布魯氏菌在中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)致病機(jī)制的研究進(jìn)展*

趙云慧 趙世剛,2 馬曉瑋 趙若楠 王 媛

1 內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué),內(nèi)蒙古呼和浩特市 010000; 2 內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院

布氏桿菌病是一種常見的人畜共患病,尤其是在發(fā)展中國家,最常見的感染方式為攝入被污染的食物或乳制品[1]。人布氏桿菌病可以影響多個(gè)系統(tǒng),產(chǎn)生廣泛的臨床癥狀和體征[2]。神經(jīng)型布氏桿菌病是其較為嚴(yán)重的并發(fā)癥,是由布魯氏菌屬侵入中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)引起的神經(jīng)退行性炎癥性疾病。研究指出,位于血液微循環(huán)和腦實(shí)質(zhì)之間的血腦屏障(BBB)對(duì)于保護(hù)CNS免受細(xì)菌病毒入侵至關(guān)重要[3-4]。構(gòu)成BBB的腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞是循環(huán)血液與CNS之間的動(dòng)態(tài)接口,相鄰內(nèi)皮細(xì)胞之間通過緊密連接相連,嚴(yán)重限制了細(xì)胞旁通透性[5],對(duì)大多數(shù)細(xì)菌病毒病原體有良好的防御作用。以下將介紹布魯氏菌穿過BBB在CNS內(nèi)的致病機(jī)制。

1 布魯氏菌進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)——特洛伊木馬機(jī)制

BBB位于循環(huán)血液和CNS之間,由血管內(nèi)皮細(xì)胞、周細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)共同構(gòu)成[4]。BBB是一種堅(jiān)固且具有高度調(diào)節(jié)能力的物理屏障,對(duì)外源性神經(jīng)毒性成分起到良好的阻擋作用。由于BBB的低滲透性,只有小的親脂分子和氣態(tài)分子能夠進(jìn)入腦實(shí)質(zhì),嚴(yán)格限制血液中其他分子和離子的通過[4]。BBB 對(duì)維持CNS穩(wěn)態(tài)以及神經(jīng)元功能正常提供了良好的保障。

布魯氏菌是革蘭氏陰性球桿菌,大小為 0.6～1.5μm。受BBB的限制,布魯氏菌并不能直接進(jìn)入CNS,通常認(rèn)為布魯氏菌參與CNS感染是通過血源性傳播發(fā)生的,然而對(duì)于布魯氏菌離開血液進(jìn)入CNS的確切機(jī)制仍不明確。因?yàn)椴剪斒暇梢栽诩?xì)胞內(nèi)存活,特別是在巨噬細(xì)胞內(nèi),早在2004年Drevets DA 等人提出了受感染的巨噬細(xì)胞BBB易位可能是布魯氏菌侵入CNS的機(jī)制,但未得到證實(shí)。近來,通過體外建模逐漸證實(shí)上述觀點(diǎn),布魯氏菌在BMEC中黏附、侵襲和復(fù)制,但細(xì)菌本身并不能穿過BMEC單層,而是在受感染單核細(xì)胞內(nèi)穿過BMEC單層,這就是所謂的特洛伊木馬機(jī)制,就像木馬攜帶隱藏的敵人進(jìn)入特洛伊城一樣,巨噬細(xì)胞攜帶布魯氏菌通過BBB侵入CNS。

1.1 中性粒細(xì)胞在布魯氏菌穿過血腦屏障中的作用 近來研究指出,被布魯氏菌感染的中性粒細(xì)胞可能作為特洛伊木馬機(jī)制的載體,對(duì)于細(xì)菌在宿主內(nèi)的分散、復(fù)制和建立慢性感染至關(guān)重要[6]。大多數(shù)細(xì)菌感染會(huì)誘導(dǎo)中性粒細(xì)胞的活化,增強(qiáng)其殺菌功能,并促進(jìn)這些白細(xì)胞長時(shí)間存活。與這些細(xì)菌不同的是,布魯氏菌作為一種隱形病原體,它逃避先天免疫,幾乎不激活中性粒細(xì)胞,并抵抗這些吞噬細(xì)胞的殺傷作用[7]。這與在布魯氏菌感染期間靶器官內(nèi)布魯氏菌感染的中性粒細(xì)胞數(shù)量較少,以及部分患者出現(xiàn)外周血中性粒細(xì)胞減少相一致[8]。細(xì)菌侵入宿主后,中性粒細(xì)胞是第一個(gè)遇到并吞噬布魯氏菌的免疫細(xì)胞,被吞噬的布魯氏菌可以在中性粒細(xì)胞中存活很長一段時(shí)間并誘導(dǎo)中性粒細(xì)胞過早死亡[8-9]。一旦布魯氏菌進(jìn)入中性粒細(xì)胞,布魯氏菌的脂多糖就會(huì)移動(dòng)到質(zhì)膜或細(xì)胞內(nèi)囊泡中的細(xì)胞表面分化抗原14(CD14)脂蛋白結(jié)構(gòu)域,然后,布魯氏菌脂多糖的非內(nèi)毒素脂質(zhì)A會(huì)部分募集還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶(NADPH),促進(jìn)活性氧的受控生成,觸發(fā)中性粒細(xì)胞的死亡機(jī)制。這些垂死的中性粒細(xì)胞仍在進(jìn)行氧化代謝,釋放趨化因子配體8(CXCL8),并將磷脂酰絲氨酸(PS)轉(zhuǎn)運(yùn)到膜外表面,并以時(shí)間依賴方式在膜外表面表達(dá)PS信號(hào)[6,10],之后,巨噬細(xì)胞發(fā)現(xiàn)受感染的中性粒細(xì)胞并特異性檢測這些細(xì)胞上的PS信號(hào),并且將這些受布魯氏菌感染的中性粒細(xì)胞以選擇性非炎性方式去除[9]。 這時(shí),受感染的中性粒細(xì)胞則作為特洛伊木馬機(jī)制的載體,將布魯氏菌運(yùn)輸至巨噬細(xì)胞中,為布魯氏菌在細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸并在吞噬細(xì)胞中復(fù)制打開了一個(gè)新的窗口,這也將延遲適應(yīng)性免疫系統(tǒng)的激活,使病原菌建立長期感染[11]。該觀點(diǎn)也在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中得以證實(shí)[7]。Mora-Cartín R等人的研究指出,無論是否產(chǎn)生適應(yīng)性免疫,中性粒細(xì)胞的缺失都有利于布魯氏菌在小鼠中的有效清除[11]。證實(shí)了中性粒細(xì)胞在造成布魯氏菌慢性感染中的作用。

1.2 血小板在布魯氏菌穿過血腦屏障中的作用 血小板廣泛被熟知的作用為止血介質(zhì)并負(fù)責(zé)維持血管完整性。然而最近的研究表明,血小板在調(diào)節(jié)先天性和適應(yīng)性免疫反應(yīng)中也具有重要作用。Aldana Trotta等人的研究指出布魯氏菌能夠直接與血小板相互作用,這種相互作用觸發(fā)了血小板活化[12],活化血小板與未活化的血小板相比,單核細(xì)胞趨化蛋白-1(MCP-1)分泌和細(xì)胞間黏附分子-1(ICAM-1)表面表達(dá)均顯著增加,結(jié)果表明,活化的血小板能夠改變內(nèi)皮細(xì)胞的趨化(MCP-1)和黏附(ICAM-1)特性,從而增加吸引單核細(xì)胞和中性粒細(xì)胞的能力。布魯氏菌刺激血小板分泌因子誘導(dǎo)BMEC活化,導(dǎo)致ICAM-1和細(xì)胞表面分化抗原40(CD40)上調(diào),增加白介素-6(IL-6)、白介素-8(IL-8)和趨化因子配體-2(CCL-2)的分泌,并促進(jìn)中性粒細(xì)胞和單核細(xì)胞穿過活化的BMEC單層,從而導(dǎo)致感染細(xì)胞從外周循環(huán)通過BBB進(jìn)入CNS引起神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞感染[13]。總而言之,受布魯氏菌刺激的血小板會(huì)誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞活化,促進(jìn)中性粒細(xì)胞和單核細(xì)胞穿過BBB,這也可能導(dǎo)致神經(jīng)布魯氏菌病的炎癥病理學(xué)。

2 布魯氏菌誘導(dǎo)的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞增生和小膠質(zhì)細(xì)胞活化在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的致病機(jī)制

在特洛伊木馬機(jī)制中發(fā)揮重要作用的單核細(xì)胞不僅是布魯氏菌穿過BBB的橋梁還是神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞感染的來源[14]。星形膠質(zhì)細(xì)胞增生和小膠質(zhì)細(xì)胞活化是神經(jīng)性布氏桿菌病標(biāo)志性特征,在國內(nèi)很少對(duì)神經(jīng)型布氏桿菌病患者進(jìn)行大腦活檢,報(bào)告病例也屈指可數(shù),Seidel G等人報(bào)告1例神經(jīng)型布氏桿菌病的腦活檢結(jié)果,表明小膠質(zhì)細(xì)胞活化在這種罕見疾病中發(fā)揮免疫致病作用,Sohn AH報(bào)告的兩例腦活檢患者均表現(xiàn)出星形膠質(zhì)細(xì)胞增生。Guzmán-Verri C等人在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中也得到了相同的結(jié)論。那么在明確布魯氏菌導(dǎo)致星形膠質(zhì)細(xì)胞增生和小膠質(zhì)細(xì)胞活化后,它們?cè)谥袠猩窠?jīng)系統(tǒng)如何致病,以下將分別闡述。

2.1 布魯氏菌誘導(dǎo)的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞增生對(duì)神經(jīng)血管單元的影響 神經(jīng)血管單元(NVU)早在21世紀(jì)初就被確立,強(qiáng)調(diào)血管細(xì)胞、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞、神經(jīng)元之間的相互作用。腦疾病以神經(jīng)為中心的觀點(diǎn)已經(jīng)逐漸過時(shí),廣泛被接受的是維持大腦正常功能不僅取決于神經(jīng)元,還取決于NVU中神經(jīng)元、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞、血管細(xì)胞以及腦血管系統(tǒng)內(nèi)的基底層基質(zhì)之間的相互作用[15]。其中,神經(jīng)元、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞三者相互作用,維持NVU表型永久化。作為NVU重要組成部分的星形膠質(zhì)細(xì)胞,已經(jīng)被證實(shí),可以與腦內(nèi)皮細(xì)胞相互作用調(diào)節(jié)血腦屏障的功能,研究表明星形膠質(zhì)細(xì)胞通過激活內(nèi)皮基質(zhì)金屬蛋白酶9促進(jìn)β-淀粉樣蛋白誘導(dǎo)的血腦屏障損傷[16]。同樣,星形膠質(zhì)細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞的存在對(duì)神經(jīng)元的生長和成熟起到一定支持作用[17]。其次,神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞與血管細(xì)胞的結(jié)合可減少內(nèi)皮細(xì)胞的凋亡穩(wěn)定了微脈管系統(tǒng),從長遠(yuǎn)來看會(huì)誘導(dǎo)BBB特征,從而保留了其表型[18]。布魯氏菌導(dǎo)致的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞增生和小膠質(zhì)細(xì)胞增生打破了神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、神經(jīng)元三者的平衡,使其相互作用受到影響,最終會(huì)導(dǎo)致NVU破壞。

2.2 布魯氏菌激活的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)血腦屏障的影響 腦脊液中白細(xì)胞增多是神經(jīng)性布氏桿菌病的特征之一。曹敬榮等通過對(duì)12例神經(jīng)型布氏桿菌病患者進(jìn)行腦脊液檢測,發(fā)現(xiàn)12例患者腦脊液中白細(xì)胞數(shù)均不同程度升高[19]。細(xì)胞增多表明BBB的完整性在神經(jīng)布魯氏菌病中發(fā)生了改變,與布魯氏菌引起的其他 CNS 生理學(xué)改變一樣,BBB完整性的改變是由星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的。

研究表明,Toll樣受體(TLR)通過不同的先天免疫細(xì)胞識(shí)別布魯氏菌[20-23]。同樣,布魯氏菌DNA觸發(fā)的信號(hào)通路還涉及黑色素瘤缺乏因子2(AIM2)和干擾素基因刺激因子(STING)[24]。含吡啶環(huán)的蛋白質(zhì)3(NLRP3)通過檢測布魯氏菌誘導(dǎo)的線粒體活性氧而被激活[25]。布魯氏菌在TLR2、NLRP3和AIM2被神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞識(shí)別。布魯氏菌激活的星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞會(huì)誘導(dǎo)炎性細(xì)胞因子白介素-1β(IL-1β)、IL-6、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、趨化因子CCL2和趨化因子配體1(CXCL1)的分泌。這些促炎因子介導(dǎo)會(huì)破壞BBB的完整性,并從外周血液中吸引免疫細(xì)胞。更為重要的是IL-1β在CNS內(nèi)的作用:調(diào)節(jié)BBB通透性、激活常駐神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞和白細(xì)胞募集等。在布魯氏菌感染CNS的情況下,布魯氏菌感染的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞分泌的IL-1β能夠激活BMEC。BMEC的激活導(dǎo)致IL-6、IL-8和CCL2的分泌,以及ICAM1表達(dá)的上調(diào),從而增強(qiáng)中性粒細(xì)胞和單核細(xì)胞穿過BMEC單層的能力。

神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞分泌IL-1β和內(nèi)皮細(xì)胞激活需要半胱天冬酶1(CASP-1)和凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白(ASC),這表明炎癥小體也參與了IL-1β的產(chǎn)生和隨后布魯氏菌對(duì)BBB的激活[26]。炎癥小體是CNS中先天免疫系統(tǒng)的關(guān)鍵信號(hào)分子。在體外研究中發(fā)現(xiàn),布魯氏菌感染的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)BMEC的激活與內(nèi)皮細(xì)胞促進(jìn)中性粒細(xì)胞和單核細(xì)胞遷移的能力增加相關(guān)。這種現(xiàn)象依賴于受感染的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞在AIM2和NLRP3炎癥小體激活后分泌的IL-1β[26]。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中,缺乏AIM2或NLRP3的小鼠,布魯氏菌在小鼠大腦中誘導(dǎo)的血管周圍中性粒細(xì)胞浸潤減少,表明炎癥因子將決定吞噬細(xì)胞向腦實(shí)質(zhì)的遷移。在布魯氏菌感染期間,布魯氏菌與神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞相互作用引發(fā)的炎癥反應(yīng)會(huì)激活BMEC從而增加免疫細(xì)胞從外周滲入。這也可以解釋在神經(jīng)型布魯氏菌病患者腦脊液中觀察到的白細(xì)胞增多的現(xiàn)象。

2.3 布魯氏菌激活的小膠質(zhì)細(xì)胞誘導(dǎo)的神經(jīng)元損傷 盡管布魯氏菌病臨床表現(xiàn)千變?nèi)f化,但炎癥是其標(biāo)志性特征,神經(jīng)性布魯氏菌病可在疾病的任何階段發(fā)展,并有廣泛多樣的表現(xiàn),包括腦炎、腦膜腦炎、脊髓炎、外周和顱神經(jīng)病變等。不可逆的CNS損傷導(dǎo)致上述嚴(yán)重后果,而這種CNS損傷可能歸結(jié)于神經(jīng)元丟失。那么,在布魯氏菌感染CNS期間,哪些細(xì)胞會(huì)損傷神經(jīng)元,如何損傷,以下將簡要闡述。

被稱為“中樞神經(jīng)系統(tǒng)守護(hù)者”的小膠質(zhì)細(xì)胞是大腦的常駐巨噬細(xì)胞,是腦內(nèi)一種特有的免疫細(xì)胞,在對(duì)抗感染和維持組織穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮重要作用[27]。但其對(duì)于神經(jīng)元損傷方面亦有不可忽視的影響。在更多的生理?xiàng)l件下,小膠質(zhì)細(xì)胞可以通過釋放擴(kuò)散因子誘導(dǎo)發(fā)育中的神經(jīng)元凋亡[28],小膠質(zhì)細(xì)胞也可能通過釋放神經(jīng)生長因子[29]或TNF-α等殺傷劑在神經(jīng)元死亡中發(fā)揮作用[30]。當(dāng)然,活化小膠質(zhì)細(xì)胞還可以分泌多種具有神經(jīng)保護(hù)作用的介質(zhì),然而這種介質(zhì)大多數(shù)是促炎和有神經(jīng)毒性的。綜上所述,小膠質(zhì)細(xì)胞在布魯氏菌感染中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的作用更傾向于導(dǎo)致神經(jīng)元損傷和死亡。

研究表明布魯氏菌不能直接感染神經(jīng)元或者誘導(dǎo)其死亡,導(dǎo)致神經(jīng)元死亡的真正原因是被布魯氏菌激活的小膠質(zhì)細(xì)胞[21]。被激活的小膠質(zhì)細(xì)胞釋放炎癥介質(zhì)一氧化氮(NO),當(dāng)然這種炎癥介質(zhì)并不足以導(dǎo)致神經(jīng)元死亡,但是NO可以誘導(dǎo)神經(jīng)元暴露PS,在 PS 暴露后,PS 結(jié)合蛋白乳脂球表皮生長因子8及其小膠質(zhì)細(xì)胞受體(玻連蛋白受體)介導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)神經(jīng)元的吞噬作用。那么,這種吞噬作用是導(dǎo)致神經(jīng)元死亡的元兇還是發(fā)生在神經(jīng)元死亡之后?Rodríguez AM的研究證實(shí)阻斷神經(jīng)元的小膠質(zhì)細(xì)胞吞噬作用可防止神經(jīng)元丟失,而不會(huì)增加凋亡神經(jīng)元的數(shù)量,這表明吞噬作用是其死亡的原因,而不是其后果[21]。小膠質(zhì)細(xì)胞吞噬作用誘導(dǎo)的神經(jīng)元死亡在 TLR 被激活但促炎細(xì)胞因子水平相對(duì)較低的情況下占主導(dǎo)地位,導(dǎo)致吞噬作用的神經(jīng)元損傷不太嚴(yán)重,因?yàn)閾p傷足以暴露PS信號(hào)而不觸發(fā)細(xì)胞凋亡或壞死[31]。這也解釋了布魯氏菌引起的慢性感染,其炎癥反應(yīng)較輕的特點(diǎn)。感染組織中持續(xù)存在的活細(xì)菌引起組織損傷,并刺激機(jī)體長期處于低水平炎癥環(huán)境中。受感染的小膠質(zhì)細(xì)胞會(huì)導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)中神經(jīng)元緩慢丟失,導(dǎo)致神經(jīng)型布氏桿菌病中觀察到的神經(jīng)功能缺陷。

3 小結(jié)與展望

近年來,布氏桿菌病的基本特點(diǎn)逐漸被闡明,但對(duì)其嚴(yán)重并發(fā)癥--神經(jīng)型布氏桿菌病闡述相對(duì)較少,尤其是布魯氏菌在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的致病機(jī)制尚未在分子和細(xì)胞水平進(jìn)行研究。近來研究指出,布魯氏菌對(duì)先天免疫的直接激活是感染后損害神經(jīng)系統(tǒng)的病理反應(yīng)基礎(chǔ)。當(dāng)布魯氏菌侵入中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的單核細(xì)胞時(shí),受感染的星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生一個(gè)可以導(dǎo)致膠質(zhì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞、腦內(nèi)皮細(xì)胞激活和神經(jīng)元死亡的炎癥微環(huán)境,外周浸潤的免疫細(xì)胞會(huì)放大這種反應(yīng),形成一種惡性循環(huán),導(dǎo)致神經(jīng)型布氏桿菌病的不斷加重與遷延不愈。

神經(jīng)型布氏桿菌病的發(fā)病機(jī)制仍不完全清楚,對(duì)我們了解疾病過程造成一定困難。發(fā)病機(jī)制貫穿疾病的全過程,是制定正確的預(yù)防、控制和治療策略必不可少的理論基礎(chǔ)。本文旨在根據(jù)一些新近的研究進(jìn)展,對(duì)理解神經(jīng)型布氏桿菌病致病機(jī)制做一些有限的探索。研究神經(jīng)型布氏桿菌病的致病過程不僅需要關(guān)注布魯氏菌對(duì)神經(jīng)元以及神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的影響,還需要闡述感染過程中的布魯氏菌與血腦屏障的相互作用,這樣才有可能對(duì)其致病機(jī)制有一個(gè)全面、正確的了解,以期為提高神經(jīng)型布氏桿菌病的預(yù)防、控制、治療水平做必要的理論基礎(chǔ)方面探索。