中枢神经系统HIV-1感染的研究进展

陈江浩

(西安交通大学第一附属医院，西安710065)

人类免疫缺陷病毒(HIV)包括HIV-1和HIV-2两个亚型。研究显示，HIV-1感染患者常伴有注意力及记忆力下降、运动神经受损及性情的显著变化，这些中枢神经系统的病理改变与HIV-1在中枢神经系统的感染和复制有关。目前已知HIV-1在原发性感染宿主外周免疫系统后，可以很快通过血脑屏障进入神经中枢系统。在没有抗逆转录病毒药物控制下，HIV-1可以在平均2个月的时间内感染颅脑[1]，在脑脊液中可检出HIV-1 RNA[2]。由于HIV-1在脑实质中大量复制带来的神经炎症和神经毒性，引起一系列神经退行性病变。其中20%～30%的患者可以伴发HIV-1介导的神经痴呆(HAD)[3]。而在抗逆转录病毒治疗后，虽然HAD可以得到有效控制，但是仍有39%～52%的患者伴有不同程度的中枢神经紊乱症状，即HIV-1引起的神经认知障碍(HAND)。控制HIV-1在中枢神经系的感染对治疗HIV-1感染和改善患者预后具有重要意义。现将中枢神经系统HIV-1感染的生物学特性、神经免疫反应及治疗进展等综述如下。

1　中枢神经系统中HIV-1感染的生物学特性

1.1　HIV-1进入中枢神经系统的感染路径

目前尚未发现HIV可以直接通过血脑屏障。大量证据[4，5]显示，HIV进入中枢神经系统是由感染的单核巨噬细胞携带的HIV-1 DNA跨过血脑屏障，而后复制的HIV-1感染小胶质细胞形成稳定的中枢感染病灶。在这一过程中，外周血中的HIV-1感染引起的炎症因子激活了血脑屏障的内皮细胞表达CCL2趋化因子。而血液循环系统中被HIV感染的单核细胞通过其自身细胞膜表达的CCR2受体与血管内皮细胞表面的CCL2特异性识别，进而黏附内皮细胞，随后通过类似阿米巴式的细胞运动，携带HIV进入中枢神经系统[5，6]。另外有证据显示，连接黏附分子、活化白细胞黏附分子、CD99和血小板内皮细胞黏附分子都参与了单核巨噬细胞黏附及跨越血脑屏障过程。从脑实质中检出的HIV-1主要为CCR5株，因为CCR5株HIV-1主要侵袭单核巨噬细胞，这也间接证实了中枢神经系统的HIV-1感染主要为单核巨噬细胞跨越血脑屏障转运而来[7]。

1.2　HIV-1在中枢神经系统的复制

HIV-1在中枢神经系统主要感染小胶质细胞。由于小胶质细胞的生物学特性与外周血单核巨噬细胞接近，因此有观点认为，中枢神经系统的小胶质细胞来源于胚胎发育期的单核巨噬细胞。但是与单核巨噬细胞不同的是，小胶质细胞并不表达CD14和CD45，这也被认为是区别这两种细胞的重要标志[8]。在脑实质中，小胶质细胞根据部位不同可以占0.5%～16.6%的细胞比例，并且自我更新、动态监测和吞噬中枢神经系统的凋亡细胞以保持稳定正常的生理环境。HIV-1感染小胶质细胞主要通过细胞表达的CD4受体和CCR3、CCR5、CXCR4协同受体一起结合来侵入细胞内。随后逆转录的HIV-1 DNA嵌入到宿主基因组中，转录翻译并释放HIV-1病毒颗粒[9]。由于小胶质细胞的存活时间可以达到数年或更长，因此感染了HIV-1的小胶质细胞可以形成稳定的颅脑内的病毒复制点。目前，抗逆转录病毒药物的使用使得中枢神经系统中的复制活跃期的小胶质细胞已经大大减少，然而颅脑内病毒的复制仍在继续。携带HIV-1 DNA的休眠期的小胶质细胞可以逃避抗逆转录病毒药物的抑制，不断缓慢地释放新的病毒，并引起新的感染。所以，休眠期的携带HIV-1 DNA的小胶质细胞正在得到更多的关注。研究发现，休眠期的小胶质细胞通过调节细胞核内的组蛋白从而有效抑制病毒转录调控。小胶质细胞中的转录因子CTIP2可以促进组蛋白去乙酰化酶1和组蛋白去乙酰化酶2的活化，并引起组蛋白3的去乙酰化，从而抑制病毒转录的启动子，造成感染HIV-1的小胶质细胞进入不转录病毒的休眠状态[10]。由于没有有效的表面标志物，现在还无法鉴别及诊断休眠期的HIV-1感染的小胶质细胞。但是有研究显示，中枢神经系统的免疫激活和修复神经退行性病变的生物标志物CD74表达升高，提示CD74与休眠期的中枢神经系统的HIV-1感染有关[10，11]。

另有研究发现，5%～10%的星形细胞也可以被HIV-1感染[12]。星形细胞可以表达HIV-1的协同受体CCR5和CXCR4，但是否表达CD4仍然存在争论。体外实验发现，星形细胞可以被HIV-1感染，但经过短暂的病毒复制后，其病毒表达会显著下降至非常低的水平，只有在干扰素γ、粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子、肿瘤坏死因子α(TNF-α)的刺激下，星形细胞重新产生新的HIV-1病毒颗粒并且具有感染性[13]。所以一般认为，星形细胞可能是长期携带HIV-1 DNA的感染细胞，并不具有很强的病毒复制能力。但是考虑到星形细胞的数量占脑实质的15%～20%，星形细胞仍然是不可忽视的HIV-1感染病灶。

2　中枢神经系统HIV-1感染的神经炎症和神经毒性

2.1　神经炎症反应

HIV-1不能直接感染神经中枢系统中的神经元细胞，但是HIV-1感染所引起的神经炎症是导致HAD或HAND的神经退行性病变的主要致病因素。作为中枢神经系统的免疫监视细胞，小胶质细胞激活是整个神经免疫的关键。小胶质细胞表面表达大量与巨噬细胞类似的白细胞表面抗原，如CD45、HLA-DR、CD11b等[14]。且小胶质细胞具有类似的吞噬功能，被认为是中枢神经系统的固有免疫细胞。被HIV-1感染的小胶质细胞可以具有巨噬细胞类似的M1、M2激活分型，及分泌相关的炎症及趋化因子，促进神经炎症反应及导致类似于神经退行性病变的脑部损伤，加快中枢神经系统衰老。临床影像学显示，HIV-1感染能够在还没有神经系统症状的情况下激活小胶质细胞，由感染所释放的炎症因子进一步加重了非感染区的炎症反应，其显著标志为增加了组织相容性复合体Ⅱ、CD163、IL-1β和TNF-α的表达[15]。由于药物本身就具有一定的中枢神经毒性及抗病毒药物无法阻断休眠期的病毒复制，中枢神经系统的神经炎症可以转成HIV-1脑炎。小胶质细胞具有很强的生理调节功能，但是HIV-1感染可以引起的小胶质细胞的生物学行为发生改变，例如改变细胞代谢及增强p53-p21信号通路，使小胶质细胞的生命周期延长，从而长期释放炎症因子[16]；另外一个更显著的标志是HIV-1可以显著减少β淀粉样蛋白降解酶，引起细胞外β淀粉样蛋白的聚合，从而加剧阿尔兹海默病的发生。

星形细胞也是神经系统免疫炎症反应中不可或缺的部分。作为包绕血管内皮细胞构成血脑屏障的支持细胞，星形细胞可以在HIV-1感染早期就被HIV-1的Tat、gp120、Nef蛋白激活，通过扰乱环氧酶、细胞内钙离子和ATP的浓度，释放一系列炎症因子，促进血管内皮细胞损伤，使得更多的外周血中的单核细胞跨过血脑屏障，加剧中枢神经系统的神经炎症反应[17]。研究[18]还发现，HIV-1 Tat可以诱导星形细胞表达PDGF-BB，随后引起CCL-2表达升高。目前已知CCL-2可以加速神经炎症反应[19]，影响β淀粉样蛋白的代谢并加剧认知功能的损伤，是引起神经退行性病变和老年痴呆的重要炎症因子。星形细胞激活是诱发HAD和HAND的重要原因。除此之外，HIV-1 gp120引起的星形细胞释放IL-6、TNF-α也是导致神经炎症的重要因子[20]。

2.2　神经毒性

在绝大部分病毒性感染引起的神经退行性病变中，神经免疫炎症反应通常早于神经元损伤。因为数量众多的胶质细胞负责了免疫监视功能。但是HIV-1的结构蛋白在中枢神经系统的累积，最终可以直接引起神经元损伤。HIV-1 gp120和Tat被认为是首要引起HIV-1神经毒性的病毒蛋白[21]。最早发现，HIV-1 gp120蛋白可以显著降低神经元对多巴胺的转运，并且减少神经元树突的数量。另有研究证明，HIV-1 gp120的神经毒性也可以通过激活神经元的N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体[22]，使细胞内钙离子浓度增加，诱发细胞内一氧化氮合酶(NOS)介导的氧化应激反应，从而导致神经元损伤[23，24]。HIV-1 Tat蛋白通过磷酸化NMDA受体也可以激活以上的氧化应激过程。另外，HIV-1 Tat激活NMDA受体后还可以引起MAP激酶的活化，最终启动神经元的凋亡[25]。HIV-1 Tat蛋白还可以与神经元表面受体脂蛋白受体(LRP)相结合，引起LRP内吞，而减少LRP对其配体如β淀粉样蛋白和载脂蛋白E的识别和降解，加剧神经退行性病变进程[26]。

3　中枢神经系统HIV-1感染的治疗

3.1　血脑屏障与抗逆转录病毒药物

中枢神经系统HIV-1感染目前尚无特异性治疗方法。研究发现，HIV-1感染患者在经历抗逆转录病毒治疗后，脑脊液中的HIV-1 RNA含量显著降低，而患者伴发的HAD也可以得到有效控制。但是由于中枢神经系统独特的生理和解剖结构，彻底控制病毒复制依然不能实现。首要问题是如何解决抗逆转录病毒穿越血脑屏障的问题。致密的血管内皮和星形细胞结构阻断了绝大部分的药物通过血脑屏障。虽然在颅脑的下丘脑、最后区和穹窿下区等部位血管内皮细胞的紧密连结较稀疏，药物可以借此跨过血脑屏障；但是在已知的抗逆转录病毒药物里面，只有核苷类抗逆转录酶抑制剂具有较好的血脑屏障通过率，非核苷类抗逆转录酶抑制剂只有Nevirapine可以达到较高的中枢神经药物浓度，其他类抗逆转录病毒药物包括最新的长效非核苷类逆转录酶抑制剂Rilpivirine在内，在颅脑的有效浓度并不显著[27]。由于血脑屏障的天然阻隔，抗逆转录病毒药物的疗效受到了极大限制。因此，颅脑内中枢神经系统被认为是HIV-1在体内的最终藏身之地。而逆转录药物本身尚存在一定的中枢神经毒性，可以增加β淀粉样蛋白酶的聚集并引起神经退行性病变的发生，所以对于中枢神经系统的HIV-1感染不能仅依赖于传统的抗逆转录病毒药物治疗，更应该考虑中枢神经系统的固有生理学特性。

3.2　纳米药物传输

最新研究表明，纳米技术在生物医药领域的应用为改善传统药物的效能带来新的思路。特别是在神经系统疾病方面，通过纳米技术的重新包装，可以大大提高生物活性蛋白和小分子跨过血脑屏障，提高传统药物对神经退行性病变的治疗效果。用纳米技术合成的抗逆转录病毒蛋白酶抑制剂可以更稳定、更长时间地停留在外周血循环系统中，极大地改善药物通过血脑屏障的能力[28]。这种纳米晶体化的抗逆转录蛋白酶抑制剂还能靶向作用于单核巨噬细胞，随着巨噬细胞跨越中枢神经系统的血管内皮细胞，从而实现由细胞介导的药物传输[29]。这一新疗法目前已经完成了临床前期的实验，目前正在准备进入临床实验。

除了直接抑制病毒在中枢神经系统的复制，减少或者控制HIV-1感染所引起的神经炎症也是目前重要的治疗发展的方向。目前最新的抗神经炎症的小分子药物混合系激酶3阻断剂URMC-099具有非常好的神经中枢药物穿透活性，其通过抑制MAP kinase活性，直接减少激活胶质细胞，也有一定的保护神经元的作用[30]。其疗效已经在控制阿尔兹海默病及HIV-1引起的神经炎症中得到了验证。另外发现，URMC-099与新型纳米化的抗逆转录病毒药物nanoART一起使用还可以增强抗逆转录病毒药物的疗效[31]。鉴于此，联合抗神经炎症及具有神经保护性能的药物与抗逆转录病毒药物联合使用，将是今后控制中枢神经系统HIV-1感染的必经之路。

4　结语

在持续不断的抗逆转录病毒的治疗下，中枢神经系统可能是HIV-1在体内复制最后的藏身之所。目前的治疗手段还不足以彻底清除中枢神经系统中的感染病灶。因此，尽可能抑制感染并且减少神经免疫炎症反应，尽最大可能减小神经损伤，是今后研究的重点。

参考文献：

[1] Eden A, Fuchs D, Hagberg L, et al. HIV-1 viral escape in cerebrospinal fluid of subjects on suppressive antiretroviral treatment[J]. J Infect Dis, 2010,202(12):1819-1825.

[2] Davis LE, Hjelle BL, Miller VE, et al. Early viral brain invasion in iatrogenic human immunodeficiency virus infection[J]. Neurology, 1992,42(9):1736-1739.

[3] Ellis RJ, Calero P, Stockin MD. HIV infection and the central nervous system: a primer[J]. Neuropsychol Rev, 2009,19(2):144-151.

[4] Koenig S, Gendelman HE, Orenstein JM, et al. Detection of AIDS virus in macrophages in brain tissue from AIDS patients with encephalopathy[J]. Science, 1986,233(4768):1089-1093.

[5] Burdo TH, Lackner A, Williams KC. Monocyte/macrophages and their role in HIV neuropathogenesis[J]. Immunol Rev, 2013,254(1):102-113.

[6] Kiyota T, Gendelman HE, Weir RA, et al. CCL2 affects beta-amyloidosis and progressive neurocognitive dysfunction in a mouse model of Alzheimer′s disease[J]. Neurobiol Aging, 2013,34(4):1060-1068.

[7] Martin-Blondel G, Brassat D, Bauer J, et al. CCR5 blockade for neuroinflammatory diseases--beyond control of HIV[J]. Nat Rev Neurol, 2016,12(2):95-105.

[8] Ginhoux F, Lim S, Hoeffel G, et al. Origin and differentiation of microglia[J]. Front Cell Neurosci, 2013,7:45.

[9] Chen NC, Partridge AT, Sell C, et al. Fate of microglia during HIV-1 infection: From activation to senescence[J]. Glia, 2017,65(3):431-446.

[10] Desplats P, Dumaop W, Smith D, et al. Molecular and pathologic insights from latent HIV-1 infection in the human brain[J]. Neurology, 2013,80(15):1415-1423.

[11] Kiyota T, Zhang G, Morrison CM, et al. AAV2/1 CD74 gene transfer reduces beta-amyloidosis and improves learning and memory in a mouse model of Alzheimer′s disease[J]. Mol Ther, 2015,23(11):1712-1721.

[12] Gorry PR, Ong C, Thorpe J, et al. Astrocyte infection by HIV-1: mechanisms of restricted virus replication, and role in the pathogenesis of HIV-1-associated dementia[J]. Curr HIV Res, 2003,1(4):463-473.

[13] Carroll-Anzinger D, Al-Harthi L. Gamma interferon primes productive human immunodeficiency virus infection in astrocytes[J]. J Virol, 2006,80(1):541-544.

[14] Walker DG, Lue LF. Immune phenotypes of microglia in human neurodegenerative disease: challenges to detecting microglial polarization in human brains[J]. Alzheimers Res Ther, 2015,7(1):56.

[15] Cherry JD, Olschowka JA, O′banion MK. Neuroinflammation and M2 microglia: the good, the bad, and the inflamed[J]. J Neuroinflammation, 2014,11:98.

[16] Jayadev S, Yun B, Nguyen H, et al. The glial response to CNS HIV infection includes p53 activation and increased expression of p53 target genes[J]. J Neuroimmune Pharmacol, 2007,2(4):359-370.

[17] Borgmann K, Ghorpade A. HIV-1, methamphetamine and astrocytes at neuroinflammatory crossroads[J]. Front Microbiol, 2015,6:1143.

[18] Bethel-Brown C, Yao H, Callen S, et al. HIV-1 Tat-mediated induction of platelet-derived growth factor in astrocytes: role of early growth response gene 1[J]. J Immunol, 2011,6:S25-S26.

[19] Kiyota T, Morrison CM, Tu G, et al. Presenilin-1 familial Alzheimer′s disease mutation alters hippocampal neurogenesis and memory function in CCL2 null mice[J]. Brain Behav Immun, 2015,49:311-321.

[20] Ronaldson PT, Bendayan R. HIV-1 viral envelope glycoprotein gp120 triggers an inflammatory response in cultured rat astrocytes and regulates the functional expression of P-glycoprotein[J]. Mol Pharmacol, 2006,70(3):1087-1098.

[21] Wallace DR. HIV neurotoxicity: potential therapeutic interventions[J]. J Biomed Biotechnol, 2006,2006(3):65741.

[22] Yang J, Hu D, Xia J, et al. Enhancement of NMDA receptor-mediated excitatory postsynaptic currents by gp120-treated macrophages: implications for HIV-1-associated neuropathology[J]. J Neuroimmune Pharmacol, 2013,8(4):921-933.

[23] Raber J, Toggas SM, Lee S, et al. Central nervous system expression of HIV-1 Gp120 activates the hypothalamic-pituitary-adrenal axis: evidence for involvement of NMDA receptors and nitric oxide synthase[J]. Virology, 1996,226(2):362-373.

[24] Zhang G, Kiyota T, Batrakova EV, et al. Inhibitory effect of nanozymes on amyloid beta aggregation and oxidative stress: a new therapeutic implication for alzheimer′s disease[J]. J Neuroimmune Pharmacol, 2012,7:S61-S61.

[25] Haughey NJ, Nath A, Mattson MP, et al. HIV-1 Tat through phosphorylation of NMDA receptors potentiates glutamate excitotoxicity[J]. J Neurochem, 2001,78(3):457-467.

[26] Eugenin EA, King JE, Nath A, et al. HIV-tat induces formation of an LRP-PSD-95- NMDAR-nNOS complex that promotes apoptosis in neurons and astrocytes[J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2007,104(9):3438-3443.

[27] Yilmaz A, Price RW, Gisslen M, Antiretroviral drug treatment of CNS HIV-1 infection[J]. J Antimicrob Chemother, 2012,67(2):299-311.

[28] Nowacek A, Gendelman HE. NanoART, neuroAIDS and CNS drug delivery[J]. Nanomedicine (Lond), 2009,4(5):557-574.

[29] Guo D, Zhang G, Wysocki TA, et al. Endosomal trafficking of nanoformulated antiretroviral therapy facilitates drug particle carriage and HIV clearance[J]. J Virol, 2014,88(17):9504-9513.

[30] Goodfellow VS, Loweth CJ, Ravula SB, et al. Discovery, synthesis, and characterization of an orally bioavailable, brain penetrant inhibitor of mixed lineage kinase 3[J]. J Med Chem, 2013,56(20):8032-8048.

[31] Zhang G, Guo D, Dash PK, et al. The mixed lineage kinase-3 inhibitor URMC-099 improves therapeutic outcomes for long-acting antiretroviral therapy[J]. Nanomedicine, 2016,12(1):109-122.