重新认识创伤性脑损伤后的神经炎症反应

陈礼刚 江涌

(西南医科大学附属医院神经外科，四川 泸州 646000)

陈礼刚，博士，二级教授，博士研究生导师，国务院特殊津贴专家，国家自然科学基金评审专家。现任西南医科大学附属医院大外科主任兼神经外科主任。中华医学会创伤分会第三届神经创伤学组常委，中国医师协会神经外科分会全国委员，中国研究型医院学会神经外科专委会常委兼副秘书长及颅脑创伤专家委员会主任委员，中国医药教育协会神经外科专委会常委，世界华人神经外科协会委员，《中华神经医学杂志》等多家杂志编委，四川省医学会神经外科分会副主任委员，四川省医师协会神经外科分会候任会长。从事神经外科临床、教学及科研工作30年。擅长脑功能性疾病、脑肿瘤、颅脑损伤的救治及儿童脑肿瘤的个体化治疗。近5年发表文章200余篇，SCI文章收录70余篇。主编全国高等学校教材《神经外科学教程》以及专著《神经外科手册》及《脑深部刺激术》，参编专著10余部。已完成国家自然科学基金课题等6项。2011年获四川科技进步一等奖。

·述评·

重新认识创伤性脑损伤后的神经炎症反应

陈礼刚 江涌*

(西南医科大学附属医院神经外科，四川 泸州 646000)

创伤性脑损伤; 神经炎症

创伤性脑损伤(traumatic brain injury, TBI)是神经外科最常见的急危重症之一，具有高发生率、高死亡率和高致残率的特点，而且随着社会的发展，其发生率呈逐年上升的趋势。虽然近十年来TBI 的总体死亡率已经由50%降至了30%左右，但是仍有10%轻度TBI患者会遗留永久的神经功能障碍，中重度TBI患者的致残率甚至高达66%～100%，为社会和家庭带来了极大的负担[1]。TBI之所以具有非常高的死亡率和致残率，一方面是由原发性创伤的严重程度决定的，另一方面是与创伤后的继发性脑损伤密切相关的[2]。TBI可以导致许多加重患者神经功能损伤的继发性反应，其中最突出的是神经炎症反应[3]。虽然大多数研究表明TBI后的神经炎症反应可以加重神经细胞损伤和抑制神经修复，但最近也有研究表明其在促进TBI后的组织修复中也具有不可或缺的作用。而且目前TBI后抗炎药物治疗的失败也提示人们需要重新认识神经炎症反应在TBI后继发性改变中的作用。

一、既往研究认为TBI后炎症反应加重神经功能损伤的机制

既往研究认为神经炎症反应是TBI后继发性病理改变最突出的特点之一，其主要改变包括脑组织胶质细胞激活、外周循环炎症细胞浸润和炎症细胞因子(如趋化因子、白细胞介素、肿瘤坏死因子)等介质的释放[2]。炎症反应一旦被过度激活，就会严重损害脑实质，导致血脑屏障通透性改变、线粒体功能异常和细胞能量代谢障碍等，从而造成脑水肿、颅内压升高和继发性脑灌注不足等，最终造成神经细胞凋亡和创伤性轴索损伤(traumatic axonal injury, TAI)等。其机制可能与以下几个方面有关：

1.释放炎症因子：TBI发生后，受损或死亡的细胞释放一些损伤相关的信号分子，小胶质细胞(microglia)和星形胶质细胞(astrocytes)接受这些信号分子并启动下游细胞因子和趋化因子的产生并形成一个炎症微环境，从而进一步激活小胶质细胞和星形胶质细胞、导致外周炎症细胞(如中性粒细胞、单核细胞和T淋巴细胞)的浸润。众多研究表明，TBI后脑组织中的白介素(interleukin, IL)-1β (IL-1β)、肿瘤坏死因子-α (tumor necrosis factor-α, TNF-α)、细胞间粘附分子-1 (intercellular cell adhesion molecule-1, ICAM-1)、白介素-6 (IL-6) 和白介素-8 ( IL-8) 等炎症细胞因子表达明显上调并与患者的预后密切相关[3]。研究者们发现通过运用米诺环素特异性地抑制脑组织的小胶质细胞激活后，可以明显减轻创伤小鼠脑组织的炎症细胞因子如IL-6、IL-1β、TNF-α等的释放，从而减少TBI小鼠的伤灶体积，提高小鼠的神经功能预后[4]。另一项研究运用白藜芦醇抑制小胶质细胞激活后获得了类似的结果[5]。在TBI患者中，研究发现患者血清IL-8的水平也与预后密切相关，其水平越高，患者死亡率也越高[6]。因此，TBI后促炎因子的释放对加重继发性损伤具有重要作用。

2.加重氧化应激反应：活性氧是体内一类具有极强的氧化能力的物质，一般包括氮自由基和氧自由基，可攻击生命大分子物质及细胞膜，造成创伤后的多种神经细胞和亚细胞结构的损伤和病变，加速患者的神经功能退化[4]。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶-2 (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase-2, NOX2)是参与体内氧化应激反应最重要的物质之一，NOX2表达上调与多种神经系统损伤密切相关[7]。一方面活化的小胶质细胞特异性地表达NOX2，从而产生多种活性氧加重创伤后的神经损伤。另一方面，NOX2可以促进小胶质细胞向具有分泌促炎因子的表型转化，从而加重炎症因子的释放。敲出小鼠NOX2基因，可以明显减少TBI后脑组织内活性氧的产生，减轻TBI的伤灶体积，提高小鼠的神经功能预后[8]。

3.招募外周炎症细胞：尽管血脑屏障将中枢神经系统和外周循环隔离开了，但是TBI后外周循环中的免疫细胞也可以通过破坏的血脑屏障进入到中枢神经系统参与创伤后的炎症反应。在TBI后，血液中的单核细胞被募集迁移到伤灶，分化成巨噬细胞参与炎症反应。例如，活化的小胶质细胞可以表达C-C趋化因子(C-C chemokine)，招募循环中表达C-C趋化因子2型受体(C-C chemokines type 2 receptor, CCR2)的单核细胞聚集到脑组织中并产生炎症因子，从而加重神经功能损伤。而敲除CCR2基因的小鼠TBI后皮层单核细胞的数目相对于野生型对照组减少了超过80%，海马神经元凋亡也明显减少了，促进了小鼠神经功能恢复[9]。

二、TBI后抗炎治疗的临床研究进展

近年来，神经炎症和神经损伤之间的微妙关系催生了一大批使用免疫抑制治疗TBI的基础与临床研究。许多动物实验研究证实抗炎药物或者免疫抑制剂(例如糖皮质激素，非甾体类抗炎药、他汀类药物和特定的细胞因子抑制剂)在不同的TBI动物模型中都具有较强的神经保护作用[10]。尽管由于损伤模型和/或治疗时间窗的不同而有所差异，这些抗炎治疗都或多或少地减少了TBI后的病理学改变并改善了模型动物的神经功能。

然而，在这些动物实验基础上进行的一些前瞻性的评估免疫抑制剂治疗急性期的TBI的大型III期临床试验并未取得实质性的进展[11]。例如，糖皮质激素是最早用于治疗TBI的抗炎药物之一，经过几十年的临床实践证明其在提高颅脑损伤患者神经功能和预后方面并无显著作用，甚至会增加创伤患者的死亡率[10]。黄体酮是另一个在TBI领域运用较多的一个药物，虽然大量基础研究和一些零散的临床随机对照实验发现黄体酮可以减轻TBI后早期的炎症反应，提高患者的神经功能。然而Zheng等[12]在一项纳入了6项大型临床随机对照试验的系统评价中指出，在TBI后6个月对患者预后进行评估时，并没有发现黄体酮和安慰剂对照组在死亡率或神经功能预后上有显著的差异。这些结果表明，运用抗炎药物抑制创伤后的炎症反应并不能明显改善患者的预后。

三、炎症的神经保护作用

为什么目前几乎所有的基础和临床研究都证实炎症反应参与了TBI后的病理生理和神经功能的改变，而针对TBI患者抗炎治疗的几乎所有临床试验中都相继宣告失败？这一方面可能是由于目前已参加临床实验的药物确实无效，或者是研究方法存在不足。例如：TBI动物模型与临床TBI患者之间的差异、不同TBI患者之间的个体差异、不同研究中心的给药途径和时间窗以及各研究中心之间的医疗水平之间差异等因素都可能是导致抗炎药物治疗TBI临床研究无效的原因。另一方面，笔者认为最重要的是TBI后至少有一些神经炎症反应对于清除坏死组织和异物、为神经修复提供必要微环境是必不可少的，在TBI后适当的炎症反应是有利的。

炎症反应的定义是机体对外界不良刺激做出的自身防御反应，可以消除病原微生物与其他有害物质对机体的损害。在外周，免疫系统通常积极参与伤口愈合，适当的炎症反应可以促进外周组织再生和修复[13]。在中枢神经系统内，炎症反应的积极方面在于免疫细胞可以清除坏死细胞、支持屏障系统，为伤口愈合创造合适的条件。因此，那些认为TBI后的神经炎症反应是完全有害的观点并不科学。

例如，小胶质细胞是中枢神经系统里最主要的免疫调节细胞，其通常是脑损伤后第一个反应的细胞。小胶质细胞表达嘌呤受体，可以让它们对细胞外的嘌呤水平，如三磷酸腺苷(adenosine triphosphate, ATP)的变化快速反应。细胞外ATP水平的改变可以导致小神经胶质细胞外在几分钟内便迁移到伤灶，并被激活形成巨噬细胞样改变。在一个脑膜挫伤模型中，受损的星形胶质细胞的释放的ATP可以引起大脑深部的小胶质细胞转变成激活态并清除坏死的细胞碎片。而与对照组相比，抑制这种反应导致了更多的神经细胞凋亡[14]。在胼胝体等脑白质损伤后，抑制了小胶质细胞的活性也可以减慢髓鞘碎片的清除过程，从而抑制少突胶质细胞前体细胞的聚集和再髓鞘化的过程，加重轴突损伤[15]。此外，小胶质细胞也可能参与维持脑损伤后血脑屏障的稳定。例如，在激光损伤模型中，激光造成的毛细管损害导致了明显的血脑屏障通透性增加，而小胶质细胞可以迅速聚集到毛细血管壁周围并伸出大量的突起包绕在外面，从而防止血脑屏障的渗漏；抑制小胶质细胞的这种反应可以明显增加毛细血管的通透性[16]。因此，小胶质细胞中枢神经系统受伤后的急性期的关键参与者，其不单是释放促炎因子，还可以提供屏障支持和清理残骸，具有一定有益作用。

该研究并不是第一个指出炎症反应在神经系统中具有保护作用的研究。在脊髓损伤模型中，适当的中性粒细胞浸润对伤灶愈合和修复是必要的。研究发现，运用中性粒细胞抗体处理消耗了小鼠的中性粒细胞，脊髓损伤部位的星形胶质细胞反应性降低，却导致了更大的损伤体积和小鼠更差的神经功能预后[17]，提示外周炎症细胞浸润对脊髓损伤具有一定的保护作用。研究证实，在TBI中干扰中性粒细胞被募集到受伤部位的过程，可以明显增加神经细胞凋亡的数量。虽然目前还不清楚TBI后中性粒细胞浸润是如何有助于保护神经细胞不受损伤的，但是推测其可能与这些中性粒细胞进入伤灶后，可以在伤后的前几天募集外周的单核巨噬细胞有关系[18]。

事实上，不论是小胶质细胞(microglia)还是巨噬细胞(macrophagy)，其在接收到损伤刺激因子刺激的时候，都可以被激活并向M1型(经典激活性)和M2型(替代激活型)两个方向转化。其中，M1型小胶质细胞/巨噬细胞可以表达IL-1β、IL-6、IL-12、IL-23、TNF-α、NOX2等促进炎症反应的细胞因子，加重神经功能损伤；而M2型小胶质细胞/巨噬细胞可以分泌IL-4、IL-10和转化生长因子-β (transforming growth factor-β, TGF-β)等抗炎因子，可以减轻TBI后的神经功能损伤[19]。因此，笔者认为炎症反应促进TBI后的神经损伤是与小胶质细胞/巨噬细胞向M1型极化有关。而小胶质细胞/巨噬细胞向M2型极化对中枢神经系统的组织重建和修复是必不可少的。我们目前在TBI的抗炎治疗中面临的挑战，是如何开发药物促进TBI后早期的炎症反应向有利的方面转化，并阻止对神经功能产生损伤的神经炎症。

四、小结

结合目前基础和临床研究的结果，不难发现炎症反应确实在TBI后的神经功能损伤和修复中具有重要作用。重新认识TBI后的神经炎症反应，明确TBI后神经炎症的动态变化过程，并采取相应措施对于促进TBI患者的康复具有重要作用。首先，虽然神经炎症反应确实能够引起TBI后的组织损伤，但不应完全将TBI后的神经炎症反应视为有害的。神经炎症反应在TBI中的积极属性包括维持血脑屏障的稳定性、清理坏死细胞碎片和释放抗炎细胞因子等作用。抑制这些有益的反应可能会加重神经损害，阻碍TBI后的神经修复。临床上抗炎药物治疗TBI的失败也提示不能将TBI后的炎症反应一概而论。其次，参与神经炎症反应细胞的不同表型也可能是影响治疗效果的原因之一。简言之，开发出能够抑制小胶质细胞/巨噬细胞向M1型转化，同时促进其向具有保护作用的M2型转化的药物可能会为减轻TBI后的神经损伤找到新的突破口。另外，遗传、环境因素、损伤的位置和严重程度、药物干预的时机等也可能影响TBI后的神经炎症反应。目前基础研究多数认为在TBI后的早期是以IL-1β、IL-6和 TNF-α等促炎因子分泌为主的促炎反应，主要参与继发性的神经损伤。而伤后1 w左右开始出现M2型小胶质细胞/巨噬细胞等抗炎细胞，参与清除坏死的神经组织，分泌抗炎因子等。因此根据TBI后的神经炎症反应的动态过程，调控神经炎症反应药物使用的时机也是需要进一步探讨的问题。

综上所述，由于TBI后的神经炎症反应具有双重性，基于TBI后神经炎症的进一步研究应精确地探讨TBI后促炎与抗炎反应的相互关系，注重引导TBI后的炎症反应向有利的方向发展而不是完全抑制它，尽可能从分子水平上抑制有害的神经炎症反应，加强有利的抗炎作用，为TBI患者的治疗提供新的依据。

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1671-2897(2017)16-289-04

R 651.1

C

国家自然科学基金资助项目(81371319)

陈礼刚，教授、主任医师，博士生导师，E-mail: chengligang.cool@163.com

*通讯作者：江涌，主任医师，硕士生导师，E-mail: 793906471@qq.com

2016-09-08；

2017-02-26)