脑内炎性细胞因子与认知功能的关系

景光婵 张孟仁 (中国医学科学院 北京协和医学院 北京协和医院，北京 100730)

中枢神经系统(CNS)内有许多细胞因子，这些因子之间相互协调，参与调节中枢的多种功能。目前发现的细胞因子有30多种，包括白细胞介素类(IL-1～IL-24)、肿瘤坏死因子类(TNF)以及转化生长因子类(TGFβ1～3)。随着分子生物学技术的发展，对其生物学特性的研究也越来越深入，多种细胞因子如经典的炎性细胞因子IL-1、IL-6及TNF-α等可影响一些精神神经疾病如脑创伤、脑缺血、阿尔茨海默病(AD)的病理生理过程。近来大量研究提示其可影响认知功能，在学习、记忆功能中有重要作用。本文就近年研究较多的中枢神经系统内细胞因子与认知功能的关系进行综述。

1 经典的炎性细胞因子与认知功能

1.1 IL-1

1.1.1 IL-1与认知功能 IL-1是1972年发现的一种细胞因子，按其结构分IL-1α和IL-1β两种。CNS内合成IL-1的细胞主要有神经元、胶质细胞和内皮细胞，主要合成部位在海马。生理情况下，IL-1及IL-1 mRNA在脑内含量很低，并且以IL-1β为主。大量研究证实在正常生理状态下，IL-1β在记忆固化中发挥重要作用。近来大量认知相关的动物行为学实验也表明IL-1参与海马依赖的学习记忆过程。Brennan等〔1〕发现予SD大鼠小剂量 IL-1β(1 μg/kg，3 μg/kg)腹腔注射后，回避实验证实其认知功能较对照组显著提高。Depino等〔2〕观察到雄性Wistar大鼠在抑制回避实验中，其海马IL-1α mRNA显著升高，提示海马中内源性IL-1α参与调节学习记忆过程。随后有学者通过脑室内注射不同剂量的IL-1β及IL-1β受体拮抗剂，发现IL-1β在海马依赖的学习记忆中是以倒置的“U”形发挥调节作用，即脑组织内IL-1含量的轻度增加可提高学习、记忆能力，而只要偏离正常生理范围，不论是IL-1的高表达还是IL-1的缺失表达均可导致学习、记忆的下降〔3〕。早老性痴呆患者中也检测到IL-1，年轻的早老性痴呆患者的额上回内IL-1β mRNA有所增高，所以脑内IL-1的合成可作为早老性痴呆一种早期表现。

1.1.2 IL-1参与认知功能的可能机制

1.1.2.1 IL-1通过影响突触可塑性影响认知功能 Frederick等〔4〕研究了IL-1β对海马长时程增强(LTP)的影响。在强直性电刺激之前先用IL-1β灌流海马脑切片10 min，则会呈浓度依赖性地明显降低LTP的坡度和兴奋性突触后电位(EPSP)，低浓度的IL-1β可抑制海马突触的长时程强化，提示IL-1β可能参与突触可塑性的调节。大量研究报道IL-1β可以调节海马中的突触传递，抑制LTP的诱发。然而另有研究发现海马中IL-1β的增加在LTP的维持中起重要作用〔5〕。随后ROSS学者证实了前述研究结果的差异可能与所研究的IL-1β浓度水平的差异有关。即在生理状态下，IL-1β为LTP的维持所必需;在病理生理状态下，局部高表达的IL-1β则可抑制LTP的诱发。总之，上述研究提示IL-1β在突触可塑性的维持方面发挥重要作用，进而影响认知功能。

1.1.2.2 IL-1通过影响神经发生影响认知功能 大量实验研究提示神经发生在记忆固化及海马依赖的学习记忆过程中发挥重要作用〔6～10〕。国外学者发现，予成年Wistar大鼠左锁骨下静脉注射干扰素(IFN)-α 50 000 IU·kg－1·d－1，连续 7 d，western印迹检测显示大脑海马IL-1β显著增加，激光扫描共聚焦显微技术显示齿状回颗粒下区(SGZ)、齿状回门区与颗粒细胞层交界处BrdU阳性标记细胞明显减少;而同时脑室内注射IL-1β受体拮抗剂后则可显著阻断IFN-α所介导的神经发生的抑制，提示IL-1β在IFN-α所介导的神经发生中发挥重要作用〔11〕。予SD大鼠脑室内注射 IL-1β 100 ng 3 w后，可显著减少BrdU阳性细胞表达数，而同时予IL-1β受体拮抗剂后，则可显著逆转BrdU阳性细胞的下降〔12〕。生理状态下IL-1与神经发生的关系以及内在的机制有待进一步研究。

1.1.2.3 IL-1通过影响神经递质影响认知功能 神经递质在认知功能中有非常重要的作用，乙酰胆碱(Ach)、去甲肾上腺素(NE)、5-羟色氨(5-HT)等均与认知功能密切相关。中枢神经系统内细胞因子可以通过胆碱能神经途径和多巴胺能神经途径参与调节认知功能。IL-1可影响中枢内神经递质的释放，如诱导神经元表达乙酰胆碱酯酶，并增加该酶的活性，会直接抑制海马神经元释放Ach，使皮层释放抑制性神经递质γ-氨基丁酸(GABA)增多，这可能是IL-1β引起神经退行性改变的机制之一。

1.2 IL-6

1.2.1 IL-6与认知功能 IL-6是一种在机体防御、炎症反应、免疫反应等过程中起重要作用的多效细胞因子。近年研究表明与CNS疾病密切相关。CNS中的神经元、小胶质细胞和星形胶质细胞能表达IL-6。IL-6的生物活性是通过其受体介导的，其在靶细胞的信号传导主要是通过2条途径:JAK/STAT信号途径和Ras传导途径。随着年龄的增长，老龄大鼠脑内IL-6水平升高，推测可能与神经的退行性改变有关。Weaver等〔13〕报道健康的老年人血清IL-6水平升高，血清中高水平的IL-6与认知功能的下降直接有关，并可作为预测指标。一项来自北曼哈顿岛多种族人群的横断面调查研究显示，在矫正了血管因素及亚临床动脉粥样硬化等因素后，血清IL-6水平仍与简易智能精神状态量表(MMSE)分值呈负相关，提示IL-6可影响认知功能〔14〕。尚有一项来自于779人的前瞻性队列研究显示，随访7年，矫正所有混杂因素后，血清基线IL-6水平与认知功能下降显著相关〔15〕。整体动物实验研究证实，IL-6缺失转基因小鼠的学习能力及抗遗忘能力均显著强于野生型小鼠〔16〕。而有学者研究得到相反的发现:敲除IL-6的小鼠表现出识别记忆功能的下降，提示内源性IL-6在识别记忆中发挥一定的作用〔17〕。尽管研究结果不同，上述研究均提示IL-6在认知功能中起非常重要的作用，但有待进一步研究。

1.2.2 IL-6参与认知功能的可能机制

1.2.2.1 IL-6通过影响突触可塑性影响认知功能 离体实验证实予外源性重组人IL-6后大鼠海马脑片CA1区LTP的诱发受到抑制，但对LTP的维持及突触传递并无影响。丝裂原活化蛋白激酶/EPK(MAPK/EPK)信号通路在IL-6对LTP调控作用的机制中发挥重要作用。而Balschun等〔18〕也证实中和IL-6后可加强LTP的维持。

1.2.2.2 IL-6通过影响神经发生影响认知功能 IL-6已被证实是神经发生中的重要调节因子。Vallieres等〔19〕证实过量表达IL-6的成年转基因小鼠海马齿状回的神经发生下降63%。随后Monje等〔20〕研究发现用重组IL-6(50 ng/ml)的培养液培养海马神经干细胞，激光扫描共聚焦显微镜技术显示仅30%～40%的神经祖细胞分化成未成熟的Dcx-阳性神经元，较正常对照组下降50%。

1.2.3 TNF-α

1.2.3.1 TNF-α与认知功能 TNF-α是神经、内分泌、免疫调节系统中的关键介质，具有双重、多样及网络性生物效应。在CNS，TNF-α通过多种机制调节神经内分泌功能、介质释放、抗原呈递、促生长活性、发热、睡眠、进食、自主活动等过程，还可刺激星形胶质细胞增殖，产生神经生长因子。近年来大量临床及实验研究证实TNF-α可以参与学习、记忆的生理过程，并在认知障碍的病理生理过程中发挥一定的作用。与野生型小鼠相比，敲除TNF-α基因的小鼠认知功能明显下降，提示其在正常生理状态下即影响认知功能〔21〕。而过表达TNF-α的转基因小鼠，水迷宫实验证实其认知功能下降。此后学者证实TNF-α基因的多态性也影响认知功能〔22〕。一项为期6个月的前瞻性、单中心、开放性的实验研究显示AD患者使用抗TNF-α抑制剂后，AD患者的认知功能明显改善〔23〕。

1.3 TNF-α参与认知功能的可能机制

1.3.1 TNF-α通过突触缩放影响认知功能 突触缩放可通过对神经元及神经网络的LTP及长时程抑制(LTD)的调节，参与维持突触可塑性。研究发现内源性胶质细胞源性TNF-α对维持内环境自身稳态的突触缩放至关重要。国外学者发现神经元较长时间的静息状态会导致突触强度的下降，进而通过神经元-胶质细胞的胞间联系诱发星形胶质细胞释放TNF-α，TNF-α通过负反馈调节机制激发突触后神经元的兴奋性，进而增强突触强度，维持突触缩放〔24〕。这与之前学者报道的星形胶质细胞在突触发生、突触传递、突触整合及神经元兴奋性中发挥必要的作用是一致的〔25，26〕。

1.3.2 TNF-α通过影响突触可塑性影响认知功能 予体外培养的大鼠海马脑片4.5 ng/ml的TNF-α可以抑制海马齿状回LTP的诱发。此后Butler等〔27〕进一步证实TNF-α对LTP诱发的抑制是一双时相过程。TNF-α对LTP早期时相的抑制是p38分裂原活化蛋白激酶依赖的过程，而晚期时相则是p38分裂原活化蛋白激酶非依赖的过程。Cumiskey等〔28〕研究发现用特异性一型亲代谢型谷氨酸受体(mGluR)的拮抗剂MPEP预处理体外培养的海马脑片40 min后，在加用TNF-α 5 ng/ml进行刺激，可显著缓解TNF-α对LTP的抑制。提示TNF-α对LTP诱发的抑制依赖于mGlu及TNF-α表面受体1(TNFR1)的激活。

1.3.3 TNF-α通过抑制神经元突起的生长和分支影响认知功能 胶质细胞源性TNF-α可以通过激活神经元的小G蛋白RhoA进而抑制神经元突起的生长和分支。然而树突锋电位则是海马情景记忆中LTP诱发的重要扳机点〔29〕。因此提示TNF-α也可能通过抑制神经元轴突的生长和分支参与认知障碍的病理生理过程。

2 其他细胞因子与认知功能

2.1 α1-抗糜蛋白酶(AACT)AACT是一种分子量为68 kD的急性时相蛋白，是丝氨酸蛋白酶抑制剂超家族成员之一。国外学者对1 284例年龄在62～85岁的老年人进行研究，在矫正了年龄、性别及教育程度后，发现血清AACT高的观察者，其MMSE评分下降的风险显著增加〔30〕。国外临床研究发现AD早发症状患者AACT信号肽T/T基因型出现的频率较晚发患者明显增加。而AACT信号肽C/T基因型与APOE基因的多态性则显著影响AD患者疾病的进程〔31〕。同样国内学者发现AD病人的AACT信号肽T/T基因型可能与AD存在正相关;而AACT信号肽A/T基因型可能与AD存在负相关。上述研究均提示AACT参与认知及学习记忆过程，然而其参与的直接的分子生物学证据有待进一步探讨。

2.2 IFN-γ IFN-γ是一种具有免疫调节、抗病毒、抗肿瘤作用的细胞因子，主要由活化的T细胞和NK细胞产生，对机体免疫系统具有强大的调节作用。近来研究发现IFN-γ可以影响认知功能。动物实验研究发现IFN-γ转基因成年小鼠海马齿状回Brdu/DCX阳性细胞明显增多，Morris水迷宫实验证实其空间学习及记忆力提高，提示其促进神经发生〔32〕。体外研究也证实IFN-γ可以促进神经元分化〔33〕。然而其参与影响认知功能的作用及内在机制有待进一步研究。

2.3 IL-2 IL-2不仅具有与T细胞相关的多种免疫调节功能，同时也是一种具有多种生物学特性的细胞因子。多年研究已确认IL-2为一种重要的神经及神经内分泌系统的调节因子。IL-2/IL-2受体(IL-2R)蛋白分子可被神经元及胶质细胞表达，在中枢神经系统中如额叶皮层、纹状体、海马、下丘脑、垂体、胼胝体等广泛存在。国外学者发现在肿瘤患者接受皮下注射IL-2的过程中，出现认知功能的下降〔34〕。动物实验研究发现在IL-2基因缺失的雄性小鼠，海马颗粒层神经发生较野生型小鼠明显增多〔35〕。然而关于其如何参与、影响学习记忆的机制研究甚少。

3 小结与展望

目前已有临床及实验研究提示某些CNS内细胞因子的过表达或缺失会影响认知功能，而且在细胞及分子水平也有一定的神经生物学证据支持，这些均表明CNS内细胞因子平衡状态的失衡可能直接或者间接导致认知功能的下降，参与神经退行性变的发生，并且可能是几种临床疾病的重要危险因素。深入研究CNS内的这些细胞因子对阐明这些疾病的病理生理机制大有帮助，从而为治疗疾病提供新的靶点及思路。然而，目前不论是临床研究还是实验研究仍都缺乏充足的分子生物学证据深入阐明细胞因子的确切作用机制;此外，外周细胞因子与CNS内细胞因子的交互作用在认知功能损害中的作用等方面还有待深入研究。

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