7　中枢炎症中肥大细胞的起始作用

一、肥大细胞

人体内的肥大细胞是骨髓来源细胞,由CD34+/CD117+多能干细胞分化而来。肥大细胞在血液循环中首先以前体细胞存在,而后在所定居的组织器官中发育成熟,并表现出相应的异质性。肥大细胞作为固有免疫系统的效应细胞,广泛分布在所有器官和血管组织中,同样定居在腹膜、滑膜、毛囊及其他器官中。脑内肥大细胞位于血-脑屏障脑实质侧及软脑膜,约97%的脑内肥大细胞位于血管周围脑实质侧,与神经元、小胶质细胞、细胞外间质,血管紧密联系。受体激动剂,物理刺激以及细胞间接触可激活肥大细胞,如IgE、免疫球蛋白轻链、补体、细胞因子、温度、压力等。激活的肥大细胞通过脱颗粒释放多种介质,包括生物胺(组胺,5-羟色胺)、细胞因子(IL-1、IL-6、肿瘤坏死因子、干扰素、生长因子等)、酶类(类胰蛋白酶、糜蛋白酶、磷脂酶等)、脂质代谢产物(前列腺素、白三烯、血小板活化因子)、ATP、神经肽(血管活性肠肽)、生长因子、一氧化氮、肝素。肥大细胞脱颗粒分为三步,激活后数分钟内快速释放颗粒中预合成的介质,包括组胺、5-羟色胺、类胰蛋白酶、肝素、肿瘤坏死因子;第二步释放快速合成的脂质介质,最后释放新合成的细胞因子和趋化因子。肥大细胞表面表达多种受体,参与细胞增殖、迁移和激活的调控。肥大细胞膜表面的高亲和力IgE受体(FcεRⅠ),在免疫球蛋白IgE所介导的过敏反应和炎症反应疾病中触发肥大细胞脱颗粒。肥大细胞表面受体主要还有kit受体,促进祖细胞分化为肥大细胞,增加抗原介导的肥大细胞脱颗粒和细胞因子合成。尽管FcgRⅡa、TrkA,、补体成分、Toll样受体、白介素受体也参与肥大细胞的激活,但通过IgE与受体(IgE抗Fc区域高亲和性表面受体)结合激活肥大细胞是肥大细胞激活的有效途径,当然,在缺乏IgE的非哺乳动物种类中,其他激活途径就显得非常重要。

二、肥大细胞与IgE介导的过敏反应

外周过敏反应中,肥大细胞的触发作用已被熟知,这是因为肥大细胞广泛分布在外界环境紧密接触的皮肤、胃肠道和呼吸道,使得肥大细胞能最早与刺激源接触,早期参与抗原刺激引起的变态反应。IgE介导的肥大细胞活化是肥大细胞脱颗粒最主要的方式。当过敏原初次侵入机体时,浆细胞分泌大量过敏原特异性IgE,IgE通过Fc段与肥大细胞表面FcεRⅠ结合,使机体处于致敏状态。过敏原再次侵入机体时,与致敏肥大细胞表面两个或两个以上相邻IgE抗体特异性结合,使膜表面FcεRⅠ交联活化,活化的受体通过其C端的免疫受体酪氨酸活化基序(immunoreceptor tyrosine bases activation motifs,ITAMs)的磷酸化作用,使Syk和Fyn蛋白酪氨酸激酶活化,从而形成肥大细胞脱颗粒的起始信号,使肥大细胞迅速发生脱颗粒并释放大量炎性介质,导致速发性和迟发性过敏反应的发生。

三、肥大细胞与中枢炎症

中枢炎症本身是机体中枢神经系统(central nervous system,CNS)消除有害刺激,促进组织修复的保护性生理反应。当炎症持续存在,超过生理可控范围,便产生有害作用。中枢炎症的病理过程包括促炎因子过度分泌、氧化应激反应增强、脑实质改变、血-脑屏障破坏,神经元超兴奋和细胞死亡。生理状况下,脑内肥大细胞数量少于神经元、小胶质细胞和其他脑内细胞。在脑缺血、应激等病理状态下,脑内肥大细胞数量迅速增加并激活,可作用于神经血管单位的所有成员(血管内皮细胞,周细胞,血管平滑肌细胞,小胶质细胞,神经元)。据报道,局部脑缺血,多发性硬化症,阿尔兹海默病等CNS疾病均有肥大细胞的参与。促炎因子TNF-α的上调被认为参与缺血性脑卒中急性期炎症反应,在脑缺血引起的中枢炎症反应中,TNF-α和IL-1等炎症因子的释放可能是起始因素,继而导致免疫细胞的招募和进行性脑损伤。刺激源可引起小胶质细胞,巨噬细胞、内皮细胞等多种细胞产生TNF-α,而肥大细胞产生的TNF-α预存在嗜碱性颗粒中,这使得肥大细胞能更早释放TNF-α,引起急性期炎症反应的发生。在大鼠幼鼠围生期单侧缺氧缺血性脑病(perinatal hypoxia-ischemia,HI)模型中,检测了肥大细胞及其他细胞反应的时间进程,结果显示患侧半球肥大细胞的数目和活性在损伤后立即升高,神经元在2h后开始凋亡,小胶质细胞和星形胶质细胞在4h后激活。脑内含TNF-α的肥大细胞在HI后1h急剧增高并在48h内持续升高,小胶质细胞TNF-α表达在4h后升高,血管内皮细胞在48h后检测到TNF-α;另外,给予肥大细胞稳定剂色甘酸钠能抑制肥大细胞早期激活,产生长期的神经保护作用。这些结果提示,在HI引起的中枢炎症反应中,肥大细胞是“第一反应者”,它最早激活并释放TNF-α等炎症因子,引起炎症的级联反应。据文献报道,在急性脑缺血和脑出血中,肥大细胞促进各种白细胞、中性粒细胞、巨噬细胞等炎性细胞的聚集与浸润,引起卒中后的炎症反应。急性脑缺血和脑出血发病最初期,肥大细胞在脑血管和CNS其他部位迅速反应,脱颗粒释放预先合成的血管活性和神经活性介质。这些活性介质作用于基底膜破坏血-脑屏障,引起脑水肿,促进渗出和出血。在大鼠局部脑缺血模型中,使用肥大细胞脱颗粒激活剂C48/80后,大鼠脑水肿增加了90%,而使用肥大细胞稳定剂色甘酸钠后,局部脑水肿降低了40%。此外,急性脑缺血损伤后,脑肥大细胞增加并延长内皮细胞黏附分子的表达,破坏血-脑屏障,使其他外周血细胞和炎症因子信号进入中枢。多发性硬化症患者脑、脊髓中炎性脱髓鞘侧可见大量肥大细胞,脑脊液中肥大细胞类胰蛋白酶含量升高。血管周围肥大细胞是多发性硬化症最早的参与者,它们产生的TNF-α和其他它细胞因子破坏血-脑屏障,使中性粒细胞进入髓鞘,肥大细胞释放的其他促炎介质也使多发性硬化症恶化。

四、肥大细胞与血-脑屏障(blood brain barrier,BBB)

BBB是由连续毛细血管内皮及其细胞间的紧密连接、完整的基膜、周细胞以及星形胶质细胞脚板形成的血浆和脑脊液之间的屏障,这些屏障能够阻止某些物质(多半是有害的)由血液进入脑组织。正常生理情况下,BBB结构和功能保持完整,可防止外周的生物化学复合物、病原菌及外周的免疫细胞进入中枢,维持CNS的内稳定。一旦BBB的完整性被打破,即BBB通透性升高,就会扰乱CNS的内稳态,导致CNS疾病的发生。有充足的证据表明肥大细胞能穿过血-脑屏障并破坏它的完整性,成熟的肥大细胞从外周血液中迁移入脑内。将供体大鼠腹膜肥大细胞纯化并用活体荧光染料PKH26标记后注入受体大鼠体内,1h后2%～20%荧光标记的肥大细胞迁移到靠近丘脑血管壁的区域。免疫荧光标记含染料的肥大细胞和内皮细胞基底膜组成部分Ⅷ因子及星形胶质细胞标记物胶质纤维酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein,GFAP),结果证明肥大细胞深入血-脑屏障基膜,位于血-脑屏障脑侧。注射肥大细胞稳定剂色甘酸钠以及在肥大细胞基因敲除鼠中,肥大细胞增加血管通透性的作用可以被抑制。肥大细胞破坏血-脑屏障的机制可能是肥大细胞颗粒具有血管活性的组成部分如肝素、组胺、5-羟色胺、一氧化氮、血管活性肠肽、血管内皮生长因子、TNF-α等诱导细胞间黏附分子-1(ICAM-1)的释放使血-脑屏障的通透性增加,从而使巨噬细胞和白细胞进入感染组织。虽然脑内其他细胞如小胶质细胞,巨噬细胞和内皮细胞也能产生TNF-α,但肥大细胞释放量远远超过其他细胞。金属蛋白酶MMP-2,MMP-9能下调胶原蛋白Ⅳ等微血管基底膜组成成分的表达,破坏紧密链接蛋白,是缺血性血-脑屏障破坏最主要的介质。研究表明,脑内肥大细胞参与调控微血管MMP-2,MMP-9的激活,引起血-脑屏障的破坏。一些文献指出脑内组胺能调控血-脑屏障通透性。值的注意的是,大鼠全脑约50%、丘脑约90%的组胺由肥大细胞合成分泌。此外,肥大细胞特异性蛋白酶不仅能够造成微血管渗漏,还能引起神经元的过度兴奋和激活蛋白酶受体产生炎症反应,进一步破坏血-脑屏障。

五、肥大细胞与术后认知功能障碍(postoperative cognitive dysfunction,POCD)

POCD是老年人手术后易发生的一类神经精神并发症。有研究表明免疫系统触发的中枢炎症是引起POCD的关键所在。如前文所述,肥大细胞在中枢炎症中发挥了重要的作用。我们课题组发现,离体实验中,活化的肥大细胞脱颗粒效应可引起小胶质细胞和星形胶质细胞的激活,并可直接导致神经元的凋亡,预先给予肥大细胞稳定剂色甘酸钠能抑制这一现象;在动物实验中,肥大细胞稳定剂色甘酸钠能抑制大鼠胫骨骨折手术引起的海马区肥大细胞数目增多、小胶质细胞和星形胶质细胞活化以及炎症因子TNF-α和IL-6的升高,改善动物学习记忆能力。另外,大鼠胫骨骨折内固定术后,海马区金属蛋白酶MMP-2和MMP-9升高,紧密连接蛋白occludin和claudin-5表达下降,Evans Blue检测显示BBB通透性升高,侧脑室预注射肥大细胞稳定剂色甘酸钠可抑制这些反应。以上结果提示,胫骨骨折手术可引起海马区肥大细胞的激活,从而激活小胶质细胞和星形胶质细胞,破坏血-脑屏障,引起动物学习记忆能力的损伤;色甘酸钠可以稳定肥大细胞,从而抑制小胶质细胞和星形胶质细胞的激活,提高血-脑屏障稳定性,减轻炎症反应,改善认知功能。

六、展望

在局部脑缺血、创伤性脑损伤、多发性硬化症、阿尔兹海默病等神经炎症疾病患者中,肥大细胞作为损伤的“第一反应者”,比胶质细胞更早发挥作用,它迅速脱颗粒释放各种炎症介质,激活胶质细胞,引起神经元的凋亡。不同肥大细胞缺失鼠模型和不同的实验室结果提示,肥大细胞在中枢炎症疾病中的作用尚未清晰,作用还值得深入探讨。与KitW-sh/W-sh和KitW/W-v模型鼠相比,外周和中枢肥大细胞缺失模型鼠的建立与应用将为研究肥大细胞在中枢炎症中的作用与机制提供有力的工具。

(钱青青　钱燕宁)

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