外周免疫系統(tǒng)與中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病交互影響的機(jī)制研究①

李 葛 韓根成

（軍事醫(yī)學(xué)研究院，北京100850）

近年來，神經(jīng)系統(tǒng)疾病已成為全球致死的主要原因，而由于社會(huì)環(huán)境和工作壓力等因素的影響，中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)病率持續(xù)升高，且其還受遺傳、感染及機(jī)體免疫失衡等復(fù)雜因素影響，目前對(duì)于中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷及治療仍然是被關(guān)注的焦點(diǎn)。早期研究認(rèn)為大腦是免疫豁免器官，而近年研究表明中樞神經(jīng)系統(tǒng)（central nervous system，CNS）中也存在多種天然免疫細(xì)胞，如星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞等，其中小膠質(zhì)細(xì)胞被認(rèn)為是腦內(nèi)的巨噬細(xì)胞，是大腦的第一道防線［1］。作為CNS 的免疫細(xì)胞，小膠質(zhì)細(xì)胞在正常生理情況下處于靜息狀態(tài)，并為神經(jīng)元提供營養(yǎng)支持；當(dāng)病原體入侵或組織損傷時(shí)，能夠被激活，增加趨化因子和細(xì)胞因子受體的表達(dá)，并且持續(xù)分泌炎癥因子［2］。研究表明趨化因子及分泌的細(xì)胞因子等可充當(dāng)外周粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和其他免疫細(xì)胞的化學(xué)吸引劑和激活劑，使外周免疫細(xì)胞浸潤至腦實(shí)質(zhì)發(fā)揮相應(yīng)免疫反應(yīng)［3］。

血腦屏障（blood brain barrier，BBB）、血-腦脊液屏障和腦膜屏障（blood leptomeningeal barrier，BLB）作為人體內(nèi)天然的自我保護(hù)屏障，對(duì)維持大腦內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定，維持CNS 正常生理狀態(tài)具有重要意義，同時(shí)由于其通透性較弱，可在一定程度上控制血液循環(huán)內(nèi)代謝廢物和神經(jīng)毒性物質(zhì)進(jìn)入大腦，但在CNS疾病治療過程中，BBB 會(huì)降低藥物的吸收，成為治療的障礙。研究表明，在感染，腫瘤及神經(jīng)退行性疾病等CNS 疾病情況下，BBB 被破壞，外周免疫細(xì)胞可進(jìn)入腦內(nèi)，發(fā)揮相應(yīng)的免疫應(yīng)答反應(yīng)，與此同時(shí)，治療性的藥物也能進(jìn)入腦內(nèi)發(fā)揮直接作用，提高藥物治療的效果［4-5］。傳統(tǒng)認(rèn)為大腦代謝極其活躍，而有毒蛋白質(zhì)的積聚會(huì)對(duì)神經(jīng)造成巨大損傷，導(dǎo)致認(rèn)知功能障礙，早期認(rèn)為腦內(nèi)代謝產(chǎn)物依賴于腦脊液的流動(dòng)，但隨著腦內(nèi)淋巴系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)，部分代謝產(chǎn)物通過腦膠質(zhì)-淋巴途徑后，可直接通過腦膜淋巴管進(jìn)入外周淋巴系統(tǒng)，從而進(jìn)行清除［6-7］。隨著研究的深入，研究者發(fā)現(xiàn)腦膜淋巴管能促進(jìn)T 細(xì)胞從腦脊液向頸部淋巴結(jié)遷移，提示腦膜淋巴管與中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥及神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)；同時(shí)外周的免疫細(xì)胞如B 細(xì)胞和T 細(xì)胞等也均能進(jìn)出該系統(tǒng)，提示腦膜淋巴管在腦和外周交互作用中也發(fā)揮關(guān)鍵作用［8］。

研究表明外周免疫系統(tǒng)的激活或平息均密切影響腦內(nèi)的炎癥行為，QIN 等［9］研究發(fā)現(xiàn)，一次性將大劑量脂多糖（LPS）注射小鼠腹腔后，可引起腦內(nèi)持續(xù)的炎癥激活；而當(dāng)外周免疫處于抑制時(shí)，腦內(nèi)炎癥因子的分泌也減少或平息，表明外周炎癥信號(hào)可通過自主神經(jīng)系統(tǒng)，經(jīng)迷走神經(jīng)刺激中樞神經(jīng)通路，從而增加腦內(nèi)細(xì)胞因子水平。而另一方面大腦也可通過迷走神經(jīng)傳入神經(jīng)纖維感知周圍炎癥，并能通過迷走神經(jīng)傳出神經(jīng)進(jìn)行免疫響應(yīng)。CNS在維持腦內(nèi)炎癥反應(yīng)過程中發(fā)揮重要作用，神經(jīng)-內(nèi)分泌-免疫中膽堿能通過迷走神經(jīng)傳出神經(jīng)釋放乙酰膽堿與巨噬細(xì)胞表面受體相關(guān)作用發(fā)揮抗炎作用來調(diào)控全身炎癥反應(yīng)。在腦內(nèi)發(fā)生炎癥反應(yīng)時(shí)，腦內(nèi)促炎細(xì)胞因子TNF-α等的表達(dá)，能夠刺激下丘腦-垂體-腎上腺（hypothalamic-pituitary-adrenal，HPA）軸，導(dǎo)致促腎上腺皮質(zhì)激素和皮質(zhì)醇水平升高，進(jìn)而抑制外周組織促炎細(xì)胞因子的釋放［10-11］。HPA 軸作為腦內(nèi)和外周免疫系統(tǒng)的橋梁，不僅可以通過分泌神經(jīng)遞質(zhì)和激素等調(diào)節(jié)外周免疫系統(tǒng)功能，還可通過外周免疫系統(tǒng)分泌多種細(xì)胞因子反饋?zhàn)饔糜贖PA軸，從而共同維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定。

由于CNS 疾病的病因較為復(fù)雜，對(duì)其診斷及治療仍然是研究的重點(diǎn)，目前對(duì)CNS 疾病的研究集中在對(duì)CNS 的免疫反應(yīng)研究，而越來越多的研究表明外周的炎癥反應(yīng)影響腦內(nèi)炎癥，而腦內(nèi)炎癥發(fā)生的同時(shí)又能募集外周的免疫細(xì)胞，因此，探究外周與腦內(nèi)免疫相互作用機(jī)制為CNS 疾病的診斷及治療都提供了新的思路。

1 神經(jīng)退行性疾病

目前神經(jīng)退行性疾病被認(rèn)為是一種免疫疾病，膠質(zhì)細(xì)胞的增殖和活化被認(rèn)為是這些疾病的共有標(biāo)志［12］。目前研究較多的神經(jīng)退行性疾病包括帕金森綜合征（Parkinson's disease，PD）和阿爾茲海默?。ˋlzheimer's disease，AD）等。MCGEER 等［13］首次證實(shí)PD 患者死后大腦中存在大量小膠質(zhì)細(xì)胞的激活，活化的小膠質(zhì)細(xì)胞分泌趨化因子至損傷部位，通過吞噬受損的細(xì)胞碎片去除抗原，但同時(shí)活化的小膠質(zhì)細(xì)胞釋放的細(xì)胞毒性因子會(huì)加劇神經(jīng)元的損傷。而研究表明AD 患者損傷腦組織中也發(fā)現(xiàn)大量活化的小膠質(zhì)細(xì)胞，同時(shí)檢測出免疫細(xì)胞因子TNF-α、IL-6 和IL-10 等的表達(dá)。Aβ 蛋白的積聚是AD 發(fā)病的主要原因，研究表明，在AD 早期，小膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)神經(jīng)元具有保護(hù)作用，并且能清除Aβ 蛋白，但隨著AD 疾病進(jìn)程的發(fā)展，小膠質(zhì)細(xì)胞被激活，但Aβ蛋白的沉積沒有顯著減少，同時(shí)炎癥細(xì)胞因子分泌增多，提示小膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)Aβ 蛋白清除能力的降低可能是由于炎癥細(xì)胞因子促進(jìn)了Aβ 蛋白的積聚［14-15］。GAO 等［16］提出了激活的小膠質(zhì)細(xì)胞和受損神經(jīng)元間的惡性循環(huán)是慢性神經(jīng)炎癥和進(jìn)行性神經(jīng)病變的關(guān)鍵。

Aβ 蛋白可通過BBB 轉(zhuǎn)移出腦，但BBB 上同時(shí)存在Aβ 蛋白轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出的載體，通過調(diào)節(jié)BBB 上載體的數(shù)量和功能，從而減少Aβ 蛋白的數(shù)量，能夠?yàn)锳D 治療提供新的思路，而BBB 完整性的改變被認(rèn)為是神經(jīng)退行性疾病最相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)因素，外周炎癥本身可能導(dǎo)致BBB 改變，從而促進(jìn)或維持神經(jīng)變性，全身產(chǎn)生的炎癥介質(zhì)可通過內(nèi)皮細(xì)胞發(fā)出信號(hào)，導(dǎo)致BBB 緊密連接結(jié)構(gòu)的改變，從而破壞BBB的完整性［17-18］。包括細(xì)胞因子和趨化因子在內(nèi)的外周炎癥標(biāo)志物是免疫系統(tǒng)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵信號(hào)分子，可影響外周和CNS 免疫穩(wěn)態(tài)，而細(xì)胞因子和趨化因子在疾病情況下可穿過被破壞的BBB，血液中表達(dá)水平的任何變化都可能直接或間接影響CNS 功能。研究表明在PD 患者的血清和腦脊液中能夠觀察到IL-6、TNF-α 和IL-1β 表達(dá)的升高，與此同時(shí)在PD 患者腦中也能檢測到同樣的細(xì)胞因子表達(dá)上調(diào)，提示外周和腦內(nèi)免疫變化是相關(guān)的［19］。

研究表明PD 患者腦組織尸檢中發(fā)現(xiàn)存活神經(jīng)元中NLRP3 蛋白的高表達(dá)，而最近的研究發(fā)現(xiàn)NLRP3 與炎癥性腸病（inflammatory bowel disease，IBD）有關(guān)，而IBD 被研究表明是PD 發(fā)展的危險(xiǎn)因素［20-22］。Braak 理論表明，PD 病理變化可能最初在胃腸道中觸發(fā)，然后通過迷走神經(jīng)擴(kuò)散到大腦［23-24］。目前的研究表明腸道中的微生物群可通過調(diào)節(jié)外周免疫細(xì)胞的活化，影響腦內(nèi)免疫細(xì)胞的成熟和功能，進(jìn)而對(duì)大腦炎癥、損傷和行為產(chǎn)生影響；與此同時(shí)，腦內(nèi)免疫細(xì)胞活化后可通過影響HPA 軸釋放多種激素影響外周免疫應(yīng)答［25-26］。

2 自身免疫性神經(jīng)系統(tǒng)疾病

自身免疫性CNS 疾病是一組靶向CNS 組織的自身免疫病，多發(fā)性硬化（multiple sclerosis，MS）是最典型的自身免疫性CNS 疾病，實(shí)驗(yàn)性自身反應(yīng)性腦脊髓炎（experimental autoimmune encephalomyelitis，EAE）是MS 的動(dòng)物模型。有研究表明，MS 早期病變階段伴隨少突膠質(zhì)細(xì)胞減少和小膠質(zhì)細(xì)胞的活化，而小膠質(zhì)細(xì)胞直接參與并促進(jìn)了MS 的發(fā)展。研究表明，活化的小膠質(zhì)細(xì)胞可產(chǎn)生TNF-α、IFN-γ和NO 等，導(dǎo)致髓磷脂的破壞。而小膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá)的腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（BDNF）具有預(yù)防各種病理損傷后的軸突和神經(jīng)元損傷，BDNF 數(shù)量與病灶脫髓鞘有關(guān)，提示小膠質(zhì)細(xì)胞在MS 中同時(shí)產(chǎn)生破壞性因子和保護(hù)性因子［27］。

MS 長期以來也被認(rèn)為是T 細(xì)胞介導(dǎo)的疾病，在MS 疾病進(jìn)展過程中，血腦屏障被破壞，外周免疫細(xì)胞進(jìn)入腦內(nèi)發(fā)揮相應(yīng)免疫反應(yīng)，研究證實(shí)在MS 活檢和尸檢標(biāo)本中均在活動(dòng)的脫髓鞘斑塊中檢測到活化的T 細(xì)胞，主要為CD4+T 細(xì)胞。CXCL12 屬于CXC趨化因子家族，與其特異性受體CXCR4相互作用，參與多種生理和病理過程，研究表明在健康的腦組織和非損傷的組織切片中，CXCL12 在BBB 的基底外側(cè)表達(dá)，而CXCR4+細(xì)胞被隔離在CNS 的血管周圍，在MS 病變中，CXCL12 分布于內(nèi)皮的腔側(cè)，并募集外周單核細(xì)胞到CNS 中［28］。且CXCL12 還可將輔助性T 細(xì)胞吸引至發(fā)炎的CNS 并刺激其表達(dá)IL-10，從而產(chǎn)生調(diào)節(jié)性T細(xì)胞。

研究表明MS 早期沒有大量淋巴細(xì)胞浸潤，抗原從腦內(nèi)通過頸淋巴結(jié)誘導(dǎo)外周發(fā)生適應(yīng)性免疫應(yīng)答。因此靶向CNS 的外周免疫應(yīng)答在MS 疾病早期能促進(jìn)疾病進(jìn)程，而CNS 內(nèi)的免疫反應(yīng)則主導(dǎo)了疾病后期的進(jìn)展［29］。也有研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù)MS 患者的CSF 中均可檢測到特異性的MOG 抗體，提示B 細(xì)胞介導(dǎo)了MS 的發(fā)病機(jī)制，且在MS 患者疾病發(fā)展過程中，B 細(xì)胞功能逐漸由外周轉(zhuǎn)移至炎癥性的CNS，而目前的臨床研究表明能抑制B 細(xì)胞功能的抗CD20抗體在MS治療中具有很好的治療效果［30］。

3 膠質(zhì)母細(xì)胞瘤

膠質(zhì)母細(xì)胞瘤（glioblastoma，GBM）是常見的原發(fā)性CNS 惡性腫瘤，研究表明，在腦腫瘤組織附近或內(nèi)部觀察到活化的小膠質(zhì)細(xì)胞，活化的小膠質(zhì)細(xì)胞參與腫瘤血管的生成、轉(zhuǎn)移等過程。大多數(shù)體內(nèi)和體外研究表明，小膠質(zhì)細(xì)胞的活化程度與腦腫瘤發(fā)展呈正相關(guān)，活化的小膠質(zhì)細(xì)胞可分為促炎的M1型和抑炎的M2 型，M1 型和M2 型小膠質(zhì)細(xì)胞在腦腫瘤中均能被檢測到。現(xiàn)有研究表明M1 型小膠質(zhì)細(xì)胞表現(xiàn)為抑制腫瘤生長，而M2 型小膠質(zhì)細(xì)胞表現(xiàn)為促進(jìn)腫瘤生長和轉(zhuǎn)移，因此，下調(diào)M2 促腫瘤反應(yīng)和上調(diào)M1 抗腫瘤免疫反應(yīng)的平衡決定了治療腦腫瘤的方向［31］。

目前針對(duì)膠質(zhì)瘤大多采用免疫治療，主要是通過提高免疫細(xì)胞數(shù)量對(duì)腫瘤細(xì)胞表面抗原的特異性識(shí)別以殺傷腫瘤細(xì)胞來治療，但由于血腦屏障對(duì)藥物的阻擋，使藥物在腫瘤早期時(shí)不能進(jìn)入顱內(nèi)發(fā)揮作用，隨著腫瘤進(jìn)展，血腦屏障會(huì)被破壞，藥物可進(jìn)入顱內(nèi)，但此時(shí)腫瘤發(fā)展至中晚期，治療效果欠佳［32］。因此，提高血腦屏障的通透性能夠提高腫瘤的免疫治療效果。目前研究表明在腫瘤生長過程中，新生血管往往缺乏完整的血腦屏障，導(dǎo)致與外周免疫細(xì)胞的交流增加，對(duì)于腫瘤的治療也提供了新的方向。

腦膜淋巴管的發(fā)現(xiàn)對(duì)維持CNS 內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)具有重要意義，且腦膜淋巴管作為腦內(nèi)和外周免疫細(xì)胞的進(jìn)出的途徑，其對(duì)CNS 疾病病因及防治的研究發(fā)揮重要作用。最近的研究表明，腦瘤可誘導(dǎo)明顯的腦膜淋巴管重構(gòu)和新生，并通過過表達(dá)血管內(nèi)皮生長因子C（VEGF-C）顯著增強(qiáng)PD-1 和CTLA-4 抗體的抗腫瘤效果，提示腦膜淋巴管在腦腫瘤免疫反應(yīng)中起重要作用［33］。

4 其他疾病

炎癥反應(yīng)作為先天免疫反應(yīng)的一部分，可自然地通過全身血液循環(huán)進(jìn)入CNS。當(dāng)機(jī)體受到細(xì)菌和病毒感染時(shí)，可通過血液侵襲至大腦，造成嚴(yán)重的CNS感染，近年來研究表明，大腦不僅可以通過迷走神經(jīng)傳入神經(jīng)纖維感知周圍炎癥，也可通過迷走神經(jīng)的傳出神經(jīng)進(jìn)行響應(yīng)，成為一個(gè)自體運(yùn)作的免疫抑制響應(yīng)系統(tǒng)［34］。在腦內(nèi)病原體感染的早期階段，小膠質(zhì)細(xì)胞可以快速活化，同時(shí)通過抗原呈遞激活T 細(xì)胞介導(dǎo)免疫反應(yīng)，而在感染后期，小膠質(zhì)細(xì)胞過度活化和大量毒性因子的釋放可能導(dǎo)致正常神經(jīng)元細(xì)胞受損，與此同時(shí)，BBB 完整性被破壞，中性粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和NK 細(xì)胞等進(jìn)入CNS，通過吞噬病原及分泌細(xì)胞因子等發(fā)揮免疫應(yīng)答反應(yīng)清除感染［15］。

研究表明，急性缺血性腦卒中發(fā)生后，CNS穩(wěn)態(tài)發(fā)生變化，小膠質(zhì)細(xì)胞首先被激活，并遷移至病灶部位，位于血管周圍的小膠質(zhì)細(xì)胞能夠吞噬血管內(nèi)皮，從而導(dǎo)致血腦屏障遭到破壞，CNS啟動(dòng)多種損傷分子模式，誘導(dǎo)大量外周免疫細(xì)胞涌入腦內(nèi)并與腦內(nèi)的免疫細(xì)胞相互作用，激活機(jī)體的固有免疫系統(tǒng)和適應(yīng)性免疫系統(tǒng)，且炎癥反應(yīng)貫穿了缺血性腦卒中的整個(gè)病理生理過程［35］。

5 展望

總體而言，在CNS 疾病中，腦內(nèi)免疫系統(tǒng)與外周免疫系統(tǒng)密切相關(guān)，其中細(xì)胞因子在外周免疫系統(tǒng)和大腦間的雙向信號(hào)傳導(dǎo)中發(fā)揮至關(guān)重要的中介作用。目前的臨床試驗(yàn)中使用抗TNF-α 抗體和抗IL-6 抗體，用于緩解神經(jīng)炎癥，提高認(rèn)知功能［36-38］。這為神經(jīng)系統(tǒng)疾病的干預(yù)提供了新途徑。另一方面，腦內(nèi)的干預(yù)也可通過減輕外周的炎癥反應(yīng)而抑制外周對(duì)腦內(nèi)炎癥的不良影響，探討腦內(nèi)免疫反應(yīng)與外周免疫系統(tǒng)的相互影響機(jī)制對(duì)于CNS相關(guān)疾病的診斷和治療都提供了新的思路和方向。