外周免疫系统与中枢神经系统疾病交互影响的机制研究①

李 葛 韩根成

（军事医学研究院，北京100850）

近年来，神经系统疾病已成为全球致死的主要原因，而由于社会环境和工作压力等因素的影响，中枢神经系统疾病发病率持续升高，且其还受遗传、感染及机体免疫失衡等复杂因素影响，目前对于中枢神经系统疾病的诊断及治疗仍然是被关注的焦点。早期研究认为大脑是免疫豁免器官，而近年研究表明中枢神经系统（central nervous system，CNS）中也存在多种天然免疫细胞，如星形胶质细胞和小胶质细胞等，其中小胶质细胞被认为是脑内的巨噬细胞，是大脑的第一道防线［1］。作为CNS 的免疫细胞，小胶质细胞在正常生理情况下处于静息状态，并为神经元提供营养支持；当病原体入侵或组织损伤时，能够被激活，增加趋化因子和细胞因子受体的表达，并且持续分泌炎症因子［2］。研究表明趋化因子及分泌的细胞因子等可充当外周粒细胞、巨噬细胞和其他免疫细胞的化学吸引剂和激活剂，使外周免疫细胞浸润至脑实质发挥相应免疫反应［3］。

血脑屏障（blood brain barrier，BBB）、血-脑脊液屏障和脑膜屏障（blood leptomeningeal barrier，BLB）作为人体内天然的自我保护屏障，对维持大脑内环境稳定，维持CNS 正常生理状态具有重要意义，同时由于其通透性较弱，可在一定程度上控制血液循环内代谢废物和神经毒性物质进入大脑，但在CNS疾病治疗过程中，BBB 会降低药物的吸收，成为治疗的障碍。研究表明，在感染，肿瘤及神经退行性疾病等CNS 疾病情况下，BBB 被破坏，外周免疫细胞可进入脑内，发挥相应的免疫应答反应，与此同时，治疗性的药物也能进入脑内发挥直接作用，提高药物治疗的效果［4-5］。传统认为大脑代谢极其活跃，而有毒蛋白质的积聚会对神经造成巨大损伤，导致认知功能障碍，早期认为脑内代谢产物依赖于脑脊液的流动，但随着脑内淋巴系统的发现，部分代谢产物通过脑胶质-淋巴途径后，可直接通过脑膜淋巴管进入外周淋巴系统，从而进行清除［6-7］。随着研究的深入，研究者发现脑膜淋巴管能促进T 细胞从脑脊液向颈部淋巴结迁移，提示脑膜淋巴管与中枢神经系统炎症及神经退行性疾病的发生发展密切相关；同时外周的免疫细胞如B 细胞和T 细胞等也均能进出该系统，提示脑膜淋巴管在脑和外周交互作用中也发挥关键作用［8］。

研究表明外周免疫系统的激活或平息均密切影响脑内的炎症行为，QIN 等［9］研究发现，一次性将大剂量脂多糖（LPS）注射小鼠腹腔后，可引起脑内持续的炎症激活；而当外周免疫处于抑制时，脑内炎症因子的分泌也减少或平息，表明外周炎症信号可通过自主神经系统，经迷走神经刺激中枢神经通路，从而增加脑内细胞因子水平。而另一方面大脑也可通过迷走神经传入神经纤维感知周围炎症，并能通过迷走神经传出神经进行免疫响应。CNS在维持脑内炎症反应过程中发挥重要作用，神经-内分泌-免疫中胆碱能通过迷走神经传出神经释放乙酰胆碱与巨噬细胞表面受体相关作用发挥抗炎作用来调控全身炎症反应。在脑内发生炎症反应时，脑内促炎细胞因子TNF-α等的表达，能够刺激下丘脑-垂体-肾上腺（hypothalamic-pituitary-adrenal，HPA）轴，导致促肾上腺皮质激素和皮质醇水平升高，进而抑制外周组织促炎细胞因子的释放［10-11］。HPA 轴作为脑内和外周免疫系统的桥梁，不仅可以通过分泌神经递质和激素等调节外周免疫系统功能，还可通过外周免疫系统分泌多种细胞因子反馈作用于HPA轴，从而共同维持机体内环境稳定。

由于CNS 疾病的病因较为复杂，对其诊断及治疗仍然是研究的重点，目前对CNS 疾病的研究集中在对CNS 的免疫反应研究，而越来越多的研究表明外周的炎症反应影响脑内炎症，而脑内炎症发生的同时又能募集外周的免疫细胞，因此，探究外周与脑内免疫相互作用机制为CNS 疾病的诊断及治疗都提供了新的思路。

1 神经退行性疾病

目前神经退行性疾病被认为是一种免疫疾病，胶质细胞的增殖和活化被认为是这些疾病的共有标志［12］。目前研究较多的神经退行性疾病包括帕金森综合征（Parkinson's disease，PD）和阿尔兹海默病（Alzheimer's disease，AD）等。MCGEER 等［13］首次证实PD 患者死后大脑中存在大量小胶质细胞的激活，活化的小胶质细胞分泌趋化因子至损伤部位，通过吞噬受损的细胞碎片去除抗原，但同时活化的小胶质细胞释放的细胞毒性因子会加剧神经元的损伤。而研究表明AD 患者损伤脑组织中也发现大量活化的小胶质细胞，同时检测出免疫细胞因子TNF-α、IL-6 和IL-10 等的表达。Aβ 蛋白的积聚是AD 发病的主要原因，研究表明，在AD 早期，小胶质细胞对神经元具有保护作用，并且能清除Aβ 蛋白，但随着AD 疾病进程的发展，小胶质细胞被激活，但Aβ蛋白的沉积没有显著减少，同时炎症细胞因子分泌增多，提示小胶质细胞对Aβ 蛋白清除能力的降低可能是由于炎症细胞因子促进了Aβ 蛋白的积聚［14-15］。GAO 等［16］提出了激活的小胶质细胞和受损神经元间的恶性循环是慢性神经炎症和进行性神经病变的关键。

Aβ 蛋白可通过BBB 转移出脑，但BBB 上同时存在Aβ 蛋白转入和转出的载体，通过调节BBB 上载体的数量和功能，从而减少Aβ 蛋白的数量，能够为AD 治疗提供新的思路，而BBB 完整性的改变被认为是神经退行性疾病最相关的风险因素，外周炎症本身可能导致BBB 改变，从而促进或维持神经变性，全身产生的炎症介质可通过内皮细胞发出信号，导致BBB 紧密连接结构的改变，从而破坏BBB的完整性［17-18］。包括细胞因子和趋化因子在内的外周炎症标志物是免疫系统调节的关键信号分子，可影响外周和CNS 免疫稳态，而细胞因子和趋化因子在疾病情况下可穿过被破坏的BBB，血液中表达水平的任何变化都可能直接或间接影响CNS 功能。研究表明在PD 患者的血清和脑脊液中能够观察到IL-6、TNF-α 和IL-1β 表达的升高，与此同时在PD 患者脑中也能检测到同样的细胞因子表达上调，提示外周和脑内免疫变化是相关的［19］。

研究表明PD 患者脑组织尸检中发现存活神经元中NLRP3 蛋白的高表达，而最近的研究发现NLRP3 与炎症性肠病（inflammatory bowel disease，IBD）有关，而IBD 被研究表明是PD 发展的危险因素［20-22］。Braak 理论表明，PD 病理变化可能最初在胃肠道中触发，然后通过迷走神经扩散到大脑［23-24］。目前的研究表明肠道中的微生物群可通过调节外周免疫细胞的活化，影响脑内免疫细胞的成熟和功能，进而对大脑炎症、损伤和行为产生影响；与此同时，脑内免疫细胞活化后可通过影响HPA 轴释放多种激素影响外周免疫应答［25-26］。

2 自身免疫性神经系统疾病

自身免疫性CNS 疾病是一组靶向CNS 组织的自身免疫病，多发性硬化（multiple sclerosis，MS）是最典型的自身免疫性CNS 疾病，实验性自身反应性脑脊髓炎（experimental autoimmune encephalomyelitis，EAE）是MS 的动物模型。有研究表明，MS 早期病变阶段伴随少突胶质细胞减少和小胶质细胞的活化，而小胶质细胞直接参与并促进了MS 的发展。研究表明，活化的小胶质细胞可产生TNF-α、IFN-γ和NO 等，导致髓磷脂的破坏。而小胶质细胞表达的脑源性神经营养因子（BDNF）具有预防各种病理损伤后的轴突和神经元损伤，BDNF 数量与病灶脱髓鞘有关，提示小胶质细胞在MS 中同时产生破坏性因子和保护性因子［27］。

MS 长期以来也被认为是T 细胞介导的疾病，在MS 疾病进展过程中，血脑屏障被破坏，外周免疫细胞进入脑内发挥相应免疫反应，研究证实在MS 活检和尸检标本中均在活动的脱髓鞘斑块中检测到活化的T 细胞，主要为CD4+T 细胞。CXCL12 属于CXC趋化因子家族，与其特异性受体CXCR4相互作用，参与多种生理和病理过程，研究表明在健康的脑组织和非损伤的组织切片中，CXCL12 在BBB 的基底外侧表达，而CXCR4+细胞被隔离在CNS 的血管周围，在MS 病变中，CXCL12 分布于内皮的腔侧，并募集外周单核细胞到CNS 中［28］。且CXCL12 还可将辅助性T 细胞吸引至发炎的CNS 并刺激其表达IL-10，从而产生调节性T细胞。

研究表明MS 早期没有大量淋巴细胞浸润，抗原从脑内通过颈淋巴结诱导外周发生适应性免疫应答。因此靶向CNS 的外周免疫应答在MS 疾病早期能促进疾病进程，而CNS 内的免疫反应则主导了疾病后期的进展［29］。也有研究发现大多数MS 患者的CSF 中均可检测到特异性的MOG 抗体，提示B 细胞介导了MS 的发病机制，且在MS 患者疾病发展过程中，B 细胞功能逐渐由外周转移至炎症性的CNS，而目前的临床研究表明能抑制B 细胞功能的抗CD20抗体在MS治疗中具有很好的治疗效果［30］。

3 胶质母细胞瘤

胶质母细胞瘤（glioblastoma，GBM）是常见的原发性CNS 恶性肿瘤，研究表明，在脑肿瘤组织附近或内部观察到活化的小胶质细胞，活化的小胶质细胞参与肿瘤血管的生成、转移等过程。大多数体内和体外研究表明，小胶质细胞的活化程度与脑肿瘤发展呈正相关，活化的小胶质细胞可分为促炎的M1型和抑炎的M2 型，M1 型和M2 型小胶质细胞在脑肿瘤中均能被检测到。现有研究表明M1 型小胶质细胞表现为抑制肿瘤生长，而M2 型小胶质细胞表现为促进肿瘤生长和转移，因此，下调M2 促肿瘤反应和上调M1 抗肿瘤免疫反应的平衡决定了治疗脑肿瘤的方向［31］。

目前针对胶质瘤大多采用免疫治疗，主要是通过提高免疫细胞数量对肿瘤细胞表面抗原的特异性识别以杀伤肿瘤细胞来治疗，但由于血脑屏障对药物的阻挡，使药物在肿瘤早期时不能进入颅内发挥作用，随着肿瘤进展，血脑屏障会被破坏，药物可进入颅内，但此时肿瘤发展至中晚期，治疗效果欠佳［32］。因此，提高血脑屏障的通透性能够提高肿瘤的免疫治疗效果。目前研究表明在肿瘤生长过程中，新生血管往往缺乏完整的血脑屏障，导致与外周免疫细胞的交流增加，对于肿瘤的治疗也提供了新的方向。

脑膜淋巴管的发现对维持CNS 内环境稳态具有重要意义，且脑膜淋巴管作为脑内和外周免疫细胞的进出的途径，其对CNS 疾病病因及防治的研究发挥重要作用。最近的研究表明，脑瘤可诱导明显的脑膜淋巴管重构和新生，并通过过表达血管内皮生长因子C（VEGF-C）显著增强PD-1 和CTLA-4 抗体的抗肿瘤效果，提示脑膜淋巴管在脑肿瘤免疫反应中起重要作用［33］。

4 其他疾病

炎症反应作为先天免疫反应的一部分，可自然地通过全身血液循环进入CNS。当机体受到细菌和病毒感染时，可通过血液侵袭至大脑，造成严重的CNS感染，近年来研究表明，大脑不仅可以通过迷走神经传入神经纤维感知周围炎症，也可通过迷走神经的传出神经进行响应，成为一个自体运作的免疫抑制响应系统［34］。在脑内病原体感染的早期阶段，小胶质细胞可以快速活化，同时通过抗原呈递激活T 细胞介导免疫反应，而在感染后期，小胶质细胞过度活化和大量毒性因子的释放可能导致正常神经元细胞受损，与此同时，BBB 完整性被破坏，中性粒细胞、巨噬细胞和NK 细胞等进入CNS，通过吞噬病原及分泌细胞因子等发挥免疫应答反应清除感染［15］。

研究表明，急性缺血性脑卒中发生后，CNS稳态发生变化，小胶质细胞首先被激活，并迁移至病灶部位，位于血管周围的小胶质细胞能够吞噬血管内皮，从而导致血脑屏障遭到破坏，CNS启动多种损伤分子模式，诱导大量外周免疫细胞涌入脑内并与脑内的免疫细胞相互作用，激活机体的固有免疫系统和适应性免疫系统，且炎症反应贯穿了缺血性脑卒中的整个病理生理过程［35］。

5 展望

总体而言，在CNS 疾病中，脑内免疫系统与外周免疫系统密切相关，其中细胞因子在外周免疫系统和大脑间的双向信号传导中发挥至关重要的中介作用。目前的临床试验中使用抗TNF-α 抗体和抗IL-6 抗体，用于缓解神经炎症，提高认知功能［36-38］。这为神经系统疾病的干预提供了新途径。另一方面，脑内的干预也可通过减轻外周的炎症反应而抑制外周对脑内炎症的不良影响，探讨脑内免疫反应与外周免疫系统的相互影响机制对于CNS相关疾病的诊断和治疗都提供了新的思路和方向。