楊茜茜,崔吉正綜述,趙志斌,張小寶審校
大量研究顯示帕金森病、阿爾茨海默病、多發(fā)性硬化癥等中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生可能和中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)趨化因子[Chemokine(C-X3-C motif)ligand 1, CX3CL1]-趨化因子受體CX3CR1[Chemokine(C-X3-C motif)receptor 1, CX3CR1]信號(hào)軸是小膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元信號(hào)傳遞的關(guān)鍵信號(hào)通路。在成年大鼠海馬中,CX3CL1-CX3CR1信號(hào)通路可調(diào)節(jié)認(rèn)知功能和突觸可塑性,然而中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)中CX3CL1的表達(dá)降低[1-2]。CX3CL1-CX3CR1軸通過(guò)維持較高的CX3CL1水平,結(jié)合CX3CR1后發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)性作用,從而維持中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system, CNS)的穩(wěn)定。隨著年齡的增長(zhǎng),CNS的CX3CL1-CX3CR1軸發(fā)生紊亂,導(dǎo)致CX3CL1和CX3CR1的表達(dá)降低,從而觸發(fā)小膠質(zhì)細(xì)胞過(guò)度的炎性反應(yīng),最終損傷神經(jīng)元。CX3CR1的減少以及形態(tài)和功能受損的小膠質(zhì)細(xì)胞可導(dǎo)致腦功能的受損。但是CX3CL1-CX3CR1信號(hào)軸的損傷與小膠質(zhì)細(xì)胞激活之間的因果關(guān)系尚未完全證實(shí),因此,本文就CX3CL1-CX3CR1信號(hào)軸在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的作用及與小膠質(zhì)細(xì)胞之間的關(guān)系進(jìn)行總結(jié)。
CX3CL1又稱(chēng)Fractalkine,是趨化因子CX3CL1家族的成員, 是一種抑制信號(hào)趨化因子,僅在CNS中特異性表達(dá),尤其是在海馬神經(jīng)元中表達(dá)更高[3],具有7個(gè)跨膜α螺旋區(qū)的G蛋白偶聯(lián)受體-CX3CR1是CX3CL1的唯一受體[4]。CX3CL1以膜結(jié)合形式(相對(duì)分子質(zhì)量95 000)和可溶性形式(相對(duì)分子質(zhì)量70 000)兩種不同的形式存在主要由神經(jīng)元產(chǎn)生。CX3CL1的可溶性趨化因子結(jié)構(gòu)域可以結(jié)合小膠質(zhì)細(xì)胞上的CX3CR1受體,而膜結(jié)合形式可以在炎癥反應(yīng)發(fā)生時(shí)發(fā)揮其趨附與黏附作用[5]。
在CNS中,CX3CR1主要表達(dá)于小膠質(zhì)細(xì)胞表面[3]。在生理?xiàng)l件下,CX3CL1-CX3CR1信號(hào)軸在小鼠大腦功能的發(fā)育期以及成年期均有一定程度的參與,并且突觸在其中發(fā)揮關(guān)鍵作用,而CX3CR1基因敲除的小鼠中突觸較野生型小鼠減少,并且其發(fā)育過(guò)程中大腦海馬CA1區(qū)中的小膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量也明顯減少[6]。
外源性給予的CX3CL1與CX3CR1結(jié)合可抑制神經(jīng)元中的N-甲基-d-天冬氨酸受體(N-methyl-D-aspartate receptor, NMDA)誘導(dǎo)的鈣內(nèi)流,激活CX3CL1-CX3CR1信號(hào)軸從而促進(jìn)蛋白激酶的活化,激活核轉(zhuǎn)錄因子кB (nuclear transcription factor-κB, NF-κB)進(jìn)而減少炎性介質(zhì)的釋放[7]。CX3CL1激活CX3CR1后也可釋放腺苷,激活突觸后膜上的腺苷A3、A1受體和小膠質(zhì)細(xì)胞上的A2A受體,起到調(diào)節(jié)GABAA受體、增加胞內(nèi)鈣濃度,從而發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)的作用[8-9]。CX3CR1基因敲除小鼠對(duì)于脂多糖(Lipopolysaccharide, LPS)誘發(fā)的炎癥反應(yīng)所產(chǎn)生的炎癥因子如腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)、白介素-6(interleukin -6, IL-6)等也少于正常小鼠組,說(shuō)明CX3CL1-CX3CR1在炎癥介質(zhì)釋放中也發(fā)揮重要作用[10]。另外正常情況下,CNS內(nèi)的神經(jīng)元產(chǎn)生較高水平的內(nèi)源性CX3CL1激活小膠質(zhì)細(xì)胞上的CX3CR1,從而維持小膠質(zhì)細(xì)胞處于靜止?fàn)顟B(tài),發(fā)揮CX3CL1的神經(jīng)保護(hù)作用[11]。當(dāng)CNS內(nèi)的CX3CL1水平降低時(shí),小膠質(zhì)細(xì)胞變?yōu)榛罨癄顟B(tài),將會(huì)加重炎癥反應(yīng)。這種由CX3CL1-CX3CR1軸介導(dǎo)的小膠質(zhì)細(xì)胞穩(wěn)態(tài)抑制可能是維持中樞神經(jīng)系統(tǒng)正常功能的重要基礎(chǔ)。
CX3CL1-CX3CR1信號(hào)傳導(dǎo)在CNS的神經(jīng)炎癥和自身免疫疾病中起重要作用。CNS退行性疾病指的是以神經(jīng)功能退行性改變?yōu)樘卣鞯募膊?,包括帕金森?Parkinson′s disease, PD)、阿爾茨海默病(Alzheimer disease, AD)、多發(fā)性硬化癥(Multiple sclerosis, MS)和其他神經(jīng)退行性疾病等,其病因和發(fā)病機(jī)制尚不清楚,但是其主要病理表現(xiàn)為神經(jīng)元減少和神經(jīng)核團(tuán)萎縮。
2.1 ADAD是目前老年患者中最常見(jiàn)的神經(jīng)退行性疾病,以認(rèn)知障礙、記憶損傷為主要臨床表現(xiàn),是老年癡呆最常見(jiàn)的表現(xiàn)形式,主要的病理學(xué)特點(diǎn)是細(xì)胞外Aβ肽、Aβ肽裂解的淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein, APP)聚集在斑塊和血管壁細(xì)胞內(nèi),以及tau蛋白異常磷酸化構(gòu)成的神經(jīng)原纖維纏結(jié)。近期的研究發(fā)現(xiàn),小膠質(zhì)細(xì)胞過(guò)度激活會(huì)產(chǎn)生大量自由基和炎性因子,以此為特征的神經(jīng)免疫炎癥與AD密切相關(guān)。在AD早期,腦內(nèi)出現(xiàn)的小膠質(zhì)細(xì)胞激活可吞噬和降解Aβ、清除損傷細(xì)胞、調(diào)節(jié)神經(jīng)免疫炎癥反應(yīng)、清除谷氨酸以及分泌神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子等,從而發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用[12]。但隨著AD的進(jìn)展,在神經(jīng)炎性斑塊周?chē)l(fā)現(xiàn)了過(guò)度激活的小膠質(zhì)細(xì)胞及其釋放的大量炎性因子,從而損傷膽堿能神經(jīng)元[13]。因此,小膠質(zhì)細(xì)胞在AD進(jìn)展期喪失了神經(jīng)保護(hù)作用,而且過(guò)度激活的小膠質(zhì)細(xì)胞以膠質(zhì)細(xì)胞NADPH氧化酶2(NADPH Oxdase 2, NOX2)作為始動(dòng)因子,啟動(dòng)神經(jīng)免疫炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng),導(dǎo)致Aβ的清除發(fā)生障礙,產(chǎn)生興奮毒性物質(zhì),抗氧化能力減弱從而損傷膽堿能神經(jīng)元[14-15]。隨著AD進(jìn)展,Aβ 的清除發(fā)生障礙,小膠質(zhì)細(xì)胞過(guò)度激活,產(chǎn)生大量神經(jīng)免疫炎性因子及神經(jīng)毒性因子,導(dǎo)致膽堿能神經(jīng)元變性、死亡,死亡的神經(jīng)元釋放其內(nèi)容物,繼續(xù)激活小膠質(zhì)細(xì)胞。另外,興奮毒性及易氧化性物質(zhì)的產(chǎn)生加重了膽堿能神經(jīng)元的損傷,導(dǎo)致臨床癥狀持續(xù)惡化。
在不同的小鼠中LPS發(fā)揮不同的作用,LPS可以刺激CX3CR1基因敲減小鼠海馬中的小膠質(zhì)細(xì)胞快速遷移至白質(zhì)中,而CX3CR1基因敲除的小鼠則局限于局部注射部位,同時(shí)導(dǎo)致局部的炎癥因子水平明顯增高[17]。研究顯示在PD疾病模型中,無(wú)論CX3CR1基因敲除小鼠或者CX3CL1基因敲除小鼠都表現(xiàn)出黑質(zhì)致密部中細(xì)胞死亡率增加的現(xiàn)象[17]。而在PD的另一個(gè)大鼠模型中,紋狀體中高水平的CX3CL1表達(dá)的大鼠其小膠質(zhì)細(xì)胞活化減少?gòu)亩Wo(hù)神經(jīng),同時(shí)神經(jīng)元壞死減少[18]。有研究發(fā)現(xiàn),在體外實(shí)驗(yàn)海馬神經(jīng)元和小膠質(zhì)細(xì)胞共同培養(yǎng)時(shí),使用CX3CL1預(yù)處理可以減少由LPS刺激引起的神經(jīng)元細(xì)胞的死亡[19]。CX3CL1不僅可以減少AD患者神經(jīng)元的丟失,而且還可以降低Aβ的聚集[20]。有研究顯示在輕到中度AD患者血漿中的可溶性CX3CL1水平明顯高于重癥患者[21]。
在AD患者大腦中,小膠質(zhì)細(xì)胞的抗氧化酶活性隨著衰老而降低[22],因此,隨著年齡的增加,衰細(xì)胞的受體表達(dá)也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的變化,如CX3CR1的下調(diào)和運(yùn)動(dòng)性降低等變化[23]。而在AD動(dòng)物模型中,老年APP轉(zhuǎn)基因鼠的大腦皮層和海馬中CX3CL1的水平明顯降低,說(shuō)明CX3CL1水平的下降與Aβ的沉積密切相關(guān)[24]。在早期的AD患者中,Aβ的沉積刺激了小膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元,神經(jīng)元分泌可溶性和膜結(jié)合性的CX3CL1,介導(dǎo)與CX3CR1的相互作用,可通過(guò)募集小膠質(zhì)細(xì)胞并增加其吞噬能力,從而達(dá)到清除Aβ的作用。而破壞CX3CL1-CX3CR1信號(hào)軸則可以增加CX3CL1和CX3CR1基因敲除小鼠的促炎因子IL-1β的表達(dá)和激活小膠質(zhì)細(xì)胞。在AD的晚期,神經(jīng)元細(xì)胞的死亡導(dǎo)致CX3CL1分泌減少,進(jìn)一步激活小膠質(zhì)細(xì)胞,從而導(dǎo)致AD的進(jìn)一步惡化[25]。因此,CX3CL1-CX3CR1之間的相互作用對(duì)于維持神經(jīng)元和小膠質(zhì)細(xì)胞之間的穩(wěn)定具有非常重要意義。在AD發(fā)病的早期通過(guò)調(diào)節(jié)CX3CL1-CX3CR1相互作用來(lái)控制促炎因子,減緩AD的發(fā)生發(fā)展具有一定的臨床意義。
2.2 PDPD是發(fā)病率僅次于AD的第二大神經(jīng)退行性疾病,以靜止性震顫、肌強(qiáng)直、運(yùn)動(dòng)遲緩和姿勢(shì)反射障礙為典型臨床特征。其主要病理學(xué)改變是中腦黑質(zhì)致密部大量多巴胺(Dopamine, DA)能神經(jīng)元選擇性死亡和殘存DA能神經(jīng)元內(nèi)Lewy小體的形成。黑質(zhì)致密部DA能神經(jīng)元選擇性死亡導(dǎo)致紋狀體DA含量下降,致使DA和乙酰膽堿(Acetylcholine, Ach)遞質(zhì)失衡,從而產(chǎn)生少動(dòng)-強(qiáng)直癥狀。
在PD的動(dòng)物模型中,促炎細(xì)胞因子可激活小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的神經(jīng)元毒性反應(yīng),小膠質(zhì)細(xì)胞激活后產(chǎn)生大量的自由基與免疫炎性因子,小膠質(zhì)細(xì)胞一方面通過(guò)釋放神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子等發(fā)揮保護(hù)作用,另一方面通過(guò)產(chǎn)生大量氧自由基以及細(xì)胞毒性因子等損傷神經(jīng)元[26]。研究發(fā)現(xiàn)CX3CL1過(guò)表達(dá)可以抑制α突觸核蛋白(α-Synuclein,α-SYN)引起的大鼠帕金森癥狀,而敲除其特異性的受體CX3CR1可以抑制小膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生炎性因子的表達(dá)[27]。在PD小鼠模型上敲除CX3CR1基因則會(huì)進(jìn)一步加重小鼠的帕金森癥狀以及增加神經(jīng)炎性因子的釋放[28]。在單邊腦室內(nèi)注射外源性的CX3CL1,可以觀察到小膠質(zhì)細(xì)胞激活,多巴胺能細(xì)胞耗竭和運(yùn)動(dòng)功能障礙,而通過(guò)腦室內(nèi)注射抗CX3CR1的藥物可以完全逆轉(zhuǎn)這些反應(yīng)[29],因此CX3CL1誘導(dǎo)的小膠質(zhì)細(xì)胞激活在PD的發(fā)展中起重要作用,通過(guò)尋找CX3CL1/CX3CR1相關(guān)的藥物可以作為PD治療新靶點(diǎn)。
2.3 MSMS是自身免疫性CNS疾病的一種,其特征在于脊髓和腦中的炎癥和脫髓鞘病變[30]。實(shí)驗(yàn)性自身免疫性腦脊髓炎模型(experimental autoimmune encephalomyelitis, EAE)是常用的MS的最佳疾病模型,研究發(fā)現(xiàn)在脫髓鞘病變內(nèi)及四周,CX3CL1和CX3CR1的表達(dá)有著明顯的變化--在EAE大鼠腦中的炎癥部位小膠質(zhì)細(xì)胞CX3CR1表達(dá)水平增高,而神經(jīng)元CX3CL1水平?jīng)]有明顯變化。但是炎癥部位附近的星形膠質(zhì)細(xì)胞CX3CR1表達(dá)增加,這表明活化的星形膠質(zhì)細(xì)胞可能會(huì)吸引小膠質(zhì)細(xì)胞進(jìn)入炎癥部位。另一方面EAE模型中小膠質(zhì)細(xì)胞也會(huì)上調(diào)CX3CL1的表達(dá),從而試圖使其恢復(fù)到靜止穩(wěn)定狀態(tài),抑制其過(guò)度活化[31]。與普通EAE模型小鼠比較,CX3CR1基因敲除的小鼠受EAE影響后表現(xiàn)出促炎細(xì)胞因子的過(guò)表達(dá),抗炎細(xì)胞因子比如IL-10的水平則明顯下降[32],這說(shuō)明CX3CL1和CX3CR1在MS疾病的自身免疫調(diào)節(jié)中的發(fā)揮重要作用。當(dāng)MS初期小膠質(zhì)細(xì)胞被激活后,通過(guò)上調(diào)CX3CL1-CX3CR1的表達(dá)發(fā)揮一定程度的修復(fù)功能,而嚴(yán)重的小膠質(zhì)細(xì)胞激活則可能對(duì)MS中的神經(jīng)元造成損傷,這種腦內(nèi)小膠質(zhì)細(xì)胞的自我調(diào)節(jié)可能讓小膠質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)楸Wo(hù)或損傷神經(jīng)元的表型,從而對(duì)MS的疾病過(guò)程發(fā)揮重要作用。
有研究顯示在缺血損傷模型中CX3CL1-CX3CR1在CNS中具有神經(jīng)保護(hù)作用,但在有些情況下CX3CL1可能對(duì)機(jī)體是有害的。在CX3CL1基因敲除小鼠缺血損傷模型中,CX3CL1的過(guò)表達(dá)對(duì)小鼠缺血后損傷的恢復(fù)是無(wú)益的[33]。而將CX3CL1和CX3CR1基因敲除后,兩種小鼠在缺血后均表現(xiàn)出較小的梗死面積[34]。并且在外源性給予CX3CL1后,對(duì)CX3CR1基因敲除小鼠的缺血梗死面積沒(méi)有影響,對(duì)于野生型小鼠則其梗死面積減少。這可能與CX3CL1引起CX3CR1基因敲除小鼠小膠質(zhì)細(xì)胞釋放TNF-α的減少相關(guān),因?yàn)橛醒芯堪l(fā)現(xiàn)適量的TNF-α可以發(fā)揮一定的神經(jīng)保護(hù)作用[35]。而對(duì)于普通小膠質(zhì)細(xì)胞,CX3CL1不影響TNF-α的釋放。
2.4 其他神經(jīng)退行性疾病有研究顯示在早期缺血性中風(fēng)患者中通過(guò)抑制CX3CL1-CX3CR1信號(hào)傳導(dǎo)可以明顯促進(jìn)患者神經(jīng)功能的恢復(fù)[36]。在缺血性腦中風(fēng)患者中,CX3CL1通過(guò)調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細(xì)胞和星型膠質(zhì)細(xì)胞的炎性因子的釋放從而參與腦中風(fēng)的病理過(guò)程,CX3CR1基因敲除鼠腦缺血導(dǎo)致的神經(jīng)元壞死減少,CX3CR1的表達(dá)增加后缺血導(dǎo)致的神經(jīng)元壞死區(qū)則相應(yīng)的增加,而將CX3CR1基因敲除鼠海馬神經(jīng)元分離培養(yǎng)后,這些神經(jīng)元細(xì)胞則通過(guò)抑制鈣內(nèi)流從而減輕谷氨酸引起的興奮性毒性[37]。自噬也參與中風(fēng)的發(fā)生發(fā)展過(guò)程,神經(jīng)元的自噬會(huì)導(dǎo)致CX3CL1的下調(diào),從而加重小膠質(zhì)細(xì)胞炎性損傷,在缺血性中風(fēng)中發(fā)揮重要作用[38]。在其他疾病比如抑郁癥患者中也發(fā)現(xiàn),CX3CL1可以作為抑郁癥患者潛在的生物學(xué)標(biāo)記物,用來(lái)區(qū)分原發(fā)性和繼發(fā)性的抑郁癥[39]。應(yīng)激也可以通過(guò)調(diào)節(jié)CX3CL1-CX3CR1,從而介導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞引起的神經(jīng)元重塑,在抑郁癥中起到重要作用[40]。因此,CX3CL1-CX3CR1與多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病密切相關(guān),并在其中發(fā)揮不同的作用。
CX3CL1-CX3CR1在神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中起到重要作用,包括阿爾茨海默病、帕金森病、多發(fā)性硬化、中風(fēng)、抑郁癥等。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)通過(guò)調(diào)節(jié)CX3CL1或者CX3CR1的水平可以影響小膠質(zhì)細(xì)胞引起的炎性因子的釋放,從而參與神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生發(fā)展。但是,在不同的疾病模型中CX3CL1-CX3CR1發(fā)揮不同的作用,同時(shí)其具體的作用機(jī)制尚未完全闡明,需要進(jìn)一步的研究來(lái)證實(shí)。
CX3CL1-CX3CR1作為一個(gè)整體抑制神經(jīng)炎癥,在老年患者的海馬神經(jīng)元中發(fā)揮重要作用,其中CX3CL1的生理學(xué)減少與老年動(dòng)物中檢測(cè)到的認(rèn)知障礙相關(guān),老化大腦中的小膠質(zhì)細(xì)胞可能處于一個(gè)致敏的狀態(tài),當(dāng)外界刺激物刺激腦內(nèi)小膠質(zhì)細(xì)胞時(shí)其CX3CR1表達(dá)下降且短時(shí)間內(nèi)無(wú)法恢復(fù)至正常水平,但是年輕大腦中的小膠質(zhì)細(xì)胞在刺激后24h內(nèi)即恢復(fù)了CX3CR1水平。因此,老化大腦中CX3CL1和CX3CR1的減少以及形態(tài)和功能受損的小膠質(zhì)細(xì)胞導(dǎo)致了腦功能的受損,這可能是認(rèn)知功能受損更容易發(fā)生在老年患者的原因之一。
因此,在CNS疾病的早期利用CX3CL1-CX3CR1進(jìn)行早期的干預(yù),或者尋找誘導(dǎo)具有神經(jīng)保護(hù)性小膠質(zhì)細(xì)胞亞型的相關(guān)藥物,可能是用于治療衰老性疾病、神經(jīng)退行性疾病和炎性CNS疾病新策略。