神經炎癥介導的帕金森病運動防治研究進展

劉靜 司景梅

(呂梁學院體育系，山西 呂梁 033000)

帕金森病(PD)是一種與年齡相關、起病隱匿且緩慢進展的神經退行性疾病,臨床表現為靜止性震顫、運動啟動困難、肌肉僵直和姿勢步態平衡障礙,神經病理上主要以黑質致密部(SNpc)多巴胺(DA)能神經元進行性喪失,神經膠質增生,殘存的DA神經元內出現以ɑ-突觸核蛋白為主要成分的嗜酸性包涵體路易小體沉積為特征〔1，2〕。PD的病因目前尚不完全清楚，盡管多年來人們提出了多種可能的致病機制,包括在酶促DA降解過程中氧自由基的過度釋放、線粒體功能障礙、營養支持喪失、激酶活性異常、鈣穩態紊亂、蛋白質穩態失衡、谷氨酸興奮性毒作用、自噬缺陷和神經炎癥等,但PD的發病機制在很大程度上仍是不確定的〔3〕。新的證據表明,持續性神經炎癥反應、T細胞浸潤和膠質細胞活化是人類PD患者和PD動物模型的共同病理特征,在DA神經元變性和紋狀體中等多棘神經元形態結構重塑及與PD相關的行為/運動功能障礙中起重要作用〔4，5〕。運動是預防神經炎癥相關疾病的一種有效干預措施〔6〕。Real等〔7〕和Svensson等〔8〕研究表明,運動干預可使PD模型動物黑質-紋狀體腦區促炎性細胞因子及激活的星形膠質細胞和小膠質細胞的水平顯著降低,并改善與PD相關的行為/運動功能障礙癥狀。本文就神經炎癥在PD進展中的作用及運動介導的抗炎因子激活在PD運動防治中的作用進行綜述。

1 小膠質細胞介導的PD神經炎癥

小膠質細胞是參與中樞神經系統(CNS)炎癥反應的主要細胞類型之一〔9〕。有關神經炎癥參與PD發病機制的證據最早發表在1988年,McGeer等〔10〕對PD患者死后腦組織進行尸檢發現SNpc中存在反應性小膠質細胞。正電子發射斷層掃描(PET)研究也表明,在PD腦的不同區域有明顯的小膠質細胞活化〔11〕。此外,在不同類型PD動物模型的SNpc和紋狀體中,發現明顯的小膠質細胞異常活化〔12,13〕。進一步生化分析顯示,PD患者中腦內腫瘤壞死因子(TNF)-α、白細胞介素(IL)-1β和干擾素(IFN)-γ等促炎介質水平較高。這些證據有力地提示免疫成分參與PD的發病。

生理條件下,神經細胞產生多種免疫調節因子如C-X3-C趨化因子配體(CX3CL)1、分化簇(CD)200、CD22、CD47、CD95和神經細胞黏附分子(NCAM)來維持小膠質細胞的靜息狀態〔14〕，并且,這些免疫調節因子的受體幾乎完全由中樞神經系統中的小膠質細胞表達,表明神經元-小膠質細胞相互作用在調節神經炎癥中的關鍵作用。如CX3CL1-CX3CR1信號負調控小膠質細胞的激活,并保護DA神經元免受神經毒素誘導的變性〔15〕。體內CX3CL1或CX3CR1的缺乏會導致全身性脂多糖(LPS)處理誘導的神經毒性增加,并在PD動物模型的SNpc中增加DA神經元的細胞死亡〔16〕。同樣,CD200-CD200R信號功能障礙也會增加小膠質細胞的激活,并加劇PD模型大鼠SNpc DA能神經元的變性〔17〕。

PD腦中小膠質細胞的長期過度激活顯著上調包括TNF-α,IL-1β,IL-6和IFN-γ等一大批促炎性細胞因子的表達,加速SNpc DA神經元變性〔18〕。隨著疾病的發展,α-突觸核蛋白、三磷酸腺苷(ATP)和基質金屬蛋白酶(MMP)-3等分子從變性的DA神經元中釋放出來,將進一步增強小膠質細胞的激活,放大腦內的神經炎性反應,導致神經退變過程的惡化,形成神經退變的惡性循環。活化的小膠質細胞聚集在PD腦許多區域α-突觸核蛋白陽性聚集物周圍,從而被過量產生的、突變的或錯誤折疊的α-突觸核蛋白激活,導致促炎性細胞因子產生和釋放增加〔19，20〕。因此,過多或錯誤折疊的α-突觸核蛋白誘導的神經毒性可能部分由小膠質細胞介導的炎癥反應引起。

ATP,一種嘌呤能神經遞質,也能夠穩定地調節小膠質細胞的各種功能〔21〕。小膠質細胞向受損和炎性區域的遷移受受損神經元和鄰近星形膠質細胞釋放的ATP的控制〔22〕。此外,ATP與嘌呤受體亞型2Y(P2Y)受體結合,P2Y受體主要由腦中的小膠質細胞表達,并誘導高水平的IL-1β,TNF-α和一氧化氮(NO)的產生〔23〕。神經元退變產生的另一種蛋白是MMP-3,它在調節小膠質細胞的激活狀態中也發揮重要作用。MMP-3在小膠質細胞-神經元共培養物中的過表達誘導小膠質細胞的顯著活化并增加氧化應激反應。相反,注射N-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶(MPTP)的MMP-3-/-小鼠顯示出黑質紋狀體DA神經元變性,小膠質細胞活化和超氧化物生成減弱〔24〕。這些結果均表明,小膠質細胞是PD發病機制中神經炎癥的主要參與者(圖1)，PD病理狀態下蛋白質聚集、基因突變、環境因素和細胞因子浸潤等條件下小膠質細胞活化。小膠質細胞激及由小膠質細胞活化而激活的星形膠質細胞導致促炎因子NO和超氧自由基增加，導致神經病變性。退傷性多巴胺神經元釋放的ATP、α-synaptophsin活性氧簇、NO、細胞碎片等可進一步激活膠質細胞活化和炎癥反應。

圖1 炎癥機制參與PD的發病機制

2 星形膠質細胞介導的PD神經炎癥

大量研究表明,星形膠質細胞在PD的神經炎癥過程中也起著重要作用。與小膠質細胞一樣,星形膠質細胞在體外和體內都通過產生促炎細胞因子來響應炎癥刺激,如LPS、IL-1β和TNF-α〔25〕。以膠質纖維酸性蛋白(GFAP)表達水平升高、胞體肥大和突起增粗為特征的反應性星形膠質增生在多種PD動物模型中均有報道。重要的是,PD患者的受累腦區也存在星形膠質細胞增生,這表明星形膠質細胞可能參與了PD的免疫過程〔26〕。研究發現,星形膠質細胞在刺激后的反應相對慢于小膠質細胞的激活。小膠質細胞可能在LPS和α-突觸核蛋白聚集等免疫刺激后啟動炎癥反應。隨后,星形膠質細胞被從活化的小膠質細胞釋放的各種促炎分子激活,并被星形膠質細胞進一步放大。小膠質細胞和星形膠質細胞的協同活化引起的不受控制的神經炎癥最終導致神經退行性變過程中SNpc DA神經元的死亡增加〔27〕。體外原代培養星形膠質細胞經α-突觸核蛋白處理后,TNF-α和IL-6表達水平顯著升高〔28〕。突變型α-突觸核蛋白在星形膠質細胞中的特異性過表達導致小鼠廣泛的星形膠質細胞增生、小膠質細胞活化和DA神經元和運動神經元的變性〔29〕。

3 PD相關基因與神經炎癥

越來越多證據表明,一些PD相關基因參與了中樞神經系統小膠質細胞和星形膠質細胞的免疫應答調控，其中一種就是α-突觸核蛋白基因,其錯義突變會導致家族性PD〔30〕。神經元胞質和神經突中ɑ-突觸核蛋白的異常聚集是PD的病理特征之一〔31〕。野生型或致病性的α-突觸核蛋白在體外誘導明顯的小膠質細胞活化〔32〕。此外,α-突觸核蛋白的低聚物可通過激活Toll樣受體(TLR)2介導的信號傳導引發小膠質細胞激活〔33〕。在α-突觸核蛋白轉基因小鼠中,腦干和SNpc中的小膠質細胞顯著激活,TLR顯著上調〔34〕。

近年來,富亮氨酸重復序列激酶LRRK2基因的常見變異已被確認為家族性和散發性PD的危險因素〔35〕。如LPS之類的炎性刺激可以極大地增強原代培養的小膠質細胞中LRRK2的表達水平〔36〕,而敲除LRRK2則可降低LPS誘導的TNF-α和誘導型NO合酶(iNOS)的產生,并降低小膠質細胞中核因子(NF)-κB轉錄活性的激活〔37〕。此外,從LPS激發的過表達LRRK2 突變體R1441G的轉基因小鼠中分離出的小膠質細胞中,促炎細胞因子的表達水平高于LPS處理的WT小鼠的小膠質細胞〔38〕。這些結果提示,LRRK2可調控小膠質細胞的激活,從而可能通過神經炎癥途徑參與PD的進展。值得注意的是,LRRK2已被證明在外周炎癥中發揮關鍵作用。LRRK2在外周血單核細胞和免疫系統巨噬細胞中相對豐富，LRRK2的表達水平在急性單核白血病細胞系(THP)-1單核巨噬細胞分化過程中顯著升高〔39〕。LRRK2缺失導致小鼠對實驗性結腸炎的易感性增強,提示LRRK2在外周炎癥中的重要作用及其與PD的潛在關聯〔40〕。

Parkin是另一個與PD相關的基因,編碼E3-泛素連接酶。 Parkin突變是PD隱性遺傳的最常見原因〔41〕。與同窩對照相比,系統LPS處理可在Parkin基因敲除小鼠的SNpc中引起更明顯的DA神經元變性〔42〕。Parkin基因敲除的老年小鼠紋狀體星形膠質增生增高,中腦小膠質細胞活化異常〔43〕。將Parkin基因敲除小鼠的小膠質細胞與野生型神經元共培養,會增加神經元對魚藤酮毒性的脆弱性〔44〕,這表明無Parkin的小膠質細胞會產生并釋放對神經元細胞有害的可溶性因子。事實上,這些小膠質細胞在LPS刺激后表達更高水平的促炎細胞因子,如TNF-α,IL-6 和iNOS〔45〕,這暗示Parkin在PD相關炎癥的調節中發揮重要作用。

磷酸酶和張力蛋白誘導的假定激酶(PINK)1基因的錯義突變會導致早發性,隱性遺傳形式的PD〔46〕。在病理條件下,PINK1直接磷酸化Parkin以增強其活性并引起線粒體損傷〔47〕。PINK1也參與炎癥性細胞因子的產生。在基礎條件下和系統LPS處理后,PINK1基因缺失的小鼠產生更高水平的促炎細胞因子,包括IL-1β,IL-12和TNF-α。PINK1可能通過與IL-1受體相關激酶(IRAK)1和Toll樣蛋白相互作用蛋白(Tollip)相互作用來調節IL-1β介導的NF-κB活性〔48〕。

研究表明,PD相關基因之一PD蛋白7(DJ-1)主要在人腦的星形膠質細胞和小膠質細胞中表達,PD患者反應性星形膠質細胞中DJ-1的表達水平明顯上調〔49〕。DJ-1基因敲除小鼠的星形膠質細胞在LPS處理后產生更高水平的環氧合酶(COX)2和IL-6。DJ-1缺失的星形膠質細胞在LPS處理后出現嚴重的凋亡,這表明DJ-1的缺失可能通過星形膠質細胞介導的神經炎癥反應參與PD發病〔50〕。同樣,DJ-1敲出的小膠質細胞也表現出對LPS的高反應性〔51〕。綜上所述,PD相關基因的突變、下調或過表達很可能會影響LPS處理后神經膠質細胞中促炎性細胞因子的表達。

4 外周免疫細胞介導的PD神經炎癥

在生理條件下,外周免疫細胞如T淋巴細胞和B淋巴細胞在中樞神經系統中幾乎檢測不到。在感染或組織損傷后,血液單核細胞和組織巨噬細胞迅速被激活并分泌一系列炎性細胞因子,如IL-1β,TNF-α和IL-6及趨化因子。這些細胞因子和趨化因子可進入大腦并刺激小膠質細胞引發神經炎癥反應〔52〕，由于存在BBB,中樞神經系統被認為具有免疫豁免權。眾所周知,神經血管單位是由內皮細胞與中樞神經系統的周圍成分(包括周細胞、星形膠質細胞和基底膜)緊密連接而成的。BBB限制病原體和外周免疫細胞進入腦實質。BBB破壞導致外周免疫細胞向中樞神經系統的浸潤增加,這已被確定為包括PD在內神經退行性疾病的主要促成因素之一〔53〕。PD腦SNpc中內皮細胞的形態發生了巨大變化,表明BBB在PD的病理過程中可能存在功能障礙〔54〕。一些研究表明,通過在小鼠體內注射血管內皮生長因子(VEGF),血腦屏障破壞和DA神經元丟失之間存在很強的相關性,VEGF是血腦屏障損傷的一種有效誘導因子〔55〕。此外,在PD患者和MPTP誘導的小鼠PD模型中,VEGF表達水平都急劇增加〔56〕。在腺相關病毒(AAV)介導的過表達α-突觸核蛋白的小鼠的SNpc中,激活的小膠質細胞和浸潤的B和T淋巴細胞的數量顯著增加。此外,在MPTP處理的小鼠中,硝基化的α-突觸核蛋白可以通過BBB進入頸部淋巴結,引起T淋巴細胞的激活,并增加Ⅱ類主要組織相容性復合體的表達，將硝基化的α-突觸核蛋白免疫小鼠的T細胞移植到腦內,明顯加劇了神經炎性反應和DA神經元的變性。相反,缺乏T和B淋巴細胞的小鼠對MPTP毒素引起的神經毒性更具抵抗力。此外,MPTP誘導的神經毒性在CD4-/-小鼠的SNpc中顯著減弱。潰瘍性結腸炎引起的外周炎癥增加了脂多糖誘導的DA神經元變性、小膠質細胞激活、促炎細胞因子的產生和BBB的通透性〔57〕。這些數據表明,外周免疫系統介導的神經炎癥與PD進展密切相關。

5 運動與PD神經炎癥

為了應對與運動有關的刺激和輕度損傷,機體通過產生與抗炎癥有關的因子來激活內源性保護和恢復系統,對中樞神經系統內、外細胞因子水平產生顯著影響,從而在維持和改善腦健康中起著重要作用。Real等〔58〕研究表明,跑臺運動干預 (4 w,3 d/w,40 min/d,10 m/min)可使6-羥基多巴胺(OHDA)誘導的PD模型大鼠黑質、紋狀體CD-11c/b和GFAP表達水平顯著降低,并使運動功能障礙顯著改善(阿撲嗎啡誘導的旋轉圈數顯著減少)。Koo等〔59〕研究表明,跑臺運動干預 (8 w,5 d/w,60 min/d,10 m/min)可顯著降低MPTP誘導的PD模型小鼠神經炎癥,并使運動功能障礙顯著改善。具體表現為反應小膠質細胞激活程度的標記物(Iba)-1及促炎細胞因子NF-κB、TNF-α和IL-1β的表達水平顯著降低,從轉棒上掉落的延遲時間顯著增加。Jang等〔60〕研究表明,8 w跑臺訓練可使MPTP模型小鼠DA能神經元丟失顯著減少,促炎性細胞因子TNF-α和IL-1β表達水平顯著降低；Wu等〔61〕研究表明,4 w跑臺訓練完全阻止脂多糖(炎癥反應)誘導的黑質DA能神經元丟失及運動功能障礙,促炎性細胞因子如TNF-α、IL-1β和IL-6表達水平顯著降低,黑質、紋狀體腦源性神經營養因子(BDNF)、膠質細胞源性神經營養因子(GDNF)及受體酪氨酸激酶(TrK)B表達水平可顯著增高。Sung 等〔62〕對MPTP誘導的PD模型小鼠進行研究表明,跑臺運動干預(4 w,5 d/w,30 min/d,12 m/min)可顯著抑制模型小鼠黑質紋狀體區小膠質細胞的激活(CD11b表達水平顯著降低,CD200和CD200R表達水平顯著升高),降低腦部炎癥iNOS、磷酸化的有絲分裂原活化蛋白激酶(p-MAPKs)、磷酸化的細胞外調節蛋白激酶(p-ERK)和磷酸化的應激活化蛋白激酶(p-JNK)表達水平顯著降低，減輕DA神經元丟失,改善PD相關行為功能障礙(平衡和協調運動能力顯著提高)。Zoladz 等〔63〕研究表明，8 w中等強度運動顯著提高PD患者血清腦源性神經營養因子水平，降低血清血管細胞黏附分子和血清TNF-α。這些研究結果均表明，在PD相關神經退行性變和運動功能障礙中運動可能通過促進抗炎分子的表達并降低促炎細胞因子的水平到保護和改善作用。

綜上，神經炎癥參與PD的發生與進展，PD神經炎癥反應既涉及神經膠質細胞活化又涉及外周免疫細胞浸潤。神經炎癥在PD中的確切作用機制需要進一步闡釋。運動作為一種非藥理學方法,可能通過增加抗炎分子并降低促炎分子的表達水平,在PD相關神經退行性變和運動功能障礙中起到保護和改善的作用,是防治PD相關疾病的有效干預措施。