P2X7R介導的神經炎癥在神經精神疾病中的作用

黃亞迪，楊坤麗，2，李雪盼，賈肖揚，李東亮,2※

(1.新鄉醫學院生理學與神經生物學教研室，河南 新鄉 453003； 2.新鄉醫學院三全學院，河南 新鄉 453003)

神經精神疾病包括精神分裂癥、重度抑郁癥和帕金森病(Parkinson′s disease,PD)等，其病因尚無定論，除遺傳和環境因素外，神經炎癥可能是導致神經精神疾病的潛在原因[1]。神經精神疾病患者腦脊液和腦組織中多種炎癥標志物高表達，也為神經炎癥在神經精神障礙發病中的重要作用提供了有力支持[2]。此外，某些先天性免疫功能改變不僅可引起腦的病理損傷，還可能影響神經精神疾病的發生、發展。有研究表明，小膠質細胞活化同樣與神經精神疾病相關[3]。小膠質細胞是中樞神經系統的先天性免疫細胞，它通過對病原體的應答從而介導神經炎癥反應。小膠質細胞的激活能進一步導致促炎性因子的釋放，從而引起神經元的損傷和丟失[4]。除小膠質細胞外，星形膠質細胞和神經元異常活動也可能參與炎癥的進程[5]。如果神經炎癥在神經精神疾病的發病機制中起關鍵作用，那么抗感染治療可能會為治療這些疾病帶來希望。

在中樞神經系統中,嘌呤能P2X7受體(purinergic P2X7 receptor，P2X7R)活化激活小膠質細胞，釋放炎性因子從而引起神經炎癥。作為以腺苷三磷酸(adenosine triphosphate,ATP)為配體的離子門控通道P2X受體家族中的一員，P2X7R在小膠質細胞中高水平表達[6]。小膠質細胞是白細胞介素(interleukin,IL)-1β釋放的主要來源，但近年來研究表明神經元釋放IL-1β同樣重要[7]。Chrovian等[8]研究發現，受損細胞釋放的高濃度ATP刺激P2X7R，可增加前列腺素E2的合成，導致損傷相關分子模式分子的釋放，啟動神經炎性級聯反應。此外，P2X7R膜孔的形成可能是激活炎性體所必需的[9]。現對P2X7R介導的神經炎癥與神經精神疾病的關系進行綜述，擬為今后的神經精神疾病靶向藥物研究提供新思路。

1 P2X7R的分布與膜孔形成

在1976年，Burnstock等首次報道了嘌呤受體[10]。嘌呤能受體可分為兩大類:P1和P2受體，P2受體家族包含G蛋白偶聯P2Y受體(P2Y1,2,4,6,11～14)和配體門控離子通道P2X受體(P2X1～7)[7]。P2X受體分布廣泛，體內呼吸、消化、心血管、泌尿生殖、骨骼肌和神經系統均有分布，由胞內的N端和C端，2個跨膜區和1個胞外環結構組成[11]。P2X7R具有特殊的結構和功能，含有大量的單核苷酸多態性，編碼人P2X7R的基因與雙相情感障礙及抑郁癥的易感性相關[12]。與其他P2X受體相比，P2X7R具有較長的C端，且表現有雙相功能：與ATP結合，數毫秒內即可誘導非選擇性陽離子通道的開放；可數秒內形成一個大的膜孔，允許分子量為900的分子通透，導致炎性細胞因子釋放和細胞死亡[10]。P2X7R介導的質膜孔道開放機制目前仍不清楚[13]。質膜孔道的形成可能受P2X7R不同部位的影響，特別是其獨特的C端區。有學者設想P2X7R通道可以隨通透發展而逐漸擴張[9]。然而，近年來研究表明P2X7R膜孔的孔徑大小無變化，抑制膜孔形成的化合物對離子通道功能無影響。總之，膜孔形成是由于通道內徑擴大還是P2X7R介導的下游信號轉導造成的仍有待明確[14]。然而，P2X7R膜孔形成的后果是膜電位的降低、促進谷氨酸釋放、膜對大分子的通透性增加以及促凋亡級聯信號的激活[9]。

P1和P2受體在大腦中高度表達，因此P1和P2受體的激活可調節一些正常的行為，如學習和記憶、睡眠和覺醒、情緒等。當然，這些受體的異常也可能涉及神經精神疾病[11]。神經系統中，P2X7R首先在小膠質細胞與星形膠質細胞中被發現，并且ATP是唯一已知的P2X7R的天然激活劑。值得注意的是，急性細胞損傷或死亡將導致大量的ATP和促炎細胞因子釋放到細胞外環境中，而促炎細胞因子又可以增強P2X7R的表達以及對ATP刺激的靈敏度[15]。

2 P2X7R激活與神經炎癥

P2X7R激活可通過許多特異性信號轉導途徑影響細胞的功能，包括含有Nod樣受體蛋白3(Nod-like receptor protein 3，NLRP3)炎癥小體的活化、IL-1等細胞因子的加工和釋放、活性氧類、吞噬溶酶體的形成等[16]。P2X7R活化打開陽離子通道，激活包括炎性體在內的若干通路，激活蛋白激酶和促分裂原活化的蛋白激酶途徑，導致細胞凋亡。除通道功能外，P2X7R通過NLRP3炎性復合體促進炎性細胞因子IL-1β和IL-18的釋放研究得最充分[17]。NLRP3炎癥小體作為轉導危險信號和炎癥發生的主要胞內蛋白復合體，可進一步激活胱天蛋白酶1促進IL-1β的加工分泌，將P2X7R與IL-1β釋放偶聯[18]。P2X7R在血細胞中大量表達，因此血液中的IL-1β已被用作P2X7活性的生物標志物，并已用于臨床評估[19]。近年來對NLRP3炎癥小體激活和IL-1β分泌機制的研究結果表明，K+滲出是激活NLRP3復合體的常見信號。胞內K+濃度下降，激活IL-1β轉換酶，促進IL-1β和IL-18前體蛋白向成熟蛋白轉化[20]。巨噬細胞的P2X7R被激活時，除通過NLRP3炎癥小體誘導的IL-1β和IL-18釋放外，也促進腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)等其他細胞因子的釋放。這些均表明P2X7R在活化炎性細胞釋放炎性因子中的重要角色。ATP激活P2X7R也促進巨噬細胞活性氧類的產生[21-22]。在骨髓細胞中，活性氧類生成增加的結果之一是促進IL-1β分泌。早期的報道表明，P2X7R誘導星形膠質細胞釋放興奮性氨基酸，如谷氨酸和天冬氨酸。P2X7R也可通過激活多種轉錄因子影響基因表達，具有誘導細胞凋亡的能力[23]。

神經炎癥是指發生在中樞神經系統及周圍神經系統中的炎癥反應。感染、高熱、缺血或缺氧等多種因素均可引起神經炎癥的發生[24]。近年來P2X7R介導中樞神經系統障礙的疾病通路機制逐漸明確[15]。如上所述，P2X7R在星形膠質細胞和小膠質細胞中表達，并且隨各種疾病狀態表達上調。缺氧、局部缺血、機械損傷、細菌或化學毒素等應激信號引發P2X7R活化，大量ATP釋放并進一步激活相鄰細胞上的P2X7R[25]。隨著Ca2+通過受體離子通道流入，P2X7R活化機制如下：①通過胞吐和其他機制從神經末梢和星形膠質細胞釋放谷氨酸，引起興奮性毒性；②促進IL-1β成熟，并通過NLRP3炎癥小體和其他促進神經炎癥的細胞因子進一步釋放，參與神經炎癥；③增強活性氧類產生，從而加重蛋白錯誤折疊和神經元損傷；④直接或間接導致細胞死亡和反應性星形膠質細胞增生；⑤直接或間接下調腦源性神經營養因子的產生和神經可塑性, 見圖1[26]。

Stress signal:應激信號；AD:阿爾茨海默病；PD:帕金森病；HD:亨廷頓病；SE:癲癇持續狀態；ALS:肌萎縮側索硬化癥；MS:多發性硬化癥；Pain:疼痛；Mood disorders:情緒障礙；Nerve terminal:神經末梢；Cell death/reactive gliosis:細胞凋亡/膠質反應性增生；BDNF:腦源性神經營養因子；ATP:腺苷三磷酸；GLU:谷氨酸；NMDA:N-甲基-D-天冬氨酸受體；Protein misfolding:蛋白質錯誤折疊；Excitotoxicity:興奮性毒性；Neuro inflammation:神經炎癥；P2X7R:P2X7受體；ROS:活性氧類；TNF-α:腫瘤壞死因子α；IL-1：白細胞介素1；Panx1:泛連接蛋白1；TLR4:Toll樣受體4；proIL-1β：IL-1β前體；Astrocyte:星形膠質細胞；Microglia:小膠質細胞；NLRP3:Nod樣受體蛋白3

圖1P2X7R介導神經炎癥及其在常見神經精神疾病中的致病機制

3 P2X7R介導的神經炎癥與神經精神疾病

目前認為IL-1β作為神經炎性介質在神經精神疾病的發生發展中起重要作用。患者炎癥相關免疫基因富集的證據提示，神經炎癥與抑郁癥、雙相情感障礙和精神分裂癥常共同發病并非巧合，而恰恰是內在因果聯系的表現[27]。精神分裂癥、抑郁和焦慮、PD、多發性硬化癥(multiple sclerosis，MS)、肌萎縮側索硬化癥、亨廷頓病(Huntington′s disease，HD)和癲癇均有炎癥物質的表達[26]。近年來文獻報道，使用P2X7R拮抗劑可治療以炎癥為特征的神經退行性疾病、可減輕輻射損傷，是預防創傷性腦損傷和脊髓損傷后繼發性神經損傷，可改善腦缺血損傷的預后，預防少突膠質細胞的缺血性損傷等[28]。近年來P2X7R拮抗劑用于治療精神疾病的研究也得到進展，氯丙嗪、氟哌啶醇等幾種抗精神病藥物可以拮抗P2X7R介導的反應，通過抑制P2X7R進而降低多巴胺能遞質系統活動起到治療作用[16]。因此，開發能透過血腦屏障的P2X7R拮抗劑作為抗精神疾病的藥物受到廣泛關注。越來越多的文獻強調，P2X7-IL-1β通路在心境障礙包括抑郁癥和雙相情感障礙中的作用[7，15，22]。

3.1精神分裂癥 精神分裂癥涉及感知覺、思維、情感和行為等多方面的障礙以及精神活動的不協調。一般認為，精神分裂癥屬于神經發育障礙，胎兒期腦中促炎細胞因子增多和小膠質細胞激活的增強常導致腦發育異常，致使患精神分裂癥概率增大。研究發現精神分裂癥患者腦脊液中促炎性因子水平明顯升高，神經炎癥可能是精神分裂癥的病因之一[29]。鑒于小膠質細胞和神經炎癥在精神分裂癥中的作用，P2X7R作為精神分裂癥的潛在分子參與者也基本得到證實[30]。在使用苯環己哌啶誘導的嚙齒動物精神分裂癥模型中，P2X7R的遺傳缺陷和藥物抑制減輕了類似精神分裂癥的行為改變，也表明P2X7R可能是精神分裂癥潛在治療靶點。

3.2抑郁癥 抑郁癥又稱抑郁障礙，以顯著而持久的心境低落為主要臨床特征，是心境障礙的主要類型。臨床和動物研究表明，應激刺激與抑郁癥發生、發展過程密切相關。慢性應激刺激時，大腦中P2X7R mRNA上調和小膠質細胞激活，小膠質細胞的活化又促進了IL-1β等炎性細胞因子的釋放[5]。脂多糖誘導的抑郁癥小鼠模型的IL-1β和TNF-α水平明顯上調，抑制P2X7/核因子κB信號通路，則可有抗抑郁的效果[31]。同樣有研究指出，IL-1β不僅與老年抑郁癥和產后抑郁癥產生有關，其水平還與抑郁的嚴重程度呈正相關[11]。在壓力誘導的抑郁動物模型研究中顯示IL-1β信號轉導對抑郁樣表型的發展至關重要[32]。P2X7R敲除小鼠表現出抗抑郁和抗狂躁表型，而P2X7R拮抗劑考馬斯亮藍的抗抑郁作用也已報道。綜上所述，P2X7R可能與抑郁癥的發生發展密切相關。

3.3癲癇 癲癇是一組以反復發作大腦神經元突發性異常放電，導致短暫大腦功能障礙的慢性疾病。癲癇可發生在所有年齡段的人群，全球約有6 000萬人患有該病[33]。與一般人群相比，癲癇患者的預期壽命縮短2%～10%，病死率增加2～3倍，伴有一系列共患疾病的風險增加4倍，如抑郁和焦慮等影響生活質量的神經精神疾病[33]。持續神經變性、血腦屏障通透性增加和細胞外基質重組是癲癇特征性改變。研究表明，癲癇的這些改變是基于星形膠質細胞和小膠質細胞激活而引發的[33]。靜息狀態時腦小膠質細胞表達P2X7R，遇到刺激時小膠質細胞激活并釋放IL-1β調節神經炎癥反應，加劇癲癇發生[34]。神經炎性可以增加神經元興奮性，降低癇性發作的閾值，介導神經元凋亡等，在癲癇發病中起重要作用[35]。在癲癇患者和實驗模型中發現促炎癥細胞因子(如IL-1β和TNF-α)的釋放均增加。Rodriguez-Alvarez 等[36]研究發現，P2X7R拮抗劑可有效控制缺氧誘導的新生小鼠癲癇發作,聯合使用P2X7拮抗劑考馬斯亮藍和A-438079后也縮短了癲癇持續狀態時程。由此可見，P2X7R和NLRP3炎癥小體在癲癇發作中在扮演著重要角色，可能成為治療癲癇發作的重要靶點。

3.4PD PD是一種中老年人常見的進行性腦病，主要涉及運動、語言和其他能力的障礙，如四肢的靜止震顫，肌肉強直，姿勢失衡和運動遲緩。PD的病理特征是黑質致密部多巴胺能神經元的逐漸丟失和投射至紋狀體區的多巴胺遞質減少[37]。α突觸核蛋白是中樞神經系統突觸前及核周表達的可溶性蛋白質，它與PD的發病機制和相關功能障礙密切相關[38]。研究發現，腦內α突觸核蛋白積聚可觸發大量ATP釋放，從而激活小膠質細胞上的P2X7R，增加活性氧類的產生進而激活NLRP3炎癥小體，引起IL-1β的異常產生和釋放，導致多巴胺能神經元的損傷[39]。同時，P2X7R在長時間較高濃度ATP的刺激作用下形成質膜孔道，也可導致多巴胺能神經元變性、壞死，而P2X7R拮抗劑考馬斯亮藍可以阻斷這一進程[40]。此外，P2X7R活化可能又有助于α突觸核蛋白聚集，加重PD病情[41]。因此，P2X7R與PD的發生密切相關，抑制其活化可能對PD患者有重要的臨床意義。

3.5HD HD是由神經元中亨廷頓蛋白的IT15基因突變引起的遺傳性神經疾病，其癥狀包括運動癥狀、認知功能障礙及精神障礙，多發生于40歲左右的成年人。需要指出的是，正常的亨廷頓蛋白本身具有多種功能，而亨廷頓蛋白變異則會導致功能紊亂。舞蹈癥是HD的典型癥狀，所以這一疾病也被稱作亨廷頓舞蹈病。HD是由于紋狀體和大腦皮質神經元亨廷頓蛋白變異所造成的神經毒性作用，最終導致神經元功能障礙。有證據表明，阻滯ATP生成可降低HD腦細胞死亡[42]。在Tet/HD94和R6/1兩種HD小鼠模型中，神經元P2X7R表達以及P2X7R誘導的Ca2+通透性增加，而用P2X7R拮抗劑考馬斯亮藍可改善運動協調障礙和減輕體重，同時抑制神經元損失[43]。以上研究均表明P2X7R可能在HD的發生演化中有重要作用，且P2X7R拮抗劑有望成為HD的治療藥物。

3.6MS MS是中樞神經系統的進行性疾病。據估計全球約250萬人MS患者，其癥狀包括運動障礙，認知、視覺和感覺缺陷，疲勞和疼痛等，在25～45歲青壯年高發，其病因尚不清楚[44]。據研究，環境和遺傳因素在疾病發展中起作用[44]。MS以彌漫性軸索損傷、星形膠質細胞和小膠質細胞增生、少突膠質細胞損傷、炎性病灶損傷和T細胞的活化為特征[44]。實驗性自身免疫性腦脊髓炎(experimental autoimmune encephalomyelitis,EAE)小鼠是目前認可的MS動物模型，P2X7R在EAE小鼠中過表達[45]。進一步研究發現，敲除P2X7R的EAE小鼠，中樞神經系統淋巴細胞凋亡的數量減少，脊髓中γ干擾素的表達增加，軸突損傷減輕而TNF-α和IL-2水平基本無改變。在EAE小鼠慢性期給予P2X7R拮抗劑后，軸突傳導和神經系統潛伏期得到改善，癥狀和組織損傷減輕，髓鞘再生增加[45]。Yiangou等[46]提出了MS的P2X7R機制：星形膠質細胞死亡引起的細胞外ATP水平增加，激活小膠質細胞和巨噬細胞中的P2X7R，從而刺激IL-1β產生和釋放。IL-1β又引發炎癥和組織損傷，誘導環加氧酶2的產生，加劇細胞凋亡。值得一提的是，P2X7R拮抗劑(考馬斯亮藍)用于治療MS的神經變性已獲得專利(EP1655032B1)，為臨床和研究提供了新的工具[47]。

4 小 結

神經精神疾病的醫療需求在迅速增加，而目前的治療策略并沒有理想的臨床效果。P2X7R作為神經元-神經膠質通訊的關鍵調節位點，參與神經保護，神經變性和神經再生相關信號轉導途徑的調節，已成為神經精神疾病新的治療干預的靶點而受到關注。臨床試驗中的P2X7R拮抗劑即將作為神經精神障礙的輔助藥物而應用。已有的證據表明P2X7R介導小膠質細胞的活化和促炎性因子共同作用是許多神經精神疾病發生發展的重要原因[13]。因此，通過進一步明確P2X7R在神經炎癥中的作用機制，明確其中重要的信號通路和靶點，可能為神經精神疾病臨床治療藥物的開發提供新思路。