軟腦膜在外周炎癥影響神經(jīng)炎癥過程中的作用

王鷂 呂慧欣 杜留熠 顧芯銘 任靜宜 于維先 周延民

1.吉林大學(xué)口腔醫(yī)院種植中心 長春 130021;

2.吉林省牙發(fā)育及頜骨重塑與再生省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長春 130021

軟腦膜是血腦屏障中的重要組成部分。在生理情況下，軟腦膜參與隔離了外周循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的大部分免疫細(xì)胞及細(xì)胞因子，阻止其進(jìn)入腦實(shí)質(zhì)，保證了中樞神經(jīng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)及相對獨(dú)立于外周系統(tǒng)的“免疫豁免權(quán)”。但是，已有許多臨床證據(jù)揭示，一些外周系統(tǒng)炎癥疾病（如牙周炎）與神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的炎癥及其導(dǎo)致的疾病有著明顯的相關(guān)性。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，在外周系統(tǒng)中產(chǎn)生的炎癥介質(zhì)可以誘導(dǎo)中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)炎性因子的釋放，使其產(chǎn)生一種“鏡像”的免疫應(yīng)答[1]，而且反復(fù)、輕微的外周炎癥還可以降低中樞神經(jīng)系統(tǒng)對于外周炎癥的敏感性，從而抑制炎癥的發(fā)生、發(fā)展[2]。近年來的一系列研究顯示，軟腦膜可能參與了外周炎癥對于神經(jīng)炎癥的動態(tài)調(diào)節(jié)，并起到了某種傳遞炎性信號的作用。本文就這一過程的內(nèi)在機(jī)制進(jìn)行綜述，旨在進(jìn)一步揭示神經(jīng)炎癥的產(chǎn)生機(jī)制，為眾多慢性神經(jīng)中樞系統(tǒng)疾病的治療提供新途徑。

1 軟腦膜

軟腦膜是緊貼于腦表面的一層透明薄膜，且能夠伸入溝裂。由軟腦膜形成的皺襞突入腦室內(nèi)，形成脈絡(luò)叢，分泌腦脊液。脈絡(luò)叢上皮細(xì)胞與其之間的緊密連接構(gòu)成了血-腦脊液屏障（bloodcerebrospinal fluid barrier），負(fù)責(zé)血液與腦脊液之間的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)[3]。軟腦膜與室管膜上皮、軟膜下膠質(zhì)膜共同構(gòu)成了腦脊液-腦實(shí)質(zhì)屏障（cerebrospinal fluid-brain barrier），其表面分布有多種受體和轉(zhuǎn)運(yùn)子。

數(shù)十年來的研究一直認(rèn)為，腦膜是一種防御結(jié)構(gòu)，但越來越多的研究證實(shí)，腦膜是一種復(fù)雜的生理結(jié)構(gòu)，除了作為外周循環(huán)系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)間的屏障，還具有信號傳遞[4]、物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)[5]、干細(xì)胞孵育[4]以及參與中樞神經(jīng)系統(tǒng)免疫應(yīng)答[6]等功能。進(jìn)一步的研究[7]表明，許多物質(zhì)都可作用于軟腦膜，如脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）、白細(xì)胞介素（interleukin，IL）-1β、IL-6、環(huán)氧合酶（cyclooxygenase，COX）-2、核因子κB抑制蛋白α（inhibitor of nuclear factor κB α，IκBα）、腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）-α、前列腺素（prostaglandin，PG）等，可誘導(dǎo)軟腦膜分泌炎性因子，促進(jìn)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的炎性應(yīng)答。Liddelow等[8]還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)生炎癥時，軟腦膜上缺少緊密連接蛋白（claudin）-3的小鼠的腦脊液中會有更多的外周免疫細(xì)胞，這進(jìn)一步證明了當(dāng)軟腦膜的屏障功能良好時，可以限制外周免疫細(xì)胞的進(jìn)入?？偠灾浤X膜參與構(gòu)成外周-中樞神經(jīng)系統(tǒng)之間的屏障，能夠限制炎癥信號、免疫細(xì)胞等多種物質(zhì)在兩個系統(tǒng)間的直接擴(kuò)散。

2 外周炎癥與神經(jīng)炎癥的關(guān)系

外周炎癥是機(jī)體對侵入的病原微生物進(jìn)行的一種防御反應(yīng)，在日常生活中很常見。有研究[9]證據(jù)顯示，外周炎癥與神經(jīng)炎癥有著顯著的相關(guān)性。Kranjac等[10]和Semmler等[11]的動物實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，系統(tǒng)炎癥疾病與認(rèn)知功能損傷存在密切關(guān)系。

在正常生理情況下，由于內(nèi)皮細(xì)胞間的緊密連接為中樞神經(jīng)系統(tǒng)構(gòu)建了一個特殊的屏障系統(tǒng)，中樞神經(jīng)系統(tǒng)一直被視作一個與外界相對隔離的“免疫特權(quán)區(qū)域”[12]。軟腦膜參與構(gòu)成了中樞神經(jīng)系統(tǒng)的免疫腦屏障系統(tǒng)，在正常生理情況下，限制外周循環(huán)系統(tǒng)中抗體、免疫調(diào)節(jié)因子以及免疫細(xì)胞滲透、進(jìn)入，同時保護(hù)腦實(shí)質(zhì)[13-14]。腦實(shí)質(zhì)內(nèi)的神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞則被包裹于屏障之內(nèi)，維護(hù)著特殊的穩(wěn)態(tài)微環(huán)境。

通過幾條已知的路徑，外周炎癥可以引發(fā)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的炎性應(yīng)答。Wu等[15]發(fā)現(xiàn)了一條可能的新路徑，即軟腦膜細(xì)胞介導(dǎo)路徑，認(rèn)為在全身性炎癥誘導(dǎo)神經(jīng)炎癥過程中，軟腦膜可能起到了某種傳遞炎癥信號的作用。概括來看，外周炎癥與中樞神經(jīng)炎癥的關(guān)系密不可分，而軟腦膜既在兩者之間提供了一個物理屏障，保證了中樞系統(tǒng)的“免疫特權(quán)”，又在炎癥信號由外周循環(huán)系統(tǒng)傳遞進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)的過程中起到了重要的作用。

牙周炎是一種典型的慢性外周炎癥，入侵牙周組織的病原微生物及其代謝產(chǎn)物導(dǎo)致機(jī)體產(chǎn)生免疫應(yīng)答，引起牙周組織破壞[16]。由于組織、血管的破壞，牙周致病菌及其毒素、局部炎癥因子等還可直接進(jìn)入外周血液循環(huán)。牙周炎最常見的致病菌牙齦卟啉單胞菌的LPS可被巨噬細(xì)胞的Toll樣受體（Toll-like receptor，TLR）識別，誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞、單核細(xì)胞向局部組織、血液中釋放大量的IL-1β、TNF-α和IL-6等促炎細(xì)胞因子[17-18]。同時，研究證據(jù)[19]也顯示，牙周炎的致病原會增高菌血癥的發(fā)病風(fēng)險。一旦發(fā)病，炎癥會通過某種解剖結(jié)構(gòu)相關(guān)的路徑擴(kuò)散到腦及其他的遠(yuǎn)端組織、器官。盡管其中確切的機(jī)制還沒有被確認(rèn)，但已經(jīng)獲知以牙周炎為代表的外周性炎癥與中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥相關(guān)性疾病的病程顯著相關(guān)。對于這方面的深入研究，可能將有助于找到防治神經(jīng)系統(tǒng)疾病的新思路。

3 軟腦膜介導(dǎo)炎癥信號傳遞的可能通路

3.1 外周巨噬細(xì)胞的激活作用

關(guān)節(jié)炎是一種常見的外周炎癥。Wu等[20]發(fā)現(xiàn)，佐劑型關(guān)節(jié)炎大鼠的巨噬細(xì)胞在被激活后會隨循環(huán)系統(tǒng)聚集在軟腦膜附近，但本身并不進(jìn)入腦組織，而是通過分泌炎性因子作用于軟腦膜細(xì)胞。接收到炎癥信號的軟腦膜細(xì)胞會產(chǎn)生特定的免疫應(yīng)答，進(jìn)而釋放炎性因子，刺激中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的膠質(zhì)細(xì)胞，造成進(jìn)一步的神經(jīng)炎癥和認(rèn)知損傷。

牙周炎是另一種常見的慢性炎癥，可導(dǎo)致一種頑固的外周炎癥反應(yīng)。Liu等[21]發(fā)現(xiàn)，在牙齦卟啉單胞菌LPS的刺激下，外周循環(huán)系統(tǒng)中的巨噬細(xì)胞可向牙周組織和循環(huán)系統(tǒng)中釋放大量的炎性信號，包括TNF-α、IL-1β，以及誘導(dǎo)型一氧化氮合酶等[21-22]。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，在牙周炎病程中，巨噬細(xì)胞通過TLR釋放出的炎性因子，可在口腔黏膜內(nèi)介導(dǎo)固有免疫的發(fā)生[23]，然而Liu等[21]首次提出了巨噬細(xì)胞對于軟腦膜可能存在刺激作用，并誘使軟腦膜釋放出相應(yīng)的促炎因子。雖然這一領(lǐng)域的研究剛剛起步，但為研究牙周炎與神經(jīng)炎癥疾病的相關(guān)性指出了一條新的路徑。

3.2 細(xì)胞因子的釋放

Liu等[21]發(fā)現(xiàn)，在用牙齦卟啉單胞菌的LPS刺激人急性單核細(xì)胞白血病單核細(xì)胞株以及小鼠巨噬細(xì)胞后，在培養(yǎng)基中可檢測出TNF-α和IL-1β分泌水平明顯上升；用這種培養(yǎng)基刺激軟腦膜細(xì)胞4 h后，可在軟腦膜細(xì)胞的培養(yǎng)液中測到同種因子表達(dá)量的顯著上升。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，對于軟腦膜細(xì)胞炎性因子的分泌速度和分泌水平，巨噬細(xì)胞培養(yǎng)基刺激組都要遠(yuǎn)高于LPS直接刺激組。

當(dāng)發(fā)生外周炎癥時，活化的軟腦膜細(xì)胞所體現(xiàn)的作用是復(fù)雜的，除促進(jìn)神經(jīng)系統(tǒng)的炎性反應(yīng)外，還具有抗炎作用。現(xiàn)有研究[24-26]顯示，活化的軟腦膜的抗炎作用主要通過分泌PGE2和轉(zhuǎn)化生長因子（transforming growth factor，TGF）-β1來實(shí)現(xiàn)。對于中樞神經(jīng)系統(tǒng)而言，PGE2是一種抗炎蛋白質(zhì)分子，可以抑制神經(jīng)元的死亡和炎性介質(zhì)的釋放，而TGF-β1更能直接對皮質(zhì)神經(jīng)元產(chǎn)生保護(hù)作用。體內(nèi)、體外實(shí)驗(yàn)證據(jù)均表明，軟腦膜細(xì)胞既可被LPS刺激，也可被活化的巨噬細(xì)胞所分泌的炎性因子刺激。被刺激并激活后的軟腦膜細(xì)胞，可同時分泌促炎因子和抗炎因子，這些因子共同作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，影響神經(jīng)系統(tǒng)炎癥的發(fā)生和發(fā)展。

3.3 對膠質(zhì)細(xì)胞的激活作用

膠質(zhì)細(xì)胞的活化是神經(jīng)炎癥的關(guān)鍵影響因素[26]。在全身性炎癥反應(yīng)的初始階段，由于血腦屏障的存在，體內(nèi)大部分的免疫細(xì)胞和炎性細(xì)胞雖然在軟腦膜周圍堆積，但是無法進(jìn)入腦實(shí)質(zhì)[20]。用活化后軟腦膜細(xì)胞的培養(yǎng)基處理小膠質(zhì)細(xì)胞后，可發(fā)現(xiàn)后者TNF-α和IL-1β的mRNA水平顯著上升[21]，說明軟腦膜細(xì)胞分泌的細(xì)胞因子與小膠質(zhì)細(xì)胞的活化有顯著的相關(guān)性。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)[20]也為這一猜想提供了證據(jù)，在給小鼠注射免疫誘導(dǎo)劑后，沿軟腦膜細(xì)胞分布的膠質(zhì)細(xì)胞出現(xiàn)了明顯的形態(tài)學(xué)變化。因?yàn)槠渌哪z質(zhì)細(xì)胞（如星形膠質(zhì)細(xì)胞等）也可能涉及這一通路，這一方面還需要深入研究。

軟腦膜細(xì)胞既能分泌促炎因子，也能分泌抗炎因子，從而調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的免疫反應(yīng)平衡。因此，軟腦膜細(xì)胞對于膠質(zhì)細(xì)胞的刺激作用也是多樣化的。免疫熒光實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在發(fā)生神經(jīng)炎癥時，被軟腦膜細(xì)胞活化的小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞是腦內(nèi)IL-10的主要來源[25]；體外實(shí)驗(yàn)[20]也證實(shí)了軟腦膜對于膠質(zhì)細(xì)胞IL-10分泌的促進(jìn)作用。IL-10在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中能展現(xiàn)出顯著抗炎作用，不僅能抑制膠質(zhì)細(xì)胞對于促炎因子的分泌，還能上調(diào)中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的抗炎因子水平[27-29]。

在發(fā)生全身性炎癥時，軟腦膜細(xì)胞分泌的PGE2還可誘導(dǎo)膠質(zhì)細(xì)胞分泌TGF-β1[25,30]和TGF-β受體Ⅱ。不難推斷，膠質(zhì)細(xì)胞在接收來自軟腦膜的炎癥信號后被活化，并可發(fā)揮促炎作用和抗炎作用，從而調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的炎性反應(yīng)。

在發(fā)生全身性的外周炎癥時，膠質(zhì)細(xì)胞的免疫應(yīng)答還與年齡相關(guān)。研究[31]發(fā)現(xiàn)，在年輕的關(guān)節(jié)炎小鼠身上，活化后的小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞的TGF-β1和IL-10表達(dá)量顯著上升；在中年關(guān)節(jié)炎小鼠身上，膠質(zhì)細(xì)胞主要表達(dá)IL-1β和PGE2合成酶。隨著小鼠年齡的增長，腦內(nèi)的一部分膠質(zhì)細(xì)胞（尤其是小膠質(zhì)細(xì)胞）會改變其形態(tài)和特性。在全身性炎癥的刺激下，這種變形細(xì)胞體現(xiàn)出了高于正常值的敏感性，能夠更顯著地表達(dá)IL-1β和PGE2合成酶。對于中年關(guān)節(jié)炎小鼠，其腦內(nèi)活化的膠質(zhì)細(xì)胞釋放的促炎因子（主要為IL-1β和PGE2）可下調(diào)軟腦膜的兩種重要的緊密連接蛋白Claudin3和ZO-1，從而影響其屏障功能，改變其對于中性粒細(xì)胞滲出物和CD4+T細(xì)胞的通透性；在年輕小鼠腦內(nèi)，膠質(zhì)細(xì)胞活化后將表達(dá)抗炎因子（如IL-10、TGF-β），可抑制PGE2和IL-1β對緊密連接蛋白的毒性影響。膠質(zhì)細(xì)胞的這種年齡相關(guān)的行為差異，決定了在全身性炎癥中，軟腦膜通透性的改變會受到年齡因素的影響。

4 小結(jié)

外周炎癥對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的炎癥有動態(tài)調(diào)節(jié)作用。神經(jīng)系統(tǒng)的炎癥是許多慢性神經(jīng)系統(tǒng)疾?。ㄈ绨柎暮Ｄ?、帕金森病、額顳癡呆）的共同病理變化。軟腦膜可能在外周炎癥對于神經(jīng)系統(tǒng)炎癥的這種影響中扮演了某種信使的角色。對于健康人，軟腦膜作為免疫腦屏障系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，將循環(huán)系統(tǒng)中大部分的免疫細(xì)胞、細(xì)胞因子等阻隔在中樞神經(jīng)系統(tǒng)之外，保證了中樞神經(jīng)系統(tǒng)的免疫獨(dú)立性。當(dāng)發(fā)生全身性炎癥時，軟腦膜會發(fā)生明顯的免疫應(yīng)答，通過分泌和接受細(xì)胞因子，參與炎癥的發(fā)生和發(fā)展。一些外周炎癥的致病物質(zhì)可以刺激巨噬細(xì)胞和軟腦膜細(xì)胞，誘導(dǎo)其分泌炎性介質(zhì)，同時巨噬細(xì)胞所分泌的致炎因子也能作用于軟腦膜細(xì)胞，增強(qiáng)其炎性反應(yīng)。另一方面，處于免疫應(yīng)答中的軟腦膜所釋放的促炎因子，可激活中樞系統(tǒng)內(nèi)的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，而活化的小膠質(zhì)細(xì)胞一直被視作與神經(jīng)系統(tǒng)炎癥有著密切的相關(guān)性，并與多種神經(jīng)退行性疾病和認(rèn)知功能損害有關(guān)。

除了參與以上通路外，軟腦膜細(xì)胞在被激活后，還能分泌以PGE2、TGF-β1為代表的抗炎因子，保護(hù)神經(jīng)元，與促炎因子一起，共同影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的炎癥反應(yīng)。

由于軟腦膜涉及多種細(xì)胞因子的通路，不難推測它很可能在外周炎癥對神經(jīng)炎癥的影響中扮演某種關(guān)鍵的信使角色。對于軟腦膜的進(jìn)一步研究是必要的，對外周炎癥與中樞神經(jīng)炎癥之間新的通路的探究勢必將揭示牙周炎、關(guān)節(jié)炎與眾多神經(jīng)退行性疾病間的深層次聯(lián)系，為這些疾病的預(yù)防和治療提供新的思路。