巨噬细胞迁移抑制因子调控中枢神经系统损伤后局部微环境的研究进展

(陆军军医大学基础医学院神经生物学教研室，重庆 400038)

中枢神经系统(central nervous system,CNS)损伤后局部微环境复杂，存在多种再生抑制因素，如星形胶质细胞过度增生形成胶质瘢痕阻碍神经再生，小胶质细胞和巨噬细胞中的M1表型通过氧葡萄糖剥夺诱导神经元凋亡[1]。研究发现巨噬细胞迁移抑制因子(macrophage migration inhibitory factor,MIF)可以通过调控星形胶质细胞、小胶质细胞和巨噬细胞的免疫功能影响CNS再生。MIF是最早被发现的可以抑制巨噬细胞从毛细血管向外迁移的淋巴因子，是一种保守的细胞因子。MIF在人类的编码基因中定位于第22号染色体q11、23区，其编码区由3个外显子和 2个内含子组成，蛋白单体分子量为12.5 kD，含有2个α螺旋和6个β折叠[2]。MIF广泛表达于脊椎动物(包括斑马鱼和哺乳动物等)的单核细胞、巨噬细胞、成纤维细胞、垂体细胞、内皮细胞等，可调节固有免疫和适应性免疫反应，激活ERK级联反应，调节细胞迁移，并拮抗糖皮质激素，具有免疫抑制作用[3]。MIF在神经系统中受下丘脑—垂体调控，低氧、内毒素、炎症因子等均可诱导其表达，更有证据表明MIF作用的发挥与缺氧诱导因子(hypoxia-inducible factor 1，HIF-1)有关[4]。MIF调节炎症反应及血管新生可能有助于改善局部微环境，促进CNS再生，但目前尚不清楚MIF在CNS损伤及再生中扮演的具体角色，因此，本文就MIF调控CNS损伤后局部微环境的研究进展进行综述，以期明确MIF调节炎症反应与血管新生在CNS损伤及再生中的作用，从而帮助发现促进CNS修复的潜在治疗靶点。

1 CNS损伤后MIF作用于星形胶质细胞

在星形胶质细胞影响神经再生的过程中，MIF发挥着重要的调控作用。脊髓损伤后MIF的表达显著增加，与小胶质细胞和星形胶质细胞共定位。MIF通过激活CD74受体和细胞外信号相关激酶ERK通路引发星形胶质细胞的炎症反应[5]。MIF诱导星形胶质细胞释放羟甾醇25-羟基胆固醇(25-hydroxycholes-terol，25-HC)，从而影响星形胶质细胞迁移，并以剂量依赖的方式抑制星形胶质细胞活性。这些结果提示，MIF可通过调节CNS损伤后的胆固醇代谢加重进行性的神经损伤[6]。脊髓损伤后MIF和环氧化酶2(cyclooxygenase 2，COX2)的蛋白水平同步升高，而环氧化酶1(cyclooxygenase 1，COX1)的蛋白水平却不同步升高。对病灶部位使用MIF抑制剂4-碘-6-苯基嘧啶(4-iodo-6-phenylpyrimidine，4-IPP)可显著降低COX2、微粒体前列腺素E合酶-1(microsomal PGE synthase-1，mPGES-1)的表达，从而减少前列腺素E2(prostaglandin E2，PGE2)的产生。星形胶质细胞对MIF的干扰反应强烈，通过与CD74膜受体偶联调控MAPK/COX2/PGE2信号通路，产生的PGE2能够抑制肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)的产生，从而达到神经保护效应[7]。由此可见，MIF通过星形胶质细胞对CNS损伤后修复所产生的作用也具有两面性。

2 MIF调控巨噬细胞参与CNS损伤后的炎症反应

2.1 炎症反应造成神经细胞死亡

CNS损伤后由于局部神经组织中细胞的死亡和血脑屏障的破坏，小胶质细胞、巨噬细胞、淋巴细胞、抗体和细胞因子均可在损伤部位引发炎症反应。由于神经和血管的创伤性损伤、自身免疫反应等，活化的单核细胞通过血脑屏障进入损伤部位，活化的中性粒细胞和巨噬细胞释放细胞因子、自由基、类花生四烯酸和蛋白酶，导致初始的急性炎症反应，可引起神经毒性和神经胶质毒性，直接造成神经细胞不可逆的死亡。同时，水平升高的TNF-α和白细胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)在激发炎症反应后还可增加促炎因子的释放，从而引起神经元和少突胶质细胞的死亡，这种慢性损伤可导致进行性的神经功能丧失[8]。

2.2 炎症反应中巨噬细胞的神经保护作用

尽管炎症反应会导致神经细胞死亡，但炎症反应中活化的巨噬细胞同时也能合成并释放经典的脑源性神经营养因子(brain derived neurotrophic factor，BDNF)、神经营养素-3(neurotrophin 3，NT-3)等，从而降低谷氨酸兴奋性毒性，促进受损轴突的生长，保护受损CNS，促进受损神经组织的修复。炎症反应中活化的小胶质细胞除了在先天免疫中发挥作用外，还促进神经系统的可塑性和内稳态维持，表达BDNF、NT-3、神经生长因子(nerve growth factor，NGF)、酪氨酸蛋白激酶受体(tyrosinekinasereceptor，Trk)和神经营养素受体(p75 neurotrophin receptor，p75NTR)，促进神经元存活。神经营养素与其受体的结合可诱导小胶质细胞内Ca2+的持续增加，在磷脂酶C(phospholipase C,PLC)活化通路的介导下减少促炎因子的释放，如NT-3可减少LPS和TNF-α的产生，对神经元产生保护效应，有利于炎症情况下神经元的存活[9]。

2.3 MIF在炎症反应调控中的“两面性”

MIF是多功能促炎因子，可调节固有免疫与特异性免疫，低氧、内毒素、炎症因子等均可诱导其表达。MIF可促进巨噬细胞活化，通过多种途径完成炎症细胞的募集，如上调细胞间黏附分子(intercellular cell adhesion molecule，ICAM)促进白细胞与血管内皮黏附[10]。同时，MIF通过促进COX2表达、抑制p53通路阻止巨噬细胞过度激活导致的细胞凋亡，维持炎症反应[11]。MIF的促炎功能可由Toll样受体4(toll like receptor 4,TLR4)调节，可促进IL-6、IL-1β、TNF-α等一系列炎症因子的释放，并经MAPK通路激活相关促炎基因的转录，同时具有拮抗抗炎物质(如糖皮质激素)的作用[12]。

然而，关于MIF在CNS损伤后的作用仍存在争议。有研究发现，在脑缺血的情况下MIF会上调，若敲除MIF基因可缩小梗死灶面积，并改善感觉运动功能[13]；但也有研究发现，中风患者炎症急性期下调MIF可使梗死灶面积扩大，提示MIF有抗凋亡和神经保护功能，故维持一定水平的MIF有助于保护卒中患者的神经元[14]。另外，最近一项关于心肌梗死的研究表明，MIF可通过在体内外上调miR-133a-3p和激活下游AKT信号通路促进血管生成、抑制细胞凋亡、减少纤维化等发挥心脏保护的作用[15]。在CNS损伤后，MIF可能具有相似的作用。对MIF分子结构进行研究发现，MIF在低聚态和氧化还原态之间存在动态的相互转换[16]，但这种转换对损伤修复过程中的炎症反应所起的具体作用尚不明确。此外，神经损伤后MIF本身的基因转录、蛋白质翻译和蛋白质降解的动态变化也可能是MIF功能“两面性”产生的原因。

3 CNS损伤后MIF调控血管内皮细胞功能

3.1 CNS损伤后的缺氧和炎症反应诱导血管新生

CNS血供丰富，神经损伤常常导致血管破损和出血，随后出现灌注不足、缺血、缺氧、血脑屏障破坏和水肿。CNS损伤后，继发性损伤导致扩展神经血管单元(expand neurovascular unit，eNVU)失调，引起损伤后的残余细胞退变，并在eNVU元素协同作用下通过局部血流调节细胞代谢和活动。血液可为损伤组织提供修复所需的氧气和营养成分，因此，CNS的成功再生离不开血管网络的重新建立[17]。血管新生是血管网络修复过程中的一个重要环节，脑损伤时内皮细胞被激活，组织缺氧导致血管内皮细胞生长因子(vascular endothelial cell growth factor，VEGF)释放到邻近组织，并向附近的血管发出信号，使周细胞分离，局部细胞外基质降解，血管内皮细胞形成血管芽，然后向缺氧组织方向迁移和增殖[18]。炎症反应与血管新生相互联系并彼此影响。组织缺氧是血管生成的主要诱因之一，缺氧诱导因子-1α(hypoxia-inducible factor 1α,HIF-1α)是其中一个关键的调控分子。HIF-1α调控的靶基因在细胞和神经系统中对缺氧的生理反应发挥重要作用，包括糖酵解、红细胞生成、抗凋亡、血管生成和血管重构[19]。

3.2 MIF在血管新生中与HIF-1α的关联作用

HIF-1α与MIF均可促进VEGF的表达。作为产生VEGF的中坚驱动力量，MIF具有旁分泌和自分泌等作用，不仅可引起巨噬细胞的M2极化，还可作用于血管内皮细胞及其他炎性细胞。血管内皮细胞在白细胞漏出、吸收循环等方面起着至关重要的作用。Chesney等[20]最先在肿瘤血管形成的研究中发现MIF可促进血管生成，阻断MIF的作用可以减少肿瘤血管的形成并抑制肿瘤生长，多种细胞实验证明其机制主要为HIF-1α调节MIF和VEGF的表达，从而通过MAPK和PI-3K通路促进血管内皮细胞迁移与成管化[21-23]。另外，一项对胶质瘤的研究发现，肿瘤边缘的巨噬细胞更多呈M2极化[24]，这可能与M2巨噬细胞产生VEGF、白细胞介素-8(interleukin-8，IL-8)等有关。因此，MIF在促进缺血缺氧诱导的组织修复和血管形成中发挥着重要作用，不仅与HIF-1α的直接调节有关，早期炎症反应在其中的作用也至关重要。但也有研究发现，巨噬细胞M2极化后HIF-1α表达下降[25]，CNS损伤后的修复过程中MIF与HIF-1α在不同病理生理过程中如何参与血管修复与炎症反应还需要更多的实验研究证实。

4 MIF影响巨噬细胞的极化表型改变

4.1 巨噬细胞极化表型与炎症反应

根据损伤和疾病环境，在非神经组织中，巨噬细胞的表型可大致分为促炎的M1型和抗炎的M2型。但在哺乳动物神经损伤后，巨噬细胞多表现为M2向M1极化，短暂少量表现为M2极化，不利于CNS再生，但其具体机制尚不完全清楚[26]。有研究显示，无论在CNS还是外周组织中，M2型巨噬细胞(或小胶质细胞)均可分泌促进血管生成的相关因子，如VEGF及IL-8[27]；肿瘤发生与发展的相关研究表明，上调MIF水平可促进肿瘤组织中巨噬细胞向M2转化，从而导致肿瘤恶化[28-29]；在大鼠脊髓损伤模型中，MIF可通过与CD74膜受体相互作用促进星形胶质细胞趋化因子配体5(chemokine C-C motif ligand 5,CCL5)的产生，而重组CCL5蛋白在促进M2迁移方面更有效[30]。这些结果提示，MIF水平与巨噬细胞表型转化具有密切关系。CNS损伤的修复离不开M2型巨噬细胞，因为M2型巨噬细胞具有减轻炎症反应、促进组织修复的功能，在损伤修复的过程中，必定存在以M2极化为主导的阶段。成年哺乳动物CNS损伤后难以再生，同为脊椎动物的斑马鱼CNS损伤后可再生能力却较强，可能是由于在斑马鱼神经损伤修复过程中MIF促进了M2极化，在局部营造了对CNS再生有利的微环境，但其中复杂的调控机制至今尚不完全清楚。

4.2 巨噬细胞M2极化中MIF与HIF-1α的作用

MIF在机体多种组织中广泛表达，其改善组织损伤后的缺氧缺血与HIF-1α的调节有关。已知HIF-1α的激活受氧依赖性羟基化作用的调节，在斑马鱼尾横断模型中，以羟化酶抑制剂DMOG干预后，活化的HIF-1α可通过抑制中性粒细胞凋亡及逆向转运从而延长炎症反应。间歇性缺氧是一种有效的促炎刺激，缺氧情况下HIF-1α水平升高可导致IL-6诱导巨噬细胞M1极化[31]。在肿瘤组织中拮抗HIF-1α会导致巨噬细胞M2极化并减弱炎症反应[4]。肿瘤相关研究结果显示，MIF是HIF-1α表达及发挥转录调控作用的重要调节因子，二者之间存在反馈性调节的关系。MIF基因敲除不会导致HIF-1α mRNA转录减少，但却会引起HIF-1α蛋白水平下降，这表明哺乳动物体内MIF与HIF-1α的水平呈正相关，且低浓度的MIF可能通过促进HIF-1α蛋白降解来下调HIF-1α的水平[4]。MIF作为一种炎症因子，其水平升高常会导致肿瘤扩散与恶化，而CNS损伤后MIF表达广泛，有助于CNS的修复与再生，二者都与MIF介导的M2极化和血管新生密切相关。因此，研究M2极化介导血管新生影响肿瘤发展可能有助于发现MIF在CNS损伤修复中的潜在临床应用价值。

5 总结与展望

组织损伤后巨噬细胞的极化状态与炎症反应和血管新生密切相关，MIF在其中的调控作用不容忽视。MIF参与炎症反应中的多项病理生理过程，在肿瘤组织中可促进巨噬细胞M2极化从而诱导血管新生。同时，MIF的表达受到NF-κB、MAPK、miRNA等多条通路的调控，明确MIF和HIF-1α的直接关系以及二者对M2极化的调控作用将有助于理解小胶质细胞和巨噬细胞在CNS损伤进程中与时空相关的功能状态改变。而明确CNS损伤后MIF调控巨噬细胞极化的机制将有助于探索治疗哺乳动物CNS损伤的新策略，为促进新药物靶点的发现提供理论依据。