神经炎症与血脑屏障的相关性研究进展

2022-12-12潘晓华刘国荣

中国实用神经疾病杂志 2022年2期

张静潘晓华刘国荣

1）内蒙古医科大学包头临床医学院，内蒙古包头 014040 2）包头市第八医院，内蒙古包头014040 3）包头市中心医院，内蒙古包头 014040

中枢神经系统疾病近年来越来越受到人们的重视，在创伤性脑病、神经退行性疾病、脑卒中、脑小血管病等事件发生后，一些炎症标志物会在短时间内聚集并引起一系列炎症过程［1］。这一发生在大脑中的炎症反应可以是保护性的也可以是损伤性的，通常伴随血-脑屏障（blood-brain barrier，BBB）的结构及功能变化，并影响疾病的发生和发展，甚至最终导致难以逆转的结局［2］。这种急性或慢性炎症似乎已成为中枢神经系统病理学的标志，因此深入探索神经炎症的发病机制变得尤为重要。

BBB是由中枢神经系统血管功能单位为主要组成成分的一种流动性膜结构，从结构的完整性到控制各种物质进出，其发挥着至关重要的作用［3］。在帮助维持内环境的稳态，保护中枢神经系统免受血液中有害物质侵害的同时，也参与药物代谢及营养物质运输。由于BBB 的存在，大多数药物难以运输到脑实质内发挥作用，如何更有效地将治疗药物运输至中枢神经系统内并增强药物的利用率是需要不断探索的一大难题。

BBB功能受损与人类中枢神经系统的许多病理状况有关，然而对于其破坏的原因及后果，特别是神经元、神经胶质、周细胞和内皮细胞与炎症细胞之间的密切联系，许多方面仍然未知。就细胞和分子相互作用而言，BBB 尤其是神经血管单元在中枢神经系统的特定区域更加复杂和多样。对于导致BBB功能障碍的分子机制在中枢神经系统疾病的不同表征，将为特异性调节屏障特性以治疗致命性疾病，如脑卒中、脑肿瘤、多发性硬化等提供帮助。总之，了解BBB及其细胞分子之间的相互作用是靶向治疗中枢神经系统病理的先决条件。本文对神经炎症的发病机制、BBB 的结构组成及功能、神经炎症介导的BBB 功能障碍及治疗现状进行综述，概括了外周血免疫细胞、基质金属蛋白酶及离子通道在神经炎症中的作用，以期对中枢神经系统疾病的诊断和治疗提供帮助。

1 神经炎症的发病机制

1.1 免疫细胞在神经炎症中的作用越来越多的证据表明，外周血免疫细胞在神经系统损伤和修复过程中发挥重要作用。众所周知，缺血性脑卒中是一个急性而持久的炎症过程［4］，最初常驻小胶质细胞迅速激活产生的炎症介质导致急性缺血性脑损伤，随着BBB 完整性的降低，来自外周血循环中的免疫细胞会透过BBB 而出现在梗死部位，并进一步导致梗死周围区域神经变性的增加从而加重脑损伤［5］。随后，在远离梗死部位但与之有着突触连接的区域发生继发性神经变性［6］。研究表明，这一继发性炎症反应也有外周免疫细胞的参与，包括单核细胞、中性粒细胞和CD4+T 细胞，并与神经功能障碍及恢复不良有关［7］。多发性硬化（multiple sclerosis，MS）是发生在中枢神经系统内常见的慢性炎症性疾病，从发病开始或是发病10～20 a 后会出现进行性的临床病程，最终导致行为和认知等各种神经功能障碍［8］。MS 的病理变化包括少突胶质细胞死亡、脱髓鞘、胶质增生、轴突损伤和外周细胞浸润［9］。这一神经退行性变广泛存在于大脑的不同区域，并作为外周血免疫细胞募集的触发因素，形成新的炎性脱髓鞘病变［10］。在帕金森病（Parkinson’s disease，PD）患者中，典型的特征是α-突触核蛋白蓄积在中枢神经系统而诱导促炎性的外周血单核细胞强烈渗入，最终导致黑质多巴胺能神经元进行性丢失，从而引起神经退行性运动障碍［11］。同样，阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）及艾滋病所致神经系统损害的病程中也伴随着单核细胞的迁移而引起慢性炎症反应［12］，故神经炎症病变外周血免疫细胞参与其中。

1.2 基质金属蛋白酶在神经炎症中的作用基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）是一个蛋白水解酶家族，不仅作为促炎因子发挥作用，同时对于神经元再生、血管生成、细胞增殖及凋亡等正常的生理功能也起重要作用［13］。研究发现，使用重组组织型纤溶酶原激活剂（rt-PA）治疗急性缺血性脑卒中导致的颅内出血最主要原因是rt-PA 可以提高MMP-9 的生物活性，通过降解基底膜增加BBB 的破坏，导致出血转化［14］。MMP 介导的BBB 通透性改变可被环氧合酶-2 抑制剂抑制，通过调节环氧合酶-2或前列腺素-E2的活性可有效防止BBB的破坏［15］，不仅缩小脑梗死面积还能减轻脑水肿及出血。在阿尔茨海默病等中老年神经退行性疾病中，外周血免疫细胞产生的MMP发挥双重作用，一方面由于MMP的蛋白水解特性使其具有降解Aβ蛋白的功能，另一方面由于BBB的损坏及通透性降低，Aβ蛋白在脑实质中的清除率也随之降低［16］。YANG等［17］研究发现，活性白介素-1β通过诱导MMP-9 的表达促进神经炎症性疾病患者星形胶质细胞的迁移，进一步说明MMP在介导神经炎症发病机制中的作用不可忽视。

1.3 离子通道在神经炎症中的作用离子通道是存在于细胞膜上的一类通道蛋白，主要功能是触发神经冲动和突触传递。这种通道蛋白决定中枢神经系统内环境的稳态，调控神经系统内细胞的黏附和迁移，参与信号调节过程，任何通道结构和功能的紊乱都会对神经系统产生不利影响［18］。AD 患者体内蓄积的Aβ蛋白破坏了细胞膜上的离子通道，细胞内外K+、Ca2+浓度失衡，神经递质释放异常引起兴奋毒性，最终导致神经元变性坏死［19］。研究表明，酸敏感离子通道（acid-sensing ion channels，ASICs）在缺血条件下通过修饰细胞膜表面α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异噁唑丙酸受体而参与神经炎症相关的神经变性过程［20］。近年来随着靶向离子通道蛋白用以调节免疫和神经炎症机制研究的不断深入，致力于开发新型药物用以治疗中枢神经系统疾病也迎来了机遇和挑战。

以上对于中枢神经系统炎症性病变的几个重要发病机制做一简要概述，此外还有遗传学、自噬和微小核糖核酸也参与神经炎症的发病过程，大多伴随BBB的损伤。

2 BBB结构组成和功能

BBB 是由脑内皮细胞、周细胞、胶质细胞、基底膜和神经元组成，这些结构统称为神经血管单位（neurovascular unit，NVU）［21］。在NVU中脑内皮细胞（endothelial cells，ECs）具有许多独特的蛋白成分，在构成BBB的过程中发挥重要作用。特异性的claudin家族成员claudin-5（Cldn5）和occludin（Ocln）形成精细的紧密连接（tight junctions，TJs），并通过闭锁小带（zonula occludens，ZO）家族成员（ZO-1，-2，-3）连接到细胞骨架上［22］。IgG超家族成员可调节TJs的功能及炎症细胞跨内皮屏障的迁移。由钙黏蛋白之间的嗜同性相互作用形成的黏附连接（adherens junctions，AJs），是TJs 形成的先决条件［23］。此外，ECs 表面具有大量的线粒体、离子通道、受体和酶屏障，以及Cav-1构成的少量小窝结构，使BBB成为一种维持中枢神经系统内环境稳态的流动性膜结构，利于大脑进行有效的药物及营养物质代谢［24］。周细胞（pericytes，PCs）是NVU 中最牢固地附着在ECs 上的细胞，参与内皮细胞增殖、存活、迁移及分化，同时因具有吞噬外源性蛋白和呈递抗原的能力而参与免疫调节反应［25］。星型胶质细胞（astrocytes，ACs）能够改善ECs 的屏障功能，二者之间的相互作用不仅对BBB 的建立和维持必不可少，而且对ACs 的分化也至关重要［22］。研究表明脑微血管内皮细胞分别与星形胶质细胞、周细胞体外共培养能够维持BBB 的功能及特性［26］，构成最简单的体外BBB 模型结构。此外，神经元、小胶质细胞和细胞外基质成分对于促进脑血管化、神经信号传导以及维持BBB 完整性方面也发挥重要作用［22］。

3 神经炎症介导的BBB功能障碍

许多神经炎症性疾病的特征是TJs 的开放和BBB 的中断，内皮细胞上的TJs 蛋白，如claudin-3、-5、-12 和occludin 通常会限制免疫细胞在BBB上的运动，但随着TJs蛋白的破坏，炎性蛋白、抗体和白细胞等通过细胞旁途径迁移进入中枢神经系统实质内促进神经炎症反应［27］，这一过程是由运送细胞和大分子穿过中枢神经系统血管的空泡数量增加所介导的［28］。影响TJs 蛋白表达和功能的因素很多，包括巨噬细胞和小胶质细胞产生的细胞因子、趋化因子、活性氧（reactive oxygen species，ROS）、谷氨酸及金属蛋白酶，感染细胞产生的病毒蛋白等［29］。激活的脑巨噬细胞和星型胶质细胞之间的相互作用可进一步放大炎症反应，产生的趋化因子通过影响内皮细胞或促进单核细胞的迁移而导致BBB 结构和功能的改变［30］。

MS的病因和发病机制目前尚不清楚，但已有研究证实髓鞘蛋白特异性自身反应性T细胞通过启动炎症级联反应导致神经炎症、脱髓鞘和轴突损伤［31］。利用实验性自身免疫性脑脊髓炎（experimental autoimmune encephalomyelitis，EAE）动物模型对MS的发病机制进行研究，发现Th40 细胞存在于中枢神经系统的病变中，并与广泛的脱髓鞘有关［32］，由Cav-1 蛋白形成的小窝结构可能为CD4+Th1 细胞进入中枢神经系统提供了一条迁移途径［33］，由此小窝对BBB 通透性的调节作用也不容忽视，同时小窝聚集黏附分子也是免疫细胞和内皮细胞相互作用所必需的［34］。MS 发病前通过检测中枢神经系统中浸润的免疫细胞发现中性粒细胞占有很大比例，虽然中性粒细胞不是MS 病理改变所特有的，但其分泌的MMPs在MS发病过程中发挥着重要作用［35］。

AD 的发病和进展与BBB 的功能障碍有关。通过对AD小鼠模型脑毛细血管内的葡萄糖转运蛋白1（glucose transporter 1，GLUT1）进行检测，发现其表达水平明显降低，且由于GLUT1缺乏也导致TJs蛋白丢失及BBB功能障碍［36］。BBB基底膜细胞外基质蛋白结构和组织发生病理变化时有利于外周血白细胞的迁移而引起AD 的炎症病变［33］。研究表明周细胞和星型胶质细胞发生损伤会导致AD 患者BBB 功能障碍，周细胞缺乏将导致认知障碍、Aβ蛋白沉积和Tau病理［36］，而星型胶质细胞分泌多种类型的细胞因子和趋化因子进一步引起慢性炎症过程［33］。

4 神经炎症性疾病治疗现状

BBB在保护中枢神经系统免受血液中有害物质及微生物侵害的同时，也限制了大多数药物对脑实质的渗透效率。利用甘露醇、果糖、尿素和甘油等药物产生的高渗透压特性，可导致BBB 暂时开放使药物随后转运至大脑内，然而却不可避免地对中枢神经系统造成损伤［37］。超声波干扰技术可对BBB造成可逆的通透性改变，促进干燥分子进入中枢神经系统［38］。近年来随着纳米材料的问世及靶向治疗技术的兴起，对于中枢神经系统疾病的治疗也提供了广阔空间。基于纳米材料对BBB 的穿透策略，目前已有包括蛋白质、多肽和小分子在内的多种药物通过鼻内给药途径，经嗅觉神经元及神经束进行传递，从而绕过BBB 运输至大脑内发挥作用［39］，利用交变磁场产生的磁梯度可提高纳米磁流体的运输速率［40］。此外，通过受体介导的BBB 交叉转胞作用可将药物通过BBB运输至大脑内［41］。