大腦衰老過程中的免疫學機制研究進展

李基民，王文杰，尹秋麗，戎瑞雪

（河北大學醫學院，河北 保定 071000）

0 引言

腦神經元發生（Brain Neurogenesis）在人和小鼠的海馬齒狀回區（Dentated Gyrus of Hippocampus）和腦室下區（subventricular zone SVZ）普遍存在，且隨年齡的增長而減弱[1-3]；這一現象與記憶力減退、認知障礙等多種神經退行性變化有關[4]。具體的相關機制目前并不清楚，但最新的研究發現衰老個體大腦小膠質細胞激活量增加從而對海馬齒狀回區神經元發生產生影響，這一現象與大腦內皮細胞（Brain Endothelial CellsBECs）表面的粘附分子VCAM-1（CD106）有關[5]。另有研究團隊通過對不同年齡小鼠的SVZ 進行單細胞RNA 測序，發現老年個體這一區域存在T 細胞浸潤，同時發現浸潤的T 細胞是克隆擴增的，這表明它們可能經歷了特定抗原刺激[6]。這暗示，腦神經元發生隨年齡增長而減弱并表現出認知障礙可能與免疫系統有關。基于這兩項發現，下面將就VCAM-1 的相關研究和T 細胞對神經元的影響進行總結。

1 VCAM-1

1.1 分布、表達和功能。血管細胞粘附分子-1（Vascular cell adhesion molecule-1，VCAM-1/CD106）是Ig 超家族中的Ⅰ型跨膜糖蛋白，分子量100-110kDa，含有674 個氨基酸，廣泛分布于活化的內皮細胞、平滑肌細胞、巨噬細胞及成纖維細胞等細胞表面；其配體為VLA-4（α4β1），主要分布于白細胞表面[7-9]。此外VCAM-1 可以被膜結合金屬蛋白酶ADAM17 水解，組成性地脫落，產生可溶性VCAM-1（soluble VCAM-1 ，sVCAM-1）[9]。VCAM-1 在 體 內 炎癥反應部位的內皮細胞上調，促進白細胞通過整合素受體VLA-4 連接并轉移到組織中[10]。

關于VCAM-1 的表達調控，現有的研究發現在LPS 刺激人臍靜脈內皮細胞后可激活PI3K/Akt 信號通路，p-PI3K、p-Akt 快速增加，并上調 VCAM-1 表達。使用PI3K 和Akt抑制劑后發現二者可以濃度依賴性抑制 VCAM-1 表達，也可以抑制VCAM-1mRNA 含量變化；該通路可以通過轉錄水平控制VCAM-1 的表達[11]。此外多種免疫調節因子作用相應細胞可激活NF-κB 通路，其單獨或與其它因子協同作用，使VCAM-1 的表達增加[12]。

在VCAM-1 的功能方面仍在進行研究，目前認為VCAM-1 通過與相應配體VLA-4 特異性結合參與多種病理、生理過程[13-14]。總結主要有三個方面作用：

（1）參與免疫反應調節。白細胞穿血管內皮向炎癥聚集是炎癥反應中的重要生物學現象。VCAM-1 在白細胞的聚合、激發、牢固黏附和向炎癥局部組織移行的各個過程中均起著十分重要的作用[13]。

（2）參與免疫應答。通過體外試驗發現，VCAM-1 參與B 細胞的激活過程, 其可能是作為B 細胞的協同刺激分子而起作用[13-16]。

（3）參與淋巴細胞的歸巢及再循環。炎癥區域由于炎癥因子的作用可促進血管內皮細胞表達VCAM-1，并與效應T 細胞和記憶T 細胞上的受體VLA-4 結合，所以T 細胞可優先歸巢于炎癥組織部位。另外，VCAM-1 還有參與細胞和組織的分化、發育以及腫瘤的擴散、轉移等[15-17]。

1.2 VCAM-1 與大腦認知能力的關系。Tony Wyss-Coray等人的研究揭示了在海馬區內皮細胞黏附分子VCAM1 在調節大腦衰老功能中的新作用。他們最初實驗發現，年輕人或鼠的血漿注入老年個體循環系統可逆轉老年個體認知功能和突觸可塑性，反之老年人或鼠的血漿注入年輕個體循環系統會對年輕個體大腦認知能力產生損害[18]。進一步的研究結果使得科研人員得出假設：老年個體血漿中的炎癥因子包括TNF-α 和IL-1β，誘導VCAM-1 在大腦內皮細胞（Brain Endothelial Cell，BEC）表達；VCAM-1 促進白細胞在該區域黏附，但不促進其遷移，從而維持BEC 炎癥；發炎和活化的VCAM-1+BECs 向實質傳遞信號，激活小膠質細胞從而影響海馬齒狀回區神經元發生造成認知障礙[5]。

此前就有報道稱，人在正常衰老過程中血腦屏障的主要細胞BEC 會上調表達VCAM-1[19]，此外sVCAM-1 水平也隨血液老化而增加[20-21]。目前尚不清楚介導該現象的具體循環因子，但可以證實的是隨著年齡的增長，循環系統中細胞因子和對大腦有不利影響的趨化因子在血液中的水平增加，誘導內皮VCAM-1 的表達[5]。有趣的是，在680 名老年參與者中，sVCAM-1 水平與認知障礙和腦血管功能障礙呈負相關[22]。

值得注意的是，Tony Wyss-Coray 等人的研究團隊利用VCAM-1 抗體對老年小鼠進行治療，發現神經元發生水平改善、大腦功能障礙得到改善；同時實驗VCAM-1 基因敲除的小鼠也觀察到大腦衰老減慢的現象[5]。

Kokovay 等人結果表明，由于炎性細胞因子信號的增加，VCAM-1 在SVZ 的表達增加，亦會影響這一區域神經干細胞的增殖即神經元發生；心室內注射抗VCAM-1 抗體可激活該區域神經干細胞至增殖狀態[23]。

圖1 通過VCAM-1 激活海馬區小膠質細胞

圖2 應用抗VCAM-1 治療、恢復

2 T 細胞

2.1 T 細胞遷移進入大腦實質和對神經元產生的影響。由于血腦屏障的存在，與大多數組織器官相比，血細胞進入大腦實質在很大程度上受到限制[24-26]。積累的證據表明，T 細胞在一些自身免疫性、傳染性和退行性神經疾病中穿透進入中樞神經系統的實質[24-26]。與此同時我們不得不承認，中樞神經系統和免疫系統之間的相互作用存在平衡狀態，以使免疫系統能夠對抗入侵的病原體，同時防止該器官其重要功能和再生能力受到過度炎癥性損傷[27]。

T 細胞進入中樞神經系統可通過直接穿過毛細血管和毛細血管后微靜脈的血腦屏障，或間接通過脈絡叢和蛛網膜下腔進入腦脊液的途徑[28]。不管T 細胞進入中樞神經系統的途徑如何，它的滲透依賴于許多涉及整合素、選擇素和趨化因子的分子相互作用[29]。由T 細胞表達的α4β1 整合素與其配體血管細胞粘附分子（VCAM-1）和纖維連接蛋白之間的相互作用，似乎對有效穿透蛛網膜下腔的CD4+和CD8+T 細胞十分重要[30]。但是，兩個T 細胞亞群，遷移到中樞神經系統的要求有顯著差異。例如，腦內皮細胞組成性地表達MHC- I 類分子，因此僅允許抗原特異性的CD8 +T 細胞跨內皮細胞進入大腦實質[31]。此外，進入蛛網膜下腔的CD4+T 細胞需要由常駐抗原呈遞細胞（APC）重新激活才能進入腦實質[32]。相關的具體機制目前仍在研究當中。

關于對大腦的不利影響，中樞神經系統內T 細胞和APC的激活導致局部釋放炎癥細胞因子和細胞毒性分子，如穿孔素、顆粒酶、死亡配體、一氧化氮、活性氧、谷氨酸等，可導致神經系統損傷[33]。這一過程在多種神經系統損傷疾病和大腦衰老過程中被證實[34-35]。

另一方面，神經元和T 細胞相互作用存在有利的一面。活化的人CD8+ T 細胞以直接接觸但不依賴抗原的方式抑制軸突的生長，而活化的CD4+ T 細胞則可促進軸突的生長[36]。有趣的是，活化的T 細胞可以產生神經營養素，特別是腦源性神經營養因子[36-37]。

2.2 T 細胞在老年個體大腦中影響神經元發生。部分哺乳動物大腦中的神經干細胞集中于特定區域并與其他一些細胞共同構成神經源性小生境（neurogenic niches），隨著年齡的增長，神經源性小生境的功能減弱，但該機制仍不清楚[38]。

Anne Brunet 的團隊[6]近期通過單個細胞分析，觀察到老年小鼠神經源性小生境內存在T 細胞浸潤，這明顯有別與年輕個體（如圖3）。通過對這些T 細胞進行核酸分析，該研究團隊發現它們是克隆增殖的；這極有可能是因為T 細胞識別出了老年大腦中的特殊抗原（如圖4）。令人興奮的是，該團隊發現T 細胞可以通過分泌干擾素γ（Interferon-γ，IFN-γ），影響神經元發生。進一步研究發現T 細胞分泌的IFN-γ 在體內或體外均可對神經干細胞產生負面影響。

3 展望

隨著年齡的增長，腦神經系統退行性改變的機制人們仍在不斷研究。事實上，在神經元發生方面理解大腦衰老僅是其中一個方向。但是，近期Tony Wyss-Coray 團隊及Anne Brunet 團隊在海馬齒狀回區、SVZ 這兩個大腦重要神經元發生區域的發現，令人興奮。他們都為衰老期間神經元發生的下降提供了可能的原因，并提出了消除與年齡相關的認知障礙的途徑。不論是阻斷VCAM-1 還是阻斷IFN-γ 來改善大腦狀況，這些均在實驗室小范圍證實是可行的，但這些操作對于動物機體整體的影響尚不清楚，是否真正可行仍不明確，但這些足以讓我們得到在改善和治療大腦退行性病變方面的啟發。

在物質世界中，生命是神奇的。在探索生命衰老這一問題上，人們孜孜不倦。科學就是在不斷假設、推翻、證實中前進。科學家們在研究大腦衰老方面的腳步不會停止，更多的問題也會得以顯現，它們等待著我們去解決。

圖3 不同年齡個體T 細胞在SVZ 的數量分布

圖4 T 細胞核算分析