胆碱能抗炎通路在炎性疾病中的应用研究进展

吴娟，金曼，黎笔熙

(中部战区总医院麻醉科，武汉 430070)

传统观点认为炎症反应过程由体液途径调控，即免疫细胞产生的炎症因子与抗炎因子共同维持机体促炎反应与抗炎反应的平衡，一旦该平衡被打破将发生失控性炎症反应或免疫抑制。2000年，Borovikova等[1]发现，除体液途径外，神经系统也参与炎症反应的调控，他将此途径命名为胆碱能抗炎通路(cholinergic anti-inflammatory pathway，CAP)，即迷走神经将炎症刺激信号传至中枢神经系统(central nervous system，CNS)进行整合，CNS将整合后的信号传至迷走神经末梢并释放乙酰胆碱(acetylcholine，ACh)，ACh与炎症细胞表面的α7亚基N型胆碱能受体(α7 nicotinic acetylcholine receptors，α7nACHR)结合，从而调节炎症细胞产生炎症因子。α7nACHR是CAP最显著的特征，通过激活或抑制α7nACHR能调控CAP的活性。α7nACHR隶属于烟碱样ACh受体，以ACh和胆碱作为内源性配体，由5个α7亚基组成，广泛分布于神经系统的突触前膜和突触后膜以及肺泡上皮细胞和巨噬细胞等免疫细胞表面；另外，α7nACHR属于离子通道受体，对Ca2+有很好的通透性， 因此，α7nACHR介导的许多生理活动与Ca2+内流有关[2]。CAP在全身炎症反应和各种炎性疾病的发生、发展中发挥着重要作用。现就CAP在炎性疾病中的应用进展予以综述。

1 CAP的组成及作用机制

当致病原刺激组织产生炎症因子时，传入迷走神经将刺激信号传至CNS，并释放ACh与前脑基底部胆碱能神经元表面的M1受体结合，增强传出迷走神经的活性[3]；传出迷走神经刺激支配脾脏的儿茶酚胺能纤维释放去甲肾上腺素，去甲肾上腺素与脾脏中表达胆碱乙酰转移酶的T细胞表面的β2受体结合，刺激T细胞合成大量的ACh，ACh与免疫细胞表面的α7nACHR结合[4]。α7nACHR被激活后能增加免疫细胞内的Janus激酶/信号转导及转录激活因子(Janus kinase/signal transducers and activator of transcription，JAK/STAT)，同时抑制核因子κB(nuclear factor κB，NF-κB)信号转导通路，从而减少免疫细胞中肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、高迁移率族蛋白1、白细胞介素-1β、白细胞介素-6等炎症因子的产生，并提高血清中白细胞介素-10等抗炎因子水平[5-6]，若α7nACHR被药物阻断或其基因被剔除，CAP则无法发挥炎症调控作用[7]。大量实验表明，当组织发生失控性炎症反应时，外周直接迷走神经刺激(vagus nerve stimulation，VNS)或外周使用烟碱、GTS-21等α7nACHR激动剂均能显著降低组织与血清中TNF-α、白细胞介素-1β等炎症因子水平，缓解组织损伤并保护器官功能，但辅以α7nACHR阻断剂后这种保护作用则消失[8-14]。近年来随着对CAP作用机制的深入研究，Ren等[8]发现，除刺激外周的α7nACHR外，脑室内使用α7nACHR激动剂能激活神经元表面α7nACHR，解除炎症导致的外周免疫功能抑制，并减轻重要器官的组织损伤；Sun等[15]在基因表达水平对CAP进行了研究，认为α7nACHR被激活后细胞内的抗炎机制由miR-124介导，miR-124通过作用于STAT3激动剂和TNF-α转化酶，抑制白细胞介素-6和TNF-α的产生，而烟碱能上调巨噬细胞内miR-124的表达。早期研究认为脾脏是CAP主要的效应器官，但Matteoli等[16]发现，CAP在肠道中的抗炎作用不依赖脾脏，迷走神经直接支配肠道神经元，肠道神经元发出的胆碱能纤维能直接作用于常驻巨噬细胞表面的α7nACHR，因此VNS可不依赖脾脏直接通过肠道神经元刺激巨噬细胞，从而抑制炎症因子的产生。

2 CAP在炎性疾病中的应用

2.1感染性休克 感染性休克由大量病原体入侵引起，病原体通过毒素和脂蛋白等抗原刺激体内的白细胞，被激活的白细胞经血液迁移至病灶并释放大量蛋白酶和炎症因子以对抗入侵的病原体，但同时这些物质会损伤机体的内皮细胞与上皮细胞，使病原菌易移位至其他器官(如肝脏、肺脏)，造成多器官功能障碍[8]；另外，受损的血管内皮细胞会激活凝血过程并引起纤溶过程的双向改变，而炎症因子会抑制凝血因子的功能，造成凝血功能异常和微循环障碍[17]；在感染性休克晚期，脾脏中淋巴细胞与树突状细胞的凋亡率增加，机体免疫功能被抑制，使患者病情进一步加重，甚至死亡[9]。CAP在感染性休克时能发挥重要的调节作用，内源性ACh通过促进脾脏中淋巴细胞增殖，减轻机体炎症反应，抑制血清中细菌生长和中性粒细胞迁移[9-10]。Cedillo等[18]发现，败血症患者单核细胞的α7nACHR基因表达增加，其表达水平与炎症反应程度和预后相关。大量动物实验表明，VNS或α7nACHR激动剂能显著降低败血症小鼠血清中的白细胞介素-1β、白细胞介素-6水平和病死率[8-10,19]；进一步研究发现，在败血症小鼠皮下注射M1-R激动剂也能产生类似于α7nACHR激动剂的抗炎作用[20]；腹腔注射毒扁豆碱(一种抗胆碱酯酶抑制剂)也能抑制NF-κB活性，降低血清TNF-α水平并提高小鼠生存率[21-22]，表明经外周刺激M受体同样能减轻全身炎症反应，其机制可能与CNS毒蕈碱网络影响CAP活性有关。目前，德国一项针对毒扁豆碱辅助治疗围手术期感染性休克患者的临床试点试验正在进行中，该试验旨在研究能否将毒扁豆碱诱导的CAP抗炎作用安全、有效地应用于临床治疗[23]。

除减轻感染性休克的炎症反应外，VNS(5 V，2 ms，1 Hz)能减少败血症小鼠血清中TNF-α的含量，解除炎症因子对凝血因子功能的抑制，适当纠正凝血与纤溶过程紊乱，减轻微循环障碍[17]；外周使用GTS-21还能减轻败血症所致的大脑、心脏、肺脏、肾脏等器官组织损伤，保护器官功能，其保护机制均与GTS-21刺激免疫细胞表面的α7nACHR有关[24-26]。如GTS-21刺激肺泡巨噬细胞表面的α7nACHR，抑制肺泡巨噬细胞分化为M1型，从而减少M1型肺泡巨噬细胞释放炎症因子，减轻肺脏组织损伤[24]。

2.2失血性休克(hemorrhagic shock，HS) HS的病因是大量出血导致有效循环血量不足，引起外周血管收缩与微循环障碍。HS的病理生理变化较复杂，有效循环血量降低会导致心脏、脑、肠道等重要器官灌注不足，其中肠道灌注不足引起肠黏膜屏障功能损伤，使肠道菌群或炎症细胞移位至肠系膜淋巴结，经淋巴液的全身循环引起全身炎症反应[27]；此外，大量失血会导致细胞因氧供应不足而释放大量损伤相关因子，从而引起组织的炎症反应[28]。同时，系统性炎症激活机体凝血过程，加以血管内皮细胞损伤与血小板丢失共同导致大量血栓形成或凝血障碍，加剧HS的病理生理过程[29]。

CAP能调控HS导致的系统性炎症与组织损伤。Guarini等[6]发现，VNS(5 V，2 ms，1 Hz)能抑制HS大鼠肝脏中NF-κB活化，降低肝脏与血清中TNF-α水平，纠正低血压并提高大鼠生存率，而皮下注射N型胆碱能受体阻滞剂氯异吲哚铵会逆转上述保护作用。进一步研究表明，VNS的这种抗炎作用与减轻肠黏膜屏障损伤、降低肠道屏障通透性和淋巴液毒性有关[28,30-31]，但具体作用机制不明。另一方面，VNS能增加肠系膜淋巴结中CD103+树突状细胞的数量与T淋巴调节细胞/辅助性T细胞(helper T cell，Th)17的比例，提高肠道对炎症的耐受性，进而减轻肠黏膜屏障损伤[32]。有活性的肠系膜淋巴液通过全身循环引起远处脏器的炎症反应，其中肺脏是最易受损的器官，VNS通过减轻肠淋巴液毒性可降低肺血管通透性，抑制中性粒细胞的激活与聚集，降低髓过氧化物酶和细胞间黏附因子1的水平，减轻肺组织学损伤[30,33-34]。除VNS外，迷走神经激动剂和烟碱也具有减轻HS后肠道损伤与肺损伤的作用[28-31]。另外，Rezende-Neto等[29]发现，VNS(3.5 mA，5 Hz)通过降低HS大鼠体内白细胞介素-1β水平，解除炎症介质对凝血因子功能的抑制，从而促进凝血过程，改善HS的病理生理过程。

2.3癌症 炎症反应与癌症密切相关，炎症在肿瘤的各个阶段(如增殖、迁移、侵袭和转移过程)发挥着至关重要的作用[35]，如溃疡性结肠炎患者易患结肠癌，哮喘、慢性阻塞性肺疾病患者易发展为肺癌，这与炎症微环境刺激组织细胞发生恶变有关[36-37]。炎症反应产生大量的致癌介质(如活性氧类、活性氮类和自由基)，这些致癌介质会导致DNA损伤，甚至突变，从而使正常组织细胞发生癌变[38-39]。肺组织和结肠组织中分布着广泛的迷走神经，迷走神经末梢存在大量炎症因子受体和感受器，因此，当肺组织和结肠受到炎症因子刺激时，刺激信号便由迷走神经传至CNS进行整合，整合后的信号由迷走神经传出，迷走神经末梢释放ACh与肺组织和结肠中炎症细胞表面的α7nACHR结合，抑制炎症细胞产生促炎介质并减轻肺组织和结肠中的炎症反应[40]，因此，可以通过刺激α7nACHR减轻肺组织和结肠的炎症反应来抑制癌细胞增殖。De Couck等[41]已证实，迷走神经活性越高的非小细胞肺癌患者预后越好，这与迷走神经通过ACh和α7nACHR调控肺组织炎症反应有关；此外，Hayashi等[42]发现，烟碱能下调小鼠结肠组织中炎症因子(白细胞介素-6/STAT3和TNF-α)的表达，降低结肠肿瘤的发生率。

2.4克罗恩病 克罗恩病的特征是肠道神经元缺失、大量炎症细胞浸润及炎症因子产生造成的肠道组织损伤[43]。VNS直接刺激肠道神经元和与之相连的胆碱能纤维，增加神经纤维末梢释放的ACh水平，ACh与肠道巨噬细胞表面的α7nACHR结合，减少巨噬细胞中炎症因子的产生，从而抑制肠道的炎症反应[16,44]。动物实验表明，VNS(0.5～1.5 mA，10 Hz，500 s)能降低结肠炎大鼠体内髓过氧化物酶和炎症因子水平，减轻结肠组织损伤[45-46]；国外一项临床试验证明，VNS(0.5～1.5 mA，10 Hz，500 s)能降低克罗恩病患者体内C反应蛋白水平，改善患者的临床症状[47]。此外，Bai等[48]在动物实验中发现，腹腔注射胆碱能激动剂假木贼碱可以降低结肠炎小鼠结肠组织中髓过氧化物酶、TNF和NF-κB水平，缓解结肠组织损伤，这与假木贼碱作用于肠道巨噬细胞表面的α7nACHR抑制炎症因子释放有关。

2.5类风湿关节炎(rheumatoid arthritis，RA) RA的病理特征是滑膜的持续炎症致使骨与软骨损害，最终导致关节畸形[49]。烟碱等α7nACHR激动剂能与滑膜中免疫细胞表面的α7nACHR结合并激活CAP，减少免疫细胞产生炎症因子，进而抑制RA的滑膜炎症反应。有研究发现，关节炎大鼠口服或腹腔注射烟碱均能降低滑膜中TNF-α等炎症因子水平，进而抑制滑膜中Th17细胞增生，并改善Th1/Th2比值失衡，减轻骨与软骨损害[50-51]。此外，RA的发生、发展与迷走神经功能紊乱有关，临床前RA患者迷走神经活性越低，则发展成RA的可能性越大；RA患者迷走神经活性越低，则临床症状越重且对药物反应越差[49]。临床试验证明，在RA患者体内植入迷走神经刺激仪并用相应的电压、频率和波长刺激外周迷走神经，能降低TNF-α等炎症因子水平，改善RA患者的症状[52]。

2.6阿尔茨海默病 脑组织中β淀粉样蛋白沉积是阿尔茨海默病的特征性改变。小胶质细胞是大脑中的单核巨噬细胞，它通过吞噬脑组织中的β淀粉样蛋白维持β淀粉样蛋白的平衡，而小胶质细胞的功能受星形胶质细胞的调控，但具体调控机制不明[53]。既往研究表明，小胶质细胞表面存在烟碱样ACh受体，口服或注射烟碱、加兰他敏等非选择性胆碱能受体激动剂能抑制脑组织中β淀粉样蛋白的聚集，促进小胶质细胞吞噬β淀粉样蛋白的过程[54-56]。研究表明，GTS-21能促进小胶质细胞吞噬β淀粉样蛋白的过程，在阿尔茨海默病大鼠中使用选择性胆碱能受体激动剂GTS-21能减少大脑中β淀粉样蛋白含量，并缓解大鼠记忆功能损伤，由此说明，α7nACHR在小胶质细胞的吞噬过程中发挥着重要作用，α7nACHR可作为治疗阿尔茨海默病的靶点之一[57-58]。

2.7脑卒中 炎症反应在脑卒中的各个病理阶段均发挥着重要作用，脑缺血或颅内出血刺激小胶质细胞释放大量促炎因子，这些细胞因子一方面在梗死区域产生局部炎症反应；另一方面透过血脑屏障进入血液，吸引血液中的巨噬细胞聚集到梗死区域，浸润的巨噬细胞产生大量炎症介质和活性氧类，造成神经元损伤[59]。腹腔注射GTS-21(4 mg/kg)等α7nAChR激动剂能与巨噬细胞表面的α7nAChR结合，抑制巨噬细胞产生活性氧类和白细胞介素-6、TNF-α等炎症因子，从而缓解脑卒中大鼠脑组织中炎症反应与神经元凋亡，改善脑组织损伤[13-14,60]；另外，VNS和经皮迷走神经刺激也具有减轻脑卒中后脑组织损伤的作用，其作用机制可能与上调免疫细胞和神经元表面的7nAChR有关[14,61]。另外，炎症反应在子痫前期[62]和抑郁症[63]等疾病的发生、发展中均扮演重要角色，而CAP的炎症调控作用对这些疾病的发展和转归均具有重要意义，但研究结果尚需大样本临床试验进行验证。

3 小 结

CAP在上述炎性疾病的病理生理过程中发挥着重要的调控作用，刺激CAP能够抑制炎症反应过程，从而减轻过度炎症反应造成的组织损伤和器官功能损害，最终缓解患者临床症状，甚至改善患者预后。但目前临床上用于刺激CAP的手段十分有限，7nAChR激动剂除GTS-21外均不能用于临床治疗。虽然美国食品药品管理局已经批准将VNS用于癫痫患者，并且VNS对癫痫患者表现出良好的治疗作用[64]，但VNS对其他炎性疾病的治疗效果和安全性没有大样本临床试验的验证。因此，适用于临床的新型7nAChR激动剂的研究及VNS治疗炎性疾病的大样本临床随机对照试验是CAP未来的重点研究方向。