細胞因子與大腦間的聯系——對目前文獻的評論

姜忠良譯 朱玲審校

(四川大學華西基礎與法醫學院藥理教研室,四川 成都 610041)

細胞因子是如何調節中樞神經系統功能的?

細胞因子被發現之后,細胞因子便幾乎立刻被假定為有強烈活性的神經性物質(Dinarello,1979)。早期細胞因子被認為是免疫細胞間的胞內信號傳遞分子(Dinarello Mier,1986),被懷疑是一種作用于免疫系統與中樞神經系統之間的重要的調節物質。萌發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(發燒,體溫降低)以及神經內分泌活動的改變。而所有這一切活動都是由中樞神經系統調節。機體感染后中樞神經系統調節的反應可推測為：增強免疫,保存能量,防止過度的炎癥反應。站在綜合生理學的角度發現,由免疫反應誘導產生的細胞因子通過調節中樞神經系統的功能來調節生理的、行為的、內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等發現蜥蜴(一種冷血動物)通過將自身移動到溫暖的地方來調節其身體的溫度。這種發熱反應的過程顯著的提升了其免疫力與細菌感染后的存活率。當時已經知道發熱是由體內熱源性物質誘導的,之后內熱源被確定為細胞因子。

通過將多種細胞因子注射進體內或者腦室,人們得到了細胞因子神經活性的直接證據。這些研究建立起了細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),誘導發熱(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,也同樣出現在因治療癌癥而接受細胞因子注射的病人當中(Smedley等,1983;Spriggs等,1987)。在上述實驗中被測試最多的細胞因子是白細胞介素-1(IL-1),盡管其他的細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),白細胞介素-6(IL-6)(LeMay等,1990),巨噬細胞炎癥蛋白-1(MIP-1)(Davatelis等,1989),IL-12(Atkins等,1997)和IL-2(Riobeiro等,1993)都能誘導出一種或幾種上述反應。

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

然而,研究這種相互作用是艱巨的任務。這是因為免疫系統與神經系統間的關系超級復雜,而兩者在結構上又是互相分開的。目前就細胞因子在免疫系統中的產生到其在中樞神經系統中的作用這個領域中,已經進行研究的課題有：1)不同的細胞因子是如何影響中樞神經系統的?2)細胞因子信號穿越血腦屏障(BBB)的具體通路是什么?3)細胞因子是如何激活特定的神經通路以誘導中樞神經系統調節出合適的反應?盡管仔細了解文獻的細節后無法對任一個上述問題給出一個簡單的回答,但有點意外地細胞因子與中樞神經系統間的信號傳遞方式浮出水面。

影響中樞神經系統的細胞因子間的相互關系

在評價任何細胞因子對中樞神經系統的影響之前,一個需要注意到的現象是：在活體中,任何一種細胞因子水平的上升總是可能伴隨著其他細胞因子水平的改變,部分是因為許多細胞因子自身就是其他細胞因子的誘導者(Olsson,1993),部分是因為一個免疫反應需要多種細胞因子(Viguier,2000)參與。大體上,多種細胞因子是依次產生與(或)同時產生以調節免疫反應的發生(炎癥、抗原呈遞、急性應激反應)(Choy,Panayi,2001)、發展(T細胞的激活、B細胞的激活、抗體的產生)(Callard,1989;Moriggl,1999),和終止(免疫抑制)(Standiford,2000)。在外周免疫系統中,多種細胞因子的生物活性具有交叉性,這使得它們具有功能多態性(Rubinstein,1998)。此外,某個特定的細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胞因子。在免疫系統中發現細胞因子在生物學上相當復雜,這讓人意識到決不能孤立的考慮任何一種細胞因子對中樞神經系統的影響。

一個富有啟發意義的例子是：接受了高劑量的重組IL-2治療的病人,其誘導發熱過程與IL-1和TNF-α不同的是：IL-2不會刺激合成前列腺素,而前列腺素被認為是下丘腦前部的循環熱源必須的下游調節因子(Coceani和Akarsu,1988)。因此,當發現高水平的 IL-2誘導IL-1和TNF-α表達的時候,人們推斷出IL-2是通過IL-1與(或)TNF-α的功能間接的誘導發熱過程(Mier等,1988)。但之后對于該機制進一步的研究卻發現,與IL-1和TNF-α誘導的發熱不同,IL-2誘導的發熱不能被前列腺素合成抑制劑吲哚美辛阻斷(Chapman等,1988)。當然,IL-2可能通過自身對中樞神經系統的直接作用誘導發熱,也可能通過誘導表達其他的能激活發熱反應的細胞因子,而這些細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胞因子：預先形成的熱源蛋白(PFPF)(Zampronio等,2000)和巨噬細胞炎癥蛋白-1(M IP-1)(Davatelis等,1989)。因此,IL-1和TNF-α不太可能是IL-2誘導炎癥的調節因子。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誘導的發熱很可能是無效的。站在基礎科學的觀點來看,這個例子揭示出中樞神經系統調節的效應由多種細胞因子參與,但是各細胞因子與中樞神經系統間的交互作用的程序卻千差萬別。

另一個需要注意的是：細胞因子之間的交互作用是動態而非靜態的。一個關于細胞因子級聯的靜態觀點認為：存在一個確定的細胞因子誘導鏈,這個鏈中存在一個特定的順序(從細胞因子A到細胞因子X),一個給定的中樞神經系統效應的背后一定建立了一個這樣的誘導鏈。使用特定的細胞因子阻滯劑與使用某種細胞因子缺陷或某種細胞因子受體缺陷(敲除)的實驗動物已經檢測了這個假說。研究表明向腦室中灌注IL-1ra,刺激外周免疫系統后產生的為數眾多的中樞神經系統介導的反應可以極大的削弱,這些反應包括發熱(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系統。然而這個推論卻沒有得到使用轉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),腹膜內注射細菌內毒素脂多糖(LPS),僅僅能稍微降低由 LPS誘導的發熱。相似的是,在通過轉基因技術于中樞神經系統中過度表達IL-1ra的實驗動物中,注射LPS誘導的發熱不能緩解(Lundkvist等,1999)。另外一方面,在IL-6敲除的動物中,低劑量LPS完全不能誘導發熱(Kozak等,1998)。IL-6敲除的動物同樣對IL-1誘導的發熱沒有反應(Chai等,1996)。因此,由這些實驗結果可以看出是IL-6而非IL-1才是誘導發熱的最終普遍細胞因子。由注射抑制劑與使用轉基因動物這兩種不同的試驗方法得出的有矛盾的實驗結果不應該被輕易的忽略。在生長發育全過程中大腦缺乏IL-1活性的轉基因動物中,該缺陷可能被其他細胞因子與中樞神經系統間的聯系補償。例如：在LPS誘導的發熱過程中,IL-6可能扮演一個更顯著的角色。因此,任一個細胞因子與中樞神經系統的交互作用都可能是個動態的過程。也就是說,一種細胞因子的缺乏可能引發另一種細胞因子來替代其功能。從這個意義上講,研究中樞神經系統對細胞因子的作用就不能只通過轉基因動物來研究。通過整合細胞因子抑制劑與轉基因動物實驗雙方面的研究發現：盡管在不同類型的感染中起決定作用的細胞因子可能不同(比如局部感染與系統性感染,細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系統活性的細胞因子。

細胞因子信號穿過血腦屏障(BBB)的通路

無論哪個細胞因子介導了一個給定的中樞神經系統的反應,血腦屏障總是作為一個細胞因子與中樞神經系統交互作用的屏障存在。對于細胞因子穿越血腦屏障可能依賴的通路,目前研究了5種：1)細胞因子被主動的轉運通過血腦屏障;2)細胞因子激活了外周迷走神經,而被激活了的外周迷走神經轉而又激活了中樞神經系統中的特定靶點;3)細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的周邊區域激活中樞神經系統的靶點;4)細胞因子誘導血腦屏障的細胞產生分泌進入大腦實質的細胞因子;5)細胞因子由滲透通過血腦屏障的白細胞攜帶進入中樞神經系統。

Bank的研究團隊是細胞因子主動轉運進入中樞神經系統的主要提倡者(Banks等,1995)。在過去的10年以致更長的時間里,他們已經提供了充足的證據以證明幾種細胞因子(IL-1,TNF-α,IL-2)是被轉運通過血腦屏障的(Banks等,1989,1995;Waguespack等,1994)。在這些研究中使用的方法是：經靜脈注射由放射性元素標記的細胞因子,然后在腦組織中檢測這些細胞因子的量。在一個實驗中,他們向實驗鼠注射了重組人類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)。他們發現在實驗鼠的大腦中,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,在大腦中出現的 IL-1α主要來源是經外周轉運通過血腦屏障進入大腦的IL-1α而非大腦細胞自身合成的新的IL-1α。這些實驗指出在細胞因子通過血腦屏障的過程中,主動轉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記的細胞因子可能反映的是細胞因子與血腦屏障的結合而非細胞因子通過血腦屏障。這個問題由Maness等提出,他在實驗中發現,靜脈注射帶有放射性標記的IL-1α之后,會在大腦實質中出現該 IL-1α,但絕大多數的放射性卻集中在大腦內皮細胞(Maness等,1988)。相似的是：Hashimoto等通過使用電子顯微鏡發現：靜脈注射用金標記的IL-1之后,在很短的時間里被標記的IL-1被發現集中在大腦內皮細胞的表面和大腦內皮細胞胞飲小泡里(Hashimoto等,1991)。

細胞因子進入中樞神經系統的第二條通路是迷走神經。有趣的是,當Pitterman等第一次為評價迷走神經的角色而切斷實驗動物腹部迷走神經的時候,并沒有觀察到任何由外周LPS誘導的反應的改變(Pitterman等,1983)。11年之后,Watkins等發現由外周LPS誘導的痛覺過敏可以通過切斷迷走神經來阻斷。于是他提出了外周細胞因子可以通過迷走神經的傳入通路刺激大腦的特定區域,這樣便建立了外周細胞因子與中樞神經系統的聯系。自此,眾多描述迷走神經參與的外周細胞因子與中樞神經系統交互作用的研究被發表了出來。這些反應包括了發熱(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)。各文獻中發現的差異可能是由于LPS劑量和給予途徑的差異引起的。現在已經清楚的是：對于腹膜內注射低劑量LPS誘導的信號傳導,傳入迷走神經的確扮演了重要的角色。換句話說,對于腹膜內注射高劑量LPS或者靜脈注射LPS誘導的中樞神經系統反應,迷走神經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分支看上去像是腹部炎癥信息傳導入大腦的主要神經系統(Watkins等,1994;Simons等,1998)。

對于細胞因子刺激傳入迷走神經與其如何觸發中樞神經系統特定區域的完整回路的解釋,目前已經提出了幾個假定的機制。Goehler等在靠近迷走神經末端的細胞上發現了特定的IL-1α結合位點(Goehler等,1997)。此外,腹膜下注射 LPS之后,在腹部迷走神經協助下免疫細胞會誘導IL-1β的免疫活性(Goehler等,1999),認為IL-1結合細胞與迷走神經終端構成了調控腹部炎癥水平的傳導器單位。然而這種類型的傳導器單位是否在其他的細胞因子中存在,這依然是有待證實的。有兩個研究發現：通過切斷迷走神經可以阻斷經由外周注射IL-1(Hansen等,1998)或者 LPS(Laye等,1995)在下丘腦中誘導表達IL-1,認為被激活的迷走神經可能會刺激中樞神經系統合成IL-1。然而需要注意的是：大多數原位雜交研究發現下丘腦中的IL-1表達只在非神經細胞中(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迷走神經興奮性上升的時候會刺激下丘腦中的非神經細胞產生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確實可以在下丘腦與海馬回中誘導表達IL-1(Hosoi等,2000)。

第三條通路是細胞因子可能在血腦屏障的漏洞CVOs處影響中樞神經系統。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節中心的CVO可以抑制腹膜內注射 LPS誘導的發熱(Blatteis等,1983,1987)。另一方面,Stitt報道發現切除OVLT后會加強發熱反應(Stitt,1985)。相似的是,對另一個CVO極后區(AP)的集中研究也得出了有爭議的結論。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誘導的c-fos表達(Lee等,1998)。Ericsson等卻發現AP損害后 PVN中 c-fos表達沒有改變(Ericsson等,1997)。這個實驗結果的差異可能是由于移除范圍與LPS、IL-1使用劑量的差異導致的。看上去低劑量的LPS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BBB細胞產生細胞因子進入大腦實質。Brady等是第一個注意到在外周注射IL-1會在 BBB細胞中誘導出強烈的轉錄活性(Brady等,1994)。隨后,在原位雜交研究中發現,BBB細胞對外周免疫刺激的反應是產生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細胞中啟動細胞因子表達的基因 Iк Bа被立即誘導表達(Quan等,1997)。此外,在系統性免疫反應中,BBB細胞表達細胞因子可能會造成整個CNS的廣泛的細胞因子活性。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域中發現IL-1生物活性這一點是相吻合的(Quan等,1994)。

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

需要注意的是,上面提及到的通路代表的都是生理學上的假設的機制。像細胞因子這樣的大分子轉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,這個假定的轉運分子必須與細胞因子相結合,接著通過細胞質,或者從細胞膜的一邊移動到另一邊,然后釋放那個完好無損的細胞因子。目前尚不知曉其他的轉運系統有這樣的功能。同樣的,迷走神經向CNS傳達免疫信號,這代表了一個假設的免疫狀況被調節的傳感通路。一個非常令人著迷的問題是：迷走神經向CNS傳導免疫與非免疫信號的過程差異是怎樣的?根據第一個實驗,細胞因子經由CVOs泄露進入大腦看上去是個簡單的途徑。M aness等發現盡管可以在CVOs的細胞外空間中發現細胞因子,但是細胞因子很少進入大腦實質。這可能是因為環繞在CVOs周圍的膠質界膜的阻擋作用造成的。然而,CVOs處的細胞因子要產生作用就必須被轉入進入大腦,可能是經由細胞因子自身的運動作用,也可能是結合具有高擴散性的轉運分子進入到附近的結構,或者是由CVO里的投射神經元產生的信號進入大腦(Mark and Farmer,1984)。CVO中這樣的轉換是如何發生的依然是個待解的問題。最后,BBB細胞產生細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只能誘導在BBB結構中表達細胞因子,感染劑量的 LPS誘導在BBB內部細胞因子的表達(Quan等,1999a)。因此,BBB細胞廣泛的表達細胞因子可能與系統免疫刺激特別相關。

這些被提及的通路不能夠只被認為是相互沖突的假設。例如CVOs,已經知道它可以接受傳入迷走神經(Kalia and Sullivan,1982;Shapiro and Miselis,1985)。然而,切斷迷走神經可能會影響CVOs中的信號傳導過程,并且對CVOs的損害可能會減弱迷走神經調節的效應。同樣的,鑒于細胞因子可能會被轉運穿過BBB,而細胞因子與大腦內皮細胞結合后也能夠誘導表達新的細胞因子(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。細胞因子的劑量與路徑能夠控制通路與CNS的最后反應,如同前面所描述的那樣。此外,BBB的狀態可能也是個因素,特別是在炎癥反應與受傷的狀態。最后,細胞因子間的混合或者結合可能會導致其間的交互作用。

由細胞因子介導的特定神經回路的激活

定義一個由細胞因子調節的CNS反應中的特定神經回路是另一個可怖的挑戰。由前面提到的可以看出,細胞因子可能會誘導多種CNS調節的效應是非常清楚的。然而,這些效應卻是由不同的神經回路控制的。像喂食行為是由腹內側小丘腦核(VMH)和下丘腦邊緣區(LHA)(Oomura,1988)綜合平衡作用的結果。另一方面,可以確定的是：發燒是有視前區(APO)神經元細胞介導的(Blatteis等,1984)。HPA軸的激活明顯包括了PVN。細胞因子誘導的睡眠類型的改變在神經細胞學軌跡上的精確定位目前依然不清。對于尋找細胞因子與這些神經回路的聯系的研究,目前有兩種想法：第一種假設細胞因子能夠到達大腦中的任何一個位置,并且在這個特定位置上細胞因子的作用決定了他們的活性。第二種假設在不同的大腦位點上會發生有序的激活,細胞因子在一些關鍵位點上引發鏈式反應從而產生遠程的神經回路。

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

另外一點,細胞因子可能通過觸發突觸間的神經傳遞從而在一個遠距離處將信號傳達到靶神經結構。Adrian Dunn是第一個證實了在外周注射IL-1刺激大腦中產生去甲腎上腺素機制的人(Dunn,1988)。隨后人們發現,對外周免疫系統的刺激也能導致大腦中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。這些數據揭示細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和PVN的神經纖維來削弱注射IL-1激活PVN神經元的作用(Ericsson等,1997),最后,直接向延髓頭端腹外側(該區域含有去甲腎上腺素能神經元,這些神經元參與了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的循環可能在骨髓中誘導前列腺素的合成,而這又會刺激該區域的去甲腎上腺素能神經元激活PVN。

應該被指出的是：上訴兩種細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PVN自身進行前列腺素的合成。這些實驗準備中使用了含有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)。

另一個尋找細胞因子可能在CNS中具體哪個部位作用的方法是將細胞因子定位并(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纖維上定位IL-1β-ir的團隊(Breder等,1988)。這些結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現了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的神經元為催產神經元。在這些神經元中發現的IL-1β的功能目前依然未知。這是因為對這些神經元使用目前已知的任何刺激之后進行平行的比對,卻發現這種神經性的IL-1水平沒有任何的變化。在原位組織雜交化學研究中,也沒有在下丘腦神經元中發現IL-1β mRNA的程序性表達。另一方面,在外周的免疫系統遇到刺激之后,IL-1β最初是在神經膠質細胞與內皮細胞中誘導表達的(Van Dam等,1992,1995;Buttini and Boddeke,1995;Quan等,1998a),而不是在神經元中。相似的是,TNF-α和IL-6在大腦中所有的非神經細胞中被發現誘導表達(Vallieres and Rivest,1997;Laflamme and Rivest,1999)。因此,CNS中發現的細胞因子的首要來源可能是非神經細胞。

對于細胞因子受體,開初使用的是放射性元素標記的IL-1來研究。研究發現整個大腦廣泛的結合了IL-1,并且集中于許多神經元豐富的位點如：齒狀回,下丘腦和小腦的粒細胞層(Farrar等,1987)。然而,隨后通過免疫組織化學與原位雜交組織化學的研究發現,在BBB(血腦屏障)細胞(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的神經元細胞只在包括基底外側杏仁核,下丘腦弓狀核,三叉神經和舌下神經運動核和極后區(Ericsson等,1995)。有兩個原因使得我們認為這樣受限制的分布是超出預期的。第一,IL-1受體表達的基因啟動子缺乏CAAT和TATA盒,并且與缺乏TATA啟動子的結構性表達基因的終止脫氧核酸轉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。第二,可以推測的是神經元對于IL-1的刺激敏感,例如在PVN,APO,VM H中的神經元看上去不含有IL-1R1。相似的是,TNF-α受體同樣也主要在BBB細胞中被發現(Cunningham等,1997)。因此,一個原先沒有預料到的推論是：在大腦的許多位點中細胞因子的局部作用可能實際上是經由內皮細胞上的受體來進行調節。我們以及其他人已經展示了外周的免疫入侵可以在整個大腦的內皮細胞中強烈的激活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,很多細胞因子誘導的CNS效應是可以被COX抑制劑阻斷的(Szekely,1978;Johnson and Von Borell,1994;Dunn and Swiergiel,2000)。因此,與最初關注的BBB可能阻止細胞因子傳遞信號給CNS相反,BBB細胞可能提供一個細胞因子和CNS交互作用的重要界面。

關于海馬回和扁桃體中的含有IL-1R1的神經元,最近的研究發現已經說明了IL-1的一種新型神經活性。即IL-1可能作用于這些神經元以阻止長期的勢差現象(Katsuki等,1990;Bellinger等,1993;Cunningham等,1996)和突觸能力變弱。這種新發現的細胞因子活性可能與細胞因子改變學習(Rachal Pugh等,2001)、記憶(Rachal Pugh等,2001)與情感(Pugh等,1999)的神經傳導過程相關。

在神經性疾病的致病原因中細胞因子扮演什么樣的角色?

細胞因子生物學上的一個主要特征是炎癥細胞因子是雙刃劍。在外周免疫系統中,抵抗感染與癌癥需要適當的免疫反應,而炎癥細胞因子則是這些適當免疫反應過程的核心。比如：IL-1R1敲除的老鼠表現為延遲型過敏反應減弱并對單核細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細胞介導的殺死肺癌細胞的過程受阻(Prevost-Blondel等,2000)。另一方面,通過細胞因子治療得到的一個教訓是：細胞因子不但可以引起受感染的細胞和癌細胞死亡,它同樣可以引起上述細胞旁邊的正常細胞的死亡(Heaton and Grimm,1993)。相似的是,細胞因子和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指出：炎癥細胞因子可能在數種神經性疾病中扮演了極為重要的角色。

證明細胞因子在人類神經退行性疾病中的病理作用的臨床證據

IL-1和T NF-α早已被懷疑在與炎癥相關的神經細胞死亡中扮演重要的角色。一個早期的暗示這些細胞因子作為神經病理的促進因子的例子是細菌性腦脊膜炎。在這種疾病中,大腦皮層中有大量的神經細胞死亡,伴有炎癥,還有腦水腫(Mito等,1993),這可導致死亡,并在活下來的患者中造成長期的神經性后遺癥。這種疾病的預后已經被證實與腦脊液(CSF)中TNF-α和 IL-1的濃度相關(Mustafa等,1989;Arditi等,1990)。相反的是,在這種疾病的恢復過程中,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效應的現象(van Deuren等,1997)。此外,已經發現通過使用抗血清對抗TNF-α能夠保護機體,對抗細胞內毒素的致命效應(Beutler等,1985)。因此,這些研究結果指出了IL-1和TNF-α在這種疾病的發病機理總扮演的角色。

另一個例子是多發性硬化癥(MS)。這種疾病的主要損害是免疫介導的CNS損害和髓鞘的結構破壞(Brosnan and Raine,1996),盡管MS經常表現為一種拖延的,多變進程的疾病。髓鞘脫失可能造成神經纖維的退化。以下事實可以說明IL-1和TNF-α參與了這個疾病的發病機制：1)在MS患者的大腦損害中,TNF-α免疫反應性被發現與星細胞與巨噬細胞相協同(Hofman等,1989);2)高于受控制水平的IL-1和TNF-α經常在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的產生并且增強IL-1ra的產生(Coclet-Ninin等,1997)。這些證據導致了IL-1和 TNF-α是MS發病機制中的關鍵因素的假說(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中被發現(Mogi等,1996)。帕金森病癥候出現的首要原因是終腦皮層黑質多巴胺能神經元的丟失(Hirsh and Herrero,1997)。在帕金森病病人的終腦皮層(Mogi等,1994)和黑質(Boka等,1994)中我們發現了高水平的TNF-αmRNA表達。此外,在帕金森病患者的多巴胺能神經中我們也觀察到了轉錄因子 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)。這些發現指出：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,一個遭受嚴重腦膜炎折磨的年輕女孩隨后發生了帕金森樣癥狀(Geddes等,1993),這同樣指示了炎癥細胞因子在帕金森病的致病機制中扮演了某個角色。或許臨床上最具有廣泛性的能證明炎癥細胞因子與神經退行性疾病致病間關聯的證據是老年性癡呆(阿爾茨海默氏病,AD)。老年性癡呆的病理改變提示該病發作表現為：出現淀粉樣沉淀、神經元纖維性纏結、平野小體(Mrak等,1997)。AD患者的組織中IL-1水平升高,并且發現他們體內具有IL-1免疫反應活性(IL-1+)的小神經膠質細胞增多(Griffin等,1989)。這些IL-1+小神經膠質細胞被發現緊靠著有纖維纏結的神經元(Sheng等,1994)與淀粉樣沉淀(Griffin等,1989)。同樣已經知道的是,IL-1可以上調S100β和β-淀粉樣前體蛋白(β-APP)(Sheng等,1996),這是兩個可以導致AD發病的重要因素(Mrak等,1996a)。此外,β-APP能夠刺激神經小膠質細胞產生(Araujo and Cotman,1992)。因此,IL-1的過度表達會誘導β-APP的表達增加,而這又會導致更多的IL-1的表達。這樣的一個由IL-1開啟的“細胞因子循環”已經被認為是一種AD發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的表達被發現增高。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)。由流行病學研究發現了炎癥細胞因子和AD間的關聯,發現使用抗炎藥物可以阻抗AD的發展。現在對抗炎藥物可以干擾AD進程的一個假說是,這種效應部分得益于抗炎藥阻抗IL-1的效應(Breitner,1996)。在 AD的發病機制中,TNF-α同樣被認為是角色之一,盡管現在對此認識的證據不如IL-1的證據那么普遍(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退行性疾病互相之間神經病理改變差別巨大,但IL-1和TNF-α卻扮演了致病過程中的角色。對于那些為數眾多的旨在找尋神經退行性疾病中大腦內相關物質表達的實驗研究而言,IL-1和TNF-α被假定的病理學假設是這些實驗研究的理論依據。

體外實驗

對于IL-1和TNF-α的神經毒性作用進行的直接檢查得到的是一些模棱兩可的結論。Piani等(1992)進行的早期研究發現向培養的小腦神經元細胞加入IL-1和/或TNF-α并不會導致神經毒性。然而Tauber等(1992)發現TNF-α會對神經細胞NH33.1產生毒性作用。一些研究比如Chao等(1995c)發現當把IL-1和TNF-α加到培養中的人胚胎腦細胞中可以誘導表達神經毒性,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,在培養中的鼠大腦皮層細胞中加入高濃度的IL-1會導致神經毒性,低濃度的IL-1對由谷氨酸鹽(glu)介導的神經毒性有保護神經元的作用。此外,Westmoreland等(1996)的一則報道表明,是TNF-α而非IL-1對人神經元細胞系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果可能是由于：1.神經細胞培養中的差異;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胞系之間對這些白介素誘導神經毒性的不同的敏感性導致的。

在一例神經膠質毒性的研究中,Merrill(1991)報道是IL-1而非TNF-α選擇性的誘導細胞毒性以起到隔離少突膠質細胞的效果。少突細胞系一類可以向神經纖維提供髓鞘的神經膠質細胞。此外,Selmaj和 Raine(1988)還有 D'Souza等(1996)發現在同時培養星型膠質細胞和神經小膠質細胞的培養基中,TNF-α可以引起髓鞘損害,同時可對少突膠質細胞產生毒性作用。Selmaj等和 D'Souza等發現同一系列的體內實驗中,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對少突膠質細胞的毒性作用的實驗的失敗可能部分歸咎于在準備細胞培養的過程中沒有一同培養星型膠質細胞和神經小膠質細胞。

正如先前注意到的,除了幾個腦區之外,IL-1和TNF的受體在大腦中主要定位于非神經元細胞。因此,在體內實驗中,IL-1和TNF-α可能直接對含有這些白介素受體的神經元細胞產生毒性作用,或者,更可能的是,IL-1和TNF-α通過激活神經小膠質細胞和/或星型膠質細胞這樣一個間接的途徑產生神經毒性(Chao等,1996a)。與這個主張相一致的是,IL-1和TNF-α被發現在組織培養(Merrill,1991)和體內實驗(Giulian等,1988;Mizuno等,1994;Lee等,1995)中可以刺激小神經膠質細胞和星型膠質細胞的增殖。被激活的神經膠質細胞被發現可以產生一系列的潛在神經毒性物質,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在特定腦區誘導神經毒性的表現可能需要多種細胞型的存在,對這些多種效應的評估可能必須通過多種細胞自然存在的體內實驗模型來進行。

體內實驗

IL-1和T NF-α兩者目前都已經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病理方面的聯系卻尚未得到研究。

目前最令人信服的有關IL-1的神經毒性作用的證據來自急性腦損傷的動物模型。頭部創傷(Taupin等,1993;Shohami等,1997),腦缺血(Minami等,1992;Wang等,1994;Saito等,1996)和中樞神經系統的毒性興奮性損傷(Yabuuchi等,1993)會快速而顯著的升高大腦內IL-1的mRNA和蛋白水平。注射IL-1β已經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元損害(Relton and Rothwell,1992;Garcia等,1995;Toulmond and Rothwell,1995;Loddick and Rothwell,1996)。過量表達IL-1ra可以達到同樣的神經元保護性作用(Yang等,1997),敲除IL-1β轉換酶(ICE,目前已知的唯一的IL-1β轉換酶,該酶可以催化IL-1β從其無活性的前期形式轉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生的IL-1ra可以起到降低IL-1的神經毒性作用。這些發現強力的說明IL-1可以作為急性腦損傷情況下的針對神經毒性的藥物。

在急性腦損傷的情況下,TNF-α表達的同時也可誘導IL-1同步表達(Wang等,1994;Saito等,1996;M athiesen等,1997;Zhai等,1997)。向外周神經注射外源的TNF-α可以誘導軸突的降解和脫髓鞘(Redford等,1995;Madigan等,1996),然而這一效應可以被 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(Selmaj等,1995)。這說明自身產生的TNF-α與注射外源性TNF-α一樣具有潛在的神經毒性。最后,通過轉基因技術已經得到了具有在星狀膠質細胞中過量表達TNF-α的轉基因小鼠(Campbell等,1997;Probert等,1997)。這些轉基因小鼠表現出不同程度的神經退行性特點,從輕度的髓鞘脫失到灰質與白質的實質性破壞。這些發現說明TNF-α在體內實驗中具有潛在的神經毒性。此外,TNF受體敲除的動物在神經病理學上展現出降低的特征,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具有神經毒性作用,其他的文獻卻支持相反的結論。因此,從體內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)和神經生長因子(Lindholm等,1988;Gadient等,1990)。抗氧化酶和神經生長因子這兩者都已經被發現在神經損傷中扮演極為重要的神經保護性的角色(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致的神經退行性過程中具有神經保護的作用(Cheng等,1994;Strijbos and Rothwell,1995)。體內實驗發現,通過小的缺血誘導的IL-1表達可以降低隨后的全面性缺血導致的神經性損害(Ohtsuki等,1996)。隨后的能夠強力支持IL-1具有神經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保護性角色。

目前對于IL-1和TNF-α在神經退行性疾病中扮演什么角色的重要問題,已經不再是這些細胞因子是起神經毒性或是保護性作用,而轉成了這些細胞因子在何種條件下會起到神經保護或者神經毒性的作用的問題。現在主要考慮有三個基本的參數,第一個參數是這些細胞因子的水平。Strijbos和 Rothwell(1995)已經發現無論IL-1的水平有多么低,其在谷氨酸鹽誘導的培養條件下的神經細胞系統的神經退行性模型中都起到緩解的作用。而高濃度的IL-1(1994)自身卻會誘導神經毒性。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的神經死亡起到保護作用。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毒性。盡管在這兩項研究中使用了不同的細胞系,但這兩個相反的結果仍然可能是因為不同濃度的TNF-α的作用。

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

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

慢性外周感染后引起的特定神經退行性形式

據前所述,目前已經很清楚在CNS中細胞因子不能簡單的被歸為朋友或者敵人。理解在CNS中細胞因子的生理性作用轉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中細胞因子的病理生理學特征。人類中感染了睡病蟲這種寄生蟲的患者會出現非洲昏睡病的病癥,這是一種嚴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,這些寄生蟲被發現寄居在脈絡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(Schultzberg等,1988),它們依然會通過刺激外周免疫細胞分泌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-細胞因子介導的生理反應。這包括了發熱,病態行為和食欲下降。在感染的下一階段,會出現許多神經病理學方面的癥狀諸如：失眠、沮喪、記憶丟失、認知障礙、幻覺、躁狂性發作和癲癇性發作(Dumas and Bouteille,1996)。將感染了布氏錐蟲的大腦中細胞因子的表達和神經病理學聯系起來很可能提供了一個獨一無二的揭示在CNS中細胞因子何時以及怎樣表達會導致非病理性的效應轉化為神經毒性的效應的機會。

我們發現在感染了布氏錐蟲的大鼠中細胞因子呈現持續性的表達(Quan等,1999b)。在感染22天后觀察到IL-1β和TNF-α mRNA表達的升高,并且這一現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細胞發現了散在的凋亡細胞。

第36天,在迷走神經的兩側,外側嗅束和海馬喙中發現了嚴重的神經纖維退化。散在的退化的纖維同樣也在脊髓三叉神經核,薄束核內側緣,深部小腦核和小腦下腳,側丘腦和幾個靠近側腦室的纖維束中被發現。在這些退化的神經纖維中難以見到退化的神經元細胞伴隨其中。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現了凋亡的非神經細胞。

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

有趣的是,當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,發現其CNS中IL-1和TNF-α的表達增強了,上述提及的神經退行性被顯著的放大了,并且幾個新型的神經退行性表現也被誘導出現(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胞因子在CNS的表達可能是神經毒性的。不同水平的這些細胞因子可能導致神經退化表現形式上質的不同。大腦中也可能存在特定的對CNS細胞因子極為脆弱的結構與細胞型。我們目前在使用敲除細胞因子受體的同時感染布氏錐蟲的小鼠來驗證這些假設。

推論

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