创伤性脑损伤中神经炎症相关细胞的研究进展

赵清辉, 罗秋丽, 琚芳迪, 何晋, 姚婷婷, 马胜男, 寻治铭, 赵鹏翔, 谢飞

北京工业大学生命科学与生物工程学院, 北京 100124

创伤性脑损伤(traumatic brain injury, TBI)是由外力引起的脑功能或病理学变化，这是全世界严重的公共卫生问题。研究发现创伤后应激障碍、记忆障碍、帕金森、癫痫、慢性创伤性脑病均和神经炎症反应有关[1-5]。在健康的组织中，炎症通常起到对抗入侵病原体和维持组织健康的作用，然而，在诸如创伤等病理条件下，炎症也可加重组织损伤[6-8]。TBI的炎症反应曾被认为是外周免疫介质通过受损的血脑屏障而发生的，现在被认为是中枢细胞、外周细胞和可溶性细胞之间通过一种复杂的相互作用而发生，并受多种因素影响。创伤性脑损伤发生后，小胶质细胞启动和外周中性粒细胞浸润，随后淋巴细胞和单核巨噬细胞浸润。同时，各种炎性细胞因子和趋化因子启动免疫细胞并在病变区域积聚[9-10]。TBI后的炎症反应是一把双刃剑，具有益方面，如促进碎片清除和神经元再生、胶质细胞分化和血管生成；还有一些有害方面，例如介导神经元死亡和神经退行性疾病。因此，全面了解TBI后的神经炎症反应尤为重要。本文将从以上两个方面对TBI后神经炎性反应相关细胞以及他们的相互作用最新研究进展进行综述，以期为创伤性脑损伤的相关研究提供参考。

1 TBI后的炎症反应与神经胶质细胞

1.1 TBI后的炎症反应与小胶质细胞启动

小胶质细胞的功能与外周巨噬细胞相似，易受周围微环境的影响向不同表型发生极化，极化的小胶质细胞主要分为M1型和M2型，M2型又可细分为M2a、M2b、M2c三个亚型[11]。M1样表型主要由危险相关分子模式(damage associated molecular patterns DAMPs)、自由基或促炎细胞因子诱导产生，其特征是促进趋化因子、促炎细胞因数、活性氧ROS生成以及细胞吞噬活性降低。M1样“促炎”小胶质细胞通常被认为是有害的，过度或延长M1样反应可导致继发性脑损伤。M2a样小胶质细胞可有白介素4(interleukin,IL-4)和IL-13刺激的产生，其与抗炎细胞因子的产生和吞噬活性的增加有关。M2c样小胶质细胞可促进组织修复和重塑。M2b样小胶质细胞可由TLR配体刺激产生，具有促炎和抗炎双重作用。小胶质细胞极化主导类型随TBI后时间以及TBI模型不同而改变，大部分启动的小胶质细胞混合了M1/M2样小胶质细胞。研究表明M2型小胶质细胞具有可促进组织修复以及抗炎作用，而M1型小胶质细胞异常增多则使病理结果恶化[12]。因此TBI早期治疗策略不仅要抑制小胶质细胞活化，更应关注提高M2型小胶质细胞比例。近年来，研究发现阿托伐他汀、西地那非、米诺环素、牛磺酸脱氧胆酸、青藤碱、间充质干细胞、芬戈莫德等可以提高M2/M1比[13]。

1.2 TBI后的炎症反应与星形胶质细胞启动

细胞肿胀是脑外伤后颅内压升高的主要病理生理机制。星形细胞介导的NFκB信号传导可以引起细胞肿胀，进而导致颅内压升高，因此抑制星形胶质细胞中的NFκB信号可以减少中枢神经系统损伤后的炎症反应[14-15]。此外，TBI诱导的组织损伤后，高迁移率族蛋白1(HMGB1)的释放可向小胶质细胞发出信号，从而诱导IL-6的分泌，向反应性星形胶质细胞发出信号，进而上调参与水摄取的AQP4水通道[16]。反应性星形胶质细胞可直接导致细胞毒性水肿引起的颅内压升高，以及产生有害的炎症介质加重脑损伤，这是其不利的一方面。虽然Walko等[17]研究发现增加脑脊液中的DAMPS、HMGB1和线粒体DNA浓度可以加重脑外伤患者的病情，但是星形胶质细胞的DAMPs也会引起它们与吞噬细胞相互作用，进而促进清除毒性碎片[18-19]。同样地，反应性星形胶质细胞可以释放HMGB1等信号到内皮细胞及其祖细胞，以促进脑损伤后神经血管重构和BBB的修复[20-21]。此外，星形胶质细胞中的NFκB信号也可能在脑损伤后产生有益的作用，因为它可以导致神经和胶质保护生长因子、脑源性神经营养因子和神经生长因数的产生和分泌[19]。星形胶质在不同损伤水平以及不同损伤时间点会产生不同的炎症相关分子以及免疫调节分子、细胞因子、趋化因子、生长因子等[22]。因此对创伤性脑损伤星形胶质细胞产生的抗炎和促炎作用的研究，应考虑损伤程度与时间等相关因素影响。

1.3 TBI后的炎症反应与少突胶质细胞启动

成熟的少突胶质细胞包裹轴突或血管，形成神经绝缘结构的髓鞘，维持神经元的正常功能。根据分布可分为三类：血管间少突胶质细胞、神经周围少突胶质细胞和血管周围少突胶质细胞。血管间少突胶质细胞沿白质和神经纤维分布，在髓鞘形成阶段迅速减少。神经周少突胶质细胞，也称为神经周卫星细胞，可由少突胶质细胞前体细胞(OPCs)增殖，作为对损伤或疾病的反应。OPCs的激活被认为是保持体内平衡和参与损伤后修复的一种大脑保护反应[23-24]。脑损伤后，少突胶质细胞可以作为神经炎性介质的受体如白介素家族IL-4 IL-6、IL-7等以及趋化因子受体1(CXCR1)、CXCR2 、CXCR4 等；CXCR4 能与由星形胶质细胞和小胶质细胞分泌的 CXCL12 结合；少突胶质细胞可以通过其膜糖蛋白 CD200 与小胶质细胞进行细胞间通讯。CD200 与由小胶质细胞表达的 CD200R受体结合而降低小胶质细胞的活性；CD200 缺乏的小鼠小胶质细胞会自发活化[25-28]。此外，少突胶质细胞也会分泌大量的CXC趋化因子，如CXCL1-5和CCL21，加重炎症反应。创伤性脑损伤后，OPCs可以释放金属基质蛋白酶MMP-9，破坏血脑屏障，促进中性粒细胞以及单核细胞浸润，进一步加重炎症反应[29]。

2 TBI后的炎症反应与中性粒细胞

神经炎症是中枢神经系统中的炎症反应，由脑细胞和周围免疫细胞共同参与。虽然神经炎症反应是为了保护中枢神经系统不受感染和损伤，但也是脑外伤后继发损伤的重要机制。TBI相关的神经炎症以启动的胶质细胞、星形胶质细胞、招募的白细胞和大脑中枢上调的炎性细胞因子为特征[30]。在中枢神经系统(CNS)中，由于血脑屏障(BBB)的存在，在脑实质中很少发现中性粒细胞[31]。在脑脊液(CSF)、脑膜和软脑膜等特定的隔间内，仅有少量中性粒细胞和其他免疫细胞提供免疫监测。然而，在感染、创伤、缺血和出血等病理条件下，中性粒细胞进入脑组织的数量明显增加[32]。中性粒细胞衍生的细胞因子非常复杂，除了常见的炎症相关细胞因子[肿瘤坏死因子(TNF)家族、促炎细胞因子、CXC-趋化因子、CC-趋化因子]外，中性粒细胞中还检测到其他抗炎细胞因子、免疫调节细胞因子、血管生成因子和神经营养因子[33-36]。中性粒细胞除了具有衍生的细胞因子的作用外，还能损伤BBB的紧密连接和渗透性。显然，中性粒细胞分解血脑屏障有助于招募更多的免疫细胞对抗病原体,这同时也会导致组织损伤。研究表明抑制活化的中性粒细胞有利于炎症消退和随后的恢复[37-42]。

3 TBI后的炎症反应与T淋巴细胞

T细胞对小胶质细胞表型和功能有很大的影响。在中枢神经系统损伤后，T细胞浸润损伤组织，Norimatsu等[43]通过给予免疫抑制剂FTY720从而使脊髓损伤的啮齿动物炎症减轻，恢复良好。Th17细胞因其产生IL-17和其他促炎细胞因子而命名，被认为是实验性自身免疫性脑脊髓炎(EAE)中引起脊髓炎性脱髓鞘的原因[44]。Th17细胞和其他“17型”T细胞与多种自身免疫和炎症状态有关，但尚未在TBI中进行研究。17型应答可以在脑外伤后释放的细胞因子如IL-1β，促进并诱导CXCL8和中性粒细胞募集，进而加重炎症反应[45]。然而，T细胞对创伤性脑损伤亦是一把双刃剑，研究发现T细胞缺陷小鼠(由于RAG或MHCII基因缺陷)在中枢神经系统损伤模型中的预后较差，表明T细胞具有显性神经保护作用[46-47]。在小鼠体内启动自身免疫性T细胞，有利于中枢神经损伤的修复，这种保护的机制可能是由于T细胞产生的神经营养因子作用于神经元和星形胶质细胞以促进存活和修复[47-52]。T细胞是正常中枢神经系统发育所必需的，因为T细胞缺陷的小鼠表现出认知和行为发育异常，这表明T细胞也有助于大脑的发育和维持[53]。在调节M1/M2样平衡的同时，T细胞产生的IL-4通过增强神经营养素信号来保护神经元。IL-4介导的T细胞对受损中枢神经系统组织的保护，似乎不需要T细胞的抗原特异性受体启动，神经元可以直接诱导IL-4[54]。IL-33在小鼠中枢神经系统损伤后也具有神经保护作用[55]。众所周知，IL-33作用于产生IL-4的Th2细胞，因此，IL-33可能为中枢神经系统损伤和启动IL-4产生之间提供了一种联系[56-58]。

4 TBI后炎症反应中各种细胞的相互作用

4.1 小胶质细胞启动与中性粒细胞

小胶质细胞是大脑固有的免疫细胞，类似于周围组织中的巨噬细胞。它的功能是清除碎片、传递炎症信号等。小胶质细胞有静息或活化两种状态。静息状态的小胶质细胞可被中风、衰老、脑损伤和神经退行性疾病诱导，成为活化的小胶质细胞。到目前为止，还没有直接证据表明，在TBI模型中，中性粒细胞影响了小胶质细胞亚型(M1和M2)。然而，Moxon和Schlichter[59]研究表明中性粒细胞的减少可减少脑出血后的小胶质/巨噬细胞数量，并降低小胶质/巨噬细胞上的启动标记CD68，表明中性粒细胞参与了调节小胶质状态。脑损伤后，小胶质细胞可以启动内皮细胞的活化，以及促进外围白细胞向中枢神经系统的募集[60]。启动的小胶质细胞迅速产生大量的炎性细胞因子和趋化因子(IL-1β、TNF-α、IL-6、CXCL1-5、CXCL8-10)，这些炎性介质是招募和启动中性粒细胞的强趋化因子，除了上述小胶质细胞衍生的细胞因子外，中性粒细胞释放一些其他分子来相互启动小胶质细胞，如ROS、脂质运载蛋白2和MMP9等[61-63]。启动的小胶质细胞表现得像一把双刃剑：一方面，它促进中性粒细胞分泌更多促炎细胞因子，造成细胞因子大量释放；另一方面，启动的小胶质细胞也与减少神经元损伤、释放小胶质神经保护因子有关[64]。但是在TBI后，中性粒细胞是否会影响小胶质细胞M1/M2的极化尚不清楚。

4.2 星形胶质细胞与中性粒细胞

星形胶质细胞通常被认为是神经炎症过程中的一种保护机制[65]。同时，在急性炎症反应期间，反应性星形胶质细胞可以形成血管周围疤痕，从而限制中性粒细胞从受损组织扩散到健康组织中[66]。在体外实验中，Xie等[67]发现中性粒细胞与星形胶质细胞相互作用有直接与间接两种方式。在细胞-细胞直接接触下，星形胶质细胞可减少中性粒细胞的凋亡和脱粒，提高中性粒细胞的吞噬能力和促炎细胞因子的表达。在间接作用下，星形胶质细胞可减少中性粒细胞的凋亡，增强中性粒细胞的坏死和吞噬，抑制中性粒细胞的脱粒[[67]。中性粒细胞与星形胶质细胞相互作用也会影响星形胶质细胞的反应性。用抗Ly6G抗体治疗小鼠，可抑制星形胶质细胞增生，并使脊髓损伤的结果恶化[68]。在另一项体外研究中，Hooshmand和Nguyen[69]发现中性粒细胞可以通过产生C1q和C3a来诱导星形胶质形成。所有这些数据都表明中性粒细胞和星形胶质细胞是神经炎症过程中细胞因子的主要来源，通过相互刺激促进炎症级联反应。中性粒细胞是脑损伤过程中促进反应性星形胶质细胞增生的重要因素。星形胶质细胞增生在脑损伤中是好是坏仍是一个悬而未决的问题。

4.3 少突胶质细胞与中性粒细胞

少突胶质细胞不仅与小胶质细胞以及星形胶质细胞相互作用参与免疫调节，而且与中性粒细胞也有一定的关系。在脑损伤的急性期，OPCs是MMP9表达细胞的主要组成部分，创伤性脑损伤后，OPCs可以释放金属基质蛋白酶MMP-9,破坏血脑屏障，促进中性粒细胞浸润，进一步加重炎症反应。Seo等[29]在小鼠脑损伤术后以及术后第二天给予MMP抑制剂GM6001治疗，发现GM6001可以减少早期BBB渗漏和中性粒细胞浸润。

4.4 少突胶质细胞与T淋巴细胞

少突胶质细胞并不是免疫应答的旁观者，事实上少突胶质细胞可产生多种免疫调节因子，以及表达多种与之相结合的受体。如少突胶质细胞表达的MHCⅠ类分子能够被 CD8+T淋巴细胞识别[70]，表达的 MHCⅡ类分子能够与 CD4+T 淋巴细胞相互作用; 表达的非典型MHCⅠ类分子人类白细胞抗原 E( human leukocyte antigen E， HLA-E) 可以对炎性细胞因子入侵进行应答[71]。然而究竟是典型还是非典型MHC分子会诱发 T 细胞介导的损伤亦或启动修复程序尚需深入研究。

5 展望

TBI后的神经炎症反应包括神经胶质细胞的启动、大脑中炎症介质的释放以及外周免疫细胞的募集，这些炎症反应在诱发脑继发性损伤的同时，也在一定程度上具有修复神经系统的作用。因此，创伤后神经炎症反应是一把双刃剑，既有正面作用也有负面作用。因此，未来的研究重点应该放在阐明TBI后随着时间变化各种炎性细胞以及炎症因子所起到的具体作用，并找到相应的炎症调节策略，进而在TBI后的不同时期发挥相应的作用，在降低炎症反应继发性损伤的同时，它在促进神经修复和再生方面起着重要作用[72]。临床治疗不能简单地抑制炎症反应，需要根据患者的年龄、性别、遗传易感性、存在或不存在继发性损伤以及血清、CSF、成像、生物标志物等，来定义患者的炎症表型。开展针对特定患者进行个性化炎症调节治疗的临床试验，以期能够减少继发性损伤，增强修复，改善患者预后。