中樞神經系統病毒感染與阿爾茨海默病相關機制研究進展

巫曉宇 劉 鳳 劉利民 邢維昊 熊 靜

阿爾茲海默病(Alzheimer′s disease, AD)是一種以進行性加重的認知功能全面衰退為主要表現的神經退行性疾病。AD主要的病理特征包括β淀粉樣蛋白(amyloid-β,Aβ)沉積、神經元軸突的微管相關蛋白Tau過度磷酸化和錯誤折疊形成的神經元纖維纏結 (neurofibrillary tangles,NFT)以及神經炎癥[1]。流行病學數據顯示,在中國2.49億60歲及以上的老年人中,AD患者有983萬人,遠高于其他類型癡呆,AD患者長期的醫療保健費用與看護需求為家庭與社會帶來了沉重的負擔,但目前AD的治療仍缺乏突破性進展[2]。

病毒感染是導致AD神經變性的假說之一[3]。研究表明,老年人既是CNS病毒感染的易感人群,也是AD的好發人群[4]。單純皰疹病毒1型(herpes simplex virus-1,HSV-1)是最常見的與AD發病相關的病毒[5, 6]。單純皰疹病毒(herpes simplex virus,HSV)常常感染顳葉和額葉或邊緣系統,與AD的典型病變部位有重疊。有研究表明部分患者在抗病毒治療后,仍然會出現癡呆的長期并發癥[4]。一項研究隨訪了8362例年齡在50歲或以上,HSV-1或單純皰疹病毒2型(herpes simplex virus-2,HSV-2)感染的患者,其10年癡呆發生率是對照組(性別和年齡匹配的無HSV感染者)的2.56倍[7]。也有研究發現,在AD患者大腦中的顳上回、前額葉皮質、額下回、海馬旁回幾個關鍵區域人類皰疹病毒6和7水平增加[8]。也有研究者提出攜帶了AD易感基因——載脂蛋白E(apolipoprotein E,APOE)的人群在病毒感染后可能更容易導致AD[6]。

此外,皰疹病毒家族中,人巨細胞病毒、EB病毒,人類免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus,HIV),也與認知衰退有關[4,9～12]。新型冠狀病毒(severe acute respiratory syndrome coronavirus 2,SARS-CoV-2)因其神經侵襲性和感染后癥狀長期存在導致感染者注意力、執行功能、語言、處理速度和記憶力方面受損[13]。

AD直接病毒感染理論指出,病毒可能通過以下不同途徑進入大腦:通過跨細胞遷移或“特洛伊木馬”作用穿越血-腦屏障(blood-brain barrier, BBB)和血-腦脊液屏障; 經缺少完整BBB的腦室周圍器官(circumventricularorgans,CVOs)進入大腦; 經嗅覺途徑感染嗅覺上皮中的感覺神經元入腦;通過支配周圍器官的周圍神經進入大腦[14]。其中BBB與病毒感染以及AD密切相關。

BBB損傷是CNS病毒感染與AD之間的重要聯系。病毒可以穿過損傷的BBB感染CNS被膜、血管和實質,引起大腦急性或慢性炎癥性損害,誘導腦內產生Aβ沉積、NFT形成和神經炎癥導致大腦神經細胞死亡和進行性癡呆[15]。而BBB損傷也被認為是AD的早期表現。本文綜述了BBB損害在CNS病毒感染和AD中聯系機制,特別是病毒穿越及破壞BBB的方式與AD之間的重要聯系,希望能對AD的治療方法有所啟示。

一、血-腦屏障損害——CNS病毒感染與AD的重要聯系

BBB主要由腦微血管內皮細胞(brain microvascular endothelial cells,BMECs)、星形膠質細胞、周細胞(pericyte,PC)和基膜組成。BBB是保護CNS實質免受外周血成分影響和病原體侵入的重要屏障,也是溝通感染與神經變性疾病的重要聯系。BBB并非堅不可摧,其通透性與防御能力取決于患者年齡、免疫狀態和感染病原體類型[6]。

1.AD存在BBB損傷:研究認為,BBB破壞是人類認知障礙的早期生物學標志物[16]。隨著人體自然衰老,BBB通透性也會增加[6]。在AD患者和動物模型中,都觀察到了BBB的改變。有研究者通過采用水提取與相位對比動脈自旋標記(water extraction with phase contrast arterial spin tagging,WEPCAST)磁共振技術,測定了55例老年人的BBB對水及蛋白分子的通透性。該研究發現,與認知正常的受試者比較,輕度認知障礙患者的 BBB 表現出對水等小分子的滲透性增加,與腦脊液(cerebro-spinal fluid,CSF)Aβ 和 P-Tau 的 AD 標志物有關,可能具有預測認知功能水平的能力[17]。動物模型顯示,PC隨年齡增長丟失,導致BBB完整性破壞,并顯著促進AD相關病理沉積和神經元丟失[18]。此外,合并高膽固醇血癥、高血壓、吸煙等危險因素,也會引起BBB的破壞[19, 20]。

2.病毒感染促進了BBB損害:病毒一旦通過BBB進入腦實質,就有可能感染星形膠質細胞 (astrocyte,ACS) 和小膠質細胞 (microglia,MGs),引起促炎性細胞因子分泌和免疫細胞浸潤增加導致腦損傷。即使在清除病毒后,局部免疫反應依舊可以保持活躍,導致長期的神經退行性改變和認知損害[3,4 ～14]。研究表明,嗜神經病毒,如皰疹病毒家族和HIV等,可以通過感染腦血管內皮細胞、特洛伊木馬作用、破壞神經血管單元等多種方式,激活BBB抗炎或炎性固有免疫應答,造成BBB的結構和功能異常[16]。

(1)直接感染血管內皮細胞破壞BBB:HSV-1可以直接感染BMECs,導致病毒、免疫細胞、細胞因子進入腦實質的可能性大大增加,加重神經炎癥,造成血管性腦水腫、出血和白細胞浸潤,進一步損害大腦[21]。其持續感染與重新激活在AD的發生與發展中起著更為重要的作用。SARS-CoV-2也可以感染BMECs[22]。新型冠狀病毒感染患者尸檢顯示,通過透射電鏡發現,患者大腦額葉的BMECs內存在病毒樣蛋白。SARS-CoV-2可以與BBB的PC和內皮細胞上表達的血管緊張素轉換酶-2(angiotensin converting enzyme-Ⅱ, ACE-2)受體相結合,損害BBB緊密連接并利用免疫細胞的吞噬作用,進入CNS[22]。

而低密度脂蛋白受體相關蛋白1(low-density lipoprotein receptor-related protein 1,LRP1)、P-糖蛋白(P-glycoprotein,P-gp)、乳腺癌耐藥蛋白(breast cancer resistance protein,BCRP)、晚期糖基化終末產物受體(receptor for advanced glycation end products,RAGE)等BMECs的受體和轉運體,在Aβ 通過BBB的轉運和清除中發揮了重要作用。在AD患者的大腦中,LRP1、P-gp和BCRP的下調以及RAGE的上調加劇了Aβ 的累積,與AD的進展有關[6]。

(2) 經“特洛伊木馬”作用穿越BBB:病原體在內化或感染白細胞后,可能會利用感染的白細胞的遷徙能力穿越BBB,起到“特洛伊木馬”的作用,導致CNS感染。其中白細胞的遷徙是在細胞黏附分子(cell adhesion molecules,CAM)與其配體、基質金屬蛋白酶類(matrix metalloproteinases,MMPs)和趨化因子相互作用下,通過滾動、黏附和遷移,穿過BBB[15]。當BBB遭受損害或者破壞后,HSV-1就可以通過“特洛伊木馬”作用借助T細胞或巨噬細胞穿過BBB進入大腦[5]。

(3)經細胞旁途徑穿過BBB:經細胞旁途徑即指分子從血液通過內皮細胞之間的細胞間隙被動擴散到CNS組織中。生理情況下,內皮細胞間緊密連接的存在,限制了病原體通過細胞旁途徑進入CNS。HIV的反式激活蛋白可以通過小分子G蛋白RhoA信號通路,改變內皮細胞-細胞連接的穩定狀態,破壞BBB內皮細胞間的緊密連接,激活MMPs和蛋白酶體,促進緊密連接蛋白的降解,最終導致BBB通透性增加[23]。HSV感染大腦后,導致循環中MMP9上調和活性增加,通過切割緊密連接蛋白和鄰近的細胞外基質,破壞血管內皮細胞間的黏附作用,從而為病毒經細胞旁途徑通過提供了條件[4]。

(4)通過周細胞破壞神經血管單元進入BBB:神經血管單元由BMECs、PC、神經元、ACS、MGs 和基底膜以及細胞外基質組成,是發育和維持BBB結構和功能完整性的關鍵[17]。人類巨細胞病毒、HIV、SARS-CoV-2,都可以直接感染PC, 或通過分泌的病毒基因產物使PC相關旁分泌信號轉導失調。病毒與PC相互作用導致血管滲漏或出血、BBB破壞從而促進病毒侵襲大腦[24]。

二、病毒通過BBB后,引起腦實質炎性反應,促進AD病理發生

無論病毒以何種方式通過BBB,一旦病毒開始在腦內復制,在CNS病毒感染急性期,可以直接感染額顳葉、海馬等部位,引起認知功能損害。同時,還可以激活機體先天性和適應性免疫應答引起顯著的神經炎癥,誘導神經細胞死亡[3]。病毒進入腦內,引起病原相關分子模式(pathogen-associated molecular patterns,PAMP)和損傷相關分子模式(damage associated molecular patterns,DAMPs)釋放,由模式識別受體(pattern recognition receptors,PRRs)識別,進一步釋放細胞因子、趨化因子、抗菌肽和活性氧等炎性介質,引起以炎性反應、MGs和ACS激活為特征的免疫反應。上述過程導致的炎癥聚集也會進一步誘導受感染細胞焦亡[14]。機體針對病毒產生一系列免疫反應,導致炎癥、MGs和ACS的進一步激活,是消滅病毒的必經之路。

盡管多數病毒會通過免疫系統或者抗病毒治療得以清除,但仍有一些病毒能夠潛伏在三叉神經節、周圍神經系統和小膠質細胞內,造成慢性神經炎癥或病毒的反復激活,可能導致Aβ和Tau蛋白的磷酸化增加,為AD的發生與進展提供了條件[3 ～14]。有研究表明,HSV的重新激活與再感染會激活免疫系統。HSV-1感染的巨噬細胞可以釋放腫瘤壞死因子-α,刺激MGs產生白細胞介素-1β,同時MGs的激活和ACS增多,進一步加重神經炎癥,促使炎性細胞因子釋放增加以及氧化應激作用,加速了神經退行性病變[5～25]。此外,病毒感染后,激活的MGs還可以通過補體介導海馬突觸前膜損傷,導致腦炎患者長期記憶障礙和認知功能障礙[26]。HSV-1還會誘導淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein,APP)相關分泌酶上調,通過切割APP產生含有Aβ序列的片段[3]。此外有研究者發現,AD患者腦組織中,皰疹病毒6A的U4基因呈現特異性的高表達,當U4基因與APP共同表達時,通過抑制APP泛素蛋白酶體降解,促進Aβ產生和沉積、NFT產生和神經細胞死亡[27]。Pascoal等[28]通過正電子發射型計算機斷層顯像(positron emission computed tomography,PET)技術,首次在人體中證實了MGs的激活驅動了Tau蛋白在大腦中的傳播,而Aβ促進了MGs激活,進一步促進了Tau蛋白的病理進程。進行性Aβ 沉積不僅導致神經炎癥、神經毒性和廣泛的神經元死亡,還破壞了BBB中的腦微血管內皮細胞和緊密連接相關蛋白,進一步損傷BBB的完整性和功能,BBB功能障礙和Aβ 沉積惡性循環,共同導致AD的發生和發展[18]。

近年來研究發現,在新型冠狀病毒感染合并認知癥狀的患者和小鼠中,都發現了衰老相關的趨化因子配體11(chemokine ligand 11,CCL-11)顯著升高,誘導了海馬的MGs激活,引起海馬神經持續受損,少突膠質細胞減少和髓鞘丟失[29]。在新型冠狀病毒感染患者的血漿和腦脊液中,也發現了包括總Tau蛋白在內的與CNS損傷相關的生物學標志物升高[30],但SARS-CoV-2與AD及BBB之間的具體聯系與機制仍需進一步探索。

三、抗病毒治療和病毒通過或繞過BBB的方式為AD治療提供了新思路

病毒與AD之間的聯系表明,抗病毒治療可能為阻止或延緩AD提供新方法。近年來一項隊列研究表明,在 AD高危人群中使用伐昔洛韋可以通過防止 HSV-1重新激活來降低AD的發病風險[7]。在輕度認知功能障礙或 AD的 HSV-1 免疫球蛋白G血清陽性且同時攜帶APOE4基因的患者使用伐昔洛韋的抗病毒臨床試驗中,證明了該藥物長期使用的安全性[31]。另有研究發現,接受抗病毒治療的HSV感染患者中有5.8%在10年內發展為老年癡呆,而未經治療的HSV感染患者中這一比例為28.3%,這表明接種HSV-1疫苗可能預防AD發展[32]。目前,混合HSV-1糖蛋白的重組核酸疫苗已被證明可有效降低小鼠大腦中的HSV-1病毒載量,還可以在體外真核細胞中表達,并能夠有效誘導pVAX-Tg免疫小鼠的細胞免疫,其體內血清γ-干擾素(interferon-γ,IFN-γ)水平明顯升高[33]。盡管尚未開發出人HSV-1疫苗,但該疫苗的研制如果可以減少病毒的原發感染和再激活,必將對AD的預防有益[31]。

如何使藥物順利通過 BBB 也是神經疾病治療中面臨的最大挑戰之一。如前所述,病毒穿過或繞過BBB的策略在一定程度上提示了藥物進入CNS的方法。對嗜神經病毒穿過BBB的機制的研究,有助于設計新的策略,為患者提供免疫療法、化學療法和其他療法。例如,使用來自狂犬病病毒糖蛋白的多肽作為載體,將攜帶抗病毒siRNA靶向輸送到大腦,狂犬病病毒糖蛋白多肽片段與蛋白質或核酸連接后,可直接將藥物輸送到腦內。此外,多肽片段還可與載藥多聚物,納米粒子或脂質體等偶聯,引導后者快速進入腦內[34]。有研究采用利用聚L-賴氨酸的負載siRNA和D肽的納米顆粒穿過BBB進入腦實質,靶向治療AD,抑制了AD小鼠腦內的Aβ 產生,明顯減輕了Aβ 和NFT導致的神經毒性,改善了小鼠認知功能[35]。另外還可以利用病毒相關蛋白,例如利用黃病毒非結構蛋白-1,提高BBB通透性,從而提高藥物向CNS的滲透[36]。因此,病毒穿越或繞過BBB的策略,啟發了如何使藥物更好地通過BBB以治療AD的途徑,具有巨大的潛力。

四、展 望

中樞神經病毒感染和AD的發病機制相關,BBB損傷是中樞神經病毒感染和AD的共同聯系。探索病毒感染損傷BBB的各種途徑,可能為CNS病毒感染相關神經退行性病變提出新的治療方法和給藥途徑。而對感染損傷BBB機制及對增強BBB的防御功能或抑制BBB的炎性免疫反應的研究,能為未來治療神經退行性病變提供更多思路。

利益沖突聲明：所有作者均聲明不存在利益沖突。