变应性鼻炎神经-免疫机制的研究进展

康瑞,程冯丽,赵长青

(1.山西医科大学,山西 太原 030001;2.山西医科大学第二医院 耳鼻咽喉头颈外科 山西省气道炎性疾病神经免疫重点培育实验室,山西 太原 030000)

变应性鼻炎(allergic rhinitis, AR)是常见病,其发病机制复杂,发病率逐年攀升。围绕AR经典的免疫反应理论制定的各类干预策略取得一定疗效,但仍有不足之处[1],主要原因是AR的发病机制尚未完全清楚。迷走神经反射参与肠道免疫调控[2]的发现以及临床上开展的针对难治性AR的神经阻断术(如翼管神经切断术[3]、鼻后神经切断术[4])为神经参与免疫调控提供了理论依据。近年来,神经细胞表达炎性介质受体和免疫细胞表达神经肽受体的新发现[5],让AR的神经-免疫机制越来越受重视。

中枢-外周双向调控机制和外周神经-免疫网络的研究,提示AR神经-免疫机制的复杂,其中神经肽参与到上述机制的各个层面。我们团队近年来致力于神经肽参与上气道高反应性疾病(包括AR)的机制研究并取得一定结果,如P物质影响肥大细胞(mast cell,MC)脱颗粒[6]和神经介素U(neuromedin U,NMU)借助2 型固有淋巴细胞(type 2 innate lymphocyte cells, ILC2s)参与2型炎症反应(即AR中外周神经调控局部免疫反应的初级机制)。本文就AR的神经-免疫机制以及其中的神经肽调控免疫细胞的研究进展予以阐述,并简要介绍神经-免疫机制以及神经肽靶向药物的临床应用前景。

1 AR的神经-免疫机制

1.1 AR神经-免疫的外周双向机制

鼻腔黏膜的神经分布主要有自主神经系统(交感神经和副交感神经,如翼管神经)、外周感觉神经(如三叉神经),之后又发现非肾上腺素能非胆碱能(nonadrenergic noncholinergic, NANC)神经。最新研究发现黏膜下的感觉神经末梢表面存在瞬时受体电位离子通道(transient receptor potential,TPR),如TRPA1(感知冷觉等)和 TRPV1(感知热觉、痛觉等)。这些神经末梢受到外界刺激(尤其是非特异性刺激)后启动Ca2+内流,激活该通道,通过轴索反射放大信号的同时释放P物质、降钙素原基因相关肽(calcitonin gene related peptide,CGRP)、血管活性肠肽(vasoactive Intestinal Peptide,VIP)、NMU、神经肽Y(neuropeptide Y,NPY)等神经肽[7]。神经肽释放后不仅作用于鼻黏膜的血管和腺体,还作用于附近的MC、嗜酸性粒细胞(eosinophils, EOS)以及ILC2s等核心免疫细胞,使其募集并活化,促进炎症介质释放,即神经源性炎症[8]。而各类免疫细胞分泌的炎症介质作用于周围神经,使其再次释放神经肽,加重炎症反应。神经肽作为周围神经与鼻黏膜之间的“桥梁”,发挥重要作用。

1.2 AR神经-免疫机制的中枢-外周网络

AR发作时中枢与外周之间也存在双向调控。随着“肠-脑轴”[9-10]的发现和“肺-脑轴”[11]的提出,这一双向机制可以初步概括为“鼻-脑轴”,即支配鼻黏膜的神经末梢接受外界刺激后将各种信号呈递给中枢神经系统(central nervous system, CNS),CNS将信息整合并传出至外周靶器官,调控免疫系统[12]。两系统之间相互作用,形成AR神经-免疫的正反馈机制。

免疫系统借助神经反射机制和非神经反射机制将炎症信号呈递给CNS,激活特定脑区,并导致大脑功能改变[13]。在微生物-肠-脑轴中,迷走神经由肠道菌群激活后沿轴突-背根神经节-脊髓将代谢紊乱的信号传至大脑孤束核,并投射至大脑皮层,而肠道菌群还可通过非迷走神经反射通路/内分泌通路将信号传至大脑[14]。AR发作时以三叉神经为例,经鼻激发的AR患者行功能性磁共振脑区扫描发现鼻内三叉神经刺激后出现颞上回、尾状核等大脑核团的激活[15]。这样的外周信号传至中枢后产生急性的神经兴奋,且兴奋性可持续几小时[16]。长期的反复激活作用还会导致神经元表型变化(即神经塑形性改变)和大脑功能改变[16],如三叉神经痛患者大脑皮层的灰质发生密度改变[17]。 此外,神经末梢释放的神经肽以及参与免疫反应的炎症介质通过组织浸润透过血脑屏障进入大脑,其中P物质、CGRP可作用于CNS,导致中枢传出信号的增强和对外界刺激的阈值降低(即中枢敏化作用)[16]。

CNS通过神经反射和非神经反射机制将信号传出至外周靶器官,实现对免疫系统的精准调控[13]。CNS将信号进行整合处理后沿神经轴传至神经末梢,使其释放各种神经肽和神经递质,调节免疫反应[12]。此外,CNS通过下丘脑-垂体-肾上腺轴调控免疫系统[18],如糖皮质激素对免疫系统的影响[18]以及人体内约24 h的昼夜节律对外周免疫细胞的周期性调控[19]。

2 AR神经-免疫机制中神经肽对免疫细胞的作用

2.1 P物质

在鼻黏膜中,P物质多表达于初级传入神经C类神经纤维中,与MC之间存在密切的形态学构筑关系[20]。感觉神经末梢激活后释放P物质作用于周围的MC使其产生神经源性脱颗粒和免疫源性脱颗粒,诱发免疫反应。神经源性脱颗粒主要有:①P物质直接与MC上高亲和力受体神经激肽1受体(neurokinin-1 receptor,NK-1R)结合,促使MC脱颗粒,抑制NK-1R的表达可减轻AR相关的临床症状和鼻黏膜的EOS聚集。②人MC表面表达Mas相关G蛋白偶联受体X2(MRGPRX2),P物质是MRGPRX2的激动剂之一。二者结合使细胞外调节蛋白激酶 (extracellular regulated protein kinases, ERK)1/2磷酸化,诱发G蛋白依赖的MC脱颗粒。MRGPRX2表达的下调和ERK1/2的抑制可显著降低MC脱颗粒的效率[21]。③P物质通过NK-1R作用于EOS,促进EOS募集并活化,释放促肾上腺皮质激素释放激素,后者作用于MC,间接介导了MC脱颗粒[22]。免疫源性脱颗粒的研究发现,P物质与MC表面NK-1R结合影响FcεRIα表达水平[23],在神经炎症领域中发现P物质对人MC上Toll样受体2表达有正向作用[24]。此外,MC表达的类胰蛋白酶裂解后作用于初级传入神经元上的蛋白酶激活受体2,促进Ga2+内流,导致CGRP和P物质等神经肽的二次释放,进一步加重炎症反应[25]。二者之间的正反馈机制,产生了持续而严重的鼻过敏样症状。

除了上述P物质和免疫细胞之间的相互作用外,P物质对MC脱颗粒的调控,还受昼夜节律的“限制”。 MC可节律性转录Per1、Per2等生物钟基因,指导FcεRIα周期性表达,这种外周细胞的自身节律称为“子钟”。外周细胞通过下丘脑-垂体-肾上腺轴,接收来自于下丘脑视交叉上核(又称“母钟”)的“校正”,以此保持机体生物钟的同步。因此,在人MC低水平时予以P物质靶向药物也许是一种治疗策略,可通过更小剂量取得更大疗效。

2.2 CGRP

AR发作时CGRP主要作用于MC和ILC2上的降钙素原基因相关肽受体(calcitonin gene related peptide receptor,CGRPR),致使MC脱颗粒和ILC2活化。

MC脱颗粒分为Ca2+依赖性和非Ca2+依赖性/微管依赖性脱颗粒。CGRP对MC脱颗粒的作用属于后者,不改变MC内Ca2+浓度。小鼠食物过敏模型中予以小鼠微管解聚剂后CGRP对MC的活化作用降低[26]。

CGRP对ILC2可能存在时间依赖性的双重调节作用。Sui等[27]的实验提出在白介素(interleukin,IL)-25或IL-33共同作用下,CGRP可以显著促进小鼠ILC2释放IL-5。然而,Wallrapp等[28]报道CGRP上调了小鼠肺黏膜ILC2中IL-5的表达,下调了IL-13,这种双重作用在加入IL-33后均放大,但随时间推移,IL-5的表达也下降,表明在不同的时间节点,CGRP对ILC2的作用存在一定的差异。

2.3 VIP

支配鼻腔黏膜的神经中,除了上述感觉神经外,副交感神经的胆碱能神经在受刺激后同样释放VIP等神经肽。VIP在局部发挥血管扩张等作用,在鼻黏膜EOS上发现CRTH2的表达。研究表明在AR中VIP及其阳性神经纤维增多[29],且VIP和CRTH2之间存在强共定位。

VIP对EOS的作用主要体现在3个方面。首先,VIP作用于EOS表面的CRTH2,诱导蛋白激酶C和蛋白激酶A向膜移位,促使EOS活化,但这种作用可能是短时存在[30]。其次,VIP促使EOS释放前列腺素D2参与CRTH2蛋白合成,VIP结合CRTH2使其传递的信号级联放大,加剧EOS的活化[31]。再者,EOS在向局部迁移过程中产生形态变化,这是EOS参与免疫反应的前期储备,CRTH2拮抗剂能够抑制这种改变,而且阻断蛋白激酶A和蛋白激酶C后,使EOS中高表达的F肌动蛋白趋于正常水平,逆转其细胞骨架变化[30]。总而言之,VIP对EOS的趋化作用通过CRTH2受体介导并借助蛋白激酶A和蛋白激酶C途径进行。

2.4 NMU

NMU的受体主要有NMUR1和NMUR2,其中NMUR1主要在外周表达,多见于ILC2s表面[32],NMUR2在中枢神经元表达。NMU在小鼠模型中的研究表明其发挥能量平衡、免疫反应、昼夜节律等作用[33],在人类研究中,主要涉及的研究有儿童肥胖、骨骼健康、代谢紊乱等方面,其中在炎症方面的研究颇受关注[34]。近年来发现小鼠肺和肠道黏膜固有层的副交感胆碱能神经元在接受外界刺激后会释放NMU,上述情况在变态反应状态下更加显著[35]。小鼠肺和肠道黏膜中的ILC2在接受外界刺激后特异性表达NMUR1。在形态学方面小鼠肺及肠道黏膜中68%的ILC2s与神经元之间有重叠像素,二者密切接触,平均相距不足5 μm[35]。这使得神经元与ILC2之间相互作用成为可能。

研究发现NMU借助NMUR1作用于ILC2,参与2型炎症反应。在NMUR1小鼠肺黏膜中,予以NMU刺激后,ILC2没有明显的活化现象[36]。研究发现NMU对ILC2的增殖作用是剂量依赖性的,且ILC2的活化速度明显快于IL-25/IL-33组[35],这表明NMU对ILC2的作用是直接且快速的。其具体机制是NMU作用于ILC2上的NMUR1受体,激活该通道,促使ILC2增值并分泌Th2样细胞因子。Klose等[32]的实验中予以ERK1/2抑制剂和NAFT拮抗剂后阻断NMU-NMUR1信号传递是佐证之一。此外,ILC2在炎症反应自主表达NMUR1的过程并不发生活化作用,唯有接受NMU刺激后迅速增值,说明NMU是神经元细胞和ILC2反应之间的重要“桥梁”[37]。上述研究大多只在小鼠肺部和肠道黏膜模型中得到验证。近年来人和小鼠鼻腔黏膜NMU的发现以及EOS增多型鼻息肉小鼠模型对NMU/NMUR1/ILC2的证实使该轴参与AR发病的可能性更大。

此外,Teranishi等[38]观察到NMU-NMUR1参与视交叉上核(suprachiasmatic muclens,SCN)功能的调节,他们发现NMU、NMUR1和NMUR2的mRNA在大鼠SCN中的表达,并且NMU和NMUR1 mRNA的表达水平随昼夜节律波动。这些研究结果表明,NMU可能通过自分泌或旁分泌途径参与SCN功能。那么与NMU相对应的ILC2呢?ILC2和Th2细胞属于“镜像关系”,同样产生2型细胞因子,受转录因子Gata3调控。区别在于,ILC2 主要存在于黏膜表面,不表达抗原特异性受体,不直接对病原体或变应原产生反应[28]。众所周知,人体内Th2细胞存在约24 h昼夜节律,那么依赖于GATA3、RORα等转录因子激活的ILC2[39],很可能也存在同样节律。因此,NMU/NMURI/ILC2轴的生物钟节律可能是一个研究亮点。

2.5 NPY

NPY是交感神经受到压力刺激后产生的一种神经肽,与食欲、生物钟、情绪等功能密切相关[40]。NPY的受体分为Y1-Y6,NPY对机体的作用因细胞表型的不同而改变,其中NPY-Y1在多种免疫细胞表面表达,如B细胞、T细胞、树突状细胞、巨噬细胞等[41]。NPY与其受体Y1结合可产生抗炎和促炎功能,这样的双重作用取决于Y受体和免疫细胞的结合情况。NPY-Y1小鼠哮喘模型证实NPY通过NPY-Y1途径作用于EOS减轻气道炎症,同时驱使树突状细胞向局部淋巴组织迁移,促进Th2细胞分化,加快2型免疫反应的发生。NPY-Y1受体阻断剂减轻气道炎症细胞的聚集和炎症因子的水平可以作为验证[41]。NPY的这种促炎作用体现了交感神经和副交感神经并不一定都是反作用的[42]。

除此之外,甘丙肽(galanin,GAL)和其受体GALR2在小鼠鼻黏膜中存在表达,并定位于鼻黏膜的纤毛上皮和黏膜下腺细胞,予以GAL拮抗剂M871减轻小鼠的AR症状,表明AR中可能存在GAL/GALR2轴参与其神经-免疫反应[43]。

3 神经-免疫机制以及神经肽靶向治疗的应用前景

据此可知,神经-免疫机制涉及多层面的双向调控,在AR的发病中具有重要的意义,因此针对上述机制开展了一系列的治疗方面的探索,通过电信号干扰、纳米技术、靶向药物阻断神经信号的传入和传出,影响疾病进程。在此之前,外科手段神经阻断(如翼管神经切断术)在临床应用中显示了良好的疗效。而基于迷走神经在哮喘、炎症性肠病以及类风湿性关节炎中的支配作用,近年来针对上述疾病予以迷走神经电刺激均取得一定的疗效[44],因而针对AR的神经电刺激的研究或许是一种可能。此外,借助神经-免疫机制进行的相关临床治疗的探索还包括以下几点:①可植入电子设备:利用神经回路传递抗炎信号[44];②纳米技术:利用光热信号输送包裹药物的纳米颗粒,沉默伤害感受器中的特定神经元亚群[45];③TPR靶向药物:TRPV1拮抗剂(SB-705498)和TRPA1通道拮抗剂(HC-030031、GRC17536)等,还有辣椒素脱敏、脂联素、槲皮素等[7]。但目前在鼻科学领域的神经免疫治疗仍需深入探讨。

外周双向网络中,神经肽作为重要的物质基础参与该机制,阻止其生成及释放或成为治疗新靶点。目前的相关靶向药物主要如下:① NK-1R拮抗剂:阿瑞匹坦、福沙匹坦,主要用于特应性皮炎的瘙痒症状[46];②MRGPRX2拮抗剂:QWF、Piperine等多种直接抑制剂[47];③CGRPR拮抗剂:人源性单克隆抗体Erenumab[48](商品名Aimovig)和Fremanezumab[49](商品名Ajovy),目前应用于偏头痛治疗;④前列腺素D2受体拮抗剂: Fevipiprant(QAW039)和AZD1981用于哮喘治疗[50];⑤NPY受体拮抗剂:BIBO3304等,主要用于肥胖治疗[51]。NMUR1受体拮抗剂目前尚无临床试验,需进一步探讨。神经肽靶向治疗药物在AR中暂无研究,但就像奥马珠单抗在哮喘领域取得较好疗效后应用于AR并初步显示出较好的疗效一样[52],上述神经肽类物质的受体拮抗剂亦可能是AR生物制剂治疗方面的研究方向[44]。

4 小结与展望

总的来说,中枢-外周双向网络和外周神经-免疫机制涉及中枢神经、外周神经、神经肽和神经递质、免疫细胞和炎症介质等,其中神经末梢借助神经肽实现对免疫细胞的调控进一步完善了AR的神经-免疫机制。以神经肽为靶点,开发生物制剂可能是AR临床治疗的新方向。但目前以神经元反射和体液调控为基础,借助各种神经肽、神经递质及炎症介质发生的内在机制仍有诸多不清楚的地方,如何高效地阻断其“恶性循环”,改善AR症状,仍需进一步研究。