景光嬋 張孟仁 (中國醫(yī)學科學院 北京協(xié)和醫(yī)學院 北京協(xié)和醫(yī)院，北京 100730)

中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)內(nèi)有許多細胞因子，這些因子之間相互協(xié)調(diào)，參與調(diào)節(jié)中樞的多種功能。目前發(fā)現(xiàn)的細胞因子有30多種，包括白細胞介素類(IL-1～IL-24)、腫瘤壞死因子類(TNF)以及轉化生長因子類(TGFβ1～3)。隨著分子生物學技術的發(fā)展，對其生物學特性的研究也越來越深入，多種細胞因子如經(jīng)典的炎性細胞因子IL-1、IL-6及TNF-α等可影響一些精神神經(jīng)疾病如腦創(chuàng)傷、腦缺血、阿爾茨海默病(AD)的病理生理過程。近來大量研究提示其可影響認知功能，在學習、記憶功能中有重要作用。本文就近年研究較多的中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)細胞因子與認知功能的關系進行綜述。

1 經(jīng)典的炎性細胞因子與認知功能

1.1 IL-1

1.1.1 IL-1與認知功能 IL-1是1972年發(fā)現(xiàn)的一種細胞因子，按其結構分IL-1α和IL-1β兩種。CNS內(nèi)合成IL-1的細胞主要有神經(jīng)元、膠質(zhì)細胞和內(nèi)皮細胞，主要合成部位在海馬。生理情況下，IL-1及IL-1 mRNA在腦內(nèi)含量很低，并且以IL-1β為主。大量研究證實在正常生理狀態(tài)下，IL-1β在記憶固化中發(fā)揮重要作用。近來大量認知相關的動物行為學實驗也表明IL-1參與海馬依賴的學習記憶過程。Brennan等〔1〕發(fā)現(xiàn)予SD大鼠小劑量 IL-1β(1 μg/kg，3 μg/kg)腹腔注射后，回避實驗證實其認知功能較對照組顯著提高。Depino等〔2〕觀察到雄性Wistar大鼠在抑制回避實驗中，其海馬IL-1α mRNA顯著升高，提示海馬中內(nèi)源性IL-1α參與調(diào)節(jié)學習記憶過程。隨后有學者通過腦室內(nèi)注射不同劑量的IL-1β及IL-1β受體拮抗劑，發(fā)現(xiàn)IL-1β在海馬依賴的學習記憶中是以倒置的“U”形發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，即腦組織內(nèi)IL-1含量的輕度增加可提高學習、記憶能力，而只要偏離正常生理范圍，不論是IL-1的高表達還是IL-1的缺失表達均可導致學習、記憶的下降〔3〕。早老性癡呆患者中也檢測到IL-1，年輕的早老性癡呆患者的額上回內(nèi)IL-1β mRNA有所增高，所以腦內(nèi)IL-1的合成可作為早老性癡呆一種早期表現(xiàn)。

1.1.2 IL-1參與認知功能的可能機制

1.1.2.1 IL-1通過影響突觸可塑性影響認知功能 Frederick等〔4〕研究了IL-1β對海馬長時程增強(LTP)的影響。在強直性電刺激之前先用IL-1β灌流海馬腦切片10 min，則會呈濃度依賴性地明顯降低LTP的坡度和興奮性突觸后電位(EPSP)，低濃度的IL-1β可抑制海馬突觸的長時程強化，提示IL-1β可能參與突觸可塑性的調(diào)節(jié)。大量研究報道IL-1β可以調(diào)節(jié)海馬中的突觸傳遞，抑制LTP的誘發(fā)。然而另有研究發(fā)現(xiàn)海馬中IL-1β的增加在LTP的維持中起重要作用〔5〕。隨后ROSS學者證實了前述研究結果的差異可能與所研究的IL-1β濃度水平的差異有關。即在生理狀態(tài)下，IL-1β為LTP的維持所必需;在病理生理狀態(tài)下，局部高表達的IL-1β則可抑制LTP的誘發(fā)?？傊?，上述研究提示IL-1β在突觸可塑性的維持方面發(fā)揮重要作用，進而影響認知功能。

1.1.2.2 IL-1通過影響神經(jīng)發(fā)生影響認知功能 大量實驗研究提示神經(jīng)發(fā)生在記憶固化及海馬依賴的學習記憶過程中發(fā)揮重要作用〔6～10〕。國外學者發(fā)現(xiàn)，予成年Wistar大鼠左鎖骨下靜脈注射干擾素(IFN)-α 50 000 IU·kg－1·d－1，連續(xù) 7 d，western印跡檢測顯示大腦海馬IL-1β顯著增加，激光掃描共聚焦顯微技術顯示齒狀回顆粒下區(qū)(SGZ)、齒狀回門區(qū)與顆粒細胞層交界處BrdU陽性標記細胞明顯減少;而同時腦室內(nèi)注射IL-1β受體拮抗劑后則可顯著阻斷IFN-α所介導的神經(jīng)發(fā)生的抑制，提示IL-1β在IFN-α所介導的神經(jīng)發(fā)生中發(fā)揮重要作用〔11〕。予SD大鼠腦室內(nèi)注射 IL-1β 100 ng 3 w后，可顯著減少BrdU陽性細胞表達數(shù)，而同時予IL-1β受體拮抗劑后，則可顯著逆轉BrdU陽性細胞的下降〔12〕。生理狀態(tài)下IL-1與神經(jīng)發(fā)生的關系以及內(nèi)在的機制有待進一步研究。

1.1.2.3 IL-1通過影響神經(jīng)遞質(zhì)影響認知功能 神經(jīng)遞質(zhì)在認知功能中有非常重要的作用，乙酰膽堿(Ach)、去甲腎上腺素(NE)、5-羥色氨(5-HT)等均與認知功能密切相關。中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)細胞因子可以通過膽堿能神經(jīng)途徑和多巴胺能神經(jīng)途徑參與調(diào)節(jié)認知功能。IL-1可影響中樞內(nèi)神經(jīng)遞質(zhì)的釋放，如誘導神經(jīng)元表達乙酰膽堿酯酶，并增加該酶的活性，會直接抑制海馬神經(jīng)元釋放Ach，使皮層釋放抑制性神經(jīng)遞質(zhì)γ-氨基丁酸(GABA)增多，這可能是IL-1β引起神經(jīng)退行性改變的機制之一。

1.2 IL-6

1.2.1 IL-6與認知功能 IL-6是一種在機體防御、炎癥反應、免疫反應等過程中起重要作用的多效細胞因子。近年研究表明與CNS疾病密切相關。CNS中的神經(jīng)元、小膠質(zhì)細胞和星形膠質(zhì)細胞能表達IL-6。IL-6的生物活性是通過其受體介導的，其在靶細胞的信號傳導主要是通過2條途徑:JAK/STAT信號途徑和Ras傳導途徑。隨著年齡的增長，老齡大鼠腦內(nèi)IL-6水平升高，推測可能與神經(jīng)的退行性改變有關。Weaver等〔13〕報道健康的老年人血清IL-6水平升高，血清中高水平的IL-6與認知功能的下降直接有關，并可作為預測指標。一項來自北曼哈頓島多種族人群的橫斷面調(diào)查研究顯示，在矯正了血管因素及亞臨床動脈粥樣硬化等因素后，血清IL-6水平仍與簡易智能精神狀態(tài)量表(MMSE)分值呈負相關，提示IL-6可影響認知功能〔14〕。尚有一項來自于779人的前瞻性隊列研究顯示，隨訪7年，矯正所有混雜因素后，血清基線IL-6水平與認知功能下降顯著相關〔15〕。整體動物實驗研究證實，IL-6缺失轉基因小鼠的學習能力及抗遺忘能力均顯著強于野生型小鼠〔16〕。而有學者研究得到相反的發(fā)現(xiàn):敲除IL-6的小鼠表現(xiàn)出識別記憶功能的下降，提示內(nèi)源性IL-6在識別記憶中發(fā)揮一定的作用〔17〕。盡管研究結果不同，上述研究均提示IL-6在認知功能中起非常重要的作用，但有待進一步研究。

1.2.2 IL-6參與認知功能的可能機制

1.2.2.1 IL-6通過影響突觸可塑性影響認知功能 離體實驗證實予外源性重組人IL-6后大鼠海馬腦片CA1區(qū)LTP的誘發(fā)受到抑制，但對LTP的維持及突觸傳遞并無影響。絲裂原活化蛋白激酶/EPK(MAPK/EPK)信號通路在IL-6對LTP調(diào)控作用的機制中發(fā)揮重要作用。而Balschun等〔18〕也證實中和IL-6后可加強LTP的維持。

1.2.2.2 IL-6通過影響神經(jīng)發(fā)生影響認知功能 IL-6已被證實是神經(jīng)發(fā)生中的重要調(diào)節(jié)因子。Vallieres等〔19〕證實過量表達IL-6的成年轉基因小鼠海馬齒狀回的神經(jīng)發(fā)生下降63%。隨后Monje等〔20〕研究發(fā)現(xiàn)用重組IL-6(50 ng/ml)的培養(yǎng)液培養(yǎng)海馬神經(jīng)干細胞，激光掃描共聚焦顯微鏡技術顯示僅30%～40%的神經(jīng)祖細胞分化成未成熟的Dcx-陽性神經(jīng)元，較正常對照組下降50%。

1.2.3 TNF-α

1.2.3.1 TNF-α與認知功能 TNF-α是神經(jīng)、內(nèi)分泌、免疫調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的關鍵介質(zhì)，具有雙重、多樣及網(wǎng)絡性生物效應。在CNS，TNF-α通過多種機制調(diào)節(jié)神經(jīng)內(nèi)分泌功能、介質(zhì)釋放、抗原呈遞、促生長活性、發(fā)熱、睡眠、進食、自主活動等過程，還可刺激星形膠質(zhì)細胞增殖，產(chǎn)生神經(jīng)生長因子。近年來大量臨床及實驗研究證實TNF-α可以參與學習、記憶的生理過程，并在認知障礙的病理生理過程中發(fā)揮一定的作用。與野生型小鼠相比，敲除TNF-α基因的小鼠認知功能明顯下降，提示其在正常生理狀態(tài)下即影響認知功能〔21〕。而過表達TNF-α的轉基因小鼠，水迷宮實驗證實其認知功能下降。此后學者證實TNF-α基因的多態(tài)性也影響認知功能〔22〕。一項為期6個月的前瞻性、單中心、開放性的實驗研究顯示AD患者使用抗TNF-α抑制劑后，AD患者的認知功能明顯改善〔23〕。

1.3 TNF-α參與認知功能的可能機制

1.3.1 TNF-α通過突觸縮放影響認知功能 突觸縮放可通過對神經(jīng)元及神經(jīng)網(wǎng)絡的LTP及長時程抑制(LTD)的調(diào)節(jié)，參與維持突觸可塑性。研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)源性膠質(zhì)細胞源性TNF-α對維持內(nèi)環(huán)境自身穩(wěn)態(tài)的突觸縮放至關重要。國外學者發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元較長時間的靜息狀態(tài)會導致突觸強度的下降，進而通過神經(jīng)元-膠質(zhì)細胞的胞間聯(lián)系誘發(fā)星形膠質(zhì)細胞釋放TNF-α，TNF-α通過負反饋調(diào)節(jié)機制激發(fā)突觸后神經(jīng)元的興奮性，進而增強突觸強度，維持突觸縮放〔24〕。這與之前學者報道的星形膠質(zhì)細胞在突觸發(fā)生、突觸傳遞、突觸整合及神經(jīng)元興奮性中發(fā)揮必要的作用是一致的〔25，26〕。

1.3.2 TNF-α通過影響突觸可塑性影響認知功能 予體外培養(yǎng)的大鼠海馬腦片4.5 ng/ml的TNF-α可以抑制海馬齒狀回LTP的誘發(fā)。此后Butler等〔27〕進一步證實TNF-α對LTP誘發(fā)的抑制是一雙時相過程。TNF-α對LTP早期時相的抑制是p38分裂原活化蛋白激酶依賴的過程，而晚期時相則是p38分裂原活化蛋白激酶非依賴的過程。Cumiskey等〔28〕研究發(fā)現(xiàn)用特異性一型親代謝型谷氨酸受體(mGluR)的拮抗劑MPEP預處理體外培養(yǎng)的海馬腦片40 min后，在加用TNF-α 5 ng/ml進行刺激，可顯著緩解TNF-α對LTP的抑制。提示TNF-α對LTP誘發(fā)的抑制依賴于mGlu及TNF-α表面受體1(TNFR1)的激活。

1.3.3 TNF-α通過抑制神經(jīng)元突起的生長和分支影響認知功能 膠質(zhì)細胞源性TNF-α可以通過激活神經(jīng)元的小G蛋白RhoA進而抑制神經(jīng)元突起的生長和分支。然而樹突鋒電位則是海馬情景記憶中LTP誘發(fā)的重要扳機點〔29〕。因此提示TNF-α也可能通過抑制神經(jīng)元軸突的生長和分支參與認知障礙的病理生理過程。

2 其他細胞因子與認知功能

2.1 α1-抗糜蛋白酶(AACT)AACT是一種分子量為68 kD的急性時相蛋白，是絲氨酸蛋白酶抑制劑超家族成員之一。國外學者對1 284例年齡在62～85歲的老年人進行研究，在矯正了年齡、性別及教育程度后，發(fā)現(xiàn)血清AACT高的觀察者，其MMSE評分下降的風險顯著增加〔30〕。國外臨床研究發(fā)現(xiàn)AD早發(fā)癥狀患者AACT信號肽T/T基因型出現(xiàn)的頻率較晚發(fā)患者明顯增加。而AACT信號肽C/T基因型與APOE基因的多態(tài)性則顯著影響AD患者疾病的進程〔31〕。同樣國內(nèi)學者發(fā)現(xiàn)AD病人的AACT信號肽T/T基因型可能與AD存在正相關;而AACT信號肽A/T基因型可能與AD存在負相關。上述研究均提示AACT參與認知及學習記憶過程，然而其參與的直接的分子生物學證據(jù)有待進一步探討。

2.2 IFN-γ IFN-γ是一種具有免疫調(diào)節(jié)、抗病毒、抗腫瘤作用的細胞因子，主要由活化的T細胞和NK細胞產(chǎn)生，對機體免疫系統(tǒng)具有強大的調(diào)節(jié)作用。近來研究發(fā)現(xiàn)IFN-γ可以影響認知功能。動物實驗研究發(fā)現(xiàn)IFN-γ轉基因成年小鼠海馬齒狀回Brdu/DCX陽性細胞明顯增多，Morris水迷宮實驗證實其空間學習及記憶力提高，提示其促進神經(jīng)發(fā)生〔32〕。體外研究也證實IFN-γ可以促進神經(jīng)元分化〔33〕。然而其參與影響認知功能的作用及內(nèi)在機制有待進一步研究。

2.3 IL-2 IL-2不僅具有與T細胞相關的多種免疫調(diào)節(jié)功能，同時也是一種具有多種生物學特性的細胞因子。多年研究已確認IL-2為一種重要的神經(jīng)及神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)的調(diào)節(jié)因子。IL-2/IL-2受體(IL-2R)蛋白分子可被神經(jīng)元及膠質(zhì)細胞表達，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中如額葉皮層、紋狀體、海馬、下丘腦、垂體、胼胝體等廣泛存在。國外學者發(fā)現(xiàn)在腫瘤患者接受皮下注射IL-2的過程中，出現(xiàn)認知功能的下降〔34〕。動物實驗研究發(fā)現(xiàn)在IL-2基因缺失的雄性小鼠，海馬顆粒層神經(jīng)發(fā)生較野生型小鼠明顯增多〔35〕。然而關于其如何參與、影響學習記憶的機制研究甚少。

3 小結與展望

目前已有臨床及實驗研究提示某些CNS內(nèi)細胞因子的過表達或缺失會影響認知功能，而且在細胞及分子水平也有一定的神經(jīng)生物學證據(jù)支持，這些均表明CNS內(nèi)細胞因子平衡狀態(tài)的失衡可能直接或者間接導致認知功能的下降，參與神經(jīng)退行性變的發(fā)生，并且可能是幾種臨床疾病的重要危險因素。深入研究CNS內(nèi)的這些細胞因子對闡明這些疾病的病理生理機制大有幫助，從而為治療疾病提供新的靶點及思路。然而，目前不論是臨床研究還是實驗研究仍都缺乏充足的分子生物學證據(jù)深入闡明細胞因子的確切作用機制;此外，外周細胞因子與CNS內(nèi)細胞因子的交互作用在認知功能損害中的作用等方面還有待深入研究。

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