姜忠良譯 朱玲審校

(四川大學(xué)華西基礎(chǔ)與法醫(yī)學(xué)院藥理教研室,四川 成都 610041)

細(xì)胞因子是如何調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能的?

細(xì)胞因子被發(fā)現(xiàn)之后,細(xì)胞因子便幾乎立刻被假定為有強烈活性的神經(jīng)性物質(zhì)(Dinarello,1979)。早期細(xì)胞因子被認(rèn)為是免疫細(xì)胞間的胞內(nèi)信號傳遞分子(Dinarello Mier,1986),被懷疑是一種作用于免疫系統(tǒng)與中樞神經(jīng)系統(tǒng)之間的重要的調(diào)節(jié)物質(zhì)。萌發(fā)這種想法的一個重要的觀察是：宿主的免疫活動總是伴隨著其行為的改變(疾病行為,睡眠),身體溫度的改變(發(fā)燒,體溫降低)以及神經(jīng)內(nèi)分泌活動的改變。而所有這一切活動都是由中樞神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)。機體感染后中樞神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的反應(yīng)可推測為：增強免疫,保存能量,防止過度的炎癥反應(yīng)。站在綜合生理學(xué)的角度發(fā)現(xiàn),由免疫反應(yīng)誘導(dǎo)產(chǎn)生的細(xì)胞因子通過調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的功能來調(diào)節(jié)生理的、行為的、內(nèi)分泌的機制來對抗感染。較早很好的證明這個綜合生理觀點的實例是1975年Kluger等發(fā)現(xiàn)蜥蜴(一種冷血動物)通過將自身移動到溫暖的地方來調(diào)節(jié)其身體的溫度。這種發(fā)熱反應(yīng)的過程顯著的提升了其免疫力與細(xì)菌感染后的存活率。當(dāng)時已經(jīng)知道發(fā)熱是由體內(nèi)熱源性物質(zhì)誘導(dǎo)的,之后內(nèi)熱源被確定為細(xì)胞因子。

通過將多種細(xì)胞因子注射進體內(nèi)或者腦室,人們得到了細(xì)胞因子神經(jīng)活性的直接證據(jù)。這些研究建立起了細(xì)胞因子能夠激活下丘腦-腦垂體-腎上腺軸(Berkenbosch等,1987;Besedovsky and del Rey,1987;Sapolsky等,1987),誘導(dǎo)發(fā)熱(Duff and Durum,1983),延長慢波睡眠(Krueger等,1984),減少攝食(McCarthy等,1986)與飲水(Chance and Fishcher,1991),減少運動(Crestani等,1991)。這些影響不僅僅只在實驗動物中明顯出現(xiàn),也同樣出現(xiàn)在因治療癌癥而接受細(xì)胞因子注射的病人當(dāng)中(Smedley等,1983;Spriggs等,1987)。在上述實驗中被測試最多的細(xì)胞因子是白細(xì)胞介素-1(IL-1),盡管其他的細(xì)胞因子如腫瘤壞死因子(TNF)(Kapas等,1992;Kapas and Krueger,1992),干擾素(IFN)(Dinarello等,1984;Kimura等,1994),白細(xì)胞介素-6(IL-6)(LeMay等,1990),巨噬細(xì)胞炎癥蛋白-1(MIP-1)(Davatelis等,1989),IL-12(Atkins等,1997)和IL-2(Riobeiro等,1993)都能誘導(dǎo)出一種或幾種上述反應(yīng)。

細(xì)胞因子的神經(jīng)性功能具有重要的生理與臨床意義。如細(xì)胞因子誘導(dǎo)的發(fā)熱反應(yīng)能夠極大的增強T輔助細(xì)胞的活性,使細(xì)胞免疫與體液免疫兩者都得到增強(Hanson,1997)。但另一方面,持續(xù)性的高熱當(dāng)然是有害的甚至是致命的。因此,細(xì)胞因子調(diào)節(jié)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)反應(yīng)就可以作為臨床上減少使用高劑量的細(xì)胞因子的限制性因素(Ribeiro等,1993)。也正因為如此,對細(xì)胞因子與中樞神經(jīng)系統(tǒng)間相互作用的徹底的了解對于基礎(chǔ)細(xì)胞因子生物學(xué)和細(xì)胞因子藥物的開發(fā)都是極為重要的。

然而,研究這種相互作用是艱巨的任務(wù)。這是因為免疫系統(tǒng)與神經(jīng)系統(tǒng)間的關(guān)系超級復(fù)雜,而兩者在結(jié)構(gòu)上又是互相分開的。目前就細(xì)胞因子在免疫系統(tǒng)中的產(chǎn)生到其在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的作用這個領(lǐng)域中,已經(jīng)進行研究的課題有：1)不同的細(xì)胞因子是如何影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)的?2)細(xì)胞因子信號穿越血腦屏障(BBB)的具體通路是什么?3)細(xì)胞因子是如何激活特定的神經(jīng)通路以誘導(dǎo)中樞神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)出合適的反應(yīng)?盡管仔細(xì)了解文獻的細(xì)節(jié)后無法對任一個上述問題給出一個簡單的回答,但有點意外地細(xì)胞因子與中樞神經(jīng)系統(tǒng)間的信號傳遞方式浮出水面。

影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)的細(xì)胞因子間的相互關(guān)系

在評價任何細(xì)胞因子對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的影響之前,一個需要注意到的現(xiàn)象是：在活體中,任何一種細(xì)胞因子水平的上升總是可能伴隨著其他細(xì)胞因子水平的改變,部分是因為許多細(xì)胞因子自身就是其他細(xì)胞因子的誘導(dǎo)者(Olsson,1993),部分是因為一個免疫反應(yīng)需要多種細(xì)胞因子(Viguier,2000)參與。大體上,多種細(xì)胞因子是依次產(chǎn)生與(或)同時產(chǎn)生以調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)的發(fā)生(炎癥、抗原呈遞、急性應(yīng)激反應(yīng))(Choy,Panayi,2001)、發(fā)展(T細(xì)胞的激活、B細(xì)胞的激活、抗體的產(chǎn)生)(Callard,1989;Moriggl,1999),和終止(免疫抑制)(Standiford,2000)。在外周免疫系統(tǒng)中,多種細(xì)胞因子的生物活性具有交叉性,這使得它們具有功能多態(tài)性(Rubinstein,1998)。此外,某個特定的細(xì)胞因子的免疫功能可能被增強(Ostensen等,1989)或者被屏蔽(Arend等,1987),這又取決于存在的其他細(xì)胞因子。在免疫系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)細(xì)胞因子在生物學(xué)上相當(dāng)復(fù)雜,這讓人意識到?jīng)Q不能孤立的考慮任何一種細(xì)胞因子對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的影響。

一個富有啟發(fā)意義的例子是：接受了高劑量的重組IL-2治療的病人,其誘導(dǎo)發(fā)熱過程與IL-1和TNF-α不同的是：IL-2不會刺激合成前列腺素,而前列腺素被認(rèn)為是下丘腦前部的循環(huán)熱源必須的下游調(diào)節(jié)因子(Coceani和Akarsu,1988)。因此,當(dāng)發(fā)現(xiàn)高水平的 IL-2誘導(dǎo)IL-1和TNF-α表達(dá)的時候,人們推斷出IL-2是通過IL-1與(或)TNF-α的功能間接的誘導(dǎo)發(fā)熱過程(Mier等,1988)。但之后對于該機制進一步的研究卻發(fā)現(xiàn),與IL-1和TNF-α誘導(dǎo)的發(fā)熱不同,IL-2誘導(dǎo)的發(fā)熱不能被前列腺素合成抑制劑吲哚美辛阻斷(Chapman等,1988)。當(dāng)然,IL-2可能通過自身對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的直接作用誘導(dǎo)發(fā)熱,也可能通過誘導(dǎo)表達(dá)其他的能激活發(fā)熱反應(yīng)的細(xì)胞因子,而這些細(xì)胞因子不依賴于前列腺素通路。最近確定了兩種這類型的細(xì)胞因子：預(yù)先形成的熱源蛋白(PFPF)(Zampronio等,2000)和巨噬細(xì)胞炎癥蛋白-1(M IP-1)(Davatelis等,1989)。因此,IL-1和TNF-α不太可能是IL-2誘導(dǎo)炎癥的調(diào)節(jié)因子。這在臨床上是非常重要的,因為這提示重組IL-2加IL-1受體阻滯劑療法對于降低IL-2誘導(dǎo)的發(fā)熱很可能是無效的。站在基礎(chǔ)科學(xué)的觀點來看,這個例子揭示出中樞神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的效應(yīng)由多種細(xì)胞因子參與,但是各細(xì)胞因子與中樞神經(jīng)系統(tǒng)間的交互作用的程序卻千差萬別。

另一個需要注意的是：細(xì)胞因子之間的交互作用是動態(tài)而非靜態(tài)的。一個關(guān)于細(xì)胞因子級聯(lián)的靜態(tài)觀點認(rèn)為：存在一個確定的細(xì)胞因子誘導(dǎo)鏈,這個鏈中存在一個特定的順序(從細(xì)胞因子A到細(xì)胞因子X),一個給定的中樞神經(jīng)系統(tǒng)效應(yīng)的背后一定建立了一個這樣的誘導(dǎo)鏈。使用特定的細(xì)胞因子阻滯劑與使用某種細(xì)胞因子缺陷或某種細(xì)胞因子受體缺陷(敲除)的實驗動物已經(jīng)檢測了這個假說。研究表明向腦室中灌注IL-1ra,刺激外周免疫系統(tǒng)后產(chǎn)生的為數(shù)眾多的中樞神經(jīng)系統(tǒng)介導(dǎo)的反應(yīng)可以極大的削弱,這些反應(yīng)包括發(fā)熱(Luheshi等,1997;Miller等,1997),慢波睡眠延長(Imeri等,1993),食物趨向性行為(Kent等,1996),攝食與飲水減少(Linthorst等,1995)。這些結(jié)果顯示外周免疫活動可能最終會通過IL-1的中樞影響影響到中樞神經(jīng)系統(tǒng)。然而這個推論卻沒有得到使用轉(zhuǎn)基因動物研究的支持。比如：對于 IL-1β(Kozak等,1995)或IL-1受體敲除的動物(Leon等,1996),腹膜內(nèi)注射細(xì)菌內(nèi)毒素脂多糖(LPS),僅僅能稍微降低由 LPS誘導(dǎo)的發(fā)熱。相似的是,在通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)于中樞神經(jīng)系統(tǒng)中過度表達(dá)IL-1ra的實驗動物中,注射LPS誘導(dǎo)的發(fā)熱不能緩解(Lundkvist等,1999)。另外一方面,在IL-6敲除的動物中,低劑量LPS完全不能誘導(dǎo)發(fā)熱(Kozak等,1998)。IL-6敲除的動物同樣對IL-1誘導(dǎo)的發(fā)熱沒有反應(yīng)(Chai等,1996)。因此,由這些實驗結(jié)果可以看出是IL-6而非IL-1才是誘導(dǎo)發(fā)熱的最終普遍細(xì)胞因子。由注射抑制劑與使用轉(zhuǎn)基因動物這兩種不同的試驗方法得出的有矛盾的實驗結(jié)果不應(yīng)該被輕易的忽略。在生長發(fā)育全過程中大腦缺乏IL-1活性的轉(zhuǎn)基因動物中,該缺陷可能被其他細(xì)胞因子與中樞神經(jīng)系統(tǒng)間的聯(lián)系補償。例如：在LPS誘導(dǎo)的發(fā)熱過程中,IL-6可能扮演一個更顯著的角色。因此,任一個細(xì)胞因子與中樞神經(jīng)系統(tǒng)的交互作用都可能是個動態(tài)的過程。也就是說,一種細(xì)胞因子的缺乏可能引發(fā)另一種細(xì)胞因子來替代其功能。從這個意義上講,研究中樞神經(jīng)系統(tǒng)對細(xì)胞因子的作用就不能只通過轉(zhuǎn)基因動物來研究。通過整合細(xì)胞因子抑制劑與轉(zhuǎn)基因動物實驗雙方面的研究發(fā)現(xiàn)：盡管在不同類型的感染中起決定作用的細(xì)胞因子可能不同(比如局部感染與系統(tǒng)性感染,細(xì)菌性感染與病毒性感染),但IL-1、IL-6、TNF-α和 INF-γ是主要的具有中樞神經(jīng)系統(tǒng)活性的細(xì)胞因子。

細(xì)胞因子信號穿過血腦屏障(BBB)的通路

無論哪個細(xì)胞因子介導(dǎo)了一個給定的中樞神經(jīng)系統(tǒng)的反應(yīng),血腦屏障總是作為一個細(xì)胞因子與中樞神經(jīng)系統(tǒng)交互作用的屏障存在。對于細(xì)胞因子穿越血腦屏障可能依賴的通路,目前研究了5種：1)細(xì)胞因子被主動的轉(zhuǎn)運通過血腦屏障;2)細(xì)胞因子激活了外周迷走神經(jīng),而被激活了的外周迷走神經(jīng)轉(zhuǎn)而又激活了中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的特定靶點;3)細(xì)胞因子在血腦屏障的室周器(CVOs)處漏出從而通過血腦屏障,并在CVOs的周邊區(qū)域激活中樞神經(jīng)系統(tǒng)的靶點;4)細(xì)胞因子誘導(dǎo)血腦屏障的細(xì)胞產(chǎn)生分泌進入大腦實質(zhì)的細(xì)胞因子;5)細(xì)胞因子由滲透通過血腦屏障的白細(xì)胞攜帶進入中樞神經(jīng)系統(tǒng)。

Bank的研究團隊是細(xì)胞因子主動轉(zhuǎn)運進入中樞神經(jīng)系統(tǒng)的主要提倡者(Banks等,1995)。在過去的10年以致更長的時間里,他們已經(jīng)提供了充足的證據(jù)以證明幾種細(xì)胞因子(IL-1,TNF-α,IL-2)是被轉(zhuǎn)運通過血腦屏障的(Banks等,1989,1995;Waguespack等,1994)。在這些研究中使用的方法是：經(jīng)靜脈注射由放射性元素標(biāo)記的細(xì)胞因子,然后在腦組織中檢測這些細(xì)胞因子的量。在一個實驗中,他們向?qū)嶒炇笞⑸淞酥亟M人類IL-1α(rhIL-1α)然后在實驗鼠的大腦中檢測了 rhIL-1α和鼠源IL-1α(mIL-1α)(Banks和 Kastin,1997)。他們發(fā)現(xiàn)在實驗鼠的大腦中,絕大部分 IL-1α是 rhIL-1α而非 mIL-1α,并且rhIL-1α在大腦中的含量比血液中的含量要高。由此得出的推論是：在外周注射了IL-1α之后,在大腦中出現(xiàn)的 IL-1α主要來源是經(jīng)外周轉(zhuǎn)運通過血腦屏障進入大腦的IL-1α而非大腦細(xì)胞自身合成的新的IL-1α。這些實驗指出在細(xì)胞因子通過血腦屏障的過程中,主動轉(zhuǎn)運扮演一個非常重要的角色。但是一個警告是：被吸收進入腦組織的帶有標(biāo)記的細(xì)胞因子可能反映的是細(xì)胞因子與血腦屏障的結(jié)合而非細(xì)胞因子通過血腦屏障。這個問題由Maness等提出,他在實驗中發(fā)現(xiàn),靜脈注射帶有放射性標(biāo)記的IL-1α之后,會在大腦實質(zhì)中出現(xiàn)該 IL-1α,但絕大多數(shù)的放射性卻集中在大腦內(nèi)皮細(xì)胞(Maness等,1988)。相似的是：Hashimoto等通過使用電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)：靜脈注射用金標(biāo)記的IL-1之后,在很短的時間里被標(biāo)記的IL-1被發(fā)現(xiàn)集中在大腦內(nèi)皮細(xì)胞的表面和大腦內(nèi)皮細(xì)胞胞飲小泡里(Hashimoto等,1991)。

細(xì)胞因子進入中樞神經(jīng)系統(tǒng)的第二條通路是迷走神經(jīng)。有趣的是,當(dāng)Pitterman等第一次為評價迷走神經(jīng)的角色而切斷實驗動物腹部迷走神經(jīng)的時候,并沒有觀察到任何由外周LPS誘導(dǎo)的反應(yīng)的改變(Pitterman等,1983)。11年之后,Watkins等發(fā)現(xiàn)由外周LPS誘導(dǎo)的痛覺過敏可以通過切斷迷走神經(jīng)來阻斷。于是他提出了外周細(xì)胞因子可以通過迷走神經(jīng)的傳入通路刺激大腦的特定區(qū)域,這樣便建立了外周細(xì)胞因子與中樞神經(jīng)系統(tǒng)的聯(lián)系。自此,眾多描述迷走神經(jīng)參與的外周細(xì)胞因子與中樞神經(jīng)系統(tǒng)交互作用的研究被發(fā)表了出來。這些反應(yīng)包括了發(fā)熱(Sehic和Blatteis,1996),HPA軸的激活,下丘腦去甲腎上腺素的消耗(Fleshner等,1995),慢波睡眠的延長(Opp和Toth,1998),攝食行為的減弱(Bret-Dibat等,1995)。各文獻中發(fā)現(xiàn)的差異可能是由于LPS劑量和給予途徑的差異引起的?，F(xiàn)在已經(jīng)清楚的是：對于腹膜內(nèi)注射低劑量LPS誘導(dǎo)的信號傳導(dǎo),傳入迷走神經(jīng)的確扮演了重要的角色。換句話說,對于腹膜內(nèi)注射高劑量LPS或者靜脈注射LPS誘導(dǎo)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)反應(yīng),迷走神經(jīng)切斷后就沒有作用了(Romanovsky等,1997;Konsman等,2000;Hanse等,2000,2001)。此外,位于肝臟的迷走神經(jīng)分支看上去像是腹部炎癥信息傳導(dǎo)入大腦的主要神經(jīng)系統(tǒng)(Watkins等,1994;Simons等,1998)。

對于細(xì)胞因子刺激傳入迷走神經(jīng)與其如何觸發(fā)中樞神經(jīng)系統(tǒng)特定區(qū)域的完整回路的解釋,目前已經(jīng)提出了幾個假定的機制。Goehler等在靠近迷走神經(jīng)末端的細(xì)胞上發(fā)現(xiàn)了特定的IL-1α結(jié)合位點(Goehler等,1997)。此外,腹膜下注射 LPS之后,在腹部迷走神經(jīng)協(xié)助下免疫細(xì)胞會誘導(dǎo)IL-1β的免疫活性(Goehler等,1999),認(rèn)為IL-1結(jié)合細(xì)胞與迷走神經(jīng)終端構(gòu)成了調(diào)控腹部炎癥水平的傳導(dǎo)器單位。然而這種類型的傳導(dǎo)器單位是否在其他的細(xì)胞因子中存在,這依然是有待證實的。有兩個研究發(fā)現(xiàn)：通過切斷迷走神經(jīng)可以阻斷經(jīng)由外周注射IL-1(Hansen等,1998)或者 LPS(Laye等,1995)在下丘腦中誘導(dǎo)表達(dá)IL-1,認(rèn)為被激活的迷走神經(jīng)可能會刺激中樞神經(jīng)系統(tǒng)合成IL-1。然而需要注意的是：大多數(shù)原位雜交研究發(fā)現(xiàn)下丘腦中的IL-1表達(dá)只在非神經(jīng)細(xì)胞中(Yabuuchi等,1993;Nakamori等,1994,Buttini and Boddeke,1995;Quan等,1998a)。因此,一個依然有待解決的困難是如何解釋當(dāng)迷走神經(jīng)興奮性上升的時候會刺激下丘腦中的非神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生IL-1。盡管如此,Hosoi等通過使用RT-PCR和ELISA展示了電刺激傳入迷走神經(jīng)確實可以在下丘腦與海馬回中誘導(dǎo)表達(dá)IL-1(Hosoi等,2000)。

第三條通路是細(xì)胞因子可能在血腦屏障的漏洞CVOs處影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)。這個理論較早的一個提倡者是Clark Blatteis,他展示了通過損害器官血管終板(OVLT)這個靠近下丘腦體溫調(diào)節(jié)中心的CVO可以抑制腹膜內(nèi)注射 LPS誘導(dǎo)的發(fā)熱(Blatteis等,1983,1987)。另一方面,Stitt報道發(fā)現(xiàn)切除OVLT后會加強發(fā)熱反應(yīng)(Stitt,1985)。相似的是,對另一個CVO極后區(qū)(AP)的集中研究也得出了有爭議的結(jié)論。Lee等展示了通過移除AP這個靠近孤束核(NTS)的CVO,可以阻斷下丘腦室旁核(PVN)中由IL-1誘導(dǎo)的c-fos表達(dá)(Lee等,1998)。Ericsson等卻發(fā)現(xiàn)AP損害后 PVN中 c-fos表達(dá)沒有改變(Ericsson等,1997)。這個實驗結(jié)果的差異可能是由于移除范圍與LPS、IL-1使用劑量的差異導(dǎo)致的?？瓷先サ蛣┝康腖PS與IL-1可能會特定的影響CVOs,高劑量的LPS與IL-1可能會通過其他的位點穿過CNS。

第四條通路是外周的免疫刺激可能會誘導(dǎo)BBB細(xì)胞產(chǎn)生細(xì)胞因子進入大腦實質(zhì)。Brady等是第一個注意到在外周注射IL-1會在 BBB細(xì)胞中誘導(dǎo)出強烈的轉(zhuǎn)錄活性(Brady等,1994)。隨后,在原位雜交研究中發(fā)現(xiàn),BBB細(xì)胞對外周免疫刺激的反應(yīng)是產(chǎn)生IL-1(Quan等,1998a),IL-6(Vallieres and Rivest,1997),TNF-α(Nadeau and Rivest,1999)。此外,在外周注射了高劑量的LPS之后,在整個大腦的大部分BBB細(xì)胞中啟動細(xì)胞因子表達(dá)的基因 Iк Bа被立即誘導(dǎo)表達(dá)(Quan等,1997)。此外,在系統(tǒng)性免疫反應(yīng)中,BBB細(xì)胞表達(dá)細(xì)胞因子可能會造成整個CNS的廣泛的細(xì)胞因子活性。這與我們報道的在外周注射高劑量LPS之后會在大腦所有區(qū)域中發(fā)現(xiàn)IL-1生物活性這一點是相吻合的(Quan等,1994)。

認(rèn)可度最低的一種通路是細(xì)胞因子可能通過滲透入大腦的白細(xì)胞進入大腦。很早就發(fā)現(xiàn)白細(xì)胞可能通過正常的與病理的兩種途徑進入大腦(Oehmichen等,1982)。在正常狀態(tài)的大腦中,分散的隨機的進入大腦的白細(xì)胞為CNS提供了免疫監(jiān)護(Hickey,1991)。由于在正常狀態(tài)下的大腦實質(zhì)中沒有發(fā)現(xiàn)白細(xì)胞表達(dá)的細(xì)胞因子,所以可以斷定在正常狀態(tài)下滲透進入大腦的白細(xì)胞不會表達(dá)炎癥因子(Quan,1998)。在病理條件下,如細(xì)菌性腦膜炎(Frei等,1993)、腦部缺血性損傷(Gregersen等,2000)被激活的表達(dá)炎癥因子的白細(xì)胞就可能進入大腦(Del M aschio等,1999)。有趣的是,ICV注射IL-1可以引起廣泛的白細(xì)胞進入大腦(我們尚未發(fā)表的觀察現(xiàn)象)。然而,IL-1對CNS的作用可能削弱BBB的功能,造成表達(dá)細(xì)胞因子的白細(xì)胞廣泛的滲透進入大腦。可以設(shè)想一個可怕的循環(huán)：CNS內(nèi)的細(xì)胞因子誘導(dǎo)能夠表達(dá)細(xì)胞因子的白細(xì)胞滲透進入大腦,而這樣的結(jié)果是這些白細(xì)胞在大腦內(nèi)部釋放的細(xì)胞因子接下來會削弱BBB的屏障作用,這會導(dǎo)致非常嚴(yán)重的神經(jīng)毒性。

需要注意的是,上面提及到的通路代表的都是生理學(xué)上的假設(shè)的機制。像細(xì)胞因子這樣的大分子轉(zhuǎn)運通過血腦屏障的具體過程以前從來沒有被描述過。在分子層面,這個假定的轉(zhuǎn)運分子必須與細(xì)胞因子相結(jié)合,接著通過細(xì)胞質(zhì),或者從細(xì)胞膜的一邊移動到另一邊,然后釋放那個完好無損的細(xì)胞因子。目前尚不知曉其他的轉(zhuǎn)運系統(tǒng)有這樣的功能。同樣的,迷走神經(jīng)向CNS傳達(dá)免疫信號,這代表了一個假設(shè)的免疫狀況被調(diào)節(jié)的傳感通路。一個非常令人著迷的問題是：迷走神經(jīng)向CNS傳導(dǎo)免疫與非免疫信號的過程差異是怎樣的?根據(jù)第一個實驗,細(xì)胞因子經(jīng)由CVOs泄露進入大腦看上去是個簡單的途徑。M aness等發(fā)現(xiàn)盡管可以在CVOs的細(xì)胞外空間中發(fā)現(xiàn)細(xì)胞因子,但是細(xì)胞因子很少進入大腦實質(zhì)。這可能是因為環(huán)繞在CVOs周圍的膠質(zhì)界膜的阻擋作用造成的。然而,CVOs處的細(xì)胞因子要產(chǎn)生作用就必須被轉(zhuǎn)入進入大腦,可能是經(jīng)由細(xì)胞因子自身的運動作用,也可能是結(jié)合具有高擴散性的轉(zhuǎn)運分子進入到附近的結(jié)構(gòu),或者是由CVO里的投射神經(jīng)元產(chǎn)生的信號進入大腦(Mark and Farmer,1984)。CVO中這樣的轉(zhuǎn)換是如何發(fā)生的依然是個待解的問題。最后,BBB細(xì)胞產(chǎn)生細(xì)胞因子顯示出免疫信號穿過BBB。我們給出次級感染劑量的LPS只能誘導(dǎo)在BBB結(jié)構(gòu)中表達(dá)細(xì)胞因子,感染劑量的 LPS誘導(dǎo)在BBB內(nèi)部細(xì)胞因子的表達(dá)(Quan等,1999a)。因此,BBB細(xì)胞廣泛的表達(dá)細(xì)胞因子可能與系統(tǒng)免疫刺激特別相關(guān)。

這些被提及的通路不能夠只被認(rèn)為是相互沖突的假設(shè)。例如CVOs,已經(jīng)知道它可以接受傳入迷走神經(jīng)(Kalia and Sullivan,1982;Shapiro and Miselis,1985)。然而,切斷迷走神經(jīng)可能會影響CVOs中的信號傳導(dǎo)過程,并且對CVOs的損害可能會減弱迷走神經(jīng)調(diào)節(jié)的效應(yīng)。同樣的,鑒于細(xì)胞因子可能會被轉(zhuǎn)運穿過BBB,而細(xì)胞因子與大腦內(nèi)皮細(xì)胞結(jié)合后也能夠誘導(dǎo)表達(dá)新的細(xì)胞因子(Reyes等,1999)。因此,這些通路既可能是同時進行也可能是在不同的條件下獨立的進行。細(xì)胞因子的劑量與路徑能夠控制通路與CNS的最后反應(yīng),如同前面所描述的那樣。此外,BBB的狀態(tài)可能也是個因素,特別是在炎癥反應(yīng)與受傷的狀態(tài)。最后,細(xì)胞因子間的混合或者結(jié)合可能會導(dǎo)致其間的交互作用。

由細(xì)胞因子介導(dǎo)的特定神經(jīng)回路的激活

定義一個由細(xì)胞因子調(diào)節(jié)的CNS反應(yīng)中的特定神經(jīng)回路是另一個可怖的挑戰(zhàn)。由前面提到的可以看出,細(xì)胞因子可能會誘導(dǎo)多種CNS調(diào)節(jié)的效應(yīng)是非常清楚的。然而,這些效應(yīng)卻是由不同的神經(jīng)回路控制的。像喂食行為是由腹內(nèi)側(cè)小丘腦核(VMH)和下丘腦邊緣區(qū)(LHA)(Oomura,1988)綜合平衡作用的結(jié)果。另一方面,可以確定的是：發(fā)燒是有視前區(qū)(APO)神經(jīng)元細(xì)胞介導(dǎo)的(Blatteis等,1984)。HPA軸的激活明顯包括了PVN。細(xì)胞因子誘導(dǎo)的睡眠類型的改變在神經(jīng)細(xì)胞學(xué)軌跡上的精確定位目前依然不清。對于尋找細(xì)胞因子與這些神經(jīng)回路的聯(lián)系的研究,目前有兩種想法：第一種假設(shè)細(xì)胞因子能夠到達(dá)大腦中的任何一個位置,并且在這個特定位置上細(xì)胞因子的作用決定了他們的活性。第二種假設(shè)在不同的大腦位點上會發(fā)生有序的激活,細(xì)胞因子在一些關(guān)鍵位點上引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)從而產(chǎn)生遠(yuǎn)程的神經(jīng)回路。

通過使用電生理學(xué)的方法我們已經(jīng)檢測了在大腦特定區(qū)域細(xì)胞因子直接作用于該區(qū)域的神經(jīng)行為。在APO存在溫度敏感神經(jīng)元,這種神經(jīng)會在體溫升高(熱敏)和降低(冷敏)的時候增強其調(diào)節(jié)速度(Boulant,1988)。這些神經(jīng)細(xì)胞元看上去像是控制體溫的“設(shè)定點”。通過應(yīng)用微電泳技術(shù)將IL-1導(dǎo)入進APO發(fā)現(xiàn)：熱感神經(jīng)元的活性降低但冷感神經(jīng)元活性升高(Hori等,1988)。這些結(jié)果在體外實驗中得到了證實,這個實驗準(zhǔn)備了包含有APO的下丘腦切片(Shibata and Blatteis,1991)。這個由IL-1誘導(dǎo)的改變是和如下的觀念契合的：IL-1作用于APO,并且調(diào)節(jié)其體溫調(diào)定點到一個更高的水平,這時機體就開始發(fā)燒了。在另外一個系統(tǒng)中,Hori等展示了IL-1局部作用在VM H中的葡萄糖敏感神經(jīng)元與IL-1誘導(dǎo)的厭食癥密切相關(guān)(Hori等,1992)。因此,如果細(xì)胞因子到達(dá)了這些大腦位點,它們可以通過直接的局部作用而誘導(dǎo)表達(dá)與之相稱的反應(yīng)。

另外一點,細(xì)胞因子可能通過觸發(fā)突觸間的神經(jīng)傳遞從而在一個遠(yuǎn)距離處將信號傳達(dá)到靶神經(jīng)結(jié)構(gòu)。Adrian Dunn是第一個證實了在外周注射IL-1刺激大腦中產(chǎn)生去甲腎上腺素機制的人(Dunn,1988)。隨后人們發(fā)現(xiàn),對外周免疫系統(tǒng)的刺激也能導(dǎo)致大腦中5-HT(Dunn and Welch,1991;Mohan Kumar等,1998)和多巴胺(Dunn,1992;Song等,1999)的代謝途徑的改變。這些數(shù)據(jù)揭示細(xì)胞因子可能通過去甲腎上腺素能的、多巴胺的、5-羥色胺能神經(jīng)的通路影響CNS。Ericsson等的杰出工作揭示可以通過切斷連接骨髓非腎上腺能神經(jīng)和PVN的神經(jīng)纖維來削弱注射IL-1激活PVN神經(jīng)元的作用(Ericsson等,1997),最后,直接向延髓頭端腹外側(cè)(該區(qū)域含有去甲腎上腺素能神經(jīng)元,這些神經(jīng)元參與了PVN)直接注射前列腺素E2,這樣可以模擬通過外周注射IL-1誘導(dǎo)激活PVN的過程(Ericsson等,1997)。綜合起來考慮,可以推斷出IL-1的循環(huán)可能在骨髓中誘導(dǎo)前列腺素的合成,而這又會刺激該區(qū)域的去甲腎上腺素能神經(jīng)元激活PVN。

應(yīng)該被指出的是：上訴兩種細(xì)胞因子信號傳遞的形式相互之間是不互相排斥的。比如,在外周注射 IL-1(Komaki等,1992)和LPS(Van Dam等,1993)可以誘導(dǎo)PVN自身進行前列腺素的合成。這些實驗準(zhǔn)備中使用了含有PVN的下丘腦切片,實驗顯示IL-1和前列腺素的局部作用同樣能夠刺激CRF的合成(Sandi and Guaza,1995)。

另一個尋找細(xì)胞因子可能在CNS中具體哪個部位作用的方法是將細(xì)胞因子定位并(或)將他們在CNS中的受體也定位。Breder等是第一個在下丘腦神經(jīng)纖維上定位IL-1β-ir的團隊(Breder等,1988)。這些結(jié)果在稍后的三個其他研究中被部分的證實了。這三個研究展示了在其他的幾個物種的下丘腦中發(fā)現(xiàn)了IL-1β-ir(Lechan等,1990;Molenaar等,1993;Huitinga等,2000)。Huitinga等進一步定義了這些飽含IL-1β的神經(jīng)元為催產(chǎn)神經(jīng)元。在這些神經(jīng)元中發(fā)現(xiàn)的IL-1β的功能目前依然未知。這是因為對這些神經(jīng)元使用目前已知的任何刺激之后進行平行的比對,卻發(fā)現(xiàn)這種神經(jīng)性的IL-1水平?jīng)]有任何的變化。在原位組織雜交化學(xué)研究中,也沒有在下丘腦神經(jīng)元中發(fā)現(xiàn)IL-1β mRNA的程序性表達(dá)。另一方面,在外周的免疫系統(tǒng)遇到刺激之后,IL-1β最初是在神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞中誘導(dǎo)表達(dá)的(Van Dam等,1992,1995;Buttini and Boddeke,1995;Quan等,1998a),而不是在神經(jīng)元中。相似的是,TNF-α和IL-6在大腦中所有的非神經(jīng)細(xì)胞中被發(fā)現(xiàn)誘導(dǎo)表達(dá)(Vallieres and Rivest,1997;Laflamme and Rivest,1999)。因此,CNS中發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞因子的首要來源可能是非神經(jīng)細(xì)胞。

對于細(xì)胞因子受體,開初使用的是放射性元素標(biāo)記的IL-1來研究。研究發(fā)現(xiàn)整個大腦廣泛的結(jié)合了IL-1,并且集中于許多神經(jīng)元豐富的位點如：齒狀回,下丘腦和小腦的粒細(xì)胞層(Farrar等,1987)。然而,隨后通過免疫組織化學(xué)與原位雜交組織化學(xué)的研究發(fā)現(xiàn),在BBB(血腦屏障)細(xì)胞(Cunningham等,1992;Ericsson等,1995;Van Dam等,1996)的影響下,IL-1I型受體(IL-1R1,IL-1的受體)在大腦中的分布受到了很大的限制。帶有IL-1R1的神經(jīng)元細(xì)胞只在包括基底外側(cè)杏仁核,下丘腦弓狀核,三叉神經(jīng)和舌下神經(jīng)運動核和極后區(qū)(Ericsson等,1995)。有兩個原因使得我們認(rèn)為這樣受限制的分布是超出預(yù)期的。第一,IL-1受體表達(dá)的基因啟動子缺乏CAAT和TATA盒,并且與缺乏TATA啟動子的結(jié)構(gòu)性表達(dá)基因的終止脫氧核酸轉(zhuǎn)移酶相似的一個顯著的順序(Ye等,1993)。因此,可能估計出的是,IL-R1被普遍性的低表達(dá)。第二,可以推測的是神經(jīng)元對于IL-1的刺激敏感,例如在PVN,APO,VM H中的神經(jīng)元看上去不含有IL-1R1。相似的是,TNF-α受體同樣也主要在BBB細(xì)胞中被發(fā)現(xiàn)(Cunningham等,1997)。因此,一個原先沒有預(yù)料到的推論是：在大腦的許多位點中細(xì)胞因子的局部作用可能實際上是經(jīng)由內(nèi)皮細(xì)胞上的受體來進行調(diào)節(jié)。我們以及其他人已經(jīng)展示了外周的免疫入侵可以在整個大腦的內(nèi)皮細(xì)胞中強烈的激活COX-2(COX-2是種受到限制的前列腺素合成酶)(Cao等,1996;Matsumura等,1998;Quan等,1998b)。此外,很多細(xì)胞因子誘導(dǎo)的CNS效應(yīng)是可以被COX抑制劑阻斷的(Szekely,1978;Johnson and Von Borell,1994;Dunn and Swiergiel,2000)。因此,與最初關(guān)注的BBB可能阻止細(xì)胞因子傳遞信號給CNS相反,BBB細(xì)胞可能提供一個細(xì)胞因子和CNS交互作用的重要界面。

關(guān)于海馬回和扁桃體中的含有IL-1R1的神經(jīng)元,最近的研究發(fā)現(xiàn)已經(jīng)說明了IL-1的一種新型神經(jīng)活性。即IL-1可能作用于這些神經(jīng)元以阻止長期的勢差現(xiàn)象(Katsuki等,1990;Bellinger等,1993;Cunningham等,1996)和突觸能力變?nèi)?。這種新發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞因子活性可能與細(xì)胞因子改變學(xué)習(xí)(Rachal Pugh等,2001)、記憶(Rachal Pugh等,2001)與情感(Pugh等,1999)的神經(jīng)傳導(dǎo)過程相關(guān)。

在神經(jīng)性疾病的致病原因中細(xì)胞因子扮演什么樣的角色?

細(xì)胞因子生物學(xué)上的一個主要特征是炎癥細(xì)胞因子是雙刃劍。在外周免疫系統(tǒng)中,抵抗感染與癌癥需要適當(dāng)?shù)拿庖叻磻?yīng),而炎癥細(xì)胞因子則是這些適當(dāng)免疫反應(yīng)過程的核心。比如：IL-1R1敲除的老鼠表現(xiàn)為延遲型過敏反應(yīng)減弱并對單核細(xì)胞增多性李司忒氏菌具有高度易感性(Labow等,1997)。同樣在缺乏TNFR1的小鼠中,由CD8+T細(xì)胞介導(dǎo)的殺死肺癌細(xì)胞的過程受阻(Prevost-Blondel等,2000)。另一方面,通過細(xì)胞因子治療得到的一個教訓(xùn)是：細(xì)胞因子不但可以引起受感染的細(xì)胞和癌細(xì)胞死亡,它同樣可以引起上述細(xì)胞旁邊的正常細(xì)胞的死亡(Heaton and Grimm,1993)。相似的是,細(xì)胞因子和CNS的交互作用即有生理的也有病理的作用。實際上,從臨床研究及在體,離體實驗中積累了越來越多的證據(jù)指出：炎癥細(xì)胞因子可能在數(shù)種神經(jīng)性疾病中扮演了極為重要的角色。

證明細(xì)胞因子在人類神經(jīng)退行性疾病中的病理作用的臨床證據(jù)

IL-1和T NF-α早已被懷疑在與炎癥相關(guān)的神經(jīng)細(xì)胞死亡中扮演重要的角色。一個早期的暗示這些細(xì)胞因子作為神經(jīng)病理的促進因子的例子是細(xì)菌性腦脊膜炎。在這種疾病中,大腦皮層中有大量的神經(jīng)細(xì)胞死亡,伴有炎癥,還有腦水腫(Mito等,1993),這可導(dǎo)致死亡,并在活下來的患者中造成長期的神經(jīng)性后遺癥。這種疾病的預(yù)后已經(jīng)被證實與腦脊液(CSF)中TNF-α和 IL-1的濃度相關(guān)(Mustafa等,1989;Arditi等,1990)。相反的是,在這種疾病的恢復(fù)過程中,的確觀察到增高的可溶性IL-1受體水平,而這恰恰是可以抑制IL-1效應(yīng)的現(xiàn)象(van Deuren等,1997)。此外,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過使用抗血清對抗TNF-α能夠保護機體,對抗細(xì)胞內(nèi)毒素的致命效應(yīng)(Beutler等,1985)。因此,這些研究結(jié)果指出了IL-1和TNF-α在這種疾病的發(fā)病機理總扮演的角色。

另一個例子是多發(fā)性硬化癥(MS)。這種疾病的主要損害是免疫介導(dǎo)的CNS損害和髓鞘的結(jié)構(gòu)破壞(Brosnan and Raine,1996),盡管MS經(jīng)常表現(xiàn)為一種拖延的,多變進程的疾病。髓鞘脫失可能造成神經(jīng)纖維的退化。以下事實可以說明IL-1和TNF-α參與了這個疾病的發(fā)病機制：1)在MS患者的大腦損害中,TNF-α免疫反應(yīng)性被發(fā)現(xiàn)與星細(xì)胞與巨噬細(xì)胞相協(xié)同(Hofman等,1989);2)高于受控制水平的IL-1和TNF-α經(jīng)常在MS患者的CSF中被檢測到(Hauser等,1990);3)一個臨床上有效的治療 MS的藥物是干擾素β(IFN-β)(Munschauer and Stuart,1997),IFN-β的作用是抑制 IL-1和TNF-α的產(chǎn)生并且增強IL-1ra的產(chǎn)生(Coclet-Ninin等,1997)。這些證據(jù)導(dǎo)致了IL-1和 TNF-α是MS發(fā)病機制中的關(guān)鍵因素的假說(Raine,1994)。

更近的一段時間,IL-1和 TNF-α都在患有帕金森氏病病人的CSF中被發(fā)現(xiàn)(Mogi等,1996)。帕金森病癥候出現(xiàn)的首要原因是終腦皮層黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的丟失(Hirsh and Herrero,1997)。在帕金森病病人的終腦皮層(Mogi等,1994)和黑質(zhì)(Boka等,1994)中我們發(fā)現(xiàn)了高水平的TNF-αmRNA表達(dá)。此外,在帕金森病患者的多巴胺能神經(jīng)中我們也觀察到了轉(zhuǎn)錄因子 NF-к B的激活(Hunot等,1997)。IL-1和 TNF-α是兩種被人熟知的 NF-к B激活因子(Miyamoto and Verma,1995)。這些發(fā)現(xiàn)指出：在被帕金森病損害的位點,IL-1和TNF-α是有活性的。另外,在一個孤立的病例報告中,一個遭受嚴(yán)重腦膜炎折磨的年輕女孩隨后發(fā)生了帕金森樣癥狀(Geddes等,1993),這同樣指示了炎癥細(xì)胞因子在帕金森病的致病機制中扮演了某個角色?；蛟S臨床上最具有廣泛性的能證明炎癥細(xì)胞因子與神經(jīng)退行性疾病致病間關(guān)聯(lián)的證據(jù)是老年性癡呆(阿爾茨海默氏病,AD)。老年性癡呆的病理改變提示該病發(fā)作表現(xiàn)為：出現(xiàn)淀粉樣沉淀、神經(jīng)元纖維性纏結(jié)、平野小體(Mrak等,1997)。AD患者的組織中IL-1水平升高,并且發(fā)現(xiàn)他們體內(nèi)具有IL-1免疫反應(yīng)活性(IL-1+)的小神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞增多(Griffin等,1989)。這些IL-1+小神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞被發(fā)現(xiàn)緊靠著有纖維纏結(jié)的神經(jīng)元(Sheng等,1994)與淀粉樣沉淀(Griffin等,1989)。同樣已經(jīng)知道的是,IL-1可以上調(diào)S100β和β-淀粉樣前體蛋白(β-APP)(Sheng等,1996),這是兩個可以導(dǎo)致AD發(fā)病的重要因素(Mrak等,1996a)。此外,β-APP能夠刺激神經(jīng)小膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生(Araujo and Cotman,1992)。因此,IL-1的過度表達(dá)會誘導(dǎo)β-APP的表達(dá)增加,而這又會導(dǎo)致更多的IL-1的表達(dá)。這樣的一個由IL-1開啟的“細(xì)胞因子循環(huán)”已經(jīng)被認(rèn)為是一種AD發(fā)病機制中的促進因素(Sheng等,1996)。與這個觀點相契合的是,在易患AD樣損害疾病的病人中,他們大腦中IL-1的表達(dá)被發(fā)現(xiàn)增高。這些AD樣損害包括：頭部損傷(Griffin等,1994),衰老(M rak等,1996b),癲癇(Sheng等,1994)。由流行病學(xué)研究發(fā)現(xiàn)了炎癥細(xì)胞因子和AD間的關(guān)聯(lián),發(fā)現(xiàn)使用抗炎藥物可以阻抗AD的發(fā)展?，F(xiàn)在對抗炎藥物可以干擾AD進程的一個假說是,這種效應(yīng)部分得益于抗炎藥阻抗IL-1的效應(yīng)(Breitner,1996)。在 AD的發(fā)病機制中,TNF-α同樣被認(rèn)為是角色之一,盡管現(xiàn)在對此認(rèn)識的證據(jù)不如IL-1的證據(jù)那么普遍(Mattson等,1997)。

將這些綜合起來看,上面提到過的例子強烈的提示：盡管幾種主要的神經(jīng)退行性疾病互相之間神經(jīng)病理改變差別巨大,但IL-1和TNF-α卻扮演了致病過程中的角色。對于那些為數(shù)眾多的旨在找尋神經(jīng)退行性疾病中大腦內(nèi)相關(guān)物質(zhì)表達(dá)的實驗研究而言,IL-1和TNF-α被假定的病理學(xué)假設(shè)是這些實驗研究的理論依據(jù)。

體外實驗

對于IL-1和TNF-α的神經(jīng)毒性作用進行的直接檢查得到的是一些模棱兩可的結(jié)論。Piani等(1992)進行的早期研究發(fā)現(xiàn)向培養(yǎng)的小腦神經(jīng)元細(xì)胞加入IL-1和/或TNF-α并不會導(dǎo)致神經(jīng)毒性。然而Tauber等(1992)發(fā)現(xiàn)TNF-α?xí)ι窠?jīng)細(xì)胞NH33.1產(chǎn)生毒性作用。一些研究比如Chao等(1995c)發(fā)現(xiàn)當(dāng)把IL-1和TNF-α加到培養(yǎng)中的人胚胎腦細(xì)胞中可以誘導(dǎo)表達(dá)神經(jīng)毒性,但是這兩種白介素中的任何一種在單獨存在的情況下都是沒有毒性的。但是Strijobs和Rothwel(1995)的研究顯示,在培養(yǎng)中的鼠大腦皮層細(xì)胞中加入高濃度的IL-1會導(dǎo)致神經(jīng)毒性,低濃度的IL-1對由谷氨酸鹽(glu)介導(dǎo)的神經(jīng)毒性有保護神經(jīng)元的作用。此外,Westmoreland等(1996)的一則報道表明,是TNF-α而非IL-1對人神經(jīng)元細(xì)胞系N T2N有毒性。從上述這些研究報告中得出的這些相互矛盾的研究結(jié)果可能是由于：1.神經(jīng)細(xì)胞培養(yǎng)中的差異;2.IL-1和 TNF-α使用劑量上的差異;3.在這些體外實驗中使用的不同的細(xì)胞系之間對這些白介素誘導(dǎo)神經(jīng)毒性的不同的敏感性導(dǎo)致的。

在一例神經(jīng)膠質(zhì)毒性的研究中,Merrill(1991)報道是IL-1而非TNF-α選擇性的誘導(dǎo)細(xì)胞毒性以起到隔離少突膠質(zhì)細(xì)胞的效果。少突細(xì)胞系一類可以向神經(jīng)纖維提供髓鞘的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞。此外,Selmaj和 Raine(1988)還有 D'Souza等(1996)發(fā)現(xiàn)在同時培養(yǎng)星型膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)小膠質(zhì)細(xì)胞的培養(yǎng)基中,TNF-α可以引起髓鞘損害,同時可對少突膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生毒性作用。Selmaj等和 D'Souza等發(fā)現(xiàn)同一系列的體內(nèi)實驗中,TNF-α可以在多種硬化癥和實驗條件下的過敏性腦脊髓炎(EAE Raine,1994)中有促進性的作用。Merril等嘗試證實TNF-α對少突膠質(zhì)細(xì)胞的毒性作用的實驗的失敗可能部分歸咎于在準(zhǔn)備細(xì)胞培養(yǎng)的過程中沒有一同培養(yǎng)星型膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)小膠質(zhì)細(xì)胞。

正如先前注意到的,除了幾個腦區(qū)之外,IL-1和TNF的受體在大腦中主要定位于非神經(jīng)元細(xì)胞。因此,在體內(nèi)實驗中,IL-1和TNF-α可能直接對含有這些白介素受體的神經(jīng)元細(xì)胞產(chǎn)生毒性作用,或者,更可能的是,IL-1和TNF-α通過激活神經(jīng)小膠質(zhì)細(xì)胞和/或星型膠質(zhì)細(xì)胞這樣一個間接的途徑產(chǎn)生神經(jīng)毒性(Chao等,1996a)。與這個主張相一致的是,IL-1和TNF-α被發(fā)現(xiàn)在組織培養(yǎng)(Merrill,1991)和體內(nèi)實驗(Giulian等,1988;Mizuno等,1994;Lee等,1995)中可以刺激小神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞和星型膠質(zhì)細(xì)胞的增殖。被激活的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞被發(fā)現(xiàn)可以產(chǎn)生一系列的潛在神經(jīng)毒性物質(zhì),比如喹啉酸(Schwarcz等,1983),活性氧中間物(Chao等,1995b),活性氮中間物(Chao等,1995b)和谷氨酸鹽(Piani等,1991)。因此,IL-1和TNF-α在特定腦區(qū)誘導(dǎo)神經(jīng)毒性的表現(xiàn)可能需要多種細(xì)胞型的存在,對這些多種效應(yīng)的評估可能必須通過多種細(xì)胞自然存在的體內(nèi)實驗?zāi)Ｐ蛠磉M行。

體內(nèi)實驗

IL-1和T NF-α兩者目前都已經(jīng)被用于臨床實驗以治療癌癥。諸如頭痛,思維混亂和驚厥等神經(jīng)毒性作用在給予高劑量的無論是 IL-1(Redman等,1994)還是 TNF-α(Mittelman等,1992)都已有報道。然而這些毒性作用與神經(jīng)病理方面的聯(lián)系卻尚未得到研究。

目前最令人信服的有關(guān)IL-1的神經(jīng)毒性作用的證據(jù)來自急性腦損傷的動物模型。頭部創(chuàng)傷(Taupin等,1993;Shohami等,1997),腦缺血(Minami等,1992;Wang等,1994;Saito等,1996)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的毒性興奮性損傷(Yabuuchi等,1993)會快速而顯著的升高大腦內(nèi)IL-1的mRNA和蛋白水平。注射IL-1β已經(jīng)顯示可以惡化由腦缺血引起的損害(Yamasaki等,1992;Loddick and Rothwell,1996)。與此相反的是,注射IL-1a卻可以在上述腦損害模型中顯著的降低神經(jīng)元損害(Relton and Rothwell,1992;Garcia等,1995;Toulmond and Rothwell,1995;Loddick and Rothwell,1996)。過量表達(dá)IL-1ra可以達(dá)到同樣的神經(jīng)元保護性作用(Yang等,1997),敲除IL-1β轉(zhuǎn)換酶(ICE,目前已知的唯一的IL-1β轉(zhuǎn)換酶,該酶可以催化IL-1β從其無活性的前期形式轉(zhuǎn)換為有活性的成熟形式)(Schielke等,1998),或者抑制 ICE的活性(Loddick等,1996;Hara等,1997)。所有這些效應(yīng)看上去都是因為IL-1活性受到了抑制。此外,通過向大腦中注射能夠中和IL-1ra的抗體可以顯著的增強腦缺血造成的損害(Loddick and Rothwell,1996),說明在腦缺血的情況下機體內(nèi)生的IL-1ra可以起到降低IL-1的神經(jīng)毒性作用。這些發(fā)現(xiàn)強力的說明IL-1可以作為急性腦損傷情況下的針對神經(jīng)毒性的藥物。

在急性腦損傷的情況下,TNF-α表達(dá)的同時也可誘導(dǎo)IL-1同步表達(dá)(Wang等,1994;Saito等,1996;M athiesen等,1997;Zhai等,1997)。向外周神經(jīng)注射外源的TNF-α可以誘導(dǎo)軸突的降解和脫髓鞘(Redford等,1995;Madigan等,1996),然而這一效應(yīng)可以被 TNF拮抗藥己酮可可堿阻止(Petrovich等,1997)。此外,因在實驗條件下引起的自身免疫性腦脊髓炎(EAE)而導(dǎo)致的髓鞘脫失和突觸降解可以通過阻止TNF-α的作用而好轉(zhuǎn)(Selmaj等,1995)。這說明自身產(chǎn)生的TNF-α與注射外源性TNF-α一樣具有潛在的神經(jīng)毒性。最后,通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)已經(jīng)得到了具有在星狀膠質(zhì)細(xì)胞中過量表達(dá)TNF-α的轉(zhuǎn)基因小鼠(Campbell等,1997;Probert等,1997)。這些轉(zhuǎn)基因小鼠表現(xiàn)出不同程度的神經(jīng)退行性特點,從輕度的髓鞘脫失到灰質(zhì)與白質(zhì)的實質(zhì)性破壞。這些發(fā)現(xiàn)說明TNF-α在體內(nèi)實驗中具有潛在的神經(jīng)毒性。此外,TNF受體敲除的動物在神經(jīng)病理學(xué)上展現(xiàn)出降低的特征,IL-1受體敲除的動物在鼠類EAE動物模型中表現(xiàn)出徹底的保護性(Schiffenbauer等,2000)。

盡管在上述引用的文獻支持IL-1和TNF-α具有神經(jīng)毒性作用,其他的文獻卻支持相反的結(jié)論。因此,從體內(nèi)實驗研究中可以得知IL-1或/和 TNF-α可以刺激抗氧化酶的合成(Wong and Goeddel,1988;Visner等,1992)和神經(jīng)生長因子(Lindholm等,1988;Gadient等,1990)?？寡趸负蜕窠?jīng)生長因子這兩者都已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)在神經(jīng)損傷中扮演極為重要的神經(jīng)保護性的角色(Chan等,1997;Mattson and Scheff等,1994;Wengenack等,1997)。IL-1和TNF-α也已通過體外實驗證實在外源性毒性導(dǎo)致的神經(jīng)退行性過程中具有神經(jīng)保護的作用(Cheng等,1994;Strijbos and Rothwell,1995)。體內(nèi)實驗發(fā)現(xiàn),通過小的缺血誘導(dǎo)的IL-1表達(dá)可以降低隨后的全面性缺血導(dǎo)致的神經(jīng)性損害(Ohtsuki等,1996)。隨后的能夠強力支持IL-1具有神經(jīng)保護作用的報道是缺乏TNF受體的小鼠通過興奮性毒性和腦缺血損害后,其傷害會被擴大(Bruce等,1996)。因此,在腦損傷的動物模型中,IL-1和TNF-α可能扮演非常重要的神經(jīng)保護性角色。

目前對于IL-1和TNF-α在神經(jīng)退行性疾病中扮演什么角色的重要問題,已經(jīng)不再是這些細(xì)胞因子是起神經(jīng)毒性或是保護性作用,而轉(zhuǎn)成了這些細(xì)胞因子在何種條件下會起到神經(jīng)保護或者神經(jīng)毒性的作用的問題?，F(xiàn)在主要考慮有三個基本的參數(shù),第一個參數(shù)是這些細(xì)胞因子的水平。Strijbos和 Rothwell(1995)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)無論IL-1的水平有多么低,其在谷氨酸鹽誘導(dǎo)的培養(yǎng)條件下的神經(jīng)細(xì)胞系統(tǒng)的神經(jīng)退行性模型中都起到緩解的作用。而高濃度的IL-1(1994)自身卻會誘導(dǎo)神經(jīng)毒性。相似的是,Cheng等(1994)報道了 TNF-α在10 ng?ml-1的濃度下對于谷氨酸鹽誘導(dǎo)的神經(jīng)死亡起到保護作用。然而Chao和Hu(1994)報道 TNF-α在 20-100 ng?ml-1濃度下卻會加強谷氨酸鹽的神經(jīng)毒性。盡管在這兩項研究中使用了不同的細(xì)胞系,但這兩個相反的結(jié)果仍然可能是因為不同濃度的TNF-α的作用。

另一個重要的參數(shù)是暴露的持續(xù)時間。Scarim等(1997)的研究表明,將大鼠胰島暴露于IL-1中18個小時可以導(dǎo)致胰島細(xì)胞可逆性的損傷;暴露36個小時會對這些細(xì)胞的代謝功能產(chǎn)生不可逆的抑制;暴露96個小時會導(dǎo)致胰島徹底的惡化。但是有關(guān)IL-1和/或TNF-α在大腦中暴露時間長短是起神經(jīng)保護性作用還是神經(jīng)毒性作用,目前尚未有相關(guān)的實驗驗證。

第三個重要的參數(shù)是作用的位點。Stroemer和 Rothwell(1997)的研究表明,在神經(jīng)毒性濃度下的IL-1可在紋狀體而非大腦皮層對皮層-紋狀體投射神經(jīng)元造成損害。因此,IL-1和TNF-α的神經(jīng)毒性作用在不同的腦區(qū)其毒性作用可能是有差異的。也就是說,某些特定的神經(jīng)結(jié)構(gòu)對這些細(xì)胞因子是甚為脆弱的。然而,目前尚缺乏腦區(qū)、結(jié)構(gòu)及細(xì)胞型對IL-1和TNF-α誘導(dǎo)的神經(jīng)毒性的敏感性的相關(guān)調(diào)查。

慢性外周感染后引起的特定神經(jīng)退行性形式

據(jù)前所述,目前已經(jīng)很清楚在CNS中細(xì)胞因子不能簡單的被歸為朋友或者敵人。理解在CNS中細(xì)胞因子的生理性作用轉(zhuǎn)換成病理性作用的過程是非常重要的。為此目的,我們選擇了一個獨一無二的模型來研究CNS中細(xì)胞因子的病理生理學(xué)特征。人類中感染了睡病蟲這種寄生蟲的患者會出現(xiàn)非洲昏睡病的病癥,這是一種嚴(yán)重的包括了大腦的炎性病癥。在感染了嚙齒科亞種布氏布錐蟲的大鼠中,這些寄生蟲被發(fā)現(xiàn)寄居在脈絡(luò)叢和腦室周圍器官中(Schultzberg等,1988)。盡管這些寄生蟲極少能通過血腦屏障(BBB)進入腦實質(zhì)(Schultzberg等,1988),它們依然會通過刺激外周免疫細(xì)胞分泌IL-1和TNF-α(Bakhiet等,1996)。在感染布氏布錐蟲的早期階段可以觀察到大量的CNS-細(xì)胞因子介導(dǎo)的生理反應(yīng)。這包括了發(fā)熱,病態(tài)行為和食欲下降。在感染的下一階段,會出現(xiàn)許多神經(jīng)病理學(xué)方面的癥狀諸如：失眠、沮喪、記憶丟失、認(rèn)知障礙、幻覺、躁狂性發(fā)作和癲癇性發(fā)作(Dumas and Bouteille,1996)。將感染了布氏錐蟲的大腦中細(xì)胞因子的表達(dá)和神經(jīng)病理學(xué)聯(lián)系起來很可能提供了一個獨一無二的揭示在CNS中細(xì)胞因子何時以及怎樣表達(dá)會導(dǎo)致非病理性的效應(yīng)轉(zhuǎn)化為神經(jīng)毒性的效應(yīng)的機會。

我們發(fā)現(xiàn)在感染了布氏錐蟲的大鼠中細(xì)胞因子呈現(xiàn)持續(xù)性的表達(dá)(Quan等,1999b)。在感染22天后觀察到IL-1β和TNF-α mRNA表達(dá)的升高,并且這一現(xiàn)象一直伴隨感染的過程(在25-30天以上)。

在大腦感染的動物中除開在第56天的幾個例子之外基本沒有觀察到特別令人不快的異常狀況。僅在腦室周圍的非神經(jīng)細(xì)胞發(fā)現(xiàn)了散在的凋亡細(xì)胞。

第36天,在迷走神經(jīng)的兩側(cè),外側(cè)嗅束和海馬喙中發(fā)現(xiàn)了嚴(yán)重的神經(jīng)纖維退化。散在的退化的纖維同樣也在脊髓三叉神經(jīng)核,薄束核內(nèi)側(cè)緣,深部小腦核和小腦下腳,側(cè)丘腦和幾個靠近側(cè)腦室的纖維束中被發(fā)現(xiàn)。在這些退化的神經(jīng)纖維中難以見到退化的神經(jīng)元細(xì)胞伴隨其中。因此,軸突和終端的退化在這個模型中是很明顯的。此外,在這些大腦中我們還發(fā)現(xiàn)了凋亡的非神經(jīng)細(xì)胞。

觀察到的神經(jīng)毒性效應(yīng)與大腦中炎性細(xì)胞因子的長期誘導(dǎo)分泌緊密相關(guān),特別是 IL-1和 TNF-α。這種廣泛的,總是對稱表達(dá)的這些分子表明它們應(yīng)該能通過細(xì)胞外間隙分布到整個腦組織。因此,這些發(fā)現(xiàn)指向有關(guān)這些炎性細(xì)胞因子神經(jīng)毒性的幾個獨特的特征：1)特定的大腦結(jié)構(gòu)顯現(xiàn)出更強的易感性;2)這種神經(jīng)毒性的損傷不僅限于神經(jīng)元細(xì)胞,非神經(jīng)元細(xì)胞同樣也表現(xiàn)出細(xì)胞退化;3)非神經(jīng)細(xì)胞的損傷可能涉及到細(xì)胞凋亡,而神經(jīng)元細(xì)胞的損傷表現(xiàn)出細(xì)胞毒的作用。

有趣的是,當(dāng)我們對感染了布氏錐蟲的大鼠用水楊酸鈉(一種阿司匹林的衍生物)進行處理的時候,發(fā)現(xiàn)其CNS中IL-1和TNF-α的表達(dá)增強了,上述提及的神經(jīng)退行性被顯著的放大了,并且?guī)讉€新型的神經(jīng)退行性表現(xiàn)也被誘導(dǎo)出現(xiàn)(Quan等,2000)。

總的來講,我們的研究顯示長期的,而非一過性的炎性細(xì)胞因子在CNS的表達(dá)可能是神經(jīng)毒性的。不同水平的這些細(xì)胞因子可能導(dǎo)致神經(jīng)退化表現(xiàn)形式上質(zhì)的不同。大腦中也可能存在特定的對CNS細(xì)胞因子極為脆弱的結(jié)構(gòu)與細(xì)胞型。我們目前在使用敲除細(xì)胞因子受體的同時感染布氏錐蟲的小鼠來驗證這些假設(shè)。

推論

隨著研究者們宣稱細(xì)胞因子的確和CNS有聯(lián)系,并且開始定義這種聯(lián)系的特定通路,細(xì)胞因子和CNS交互作用這一領(lǐng)域便宣告成熟。在這樣的一個過程中,產(chǎn)生了很多新的生理學(xué)概念,而這些新的生理學(xué)概念在描述CNS細(xì)胞因子活性的同時,也在吸納不斷發(fā)現(xiàn)的實驗事實來充分理解這些機制。細(xì)胞因子載體是什么?外周迷走神經(jīng)如何編碼傳入特定的免疫信號?血腦屏障中的細(xì)胞是否會產(chǎn)生未知的能夠誘導(dǎo)薄壁組織細(xì)胞表達(dá)細(xì)胞因子的分子?炎癥細(xì)胞因子經(jīng)由何種分子機制可能引起神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞和軸突細(xì)胞的退化?這些問題目前尚未得到解答。同時,細(xì)胞因子和CNS間未料到的聯(lián)系顯現(xiàn)為重要的通道。比如,細(xì)胞因子總是集中在血腦屏障細(xì)胞和接近腦室的結(jié)構(gòu)中表達(dá)。因此,流動的CSF可能是CNS產(chǎn)生的細(xì)胞因子的主要的載體,并且傳輸量可能是細(xì)胞因子到達(dá)其靶點的重要模式(Proescholdt等,2000)。此外,大腦內(nèi)皮細(xì)胞已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)能產(chǎn)生細(xì)胞因子,并且是CNS中主要的細(xì)胞因子受體承載細(xì)胞型。因此,內(nèi)皮產(chǎn)物如前列腺素可能是連接細(xì)胞因子和CNS的重要連接因子。