慢性脑低灌注致认知障碍的神经炎症机制

赵耀，付剑亮

(上海交通大学附属第六人民医院神经内科，上海 200233)

据世界卫生组织统计，2015年约有4 700万人患有痴呆症，预计到2050年这一数字会增加2倍[1]。在美国，痴呆的经济负担超过了癌症和心脏病[2]。痴呆已经成为全球应积极面对的公共卫生问题。血管性痴呆是发病率仅次于阿尔茨海默病的第二大认知障碍疾病[3]，其主要发病机制为脑血流量减少而导致的慢性脑低灌注(chronic cerebral hypoperfusion,CCH)。在临床上血管性痴呆的病因复杂，异质性强且危险因素、进展和疾病严重程度等具有多样性和复杂性,血管性痴呆的发病机制一直是研究的热点。在基础研究中，常采用动物模型来研究血管性痴呆的发病机制和治疗策略,双侧颈总动脉闭塞动物模型(two vessel occlusion，2VO)是经典的CCH动物模型，其行为学表现为空间学习记忆障碍,病理以脑白质病变(white matter lesions,WMLs)为主要特征[4]。CCH导致认知障碍的机制复杂，包括活性氧类导致的氧化应激、神经炎症、线粒体和神经递质功能障碍、脂质代谢紊乱以及生长因子改变等。其中，神经炎症反应可引起神经元损伤和WMLs，在CCH所致认知障碍中发挥重要作用。现就CCH所致认知障碍的神经炎症机制进行综述。

1 神经炎症产生的原因

免疫系统在维持组织稳态以及感染和损伤的反应中起重要作用。小胶质细胞是大脑中的主要免疫细胞，对周围的星形胶质细胞和神经元产生重要影响。在生理条件下，小胶质细胞处于静息状态，维持中枢神经系统内环境的动态平衡。当病原体入侵或组织损伤后，小胶质细胞与星形胶质细胞相互作用，之后小胶质细胞被激活，细胞体积增大，吞噬清除细胞碎片和凋亡细胞等，启动组织修复过程[5-6]。在大多数情况下，这种炎症反应是自限性的，在感染控制或组织损伤修复后小胶质细胞即恢复到静息状态。如果导致组织病理变化的损伤刺激持续存在，将进一步加重炎症反应或转化为慢性炎症状态。过度激活的小胶质细胞则释放大量促炎因子等毒性物质，引发炎症级联反应，导致神经元持续性损伤[7-8]。总之，神经炎症是中枢神经系统受到损伤、感染、毒素等刺激下，神经系统做出的自身免疫炎性应答。CCH作为一种病理状态将通过多种途径诱导神经炎症。

2 CCH所致认知障碍的炎症反应机制

CCH导致的有害物质，尤其是坏死细胞碎片被释放后，会触发免疫系统的炎症级联反应，激活小胶质细胞和星形胶质细胞，通过细胞因子、炎症介质和炎性途径介导病理损伤，最终导致认知障碍。

2.1小胶质细胞在CCH诱导的神经炎症反应中的作用 神经炎症与周围炎症不同，其可以限于小胶质细胞而不招募循环白细胞。与神经退化有关的病理性神经炎症主要由小胶质细胞介导，其在神经元损伤、功能障碍或死亡的过程中发挥不同作用。因而在一些情况下，术语“神经炎症”被“小胶质细胞激活”代替[9]，这是由于在中枢神经系统损伤期间缺乏T细胞去除细胞碎片的关键作用。正常生理状态下，小胶质细胞表型由神经元和星形胶质细胞调节，使其吞噬活性处于可调控状态。当中枢神经系统受到脑缺血等刺激后，小胶质细胞迅速活化增殖，通过炎症反应来应对这种刺激，也称为“小胶质细胞激活”[10]。激活的小胶质细胞可分别极化为M1型和M2型，M1型正常激活时发挥促炎作用，而过度激活则释放大量促炎因子等毒性物质，引发炎症级联反应，加重脑损伤；M2型发挥抗炎作用，分泌抗炎介质及神经营养因子，减轻炎症反应，保护神经元，促进组织修复。因此，活化的小胶质细胞具有神经保护和神经毒性双重作用[11]。关于小胶质细胞在CCH认知障碍发病机制中的作用，有研究构建2VO CCH动物模型，在第28天即可以检测到脑WMLs和学习记忆相关的行为学障碍并伴随促炎因子[白细胞介素(interleukin,IL)-6、IL-1β和肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF)-α等]表达增加，促炎因子的增加证明CCH可以诱导小胶质细胞极化为M1型，发挥促炎作用[12]。Zhang等[13]的研究发现，CCH认知障碍动物模型的皮质、海马CA1和CA3区小胶质细胞激活，促炎因子[IL-1β、IL-6、TNF-α、环加氧酶2和诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)]表达明显增加，表明CCH状态下激活的小胶质细胞可以释放出大量促炎因子。小胶质细胞激活后产生的细胞因子和炎症介质将导致后续的神经元变性、脑白质损伤，进而导致认知障碍。小胶质细胞炎症反应在CCH相关认知障碍病变过程中发挥重要作用，调控小胶质细胞的炎症反应是潜在的治疗靶点之一。

2.2细胞因子和炎症介质介导的CCH神经损伤 小胶质细胞和星形胶质细胞是细胞因子的主要来源,细胞因子几乎参与神经炎症的各个方面，包括促炎和抗炎过程、神经元损伤、化学诱导以及小胶质细胞对淀粉样蛋白沉积物的反应。小胶质细胞活化既以细胞因子产生为特征，又受到细胞因子调节。在2VO CCH大鼠模型中可以观察到促炎因子(IL-1β、IL-6和TNF-α等)表达显著增加[4]。TNF-α是由小胶质细胞受刺激后产生的神经毒素，通过增加谷氨酸含量对神经元产生兴奋性毒性作用。TNF-α也可促进小胶质细胞产生IL-6和IL-1β。IL-1β通过自分泌途径促进小胶质细胞数量增加和活性增强，进而导致趋化因子、炎症介质和细胞因子的增加。而这些增加的促炎因子也可以进一步激活小胶质细胞，使其炎症反应程度增加，形成恶性循环从而导致病理损伤，最终导致不同程度的认知障碍。此外，炎症介质也是调节炎症反应发生和发展的重要因素。在CCH模型中，炎症介质细胞间黏附分子-1和血管细胞黏附分子-1也显著上调[14]。细胞间黏附分子-1和血管细胞黏附分子-1属于免疫球蛋白超家族，对血管内皮的黏附、浸润有重要作用，可以引起血脑屏障(blood-brain barrier,BBB)的功能障碍、神经细胞水肿及神经元的变性，造成相应的病理性改变。抑制细胞间黏附分子-1和血管细胞黏附分子-1可改善CCH导致的行为学改变[6]，提示微血管炎症反应参与CCH诱导的认知障碍的发生。另一个重要的炎症介质为基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)家族。它是CCH诱导的导致WMLs的蛋白酶之一，可触发BBB的破坏[15]。CCH动物模型显示，海马部位的MMP-2、MMP-9表达增加[16]。MMP还会降解细胞外基质，破坏基膜，进一步加重炎症反应程度，对神经元造成进一步的损伤。

2.3炎性通路介导的CCH神经损伤 在CCH模型中，许多炎性通路被活化，参与神经炎症的病理损伤和认知障碍的发生发展。Janus激酶/信号转导及转录激活因子信号转导通路在CCH小鼠模型中被激活，参与轴突-胶质细胞完整性的调节[17]。如果轴突-胶质细胞的完整性被破坏，可以导致神经系统发育障碍和阿尔茨海默病等神经退行性病变的发生。另外，CCH激活促分裂原活化的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)信号通路[18]，参与小胶质细胞激活引起的炎症反应调节。其中胞外信号调节激酶1和2、p38 MAPK和c-Jun氨基端激酶是3种主要的MAPK，它们调节多种细胞过程和重要炎症细胞因子(如TNF-α和IL-1β)的表达[19]。CCH也可刺激Toll样受体4/髓样分化因子88信号转导及其下游凋亡信号p38 MAPK的活化[20]。Toll样受体4/髓样分化因子88通路主要引起小胶质细胞和星形胶质细胞激活，而p38 MAPK通路促使激活的胶质细胞产生促炎因子。此外，髓样细胞触发受体-2(triggering receptor expressed on myeloid cells-2，TREM-2)是重要的先天免疫受体[21]，对小胶质细胞表型的调控起重要作用，TREM-2相关信号通路参与调节中枢神经系统的神经炎症。Zhang等[13]的研究表明，在CCH动物模型中，TREM-2可以负向调节p38 MAPK介导的炎症反应。在细胞模型中敲低TREM-2基因会大大增加促炎因子(IL-1β、TNF-α和iNOS)的表达，而TREM-2基因的过表达可导致促炎因子(IL-1β、TNF-α和iNOS)的表达显著减少[13]，证明了TREM-2对p38 MAPK介导的炎症反应的负向调节作用。此外，核因子κB和信号转导及转录激活因子3相关信号通路在CCH病理过程中被激活，导致微血管通透性改变和海马等部位发生炎症反应[14]。

3 CCH所致认知障碍的炎症介导的病理损伤机制

CCH通过激活的胶质细胞、炎症因子、炎性通路导致相应病理改变的发生发展，最终导致认知障碍的发生。CCH导致的病理改变主要有WMLs、海马区损伤、β-淀粉样蛋白(amyloid β-protein，Aβ)沉积等。

3.1CCH通过神经炎症诱导WMLs导致认知障碍 CCH激活小胶质细胞产生炎症反应，继发髓鞘脱失、轴索病变等进而诱导WMLs，是导致认知障碍发生的关键病理改变。白质的完整性由复杂的结构单元组成，包括神经元轴突、髓磷脂鞘、神经胶质细胞等，这对于维持大脑功能至关重要。在CCH动物模型中神经炎症是WMLs的关键病理学特征，伴随神经炎症的进程，少突胶质细胞丢失，髓磷脂密度降低，郎飞结的结构紊乱以及白质神经束崩解[22-23]。有研究表明，在微线圈套扎双侧颈总动脉致CCH动物模型中，在1个月时可以检测到白质区的髓鞘轴突弥散性损伤，见于整个前脑(胼胝体、穹隆伞、内囊、视束等)，且可以通过免疫组织化学法发现降解的髓磷脂碱性蛋白和髓磷脂碎片[24]。利用髓鞘相关糖蛋白染色技术可以观察到，CCH还会导致轴突-胶质细胞结旁连接中关键蛋白的选择性破坏，轴突-神经胶质细胞结构完整性受到影响。这对于髓鞘轴突的稳定性和神经冲动传导功能至关重要[17]。随着持续性脑低灌注的进行，激活的小胶质细胞逐渐增加，同时激活的小胶质细胞对髓鞘轴突的损害不断加重，而脑白质损害的进展又促进了白质中激活的小胶质细胞数量持续增加，形成恶性循环。CCH通过神经炎症诱导WMLs的可能机制包括：①CCH后活性氧类过度产生导致氧化应激发生。在CCH状态下，有害的氧自由基(超氧阴离子、羟自由基和过氧化氢等)大量产生，进一步损伤脂质、蛋白质和DNA，促使神经元凋亡坏死[6]。在大脑中，小胶质细胞是氧化应激相关活性氧类产生的来源。细胞外的活性氧类是由多种酶介导产生的，包括iNOS、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶、环加氧酶2、髓过氧化物酶等。这些酶与小胶质细胞炎症反应相关[25]。CCH诱导氧化应激并增加活性氧类，这会导致白质损害。白质损伤后包括小胶质细胞在内的炎性神经胶质细胞被激活，活化的小胶质细胞可诱导少突胶质细胞凋亡和髓鞘变性,进而导致白质疏松。有研究发现，CCH后小胶质细胞通过C3-C3aR途径被激活，其可移动黏附并吞噬完整的髓磷脂纤维，加重WMLs[11]。②CCH后神经炎症介导兴奋性神经毒性损伤机制。活化的小胶质细胞会产生TNF-α，TNF-α是大脑炎症反应的主要调节因子,可增加脑内谷氨酸含量,导致兴奋性神经毒性损伤,最终使神经元损伤和凋亡[26]。TNF-α也可作用于多种炎症介质(如TNF受体1、胱天蛋白酶2和胱天蛋白酶3)进而引起WMLs。此外，CCH会破坏血管内皮细胞，影响BBB的完整性。已知黏附分子是内皮细胞激活的标志物，内皮表面黏附分子表达的增加有助于白细胞附着和外渗并穿过BBB。有研究发现，CCH可以上调黏附分子的表达，如细胞间黏附分子-1和血管细胞黏附分子-1[27]。血管内皮细胞激活的标志物黏附分子等最早在闭塞后第1天增加，在第3天达到峰值[4]。黏附分子引起血管内皮损伤，导致BBB破坏后，促炎因子进入脑实质，引起免疫炎症反应的产生，释放出大量丝氨酸蛋白酶、弹性蛋白酶、胶原酶、IL-1β、IL-6、TNF-α和MMP等,进而加重白质损害。其中增加的MMP可以降解细胞外基质以及内皮细胞之间的紧密连接，降解髓磷脂，破坏BBB的完整性。有实验证明，抑制MMP-2将会减少BBB的破坏、胶质细胞的活化和WMLs[28]。而MMP-9的上调则参与了血管损伤和脱髓鞘的发生，最终造成神经元功能的损伤和抑制突触传递的长时程增强等[29]。另一方面，WMLs的加重也会导致血管内皮的直接损伤，加重BBB的破坏，形成恶性循环。总之，CCH引起的神经炎症可损伤大脑白质并导致BBB的完整性被破坏，最终导致认知障碍的发生。

3.2CCH通过神经炎症诱导海马区损伤导致认知障碍 海马区与空间学习和记忆能力高度相关。而海马CA1区对缺血及细胞凋亡十分敏感，是脑缺血后最易受损的部位之一。慢性脑缺血会导致海马细胞凋亡和坏死，造成海马区的神经元受损，是血管性认知障碍的重要致病环节，因而海马区是研究2VO诱导的神经变性常用的部位。有实验报道，来自2VO大鼠的苏木精-伊红染色法染色切片显示海马CA1区中的细胞排列被破坏，坏死神经元数量明显增加，海马CA1区突触密度降低和突触超微结构改变[30]。Zou等[31]的研究显示，光学显微镜下，CCH模型构建8周后大鼠CA1区的部分锥体细胞发生变性坏死，胞核固缩，染色加深，结构不清，胞质嗜酸性变，变性坏死细胞数明显增多，部分神经元肿胀、破裂，细胞轮廓不清、排列紊乱，显示出CCH模型中海马区的典型病理损伤。同时,也发现海马CA1区炎症反应明显增强，小胶质细胞数量显著增加，提示炎症反应对病理损伤的重要作用。有实验表明，CCH状态持续一段时间后，与假手术对照组相比，2VO组大鼠的海马区TNF-α、IL-1β和胱天蛋白酶3水平升高，证明了CCH导致的海马区神经炎症反应的增强[32]。而与假手术对照组相比，2VO组大鼠的空间学习能力受到损害，反映出CCH所致的海马区损伤造成了CCH动物模型的认知障碍。在离体实验中小胶质细胞与星形胶质细胞释放的细胞因子(如TNF-α和IL-1β)已被证明会影响海马区神经细胞的发生过程，表明这些炎症因子可降低神经前体细胞的存活率[33-34]。而当减少或抑制促炎因子IL-1β或TNF-α时，海马齿状回中的细胞增殖增加[35]。另有实验证明，CCH引起的炎症反应还会影响海马区新生神经元的分化过程，新产生神经元的兴奋性和抑制性突触电位均受到神经炎症的特异性影响[36]。由此可见，海马区的成熟神经细胞和新生神经元的增殖、存活、分化和整合均受CCH诱导的神经炎症的影响。而有实验证明通过抑制小胶质细胞和星形胶质细胞活化，减少神经炎症反应，激活脑源性神经营养因子-酪氨酸激酶受体B信号转导来预防CCH诱导的海马神经元损伤，可改善CCH动物模型的认知障碍[37]。此外，有研究显示高迁移率族蛋白B1预处理降低2VO大鼠海马中IL-6、IL-1β和TNF-α的水平后，最终可恢复CCH动物模型的空间记忆能力[38]。总之，控制CCH诱导的神经炎症的发生，减轻海马区的损伤是改善CCH所致认知障碍的关键。

3.3CCH通过神经炎症诱导Aβ沉积导致认知障碍 Aβ由淀粉样前体蛋白代谢产生，是阿尔茨海默病患者脑中淀粉样斑块的主要成分，Aβ在脑内的沉积被认为是阿尔茨海默病的初始事件。淀粉样蛋白级联假说表明大脑中的Aβ沉积会驱动Tau蛋白磷酸化，神经纤维缠结形成，突触丢失，神经元死亡和认知障碍[39]。而在CCH模型中Aβ的影响也得到证实，CCH可加速Aβ的沉积并导致小鼠空间学习和记忆力下降，产生明显的认知障碍[40]。Aβ的沉积可能与CCH诱导的神经炎症有关。中枢神经系统中的小胶质细胞与外周单核细胞相似，发挥吞噬作用，呈递抗原并产生免疫介质。在CCH导致Aβ沉积病理改变的初期，小胶质细胞对Aβ的吞噬和清除发挥关键作用。但随着缺血和Aβ沉积的进一步加剧，Aβ激活小胶质细胞的Toll样受体，导致小胶质细胞激活，分泌炎症细胞因子和趋化因子等，其吞噬清除Aβ的能力下降[41]。而持续的小胶质细胞激活又将加剧Aβ在大脑内的沉积和神经元的丢失，加速神经元变性[42]。星形胶质细胞是多功能神经胶质细胞，参与神经元营养补充、废物清除和BBB的维持。Aβ也可以通过核因子κB途径激活星形胶质细胞，活化的星形胶质细胞通过载脂蛋白E脂化作用降解Aβ并增加小胶质细胞的吞噬作用。然而活化的星形胶质细胞也可产生炎症介质，促进神经炎症的病理过程。CCH导致的星形胶质细胞和小胶质细胞的长期激活将产生大量炎症因子，诱导Aβ的沉积。如TNF-α通过激活β-和γ-分泌酶增加淀粉样前体蛋白的数量进而产生Aβ；IL-1和IL-6增加淀粉样前体蛋白的合成和分泌并促进Aβ的生成[43-44]。以上研究说明，CCH导致的神经炎症可以诱导Aβ在大脑中的沉积，影响神经元的正常功能，最终导致认知障碍的发生。

4 小 结

在CCH病理状态下，小胶质细胞被激活，产生大量的炎症因子、细胞因子、趋化因子、炎症介质，最终通过炎性途径介导神经元损伤。CCH诱发的神经炎症导致WMLs、海马区损伤和Aβ沉积等病理进程，进而导致血管性痴呆、阿尔茨海默病等认知障碍相关疾病的发生。小胶质细胞“双刃剑”的作用正受到越来越多的关注，调节小胶质细胞激活或抑制小胶质细胞毒性作用，打破神经损伤与神经炎症之间的恶性循环可能是治疗包括血管性痴呆在内的神经变性疾病的关键策略，针对这些途径的药物也有待开发，以期为痴呆的治疗提供新方案。