炎症因子与缺血性卒中神经损伤研究进展

梁汝庆,丁新生

1.济宁医学院附属医院神经内科,山东济宁272029;2.南京医科大学第一附属医院神经内科,南京210029

炎症反应是缺血性脑损伤的重要病理生理机制之一,参与缺血性脑卒中的发生、发展,与严重和危及生命的并发症相关。研究表明,脑缺血再灌注后缺血脑组织内炎症因子表达显著增加[1]。炎症细胞因子不但具有神经损伤、神经毒性作用,还具有一定的神经保护作用;各种炎症细胞因子之间相互影响、相互作用,共同参与缺血性卒中的病理过程。

1 具有抗炎作用的细胞因子

1.1 转化生长因子-β(transforming grow th factor

β,TGF-β) TGF-β在正常脑神经细胞中表达很少,在遭受缺血、缺氧等刺激时,表达明显增加,是一类具有复杂功能的细胞因子,其作用涉及调节细胞生长、增殖、分化,参与炎症反应和组织修复。其可通过抑制缺血早期中枢神经系统的炎症反应,减轻脑水肿,减少梗死面积,促进微血管增生,对脑组织损伤后的修复发挥重要作用[2]。新近研究认为,TGF-β通过不同途径发挥不同的作用[3],在不同的脑缺血条件下,于缺血中及再灌注后均可观察到TGF-β的表达增加,向局灶性脑缺血的大鼠脑皮质内注射TGF-β拮抗剂,发现梗死体积显著扩大,在小鼠脑缺血缺氧损伤后,给予外源性TGF-β能有效减少梗死体积。因此,TGF-β在神经元表达增加可被认为是神经元存活的标志[4]。

1.2 白细胞介素-10(interleukin-10,IL-10) IL-10是一种炎性抑制因子,在体内具有多种生物学活性,如抑制辅助性 T细胞-1(T-helper-1,Th1)细胞功能,抑制单核/巨噬细胞抗原递呈功能与炎性介质的产生,抑制IL-1、IL-6和IL-2等的受体表达,调节细胞间黏附分子(intercellular adhesion molecule,ICAM)和纤维蛋白原的表达等,可减轻炎症反应,减轻组织损伤,减轻动脉平滑肌细胞增生。IL-10对脑缺血保护作用的可能机制是：IL-10可在转录水平抑制细胞因子和趋化因子的产生[5];IL-10可上调体内细胞因子拮抗剂如IL-1RA及可溶性的p55、p75 TNFR基因的表达,从而拮抗IL-1、肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF)的促炎作用;IL-10还可抑制核因子κ B、Ras等信号转导通路,从而抑制多种相关的炎性介质的产生[6],减轻缺血后的炎症反应,起到脑保护作用。

1.3 IL-13 IL-13具有抑制炎性细胞因子和趋化因子产生,阻止炎症级联反应及减轻炎性损害的作用。研究结果表明,IL-13是由活化的 Th2细胞产生,能抑制单核巨噬细胞分泌炎性细胞因子和趋化因子,如 IL-1、IL-6、IL-8及巨噬细胞炎性蛋白-1(macrophage inflammatoryprotein-1,MIP-1)、TNF-α等 ;并可抑制干扰素-γ(interferon-γ,IFN-γ)或IL-10诱导人单核细胞的抗体依赖性细胞介导的细胞毒作用。动物实验结果表明,局部应用IL-13可抑制炎性细胞因子和趋化因子产生,阻止炎症级联反应作用[7]。因此,IL-13具有调节免疫及减轻炎性损害的作用。

1.4 粒细胞集落细胞刺激因子(granulocyte colony stimulating factor,G-CSF) G-CSF是骨髓造血干细胞的强有力的动员剂,已经证实G-CSF具有同时动员造血干细胞和间充质干细胞的能力。通过动员骨髓干细胞,G-CSF治疗大鼠脑梗死,可以缩小梗死体积,并且降低大鼠死亡率[8]。陈松林等[9]研究认为,G-CSF通过动员骨髓间质干细胞在脑组织内转化为定向干细胞-神经干细胞,进而修复缺血性损伤,改善神经功能缺失。亦有研究证实,G-CSF可以通过神经细胞膜上的G-CSF受体,对缺血的神经元起到明显的保护作用[10]。Schneider等[11]在急性脑梗死的大鼠模型中观测到,G-CSF能有效地通过血脑屏障,并刺激G-CSF在中枢神经系统的表达,G-CSF与其受体结合后,激活JAK酪氨酸蛋白激酶3(janrskinase3,GAK3)和信号转导子与转录活化子3(signal transducer and activator of transcription,STAT3)途径,使缺血灶周边区神经细胞的STAT3水平升高,STAT3通过激活bcl-2间接地发挥抗细胞凋亡作用。同时G-CSF可减少一氧化氮的产生,防止神经元进入程序性细胞死亡。

2 具有致炎作用的细胞因子

2.1 IL-1 IL-1可由多种活性细胞合成和分泌,神经胶质细胞和内皮细胞也可合成,是一类具有广泛作用的多肽。活性形式有IL-1α、IL-1β、IL-1rα3种形式。IL-1β是血浆和组织液中的主要形式,也是脑组织中的主要形式。它不仅能够协同其它细胞因子促进B淋巴细胞和T淋巴细胞活化,而且能够诱导其它炎性介质产生,加强白细胞与内皮细胞的粘附,调节TNF-α和IL-6。IL-1是免疫及炎症反应重要的介质。脑缺血再灌注可诱导IL-1β产生,上调ICAM-1的表达,促使白细胞粘附于血管内皮细胞,增加中性粒细胞与内皮细胞的粘附,使白细胞聚集在缺血区,促进炎症反应,加重脑缺血损害[12]。体外实验表明,生理条件下,IL-1β对神经元起保护作用,但过多的IL-1β可对神经元以及其它组织产生损害作用[13]。实验研究发现,抗IL-1β可减轻脑缺血后脑水肿以及减小梗死面积。

2.2 IFN-γ IFN-γ的作用有：激活巨噬细胞并促进其功能;促进多种细胞表达主要组织相容性复合体-Ⅰ(major histocompatibility complex-Ⅰ,MHC-Ⅰ)和 MHC-Ⅱ分子;促进 Th0细胞分化为 Th1细胞,并抑制Th2细胞增殖;促进细胞毒性T淋巴细胞(cytotoxic lymphocyte,CTL)成熟及活性;促进B淋巴细胞分化,产生抗体及Ig类型转换;激活中性粒细胞功能和自然杀伤细胞(natural killer,NK)杀伤活性;激活血管内皮细胞。除了抗病毒,IFN-γ表现出强大的抗增殖、控制细胞凋亡和免疫调节活性。IFN-γ在正常脑组织中不表达,脑缺血损伤后,T细胞和NK细胞被激活,释放IFN-γ,加强缺血诱导的神经毒性作用。研究证实,前炎性因子IFN-γ参与脑缺血中小胶质细胞和炎性细胞浸润,刺激干扰素调节因子-1的产生,诱导一氧化氮合成酶mRNA表达,产生神经毒性作用。IFN-γmRNA表达主要参与大脑损伤后期反应过程[14]。

2.3 IL-8 IL-8是迄今为止发现的细胞趋化因子中最强的一种,由中性粒细胞、单核细胞、多形核白细胞及内皮细胞等多种细胞在缺氧、缺血及IL-1、脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)、内皮素(endothelin-1,ET-1)、TNF等诱导作用下合成与释放的多源性细胞因子,对炎性细胞具有趋化作用。在脑缺血时,IL-8对神经组织早期炎症反应中的中性粒细胞具有趋化活性和激活作用,并生成氧化代谢产物,释放细胞内酶,促进神经组织的炎性反应。近年来的研究进一步确认IL-8及其受体在缺血脑损伤中所起的有害作用,阻滞IL-8及其受体能够减轻脑损伤。在大鼠大脑中动脉闭塞(middle cerebral artery occlusion,MACO)模型中,应用IL-8受体抑制剂repertaxin能够显著减少中性粒细胞向脑实质的浸润,减轻局部炎症反应并缩小梗死体积,最终促进神经功能恢复[15]。

2.4 IL-16 IL-16的生物活性只有在肽链自动聚合成四聚体时才能体现。IL-16由巨细胞、白血病细胞、成纤维细胞、上皮细胞、若干免疫细胞、单核细胞和小胶质细胞产生。脑缺血后IL-16的表达上调,引起前炎性反应,并与缺血后导致细胞死亡的解剖位置密切相关。IL-16是缺血损伤中关键的炎症源性细胞因子。IL-16除具有炎症源性和化学趋化性作用外,还可通过纤维蛋白的沉积(即最初的血栓形成过程)诱发IL-16的表达。IL-16能诱导 TNF-α和IL-1 β的表达,后二者均可增加血管的通透性和损害毛细血管的完整性,IL-16可能也引起血脑屏障崩溃,并导致水肿形成和其后的继发性损伤[16]。

2.5 IL-17 IL-17能诱导上皮细胞、角化细胞、内皮细胞和成纤维细胞分泌IL-6、IL-8、单核细胞趋化蛋白-1、前列腺素E2和G-CSF,并且能上调这些细胞表达的ICAM-1[17]。IL-17 mRNA表达上调可诱导 IL-1、IL-6、IL-8 、TNF-α和 ICAM-1 表达 ,进而加重脑缺血后继发性炎性反应过程,有效阻断IL-17可能会减少损伤性细胞因子的产生,减轻缺血后脑组织损伤[18]。

2.6 IL-18 IL-18是新近发现的一种前炎症反应因子,对机体的免疫和炎症反应有重要的调节作用,具有广泛而多样的生物学功能,参与动脉粥样斑块发生、发展及粥样斑块破裂过程。可刺激单核细胞和间质细胞产生粒-巨噬细胞集落刺激因子(granulocyte-macrophage colony stimulating factor,GMCSF),TNF和诱导型一氧化氮合酶,促进炎症的发生发展;并能单独或与IL-12协同作用诱导T细胞、NK细胞和巨噬细胞产生IFN,抑制平滑肌细胞合成胶原,从而损伤斑块的纤维帽,使斑块易于形成溃疡、破裂而变得不稳定,导致血栓形成。目前,IL-18与脑缺血的关系研究还不多,多认为其是结构上与IL-1β类似的促炎性细胞因子。有研究指出,利用逆转聚合酶链反应检测大鼠脑缺血后的 IL-18 mRNA,48 h才检测到它的表达,7～14 d达到高峰,IL-1β mRNA的表达高峰在16 h,此后下调,提示IL-18可能对脑缺血晚期炎性反应有一定程度的调节作用[19]。

2.7 ICAM-1 ICAM-1参与白细胞与血管内皮细胞的黏附过程,是一种重要的细胞间粘附分子。正常情况下,体内某些细胞如非活化的血管内皮细胞、淋巴细胞、胸腺上皮细胞、成纤维细胞及甲状腺上皮细胞均有低水平的基础表达。脑缺血再灌注后,多种细胞因子如IL-1、IFN-γ、TNF-α及内毒素等可上调其表达,ICAM-1的表达上调,可以促进淋巴细胞、中性粒细胞、嗜酸粒细胞、单核细胞等与内皮细胞大量的牢固黏附并激活,随之大量血浆成分(尤其是纤维蛋白原)聚集于血管壁,导致局部微循环血流动力学障碍;同时在缺血区聚集的炎性细胞释放大量的毒性氧自由基、蛋白水解酶等,一方面使血管通透性增加,破坏血脑屏障,另一方面也导致神经元的毒性损伤[20]。

2.8 白三烯(leukotrienes,LTs) LTs是花生四烯酸的脂氧酶产物,有较强的致炎作用,参与许多疾病的病理生理过程。LTs分为2类,一类是具有强烈化学趋化作用的 LTB4;一类是半胱氨酸 LTs(cysteinyl LTs,cysLTs),包括 LTC4、LTD4、LTE4。LTC4、D4和E4可在患者和实验动物脑缺血时产生,能引起脑血管痉挛和血管通透性增高,进而导致脑水肿和脑缺血性损伤[21]。Baba等[22]应用大鼠脑缺血模型经颈内动脉灌注LTC4发现,脑梗死48～72 h,脑毛细血管γ-谷氨酰转肽酶减少,LTC4不能很快降解,使血脑屏障通透性增高;LTs受体拮抗剂亦被证实可降低脑缺血诱导的cysLTs含量增加,抑制脑血管通透性,减轻脑水肿。

2.9 单核细胞趋化蛋白-1(monocyte chemotactic protein 1,MCP-1) 正常时脑组织几乎不表达MCP-1,在脑缺血情况下,血管内皮细胞、星形胶质细胞、激活的白细胞和小胶质细胞能表达MCP-1。体内和体外实验均证实MCP-1对单核细胞具有趋化活性,激活单核细胞和巨噬细胞,使其胞浆内Ca2+浓度升高,刺激超氧阴离子的产生和释放,并释放溶菌酶,通过趋化单核巨噬细胞浸润脑实质和上调巨噬细胞粘附分子如integrin家族β2组和α 4分子的表达和细胞因子IL-1、IL-6的产生,参与脑缺血损伤。Hughes等[23]研究发现,在建立永久性MCAO模型后24 h,MCP-1基因敲除小鼠的平均脑梗死体积较野生型小鼠小 29%;在 MCAO后6 h,MCP-1基因敲除小鼠的炎症因子表达较少,脑损伤也较轻。这项研究提示,抑制MCP-1信号有可能成为限制卒中后脑梗死体积的一种新型治疗策略。MCP-1表达增强与缺血缺氧脑组织损伤部位单核细胞积聚和神经胶质细胞活化有关,而活化的胶质细胞可产生大量神经毒性因子,导致神经细胞变性和坏死。

3 具有抗炎和致炎双重作用的细胞因子

3.1 IL-6 IL-6是一种糖蛋白,是具有多种生物学功能的细胞因子,主要参加机体的细胞免疫、炎性反应、造血调控等。脑组织内产生IL-6的细胞可能主要是星形胶质细胞和小胶质细胞。胶质细胞表达细胞因子是对周围或局部刺激的反应,受到刺激和病毒感染的星形胶质细胞和小胶质细胞均能诱导产生IL-6。

IL-6是一种神经营养因子,与炎症调节和免疫反应有关。lL-6 mRNA主要来源于神经元,在缺血区、缺血周边区、大脑皮质及海马区均有表达,且以缺血周围区最为明显,再灌注24 h后表达最高,并在脑缺血再灌注损伤后期仍维持较高水平。IL-6对脑缺血损伤的保护作用,可能与以下因素有关：①抑制IL-1和TNF-α的产生：通过负反馈机制刺激其循环拮抗剂的生成,如可溶性 TNF受体和IL-1受体拮抗剂;②诱导促肾上腺皮质激素和氢化可的松表达,促进急相蛋白表达,这些蛋白具有抗蛋白酶和氧清除作用;③缺血后诱导的IL-6表现为内源性的神经保护作用,对抗N-甲基-D-天冬氨酸受体介导的损伤。但亦有研究表明IL-6参与脑缺血过程中致炎症反应[24]。Vila等[25]应用双夹心 ELISA法对231例急性脑梗死患者的IL-6含量进行检测,并采用Logistic多元回归分析后发现,脑脊液和血清中IL-6是脑梗死的独立预测因子,与体温、血糖、纤维蛋白原和脑梗死体积密切相关,脑梗死体积越大,IL-6水平越高,而与脑梗死发生部位无关[26]。IL-6可能对中枢神经系统发挥神经毒性及神经营养保护双重作用,目前IL-6在缺血性卒中的作用存在争议,尚须进一步探讨。

3.2 TNF-α TNF-α具有广泛的生物学活性,不仅对肿瘤细胞有细胞毒性和生长抑制作用,还能介导IL-1、IL-6、前列腺素E2等多种炎症介质的产生,参与机体的病理生理过程[27]。TNF-α参与发病的病理生理机制可能是：①增加内皮细胞组织因子的合成释放,抑制组织纤溶酶原激活物的释放及诱导纤溶酶原激活物抑制剂-1的分泌而抑制纤溶反应,下调血栓调解素的表达,从而抑制具有抗凝作用的蛋白C活性,并刺激内皮细胞释放IL-1,而IL-1具有促进血栓形成作用,TNF-α与IL-1协同作用使内皮细胞表面成为促凝状态,促进血栓形成;②TNF-α可影响血管舒缩活性物质的表达,脑梗死时TNF-α增加,还伴有前列腺素-2、血栓素-2等产生增加。这些因子除影响血凝过程外,还可促成血管舒缩因子的下降和内皮素的增加,引发血管收缩,增加局部卒中的危险性;③脑缺血后2～3 d,TNF-α刺激成纤维细胞、成胶质细胞和星形细胞表达神经生长因子,有助于缺血改善和神经元生存。缺血后7～30 d,通过巨噬细胞和胶质细胞产生丝氨酸激酶、微管蛋白22激酶等,参与损伤组织吸收、修复和重塑。

关于TNF-α是保护还是加重缺血神经元损伤,目前还存在争论。多数研究支持脑缺血后TNF-α的表达具有神经毒性;也有文献报道,TNF-α对缺血脑组织具有保护作用。对短暂性脑缺血大鼠进行缺血前预处理提高脑内TNF-α的表达,能显著缩小缺血后脑梗死和脑水肿体积[28];另外,TNF受体基因敲除小鼠缺血后脑梗死体积和脑损伤均显著重于野生型小鼠[29]。因此,TNF-α与缺血性卒中的关系尚须进一步探讨。

4 结语

炎症机制在脑缺血再灌注损伤中的作用越来越受到重视,脑缺血损伤后多种多效性细胞因子参与其后的炎症反应,形成一个炎症细胞因子级联网络,其产生的时程和作用并不相同,各种细胞因子互相诱导产生、互相制约,共同参与脑缺血后炎症反应的病理生理过程。致炎因子占主导地位时加重脑损伤,抗炎因子占主导地位时对脑损伤产生保护作用。但是,目前在什么阶段增强抗炎细胞因子表达,什么阶段阻断致炎细胞因子表达,增强、阻断细胞因子在什么水平最合适,如何在基因水平开辟新的治疗途径,都有待进一步研究。因此,需进一步深入研究炎症细胞因子在缺血性脑损伤中的作用机制,探求如何抑制致炎因子而增强抗炎因子的作用,为预防及治疗缺血性卒中提供新的思路。

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