Front Aging Neurosci 综述︱樊东升团队聚焦肌萎缩侧索硬化中外周与中枢免疫系统的交互作用

撰文︱余玮怡，樊东升

责编︱王思珍

制版︱查佳雪

肌萎缩侧索硬化（amyotrophic lateral sclerosis，ALS），俗称“渐冻症”，是最常见的运动神经元病，典型特征为上、下运动神经元功能障碍。这种致死性疾病的发病率在中国为1.62/10万人[1]，患者多在发病后的3-5年内死亡[2]。目前除了利鲁唑和依达拉奉可延缓疾病进展外，尚无其他有效的治疗方案。探索ALS的发病机制有助于寻找潜在的治疗靶点。

迄今为止，关于ALS的发病机制假说较多，如致病基因突变、神经炎症、自噬、毒性蛋白聚集、能量代谢障碍、环境因素等[3]。越来越多的证据表明ALS发病过程存在免疫系统异常[4]。随着对ALS的研究深入，研究人员意识到外周（peripheral immune system，PIS）和中枢免疫系统（central immune system，CIS）持续地相互作用，引起ALS中全身性炎症发展。因此，深入了解两个系统间的“串扰（crosstalk）”或交互作用对探索ALS的发病机制和治疗方案具有重要意义。

2022年5月3日，北京大学第三医院神经内科/神经退行性疾病生物标志物研究转化北京市重点实验室的樊东升教授团队在《衰老神经科学前沿》（Frontiers in Aging Neuroscience）上发表了题为“Neuroimmune Crosstalk Between the Peripheral and the Central Immune System in Amyotrophic Lateral Sclerosis”的最新综述文章，阐明了ALS外周与中枢免疫系统的交互作用。余玮怡博士、何及副教授为该文章的共同第一作者，樊东升教授为通讯作者。作者首先简要介绍了ALS中CIS和PIS中的固有免疫细胞的变化，然后回顾了既往关于ALS的CNS屏障改变的研究，并讨论其在“串扰”中的关键作用。最后回顾和总结两系统中可移动的细胞因子、趋化因子和外周免疫细胞，突出PIS和CIS之间的“串扰”过程。以此讨论外周和中枢免疫系统的“串扰”作为治疗靶点的可能性，旨在为ALS的致病机制和创新治疗方法提供新的见解。

第一部分：ALS患者中固有免疫细胞的主要变化

一、中枢炎症反应

中枢神经系统（central nervous system，CNS）中神经胶质细胞，包括小胶质细胞和星形胶质细胞，触发神经炎症反应，与浸润的外周免疫细胞相互作用，最终诱导或加速CNS的运动神经元（motor neuron，MN）死亡[5]。小胶质细胞是CNS固有的天然免疫细胞，通过释放免疫分子介导神经炎症。既往研究人员将小胶质细胞的激活状态简化为两个表型，分别为促炎症的M1表型和起神经保护作用的抑制炎症的M2表型，近来研究发现两种亚型之间存在多种过渡表型，如疾病相关小胶质细胞（disease-associated microglia，DAM）[6]、受体相互作用蛋白激酶-1调节的炎性小胶质细胞（receptor-interacting protein kinase 1（RIPK1）- regulated inflammatory microglia，RRIMs）[7]等。总的来说，小胶质细胞在ALS早期主要向抗炎表型转变，保护MNs，随着疾病进展，终末期小胶质细胞向促炎表型转变，加重ALS。在神经炎症中，星形胶质细胞可通过影响小胶质细胞的活化、迁移和增殖从而起免疫调节作用[8]。

二、外周炎症反应

ALS患者外周免疫反应异常，总体来说表现为慢性炎症。淋巴细胞、单核细胞（含巨噬细胞）、中性粒细胞、自然杀伤细胞（NK细胞）和肥大细胞是外周固有免疫细胞。大多数研究表明，CD 8+ T淋巴细胞、NK T淋巴细胞、中性粒细胞、 NK细胞在ALS中有害，并在ALS患者血液中数量增加，而起神经保护作用的 CD4+ T淋巴细胞数量减少[9]。对B淋巴细胞研究较少，目前认为其在ALS的发病机制中起次要作用[10]。ALS患者的外周血单核细胞比例变化，且优先向促炎表型分化[11]。ALS小鼠的外周血中肥大细胞数量增加，但在患者中少有研究[12]。远端轴突病是ALS公认的病理特征之一，外周研究者在ALS患者的坐骨神经中观察到活化的肥大细胞、中性粒细胞和巨噬细胞沿退化的轴突募集[13]。近来人们越来越多地讨论外周免疫细胞在ALS中的预后诊断作用，随着技术和认识的发展，研究人员逐渐转向通过检测单个特定髓系亚群以对患者进行分类和预后监测。

第二部：ALS中CNS屏障的改变

CNS屏障由一层内皮细胞形成，通过内皮间紧密连接（tight junctions，TJs）、粘附蛋白和细胞质连接，周细胞和星形细胞末端足包裹组成基底膜，这些构成了CNS的物理屏障[14]，而CNS的生化屏障由内皮细胞膜上的各种转运系统组成。CNS屏障在ALS早期发生改变，总结如下：物理屏障完整性受损、生化屏障的功能调节和屏障细胞在免疫应答中分泌神经免疫相关物质。CNS屏障是CIS和PIS之间通信的中心点，更好地理解CNS屏障完整性或功能是如何改变的，可能为终止ALS中有害的“串扰”提供思路。

一、物理屏障完整性受损

多项研究发现ALS患者CNS屏障超微结构的改变，包括内皮细胞肿胀、胞浆空泡化，周细胞数量减少，星形胶质细胞末端足突脱离内皮细胞，变化发生在疾病早期，并随疾病进展而恶化[15]。除此以外，紧密连接蛋白和粘附蛋白表达减少；基底膜的增厚作为代偿机制或修复过程在疾病早期出现[16]。超结构异常和紧密连接粘附蛋白减少导致物理屏障完整性受损和细胞旁通透性增加，允许生化物质和细胞进入CNS，加速了全身的炎症反应。

二、 生化屏障的功能调节

ATP结合盒转运（ATP-binding cassette，ABC）蛋白是CNS屏障内皮细胞膜上常见的转运系统之一，可有效排出内皮细胞中的各种内外源性毒素，以维持细胞内稳态。P-糖蛋白（P-gp）是目前研究较多的ABC蛋白之一，在ALS中表达和活性上调[17]。研究发现P-gp受肿瘤坏死因子α（TNF-α）和生长因子β1（TGF-β1）的调节，而这两种因子的表达水平在ALS中均升高，提示P-gp的过表达或与此相关[18-20]。星形胶质细胞可能参与调节P-gp的表达，但可能取决于ALS的基因型。共培养的ALS相关突变SOD1星形胶质细胞可通过分泌TNF-α、活性氧等影响附近内皮细胞的P-gp的表达，但另一ALS相关突变C9orf72星形胶质细胞对P-gp的表达无影响[21, 22]。除此以外，另外一种外排转运蛋白，乳腺癌耐药蛋白（breast cancer resistance protein，BRCP）亦在ALS中表达上调。以上结果提示CNS生化屏障的功能调节，这可能最终影响ALS的发生发展。

三、 屏障细胞在免疫应答中分泌神经免疫相关物质

屏障细胞，包括内皮细胞、周细胞和星形胶质细胞可在外周或中枢免疫细胞的免疫刺激下分泌神经免疫相关物质，如内皮细胞在不同刺激下可分泌白介素6（Interleukin 6，IL-6）、前列腺素和一氧化氮[23]；周细胞可通过分泌白介素9和基质金属蛋白酶9（matrix metalloproteinase-9，MMP-9）等促进中性粒细胞的迁移[24]；星形胶质细胞一方面通过影响小胶质细胞和介导单核细胞迁移以放大CNS的神经炎症，另一方面，屏障上的反应性星形胶质细胞释放的一氧化氮、血管内皮生长因子、胶质细胞源性神经营养因子等物质可调节紧密连接蛋白的表达和内皮细胞的增殖，从而影响CNS屏障的完整性和通透性[25]。因此，屏障细胞不仅可以将信息从屏障的这一侧传递到另一侧，也参与调节炎症微环境。

第三部分：从PIS到CNS的信息传递

在ALS中损伤的MNs与胶质细胞相互作用，它们释放一定水平的细胞因子和趋化因子，随后募集外周免疫细胞浸润CNS促进炎症。促炎信号从CIS扩散到PIS，再从PIS扩散到CIS，从而促成ALS的全身性炎症环境。

一、ALS中的细胞因子和趋化因子

CNS屏障介导了细胞因子和趋化因子的转运、渗透和摄取。由于免疫细胞的激活，ALS中细胞因子和趋化因子的表达水平发生明显变化[26]，促炎因子的表达升高促进了CNS屏障通透性的增加，并作用于两侧的固有免疫细胞，诱导免疫细胞迁移和浸润，加剧屏障破坏和神经炎症。部分细胞因子和趋化因子的变化及其在ALS中的主要作用总结在表1。

表1 细胞因子和趋化因子在ALS中的主要作用

（表源 Weiyi Yu, et al，Front Aging Neurosci, 2022）

二、外周免疫细胞向CNS浸润

越来越多的证据表明，许多外周免疫细胞首先在PIS中被激活然后向CNS浸润。由于外周免疫细胞易于监测和调节，外周免疫细胞可作为ALS的治疗靶点之一，因此需要更好地了解外周免疫细胞如何浸润CNS。

（1）T淋巴细胞：众所周知，ALS中，T淋巴细胞可浸润CNS。炎症诱导下，T淋巴细胞表达的CD6受体与表达于内皮细胞表面的上调的白细胞粘附分子结合，进入脑实质[27]。T淋巴细胞来源的TNF-α和IL-17可诱导免疫细胞和MNs分泌MM-9，促进T细胞的浸润[28]。在ALS中，T淋巴细胞亚群的变化和浸润CNS的具体机制存在差异，如起神经保护作用的Treg细胞通过CCL5/CCR5和CCL6/CCR6机制被激活并募集到CNS，在疾病早期抑制小胶质细胞的活化[29]；CD8+ T细胞在小胶质细胞表达的MHC-I的诱导下侵入CNS并介导运动神经元损伤乃至死亡[30]。

（2）肥大细胞：研究发现肥大细胞在ALS患者脊髓中浸润，小胶质细胞释放的IL-6、CCL5、TNF-α可引起肥大细胞的活化和CNS浸润。肥大细胞也可通过释放蛋白酶，作用至紧密连接和细胞外基质成分，从而影响BBB的通透性和完整性，促进肥大细胞的浸润[31, 32]。

（3）单核细胞：近来研究证实在ALS病程中，外周单核细胞亦可浸润CNS并与运动神经元的存活率相关，但这种浸润是有数量限制的，即认为CNS中蓄积的单核细胞（包括巨噬细胞）更多的是由于细胞浸润后在CNS中的增殖而不是大量在外周循环增加的单核细胞浸润CNS[33]。

（4）中性粒细胞、NK细胞：较少研究讨论这两种细胞在两系统“串扰”中的角色，但由于既往研究提示外周血中中性粒细胞和NK细胞的数量增加和ALS疾病进展有明显的相关性[34, 35]，以及它们在固有免疫反应中的角色，它们也可能通过多种复杂的方式影响CNS中神经炎症，后续还需要更多的研究。

第四部分：总结和展望

以往对ALS神经炎症的研究主要集中在两种免疫系统分别与ALS的关系，ALS中PIS和CIS之间的“串扰”尤其是CNS屏障的作用讨论较少。外周和中枢固有免疫细胞激活并通过免疫分子相互影响；CNS屏障功能障碍为“串扰”“打开大门”的同时亦参与炎症环境的调节；最终这一慢性全身性炎症促进或导致MNs的死亡，运动神经元轴突的损伤和神经肌肉接头的功能障碍（图1）。因此，在对ALS的机制和治疗的探索中应充分考虑PIS和CIS的交互作用。

 图1 PNS和CNS之间的免疫“串扰”示意图

（图源 Weiyi Yu, et al., Front Aging Neurosci, 2022）

CNS屏障在“串扰”中起着至关重要的作用，因此它可能是优化ALS药物使用的研究靶点。例如，利鲁唑是CNS屏障上表达的P-gp和BRCP的底物，因此药物疗效可能部分受到抑制。P-gp抑制剂已被证实可改善ALS小鼠的药物递送[36]，但仍需进行临床试验。再如，将CNS屏障损害的治疗药物与其他治疗一起结合可能会得到有益的效果。值得注意的是，在ALS中，神经炎症是把双刃剑，它在疾病过程中同时发挥神经毒性和神经保护作用。总之，在考虑未来的研究方向时，应着重于纠正免疫紊乱而不是单纯地抑制炎症。

原文链接：https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnagi.2022.890958/full

通讯作者樊东升

（照片提供自：樊东升课题组）

通讯作者简介：樊东升，北京大学第三医院神经内科主任，北京大学医学部神经病学系主任，神经退行性疾病生物标志物研究及转化北京市重点实验室主任，神经科学教育部重点实验室学术委员会副主任，国家卫健委神经科学重点实验室副主任及学术委员会副主任。获评国家卫健委突贡专家、“国之名医”卓越建树奖、“荣耀医者”人文情怀奖、及教育部科技进步一等奖、自然科学二等奖等。

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本文完