時(shí)內(nèi)源性IL-6呈5～7倍的增加相比，在進(jìn)行任務(wù)訓(xùn)練時(shí)內(nèi)源性IL-6能增高2倍。這些研究表明，海馬內(nèi)神經(jīng)活動(dòng)誘導(dǎo)的內(nèi)源性IL-6對(duì)維持LTP有重要作用。然而，IL-6對(duì)于LTP的維持又是一個(gè)負(fù)性調(diào)控因子，通過(guò)限制對(duì)某些信息的長(zhǎng)期儲(chǔ)存來(lái)實(shí)現(xiàn)，記憶的負(fù)性調(diào)節(jié)機(jī)制對(duì)于內(nèi)存記憶的微調(diào)和新記憶的編碼非常重要[62]。

上述研究提示，IL-6至少在海馬依賴的記憶機(jī)制的自穩(wěn)調(diào)節(jié)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，但I(xiàn)L-6在記憶和認(rèn)知功能中的作用機(jī)制尚未完全明了。

5 展望

臨床研究表明CNS中IL-6的水平與認(rèn)知功能改變有關(guān)的疾病密切相關(guān)，這使得IL-6有可能成為某種特定CNS狀態(tài)的生物學(xué)標(biāo)記物。另外，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)均證實(shí)，IL-6能夠調(diào)節(jié)神經(jīng)元和突觸的功能，是參與突觸傳遞、突觸可塑性和學(xué)習(xí)記憶的重要分子。毋庸置疑，IL-6在中樞神經(jīng)系統(tǒng)CNS中扮演著重要的角色。

然而，目前對(duì)IL-6在CNS生理病理過(guò)程中調(diào)控機(jī)制的了解仍然有限。今后，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)IL-6生物學(xué)功能及其作用機(jī)制的研究，及時(shí)調(diào)控IL-6表達(dá)將對(duì)相關(guān)CNS疾病的治療提供新的視角。