实验性脑缺血后主要炎症相关信号的传递和作用关系

徐虹,陈素辉,孙华

炎症在早期急性脑血管病发生中有重要的作用。早期的炎症往往具有保护作用,持续强烈的炎症反应却是有害的。脑缺血发生之后,大量白细胞涌入缺血脑组织,激活机体的炎症反应。通过再灌注,活性氧(ROS)激活,进一步导致缺血细胞(主要是小胶质细胞)甚至是神经元产生包括炎症因子的分泌、血管黏附分子的上调、外周白细胞的募集等的变化。外周白细胞也通过缺损的血脑屏障进入缺血区,导致下游的次级炎症反应的激活,炎症因子释放增多、基质金属蛋白酶(M MPs)表达增加、活性氧生成增多等,并形成恶性循环。这些炎症细胞和因子互相作用,共同调控脑缺血后炎症反应的结果,近来有学者把这种神经元-胶质细胞,内皮细胞-周围微血管的协同作用模式称为神经血管单元[1]。

血管炎症反应涉及炎症细胞、内皮细胞(ECs)、血管平滑肌细胞(VSMCs)及细胞外基质(ECM)等复杂的联系。这些细胞及作用产物共同作用,构成炎症状态。内皮细胞激活后,其表达黏附分子的增多造成炎症细胞及细胞因子的募集,炎症细胞及细胞因子作用于内皮细胞、平滑肌细胞及细胞外基质,与这些细胞上相应的受体结合,并激活 JAK-STAT、核因子-κ B(NF-κ B)以及Smad信号途径参与细胞黏附、浸润及凋亡等炎症反应。细胞因子还通过影响整合素及基质金属蛋白酶调控ECM的合成。

1 脑缺血炎症相关细胞

1.1 内皮细胞 在正常的静息条件下内皮细胞具有抗血栓及抗炎的作用。其炎症作用来源于对白细胞黏附受体(如P选择素)的集聚以及对细胞基质黏附受体的募集。内皮细胞不仅可以聚集已经生成的黏附分子,也是一部分黏附分子的产生场所。在内皮细胞的腔面,细胞间黏附分子-1(ICAM-1)、E选择素在这里表达和生成。外周循环炎症细胞通过黏附分子受体与内皮细胞紧密黏附,这样,炎症细胞就可以进入受损的神经纤维网。

1.2 小胶质细胞和巨噬细胞 小胶质细胞是脑组织固有的细胞,在脑缺血后早期(2～4 h)就被激活,导致局部促炎细胞因子的释放。在脑组织的感染、炎症、外伤及缺血变性中具有“清道夫”的作用。一旦被激活,小胶质细胞就经过形态学的转变,与循环中的巨噬细胞没有区别。其主要作用是在脑缺血后释放很多具有细胞毒性或细胞保护性的物质。它在脑缺血后损害作用的直接证据是,当在有神经元或者少突胶质细胞的培养基中,损伤会加重。但是小胶质细胞是如何在脑缺血中被激活,机制尚不清楚。也有一部分的证据表示,小胶质细胞、巨噬细胞或者其分泌的因子也可能具有保护作用[2]。用脂质体包裹的氯屈磷酸二钠去除外周的巨噬细胞之后,并没有发现对脑梗死体积有任何影响[3]。原因可能是后者并没清除脑组织中固有的巨噬细胞,这也可能暗示是脑组织固有的而不是循环中的巨噬细胞在缺血损伤中起重要作用。

1.3 星型胶质细胞 除了常规的炎症细胞,星型胶质细胞也表达不同的炎症介质。脑缺血后,星型胶质细胞激活并导致胶质原纤维酸性蛋白(GFAP)表达并发生所谓“一过性的神经胶质增多症”。星型胶质细胞可以释放一些炎症因子,比如细胞因子、趋化因子、诱导性一氧化氮合酶(iNOS)等。很多数据都表明,正常的星型胶质细胞在神经元功能方面发挥重要作用,但是一旦激活,对脑缺血大脑可能是有害的。

1.4 白细胞 在促炎细胞因子的作用下,外周血细胞在内皮上黏附,穿过血脑屏障最终到达受损区域。不同的白细胞亚型募集的时间不同,首先是中性粒细胞,其次是单核细胞,再次是巨噬细胞及少量的淋巴细胞。一项动物实验表明,中性粒细胞的集聚最早可以追溯到脑缺血后1～4 h,并且可以持续96 h[4]。用流式细胞仪观察脑缺血后小鼠炎症细胞表达时程的研究表明,激活的粒/单核细胞最早在缺血后18 h出现,相对于淋巴细胞(72及96 h)要早[4]。外周循环血细胞的浸润(主要是中性粒细胞)在细胞死亡和修复中有多重作用,其作用主要与其表达的时程有关。脑缺血发生后选择性的白细胞剔除可以减少脑梗死面积,这可以说明循环血细胞的介入扩大了脑缺血损伤,至少是在缺血的急性期,并且这种作用是通过微血管的堵塞及毒性炎症介质的放大来实现的[4-5]。对于淋巴细胞的作用报道不尽一致。在大鼠永久性大脑中动脉闭塞(MCAO)模型后,检测到淋巴细胞水平继中性粒细胞之后升高[6]。

2 脑缺血后炎症相关因子

大多数的炎症介质在正常中枢神经系统组织中低剂量的表达,或者很难被检测到。但是一旦发生组织损伤或者感染就不同了。主要分为两类:促炎细胞因子及抗炎细胞因子。有些细胞因子已经明确是促炎性质的,如 IL-1β、TNF-α、INF-γ等;抗炎性质的有IL-10、TNF-β;还有的如IL-6,目前在炎症中的作用还有争议。

2.1 白细胞介素类 IL-1又分为白细胞介素IL-1β和IL-1α两种,血浆水平很低,目前很难检测到。其中,IL-1β在脑缺血过程中的作用尤为重要。它是一种重要的内源性致热源,被认为在炎症和急性期反应中发挥作用。动物实验表明,IL-1β mRNA在脑缺血后10～30 min就可以检测到,蛋白的增多在几个小时之后[7]。同时,有报道称,在大鼠20 min短暂性全脑缺血模型发生后,IL-1β mRNA及其蛋白表达是双相的。即不仅在灌注早期(1 h),同时也发生在稍后(6～24 h)[7]。IL-6是免疫及神经系统中参与炎症反应及细胞生长分化的重要细胞因子。IL-6曾被广泛认为是促炎介质,但其在脑缺血中起多大作用尚不清楚。动物实验表明,IL-6缺失小鼠与野生型的小鼠具有相似大小的梗死面积,从而认为IL-6不参与脑缺血损伤的病理过程[8]。IL-10被认为是抗炎细胞因子,可以抑制 IL-1、TNF-α及细胞因子受体的激活,在中枢神经系统被激活,实验性脑缺血模型中可以观察到其水平的升高,体外注射及基因转化都表明其具有脑缺血保护功能。

2.2 肿瘤坏死因子(TNF-α) 它是在炎症和免疫系统中具有多种生物活性的多肽。在脑缺血损伤的过程中,是一种促炎介质。Rothwell等称之为“原型炎症细胞”。动物实验发现,它在脑缺血发生后很快就可以产生。最早在脑缺血后1～3 h表达,也是双向的,第2次高峰出现在24～36 h[9]。表达TNF-α的细胞由过去认为的神经元到小胶质细胞及星型胶质细胞,目前认为外周的免疫细胞也有表达[10]。也有报道认为TNF-α在某些特定情况下具有保护作用,保护作用机制可能与免疫耐受有关。造成这种差别的原因可能是由于其信号的不同传导途径。

2.3 黏附分子 主要在内皮细胞、白细胞等细胞表面表达。在脑缺血后白细胞浸润脑实质中起关键作用。主要分为3类:选择素家族(P选择素,E选择素,L选择素);免疫蛋白超家族(如ICAM-1,2等和VCAM-1);整合素等。选择素家族介导细胞与细胞黏附及白细胞在毛细血管后微静脉内皮的滚动。一旦被刺激物如凝血酶或者组胺激活,就立刻在细胞外膜表达。在早期阶段,E选择素及P选择素参与白细胞的滚动和募集,L选择素与未激活白细胞的引导有关。ICAM-1持续低剂量表达在内皮细胞、白细胞、上皮细胞及纤维母细胞表面,研究表明,ICAM-1在脑缺血发生后数小时内就可以出现,并在12～24 h达到高峰。也有报道,用雄性Wistar大鼠造模缺血2 h再灌注后发现,ICAM-1 RNA在缺血发生后1 h出现,蛋白水平的增高,在再灌注后46 h到达高峰,并且可以持续1周[11]。

3 基质金属蛋白酶(MMPs)及细胞外基质

MM Ps被认为是能够降解细胞外基质的一类蛋白。与细胞外基质的重塑及神经炎症反应相关。经过组织型纤溶酶原激活物(tPA)治疗,随着 MMP-9的激活,血脑屏障的成分被降解[12]。MMPs通常在静息状态,与血纤维蛋白溶酶一起激活。在实验性脑缺血模型中,MMP抑制剂可以减少脑梗死体积,减轻脑水肿和脑出血[13]。MMP-9已经被证实参与脑缺血损伤,接受M MP-9缺失骨髓移植后的小鼠要比那些接受正常MMP-9水平骨髓移植的小鼠损伤及血脑屏障破坏小[14]。

4 脑缺血炎症相关的治疗对策

目前对抗实验性脑缺血炎症的治疗也在探索中,实验性的干预被认为可以通过抗炎剂(包括对白细胞、黏附分子及受体、细胞因子产物等)及传统医学中的针刺治疗等保护脑组织的缺血半暗带。

4.1 中性粒细胞 在短暂性脑缺血模型中,一些研究表明一旦中性粒细胞的浸润被阻止,就可以缩小脑梗死的体积[15]。

4.2 黏附分子 相关研究表明,ICAM-1阻滞剂或者用反义寡核苷酸阻滞ICAM-1 mRNA可以明显改善实验性脑缺血的结果[16]。不仅是ICAM-1的抑制剂,而且一氧化氮供体可以阻滞脑缺血再灌注损伤后ICAM-1 mRNA诱导的增加,从而起到神经保护作用[17]。在脑缺血后的大鼠和小鼠侧脑室内注射抗VCAM-1抗体,结果表明,并不能改善大鼠的神经功能评分及2 d之后的脑梗死体积,对4 d后小鼠的梗死体积也没有影响,从而得出结论:抗VCAM-1抗体对脑缺血后大鼠及小鼠没有保护作用[18]。

4.3 细胞因子产物等 IL-1有几种拮抗剂IL-1ra、caspase-1抑制剂、可溶性受体等;TNF-α有肿瘤坏死因子转化酶(TACE)抑制剂、可溶性受体、抗体;前列腺素包括环氧化酶(COX)抑制剂;一氧化氮有iNOS抑制剂;补体有补体拮抗剂;系统炎症主要包括他汀类。

4.4 针刺 在对抗脑缺血炎症效果方面疗效显著。郭永明等观察“醒脑开窍”针法对局灶性脑缺血大鼠脑组织及血清IL-1β含量的影响。针刺治疗后,6 h～48 h脑组织IL-1β含量较同时段缺血组显著降低,因此“醒脑开窍”针法能抑制缺血区脑组织IL-1β的合成和分泌,从而减轻由IL-1β引发的一系列脑缺血损害,发挥脑保护作用[19]。孔立红等探讨与炎症密切相关的NF-κ B和肿瘤坏死因子活性在脑缺血灌注大鼠海马表达的规律及电针干预对它的影响,电针能抑制其活化,减轻脑缺血再灌注时的炎症反应,发挥神经保护作用[20]。

5 小结与展望

各个炎症因子和基质金属蛋白酶之间不是单独发挥作用,而是组成一个复杂的免疫调节网络,互相调节,互相平衡,维持静态和动态的稳定。TNF-α和IL-1β作为两个重要的促炎性细胞因子,主导缺血再灌注损伤的病理生理过程,在脑缺血过程中都是双向表达,上调黏附分子如ICAM-1的表达,黏附分子表达又进一步启动下游的一系列炎症反应。IL-6可由IL-1、TNF-α诱导产生,IL-1和 TNF-α又可以互相诱导。IL-1、IL-6、TNF-α可以上调MMP-9,由此构成复杂的网络调节体系。

脑缺血后炎症反应是多种细胞,微血管及其产物最终发生协调作用的结果。早期的反应多是有益的,但持续过激的反应常常有害。目前对于缺血后各种信号的表达、转导及传递的过程的了解及对炎症细胞因子的抑制剂都处在探索阶段或者动物实验阶段,炎症的调节是一个复杂的调控系统,不是作用于单一的因素就可以完全阻滞其下游信号的传递,对一个信号的抑制有可能会导致另一个相似作用信号传导的代偿增强。整体的调节,注重整体观念和辨证论治的传统医学比如针刺等手段,可以对治疗脑缺血起到辅助治疗作用。因此结合各种治疗方法,联合应用,可能对改善脑缺血的预后,减少脑梗死面积有帮助。

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