创伤性脑损伤相关神经炎症的研究进展

宋鸽，刘晓银，史新宇，叶益超，张赛△

创伤性脑损伤（traumatic brain injury，TBI）是一个全球性的公共健康问题，全球每年有超过5 000万患者，其中我国TBI 患者的数量超过了世界上大多数国家，给社会和家庭造成了巨大的负担［1］。重度TBI 具有高病死率的特点，且近60%的幸存者存在后遗症，包括身心疾病、工作障碍等［1］。在TBI 后几分钟内，受损区域及周围正常组织的分子通路被激活，导致神经炎症、兴奋性氨基酸毒性、线粒体功能障碍、氧化应激、钙离子超载和血脑屏障（bloodbrain barrier，BBB）破坏等，从而造成脑缺血、水肿、细胞毒性肿胀和颅内压升高。其中，神经炎症在TBI 全病理过程中起着重要作用，对其病理机制的研究是TBI 精准治疗的关键。因此，本文简要阐述了与TBI有关的神经炎症反应的最新进展，为TBI相关疾病的治疗研究提供理论基础。

1 TBI与神经炎症

脑创伤后的神经炎症的特点是颅内细胞的活化、白细胞的迁移和募集、细胞因子和趋化因子等介质的上调和分泌。中枢神经系统（central nervous system，CNS）的原发性损伤会导致细胞膜破裂，血管破裂和BBB破坏，随后发生一系列继发性反应，包括离子失衡、兴奋性氨基酸释放、钙超载和线粒体功能障碍等，最终造成细胞死亡。在此病理过程中会释放大量损伤相关分子模式（damage-associated molecular pattern，DAMP）、细胞因子和趋化因子，活化小胶质细胞和星形胶质细胞，并且募集循环免疫细胞。炎症反应对TBI 后的碎片清除、修复和再生至关重要，而炎症失调会造成急性和慢性脑损伤［2］。因此，了解TBI 后相关炎症反应的调节机制十分重要。以下将从TBI后急性炎症反应的分子调节机制和细胞调节机制进行介绍。

2 分子调节机制

TBI 后，颅内细胞会释放大量内源性因子，如炎症小体、线粒体DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）、热激蛋白和高迁移率族蛋白B1（high-mobility group box 1，HMGB1），它 们 作 为DAMP 与 核 因 子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）和丝裂原活化蛋白激酶通路的Toll 样受体（Toll-like receptor, TLR）相结合，引起多种趋化因子（chemokine ligands，CCL）及其受体（chemokine receptor，CCR）和促炎性细胞因子的释放，包括CCL2/CCR2、CXCL12/CXCR4和白细胞介素（interleukin，IL）中的IL-1β和IL-6等［3］。

2.1 细胞因子和趋化因子 细胞因子是由免疫细胞（巨噬细胞、中性粒细胞等）和非免疫细胞（内皮细胞、神经胶质细胞等）分泌的一类可溶性多肽，与免疫活化和炎症反应相关。根据细胞因子对炎症的不同调节作用可分为促炎性因子（如IL-1、肿瘤坏死因子-α）和抗炎性因子（如IL-10）两类。TBI 后，CNS的星形胶质细胞、小胶质细胞和神经元分泌大量IL-1β，可加剧神经元损伤［4］。在局灶性TBI 小鼠模型中，阻断IL-1α 和IL-1β 受体后能减弱其炎症反应并改善认知功能［5］。有临床研究证实，孤立性TBI患者入院时出现全身性炎症反应综合征是预后不良的重要预测指标［6］。中度或重度TBI 患者伤后6～24 h脑脊液和血浆中IL-8 水平会增高，并与TBI 后6 个月扩展版格拉斯哥预后量表（GOSE）功能评分呈负相关，且IL-8水平的升高也会导致伤后12个月内抑郁症状的增加［7］。与之相反，IL-10可减少促炎性细胞因子的合成，调节机体免疫及炎症，但IL-10的表达水平与TBI损伤严重程度呈正相关［8］。

趋化因子是细胞因子家族中的一个大亚群，可将免疫细胞吸引到损伤或感染部位。与TBI有关的趋化因子、受体及其配体有很多种，包括CCL2/CCR2、CXCL8/CXCR2、CXCL12/CXCR4、CXCL10/CXCR3等。受损脑组织中趋化因子CXCR2升高，可诱导中性粒细胞向损伤部位迁移［9］。与正常小鼠相比，CCR2 敲除小鼠经历TBI 后，巨噬细胞的浸润减少，神经元密度显著增加，运动能力、空间学习和记忆能力得到了改善［10］。CXCL12/CXCR4轴在中枢神经系统的发展中起着重要作用。有研究证实，大鼠经受液压冲击损伤后，CXCL12可促进神经干细胞和神经祖细胞向受损脑区的迁移，与其受体CXCR4结合后可增强神经前体细胞的增殖［11］。

2.2 DAMPs DAMPs是一种相关胞内蛋白，当机体组织受损时，由损伤或坏死细胞释放，在细胞内常以螯合分子的形式存在。DAMPs 与巨噬细胞、小胶质细胞、星形胶质细胞和其他先天免疫系统细胞上表达的模式识别受体（pathogen-associated molecular patterns，PAMP）相结合，并通过促进细胞因子的分泌来维持免疫应答，作用于损伤部位，引起炎症反应［12］。

2.2.1 HMGB1 DAMPs分子中的HMGB1是一种非组蛋白染色体结合蛋白，在稳定核小体结构、调控转录因子及DNA 的复制、修复和重组中发挥重要作用，是TBI 后炎症反应的核心成分［13-14］。HMGB1 可通过受损和坏死的细胞被动释放或免疫细胞主动释放，并与晚期终末糖基化产物受体（receptor for advanced glycation end product，RAGE）和TLR 等表面受体结合，然后通过NF-κB 途径触发信号级联［15］。NF-κB 发生核易位后，细胞释放大量促炎性细胞因子，引发炎症反应的级联扩增。有研究证实，使用HMGB1抑制剂可维持TBI小鼠的BBB功能，减少颅内促炎性细胞因子（如IL-1β、IL-6和肿瘤坏死因子-α）的释放，减轻脑水肿程度的同时具有神经保护作用，减少细胞凋亡并改善其功能［16］。

2.2.2 mtDNA 线粒体广泛分布于神经元轴突、末梢和树突上。TBI 后急性线粒体破坏导致线粒体结构、功能和代谢的改变，引起供能障碍，可导致大量的神经元死亡。线粒体的成分释放到胞外时会产生DAMPs的作用，线粒体DAMPs包括mtDNA、N-甲酰肽和线粒体转录因子A。一个细胞含有多种mtDNA，细胞损伤后释放到循环中的mtDNA 可以通过TLR9 激活中性粒细胞p38 丝裂原活化蛋白激酶信号通路，并促进全身性炎症反应综合征的发展［17］。有研究证实，反复性的轻度TBI 30 d后，下丘脑和杏仁核中的mtDNA 数量依旧显著升高［18］。在猪弥漫性TBI模型中，血液中mtDNA的相对拷贝数在6 h和25 h时升高，而在猪液压冲击脑损伤模型中，mtDNA的相对拷贝数显著降低，并于25 h时达到最低值，且在血液中释放缓慢［19］。

2.3 炎症小体 炎症小体是一种胞质多蛋白复合物，可被DAMPs激活，进而活化caspase-1，释放成熟的IL-1β 和IL-18，从而促进细胞凋亡，并可调节固有免疫，引起机体的炎症反应［20］。在多种炎症小体中，核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白（nucleotide-binding oligomerization domain，NLRP）中的NLRP1 和NLRP3 与TBI 相关度最高。有研究证实，在患有重度TBI 的儿童和成人的脑脊液中，NLRP3 或NLRP1 增高与预后不良有关［21］。NLRP3抑制剂可减少TBI 小鼠小胶质细胞活化、白细胞募集和IL-1β的分泌，同时减轻脑水肿和组织损失，改善认知和神经功能［22］。NLRP1 和NLRP3 可作为未来TBI治疗的靶点。

3 细胞调节机制

受损神经元组织释放的趋化因子可募集免疫细胞。根据TBI 的脑损伤范围（局灶性或弥散性）不同，这些细胞的反应也略有不同。局灶性损伤的特征是中性粒细胞早期浸润，然后小胶质细胞、星形胶质细胞、巨噬细胞和淋巴细胞向损伤部位迁移［23］。在弥漫性脑损伤中，早期的细胞反应主要包括小胶质细胞积聚和星形胶质细胞增多，而几乎没有中性粒细胞浸润［24］。

3.1 中性粒细胞 局灶性脑创伤后最先渗透到CNS的循环免疫细胞是中性粒细胞，通常在24～48 h内可达到峰值［23］。研究发现，TBI 后中性粒细胞的数量显著增加，它们被募集到大脑受伤部位的同时，破坏BBB，并释放自由基、蛋白酶和促炎性细胞因子，加剧组织损伤［25］。有文献报道，IL-23/IL-17 轴可调节粒细胞集落刺激因子的分泌并间接影响中性粒细胞生成，而受创伤的脑组织中趋化因子CXCR2升高，可诱导中性粒细胞迁移［9］。中性粒细胞可通过血管细胞黏附分子与内皮细胞结合，并沿内皮层滚动，随后在整合素的作用下浸润于脑受损部位［26］。同时，中性粒细胞释放的活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）和基质金属蛋白酶9（matrix metalloprotein 9，MMP-9）会影响TBI 后小胶质细胞反应［27］，并可驱动TBI的继发性损伤级联反应。

3.2 小胶质细胞 小胶质细胞是CNS的巨噬细胞，在大脑中可发挥清除碎片、改善突触调节的作用，并通过吞噬和消除突触来改善突触回路，在TBI 后的炎症中起到极其重要的作用［28］。最新数据表明，小胶质细胞的功能与其表面的抗原有关，在不同的刺激条件下表面抗原会发生变化，从而发挥不同作用［29］。正常情况下，带有分支样突起的小胶质细胞胞体处于静息状态，其细胞表面抗原表达低。TBI后，小胶质细胞可以在M1和M2表型之间切换，少量促炎性因子可诱导M1型小胶质细胞生成，进而释放高浓度促炎性因子（如干扰素-γ、肿瘤坏死因子-α、IL-1β）、趋化因子、ROS，导致慢性神经炎症、氧化应激和神经变性，并抑制神经再生。M2样小胶质细胞则释放抗炎细胞因子，从而减少炎症［30］；此外，小胶质细胞还具有较强的吞噬活性，并通过促进CNS 损伤后的神经发生和髓鞘再生来改善大脑修复［31］。有研究发现，轻度TBI 造模5 d 后经脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）刺激的大鼠可在24 h 内产生过量的促炎性细胞因子，3 个月后仍然有持续的小胶质细胞活化和行为缺陷存在［32］。

3.3 星形胶质细胞 星形胶质细胞在脑中含量丰富，是TBI后炎症反应的重要组成部分，也对BBB的维持十分重要。脑损伤发生后，星形胶质细胞迅速激活或增殖，其中细胞骨架蛋白、波形蛋白、胶质原纤维酸性蛋白和S100的表达上调，并向损伤部位迁移，原发性局灶性脑损伤的部位被反应性星形胶质细胞层包围［33］。反应性星形胶质细胞可防止谷氨酸毒性，并通过防止谷氨酸毒性、防止氧化还原应激、调节线粒体修复机制、防止葡萄糖诱导的代谢应激、防止铁毒性、在DNA损伤的情况下维持组织稳态的方式来保护神经元［34］。与此同时，反应性星形胶质细胞形成的神经胶质瘢痕可作为损伤区域的屏障，抑制炎症细胞的迁移，从而限制神经毒素向未受影响的大脑区域扩散，但是神经胶质瘢痕也可损害轴突的生长［35］。

4 继发性脑损伤（secondary brain insult，SBI）

SBI 是指原发性脑损伤后触发了一系列复杂的内源性病理生理过程而造成神经细胞损伤。超过50%重度TBI 患者出现SBI，致使其病情恶化［36］。SBI 涉及多个细胞过程，包括ROS 生成、神经炎症、内质网应激、线粒体功能障碍、细胞凋亡和兴奋性毒性［37-39］，而常见的引起SBI 的因素包括缺氧、低血压和体温过高等，这些因素与TBI 后炎症反应的关系密切，同时引起脑组织缺氧或营养不良，导致细胞能量衰竭［40］。

4.1 脑缺氧 脑缺氧是由于气道阻塞、呼吸衰竭、胸肺部或其血管受到任何其他伤害所致。重度TBI并发肺挫伤、误吸、肺炎、肺不张和急性呼吸窘迫综合征的患者患低氧血症的概率很高，可增加患者的病死率［41］。TBI后供氧不足引起的细胞能量危机会导致电解质失衡，异常的兴奋性神经递质的释放，并进一步破坏线粒体代谢，从而导致自由基积聚过多。随着神经炎症反应的继续，凋亡相关蛋白可启动细胞凋亡［42］。临床前模型也证实了这一观点，TBI 后低氧血症加剧脑水肿和缺血、神经炎症、海马神经元细胞死亡、轴突损伤和短期行为缺陷［43］。与控制性脑皮质撞击小鼠相比，合并迟发性低氧血症的小鼠损伤后6 个月的神经病理学评估显示，合并症小鼠颅内白质星形胶质细胞增多，病变体积扩大，空间学习、记忆和社交能力缺陷［43］。粒细胞巨噬细胞集落刺激因子（granulocyte-macrophage colony stimulating factor，GM-CSF）可调节巨噬细胞释放细胞因子和其他炎症调节因子，并刺激巨噬细胞吞噬作用。有研究证实缺氧脑创伤患者的GM-CSF的水平长期高于正常氧气摄入脑损伤患者［44］。

4.2 低血压 TBI常伴有由急性颅外伤或神经源性导致的血流动力学改变。TBI 伴随低血压的患者病死率增加［45］。最新的重度TBI管理指南和脑创伤基金会的建议指出，对于50～69 岁的TBI 患者，将收缩压维持在≥100 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa）；对于15～49 岁或＞70 岁的TBI 患者，收缩压≥110 mmHg 可降低病死率［46］。入院前低血压的钝性脑创伤患者血浆中细胞因子（IL-1β、IL-6、GM-CSF、IL-7 和IL-17）和趋化因子（CCL1、CCL3和CXCL10）的水平高于正常血压的钝性脑创伤患者［47］。血清淀粉样蛋白A1（serum amyloid A1，SAA1）有强促炎作用，参与了许多促炎性细胞因子如IL-1α、IL-1β、IL-8、IL-6 和肿瘤坏死因子-α 的产生。与大鼠TBI 模型相比，TBI合并失血性休克大鼠血清中SAA1水平更高，可进一步增加细胞因子和趋化因子的表达，导致炎症损害［48］。也有研究指出，在TBI 合并出血性休克猪模型中，促炎性细胞因子（如IL-6、IL-8和肿瘤坏死因子-α）水平急剧增加，激活天然抗凝途径，引起内皮细胞脱落［3］。

4.3 高温 TBI后，颅内炎症、血栓性静脉炎和下丘脑损伤会引起机体体温升高，而患者体温的增高程度与其在重症监护病房停留时间和病死率呈正相关［49］。在轻度TBI 大鼠模型中，体温增高可明显增加原发性脑损伤的炎症反应，呈现以M1型为主的小胶质细胞/巨噬细胞表型，同时小胶质细胞和巨噬细胞活化模式发生了改变［50］。有临床试验证实，颅脑损伤合并发热患者的IL-6 水平在24 h 内持续显著增高，而IL-10 的水平则是在伤后24 h 才发生明显上升［51］。与此同时，TBI 后中度低温治疗可启动自噬和细胞凋亡的负调控，发挥抗炎和神经保护作用［52］，并促进新生神经元细胞的长期存活及成熟［53］。

本文概述了TBI后急性和慢性阶段发生的复杂炎症反应以及SBI 的相关病理生理过程，总结了近几年TBI研究中有关神经炎症反应的分子调节机制以及细胞调节机制，进一步了解此过程将有助于设计合适的疗法，以减少神经损伤，并同时利用促进神经修复和再生的特性，以达到改善TBI 患者预后的最终目标。