布魯氏菌在中樞神經系統內致病機制的研究進展*

趙云慧 趙世剛,2 馬曉瑋 趙若楠 王 媛

1 內蒙古醫科大學,內蒙古呼和浩特市 010000; 2 內蒙古醫科大學附屬醫院

布氏桿菌病是一種常見的人畜共患病,尤其是在發展中國家,最常見的感染方式為攝入被污染的食物或乳制品[1]。人布氏桿菌病可以影響多個系統,產生廣泛的臨床癥狀和體征[2]。神經型布氏桿菌病是其較為嚴重的并發癥,是由布魯氏菌屬侵入中樞神經系統(CNS)引起的神經退行性炎癥性疾病。研究指出,位于血液微循環和腦實質之間的血腦屏障(BBB)對于保護CNS免受細菌病毒入侵至關重要[3-4]。構成BBB的腦微血管內皮細胞是循環血液與CNS之間的動態接口,相鄰內皮細胞之間通過緊密連接相連,嚴重限制了細胞旁通透性[5],對大多數細菌病毒病原體有良好的防御作用。以下將介紹布魯氏菌穿過BBB在CNS內的致病機制。

1 布魯氏菌進入中樞神經系統——特洛伊木馬機制

BBB位于循環血液和CNS之間,由血管內皮細胞、周細胞和細胞外基質共同構成[4]。BBB是一種堅固且具有高度調節能力的物理屏障,對外源性神經毒性成分起到良好的阻擋作用。由于BBB的低滲透性,只有小的親脂分子和氣態分子能夠進入腦實質,嚴格限制血液中其他分子和離子的通過[4]。BBB 對維持CNS穩態以及神經元功能正常提供了良好的保障。

布魯氏菌是革蘭氏陰性球桿菌,大小為 0.6～1.5μm。受BBB的限制,布魯氏菌并不能直接進入CNS,通常認為布魯氏菌參與CNS感染是通過血源性傳播發生的,然而對于布魯氏菌離開血液進入CNS的確切機制仍不明確。因為布魯氏菌可以在細胞內存活,特別是在巨噬細胞內,早在2004年Drevets DA 等人提出了受感染的巨噬細胞BBB易位可能是布魯氏菌侵入CNS的機制,但未得到證實。近來,通過體外建模逐漸證實上述觀點,布魯氏菌在BMEC中黏附、侵襲和復制,但細菌本身并不能穿過BMEC單層,而是在受感染單核細胞內穿過BMEC單層,這就是所謂的特洛伊木馬機制,就像木馬攜帶隱藏的敵人進入特洛伊城一樣,巨噬細胞攜帶布魯氏菌通過BBB侵入CNS。

1.1 中性粒細胞在布魯氏菌穿過血腦屏障中的作用 近來研究指出,被布魯氏菌感染的中性粒細胞可能作為特洛伊木馬機制的載體,對于細菌在宿主內的分散、復制和建立慢性感染至關重要[6]。大多數細菌感染會誘導中性粒細胞的活化,增強其殺菌功能,并促進這些白細胞長時間存活。與這些細菌不同的是,布魯氏菌作為一種隱形病原體,它逃避先天免疫,幾乎不激活中性粒細胞,并抵抗這些吞噬細胞的殺傷作用[7]。這與在布魯氏菌感染期間靶器官內布魯氏菌感染的中性粒細胞數量較少,以及部分患者出現外周血中性粒細胞減少相一致[8]。細菌侵入宿主后,中性粒細胞是第一個遇到并吞噬布魯氏菌的免疫細胞,被吞噬的布魯氏菌可以在中性粒細胞中存活很長一段時間并誘導中性粒細胞過早死亡[8-9]。一旦布魯氏菌進入中性粒細胞,布魯氏菌的脂多糖就會移動到質膜或細胞內囊泡中的細胞表面分化抗原14(CD14)脂蛋白結構域,然后,布魯氏菌脂多糖的非內毒素脂質A會部分募集還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶(NADPH),促進活性氧的受控生成,觸發中性粒細胞的死亡機制。這些垂死的中性粒細胞仍在進行氧化代謝,釋放趨化因子配體8(CXCL8),并將磷脂酰絲氨酸(PS)轉運到膜外表面,并以時間依賴方式在膜外表面表達PS信號[6,10],之后,巨噬細胞發現受感染的中性粒細胞并特異性檢測這些細胞上的PS信號,并且將這些受布魯氏菌感染的中性粒細胞以選擇性非炎性方式去除[9]。 這時,受感染的中性粒細胞則作為特洛伊木馬機制的載體,將布魯氏菌運輸至巨噬細胞中,為布魯氏菌在細胞內運輸并在吞噬細胞中復制打開了一個新的窗口,這也將延遲適應性免疫系統的激活,使病原菌建立長期感染[11]。該觀點也在動物實驗中得以證實[7]。Mora-Cartín R等人的研究指出,無論是否產生適應性免疫,中性粒細胞的缺失都有利于布魯氏菌在小鼠中的有效清除[11]。證實了中性粒細胞在造成布魯氏菌慢性感染中的作用。

1.2 血小板在布魯氏菌穿過血腦屏障中的作用 血小板廣泛被熟知的作用為止血介質并負責維持血管完整性。然而最近的研究表明,血小板在調節先天性和適應性免疫反應中也具有重要作用。Aldana Trotta等人的研究指出布魯氏菌能夠直接與血小板相互作用,這種相互作用觸發了血小板活化[12],活化血小板與未活化的血小板相比,單核細胞趨化蛋白-1(MCP-1)分泌和細胞間黏附分子-1(ICAM-1)表面表達均顯著增加,結果表明,活化的血小板能夠改變內皮細胞的趨化(MCP-1)和黏附(ICAM-1)特性,從而增加吸引單核細胞和中性粒細胞的能力。布魯氏菌刺激血小板分泌因子誘導BMEC活化,導致ICAM-1和細胞表面分化抗原40(CD40)上調,增加白介素-6(IL-6)、白介素-8(IL-8)和趨化因子配體-2(CCL-2)的分泌,并促進中性粒細胞和單核細胞穿過活化的BMEC單層,從而導致感染細胞從外周循環通過BBB進入CNS引起神經膠質細胞感染[13]。總而言之,受布魯氏菌刺激的血小板會誘導內皮細胞活化,促進中性粒細胞和單核細胞穿過BBB,這也可能導致神經布魯氏菌病的炎癥病理學。

2 布魯氏菌誘導的神經膠質細胞增生和小膠質細胞活化在中樞神經系統中的致病機制

在特洛伊木馬機制中發揮重要作用的單核細胞不僅是布魯氏菌穿過BBB的橋梁還是神經膠質細胞感染的來源[14]。星形膠質細胞增生和小膠質細胞活化是神經性布氏桿菌病標志性特征,在國內很少對神經型布氏桿菌病患者進行大腦活檢,報告病例也屈指可數,Seidel G等人報告1例神經型布氏桿菌病的腦活檢結果,表明小膠質細胞活化在這種罕見疾病中發揮免疫致病作用,Sohn AH報告的兩例腦活檢患者均表現出星形膠質細胞增生。Guzmán-Verri C等人在動物實驗中也得到了相同的結論。那么在明確布魯氏菌導致星形膠質細胞增生和小膠質細胞活化后,它們在中樞神經系統如何致病,以下將分別闡述。

2.1 布魯氏菌誘導的神經膠質細胞增生對神經血管單元的影響 神經血管單元(NVU)早在21世紀初就被確立,強調血管細胞、神經膠質細胞、神經元之間的相互作用。腦疾病以神經為中心的觀點已經逐漸過時,廣泛被接受的是維持大腦正常功能不僅取決于神經元,還取決于NVU中神經元、神經膠質細胞、血管細胞以及腦血管系統內的基底層基質之間的相互作用[15]。其中,神經元、神經膠質細胞、血管內皮細胞三者相互作用,維持NVU表型永久化。作為NVU重要組成部分的星形膠質細胞,已經被證實,可以與腦內皮細胞相互作用調節血腦屏障的功能,研究表明星形膠質細胞通過激活內皮基質金屬蛋白酶9促進β-淀粉樣蛋白誘導的血腦屏障損傷[16]。同樣,星形膠質細胞和內皮細胞的存在對神經元的生長和成熟起到一定支持作用[17]。其次,神經膠質細胞與血管細胞的結合可減少內皮細胞的凋亡穩定了微脈管系統,從長遠來看會誘導BBB特征,從而保留了其表型[18]。布魯氏菌導致的神經膠質細胞增生和小膠質細胞增生打破了神經膠質細胞、內皮細胞、神經元三者的平衡,使其相互作用受到影響,最終會導致NVU破壞。

2.2 布魯氏菌激活的神經膠質細胞對血腦屏障的影響 腦脊液中白細胞增多是神經性布氏桿菌病的特征之一。曹敬榮等通過對12例神經型布氏桿菌病患者進行腦脊液檢測,發現12例患者腦脊液中白細胞數均不同程度升高[19]。細胞增多表明BBB的完整性在神經布魯氏菌病中發生了改變,與布魯氏菌引起的其他 CNS 生理學改變一樣,BBB完整性的改變是由星形膠質細胞和小膠質細胞介導的。

研究表明,Toll樣受體(TLR)通過不同的先天免疫細胞識別布魯氏菌[20-23]。同樣,布魯氏菌DNA觸發的信號通路還涉及黑色素瘤缺乏因子2(AIM2)和干擾素基因刺激因子(STING)[24]。含吡啶環的蛋白質3(NLRP3)通過檢測布魯氏菌誘導的線粒體活性氧而被激活[25]。布魯氏菌在TLR2、NLRP3和AIM2被神經膠質細胞識別。布魯氏菌激活的星形膠質細胞和小膠質細胞會誘導炎性細胞因子白介素-1β(IL-1β)、IL-6、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、趨化因子CCL2和趨化因子配體1(CXCL1)的分泌。這些促炎因子介導會破壞BBB的完整性,并從外周血液中吸引免疫細胞。更為重要的是IL-1β在CNS內的作用:調節BBB通透性、激活常駐神經膠質細胞和白細胞募集等。在布魯氏菌感染CNS的情況下,布魯氏菌感染的神經膠質細胞分泌的IL-1β能夠激活BMEC。BMEC的激活導致IL-6、IL-8和CCL2的分泌,以及ICAM1表達的上調,從而增強中性粒細胞和單核細胞穿過BMEC單層的能力。

神經膠質細胞分泌IL-1β和內皮細胞激活需要半胱天冬酶1(CASP-1)和凋亡相關斑點樣蛋白(ASC),這表明炎癥小體也參與了IL-1β的產生和隨后布魯氏菌對BBB的激活[26]。炎癥小體是CNS中先天免疫系統的關鍵信號分子。在體外研究中發現,布魯氏菌感染的神經膠質細胞對BMEC的激活與內皮細胞促進中性粒細胞和單核細胞遷移的能力增加相關。這種現象依賴于受感染的神經膠質細胞在AIM2和NLRP3炎癥小體激活后分泌的IL-1β[26]。在動物實驗中,缺乏AIM2或NLRP3的小鼠,布魯氏菌在小鼠大腦中誘導的血管周圍中性粒細胞浸潤減少,表明炎癥因子將決定吞噬細胞向腦實質的遷移。在布魯氏菌感染期間,布魯氏菌與神經膠質細胞相互作用引發的炎癥反應會激活BMEC從而增加免疫細胞從外周滲入。這也可以解釋在神經型布魯氏菌病患者腦脊液中觀察到的白細胞增多的現象。

2.3 布魯氏菌激活的小膠質細胞誘導的神經元損傷 盡管布魯氏菌病臨床表現千變萬化,但炎癥是其標志性特征,神經性布魯氏菌病可在疾病的任何階段發展,并有廣泛多樣的表現,包括腦炎、腦膜腦炎、脊髓炎、外周和顱神經病變等。不可逆的CNS損傷導致上述嚴重后果,而這種CNS損傷可能歸結于神經元丟失。那么,在布魯氏菌感染CNS期間,哪些細胞會損傷神經元,如何損傷,以下將簡要闡述。

被稱為“中樞神經系統守護者”的小膠質細胞是大腦的常駐巨噬細胞,是腦內一種特有的免疫細胞,在對抗感染和維持組織穩態方面發揮重要作用[27]。但其對于神經元損傷方面亦有不可忽視的影響。在更多的生理條件下,小膠質細胞可以通過釋放擴散因子誘導發育中的神經元凋亡[28],小膠質細胞也可能通過釋放神經生長因子[29]或TNF-α等殺傷劑在神經元死亡中發揮作用[30]。當然,活化小膠質細胞還可以分泌多種具有神經保護作用的介質,然而這種介質大多數是促炎和有神經毒性的。綜上所述,小膠質細胞在布魯氏菌感染中樞神經系統中的作用更傾向于導致神經元損傷和死亡。

研究表明布魯氏菌不能直接感染神經元或者誘導其死亡,導致神經元死亡的真正原因是被布魯氏菌激活的小膠質細胞[21]。被激活的小膠質細胞釋放炎癥介質一氧化氮(NO),當然這種炎癥介質并不足以導致神經元死亡,但是NO可以誘導神經元暴露PS,在 PS 暴露后,PS 結合蛋白乳脂球表皮生長因子8及其小膠質細胞受體(玻連蛋白受體)介導小膠質細胞對神經元的吞噬作用。那么,這種吞噬作用是導致神經元死亡的元兇還是發生在神經元死亡之后?Rodríguez AM的研究證實阻斷神經元的小膠質細胞吞噬作用可防止神經元丟失,而不會增加凋亡神經元的數量,這表明吞噬作用是其死亡的原因,而不是其后果[21]。小膠質細胞吞噬作用誘導的神經元死亡在 TLR 被激活但促炎細胞因子水平相對較低的情況下占主導地位,導致吞噬作用的神經元損傷不太嚴重,因為損傷足以暴露PS信號而不觸發細胞凋亡或壞死[31]。這也解釋了布魯氏菌引起的慢性感染,其炎癥反應較輕的特點。感染組織中持續存在的活細菌引起組織損傷,并刺激機體長期處于低水平炎癥環境中。受感染的小膠質細胞會導致中樞神經系統中神經元緩慢丟失,導致神經型布氏桿菌病中觀察到的神經功能缺陷。

3 小結與展望

近年來,布氏桿菌病的基本特點逐漸被闡明,但對其嚴重并發癥--神經型布氏桿菌病闡述相對較少,尤其是布魯氏菌在中樞神經系統的致病機制尚未在分子和細胞水平進行研究。近來研究指出,布魯氏菌對先天免疫的直接激活是感染后損害神經系統的病理反應基礎。當布魯氏菌侵入中樞神經系統內的單核細胞時,受感染的星形膠質細胞和小膠質細胞會產生一個可以導致膠質細胞結構破壞、腦內皮細胞激活和神經元死亡的炎癥微環境,外周浸潤的免疫細胞會放大這種反應,形成一種惡性循環,導致神經型布氏桿菌病的不斷加重與遷延不愈。

神經型布氏桿菌病的發病機制仍不完全清楚,對我們了解疾病過程造成一定困難。發病機制貫穿疾病的全過程,是制定正確的預防、控制和治療策略必不可少的理論基礎。本文旨在根據一些新近的研究進展,對理解神經型布氏桿菌病致病機制做一些有限的探索。研究神經型布氏桿菌病的致病過程不僅需要關注布魯氏菌對神經元以及神經膠質細胞的影響,還需要闡述感染過程中的布魯氏菌與血腦屏障的相互作用,這樣才有可能對其致病機制有一個全面、正確的了解,以期為提高神經型布氏桿菌病的預防、控制、治療水平做必要的理論基礎方面探索。