P2X7R介导的神经炎症在神经精神疾病中的作用

黄亚迪，杨坤丽，2，李雪盼，贾肖扬，李东亮,2※

(1.新乡医学院生理学与神经生物学教研室，河南 新乡 453003； 2.新乡医学院三全学院，河南 新乡 453003)

神经精神疾病包括精神分裂症、重度抑郁症和帕金森病(Parkinson′s disease,PD)等，其病因尚无定论，除遗传和环境因素外，神经炎症可能是导致神经精神疾病的潜在原因[1]。神经精神疾病患者脑脊液和脑组织中多种炎症标志物高表达，也为神经炎症在神经精神障碍发病中的重要作用提供了有力支持[2]。此外，某些先天性免疫功能改变不仅可引起脑的病理损伤，还可能影响神经精神疾病的发生、发展。有研究表明，小胶质细胞活化同样与神经精神疾病相关[3]。小胶质细胞是中枢神经系统的先天性免疫细胞，它通过对病原体的应答从而介导神经炎症反应。小胶质细胞的激活能进一步导致促炎性因子的释放，从而引起神经元的损伤和丢失[4]。除小胶质细胞外，星形胶质细胞和神经元异常活动也可能参与炎症的进程[5]。如果神经炎症在神经精神疾病的发病机制中起关键作用，那么抗感染治疗可能会为治疗这些疾病带来希望。

在中枢神经系统中,嘌呤能P2X7受体(purinergic P2X7 receptor，P2X7R)活化激活小胶质细胞，释放炎性因子从而引起神经炎症。作为以腺苷三磷酸(adenosine triphosphate,ATP)为配体的离子门控通道P2X受体家族中的一员，P2X7R在小胶质细胞中高水平表达[6]。小胶质细胞是白细胞介素(interleukin,IL)-1β释放的主要来源，但近年来研究表明神经元释放IL-1β同样重要[7]。Chrovian等[8]研究发现，受损细胞释放的高浓度ATP刺激P2X7R，可增加前列腺素E2的合成，导致损伤相关分子模式分子的释放，启动神经炎性级联反应。此外，P2X7R膜孔的形成可能是激活炎性体所必需的[9]。现对P2X7R介导的神经炎症与神经精神疾病的关系进行综述，拟为今后的神经精神疾病靶向药物研究提供新思路。

1 P2X7R的分布与膜孔形成

在1976年，Burnstock等首次报道了嘌呤受体[10]。嘌呤能受体可分为两大类:P1和P2受体，P2受体家族包含G蛋白偶联P2Y受体(P2Y1,2,4,6,11～14)和配体门控离子通道P2X受体(P2X1～7)[7]。P2X受体分布广泛，体内呼吸、消化、心血管、泌尿生殖、骨骼肌和神经系统均有分布，由胞内的N端和C端，2个跨膜区和1个胞外环结构组成[11]。P2X7R具有特殊的结构和功能，含有大量的单核苷酸多态性，编码人P2X7R的基因与双相情感障碍及抑郁症的易感性相关[12]。与其他P2X受体相比，P2X7R具有较长的C端，且表现有双相功能：与ATP结合，数毫秒内即可诱导非选择性阳离子通道的开放；可数秒内形成一个大的膜孔，允许分子量为900的分子通透，导致炎性细胞因子释放和细胞死亡[10]。P2X7R介导的质膜孔道开放机制目前仍不清楚[13]。质膜孔道的形成可能受P2X7R不同部位的影响，特别是其独特的C端区。有学者设想P2X7R通道可以随通透发展而逐渐扩张[9]。然而，近年来研究表明P2X7R膜孔的孔径大小无变化，抑制膜孔形成的化合物对离子通道功能无影响。总之，膜孔形成是由于通道内径扩大还是P2X7R介导的下游信号转导造成的仍有待明确[14]。然而，P2X7R膜孔形成的后果是膜电位的降低、促进谷氨酸释放、膜对大分子的通透性增加以及促凋亡级联信号的激活[9]。

P1和P2受体在大脑中高度表达，因此P1和P2受体的激活可调节一些正常的行为，如学习和记忆、睡眠和觉醒、情绪等。当然，这些受体的异常也可能涉及神经精神疾病[11]。神经系统中，P2X7R首先在小胶质细胞与星形胶质细胞中被发现，并且ATP是唯一已知的P2X7R的天然激活剂。值得注意的是，急性细胞损伤或死亡将导致大量的ATP和促炎细胞因子释放到细胞外环境中，而促炎细胞因子又可以增强P2X7R的表达以及对ATP刺激的灵敏度[15]。

2 P2X7R激活与神经炎症

P2X7R激活可通过许多特异性信号转导途径影响细胞的功能，包括含有Nod样受体蛋白3(Nod-like receptor protein 3，NLRP3)炎症小体的活化、IL-1等细胞因子的加工和释放、活性氧类、吞噬溶酶体的形成等[16]。P2X7R活化打开阳离子通道，激活包括炎性体在内的若干通路，激活蛋白激酶和促分裂原活化的蛋白激酶途径，导致细胞凋亡。除通道功能外，P2X7R通过NLRP3炎性复合体促进炎性细胞因子IL-1β和IL-18的释放研究得最充分[17]。NLRP3炎症小体作为转导危险信号和炎症发生的主要胞内蛋白复合体，可进一步激活胱天蛋白酶1促进IL-1β的加工分泌，将P2X7R与IL-1β释放偶联[18]。P2X7R在血细胞中大量表达，因此血液中的IL-1β已被用作P2X7活性的生物标志物，并已用于临床评估[19]。近年来对NLRP3炎症小体激活和IL-1β分泌机制的研究结果表明，K+渗出是激活NLRP3复合体的常见信号。胞内K+浓度下降，激活IL-1β转换酶，促进IL-1β和IL-18前体蛋白向成熟蛋白转化[20]。巨噬细胞的P2X7R被激活时，除通过NLRP3炎症小体诱导的IL-1β和IL-18释放外，也促进肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)等其他细胞因子的释放。这些均表明P2X7R在活化炎性细胞释放炎性因子中的重要角色。ATP激活P2X7R也促进巨噬细胞活性氧类的产生[21-22]。在骨髓细胞中，活性氧类生成增加的结果之一是促进IL-1β分泌。早期的报道表明，P2X7R诱导星形胶质细胞释放兴奋性氨基酸，如谷氨酸和天冬氨酸。P2X7R也可通过激活多种转录因子影响基因表达，具有诱导细胞凋亡的能力[23]。

神经炎症是指发生在中枢神经系统及周围神经系统中的炎症反应。感染、高热、缺血或缺氧等多种因素均可引起神经炎症的发生[24]。近年来P2X7R介导中枢神经系统障碍的疾病通路机制逐渐明确[15]。如上所述，P2X7R在星形胶质细胞和小胶质细胞中表达，并且随各种疾病状态表达上调。缺氧、局部缺血、机械损伤、细菌或化学毒素等应激信号引发P2X7R活化，大量ATP释放并进一步激活相邻细胞上的P2X7R[25]。随着Ca2+通过受体离子通道流入，P2X7R活化机制如下：①通过胞吐和其他机制从神经末梢和星形胶质细胞释放谷氨酸，引起兴奋性毒性；②促进IL-1β成熟，并通过NLRP3炎症小体和其他促进神经炎症的细胞因子进一步释放，参与神经炎症；③增强活性氧类产生，从而加重蛋白错误折叠和神经元损伤；④直接或间接导致细胞死亡和反应性星形胶质细胞增生；⑤直接或间接下调脑源性神经营养因子的产生和神经可塑性, 见图1[26]。

Stress signal:应激信号；AD:阿尔茨海默病；PD:帕金森病；HD:亨廷顿病；SE:癫痫持续状态；ALS:肌萎缩侧索硬化症；MS:多发性硬化症；Pain:疼痛；Mood disorders:情绪障碍；Nerve terminal:神经末梢；Cell death/reactive gliosis:细胞凋亡/胶质反应性增生；BDNF:脑源性神经营养因子；ATP:腺苷三磷酸；GLU:谷氨酸；NMDA:N-甲基-D-天冬氨酸受体；Protein misfolding:蛋白质错误折叠；Excitotoxicity:兴奋性毒性；Neuro inflammation:神经炎症；P2X7R:P2X7受体；ROS:活性氧类；TNF-α:肿瘤坏死因子α；IL-1：白细胞介素1；Panx1:泛连接蛋白1；TLR4:Toll样受体4；proIL-1β：IL-1β前体；Astrocyte:星形胶质细胞；Microglia:小胶质细胞；NLRP3:Nod样受体蛋白3

图1P2X7R介导神经炎症及其在常见神经精神疾病中的致病机制

3 P2X7R介导的神经炎症与神经精神疾病

目前认为IL-1β作为神经炎性介质在神经精神疾病的发生发展中起重要作用。患者炎症相关免疫基因富集的证据提示，神经炎症与抑郁症、双相情感障碍和精神分裂症常共同发病并非巧合，而恰恰是内在因果联系的表现[27]。精神分裂症、抑郁和焦虑、PD、多发性硬化症(multiple sclerosis，MS)、肌萎缩侧索硬化症、亨廷顿病(Huntington′s disease，HD)和癫痫均有炎症物质的表达[26]。近年来文献报道，使用P2X7R拮抗剂可治疗以炎症为特征的神经退行性疾病、可减轻辐射损伤，是预防创伤性脑损伤和脊髓损伤后继发性神经损伤，可改善脑缺血损伤的预后，预防少突胶质细胞的缺血性损伤等[28]。近年来P2X7R拮抗剂用于治疗精神疾病的研究也得到进展，氯丙嗪、氟哌啶醇等几种抗精神病药物可以拮抗P2X7R介导的反应，通过抑制P2X7R进而降低多巴胺能递质系统活动起到治疗作用[16]。因此，开发能透过血脑屏障的P2X7R拮抗剂作为抗精神疾病的药物受到广泛关注。越来越多的文献强调，P2X7-IL-1β通路在心境障碍包括抑郁症和双相情感障碍中的作用[7，15，22]。

3.1精神分裂症 精神分裂症涉及感知觉、思维、情感和行为等多方面的障碍以及精神活动的不协调。一般认为，精神分裂症属于神经发育障碍，胎儿期脑中促炎细胞因子增多和小胶质细胞激活的增强常导致脑发育异常，致使患精神分裂症概率增大。研究发现精神分裂症患者脑脊液中促炎性因子水平明显升高，神经炎症可能是精神分裂症的病因之一[29]。鉴于小胶质细胞和神经炎症在精神分裂症中的作用，P2X7R作为精神分裂症的潜在分子参与者也基本得到证实[30]。在使用苯环己哌啶诱导的啮齿动物精神分裂症模型中，P2X7R的遗传缺陷和药物抑制减轻了类似精神分裂症的行为改变，也表明P2X7R可能是精神分裂症潜在治疗靶点。

3.2抑郁症 抑郁症又称抑郁障碍，以显著而持久的心境低落为主要临床特征，是心境障碍的主要类型。临床和动物研究表明，应激刺激与抑郁症发生、发展过程密切相关。慢性应激刺激时，大脑中P2X7R mRNA上调和小胶质细胞激活，小胶质细胞的活化又促进了IL-1β等炎性细胞因子的释放[5]。脂多糖诱导的抑郁症小鼠模型的IL-1β和TNF-α水平明显上调，抑制P2X7/核因子κB信号通路，则可有抗抑郁的效果[31]。同样有研究指出，IL-1β不仅与老年抑郁症和产后抑郁症产生有关，其水平还与抑郁的严重程度呈正相关[11]。在压力诱导的抑郁动物模型研究中显示IL-1β信号转导对抑郁样表型的发展至关重要[32]。P2X7R敲除小鼠表现出抗抑郁和抗狂躁表型，而P2X7R拮抗剂考马斯亮蓝的抗抑郁作用也已报道。综上所述，P2X7R可能与抑郁症的发生发展密切相关。

3.3癫痫 癫痫是一组以反复发作大脑神经元突发性异常放电，导致短暂大脑功能障碍的慢性疾病。癫痫可发生在所有年龄段的人群，全球约有6 000万人患有该病[33]。与一般人群相比，癫痫患者的预期寿命缩短2%～10%，病死率增加2～3倍，伴有一系列共患疾病的风险增加4倍，如抑郁和焦虑等影响生活质量的神经精神疾病[33]。持续神经变性、血脑屏障通透性增加和细胞外基质重组是癫痫特征性改变。研究表明，癫痫的这些改变是基于星形胶质细胞和小胶质细胞激活而引发的[33]。静息状态时脑小胶质细胞表达P2X7R，遇到刺激时小胶质细胞激活并释放IL-1β调节神经炎症反应，加剧癫痫发生[34]。神经炎性可以增加神经元兴奋性，降低痫性发作的阈值，介导神经元凋亡等，在癫痫发病中起重要作用[35]。在癫痫患者和实验模型中发现促炎症细胞因子(如IL-1β和TNF-α)的释放均增加。Rodriguez-Alvarez 等[36]研究发现，P2X7R拮抗剂可有效控制缺氧诱导的新生小鼠癫痫发作,联合使用P2X7拮抗剂考马斯亮蓝和A-438079后也缩短了癫痫持续状态时程。由此可见，P2X7R和NLRP3炎症小体在癫痫发作中在扮演着重要角色，可能成为治疗癫痫发作的重要靶点。

3.4PD PD是一种中老年人常见的进行性脑病，主要涉及运动、语言和其他能力的障碍，如四肢的静止震颤，肌肉强直，姿势失衡和运动迟缓。PD的病理特征是黑质致密部多巴胺能神经元的逐渐丢失和投射至纹状体区的多巴胺递质减少[37]。α突触核蛋白是中枢神经系统突触前及核周表达的可溶性蛋白质，它与PD的发病机制和相关功能障碍密切相关[38]。研究发现，脑内α突触核蛋白积聚可触发大量ATP释放，从而激活小胶质细胞上的P2X7R，增加活性氧类的产生进而激活NLRP3炎症小体，引起IL-1β的异常产生和释放，导致多巴胺能神经元的损伤[39]。同时，P2X7R在长时间较高浓度ATP的刺激作用下形成质膜孔道，也可导致多巴胺能神经元变性、坏死，而P2X7R拮抗剂考马斯亮蓝可以阻断这一进程[40]。此外，P2X7R活化可能又有助于α突触核蛋白聚集，加重PD病情[41]。因此，P2X7R与PD的发生密切相关，抑制其活化可能对PD患者有重要的临床意义。

3.5HD HD是由神经元中亨廷顿蛋白的IT15基因突变引起的遗传性神经疾病，其症状包括运动症状、认知功能障碍及精神障碍，多发生于40岁左右的成年人。需要指出的是，正常的亨廷顿蛋白本身具有多种功能，而亨廷顿蛋白变异则会导致功能紊乱。舞蹈症是HD的典型症状，所以这一疾病也被称作亨廷顿舞蹈病。HD是由于纹状体和大脑皮质神经元亨廷顿蛋白变异所造成的神经毒性作用，最终导致神经元功能障碍。有证据表明，阻滞ATP生成可降低HD脑细胞死亡[42]。在Tet/HD94和R6/1两种HD小鼠模型中，神经元P2X7R表达以及P2X7R诱导的Ca2+通透性增加，而用P2X7R拮抗剂考马斯亮蓝可改善运动协调障碍和减轻体重，同时抑制神经元损失[43]。以上研究均表明P2X7R可能在HD的发生演化中有重要作用，且P2X7R拮抗剂有望成为HD的治疗药物。

3.6MS MS是中枢神经系统的进行性疾病。据估计全球约250万人MS患者，其症状包括运动障碍，认知、视觉和感觉缺陷，疲劳和疼痛等，在25～45岁青壮年高发，其病因尚不清楚[44]。据研究，环境和遗传因素在疾病发展中起作用[44]。MS以弥漫性轴索损伤、星形胶质细胞和小胶质细胞增生、少突胶质细胞损伤、炎性病灶损伤和T细胞的活化为特征[44]。实验性自身免疫性脑脊髓炎(experimental autoimmune encephalomyelitis,EAE)小鼠是目前认可的MS动物模型，P2X7R在EAE小鼠中过表达[45]。进一步研究发现，敲除P2X7R的EAE小鼠，中枢神经系统淋巴细胞凋亡的数量减少，脊髓中γ干扰素的表达增加，轴突损伤减轻而TNF-α和IL-2水平基本无改变。在EAE小鼠慢性期给予P2X7R拮抗剂后，轴突传导和神经系统潜伏期得到改善，症状和组织损伤减轻，髓鞘再生增加[45]。Yiangou等[46]提出了MS的P2X7R机制：星形胶质细胞死亡引起的细胞外ATP水平增加，激活小胶质细胞和巨噬细胞中的P2X7R，从而刺激IL-1β产生和释放。IL-1β又引发炎症和组织损伤，诱导环加氧酶2的产生，加剧细胞凋亡。值得一提的是，P2X7R拮抗剂(考马斯亮蓝)用于治疗MS的神经变性已获得专利(EP1655032B1)，为临床和研究提供了新的工具[47]。

4 小 结

神经精神疾病的医疗需求在迅速增加，而目前的治疗策略并没有理想的临床效果。P2X7R作为神经元-神经胶质通讯的关键调节位点，参与神经保护，神经变性和神经再生相关信号转导途径的调节，已成为神经精神疾病新的治疗干预的靶点而受到关注。临床试验中的P2X7R拮抗剂即将作为神经精神障碍的辅助药物而应用。已有的证据表明P2X7R介导小胶质细胞的活化和促炎性因子共同作用是许多神经精神疾病发生发展的重要原因[13]。因此，通过进一步明确P2X7R在神经炎症中的作用机制，明确其中重要的信号通路和靶点，可能为神经精神疾病临床治疗药物的开发提供新思路。