纤溶系统在中枢神经系统感染性疾病中的作用机制研究进展

王月，李玮

（1.郑州大学人民医院，河南 郑州；2.河南省人民医院神经内科，河南 郑州）

0 引言

细菌性脑膜炎（Bacterial Meningitis，BM）是由于各种病原体感染引起的中枢神经严重性感染性疾病。病因因年龄和地域而异，成人及儿童患者居多。许多细菌能够引起本病，包括脑膜炎球菌、流感杆菌、肺炎球菌、大肠杆菌、葡萄球菌、李斯特菌、结核杆菌、疏螺旋体等[1]。患者临床表现不一，可有发热、头痛、呕吐、颈部强直，病情进展迅速者可出现谵妄、昏迷甚至呼吸或循环衰竭[2,3]。因此BM是神经科的急症。其临床症状、治疗转归、预后除了取决于病原体的致病能力外，还取决于机体的防御能力[2,4]。因此对细菌性脑膜炎发病机制的研究就显的尤为重要。

BBB作为神经系统的基本组成部分，是免疫防御的第一道也是最关键的屏障。因此BBB的结构和功能的完整性对于维持整个大脑微循环状态至关重要[5]。血脑屏障与机体内的其他的生理屏障不同，脑血管内皮细胞间电阻极高[6]。因此BM发病的关键在于病原体能否突破血脑屏障[7]。BM的感染途径主要包括：血行播散、特洛伊机制、神经轴突的逆向转运及其他的通道[8]。有人提出病原体能够利用宿主的纤溶酶原系统形成有效的侵入，从而逃避宿主的固有免疫和适应性免疫反应[9-11]。许多细胞可以通过暴露碳末端赖氨酸的纤溶酶原结合位点结合纤溶酶原和纤溶酶。本综述的目的旨在阐述纤溶系统在不同的病原体中所起的作用及其中可能涉及的炎症通路，从而为BM的发病机制和诊疗提供新的视角。

1 纤溶系统的构成及其作用

1.1 纤溶酶原与纤溶酶

纤溶系统主要由纤溶酶原（Plasminogen，plg）及活化形式纤溶酶、纤溶酶原激活物等主要成分构成。其中研究较多的是纤溶酶原。纤溶酶原是一种90KD的蛋白酶原，由5个Kringle结构域、1个丝氨酸蛋白酶结合位点构成，主要存在于血浆中。能够被组织型纤溶酶原激活物（Tissue plasminogen activator,tpa）或尿激酶型纤溶酶原激活物(Urokinase-type plasminogen activator,upa)激活变成有活性的纤溶酶。二者之间的转化需要激活碳端多肽[12]。纤溶酶是一种丝氨酸蛋白酶，是溶解纤维蛋白的关键酶，同时还能降解细胞外基质。而众所周知，哺乳动物的组织屏障的主要成分就是细胞外基质。细胞外基质主要由胶原蛋白、蛋白多糖、纤连蛋白、层粘连蛋白和其他糖蛋白组成。其中基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）家 族 中 的MMP2、MMP-9是 降 解ECM的主力军[13]。可想而知血浆中高浓度的纤溶酶能够为病原体穿透这些屏障提供了多大的便利[14]。

纤溶酶原还能够调节脑代谢、保护神经元[15]。研究发现，分别切除胶质母细胞瘤、无局灶性水肿的脑膜瘤、乳腺癌脑转移患者的肿瘤组织后进行组织匀浆，upa-AG、upa-act、tpa-AG、tpa-act及血浆纤溶酶原激活抑制剂(plaminogen activator inhibitor,PAI)的含量变化。发现PAI-1-act在脑膜瘤中几乎消耗殆尽，并且能够完全阻断tpa的作用，但不能完全遏制upa的作用。Upa能够促进细胞增殖和组织重塑。Tpa在恶性脑肿瘤中的抗原性形式和活性形式相对较高[16]。

1.2 纤溶酶原的激活物

纤溶酶原激活物包括tpa和upa。二者都能够激活plg进行纤溶级联反应，但作用的细胞和部位不同。Tpa发挥激活作用后主要将纤维蛋白凝块分解从而恢复血管的通畅性，而upa主要是在细胞表面起作用，促进纤溶酶原及纤溶酶对细胞外基质进行降解从而实现细胞间的迁移、细胞因子的传递[17,18]。

Upa系统的成分主要包括upa、upa抑制剂、upa受体。Ajay K.Bindal等发现，upa在高级别恶性肿瘤中过表达通常预示着疾病的不良预后[19]。而在急性缺血性脑卒中，tpa能够从突触前区室快速释放从而保护突触免受缺血性损伤的有害影响。但到了机体的恢复阶段，upa及其受体（upaR）的结合能够修复损伤的突触[20]。令人惊喜的是，人们发现upa与upaR的结合并不通过常规认为的纤维蛋白溶酶的级联反应，而是通过低密度脂蛋白受体相关蛋白1激活β1-整合素诱导轴突再生[21]。纤溶酶原能够利用upa促进星形胶质细胞表达促炎因子，其活化途径包括纤溶酶原受体、α-烯醇酶、upaR，只要阻断plg活化过程中的任一成分就可能导致后续的信号传导的中断，因此upa系统的成分可能与神经炎症密切相关[22]。UpaR是一种糖基磷脂酰肌醇锚定受体。它能提高uPA对plg的催化效率，并且能够与跨膜蛋白结合形成一种信号受体复合物。最终以一种非蛋白水解的方式，在细胞的黏附、分化、增殖和迁移等中起作用[23]。

1.3 纤溶酶（原）抑制剂

为保证机体的生理状态，凝血与纤溶系统必须保持一定的动态平衡，以免出现纤溶不足或亢进[24]。因此PAI的存在就很有必要了。它主要包括α2-抗纤溶酶、ε-氨基己酸、氨甲环酸、抑肽酶、血浆纤溶酶原激活抑制剂PAI-1和PAI-2[12,25]。α2-抗纤溶酶主要通过结合丝氨酸的残基使纤溶酶失活而发挥抑制作用。ε-氨基己酸是一种赖氨酸类似物。主要通过促进纤溶酶快速解离，从而抑制纤溶酶原的活化以及后续的纤维蛋白溶解。据报道ε-氨基己酸还能抑制plg结合至活化的血小板以及补体系统的第一组分，结合并灭活羧肽酶B[26]。抑肽酶和ε-氨基己酸的作用机理之间存在相当大的差异。抑肽酶使游离的纤溶酶失活，但对结合的纤溶酶影响很小。PAI-1和PAI-2是丝氨酸蛋白酶抑制剂家族成员之一,是upa和tpa的特异性生理抑制剂[27]。主要存在于血浆中，能够与玻连蛋白结合稳定抑制剂的活性构象。有研究发现PAI-1的存在能够终止肿瘤细胞的生长，与恶性脑瘤患者的预后相关[13]。

2 脑炎致病与纤溶系统相关

CNS中BBB的屏障功能主要取决于内皮细胞的完整性，疾病状态下内皮细胞往往最易受到各种病原体的影响。影响内皮细胞完整性的因素多种多样，包括细菌的直接破坏、炎症细胞高表达细胞因子、趋化因子[28]等等，这些因素都能改变BBB的屏障功能。例如李斯特菌感染人体后，固有免疫及适应性免疫反应快速启动，T辅助细胞产生白细胞介素-2、干扰素-γ等介导细胞的免疫促炎功能[29]。有报道称纤溶酶原能够与李斯特菌结合跨人体的肠道屏障，但至今具体的机制仍待研究[30]。在过去的几十年间里，人们通过各种各样的方法发现了纤溶酶原的许多受体。数量多少不等，但与结合的细胞类型相互匹配，包括α-烯醇酶、GAPDH、两性蛋白、神经节苷脂及糖胺聚糖等[31]。至今研究较多的是烯醇酶、GAPDH。细菌利用自身表面的受体与机体的纤溶酶原，破坏细胞外基质成功跨越机体的生理屏障，在组织损伤、抗肿瘤、激活炎症和终止炎症方面也发挥着重要作用[32,33]。

2.1 革兰氏阳性菌与纤溶系统的作用

2.1.1 肺炎链球菌

神经系统的特殊性，使得机体一旦被病原体感染，即使在能够得到及时有效的抗生素的干预下，患者仍具有较高的死亡率。通过测定肺炎链球菌脑膜炎、格林巴利患者及对照组患者的脑脊液和血清中upa、upaR和PAI-1的表达发现，与对照组相比，BM患者的脑脊液中的upaR显著增多，二者相比差别有统计学意义。同时纵向的与血液中的upa、upaR相比，脑脊液中的这些成分明显增多。由于upaR的受体可由神经系统的常驻细胞和浸润细胞[23]。因此推测观察到的upaR部分由神经系统的细胞分泌，并且促进了细菌性脑膜炎的疾病进展[34]。类似的，通过比较临床疑似脑炎患者入院时脑脊液中的可溶性upaR（Soluble Urokinase Receptor，suPAR）的水平来判断upa系统与BM患者的预后相关性。发现CNS感染组患者的CSF suPAR水平显著升高。脑脊液中的suPAR的水平与化脓性脑膜炎患者的死亡率显著相关[35]。因此认为suPAR或许能够作为预测BM预后的指标。

在一项研究中，人们发现与肺炎链球菌D39细胞外表面结合的纤溶酶原能够以时间和细胞数量依赖的方式被uPA和tPA激活。同时该研究还明确了肺炎链球菌表面的烯醇化酶可以作为细胞外基质降解的标志。在另外一项实验中胆碱结合蛋白E被发现，通过配体重叠印迹分析、固相结合分析和表面等离子体共振实验证明了胆碱结合蛋白E也是纤溶酶原的受体，从而揭示了肺炎链球菌从鼻腔定殖到组织侵袭表型转化的毒力机制。同样的，在B组链球菌中也发现了类似的结果，GBS与宿主纤溶酶原系统的相互作用最终引起了BBB迁移和CNS的侵入。用氨基己酸对孕鼠的饮水进行处理后发现，与对照组相比，实验组小鼠的后代感染GBS几率大大降低[36]。

2.1.2 新型隐球菌

新型隐球菌是一种机会性病原体，分布广泛。对中枢神经系统有着特殊的嗜性。研究证明人类大脑微血管内皮细胞对细胞外入侵的反应包括膜重排、细胞内信号通路和细胞骨架的激活[37]。它能够通过多个独立的机制靶向BBB[38]。

使用三种血清行新型隐球菌C23、B3501A和JEC21菌株检测plg在靶向BBB中的作用，发现C23菌株与B3501A菌株这两株菌表现出强大的纤溶酶依赖性浸润能力。总之纤溶酶原的活性形式增强了隐球菌入侵BBB的能力[39]。隐球菌利用纤溶酶干扰人脑血管内皮细胞，促进纤溶酶依赖的隐球菌以细胞旁途径侵入CNS。其中值得注意的是，隐球菌还能产生尿素酶，尿素酶起作用后产生的氨也能够破坏细胞外基质。

2.2 革兰氏阴性菌与纤溶系统的作用

2.2.1 鼠疫杆菌

与其他的细菌不同，鼠疫杆菌不表达任何Plg或Pln受体，它主要依靠纤溶酶原激活物凝固酶基因 （omptin家族的一个重要成员），从而能够发挥类似upa和tpa的作用。据报道，该基因与鼠疫杆菌的外膜蛋白有关，主要负责降解质粒编码的外膜蛋白[40]。它能够降解补体蛋白、增加与宿主的黏附性、实现细菌的内化作用从而形成在宿主环境内较为精准的位移，最终完成在机体内的定殖和传播[41]。

2.3 其他病原体

2.3.1 结核分枝杆菌

结合和激活人纤溶酶原产生蛋白水解酶纤溶酶的过程与多种细菌的入侵相关。有证据表明能通过间接途径激活基质金属蛋白酶家族及其他蛋白成分而发挥作用[42]。MMP是锌依赖性细胞外基质重塑内肽酶，其中比较重要的一类是IV胶原酶，又称MMP-9，它的失调与疾病状态紧密相关。它能够裂解各种基质蛋白质，例如胶原蛋白，弹性蛋白，明胶和酪蛋白[43]。Wendy Xolalpa等运用蛋白质组学分析和配体印迹分析确定了结核分枝杆菌H37Rv菌株可溶性提取物和培养滤液中的几个主要的plg结合成分。后进行质谱分析，分析了不同蛋白的同源性，包括DnaK、GroES、GlnA1、Ag85复合物、Mpt51、Mpt64、PrcB、MetK、SahH、Lpd、Icl、Fba和EF-Tu等。同时通过抑制剂ε-氨基己酸说明作用机制涉及赖氨酸残基的变化[44]。

2.3.2 伯氏螺旋体

莱姆病是一种以蜱为媒介的螺旋体感染性疾病，是由伯氏疏螺旋体所致的自然疫源性疾病，最常累及CNS，出现以脑膜炎、脑炎、颅神经炎、运动和感觉神经炎损害为主的表现。在感染过程中，细菌通过组织迁移，到达CNS[45]。

通过制备I型胶原晶格进行实验发现，与其他的细菌不同，伯氏螺旋体的作用途径并不是通过纤溶酶原系统途径，而是通过黏附在特定的蛋白质和蛋白多糖-主要是I型胶原蛋白上促进plg发挥活性[46]。值得注意的，由于不同菌株伯氏螺旋体的基因型及致病性的差异性可能会导致不同的实验结果。一项关于plg作用的研究发现，与野生型plg(plg+/+)小鼠相比，缺陷型plg（plg-/-）小鼠病原体对大脑、心脏和肾脏的入侵延迟。从这些结果可以看出，Plg在螺旋体侵入大脑及肾脏中发挥了积极的作用，促进了组织屏障的侵袭[47]。需要注意的是，在这项研究过程中，他们还发现在感染的第二天，plg+/+与plg-/-小鼠相比侵入大脑的量无差别。因为考虑到MMP在降解细胞外基质中作用[13]，所以他们认为虽然plg伯氏疏螺旋体在颅内的传播和增殖起着不可忽视的作用，但是可能还存在着其他作用途径。另外人乳铁蛋白作为一种乳糖蛋白，被发现能够与纤溶酶原的kringle5结合阻断纤溶酶原的活化，从而阻断肿瘤细胞的侵袭和促进强力细菌如疏螺旋体、链球菌穿透宿主屏障[48]。

3 结语

大量的文献显示了多种病原体能够利用纤溶酶原促进细胞迁移、触发信号传导，同时它还能产生活性氧及细胞因子促进炎症反应。只是目前对于细菌能否通过其他的机制利用宿主的纤溶系统以及其中是否有着特异性的炎性机制还不得而知。但是随着对纤溶系统越来越细化的研究，以及向相关疾病领域的延伸，相信人们一定能得到最终的答案。