趋化因子CX3CL1和受体CX3CR1在中枢神经系统疾病中的进展

杨茜茜，崔吉正综述，赵志斌，张小宝审校

0 引 言

大量研究显示帕金森病、阿尔茨海默病、多发性硬化症等中枢神经系统疾病的发生可能和中枢神经系统炎症有关。研究发现趋化因子[Chemokine(C-X3-C motif)ligand 1, CX3CL1]-趋化因子受体CX3CR1[Chemokine(C-X3-C motif)receptor 1, CX3CR1]信号轴是小胶质细胞和神经元信号传递的关键信号通路。在成年大鼠海马中，CX3CL1-CX3CR1信号通路可调节认知功能和突触可塑性，然而中枢神经系统疾病的发生会导致中枢神经系统中CX3CL1的表达降低[1-2]。CX3CL1-CX3CR1轴通过维持较高的CX3CL1水平，结合CX3CR1后发挥神经保护性作用，从而维持中枢神经系统(central nervous system, CNS)的稳定。随着年龄的增长，CNS的CX3CL1-CX3CR1轴发生紊乱，导致CX3CL1和CX3CR1的表达降低，从而触发小胶质细胞过度的炎性反应，最终损伤神经元。CX3CR1的减少以及形态和功能受损的小胶质细胞可导致脑功能的受损。但是CX3CL1-CX3CR1信号轴的损伤与小胶质细胞激活之间的因果关系尚未完全证实，因此，本文就CX3CL1-CX3CR1信号轴在神经系统疾病中的作用及与小胶质细胞之间的关系进行总结。

1 CX3CL1-CX3CR1信号轴的生理作用

CX3CL1又称Fractalkine，是趋化因子CX3CL1家族的成员, 是一种抑制信号趋化因子，仅在CNS中特异性表达，尤其是在海马神经元中表达更高[3]，具有7个跨膜α螺旋区的G蛋白偶联受体-CX3CR1是CX3CL1的唯一受体[4]。CX3CL1以膜结合形式(相对分子质量95 000)和可溶性形式(相对分子质量70 000)两种不同的形式存在主要由神经元产生。CX3CL1的可溶性趋化因子结构域可以结合小胶质细胞上的CX3CR1受体，而膜结合形式可以在炎症反应发生时发挥其趋附与黏附作用[5]。

在CNS中，CX3CR1主要表达于小胶质细胞表面[3]。在生理条件下，CX3CL1-CX3CR1信号轴在小鼠大脑功能的发育期以及成年期均有一定程度的参与，并且突触在其中发挥关键作用，而CX3CR1基因敲除的小鼠中突触较野生型小鼠减少，并且其发育过程中大脑海马CA1区中的小胶质细胞数量也明显减少[6]。

外源性给予的CX3CL1与CX3CR1结合可抑制神经元中的N-甲基-d-天冬氨酸受体(N-methyl-D-aspartate receptor, NMDA)诱导的钙内流，激活CX3CL1-CX3CR1信号轴从而促进蛋白激酶的活化，激活核转录因子кB (nuclear transcription factor-κB, NF-κB)进而减少炎性介质的释放[7]。CX3CL1激活CX3CR1后也可释放腺苷，激活突触后膜上的腺苷A3、A1受体和小胶质细胞上的A2A受体，起到调节GABAA受体、增加胞内钙浓度，从而发挥神经保护的作用[8-9]。CX3CR1基因敲除小鼠对于脂多糖(Lipopolysaccharide, LPS)诱发的炎症反应所产生的炎症因子如肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)、白介素-6(interleukin -6, IL-6)等也少于正常小鼠组，说明CX3CL1-CX3CR1在炎症介质释放中也发挥重要作用[10]。另外正常情况下，CNS内的神经元产生较高水平的内源性CX3CL1激活小胶质细胞上的CX3CR1，从而维持小胶质细胞处于静止状态，发挥CX3CL1的神经保护作用[11]。当CNS内的CX3CL1水平降低时，小胶质细胞变为活化状态，将会加重炎症反应。这种由CX3CL1-CX3CR1轴介导的小胶质细胞稳态抑制可能是维持中枢神经系统正常功能的重要基础。

2 CX3CL1-CX3CR1轴与中枢神经系统退行性疾病

CX3CL1-CX3CR1信号传导在CNS的神经炎症和自身免疫疾病中起重要作用。CNS退行性疾病指的是以神经功能退行性改变为特征的疾病，包括帕金森病(Parkinson′s disease, PD)、阿尔茨海默病(Alzheimer disease, AD)、多发性硬化症(Multiple sclerosis, MS)和其他神经退行性疾病等，其病因和发病机制尚不清楚，但是其主要病理表现为神经元减少和神经核团萎缩。

2.1 ADAD是目前老年患者中最常见的神经退行性疾病，以认知障碍、记忆损伤为主要临床表现，是老年痴呆最常见的表现形式，主要的病理学特点是细胞外Aβ肽、Aβ肽裂解的淀粉样前体蛋白(amyloid precursor protein, APP)聚集在斑块和血管壁细胞内，以及tau蛋白异常磷酸化构成的神经原纤维缠结。近期的研究发现，小胶质细胞过度激活会产生大量自由基和炎性因子，以此为特征的神经免疫炎症与AD密切相关。在AD早期，脑内出现的小胶质细胞激活可吞噬和降解Aβ、清除损伤细胞、调节神经免疫炎症反应、清除谷氨酸以及分泌神经营养因子等，从而发挥神经保护作用[12]。但随着AD的进展，在神经炎性斑块周围发现了过度激活的小胶质细胞及其释放的大量炎性因子，从而损伤胆碱能神经元[13]。因此，小胶质细胞在AD进展期丧失了神经保护作用，而且过度激活的小胶质细胞以胶质细胞NADPH氧化酶2(NADPH Oxdase 2, NOX2)作为始动因子，启动神经免疫炎症级联反应，导致Aβ的清除发生障碍，产生兴奋毒性物质，抗氧化能力减弱从而损伤胆碱能神经元[14-15]。随着AD进展，Aβ 的清除发生障碍，小胶质细胞过度激活，产生大量神经免疫炎性因子及神经毒性因子，导致胆碱能神经元变性、死亡，死亡的神经元释放其内容物，继续激活小胶质细胞。另外，兴奋毒性及易氧化性物质的产生加重了胆碱能神经元的损伤，导致临床症状持续恶化。

在不同的小鼠中LPS发挥不同的作用，LPS可以刺激CX3CR1基因敲减小鼠海马中的小胶质细胞快速迁移至白质中，而CX3CR1基因敲除的小鼠则局限于局部注射部位，同时导致局部的炎症因子水平明显增高[17]。研究显示在PD疾病模型中，无论CX3CR1基因敲除小鼠或者CX3CL1基因敲除小鼠都表现出黑质致密部中细胞死亡率增加的现象[17]。而在PD的另一个大鼠模型中，纹状体中高水平的CX3CL1表达的大鼠其小胶质细胞活化减少从而保护神经，同时神经元坏死减少[18]。有研究发现，在体外实验海马神经元和小胶质细胞共同培养时，使用CX3CL1预处理可以减少由LPS刺激引起的神经元细胞的死亡[19]。CX3CL1不仅可以减少AD患者神经元的丢失，而且还可以降低Aβ的聚集[20]。有研究显示在轻到中度AD患者血浆中的可溶性CX3CL1水平明显高于重症患者[21]。

在AD患者大脑中，小胶质细胞的抗氧化酶活性随着衰老而降低[22]，因此，随着年龄的增加，衰细胞的受体表达也会出现相应的变化，如CX3CR1的下调和运动性降低等变化[23]。而在AD动物模型中，老年APP转基因鼠的大脑皮层和海马中CX3CL1的水平明显降低，说明CX3CL1水平的下降与Aβ的沉积密切相关[24]。在早期的AD患者中，Aβ的沉积刺激了小胶质细胞和神经元，神经元分泌可溶性和膜结合性的CX3CL1，介导与CX3CR1的相互作用，可通过募集小胶质细胞并增加其吞噬能力，从而达到清除Aβ的作用。而破坏CX3CL1-CX3CR1信号轴则可以增加CX3CL1和CX3CR1基因敲除小鼠的促炎因子IL-1β的表达和激活小胶质细胞。在AD的晚期，神经元细胞的死亡导致CX3CL1分泌减少，进一步激活小胶质细胞，从而导致AD的进一步恶化[25]。因此，CX3CL1-CX3CR1之间的相互作用对于维持神经元和小胶质细胞之间的稳定具有非常重要意义。在AD发病的早期通过调节CX3CL1-CX3CR1相互作用来控制促炎因子，减缓AD的发生发展具有一定的临床意义。

2.2 PDPD是发病率仅次于AD的第二大神经退行性疾病，以静止性震颤、肌强直、运动迟缓和姿势反射障碍为典型临床特征。其主要病理学改变是中脑黑质致密部大量多巴胺(Dopamine, DA)能神经元选择性死亡和残存DA能神经元内Lewy小体的形成。黑质致密部DA能神经元选择性死亡导致纹状体DA含量下降，致使DA和乙酰胆碱(Acetylcholine, Ach)递质失衡，从而产生少动-强直症状。

在PD的动物模型中，促炎细胞因子可激活小胶质细胞介导的神经元毒性反应，小胶质细胞激活后产生大量的自由基与免疫炎性因子，小胶质细胞一方面通过释放神经营养因子等发挥保护作用，另一方面通过产生大量氧自由基以及细胞毒性因子等损伤神经元[26]。研究发现CX3CL1过表达可以抑制α突触核蛋白(α-Synuclein，α-SYN)引起的大鼠帕金森症状，而敲除其特异性的受体CX3CR1可以抑制小胶质细胞产生炎性因子的表达[27]。在PD小鼠模型上敲除CX3CR1基因则会进一步加重小鼠的帕金森症状以及增加神经炎性因子的释放[28]。在单边脑室内注射外源性的CX3CL1，可以观察到小胶质细胞激活，多巴胺能细胞耗竭和运动功能障碍，而通过脑室内注射抗CX3CR1的药物可以完全逆转这些反应[29]，因此CX3CL1诱导的小胶质细胞激活在PD的发展中起重要作用，通过寻找CX3CL1/CX3CR1相关的药物可以作为PD治疗新靶点。

2.3 MSMS是自身免疫性CNS疾病的一种，其特征在于脊髓和脑中的炎症和脱髓鞘病变[30]。实验性自身免疫性脑脊髓炎模型(experimental autoimmune encephalomyelitis, EAE)是常用的MS的最佳疾病模型，研究发现在脱髓鞘病变内及四周，CX3CL1和CX3CR1的表达有着明显的变化--在EAE大鼠脑中的炎症部位小胶质细胞CX3CR1表达水平增高，而神经元CX3CL1水平没有明显变化。但是炎症部位附近的星形胶质细胞CX3CR1表达增加，这表明活化的星形胶质细胞可能会吸引小胶质细胞进入炎症部位。另一方面EAE模型中小胶质细胞也会上调CX3CL1的表达，从而试图使其恢复到静止稳定状态，抑制其过度活化[31]。与普通EAE模型小鼠比较，CX3CR1基因敲除的小鼠受EAE影响后表现出促炎细胞因子的过表达，抗炎细胞因子比如IL-10的水平则明显下降[32]，这说明CX3CL1和CX3CR1在MS疾病的自身免疫调节中的发挥重要作用。当MS初期小胶质细胞被激活后，通过上调CX3CL1-CX3CR1的表达发挥一定程度的修复功能，而严重的小胶质细胞激活则可能对MS中的神经元造成损伤，这种脑内小胶质细胞的自我调节可能让小胶质细胞转变为保护或损伤神经元的表型，从而对MS的疾病过程发挥重要作用。

有研究显示在缺血损伤模型中CX3CL1-CX3CR1在CNS中具有神经保护作用，但在有些情况下CX3CL1可能对机体是有害的。在CX3CL1基因敲除小鼠缺血损伤模型中，CX3CL1的过表达对小鼠缺血后损伤的恢复是无益的[33]。而将CX3CL1和CX3CR1基因敲除后，两种小鼠在缺血后均表现出较小的梗死面积[34]。并且在外源性给予CX3CL1后，对CX3CR1基因敲除小鼠的缺血梗死面积没有影响，对于野生型小鼠则其梗死面积减少。这可能与CX3CL1引起CX3CR1基因敲除小鼠小胶质细胞释放TNF-α的减少相关，因为有研究发现适量的TNF-α可以发挥一定的神经保护作用[35]。而对于普通小胶质细胞，CX3CL1不影响TNF-α的释放。

2.4 其他神经退行性疾病有研究显示在早期缺血性中风患者中通过抑制CX3CL1-CX3CR1信号传导可以明显促进患者神经功能的恢复[36]。在缺血性脑中风患者中，CX3CL1通过调节小胶质细胞和星型胶质细胞的炎性因子的释放从而参与脑中风的病理过程，CX3CR1基因敲除鼠脑缺血导致的神经元坏死减少，CX3CR1的表达增加后缺血导致的神经元坏死区则相应的增加，而将CX3CR1基因敲除鼠海马神经元分离培养后，这些神经元细胞则通过抑制钙内流从而减轻谷氨酸引起的兴奋性毒性[37]。自噬也参与中风的发生发展过程，神经元的自噬会导致CX3CL1的下调，从而加重小胶质细胞炎性损伤，在缺血性中风中发挥重要作用[38]。在其他疾病比如抑郁症患者中也发现，CX3CL1可以作为抑郁症患者潜在的生物学标记物，用来区分原发性和继发性的抑郁症[39]。应激也可以通过调节CX3CL1-CX3CR1，从而介导小胶质细胞引起的神经元重塑，在抑郁症中起到重要作用[40]。因此，CX3CL1-CX3CR1与多种神经系统疾病密切相关，并在其中发挥不同的作用。

3 结论与展望

CX3CL1-CX3CR1在神经退行性疾病的发生发展过程中起到重要作用，包括阿尔茨海默病、帕金森病、多发性硬化、中风、抑郁症等。动物实验发现通过调节CX3CL1或者CX3CR1的水平可以影响小胶质细胞引起的炎性因子的释放，从而参与神经系统疾病的发生发展。但是，在不同的疾病模型中CX3CL1-CX3CR1发挥不同的作用，同时其具体的作用机制尚未完全阐明，需要进一步的研究来证实。

CX3CL1-CX3CR1作为一个整体抑制神经炎症，在老年患者的海马神经元中发挥重要作用，其中CX3CL1的生理学减少与老年动物中检测到的认知障碍相关，老化大脑中的小胶质细胞可能处于一个致敏的状态，当外界刺激物刺激脑内小胶质细胞时其CX3CR1表达下降且短时间内无法恢复至正常水平，但是年轻大脑中的小胶质细胞在刺激后24h内即恢复了CX3CR1水平。因此，老化大脑中CX3CL1和CX3CR1的减少以及形态和功能受损的小胶质细胞导致了脑功能的受损，这可能是认知功能受损更容易发生在老年患者的原因之一。

因此，在CNS疾病的早期利用CX3CL1-CX3CR1进行早期的干预，或者寻找诱导具有神经保护性小胶质细胞亚型的相关药物，可能是用于治疗衰老性疾病、神经退行性疾病和炎性CNS疾病新策略。