脑损伤炎症反应与干细胞免疫调控研究

徐如祥 高谋

脑损伤是中枢神经系统（central nervous system，CNS）损伤性疾病，其发病率、致死率和致残率居高不下，给家庭及社会带来沉重的负担[1-2]。研究发现各种类型的颅脑损伤、脑血管疾病、癫痫和神经系统变性疾病导致的原发性和继发性脑损伤均有炎症反应参与[1-2]。脑损伤炎症反应是以多种免疫细胞活化、细胞因子释放以及补体系统激活等为主要特征，其在脑损伤发生发展各个阶段发挥着复杂而又重要的作用[3]。本文围绕脑损伤炎症反应与干细胞免疫调控研究进行评述。

一、脑损伤炎症反应

（一）免疫细胞

免疫细胞是脑损伤炎症反应的重要参与者，其作用呈双向性，既可保护神经，也可损害神经[4-5]。小胶质细胞一方面可有效清除细胞碎片、呈递抗原和分泌生长因子促进组织修复，另一方面可通过释放大量炎性因子加剧脑损伤[4]。星形胶质细胞可促进脑损伤后神经修复，起到支持和保护神经细胞的作用，但星形胶质细胞增生形成的胶质瘢痕不利于轴突再生，而且其分泌的细胞因子也可加重炎症反应。中性粒细胞产生的大量细胞因子、炎性介质、蛋白质水解酶和氧自由基等能直接损伤神经细胞，造成神经功能障碍，也可损伤血管内皮细胞，导致血脑屏障功能紊乱、脑血管闭塞、循环障碍、出血及组织水肿，而这些病变又将进一步加重脑损伤[6]。

此外，免疫细胞极性转变也影响了脑损伤炎症反应。M1 型巨噬细胞可吞噬细胞碎片，活化多种免疫细胞并增加免疫细胞浸润，具有加剧脑损伤的潜在风险；而M2 型巨噬细胞主要产生抗炎因子和促进组织修复的细胞因子对神经功能恢复起到支持作用[7]。研究发现免疫细胞极性转变受多种因素影响，而不同类型免疫细胞浸润数量可作为衡量脑损伤预后的重要指标[7]。与巨噬细胞类似，小胶质细胞可分化为M1 型小胶质细胞，通过分泌炎性因子白细胞介素-1（interleukin-1，IL-1）、肿瘤坏死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、活性氧等促进炎症反应加重神经损伤；而M2 型小胶质细胞，可通过分泌抗炎因子IL-4 和IL-10 等抑制炎症反应，起到神经保护作用。

除固有免疫细胞外，T 细胞在脑损伤炎症反应中也起到重要的调节作用，其既可释放炎性因子加剧脑损伤，也可产生IL-10 等抑制炎症反应介导的继发性脑损伤，并促进成神经细胞增殖[8]。调节性T细胞可通过接触抑制和释放细胞因子抑制脑损伤炎症反应，如调节免疫细胞活化与极性转变、抑制炎症细胞浸润、抑制炎性介质产生释放、减少全身炎症反应以及维持CNS 免疫稳态。此外，调节性T 细胞还可释放CCN3 促进髓鞘再生，重塑神经环路[9]。

（二）细胞因子

参与脑损伤炎症反应的细胞因子可影响多种细胞的生物学行为，活化免疫细胞，诱导其极性转变，并在细胞间传递信息。细胞因子IL-6 和胰岛素样生长因子-1（insulin-like growth factor-1，IGF-1）等在诱导巨噬细胞极性转变中发挥了关键作用。另外，炎性因子可刺激细胞产生氧自由基，加重氧化应激损伤。脑损伤后一些细胞因子异常增加可加重神经损伤。其中IL-1β 参与脑损伤后脑水肿形成，可破坏血脑屏障，激活免疫细胞，加剧炎症反应引起的神经损伤；核转录因子可趋化免疫细胞浸润到CNS；血小板活化因子可介导免疫细胞局部聚集，引起血管痉挛闭塞，损伤血管内皮细胞，破坏血脑屏障；肿瘤坏死因子可收缩血管，减少脑血流量，加剧缺血缺氧性脑损伤[10]。此外，抗炎因子如IL-10 也参与了脑损伤炎症反应，并发挥了抑制炎性因子产生、促进神经修复和重塑神经环路等积极作用。

（三）补体系统

补体系统激活可加剧脑损伤炎症反应。C5b-9是补体系统激活形成的膜攻击复合物，在脑损伤疾病模型中可见大量C5b-9 沉积于神经细胞上，介导神经细胞损伤。脑损伤后神经细胞中可检测到补体C3 的活化产物如C3d 大量沉积，沉积的补体活化产物可影响神经细胞生物学行为，甚至破坏神经细胞的正常细胞结构。此外，补体活性片段C3a 与C5a可趋化外周免疫细胞浸润到CNS 内，进一步加重脑损伤，而且C3a 与C5a 参与介导的炎症反应可累及全身多器官系统[11]。研究发现小胶质细胞和星形胶质细胞可表达补体调节分子发挥抑制补体活化的作用，从而避免补体活化产物介导的细胞损伤[12]。然而，由于神经细胞低表达这类补体调节分子，其更容易遭受补体系统的攻击[12]。补体系统在神经发育中扮演重要角色，对轴突再生和神经功能重塑起到重要的调控作用。

综上所述，尽管炎症反应可起到保护、防御、清除神经毒素和促进组织再生修复等有益作用，但是过度的炎症反应将加重脑损伤，甚至出现局部和/或全身的急危重症，并有导致神经退行性病变的潜在风险，因此调控脑损伤炎症反应可有效减轻神经损伤，有利于神经修复与再生，进而改善患者预后。目前针对炎症反应的免疫疗法主要有激素、免疫抑制剂、免疫靶向药物和干细胞等，其中以干细胞免疫调控技术为主的治疗方法在CNS 疾病中的应用备受关注。

二、干细胞免疫调控

（一）间充质干细胞

干细胞是一类具有自我更新与多向分化潜能的种子细胞，可在组织损伤修复中发挥细胞替代、营养支持和免疫调控等作用，其中干细胞免疫调控的作用机制较为复杂，是目前研究的热点。在缺血导致的脑损伤炎症反应中环氧化酶2（cyclooxygenase-2，COX-2）可介导P38 丝裂原活化蛋白激酶（mitogenactivated protein kinase，MAPK）等多条炎症通路参与脑损伤，研究发现干细胞具有降低COX-2 表达量的作用，因而抑制了这些炎症通路介导的神经损伤。间充质干细胞（mesenchymal stem cell，MSC）具有免疫原性低的特点，可与多种免疫细胞相互作用，主要通过直接接触与旁分泌途径影响多种免疫细胞的生物学行为，此外MSC 能够快速迁移到达炎症部位，及时发挥免疫调控作用[13]。

研究发现MSC 通过旁分泌前列腺素E2（prostaglandin E2，PGE2）可促进参与脑损伤炎症反应的小胶质细胞/巨噬细胞由M1 型向M2 型转变，分泌抗炎因子IL-10，并减少IL-1β、IL-6 和TNF-α的表达[14]。MSC 通过旁分泌多种生物活性物质，例如吲哚胺2,3 双加氧酶（indoleamine 2,3 dioxygenase，IDO）、PGE2 和人类白细胞抗原G5 可抑制自然杀伤细胞的活性及其增殖，并降低其介导的细胞毒性效应，包括裂解MSC 的作用。此外，MSC 旁分泌的PGE2 可结合树突状细胞EP4 受体，激活PI3K 通路，抑制树突状细胞的活性及其增殖和迁移，降低其呈递抗原的作用，并减少其分泌炎性因子IL-2 和IL-18，从而降低T 细胞的活化效率[15]。

除影响固有免疫细胞外，MSC 也可影响T 细胞的激活与分化。MSC 旁分泌IDO 可抑制T 细胞增殖，介导T 细胞发生细胞凋亡；MSC 旁分泌TGF-β和肝细胞生长因子可抑制效应T 细胞增殖；MSC 旁分泌的多种细胞因子还可抑制CD8 阳性细胞毒性T 细胞增殖，并降低其活性，下调IL-2 和TNF-α 水平，减轻毒性效应[16]。此外，MSC 可通过分泌生长因子促进调节性T 细胞增殖，显著上调调节性T 细胞的比例，发挥抗炎效应。MSC 可调控辅助性T 细胞（T helper cell，Th）的分泌，降低γ-干扰素和IL-17水平，提高IL-10 水平，抑制T 细胞分化为Th17 细胞。研究发现MSC 可抑制T 细胞内核转录因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）通路活化，并能激活FAS-FASL 通路，介导致炎T 细胞发生细胞凋亡，同时促进T 细胞转变为调节性T 细胞。另外，MSC 可趋化T 细胞迁移，并通过与T 细胞直接接触抑制T 细胞向Th17 细胞方向分化，减少炎性因子IL-17 和IL-22 的分泌。

MSC 可抑制B 细胞激活和增殖。MSC 通过阻断B 细胞的细胞周期，干扰其分化为成熟的浆细胞，减少多种免疫球蛋白产生。MSC 通过调控B 细胞趋化因子受体，可介导调节性B 细胞分泌IL-10，抑制炎症反应。MSC 通过与B 细胞直接接触，激活PD-1/PD-L1 通路可抑制B 细胞增殖。另外，MSC 通过直接接触方式也可诱导B 细胞向调节性B 细胞方向转变，增加IL-10 的分泌。

研究发现MSC 免疫调控作用可受多种因素影响，具有一定的可塑性。在少量炎性因子TNF-α 或大量抗炎因子IL-10 等刺激下MSC 可发挥促进炎症反应的作用，包括趋化免疫细胞浸润，促进免疫细胞增殖，提高炎症细胞比例，抑制抗炎因子释放[17]。例如，MSC 可通过释放IL-6 减少中性粒细胞凋亡，也可通过IL-8 和MIF 募集中性粒细胞，增强其清除病原体的作用。另一方面，MSC 释放的微囊泡可抑制中性粒细胞迁移，抑制其过度激活，减轻脑损伤。基于MSC 此类生物学特性，有望实现精准调控脑损伤炎症反应这一目标。

除影响多种免疫细胞增殖、分化及活性外，MSC还可通过多种途径调控脑损伤炎症反应：（1）MSC可表达多种补体调节分子（例如Crry、Cd46 和Cd55）抑制脑损伤后补体系统激活，减轻补体介导的神经损伤；（2）MSC 可借助微囊泡和隧道纳米管等将健康的线粒体转运给受损伤的神经细胞，以恢复其有氧呼吸，并减少细胞凋亡，从而减轻脑损伤炎症反应；（3）MSC 外泌体具有与MSC 类似的作用，可参与细胞间通讯、免疫应答、呈递抗原，影响细胞免疫和体液免疫；（4）MSC 外泌体可通过抑制炎性因子（例如IL-1β、TNF-α 和IL-6）的合成，调控脑损伤炎症反应，促进神经修复与再生[18]；（5）MSC 外泌体有助于维持神经系统正常功能及免疫稳态，可为“无细胞”治疗脑损伤提供新的模式，无需再考虑干细胞移植的安全性及存活率低等问题。

（二）神经干细胞

神经干细胞（neural stem cell，NSC）与MSC 类似，具有免疫原性低的特性，NSC 经静脉移植可在免疫器官组织中存活，并可与多种免疫细胞相互作用，影响其生物学行为[19-20]。NSC 可抑制树突状细胞活化，抑制T 细胞增殖，诱导Th1 型细胞凋亡，抑制小胶质细胞/巨噬细胞MAPK 通路，减轻脑损伤炎症反应[19-20]。此外，NSC 可抑制炎性因子（如IL-1β、IL-6和TNF-α）和炎性介质COX-2 发挥抗炎作用。NSC通过抑制炎性因子对星形胶质细胞的刺激作用，抑制星形胶质细胞增生形成胶质瘢痕。在脑损伤炎症反应中，NSC 可通过表达趋化因子及其受体传递信息，发挥免疫调控作用。在CNS 变性疾病中，NSC 可减轻神经炎症反应[21]。

笔者曾将小鼠NSC 与MSC 经立体定向注射到脑损伤模型动物脑内，结果发现移植的NSC 与MSC可影响脑损伤后免疫细胞浸润和炎性因子表达[22]。NSC 与MSC 移植物均可有效减少脑组织中浸润的小胶质细胞/巨噬细胞的数量。此外NSC 移植物明显减少了脑内浸润的T 细胞数量，增加了抗炎因子IL-10 的表达，而MSC 移植物则主要减少了炎性因子IL-6 和TNF-α 的表达。说明NSC 与MSC 在脑损伤炎症反应中均可起到免疫调控作用，但作用机制并不完全相同。因此，全面评估每种干细胞的免疫调控作用有助于合理选择脑损伤的治疗方案，充分发挥多种干细胞联合互补的优势。

（三）诱导型神经干细胞

诱导型神经干细胞（induced neural stem cell，iNSC）是由自体体细胞经重编程而来，具有类似于NSC 增殖与分化的特性，由于其避免了免疫排斥反应，也不受细胞来源及伦理学等限制，iNSC 的应用前景更加广阔[23-24]。笔者曾将iNSC 经立体定向注射到脑损伤模型动物脑内，结果发现iNSC 移植物明显抑制中性粒细胞、小胶质细胞、巨噬细胞和T 细胞浸润[25]。此外，iNSC 移植物明显降低脑损伤区炎性因子IL-1β、IL-8 和TNF-α 的表达，并显著抑制脑损伤区NF-κB 通路的活化。

进一步研究发现iNSC 移植物明显减少脑损伤区ED1 与Iba1 阳性小胶质细胞的数量，显著减少小胶质细胞分泌的TNF-α，明显增加小胶质细胞分泌的IGF-1，起到抗炎及促进神经再生修复的作用[26]。体外实验也证实iNSC 可显著抑制小胶质细胞活化，明显减少TNF-α 的分泌，显著增加IGF-1 的分泌，并有效抑制小胶质细胞NF-κB 通路的活化水平。此外，iNSC 可显著降低经脂多糖处理的小胶质细胞中趋化因子CXCL12 的表达水平，并通过CXCR4 调控小胶质细胞极性转变，从而抑制脑损伤炎症反应，减轻神经损伤。

由此可见，iNSC 可通过影响多种免疫细胞的生物学行为以及多种细胞因子的表达，调控脑损伤炎症反应，促进神经再生修复。笔者进一步研究发现经静脉移植的iNSC 可迅速迁移到达全身多器官组织中，并显著降低血清中补体活性片段C3a、C5a 和脑、肾和肺等组织中补体活化产物C3d、C5b-9 及细胞凋亡相关分子active Caspase-3、Bax 等水平，明显减少脑损伤区神经细胞表面沉积的补体活化产物C3d 和C5b-9[27]。说明经静脉移植iNSC 可通过抑制补体系统激活，减轻炎症反应介导的全身多器官组织的损伤。

笔者用脑损伤模型动物血清处理iNSC，发现可显著增加iNSC 表达补体调节分子Crry。iNSC 可通过表达Crry 调控补体系统激活，抑制补体C3 和C5b-9 介导的细胞损伤，改善脑损伤模型动物的神经功能，减轻脑水肿，促进血脑屏障功能恢复，抑制脑损伤区免疫细胞浸润，从而减轻脑损伤。进一步研究发现用脑损伤模型动物血清处理可明显抑制iNSC 分化的神经细胞及少突胶质细胞的活性。而iNSC 分化产物星形胶质细胞可通过表达Crry 明显减少补体C3 和C5b-9 沉积，有效减轻补体活化导致的细胞损伤[28]。另外，星形胶质细胞可通过分泌Crry 明显减少active Caspase-3 阳性神经细胞的数量，发挥神经保护作用。

三、展望

脑损伤炎症反应既可促进神经修复，也可加重神经损伤，以干细胞免疫调控技术为主的治疗方法有望实现精准调控脑损伤炎症反应和促进神经再生修复的目标[29-30]。已有大量研究证实干细胞在脑损伤及全身多器官损伤中的免疫调控作用，可通过直接接触与旁分泌等多种途径影响参与脑损伤炎症反应的免疫细胞、细胞因子和补体系统，发挥调控脑损伤炎症反应、促进神经再生修复等作用。随着对干细胞免疫调控作用机制的进一步研究，相信以干细胞为主的治疗策略将给脑损伤患者带来新的希望。