炎症驱动抑郁症发生发展的机制研究进展

杨琬芳, 王青, 杨智超, 高蕊蕊, 马存根

(山西中医药大学神经生物学研究中心,国家中医药管理局益气活血法治疗多发性硬化重点研究室, 山西 晋中 030619)

抑郁症是一种影响情绪、行为和整体健康的精神疾病。患者症状具有高度异质性,其特征是持续的悲伤、情绪症状从轻微到严重,其中有些患者缺乏食欲、认知不稳定和自卑等,同时伴随躯体症状,如活力丧失、失眠或嗜睡、体重减轻或加重、精神刺激、易疲劳和自杀等[1]。抑郁症是最常见情绪障碍之一,影响全世界超过3.5亿人,每年有超过70万人死于抑郁症自杀。抑郁症自杀也是15～29岁青少年死亡的主要原因[2],但抑郁症的病理生理机制仍然不明确,尚未从病因学的角度完全阐明。因此,进一步研究和阐明抑郁症发生和发展的危险因素和机制对提高患者的诊疗效果至关重要。

抑郁症的临床症状和病理特征在不同的患者中具有异质性,常因合并躯体疾病而变得复杂[3],然而至今尚无明确的神经生物学标志物可用于抑郁症的预测、诊断和预后评价。目前在抑郁症的治疗中,大约一半的患者对第一代抗抑郁药[单胺氧化酶抑制剂(monoamine oxidase inhibitor,MAOI)、选择性5-羟色胺再摄取抑制剂(selective serotonin reuptake inhibitor,SSRI)等]表现出无反应或反应不佳,最新研究发现炎症是难治性抑郁症耐药的主要原因[4],同时也是抑郁症自杀的主要危险因素[5],这促使研究者对抑郁症中炎症的潜在机制进行研究。

总而言之,炎症标志物可能是抑郁症的风险指标,甚至在没有主要精神疾病的情况下是自杀的指标,这一假设得到了动物实验和临床研究的支持。然而,特定炎症异常在抑郁症中的复杂病理生理学机制仍然未知。本文从免疫炎症、免疫相关的遗传和表观遗传、微生物群和血脑屏障、肠道屏障的角度,阐述炎症参与抑郁症发生发展过程,以及对治疗的可能影响,为改善抑郁症诊断和开发新的治疗策略提供依据。

1 抑郁症相关的炎症反应和免疫活化

1.1 抑郁症相关的炎症反应

研究发现炎症参与了抑郁症病理生理过程。首先,患有炎症性躯体疾病的患者更容易患上抑郁症[6]。其次,接受促炎细胞因子干扰素-α(IFN-α)治疗的慢性丙型肝炎患者中,约三分之一在4～48周后出现了严重的抑郁症状[7]。研究表明抑郁症受试者各种类型标本中存在炎症标志物。一项全基因组关联研究(genome wide association study,GWAS)发现了与抑郁症相关的各种炎症的遗传和表观遗传网络[8],如细胞因子和炎症介质[IL-1β、TNF-α、C-C基序趋化因子配体-2(CCL-2)和C-反应蛋白(CRP)]的多态性与抑郁症严重程度相关[9]。Kofod等[9]研究发现,血液循环中IL-6水平较高的抑郁症患者IL-6甲基化状态降低。一个出生队列研究发现,9岁时血液中IL-6高浓度预示着18岁时患抑郁症的风险升高[10]。

大脑中炎症途径的活化被认为是由于兴奋性毒性和氧化应激导致了抑郁症中的神经元损伤。这种活化主要是由于促炎细胞因子激活小胶质细胞和星形胶质细胞中的色氨酸-犬尿氨酸(tryptophan-kynurenine,KP)途径,最终影响大脑的结构变化,表现为患者的前额叶皮层、杏仁核和海马的体积以及厚度减少。下丘脑-垂体-肾上腺(hypothalamic-pituitary-adrenal,HPA)轴调节并整合内分泌和神经系统对应激刺激的反应,通过其细胞表面的特定受体和配体与免疫系统建立直接有效的双向信号[11],例如在压力刺激下,下丘脑的室旁神经分泌细胞释放促肾上腺皮质激素(adrenocorticotropic hormone,ACTH)释放激素和精氨酸加压素,ACTH分泌并释放到循环中。ACTH刺激肾上腺皮质释放皮质醇,此反应由两种类型的皮质醇升高受体介导,其一是位于中枢神经系统的高密度盐皮质激素,其二是分布在各种组织中的低密度糖皮质激素[12]。皮质醇水平的升高对海马和下丘脑中的受体施加抑制性反馈机制,从而阻止对结构的刺激以恢复平衡。当这种平衡被破坏时,高皮质醇血症直接刺激位于各种组织(肠、胎盘、肝脏和大脑)和免疫细胞(巨噬细胞和树突细胞)中的2,3-吲哚亚胺双加氧酶(2,3-indolimine dioxygenase,IDO)[13]。白介素和干扰素等细胞因子的刺激使IDO活性增加1 000倍。IDO活性的升高导致KP途径中99%的可用色氨酸代谢,从而显著减少血清素合成。KP的升高也可导致活性氧和氮自由基的产生。高水平的KP还可触发由犬尿氨酸促进的谷氨酸能系统。在这种情况下,产生的兴奋性毒性产物会导致组织损伤并活化炎症反应。机体的成纤维细胞、内皮细胞和上皮细胞在外周释放的促炎性细胞因子(IL-1β、IL-6、TNF-α、IFN)是炎症反应的关键因素。此外,中枢神经系统的下丘脑、海马、小脑、基底神经节和脑干核等大脑区域的小胶质细胞、神经元和星形胶质细胞也释放促炎性白细胞介素[14]。

外周促炎性白介素水平是由迷走神经的传入和传出末梢通过释放乙酰胆碱来调节的,乙酰胆碱是通过交感-胆碱能-抗炎途径释放的细胞因子的抑制剂。迷走神经的外周传入神经末梢(与脑干、下丘脑和前脑核相连)检测到的这些细胞因子水平的变化会诱导大脑中IL-1β的增加和垂体前叶ACTH的升高[15]。由于皮质醇的升高,形成了一个恶性循环,最终引发神经炎症。

1.2 抑郁症相关的免疫系统活化

越来越多的研究表明,免疫系统是重度抑郁障碍(major depressive disorder,MDD)的关键调节器[16]。关于抑郁症的免疫学病因,已经提出了各种假说,包括免疫活化或免疫抑制以及疾病行为理论、髓系细胞介导的炎症和外周免疫异常[17]。MDD与免疫系统活化的其他疾病有关,如类风湿关节炎、系统性红斑狼疮(systemic lupus erythematosus,SLE)、1型糖尿病、过敏和感染等。特应性疾病患者的MDD发病率比健康对照组约高50%[18]。大约36%的哮喘患者患有MDD,其TNF-α水平显著升高,而IFN-γ水平显著降低[10]。一项Meta分析显示,糖尿病患者的MDD发病率是非糖尿病患者的两倍,1型和2型糖尿病都与炎症活化和免疫应答有关联。炎症标志物CRP、IL-1β和CCL2蛋白在MDD患者中显著增加[3]。一项Meta分析报道,三分之一的SLE患者患有MDD[3]。SLE和MDD患者的TNF-α水平升高和IL-10水平降低,并与MDD的严重程度及病程相关[19]。Kojima等[20]研究发现17%的类风湿关节炎患者患有MDD,类风湿关节炎患者血清CRP水平与MDD严重程度呈正相关。Yende等[21]调查发现,应用不同生物制剂对类风湿关节炎患者的疲劳症状有显著改善,进一步证明疲劳可能是免疫应答的一部分。

免疫活化和MDD之间的联系在感染病例中也有报道[17]。脓毒症患者(即使在脓毒症消退后)的炎症标志物水平明显升高,与正常对照组相比,脓毒症幸存者的MDD发生率增加;脓毒症患者中MDD的高发生率也反映了心理压力增加了MDD和免疫活化,并与脓毒症的高风险有关[22]。动物研究也发现脓毒症导致情绪变化,免疫抑制剂通过抑制NF-κB途径,减少了动物模型中的MDD样行为。脓毒症等感染性疾病可能会引发免疫应答,进而引起更高的MDD风险。

在抑郁症受试者中,血液循环单核细胞和中性粒细胞的数量增加,为抑郁症的髓系细胞假说提供了依据。研究发现小胶质细胞活化与MDD患者脑脊液中IL-6、IL-8和TNF-α水平升高有关,感染相关的抑郁症状也与小胶质细胞反应性相关[23]。然而,最近有人提出了对MDD的中枢神经系统转位蛋白(translocator protein,TSPO)进行早期追踪以研究小胶质细胞反应性,发现TSPO信号可能代表外周单核细胞和巨噬细胞向中枢神经系统的浸润,而不是反映小胶质细胞的局部活化[23]。为了支持这一观点,在抑郁症受试者中观察到星形胶质细胞数量减少[24],星形胶质细胞是一种参与调节血脑屏障渗透性的神经细胞群。虽然抑郁症患者免疫表型的变化提示了免疫系统参与该疾病炎症病理过程,但仍需要在实验动物模型和人类标本中进行进一步的机制研究,以精确描述不同的免疫细胞群在MDD的发病、发展和转归中的作用。

2 抑郁症中免疫相关的遗传学与表观遗传学

疾病与特定基因的DNA变异之间的关联意味着该基因参与了发病机制。GWAS和Meta分析发现免疫相关基因的等位基因变异与抑郁症之间有统计学强关联[24]。在一项大型研究中,对MDD患者GWAS基因列表中44种单核苷酸多态性(single-nucleotide polymorphisms,SNPs)的通路分析表明19种通路富集,包括细胞因子和免疫应答通路[25]。许多与MDD显著相关的遗传变异位于基因组的非编码区,并在胎儿和成人脑组织以及外周淋巴细胞中的表观遗传活性调节位点富集,这表明MDD的遗传风险可能通过适应性免疫系统和中枢神经系统表型表达[25]。在候选基因孟德尔随机化分析中,IL-6受体启动子区的功能性SNPs预测了队列研究中IL-6、CRP的水平和抑郁症状的严重程度[26]。在另一项关于IL-6受体启动子区功能多态性的候选基因研究中发现,“低IL-6”基因型与IFN-α治疗期间抑郁症状较轻相关[27]。此外,在一项整合了抑郁症GWAS和人脑蛋白质组数据的研究中认为,编码嘌呤能P2X7受体(P2RX7)基因的遗传变异是导致抑郁症的原因[28]。P2RX7是一种ATP的门控阳离子通道,在髓系细胞中大量表达,P2RX7介导炎症小体复合物(NLRP3)的活化,该复合物是固有免疫活化的关键介质[29]。

表观遗传学对于验证抑郁症及其他压力相关疾病的免疫靶点也很重要。在MDD的动物模型和人类的表观遗传学研究中,编码糖皮质激素受体(glucocorticoid receptor,GR)或GR-伴侣蛋白的FKBP5的DNA甲基化降低了糖皮质激素反应信号的表达,增加了应激反应的促炎生物标志物[30]。这一结果反映了糖皮质激素及受体上调抗炎蛋白的表达并抑制促炎蛋白的表达,强调了糖皮质激素在免疫系统调节中的作用。因此,减少GR信号的表观遗传效应可能会从由糖皮质激素通过HPA介导的负反馈中发挥固有免疫机制[31]。另一项对抑郁症自杀患者前额叶皮层组织的研究发现,银屑病易感基因PSORS1C3和TAPBP中的甲基化区域与对照组不同,其位于主要组织相容性复合体(major histocompatibility complex,MHC)中,并编码介导MHC Ⅰ类分子和与抗原处理相关的转运蛋白之间相互作用的糖蛋白[32]。一项研究对使用SSRI治疗应答或无应答患者全基因组DNA甲基化和基因表达进行前瞻性分析,发现在无应答患者中JAK2和CHN2两个基因的DNA甲基化和mRNA表达增加,其中JAK2编码活化固有免疫和适应性免疫相关蛋白,CHN2可能影响海马神经发生[33]。这些遗传和表观遗传数据表明MDD的病理生理过程中存在特定的免疫相关基因网络,为靶向免疫途径的药物作为抑郁症潜在疗法提供依据。

3 抑郁症相关的肠道屏障和血脑屏障

3.1 抑郁症与肠道微生物群

微生物群由生活在宿主体内的所有微生物组成,与神经系统有着复杂的联系。微生物群失调与情绪障碍相关的大脑区域(如海马和杏仁核)的形态学损伤有关[34]。与这一发现一致的是,经受慢性应激的动物显示肠道微生物群的组成改变;在抑郁症患者中观察到肠道微生物群失调[35]。同时,肠道微生物群的改变也与抑郁和焦虑症状相关[36]。Westfall等[37]研究发现,具有抑郁样行为的动物体内的这些微生物变化可以通过微生物移植或益生菌补充来逆转,微生物移植的抗抑郁作用与炎症的减少有关[38],表明微生物失调可能通过炎症信号的诱导促进抑郁症的发展。从机制上讲,微生物群失调可能会导致肠道屏障完整性受损,使免疫系统暴露于来自环境的炎症刺激。微生物群分布的变化也可能导致免疫刺激产物的过度释放,从而引发炎症。同时,由于抑郁症患者微生物群失调,来自微生物群的抗炎物质(如短链脂肪酸)可能会减少[39],进而使这些患者易患炎症性疾病。另外,从外周向中枢神经系统传递的免疫刺激信号以及由此产生的神经炎症,也可能代表了微生物失调导致MDD神经炎症的病理发生机制。

脂多糖(LPS)是革兰阴性菌细胞壁的产物,在炎症性肠病的发病过程中起重要作用。在对抑郁症患者的微生物组调查分析显示其发病与致病性肠毒素相关,例如LPS生物合成、细胞抗原产生和硫辛酸代谢与黏膜上皮层的降解有关;霍乱弧菌和大肠埃希菌等细菌毒素进入细胞并破坏离子通道;产气荚膜梭菌肠毒素是一种与食物中毒和坏死性肠炎相关的毒素,与肠黏膜紧密连接蛋白结合,破坏离子通道并损害肠黏膜屏障[40];变形杆菌的LPS具有免疫原性,通过连蛋白途径改变肠屏障通透性;霍乱弧菌产生的肠毒素Zot和连蛋白类似,能够使肠上皮细胞的紧密连接相关蛋白(ZO-1)和密封蛋白(OCLN)与封闭蛋白1(CLDN1)分离;大肠埃希菌和伤寒沙门菌等其他肠道病原体也产生连蛋白,血液循环中的这些毒素也会影响血脑屏障的通透性。

临床试验发现产后抑郁症患者的血清LPS水平较高,血液循环中的LPS可能影响大脑,PET成像显示注射LPS的健康人对转位蛋白TSPO(一种炎症标志物)的摄取增加。抑郁症患者的PET成像显示,前额叶皮层的TSPO增加与抑郁的严重程度和持续时间相关,静脉或肌肉注射LPS会改变人的情绪并产生相关的行为症状[41]。LPS治疗导致啮齿类动物出现某些抑郁样症状,并在临床上与人类抑郁相关。血液循环中的LPS可以通过免疫细胞上的模式识别受体如Toll样受体的参与触发炎症反应,启动转录因子NF-κB的下游通路激活,上调TNF-α和IL-1β以及血管细胞黏附蛋白-1(VCAM-1)和细胞间黏附分子-1(ICAM-1)的产生。研究表明,LPS治疗显著增加小鼠促炎细胞因子和趋化因子,包括血液和前额叶皮层、海马和纹状体中的IL-1α、IL-1β、IL-9和单核细胞趋化因子-1(MCP-1),单次注射LPS诱导厌食、运动减少和社会交往减少的症状,与慢性应激模型中的效应相似;LPS诱导后,通过脑摄取分子示踪证实了血脑屏障破坏与血液和脑促炎细胞因子水平之间存在正相关[42]。LPS也可以通过细胞外囊泡运输,这些囊泡是许多细胞释放的细胞间通信系统,可以穿过血脑屏障,刺激免疫细胞进入中枢神经系统。小鼠LPS治疗刺激免疫细胞外囊泡穿过血脑屏障的运输,并被摄取到大脑的不同区域,这些囊泡的确切功能和机制并不明确,但是对于研究情绪障碍的作用和潜在的治疗方法有一定价值。

3.2 抑郁症和应激动物模型中的血脑屏障

在抑郁症患者情绪调节相关的大脑结构中转运蛋白的特异性变化和血脑屏障渗透性增加,如紧密连接跨膜蛋白(CLDN5)是一种重要的紧密连接,主要由血脑屏障内皮细胞表达,在抑郁症患者的尸检样本中,尤其是在与奖赏和动机相关的伏隔核中,其表达减少。同样,在被诊断为抑郁症患者的海马中CLDN5mRNA表达减少。使用人脑微血管内皮细胞的体外血脑屏障模型显示,TNF-α下调CLDN5并降低其阻隔性[43]。同样,研究发现在应用IL-1β、IFN-γ和TNF-α后,诱导血脑屏障的可溶性黏附蛋白,如ICAM-1和VCAM-1升高,这些蛋白与免疫细胞摄取相关。促炎细胞因子导致黏附蛋白从内皮脱落,并且在该过程中提出的一种机制是MMP-9的激活,其诱导可溶性ICAM-1脱落。此外,可溶性VCAM-1与外周血单核细胞上的晚期抗原-4(VLA-4)结合,并促进其外渗进入大脑[44],可溶性VCAM-1可以自分泌的方式相互作用,与内皮细胞上的整合素α-4结合,并通过下游机制增加血脑屏障通透性。多发性硬化患者血清和脑脊液中可溶性VCAM-1水平升高,与MRI显示的病灶增强和血脑屏障通透性相关[45]。因此,在抑郁症中,这些标志物的外周水平升高可能反映了血脑屏障的损伤。研究发现,抑郁症患者血液循环中可溶性VCAM-1和ICAM-1水平增加[46]。

在抑郁小鼠模型中,紧密连接蛋白CLDN5的缺失破坏了血脑屏障的通透性,并与抑郁样行为的表现相关。雄性小鼠大脑特异性区域下调CLDN5表达改变血脑屏障,可以诱导抑郁样行为,然而通过增强CLDN5表达,可逆性改变血脑屏障通透性和小鼠抑郁样行为,进一步证实了血脑屏障通透性过高在抑郁症发病机制中的重要性。由慢性社会压力引起的血脑屏障完整性的丧失允许循环中的促炎细胞因子IL-6进入脑实质,支持了进入大脑的炎症因子与情绪障碍发病机制有关的假设。在大鼠急性束缚应激期间,1天的应激足以显著降低海马中的CLDN5表达,电子显微镜发现此应激诱导的形态学变化,如前额叶皮层和海马中的毛细血管内皮细胞损伤可持续21天,这表明应激诱导的血脑屏障完整性的变化可能是长期持续的,甚至是累积的。在抑郁症中,反复的急性应激和交感神经系统的过度活跃会随着时间的推移降低糖皮质激素的活性,潜在调节免疫信号。动物实验支持这一理论,在小鼠模型中慢性而非急性社交失败压力降低了压力敏感小鼠的早晨皮质酮水平,在急性应激期间,适应性免疫反应被抑制,这些变化的后续效应可能是炎症增加,如IL-1β、TNF-α和IL-6都可以穿过血脑屏障。然而,急性应激可以诱导VCAM-1和ICAM-1在前额叶皮层、下丘脑和杏仁核的血管mRNA和蛋白表达增加,这种效应由循环和大脑中的促炎因子介导。

3.3 抑郁症相关的肠道屏障

机体的微生物群通过各种功能对维持健康至关重要,包括促进营养吸收、调节免疫功能和提供屏障以防止病原体进入血液循环。肠道微生物群的一个重要功能是维持自身平衡和肠道屏障,通常情况,不同的微生物群与上皮屏障的完整性和维持肠道代谢及免疫稳态有关。在小鼠模型中显示慢性应激物可以改变肠道微生物的多样性和促进肠道通透性,健康肠道微生物的失衡也与血脑屏障通透性的增加有关,这表明炎症性肠道反应甚至可能引发血脑屏障通透性,促进抑郁行为[47]。在胃肠道疾病中发现许多肠道紧密连接蛋白如CLDN2、3、7和15在肠道中表达较高,通过对紧密连接的局部作用,血液中促炎细胞因子上调可能与肠通透性增加有关。促炎细胞因子如TNF-α和IL-1β通过激活NF-κB通路下调ZO-1,并增加肠道黏膜通透性。已发现IL-6、IFN-γ和TNF-α下调CLDN2表达并能使其重新分配,同时显著增加肠道黏膜通透性。连蛋白是一种调节内皮和上皮通透性的蛋白质,通过从连接复合物中分离ZO-1和OCLN发挥作用。连蛋白可以调节血脑屏障和肠屏障的通透性,与健康对照组相比,抑郁症患者的血清连蛋白水平显著升高[48]。

4 结语

抑郁症的炎症病理可能是由于免疫系统的无限制活化、宿主与微生物群之间的相互作用异常、血脑屏障受损和神经内分泌信号通路失调引起的神经炎症和外周炎症,通过影响疾病的早期进程从而促进疾病的进展。然而,要强调的是炎症病理变化虽不是所有抑郁症患者都具有的特征,但它代表抑郁症患者中的一个亚群(炎症亚群)。炎症可能是此抑郁症亚群的核心特征,而炎症的发生和免疫系统的活化密切相关。因此,探索炎症标志物可为炎症抑郁症亚群早期准确诊断、个性化治疗、预后评估提供更客观的证据,并且通过免疫调节靶向炎症可能为此类抑郁症患者的个性化治疗和药物开发提供线索。