软脑膜在外周炎症影响神经炎症过程中的作用

王鹞 吕慧欣 杜留熠 顾芯铭 任静宜 于维先 周延民

1.吉林大学口腔医院种植中心 长春 130021;

2.吉林省牙发育及颌骨重塑与再生省重点实验室 长春 130021

软脑膜是血脑屏障中的重要组成部分。在生理情况下，软脑膜参与隔离了外周循环系统内的大部分免疫细胞及细胞因子，阻止其进入脑实质，保证了中枢神经系统的稳态及相对独立于外周系统的“免疫豁免权”。但是，已有许多临床证据揭示，一些外周系统炎症疾病（如牙周炎）与神经系统内的炎症及其导致的疾病有着明显的相关性。传统观点认为，在外周系统中产生的炎症介质可以诱导中枢神经系统内炎性因子的释放，使其产生一种“镜像”的免疫应答[1]，而且反复、轻微的外周炎症还可以降低中枢神经系统对于外周炎症的敏感性，从而抑制炎症的发生、发展[2]。近年来的一系列研究显示，软脑膜可能参与了外周炎症对于神经炎症的动态调节，并起到了某种传递炎性信号的作用。本文就这一过程的内在机制进行综述，旨在进一步揭示神经炎症的产生机制，为众多慢性神经中枢系统疾病的治疗提供新途径。

1 软脑膜

软脑膜是紧贴于脑表面的一层透明薄膜，且能够伸入沟裂。由软脑膜形成的皱襞突入脑室内，形成脉络丛，分泌脑脊液。脉络丛上皮细胞与其之间的紧密连接构成了血-脑脊液屏障（bloodcerebrospinal fluid barrier），负责血液与脑脊液之间的物质转运[3]。软脑膜与室管膜上皮、软膜下胶质膜共同构成了脑脊液-脑实质屏障（cerebrospinal fluid-brain barrier），其表面分布有多种受体和转运子。

数十年来的研究一直认为，脑膜是一种防御结构，但越来越多的研究证实，脑膜是一种复杂的生理结构，除了作为外周循环系统和中枢神经系统间的屏障，还具有信号传递[4]、物质转运[5]、干细胞孵育[4]以及参与中枢神经系统免疫应答[6]等功能。进一步的研究[7]表明，许多物质都可作用于软脑膜，如脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）、白细胞介素（interleukin，IL）-1β、IL-6、环氧合酶（cyclooxygenase，COX）-2、核因子κB抑制蛋白α（inhibitor of nuclear factor κB α，IκBα）、肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）-α、前列腺素（prostaglandin，PG）等，可诱导软脑膜分泌炎性因子，促进中枢神经系统的炎性应答。Liddelow等[8]还发现，当发生炎症时，软脑膜上缺少紧密连接蛋白（claudin）-3的小鼠的脑脊液中会有更多的外周免疫细胞，这进一步证明了当软脑膜的屏障功能良好时，可以限制外周免疫细胞的进入。总而言之，软脑膜参与构成外周-中枢神经系统之间的屏障，能够限制炎症信号、免疫细胞等多种物质在两个系统间的直接扩散。

2 外周炎症与神经炎症的关系

外周炎症是机体对侵入的病原微生物进行的一种防御反应，在日常生活中很常见。有研究[9]证据显示，外周炎症与神经炎症有着显著的相关性。Kranjac等[10]和Semmler等[11]的动物实验结果显示，系统炎症疾病与认知功能损伤存在密切关系。

在正常生理情况下，由于内皮细胞间的紧密连接为中枢神经系统构建了一个特殊的屏障系统，中枢神经系统一直被视作一个与外界相对隔离的“免疫特权区域”[12]。软脑膜参与构成了中枢神经系统的免疫脑屏障系统，在正常生理情况下，限制外周循环系统中抗体、免疫调节因子以及免疫细胞渗透、进入，同时保护脑实质[13-14]。脑实质内的神经元和胶质细胞则被包裹于屏障之内，维护着特殊的稳态微环境。

通过几条已知的路径，外周炎症可以引发中枢神经系统的炎性应答。Wu等[15]发现了一条可能的新路径，即软脑膜细胞介导路径，认为在全身性炎症诱导神经炎症过程中，软脑膜可能起到了某种传递炎症信号的作用。概括来看，外周炎症与中枢神经炎症的关系密不可分，而软脑膜既在两者之间提供了一个物理屏障，保证了中枢系统的“免疫特权”，又在炎症信号由外周循环系统传递进入中枢神经系统的过程中起到了重要的作用。

牙周炎是一种典型的慢性外周炎症，入侵牙周组织的病原微生物及其代谢产物导致机体产生免疫应答，引起牙周组织破坏[16]。由于组织、血管的破坏，牙周致病菌及其毒素、局部炎症因子等还可直接进入外周血液循环。牙周炎最常见的致病菌牙龈卟啉单胞菌的LPS可被巨噬细胞的Toll样受体（Toll-like receptor，TLR）识别，诱导巨噬细胞、单核细胞向局部组织、血液中释放大量的IL-1β、TNF-α和IL-6等促炎细胞因子[17-18]。同时，研究证据[19]也显示，牙周炎的致病原会增高菌血症的发病风险。一旦发病，炎症会通过某种解剖结构相关的路径扩散到脑及其他的远端组织、器官。尽管其中确切的机制还没有被确认，但已经获知以牙周炎为代表的外周性炎症与中枢神经系统炎症相关性疾病的病程显著相关。对于这方面的深入研究，可能将有助于找到防治神经系统疾病的新思路。

3 软脑膜介导炎症信号传递的可能通路

3.1 外周巨噬细胞的激活作用

关节炎是一种常见的外周炎症。Wu等[20]发现，佐剂型关节炎大鼠的巨噬细胞在被激活后会随循环系统聚集在软脑膜附近，但本身并不进入脑组织，而是通过分泌炎性因子作用于软脑膜细胞。接收到炎症信号的软脑膜细胞会产生特定的免疫应答，进而释放炎性因子，刺激中枢神经系统内的胶质细胞，造成进一步的神经炎症和认知损伤。

牙周炎是另一种常见的慢性炎症，可导致一种顽固的外周炎症反应。Liu等[21]发现，在牙龈卟啉单胞菌LPS的刺激下，外周循环系统中的巨噬细胞可向牙周组织和循环系统中释放大量的炎性信号，包括TNF-α、IL-1β，以及诱导型一氧化氮合酶等[21-22]。传统观点认为，在牙周炎病程中，巨噬细胞通过TLR释放出的炎性因子，可在口腔黏膜内介导固有免疫的发生[23]，然而Liu等[21]首次提出了巨噬细胞对于软脑膜可能存在刺激作用，并诱使软脑膜释放出相应的促炎因子。虽然这一领域的研究刚刚起步，但为研究牙周炎与神经炎症疾病的相关性指出了一条新的路径。

3.2 细胞因子的释放

Liu等[21]发现，在用牙龈卟啉单胞菌的LPS刺激人急性单核细胞白血病单核细胞株以及小鼠巨噬细胞后，在培养基中可检测出TNF-α和IL-1β分泌水平明显上升；用这种培养基刺激软脑膜细胞4 h后，可在软脑膜细胞的培养液中测到同种因子表达量的显著上升。实验中还发现，对于软脑膜细胞炎性因子的分泌速度和分泌水平，巨噬细胞培养基刺激组都要远高于LPS直接刺激组。

当发生外周炎症时，活化的软脑膜细胞所体现的作用是复杂的，除促进神经系统的炎性反应外，还具有抗炎作用。现有研究[24-26]显示，活化的软脑膜的抗炎作用主要通过分泌PGE2和转化生长因子（transforming growth factor，TGF）-β1来实现。对于中枢神经系统而言，PGE2是一种抗炎蛋白质分子，可以抑制神经元的死亡和炎性介质的释放，而TGF-β1更能直接对皮质神经元产生保护作用。体内、体外实验证据均表明，软脑膜细胞既可被LPS刺激，也可被活化的巨噬细胞所分泌的炎性因子刺激。被刺激并激活后的软脑膜细胞，可同时分泌促炎因子和抗炎因子，这些因子共同作用于中枢神经系统，影响神经系统炎症的发生和发展。

3.3 对胶质细胞的激活作用

胶质细胞的活化是神经炎症的关键影响因素[26]。在全身性炎症反应的初始阶段，由于血脑屏障的存在，体内大部分的免疫细胞和炎性细胞虽然在软脑膜周围堆积，但是无法进入脑实质[20]。用活化后软脑膜细胞的培养基处理小胶质细胞后，可发现后者TNF-α和IL-1β的mRNA水平显著上升[21]，说明软脑膜细胞分泌的细胞因子与小胶质细胞的活化有显著的相关性。体内实验[20]也为这一猜想提供了证据，在给小鼠注射免疫诱导剂后，沿软脑膜细胞分布的胶质细胞出现了明显的形态学变化。因为其他的胶质细胞（如星形胶质细胞等）也可能涉及这一通路，这一方面还需要深入研究。

软脑膜细胞既能分泌促炎因子，也能分泌抗炎因子，从而调节中枢神经系统内的免疫反应平衡。因此，软脑膜细胞对于胶质细胞的刺激作用也是多样化的。免疫荧光实验证实，在发生神经炎症时，被软脑膜细胞活化的小胶质细胞和星形胶质细胞是脑内IL-10的主要来源[25]；体外实验[20]也证实了软脑膜对于胶质细胞IL-10分泌的促进作用。IL-10在中枢神经系统中能展现出显著抗炎作用，不仅能抑制胶质细胞对于促炎因子的分泌，还能上调中枢神经系统内的抗炎因子水平[27-29]。

在发生全身性炎症时，软脑膜细胞分泌的PGE2还可诱导胶质细胞分泌TGF-β1[25,30]和TGF-β受体Ⅱ。不难推断，胶质细胞在接收来自软脑膜的炎症信号后被活化，并可发挥促炎作用和抗炎作用，从而调节中枢神经系统内的炎性反应。

在发生全身性的外周炎症时，胶质细胞的免疫应答还与年龄相关。研究[31]发现，在年轻的关节炎小鼠身上，活化后的小胶质细胞和星形胶质细胞的TGF-β1和IL-10表达量显著上升；在中年关节炎小鼠身上，胶质细胞主要表达IL-1β和PGE2合成酶。随着小鼠年龄的增长，脑内的一部分胶质细胞（尤其是小胶质细胞）会改变其形态和特性。在全身性炎症的刺激下，这种变形细胞体现出了高于正常值的敏感性，能够更显著地表达IL-1β和PGE2合成酶。对于中年关节炎小鼠，其脑内活化的胶质细胞释放的促炎因子（主要为IL-1β和PGE2）可下调软脑膜的两种重要的紧密连接蛋白Claudin3和ZO-1，从而影响其屏障功能，改变其对于中性粒细胞渗出物和CD4+T细胞的通透性；在年轻小鼠脑内，胶质细胞活化后将表达抗炎因子（如IL-10、TGF-β），可抑制PGE2和IL-1β对紧密连接蛋白的毒性影响。胶质细胞的这种年龄相关的行为差异，决定了在全身性炎症中，软脑膜通透性的改变会受到年龄因素的影响。

4 小结

外周炎症对中枢神经系统的炎症有动态调节作用。神经系统的炎症是许多慢性神经系统疾病（如阿尔茨海默病、帕金森病、额颞痴呆）的共同病理变化。软脑膜可能在外周炎症对于神经系统炎症的这种影响中扮演了某种信使的角色。对于健康人，软脑膜作为免疫脑屏障系统的组成结构，将循环系统中大部分的免疫细胞、细胞因子等阻隔在中枢神经系统之外，保证了中枢神经系统的免疫独立性。当发生全身性炎症时，软脑膜会发生明显的免疫应答，通过分泌和接受细胞因子，参与炎症的发生和发展。一些外周炎症的致病物质可以刺激巨噬细胞和软脑膜细胞，诱导其分泌炎性介质，同时巨噬细胞所分泌的致炎因子也能作用于软脑膜细胞，增强其炎性反应。另一方面，处于免疫应答中的软脑膜所释放的促炎因子，可激活中枢系统内的神经胶质细胞，而活化的小胶质细胞一直被视作与神经系统炎症有着密切的相关性，并与多种神经退行性疾病和认知功能损害有关。

除了参与以上通路外，软脑膜细胞在被激活后，还能分泌以PGE2、TGF-β1为代表的抗炎因子，保护神经元，与促炎因子一起，共同影响中枢神经系统内的炎症反应。

由于软脑膜涉及多种细胞因子的通路，不难推测它很可能在外周炎症对神经炎症的影响中扮演某种关键的信使角色。对于软脑膜的进一步研究是必要的，对外周炎症与中枢神经炎症之间新的通路的探究势必将揭示牙周炎、关节炎与众多神经退行性疾病间的深层次联系，为这些疾病的预防和治疗提供新的思路。