創(chuàng)傷性腦損傷相關(guān)神經(jīng)炎癥的研究進(jìn)展

宋鴿，劉曉銀，史新宇，葉益超，張賽△

創(chuàng)傷性腦損傷（traumatic brain injury，TBI）是一個全球性的公共健康問題，全球每年有超過5 000萬患者，其中我國TBI 患者的數(shù)量超過了世界上大多數(shù)國家，給社會和家庭造成了巨大的負(fù)擔(dān)［1］。重度TBI 具有高病死率的特點，且近60%的幸存者存在后遺癥，包括身心疾病、工作障礙等［1］。在TBI 后幾分鐘內(nèi)，受損區(qū)域及周圍正常組織的分子通路被激活，導(dǎo)致神經(jīng)炎癥、興奮性氨基酸毒性、線粒體功能障礙、氧化應(yīng)激、鈣離子超載和血腦屏障（bloodbrain barrier，BBB）破壞等，從而造成腦缺血、水腫、細(xì)胞毒性腫脹和顱內(nèi)壓升高。其中，神經(jīng)炎癥在TBI 全病理過程中起著重要作用，對其病理機(jī)制的研究是TBI 精準(zhǔn)治療的關(guān)鍵。因此，本文簡要闡述了與TBI有關(guān)的神經(jīng)炎癥反應(yīng)的最新進(jìn)展，為TBI相關(guān)疾病的治療研究提供理論基礎(chǔ)。

1 TBI與神經(jīng)炎癥

腦創(chuàng)傷后的神經(jīng)炎癥的特點是顱內(nèi)細(xì)胞的活化、白細(xì)胞的遷移和募集、細(xì)胞因子和趨化因子等介質(zhì)的上調(diào)和分泌。中樞神經(jīng)系統(tǒng)（central nervous system，CNS）的原發(fā)性損傷會導(dǎo)致細(xì)胞膜破裂，血管破裂和BBB破壞，隨后發(fā)生一系列繼發(fā)性反應(yīng)，包括離子失衡、興奮性氨基酸釋放、鈣超載和線粒體功能障礙等，最終造成細(xì)胞死亡。在此病理過程中會釋放大量損傷相關(guān)分子模式（damage-associated molecular pattern，DAMP）、細(xì)胞因子和趨化因子，活化小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞，并且募集循環(huán)免疫細(xì)胞。炎癥反應(yīng)對TBI 后的碎片清除、修復(fù)和再生至關(guān)重要，而炎癥失調(diào)會造成急性和慢性腦損傷［2］。因此，了解TBI 后相關(guān)炎癥反應(yīng)的調(diào)節(jié)機(jī)制十分重要。以下將從TBI后急性炎癥反應(yīng)的分子調(diào)節(jié)機(jī)制和細(xì)胞調(diào)節(jié)機(jī)制進(jìn)行介紹。

2 分子調(diào)節(jié)機(jī)制

TBI 后，顱內(nèi)細(xì)胞會釋放大量內(nèi)源性因子，如炎癥小體、線粒體DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）、熱激蛋白和高遷移率族蛋白B1（high-mobility group box 1，HMGB1），它 們 作 為DAMP 與 核 因 子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）和絲裂原活化蛋白激酶通路的Toll 樣受體（Toll-like receptor, TLR）相結(jié)合，引起多種趨化因子（chemokine ligands，CCL）及其受體（chemokine receptor，CCR）和促炎性細(xì)胞因子的釋放，包括CCL2/CCR2、CXCL12/CXCR4和白細(xì)胞介素（interleukin，IL）中的IL-1β和IL-6等［3］。

2.1 細(xì)胞因子和趨化因子 細(xì)胞因子是由免疫細(xì)胞（巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞等）和非免疫細(xì)胞（內(nèi)皮細(xì)胞、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞等）分泌的一類可溶性多肽，與免疫活化和炎癥反應(yīng)相關(guān)。根據(jù)細(xì)胞因子對炎癥的不同調(diào)節(jié)作用可分為促炎性因子（如IL-1、腫瘤壞死因子-α）和抗炎性因子（如IL-10）兩類。TBI 后，CNS的星形膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元分泌大量IL-1β，可加劇神經(jīng)元損傷［4］。在局灶性TBI 小鼠模型中，阻斷IL-1α 和IL-1β 受體后能減弱其炎癥反應(yīng)并改善認(rèn)知功能［5］。有臨床研究證實，孤立性TBI患者入院時出現(xiàn)全身性炎癥反應(yīng)綜合征是預(yù)后不良的重要預(yù)測指標(biāo)［6］。中度或重度TBI 患者傷后6～24 h腦脊液和血漿中IL-8 水平會增高，并與TBI 后6 個月擴(kuò)展版格拉斯哥預(yù)后量表（GOSE）功能評分呈負(fù)相關(guān)，且IL-8水平的升高也會導(dǎo)致傷后12個月內(nèi)抑郁癥狀的增加［7］。與之相反，IL-10可減少促炎性細(xì)胞因子的合成，調(diào)節(jié)機(jī)體免疫及炎癥，但I(xiàn)L-10的表達(dá)水平與TBI損傷嚴(yán)重程度呈正相關(guān)［8］。

趨化因子是細(xì)胞因子家族中的一個大亞群，可將免疫細(xì)胞吸引到損傷或感染部位。與TBI有關(guān)的趨化因子、受體及其配體有很多種，包括CCL2/CCR2、CXCL8/CXCR2、CXCL12/CXCR4、CXCL10/CXCR3等。受損腦組織中趨化因子CXCR2升高，可誘導(dǎo)中性粒細(xì)胞向損傷部位遷移［9］。與正常小鼠相比，CCR2 敲除小鼠經(jīng)歷TBI 后，巨噬細(xì)胞的浸潤減少，神經(jīng)元密度顯著增加，運(yùn)動能力、空間學(xué)習(xí)和記憶能力得到了改善［10］。CXCL12/CXCR4軸在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)展中起著重要作用。有研究證實，大鼠經(jīng)受液壓沖擊損傷后，CXCL12可促進(jìn)神經(jīng)干細(xì)胞和神經(jīng)祖細(xì)胞向受損腦區(qū)的遷移，與其受體CXCR4結(jié)合后可增強(qiáng)神經(jīng)前體細(xì)胞的增殖［11］。

2.2 DAMPs DAMPs是一種相關(guān)胞內(nèi)蛋白，當(dāng)機(jī)體組織受損時，由損傷或壞死細(xì)胞釋放，在細(xì)胞內(nèi)常以螯合分子的形式存在。DAMPs 與巨噬細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞和其他先天免疫系統(tǒng)細(xì)胞上表達(dá)的模式識別受體（pathogen-associated molecular patterns，PAMP）相結(jié)合，并通過促進(jìn)細(xì)胞因子的分泌來維持免疫應(yīng)答，作用于損傷部位，引起炎癥反應(yīng)［12］。

2.2.1 HMGB1 DAMPs分子中的HMGB1是一種非組蛋白染色體結(jié)合蛋白，在穩(wěn)定核小體結(jié)構(gòu)、調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子及DNA 的復(fù)制、修復(fù)和重組中發(fā)揮重要作用，是TBI 后炎癥反應(yīng)的核心成分［13-14］。HMGB1 可通過受損和壞死的細(xì)胞被動釋放或免疫細(xì)胞主動釋放，并與晚期終末糖基化產(chǎn)物受體（receptor for advanced glycation end product，RAGE）和TLR 等表面受體結(jié)合，然后通過NF-κB 途徑觸發(fā)信號級聯(lián)［15］。NF-κB 發(fā)生核易位后，細(xì)胞釋放大量促炎性細(xì)胞因子，引發(fā)炎癥反應(yīng)的級聯(lián)擴(kuò)增。有研究證實，使用HMGB1抑制劑可維持TBI小鼠的BBB功能，減少顱內(nèi)促炎性細(xì)胞因子（如IL-1β、IL-6和腫瘤壞死因子-α）的釋放，減輕腦水腫程度的同時具有神經(jīng)保護(hù)作用，減少細(xì)胞凋亡并改善其功能［16］。

2.2.2 mtDNA 線粒體廣泛分布于神經(jīng)元軸突、末梢和樹突上。TBI 后急性線粒體破壞導(dǎo)致線粒體結(jié)構(gòu)、功能和代謝的改變，引起供能障礙，可導(dǎo)致大量的神經(jīng)元死亡。線粒體的成分釋放到胞外時會產(chǎn)生DAMPs的作用，線粒體DAMPs包括mtDNA、N-甲酰肽和線粒體轉(zhuǎn)錄因子A。一個細(xì)胞含有多種mtDNA，細(xì)胞損傷后釋放到循環(huán)中的mtDNA 可以通過TLR9 激活中性粒細(xì)胞p38 絲裂原活化蛋白激酶信號通路，并促進(jìn)全身性炎癥反應(yīng)綜合征的發(fā)展［17］。有研究證實，反復(fù)性的輕度TBI 30 d后，下丘腦和杏仁核中的mtDNA 數(shù)量依舊顯著升高［18］。在豬彌漫性TBI模型中，血液中mtDNA的相對拷貝數(shù)在6 h和25 h時升高，而在豬液壓沖擊腦損傷模型中，mtDNA的相對拷貝數(shù)顯著降低，并于25 h時達(dá)到最低值，且在血液中釋放緩慢［19］。

2.3 炎癥小體 炎癥小體是一種胞質(zhì)多蛋白復(fù)合物，可被DAMPs激活，進(jìn)而活化caspase-1，釋放成熟的IL-1β 和IL-18，從而促進(jìn)細(xì)胞凋亡，并可調(diào)節(jié)固有免疫，引起機(jī)體的炎癥反應(yīng)［20］。在多種炎癥小體中，核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白（nucleotide-binding oligomerization domain，NLRP）中的NLRP1 和NLRP3 與TBI 相關(guān)度最高。有研究證實，在患有重度TBI 的兒童和成人的腦脊液中，NLRP3 或NLRP1 增高與預(yù)后不良有關(guān)［21］。NLRP3抑制劑可減少TBI 小鼠小膠質(zhì)細(xì)胞活化、白細(xì)胞募集和IL-1β的分泌，同時減輕腦水腫和組織損失，改善認(rèn)知和神經(jīng)功能［22］。NLRP1 和NLRP3 可作為未來TBI治療的靶點。

3 細(xì)胞調(diào)節(jié)機(jī)制

受損神經(jīng)元組織釋放的趨化因子可募集免疫細(xì)胞。根據(jù)TBI 的腦損傷范圍（局灶性或彌散性）不同，這些細(xì)胞的反應(yīng)也略有不同。局灶性損傷的特征是中性粒細(xì)胞早期浸潤，然后小膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和淋巴細(xì)胞向損傷部位遷移［23］。在彌漫性腦損傷中，早期的細(xì)胞反應(yīng)主要包括小膠質(zhì)細(xì)胞積聚和星形膠質(zhì)細(xì)胞增多，而幾乎沒有中性粒細(xì)胞浸潤［24］。

3.1 中性粒細(xì)胞 局灶性腦創(chuàng)傷后最先滲透到CNS的循環(huán)免疫細(xì)胞是中性粒細(xì)胞，通常在24～48 h內(nèi)可達(dá)到峰值［23］。研究發(fā)現(xiàn)，TBI 后中性粒細(xì)胞的數(shù)量顯著增加，它們被募集到大腦受傷部位的同時，破壞BBB，并釋放自由基、蛋白酶和促炎性細(xì)胞因子，加劇組織損傷［25］。有文獻(xiàn)報道，IL-23/IL-17 軸可調(diào)節(jié)粒細(xì)胞集落刺激因子的分泌并間接影響中性粒細(xì)胞生成，而受創(chuàng)傷的腦組織中趨化因子CXCR2升高，可誘導(dǎo)中性粒細(xì)胞遷移［9］。中性粒細(xì)胞可通過血管細(xì)胞黏附分子與內(nèi)皮細(xì)胞結(jié)合，并沿內(nèi)皮層滾動，隨后在整合素的作用下浸潤于腦受損部位［26］。同時，中性粒細(xì)胞釋放的活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）和基質(zhì)金屬蛋白酶9（matrix metalloprotein 9，MMP-9）會影響TBI 后小膠質(zhì)細(xì)胞反應(yīng)［27］，并可驅(qū)動TBI的繼發(fā)性損傷級聯(lián)反應(yīng)。

3.2 小膠質(zhì)細(xì)胞 小膠質(zhì)細(xì)胞是CNS的巨噬細(xì)胞，在大腦中可發(fā)揮清除碎片、改善突觸調(diào)節(jié)的作用，并通過吞噬和消除突觸來改善突觸回路，在TBI 后的炎癥中起到極其重要的作用［28］。最新數(shù)據(jù)表明，小膠質(zhì)細(xì)胞的功能與其表面的抗原有關(guān)，在不同的刺激條件下表面抗原會發(fā)生變化，從而發(fā)揮不同作用［29］。正常情況下，帶有分支樣突起的小膠質(zhì)細(xì)胞胞體處于靜息狀態(tài)，其細(xì)胞表面抗原表達(dá)低。TBI后，小膠質(zhì)細(xì)胞可以在M1和M2表型之間切換，少量促炎性因子可誘導(dǎo)M1型小膠質(zhì)細(xì)胞生成，進(jìn)而釋放高濃度促炎性因子（如干擾素-γ、腫瘤壞死因子-α、IL-1β）、趨化因子、ROS，導(dǎo)致慢性神經(jīng)炎癥、氧化應(yīng)激和神經(jīng)變性，并抑制神經(jīng)再生。M2樣小膠質(zhì)細(xì)胞則釋放抗炎細(xì)胞因子，從而減少炎癥［30］；此外，小膠質(zhì)細(xì)胞還具有較強(qiáng)的吞噬活性，并通過促進(jìn)CNS 損傷后的神經(jīng)發(fā)生和髓鞘再生來改善大腦修復(fù)［31］。有研究發(fā)現(xiàn)，輕度TBI 造模5 d 后經(jīng)脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）刺激的大鼠可在24 h 內(nèi)產(chǎn)生過量的促炎性細(xì)胞因子，3 個月后仍然有持續(xù)的小膠質(zhì)細(xì)胞活化和行為缺陷存在［32］。

3.3 星形膠質(zhì)細(xì)胞 星形膠質(zhì)細(xì)胞在腦中含量豐富，是TBI后炎癥反應(yīng)的重要組成部分，也對BBB的維持十分重要。腦損傷發(fā)生后，星形膠質(zhì)細(xì)胞迅速激活或增殖，其中細(xì)胞骨架蛋白、波形蛋白、膠質(zhì)原纖維酸性蛋白和S100的表達(dá)上調(diào)，并向損傷部位遷移，原發(fā)性局灶性腦損傷的部位被反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞層包圍［33］。反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞可防止谷氨酸毒性，并通過防止谷氨酸毒性、防止氧化還原應(yīng)激、調(diào)節(jié)線粒體修復(fù)機(jī)制、防止葡萄糖誘導(dǎo)的代謝應(yīng)激、防止鐵毒性、在DNA損傷的情況下維持組織穩(wěn)態(tài)的方式來保護(hù)神經(jīng)元［34］。與此同時，反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞形成的神經(jīng)膠質(zhì)瘢痕可作為損傷區(qū)域的屏障，抑制炎癥細(xì)胞的遷移，從而限制神經(jīng)毒素向未受影響的大腦區(qū)域擴(kuò)散，但是神經(jīng)膠質(zhì)瘢痕也可損害軸突的生長［35］。

4 繼發(fā)性腦損傷（secondary brain insult，SBI）

SBI 是指原發(fā)性腦損傷后觸發(fā)了一系列復(fù)雜的內(nèi)源性病理生理過程而造成神經(jīng)細(xì)胞損傷。超過50%重度TBI 患者出現(xiàn)SBI，致使其病情惡化［36］。SBI 涉及多個細(xì)胞過程，包括ROS 生成、神經(jīng)炎癥、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、線粒體功能障礙、細(xì)胞凋亡和興奮性毒性［37-39］，而常見的引起SBI 的因素包括缺氧、低血壓和體溫過高等，這些因素與TBI 后炎癥反應(yīng)的關(guān)系密切，同時引起腦組織缺氧或營養(yǎng)不良，導(dǎo)致細(xì)胞能量衰竭［40］。

4.1 腦缺氧 腦缺氧是由于氣道阻塞、呼吸衰竭、胸肺部或其血管受到任何其他傷害所致。重度TBI并發(fā)肺挫傷、誤吸、肺炎、肺不張和急性呼吸窘迫綜合征的患者患低氧血癥的概率很高，可增加患者的病死率［41］。TBI后供氧不足引起的細(xì)胞能量危機(jī)會導(dǎo)致電解質(zhì)失衡，異常的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)的釋放，并進(jìn)一步破壞線粒體代謝，從而導(dǎo)致自由基積聚過多。隨著神經(jīng)炎癥反應(yīng)的繼續(xù)，凋亡相關(guān)蛋白可啟動細(xì)胞凋亡［42］。臨床前模型也證實了這一觀點，TBI 后低氧血癥加劇腦水腫和缺血、神經(jīng)炎癥、海馬神經(jīng)元細(xì)胞死亡、軸突損傷和短期行為缺陷［43］。與控制性腦皮質(zhì)撞擊小鼠相比，合并遲發(fā)性低氧血癥的小鼠損傷后6 個月的神經(jīng)病理學(xué)評估顯示，合并癥小鼠顱內(nèi)白質(zhì)星形膠質(zhì)細(xì)胞增多，病變體積擴(kuò)大，空間學(xué)習(xí)、記憶和社交能力缺陷［43］。粒細(xì)胞巨噬細(xì)胞集落刺激因子（granulocyte-macrophage colony stimulating factor，GM-CSF）可調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞釋放細(xì)胞因子和其他炎癥調(diào)節(jié)因子，并刺激巨噬細(xì)胞吞噬作用。有研究證實缺氧腦創(chuàng)傷患者的GM-CSF的水平長期高于正常氧氣攝入腦損傷患者［44］。

4.2 低血壓 TBI常伴有由急性顱外傷或神經(jīng)源性導(dǎo)致的血流動力學(xué)改變。TBI 伴隨低血壓的患者病死率增加［45］。最新的重度TBI管理指南和腦創(chuàng)傷基金會的建議指出，對于50～69 歲的TBI 患者，將收縮壓維持在≥100 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa）；對于15～49 歲或＞70 歲的TBI 患者，收縮壓≥110 mmHg 可降低病死率［46］。入院前低血壓的鈍性腦創(chuàng)傷患者血漿中細(xì)胞因子（IL-1β、IL-6、GM-CSF、IL-7 和IL-17）和趨化因子（CCL1、CCL3和CXCL10）的水平高于正常血壓的鈍性腦創(chuàng)傷患者［47］。血清淀粉樣蛋白A1（serum amyloid A1，SAA1）有強(qiáng)促炎作用，參與了許多促炎性細(xì)胞因子如IL-1α、IL-1β、IL-8、IL-6 和腫瘤壞死因子-α 的產(chǎn)生。與大鼠TBI 模型相比，TBI合并失血性休克大鼠血清中SAA1水平更高，可進(jìn)一步增加細(xì)胞因子和趨化因子的表達(dá)，導(dǎo)致炎癥損害［48］。也有研究指出，在TBI 合并出血性休克豬模型中，促炎性細(xì)胞因子（如IL-6、IL-8和腫瘤壞死因子-α）水平急劇增加，激活天然抗凝途徑，引起內(nèi)皮細(xì)胞脫落［3］。

4.3 高溫 TBI后，顱內(nèi)炎癥、血栓性靜脈炎和下丘腦損傷會引起機(jī)體體溫升高，而患者體溫的增高程度與其在重癥監(jiān)護(hù)病房停留時間和病死率呈正相關(guān)［49］。在輕度TBI 大鼠模型中，體溫增高可明顯增加原發(fā)性腦損傷的炎癥反應(yīng)，呈現(xiàn)以M1型為主的小膠質(zhì)細(xì)胞/巨噬細(xì)胞表型，同時小膠質(zhì)細(xì)胞和巨噬細(xì)胞活化模式發(fā)生了改變［50］。有臨床試驗證實，顱腦損傷合并發(fā)熱患者的IL-6 水平在24 h 內(nèi)持續(xù)顯著增高，而IL-10 的水平則是在傷后24 h 才發(fā)生明顯上升［51］。與此同時，TBI 后中度低溫治療可啟動自噬和細(xì)胞凋亡的負(fù)調(diào)控，發(fā)揮抗炎和神經(jīng)保護(hù)作用［52］，并促進(jìn)新生神經(jīng)元細(xì)胞的長期存活及成熟［53］。

本文概述了TBI后急性和慢性階段發(fā)生的復(fù)雜炎癥反應(yīng)以及SBI 的相關(guān)病理生理過程，總結(jié)了近幾年TBI研究中有關(guān)神經(jīng)炎癥反應(yīng)的分子調(diào)節(jié)機(jī)制以及細(xì)胞調(diào)節(jié)機(jī)制，進(jìn)一步了解此過程將有助于設(shè)計合適的療法，以減少神經(jīng)損傷，并同時利用促進(jìn)神經(jīng)修復(fù)和再生的特性，以達(dá)到改善TBI 患者預(yù)后的最終目標(biāo)。