嗜神经病毒穿越血脑屏障入侵中枢神经系统的相关致病机制
血脑屏障是位于血液与脑组织之间的天然屏障，可严格控制血液中的感染性病原体入侵大脑，维持大脑内环境稳定。然而，嗜神经病毒却能破坏或逃避血脑屏障入侵脑部，引发脑炎或脑膜炎等严重的中枢神经系统并发症，有些甚至威胁生命。本文主要对一些较常见的嗜神经病毒穿越血脑屏障入侵大脑的不同致病机制研究进展进行综述。
血脑屏障是位于血液与脑组织之间，可抵御病原体入侵的天然屏障，由脑微血管内皮细胞(brain microvascular endothelial cells，BMECs)、星形胶质细胞(astrocyte)和周细胞(pericyte)组成。血脑屏障以其特殊的结构和功能维持着大脑内环境稳定，可严格控制血液中的循环分子、免疫细胞或感染性病原体等入侵中枢神经系统(CNS)。CNS与人体其他系统相比较为特殊，其中的神经元细胞不可再生，一经损伤后难以修复和代偿，所以免疫系统在应对神经系统感染时面临着巨大挑战，不能通过T细胞介导的细胞毒作用杀死被感染细胞。嗜神经病毒是一类对CNS高度敏感的病毒，它们能够通过不同的机制破坏或逃避血脑屏障入侵脑部，导致神经细胞变性坏死，引起意识障碍、惊厥，甚至脑炎、脑膜炎等严重的神经系统并发症，致死性强，严重威胁人类的身体健康。常见的嗜神经病毒包括乙型脑炎病毒(Japanese encephalitis virus，JEV)、西尼罗病毒(West Nile virus，WNV)、寨卡病毒(Zika virus，ZIKV)、尼帕病毒(Nipah virus，NiV)、狂犬病病毒(rabies virus，RABV)、单纯疱疹病毒(herpes simplex virus，HSV)、人免疫缺陷病毒(HIV)和脊髓灰质炎病毒(poliovirus，PV)等。本文就常见嗜神经病毒穿越血脑屏障感染CNS的相关致病机制研究进展进行综述。
一、血脑屏障及其构成
血脑屏障是位于血液循环系统和中枢神经系统之间的一个屏障，是神经血管的过滤系统，具有选择扩散性，控制着血液和大脑之间的物质交换，因而维持着大脑内环境的稳定并使其免受毒性分子、感染性病原体的入侵。除了BMECs、周细胞和星形胶质细胞以外，小胶质细胞(microglial cell)、完整的基膜(basement membrane)及其细胞间的紧密连接(tight junction)也在血脑屏障的功能中发挥重要作用。BMECs是血脑屏障的主要组成单位，覆盖了毛细血管的内表面，以其特殊的结构和功能调控着各类物质进出CNS，BMECs间存在复杂的紧密连接蛋白(tight junction protein complexes，TJs)，由40多种蛋白质组成，覆盖了跨膜和胞质内的大量区域，在细胞间形成一个连续紧密焊接的带状结构，封闭了细胞间的空隙，形成巨大的跨膜电阻(trans-endothelial electrical resistance，TEER)，从而限制细胞旁路途经的物质转运，阻止物质在细胞间随意扩散，充当着守门员的作用。TJs的分子组成可分为跨膜蛋白和黏着斑蛋白，跨膜蛋白主要包括闭合蛋白(occludin)、密封蛋白(claudin)及连接黏附分子(junctional adhesion molecules，JAMs)。其中occludin可促进TJs复合物的形成，而密封蛋白是构成TJs主干及维持血脑屏障完整性的重要蛋白质，通常大脑内皮细胞可表达claudin-5及少量claudin-3、claudin-10、claudin-12。黏着斑蛋白位于跨膜蛋白和肌动蛋白骨架之间，包括血浆闭锁小带蛋白(ZO-1、ZO-2)、卷曲螺旋蛋白(JACOP)等。血脑屏障中的另一类重要细胞——周细胞覆盖着22%~32%的内皮细胞，能够调节内皮细胞的增殖、血管新生和炎症反应等过程。周细胞缺陷时可导致血管生成异常、内皮增生和脑内渗透性增加等。星形胶质细胞则能够在病原体的刺激下分泌各类可溶性调控因子，包括转化生长因子β(transforming growth factor β，TGF-β)、胶质细胞源性神经营养因子(glial cell-derived neurotrophic factor，GDNF)、成纤维母细胞生长因子(basic fibroblast growth factor，bFGF)和IL-6等，以维持TJs结构及血脑屏障的完整性。
血脑屏障的特殊结构使病毒不能随意侵入CNS，但同时血脑屏障的屏障功能也阻止了小分子药物和其他生物制剂的吸收。血脑屏障功能障碍与多种神经系统疾病有关，包括多发性硬化、阿尔茨海默症、中风和脑部肿瘤等，目前有大量研究正致力于开发血脑屏障的体外模型，为神经系统疾病的发病机制及相关药物研究提供基础。然而，血脑屏障并非是不可逾越的，一些嗜神经病毒在进化过程中逐渐产生了能够破坏或逃避血脑屏障入侵CNS的能力，相关致病机制也陆续被报道。
二、嗜神经病毒穿越血脑屏障入侵中枢神经系统的相关致病机制研究进展
嗜神经病毒通过血脑屏障的方式主要有细胞旁转运及跨细胞转运两种，细胞旁转运指病毒通过破坏BMECs间的TJs结构使血脑屏障通透性增加，并得以从细胞间隙穿越血脑屏障，或隐藏于被感染的免疫细胞中从细胞间渗出血脑屏障，即"特洛伊木马"途径，细胞旁转运途径与TJs的表达及磷酸化、细胞基膜和细胞骨架的变化相关。跨细胞转运即病毒通过内吞和胞吞等机制进入BMECs，复制增殖后从基底面释放进入CNS。病毒穿过血脑屏障的过程中会刺激各类细胞因子、趋化因子及促炎因子的产生，间接导致血脑屏障的破坏，加速病毒入侵。血脑屏障被感染时，其组成细胞产生的细胞因子及分泌的蛋白质种类复杂多样，其效应也各有不同，例如，当BMECs被感染时，可释放IFN-γ、IL-8、TNF-α、IL-1β、IL-6等促炎症细胞因子，作用于TJs结构，破坏血脑屏障的完整性。星形胶质细胞被感染时分泌的基质金属蛋白酶1(matrix metallopeptidase 1，MMP-1)及MMP-3可直接降解TJ蛋白，加速病毒入侵。另一方面，IFN-Ⅰ和IFN-λ等因子具有稳定TJs结构的作用，可与活化的BMECs中的酪氨酸激酶(Tyro3-Axl-MerTK，TAM)受体协同作用，增强和维护血脑屏障的稳定性及完整性(表1)。
1．JEV突破血脑屏障的相关致病机制
JEV属虫媒病毒的黄病毒科，为单股正链RNA病毒，感染后可导致乙型脑炎，病毒包膜蛋白经糖基化修饰后可逃脱宿主免疫监视入侵CNS。在乙型脑炎小鼠血脑屏障中可检测到JEV病毒颗粒，同时观察到BMECs及血脑屏障形态明显异常。研究发现，JEV感染后会刺激BMECs过量表达细胞间黏附分子-1(intercellular cell adhesion molecule-1，ICAM-1)及中性粒细胞趋化因子-1(cytokine-induced neutrophil chemoattractant-1，CINC-1)，协助被感染的白细胞跨越血脑屏障进入脑部，并最终导致血脑屏障破裂。同时，细胞感染JEV后可影响claudin-1的表达，破坏TJs结构，使得血脑屏障的渗透性增加。JEV感染后，小鼠大脑中调控TJs结构的重要蛋白claudin-1、claudin-5和ZO-1的表达受到抑制。此外，JEV可以刺激小神经胶质细胞，使其表达大量免疫相关蛋白质，包括甲基受体趋化性蛋白1(methyl-accepting chemotaxis proteins 1，MCP-1)、巨噬细胞炎性蛋白质1α(macrophage inflammatory protein 1α，MIP-1α)、MIP-1β及调节激活正常T-细胞表达分泌因子(regulated upon activation normal T-cell expressed and secreted，RANTES)、细胞因子(IL-1、IL-6、IL-18、TNF-α)、血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)及MMPs等，其中IL-6和MCP-1与血管通透性相关，其高表达可能导致血脑屏障通透性增加，在乙型脑炎小鼠中就发现IL-6升高会导致TJs结构变形。
2．WNV突破血脑屏障的相关致病机制
WNV也属于虫媒类病毒黄病毒科，为单股正链RNA病毒，感染后在皮肤角质细胞和朗格汉斯细胞中初始复制，部分人感染后容易诱发脑炎和脑膜炎。WNV通常随感觉神经末梢、嗅神经元或血液循环到达CNS，并通过"特洛伊木马"机制随着被感染的免疫细胞进入大脑。WNV感染刺激促炎细胞因子及趋化因子的产生，这些因子可以协助被感染免疫细胞穿越血脑屏障，例如CAMs、MMPs等因子能够介导白细胞的附壁、翻滚、黏附和转移等过程。研究发现，WNV感染后小鼠血脑屏障的破坏通常伴随着MMPs表达的增加和TJs的降低，而被感染的星形胶质细胞会诱导TJs降解，进而导致TEER降低和血脑屏障完整性遭到破坏。
3．ZIKV突破血脑屏障的相关致病机制
ZIKV属虫媒类病毒黄病毒科，为单股正链RNA病毒，早期研究认为ZIKV感染主要引起发烧、头痛等轻症，直到2013—2016年于非洲及巴西等地区暴发性流行后，才发现ZIKV感染与格林巴利综合征相关，并能够经由母婴传播，导致胎儿小头畸形、成人脑炎、脑膜炎等严重的神经系统疾病。ZIKV可穿越胎盘屏障及血脑屏障感染CNS，但其作用机制有所不同，Chiu等通过研究含有人胎盘滋养细胞(JEG-3)的体外胎盘屏障模型和含有人脑源性内皮细胞(hCMEC/D3)的体外血脑屏障模型，发现ZIKV能感染JEG-3细胞，并通过蛋白酶降解途径，降解细胞间TJs蛋白ZO-1和occludin的表达，改变胎盘屏障的通透性，使病毒颗粒能够经细胞间跨越屏障。然而，在ZIKV感染hCMEC/D3细胞后，并未观察到细胞间TJs相关蛋白质表达的变化及血脑屏障通透性的改变。Alimonti等同样发现ZIKV能够在不破坏血脑屏障的情况下穿越血脑屏障抵达CNS。这些结果提示ZIKV可能通过胞内转运途径穿越血脑屏障。有研究使用荧光标记ZIKV颗粒后，观察到ZIKV可通过胞吞作用穿越体外血脑屏障模型，且这种胞吞作用能够在低温条件下或加入药物抑制剂后被有效的阻断。关于ZIKV在穿越血脑屏障时是否影响了血脑屏障的完整性及通透性目前仍存在一些争议，有研究发现ZIKV感染后能够上调CCL2、CCL5、IL-6等炎性细胞因子及血管细胞黏附分子-1 (vascular cell adhesion molecule-1，VCAM-1)、VCAM-2等黏附分子的表达，下调claudin-5、ZO-1等TJs相关蛋白质的表达，导致血脑屏障通透性轻微改变，并引发局部炎症、白细胞聚集和脑血管损伤。ZIKV与血脑屏障之间的相互作用是一个复杂的过程，不同研究中使用了不同的血脑屏障体外模型或不同的ZIKV病毒株可能是导致结果不同的原因，目前，ZIKV突破血脑屏障的相关致病机制尚不完全清楚，还需更多的体内研究加以证实。
4．NiV突破血脑屏障的相关致病机制
NiV为副黏病毒科的单股负链RNA病毒，感染初期主要破坏支气管上皮细胞和Ⅱ型肺泡细胞，随着感染加重，病毒从呼吸道上皮细胞传播至肺部的内皮细胞，随后进入血液，并随血液循环独立传播或藏匿于白细胞中传播至包括CNS在内的多个组织器官。NiV感染潜伏期较长，研究发现，约19%的感染存活患者在疾病初次暴发4个月内都存在神经性损伤症状，也有部分患者在首次感染多年以后才出现脑炎的症状。与其他嗜神经病毒比较，NiV破坏血脑屏障的机制有所不同，NiV进入CNS主要通过血行性感染或嗅觉神经两条途径，其中血行性感染即病毒通过脉络丛或大脑血管入侵CNS，在此过程中，血脑屏障遭到破坏，同时伴随着IL-1β及TNF-α的表达上调，进而诱发神经系统症状。有研究用NiV感染仓鼠，并像其注射依文思蓝染料，发现当仓鼠出现神经系统症状时，其脑部的蓝色组织块明显增多，说明NiV感染破坏了血脑屏障的完整性，使得伊文思蓝渗透入脑部。NiV破坏血脑屏障的相关机制目前仍在研究中，有报道发现NiV感染后大脑中IP-10蛋白表达显著升高，IL-6、IL-4、IFN-γ、IL-10及IL-1β等细胞因子在感染早期先降低，后随着感染加重又异常升高。这些细胞因子的改变可能导致血脑屏障中TJs结构受到影响，通透性改变，从而使NiV能够随感染的白细胞以"特洛伊木马"的方式从细胞旁途径进入CNS。NiV是近年来新出现的病毒，现有的数据资料仍较局限，关于其突破血脑屏障的相关致病机制仍需要更多的研究来揭示。
5．RABV突破血脑屏障的相关致病机制
RABV为弹状病毒科的单股负链RNA病毒，其感染可诱发的神经性疾病往往是致命的，曾在全球范围内造成巨大影响。RABV在CNS内可依靠微管网络及轴突转运途径传播，使得RABV扩散到大脑神经元及唾液腺、肾上腺和泪腺等。研究发现，RABV感染小鼠后，TJs相关蛋白claudin-5、occludin和occludula-1表达水平明显降低，细胞因子IFN-γ表达水平升高，说明RABV感染能够诱导炎性细胞因子的表达，抑制TJs结构蛋白，破坏TJs结构，使得血脑屏障通透性增加，病毒及被感染的炎症细胞得以渗入CNS。RABV感染后血脑屏障通透性的增强有一定的积极作用，能够让免疫效应分子得以进入CNS并介导一定的抗病毒作用，有研究发现，当RABV感染小鼠后在脑部检测到血脑屏障通透性增强和炎症反应时，RABV病毒呈减少趋势且感染后神经系统后遗症发生的概率显著降低。
6．HSV突破血脑屏障的相关致病机制
HSV为疱疹病毒科的双链DNA病毒，其感染可诱发严重的传染病单纯疱疹病毒性脑炎(herpes simplex encephalitis，HSE)，死亡率高达20%，且50%以上生存患者留有神经系统后遗症，目前认为嗅觉神经和三叉神经是HSV进入CNS的潜在途径。HSV可直接裂解神经元和神经胶质细胞，导致炎症反应及脑部损伤，在HSV感染的人类及动物的病程早期可观察到血管病变、血脑屏障破坏、毛细血管充血、淤血等症状。在HSV破坏血脑屏障感染CNS的过程中，MMPs的活化发挥了主要作用。对HSE小鼠脑部进行分析发现MMP-2和MMP-9活性显著增加，其中MMP-9信号集中于脑脊膜和脑部血管，在HSV感染急性期可在CNS中检测到高活性的MMP-2和MMP-9，且该高活性状态可持续数月之久。同时，在HSE患者的脑脊液和血清中均检测到MMP-9高表达。此外，HSV感染可刺激内皮细胞黏附分子ICAM-1、VCAM-1及E-selectin等的表达受到影响。高水平的MMPs蛋白能够加速TJs相关蛋白质的降解，再加上细胞黏附分子的异常表达，导致了血脑屏障的破坏，使得HSV能够通过细胞旁途径独立地或以"特洛伊木马"机制入侵CNS。
7．HIV突破血脑屏障的相关致病机制
HIV是反转录病毒家族中研究最多的一类嗜神经病毒，基因组为单股正链RNA，其感染和致病的过程与血脑屏障的破坏有关。HIV感染早期先影响血管周围的小胶质细胞及巨噬细胞，随着感染加重可导致严重的神经性疾病，HIV相关神经认知障碍，在感染后期可进一步发展为脑炎。HIV-1是最常见的致病毒株，可通过不同的途径穿越血脑屏障并诱发艾滋病。首先，HIV-1可影响BMECs间的TJs功能，有研究发现，HIV-1可导致BMECs或脐静脉源性内皮细胞间的TJs表达发生变化，并上调MMP-2、MMP-9的表达，增强血脑屏障通透性，使得病毒能够穿过内皮细胞分子层。此外，被感染的白细胞可携带病毒以"特洛伊木马"的方式渗出血脑屏障，CD4+T淋巴细胞和循环的单核细胞感染HIV后可通过血脑屏障的缺口进入CNS，并诱发大脑内的炎症反应。HIV可调控各类细胞因子及蛋白质的表达，有研究人员在HIV感染相关神经系统疾病患者的脑脊液中可检测到高水平的可溶性ICAM-1，另外，感染的单核细胞或巨噬细胞会刺激TNF-α、IL-6、VCAM-1和E-selectin的表达上调，以及病毒糖蛋白gp120可激活趋化因子受体CXCR4和CCR5，这些蛋白质表达的变化可导致神经元损伤、TJs结构降解及血脑屏障通透性增加。
8．PV突破血脑屏障的相关致病机制
PV是一种无包膜的单股正链RNA病毒，属于微小核糖核酸病毒科的肠道病毒属，主要通过粪口途径传播。PV具有嗜神经性，能够入侵CNS，并主要在运动神经元中复制扩增，使运动神经元受损进而导致小儿麻痹症，能使约1%的感染者永久瘫痪。PV可通过外周神经逆向轴突转运或经由血液循环突破血脑屏障进入CNS，前者已有较多的报道提供了充分的证据支撑，后者则大多停留在体外研究阶段，还需更多的体内研究加以证实。Yang等研究发现PV能够高速渗透血脑屏障，其速度堪比白蛋白渗透血脑屏障的速度，且不依赖于PV受体(human PV receptor，hPVR)。类似地，Ohka等通过研究含有小鼠脑毛细血管内皮细胞的体外血脑屏障模型，发现PV通过非hPVR依赖途径渗透血脑屏障，且其速度与转铁蛋白的渗透速度一样快，这些研究表明PV可能依赖一种新的受体穿越血脑屏障。通过质谱法分析PV相互作用蛋白质，结果显示小鼠转铁蛋白受体1(transferrin receptor 1，TfR1)在PV渗透血脑屏障的过程中发挥重要作用，并且发现人与小鼠TfR1的同源性较高，所以人TfR1可能是PV穿越血脑屏障的主要受体。此外，研究发现进入CNS的PV大多为完整的感染性颗粒，说明PV可能通过血脑屏障中BMECs的胞吞作用穿越血脑屏障，并在此过程中维持了其传染性。关于PV突破血脑屏障的相关致病机制目前仍处于研究阶段，还需更多的研究加以证实。
三、展望
本文总结了几种常见嗜神经病毒破坏血脑屏障侵袭CNS的相关致病机制研究进展。大部分嗜神经病毒包括JEV、WNV、ZIKV、NiV、RABV、HSV及HIV主要通过细胞旁途径穿越血脑屏障，即通过感染后细胞因子、趋化因子的分泌，抑制血脑屏障中TJs相关蛋白质的表达，增加血脑屏障通透性，使病毒自身或被病毒感染的免疫细胞以"特洛伊木马"的方式进入CNS。也有少部分病毒，如ZIKV和PV，能够经跨细胞途径，依赖特殊受体及胞内转运途径，在不改变血脑屏障结构的情况下进入CNS。在病毒进入CNS的过程中，受到影响的蛋白质主要为TJs相关蛋白质(claudin-1、claudin-5、ZO-1、ICAM-1等)、细胞因子(IL-1、IL-6、IL-18、TNF-α、IFN-γ等)以及能够降解TJs结构的蛋白质(MMP-2和MMP-9)，这些蛋白质的共同变化是导致血脑屏障崩坏的根本原因。因此，未来关于抗嗜神经病毒的药物的研究可以将以上3类蛋白质作为潜在靶标。目前，关于嗜神经病毒与血脑屏障之间的相互作用机制仍处于研究阶段，本文通过综述嗜神经病毒穿越血脑屏障的相关机制研究进展，旨在进一步探索嗜神经病毒更确切的致病机制，为今后的抗病毒研究提供参考和研究思路。
引用: 张玉, 刘海沣, 刘晓宁, 等. 嗜神经病毒穿越血脑屏障入侵中枢神经系统的相关致病机制研究进展 [J] . 中华微生物学和免疫学杂志, 2022, 42(11) : 906-911.
点击阅读原文，进入书籍宝库，用完记得收藏哦，下次更方便。