脊髓损伤炎症反应的研究进展

王 明，陈铁戈，杨新乐，张东亮，张海鸿兰州大学第二医院 骨科，甘肃兰州 730030；兰州大学甘肃省骨关节疾病研究重点实验室，甘肃兰州730030

脊髓损伤(spinal cord injury，SCI)是一种致残率极高的中枢神经系统(central nervous system，CNS)创伤，常引起感觉、运动和括约肌功能全部丧失，导致患者瘫痪及尿便功能障碍等症状。其按发生机制可以分为原发性损伤与继发性损伤，原发性损伤是由于初始外力直接或间接作用于脊髓所造成的；继发性损伤是在原发性损伤基础上通过一系列病理过程，使病灶周围正常的组织发生病变，进一步加深损伤程度，扩大损伤范围。以往对SCI的研究主要集中在损伤后期细胞移植方面[1]。近年来，多数学者对SCI后炎症反应及微环境有着浓厚的兴趣，其既有有利的一面，又有不利的一面，因此研究SCI后的炎症反应及其调节机制对于临床治疗SCI至关重要。SCI后炎症反应主要由CNS活化的胶质细胞和外周来源的免疫细胞等分泌细胞因子、趋化因子、活性氧和第二信使调节，是免疫、生化、病理生理过程共同作用的结果，严重程度取决于原发性损伤的机制及继发性损伤的病理过程。炎症反应的急性期以中性粒细胞和单核细胞入侵脊髓受损区域为特征，慢性期以淋巴细胞介导为主。胶质细胞对SCI反应迅速，在数小时内上调炎性因子表达。因此，本文重点就SCI后炎症反应及其相关病理过程进行综述，以期为临床治疗SCI提供理论指导。

1 介导SCI的炎症细胞

1.1 中性粒细胞 SCI后中性粒细胞被募集到损伤区域，不仅参与SCI炎性反应过程，还限制并修复病理性损伤[2]。SCI后中性粒细胞首先迁移到受伤部位，释放细胞因子、自由基和蛋白水解酶等产生神经细胞毒性[3]。Lee等[4]研究发现，在小鼠SCI环境中抑制中性粒细胞和单核细胞的募集可有效促进其功能恢复。然而，利用Ly6G/Gr-1单克隆抗体选择性降低小鼠SCI组织内中性粒细胞数量导致损伤组织恶化，表明SCI后中性粒细胞的侵入对损伤组织可能有益[5]。因此，不能完全将抑制中性粒细胞浸润损伤区作为治疗SCI的一种策略。

1.2 巨噬细胞 巨噬细胞主要分为两种亚型，M1型巨噬细胞具有促炎作用，M2型具有抗炎作用[6]。两种巨噬细胞亚型所释放细胞因子的比例(促炎细胞因子IL-1β、IL-6、IL-12、抗炎细胞因子IL-10、IL-13)对于调节SCI炎症反应非常重要。在哺乳动物中，源自单核细胞和活化小胶质细胞的巨噬细胞持续存在于SCI部位，增加修复性巨噬细胞表型可促进轴突生长和运动功能恢复[7]。在动物SCI模型中，体外摄取髓鞘可以改变巨噬细胞的功能，发挥抗炎作用，减少SCI区域组织细胞的损伤[8]。Gensel和Zhang[9]研究发现，在受损的脊髓组织中减少巨噬细胞能够抑制炎症病变的扩散。因此，巨噬细胞的多样性对于调节SCI后机体的免疫炎症反应非常重要。

1.3 淋巴细胞 淋巴细胞是免疫系统的主要细胞，包括许多功能不同的群体如T、B、NK细胞等[10]。B淋巴细胞在SCI病理生理过程中发挥复杂的作用，如抗炎/促炎作用。SCI后B细胞相关的B细胞活化因子(BAFF)、增殖诱导配体(APRIL)和B细胞成熟抗原(BCMA)表达升高调节自身免疫反应[11]。SCI后释放多种因子引起T细胞活化，分泌大量细胞黏附分子，与血管内皮细胞黏附使T细胞进入CNS，抑制轴突损伤并保护神经元。自身免疫性脑脊髓炎大鼠模型中，T细胞分泌脑源性神经营养因子(BDNF)抑制神经元死亡并促进轴突再生[12]。但淋巴细胞的活化也有可能加重SCI。因此，还须进一步研究这些炎症信号的发生和作用机制。

1.4 小胶质细胞 由可兴奋性的神经元和不可兴奋的神经胶质细胞组成的胶质细胞，主要包括星形胶质细胞、小胶质细胞和少突胶质细胞，在CNS中发挥支持和保护神经元的作用并参与CNS的固有免疫反应。SCI区域组织或细胞释放的损伤相关模式分子、髓磷脂、γ-干扰素和细胞碎片等产物可导致小胶质细胞被激活，从而发生形态和功能改变[13]。小胶质细胞存在两种细胞亚型，M1促炎症表型和M2抗炎症表型，共同维持脊髓内环境平衡。M1小胶质细胞激活后释放促炎性细胞因子并表达CD45、CD11b和iNOS，在继发性SCI中引发神经毒性级联反应导致内皮细胞、神经元、轴突和少突胶质细胞的凋亡和坏死[14]；M2型小胶质细胞活化后释放抗炎细胞因子、CD206-甘露糖受体、CD16-3清道夫受体和精氨酸酶，保护神经元和轴突[15]。脂质运载蛋白2(LCN2)是一种急性期蛋白，不仅可以促使小胶质细胞从静息状态下转化为M1表型，还能抑制M2型细胞活化[16]。另外，IL-10可将小胶质细胞活化为M2表型，发挥抗炎作用[16]。研究发现，小胶质细胞通过表观遗传机制修饰后影响CNS疾病，表观遗传机制可以修饰不同的SCI细胞群如胶质细胞、免疫细胞和神经元[17-18]。这反映了小胶质细胞在SCI免疫调节中的多样性和功能可塑性。

1.5 星形胶质细胞 星形胶质细胞在维持CNS动态平衡中发挥关键作用。SCI后星形胶质细胞介导的固有免疫反应参与继发性脊髓损伤的毒性作用。通过鉴定星形胶质细胞极化状态下的功能，发现其存在多样性和可塑性(经典激活M1型合成促炎性细胞因子，交替活化的M2型产生抗炎性释放物)，其活化状态取决于细胞外环境。显然，这两种类型与巨噬细胞和小神经胶质细胞相似[19]。炎症刺激促使星形胶质细胞肥大、迁移和增殖，环绕损伤区域形成胶质瘢痕，抑制轴突的再生。同时，活化的星形胶质细胞分泌抑制因子如硫酸软骨素蛋白多糖、髓鞘相关糖蛋白和少突胶质细胞髓鞘糖蛋白也阻碍轴突再生。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶(NOX)过度活化导致星形胶质细胞抗氧化剂谷胱甘肽消耗，从而引起神经毒素谷氨酸盐过度分泌，导致神经元和少突胶质细胞损伤[20]。因此，以氧化酶为治疗靶点可以防止轴突脱髓鞘，保护少突胶质细胞和神经元。星形胶质细胞参与SCI后炎症引起的轴突退变、神经元死亡和运动/感觉功能缺失的过程。因此，以星形胶质细胞为靶点的治疗方案是值得研究的，如减少脊髓中M1型星形胶质细胞和增加抗炎性M2型星形胶质细胞数量。

2 介导SCI的细胞因子

2.1 肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor-α，TNF-α)TNF-α是一种生物学活性广泛的炎性因子，SCI后数小时内表达水平达到最大值。研究发现，TNF-α在SCI中既发挥直接的损害作用，又协同诱导多种炎性细胞因子的产生，从而加重继发性损害[21]。TNF-α既能增加一氧化氮合酶(NOS)表达产生大量NO损伤组织，又与兴奋性谷氨酸盐有协同作用明显增强谷氨酸盐介导的细胞死亡，其对中性粒细胞和单核巨噬细胞有趋化作用，激活中性粒细胞和单核巨噬细胞，产生大量的蛋白水解酶、氧自由基等分子，破坏组织[22]。研究发现SCI后给予TNF-α抑制剂或通过TNF R1的基因敲除可改善运动功能、减少细胞凋亡和组织损伤并降低与SCI有关的炎症反应[23]。说明阻断TNF-α在治疗SCI方面具有潜在的功效，应深入研究。

2.2 白细胞介素(interleukin，IL) IL主要是由白细胞产生的一组免疫活性因子，发挥多种生物学效应，共同参与机体免疫反应、应激反应和炎症调节。IL-1、IL-2、IL-6、IL-11、IL-15等具有促炎作用，IL-4、IL-8、IL-10、IL-13等具有抗炎作用。IL-1β可以协同NF-κB、TNF-α、INF-γ上调黏附分子的表达，介导损伤后的炎症反应，引起继发性损伤。IL-1β受体拮抗剂注入SCI大鼠髓鞘内，神经功能显著改善，证明IL-1β在损伤早期对神经元及组织损伤严重[24]。此外，Boato等[25]研究表明IL-1β可诱发周围神经和组织的损伤，导致病灶扩大和神经胶质的活化，影响CNS轴突重塑。因此，进一步研究IL-1β有利于对炎症反应实施更合理的控制，降低其不利影响。IL-6主要由神经元和星形胶质细胞产生，是SCI后炎症反应中重要的细胞因子，和IL-1共同参与发热、合成C-反应蛋白、激活垂体-肾上腺轴等[26]。IL-10是一种有效的抗炎细胞因子，能够使促炎性因子IL-1β、IL-6、TNF-α等的表达下调，减少神经损伤炎症的发生，对于SCI引起的炎症反应、兴奋性毒性损伤及细胞凋亡具有潜在的治疗作用。体外研究表明，IL-10与其抗体结合对神经元产生保护作用[27]。

2.3 一氧化氮(nitricoxide，NO) NO主要通过一氧化氮合酶(NOS)合成，参与免疫调节等多种反应。其存在3种不同的亚型：神经元型(nNOS，NOS-2)、诱导型(iNOS，NOS-2)和内皮型(eNOS，NOS-3)[28]。其中iNOS产生的NO最多，并且参与SCI后的炎症过程。iNOS合成的NO可导致小胶质细胞介导的脱髓鞘病变和神经元凋亡。炎性细胞因子(TNF-α和IL-1)和糖鞘脂可诱导胶质细胞和巨噬细胞产生iNOS，参与炎症反应[29]。研究SCI区域NOS酶家族的表达、活性、时空分布及调节NO至最佳水平可以作为SCI治疗靶点。

2.4 趋化因子 趋化因子是细胞因子的一个亚家族，在CNS感染、炎症和创伤中作为免疫细胞的化学诱导物[30]。趋化因子分为两个家族：α家族(CXC)参与多形核细胞的募集，β家族(C-C)为巨噬细胞、淋巴细胞和粒细胞提供启动信号。α家族包括γ-干扰素诱导蛋白(IP-10/CXCL10)、血小板因子4和IL-1等。β家族的重要成员是单核细胞趋化蛋白(MCP-1/CCL2)。MCP-1 mRNA存在于正常脊髓中，SCI后1 h表达增加，24 h达高峰，在第14天恢复到低水平，其可招募循环中白细胞迁移至损伤部位[31]。IP-10 mRNA在正常脊髓中呈现低水平，SCI后1 h内表达升高，在6 h达到顶峰，并保持高水平直到第5天，在第14天降至基线水平[30]。研究发现趋化因子CXCL10可以通过CXCR3B受体抑制血管生成、内皮细胞的生长[32]。Gonzalez等[33]研究表明，大鼠SCI后给予CXCL-10封闭抗体治疗可以显著降低炎症反应、细胞凋亡、神经元及组织的缺失，增强功能的恢复、组织和神经元轴突再生，说明CXCL-10对SCI的恢复不利，中和或者抑制其表达可减轻CXCL-10在SCI中的不利影响。

3 炎症环境中的病理损伤过程

3.1 缺血再灌注损伤 机械暴力对脊髓及周围组织产生损伤后，引起持续的继发性损伤，主要是由于低灌注造成的缺血性损伤和血脑屏障破坏。其引起损伤区域水肿、出血、内皮渗透性增加和自身调节功能丧失，涉及多种细胞和生化途径。血流中断导致局部缺血、缺氧、血栓形成从而引起局部组织损伤和梗死形成[34]。这种损伤涉及由炎症介质、细胞死亡(凋亡、自噬和坏死)、免疫途径、氧化应激和血管功能障碍介导的复杂病理过程。缺血再灌注损伤在SCI区域对于诱导免疫应答发挥着重要作用。其损伤的特征是炎症细胞的浸润，如白细胞(巨噬细胞、嗜中性粒细胞和淋巴细胞)、小胶质细胞、星形胶质细胞和巨噬细胞的激活，这些活化的细胞释放炎性细胞因子共同参与炎症反应。

3.2 氧化应激 在正常的机体内，细胞抗氧化剂可以平衡氧化性物质的活性如氧自由基和ROS。ROS持续性低水平伴随许多炎症性疾病，如CNS退变和创伤[35]。SCI后这种平衡转向氧化应激状态，参与炎症病理过程。氧化应激与年龄有关，随着年龄增加人体内抗氧化剂逐渐减少。因此，SCI的严重程度随着年龄增长而增加，其依赖于促氧化剂/抗氧化剂平衡[36]。ROS由活化小胶质细胞和白细胞(巨噬细胞和嗜中性粒细胞)产生，主要包括超氧化物、羟自由基、过氧化氢、NO和过氧亚硝酸盐(ONOO-)[37]。SCI后由超氧化物和羟自由基介导氧化应激立即引起细胞膜损伤[38]。多不饱和脂肪酸被自由基攻击后产生高活性亲电醛、丙二醛和丙烯醛，被认为是氧化损伤的生物标记物。酶(环氧合酶)和非酶花生四烯酸的氧化产生8-异前列腺素F2α，是脂质过氧化的标记[39]，反映醛损伤血脊髓屏障，导致细胞活力下降和血管通透性增加[40]。氧化反应物可被细胞内外的抗氧化防御系统清除，如超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶和谷胱甘肽还原酶。郭磊等[41]研究表明在大鼠SCI模型中，应用槲皮素可以清除氧自由基，抑制炎症反应，从而减轻继发性脊髓损伤。SCI治疗时间窗非常重要，在3 h内采取干预措施，不仅能减少病理损伤，也能清除氧化反应物[42]。因此，抗氧化治疗可能会阻止和逆转SCI的炎症反应。

3.3 补体系统 补体系统是固有免疫系统的一部分，由约60种蛋白质组成，通过以下3种不同的途径激活：经典途径、凝集素途径(MBL)和旁路途径。其既参与SCI后的病理性炎症过程，也参与神经保护、修复和再生过程[43]。SCI后补体活性增加，补体蛋白C3a和C5a参与促炎过程和神经保护[44]。补体级联反应通过激活免疫系统和募集免疫细胞放大炎症反应。补体受体1(CR1)、衰变加速因子(DAF，CD55)和CD59都被认为在补体激活中起监管作用[43]。此外，H因子在补体级联反应的不同时间点调节蛋白水解活性，并且是补体蛋白C3b的主要调节剂[45]。抗C5单克隆抗体已被用于治疗阵发性睡眠性血红蛋白尿(PNH)患者，其拮抗C5b-9(MAC)的形成有效地减少患者的溶血[46]。在SCI后补体基因缺陷小鼠中发现，其出现感觉和运动恢复的现象[47]。因此，补体抑制剂作为SCI治疗策略值得深入研究。

4 结语

在SCI的发生发展中，多因素炎症反应过程是导致继发性损伤的重要因素，其病理性炎症环境涉及多种复杂调节机制。SCI后炎症反应具有两面性，既是机体对损伤因素的积极应答，也是造成脊髓继发性病理损伤的关键因素。因此可以SCI后炎症病理过程为干预靶点，为治疗SCI提供新的方向。目前，虽然对炎症反应众多参与因素做了大量的研究，但难以解释其复杂的关系网络、掌握炎症反应发生发展的关键调节机制。如何适当调节SCI后的免疫炎性环境仍是未来需要研究的课题。