P2X7R介導的神經(jīng)炎癥在神經(jīng)精神疾病中的作用

黃亞迪，楊坤麗，2，李雪盼，賈肖揚，李東亮,2※

(1.新鄉(xiāng)醫(yī)學院生理學與神經(jīng)生物學教研室，河南 新鄉(xiāng) 453003； 2.新鄉(xiāng)醫(yī)學院三全學院，河南 新鄉(xiāng) 453003)

神經(jīng)精神疾病包括精神分裂癥、重度抑郁癥和帕金森病(Parkinson′s disease,PD)等，其病因尚無定論，除遺傳和環(huán)境因素外，神經(jīng)炎癥可能是導致神經(jīng)精神疾病的潛在原因[1]。神經(jīng)精神疾病患者腦脊液和腦組織中多種炎癥標志物高表達，也為神經(jīng)炎癥在神經(jīng)精神障礙發(fā)病中的重要作用提供了有力支持[2]。此外，某些先天性免疫功能改變不僅可引起腦的病理損傷，還可能影響神經(jīng)精神疾病的發(fā)生、發(fā)展。有研究表明，小膠質(zhì)細胞活化同樣與神經(jīng)精神疾病相關(guān)[3]。小膠質(zhì)細胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的先天性免疫細胞，它通過對病原體的應答從而介導神經(jīng)炎癥反應。小膠質(zhì)細胞的激活能進一步導致促炎性因子的釋放，從而引起神經(jīng)元的損傷和丟失[4]。除小膠質(zhì)細胞外，星形膠質(zhì)細胞和神經(jīng)元異?；顒右部赡軈⑴c炎癥的進程[5]。如果神經(jīng)炎癥在神經(jīng)精神疾病的發(fā)病機制中起關(guān)鍵作用，那么抗感染治療可能會為治療這些疾病帶來希望。

在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中,嘌呤能P2X7受體(purinergic P2X7 receptor，P2X7R)活化激活小膠質(zhì)細胞，釋放炎性因子從而引起神經(jīng)炎癥。作為以腺苷三磷酸(adenosine triphosphate,ATP)為配體的離子門控通道P2X受體家族中的一員，P2X7R在小膠質(zhì)細胞中高水平表達[6]。小膠質(zhì)細胞是白細胞介素(interleukin,IL)-1β釋放的主要來源，但近年來研究表明神經(jīng)元釋放IL-1β同樣重要[7]。Chrovian等[8]研究發(fā)現(xiàn)，受損細胞釋放的高濃度ATP刺激P2X7R，可增加前列腺素E2的合成，導致?lián)p傷相關(guān)分子模式分子的釋放，啟動神經(jīng)炎性級聯(lián)反應。此外，P2X7R膜孔的形成可能是激活炎性體所必需的[9]。現(xiàn)對P2X7R介導的神經(jīng)炎癥與神經(jīng)精神疾病的關(guān)系進行綜述，擬為今后的神經(jīng)精神疾病靶向藥物研究提供新思路。

1 P2X7R的分布與膜孔形成

在1976年，Burnstock等首次報道了嘌呤受體[10]。嘌呤能受體可分為兩大類:P1和P2受體，P2受體家族包含G蛋白偶聯(lián)P2Y受體(P2Y1,2,4,6,11～14)和配體門控離子通道P2X受體(P2X1～7)[7]。P2X受體分布廣泛，體內(nèi)呼吸、消化、心血管、泌尿生殖、骨骼肌和神經(jīng)系統(tǒng)均有分布，由胞內(nèi)的N端和C端，2個跨膜區(qū)和1個胞外環(huán)結(jié)構(gòu)組成[11]。P2X7R具有特殊的結(jié)構(gòu)和功能，含有大量的單核苷酸多態(tài)性，編碼人P2X7R的基因與雙相情感障礙及抑郁癥的易感性相關(guān)[12]。與其他P2X受體相比，P2X7R具有較長的C端，且表現(xiàn)有雙相功能：與ATP結(jié)合，數(shù)毫秒內(nèi)即可誘導非選擇性陽離子通道的開放；可數(shù)秒內(nèi)形成一個大的膜孔，允許分子量為900的分子通透，導致炎性細胞因子釋放和細胞死亡[10]。P2X7R介導的質(zhì)膜孔道開放機制目前仍不清楚[13]。質(zhì)膜孔道的形成可能受P2X7R不同部位的影響，特別是其獨特的C端區(qū)。有學者設(shè)想P2X7R通道可以隨通透發(fā)展而逐漸擴張[9]。然而，近年來研究表明P2X7R膜孔的孔徑大小無變化，抑制膜孔形成的化合物對離子通道功能無影響?？傊?，膜孔形成是由于通道內(nèi)徑擴大還是P2X7R介導的下游信號轉(zhuǎn)導造成的仍有待明確[14]。然而，P2X7R膜孔形成的后果是膜電位的降低、促進谷氨酸釋放、膜對大分子的通透性增加以及促凋亡級聯(lián)信號的激活[9]。

P1和P2受體在大腦中高度表達，因此P1和P2受體的激活可調(diào)節(jié)一些正常的行為，如學習和記憶、睡眠和覺醒、情緒等。當然，這些受體的異常也可能涉及神經(jīng)精神疾病[11]。神經(jīng)系統(tǒng)中，P2X7R首先在小膠質(zhì)細胞與星形膠質(zhì)細胞中被發(fā)現(xiàn)，并且ATP是唯一已知的P2X7R的天然激活劑。值得注意的是，急性細胞損傷或死亡將導致大量的ATP和促炎細胞因子釋放到細胞外環(huán)境中，而促炎細胞因子又可以增強P2X7R的表達以及對ATP刺激的靈敏度[15]。

2 P2X7R激活與神經(jīng)炎癥

P2X7R激活可通過許多特異性信號轉(zhuǎn)導途徑影響細胞的功能，包括含有Nod樣受體蛋白3(Nod-like receptor protein 3，NLRP3)炎癥小體的活化、IL-1等細胞因子的加工和釋放、活性氧類、吞噬溶酶體的形成等[16]。P2X7R活化打開陽離子通道，激活包括炎性體在內(nèi)的若干通路，激活蛋白激酶和促分裂原活化的蛋白激酶途徑，導致細胞凋亡。除通道功能外，P2X7R通過NLRP3炎性復合體促進炎性細胞因子IL-1β和IL-18的釋放研究得最充分[17]。NLRP3炎癥小體作為轉(zhuǎn)導危險信號和炎癥發(fā)生的主要胞內(nèi)蛋白復合體，可進一步激活胱天蛋白酶1促進IL-1β的加工分泌，將P2X7R與IL-1β釋放偶聯(lián)[18]。P2X7R在血細胞中大量表達，因此血液中的IL-1β已被用作P2X7活性的生物標志物，并已用于臨床評估[19]。近年來對NLRP3炎癥小體激活和IL-1β分泌機制的研究結(jié)果表明，K+滲出是激活NLRP3復合體的常見信號。胞內(nèi)K+濃度下降，激活I(lǐng)L-1β轉(zhuǎn)換酶，促進IL-1β和IL-18前體蛋白向成熟蛋白轉(zhuǎn)化[20]。巨噬細胞的P2X7R被激活時，除通過NLRP3炎癥小體誘導的IL-1β和IL-18釋放外，也促進腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)等其他細胞因子的釋放。這些均表明P2X7R在活化炎性細胞釋放炎性因子中的重要角色。ATP激活P2X7R也促進巨噬細胞活性氧類的產(chǎn)生[21-22]。在骨髓細胞中，活性氧類生成增加的結(jié)果之一是促進IL-1β分泌。早期的報道表明，P2X7R誘導星形膠質(zhì)細胞釋放興奮性氨基酸，如谷氨酸和天冬氨酸。P2X7R也可通過激活多種轉(zhuǎn)錄因子影響基因表達，具有誘導細胞凋亡的能力[23]。

神經(jīng)炎癥是指發(fā)生在中樞神經(jīng)系統(tǒng)及周圍神經(jīng)系統(tǒng)中的炎癥反應。感染、高熱、缺血或缺氧等多種因素均可引起神經(jīng)炎癥的發(fā)生[24]。近年來P2X7R介導中樞神經(jīng)系統(tǒng)障礙的疾病通路機制逐漸明確[15]。如上所述，P2X7R在星形膠質(zhì)細胞和小膠質(zhì)細胞中表達，并且隨各種疾病狀態(tài)表達上調(diào)。缺氧、局部缺血、機械損傷、細菌或化學毒素等應激信號引發(fā)P2X7R活化，大量ATP釋放并進一步激活相鄰細胞上的P2X7R[25]。隨著Ca2+通過受體離子通道流入，P2X7R活化機制如下：①通過胞吐和其他機制從神經(jīng)末梢和星形膠質(zhì)細胞釋放谷氨酸，引起興奮性毒性；②促進IL-1β成熟，并通過NLRP3炎癥小體和其他促進神經(jīng)炎癥的細胞因子進一步釋放，參與神經(jīng)炎癥；③增強活性氧類產(chǎn)生，從而加重蛋白錯誤折疊和神經(jīng)元損傷；④直接或間接導致細胞死亡和反應性星形膠質(zhì)細胞增生；⑤直接或間接下調(diào)腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子的產(chǎn)生和神經(jīng)可塑性, 見圖1[26]。

Stress signal:應激信號；AD:阿爾茨海默??；PD:帕金森??；HD:亨廷頓??；SE:癲癇持續(xù)狀態(tài)；ALS:肌萎縮側(cè)索硬化癥；MS:多發(fā)性硬化癥；Pain:疼痛；Mood disorders:情緒障礙；Nerve terminal:神經(jīng)末梢；Cell death/reactive gliosis:細胞凋亡/膠質(zhì)反應性增生；BDNF:腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子；ATP:腺苷三磷酸；GLU:谷氨酸；NMDA:N-甲基-D-天冬氨酸受體；Protein misfolding:蛋白質(zhì)錯誤折疊；Excitotoxicity:興奮性毒性；Neuro inflammation:神經(jīng)炎癥；P2X7R:P2X7受體；ROS:活性氧類；TNF-α:腫瘤壞死因子α；IL-1：白細胞介素1；Panx1:泛連接蛋白1；TLR4:Toll樣受體4；proIL-1β：IL-1β前體；Astrocyte:星形膠質(zhì)細胞；Microglia:小膠質(zhì)細胞；NLRP3:Nod樣受體蛋白3

圖1P2X7R介導神經(jīng)炎癥及其在常見神經(jīng)精神疾病中的致病機制

3 P2X7R介導的神經(jīng)炎癥與神經(jīng)精神疾病

目前認為IL-1β作為神經(jīng)炎性介質(zhì)在神經(jīng)精神疾病的發(fā)生發(fā)展中起重要作用。患者炎癥相關(guān)免疫基因富集的證據(jù)提示，神經(jīng)炎癥與抑郁癥、雙相情感障礙和精神分裂癥常共同發(fā)病并非巧合，而恰恰是內(nèi)在因果聯(lián)系的表現(xiàn)[27]。精神分裂癥、抑郁和焦慮、PD、多發(fā)性硬化癥(multiple sclerosis，MS)、肌萎縮側(cè)索硬化癥、亨廷頓病(Huntington′s disease，HD)和癲癇均有炎癥物質(zhì)的表達[26]。近年來文獻報道，使用P2X7R拮抗劑可治療以炎癥為特征的神經(jīng)退行性疾病、可減輕輻射損傷，是預防創(chuàng)傷性腦損傷和脊髓損傷后繼發(fā)性神經(jīng)損傷，可改善腦缺血損傷的預后，預防少突膠質(zhì)細胞的缺血性損傷等[28]。近年來P2X7R拮抗劑用于治療精神疾病的研究也得到進展，氯丙嗪、氟哌啶醇等幾種抗精神病藥物可以拮抗P2X7R介導的反應，通過抑制P2X7R進而降低多巴胺能遞質(zhì)系統(tǒng)活動起到治療作用[16]。因此，開發(fā)能透過血腦屏障的P2X7R拮抗劑作為抗精神疾病的藥物受到廣泛關(guān)注。越來越多的文獻強調(diào)，P2X7-IL-1β通路在心境障礙包括抑郁癥和雙相情感障礙中的作用[7，15，22]。

3.1精神分裂癥 精神分裂癥涉及感知覺、思維、情感和行為等多方面的障礙以及精神活動的不協(xié)調(diào)。一般認為，精神分裂癥屬于神經(jīng)發(fā)育障礙，胎兒期腦中促炎細胞因子增多和小膠質(zhì)細胞激活的增強常導致腦發(fā)育異常，致使患精神分裂癥概率增大。研究發(fā)現(xiàn)精神分裂癥患者腦脊液中促炎性因子水平明顯升高，神經(jīng)炎癥可能是精神分裂癥的病因之一[29]。鑒于小膠質(zhì)細胞和神經(jīng)炎癥在精神分裂癥中的作用，P2X7R作為精神分裂癥的潛在分子參與者也基本得到證實[30]。在使用苯環(huán)己哌啶誘導的嚙齒動物精神分裂癥模型中，P2X7R的遺傳缺陷和藥物抑制減輕了類似精神分裂癥的行為改變，也表明P2X7R可能是精神分裂癥潛在治療靶點。

3.2抑郁癥 抑郁癥又稱抑郁障礙，以顯著而持久的心境低落為主要臨床特征，是心境障礙的主要類型。臨床和動物研究表明，應激刺激與抑郁癥發(fā)生、發(fā)展過程密切相關(guān)。慢性應激刺激時，大腦中P2X7R mRNA上調(diào)和小膠質(zhì)細胞激活，小膠質(zhì)細胞的活化又促進了IL-1β等炎性細胞因子的釋放[5]。脂多糖誘導的抑郁癥小鼠模型的IL-1β和TNF-α水平明顯上調(diào)，抑制P2X7/核因子κB信號通路，則可有抗抑郁的效果[31]。同樣有研究指出，IL-1β不僅與老年抑郁癥和產(chǎn)后抑郁癥產(chǎn)生有關(guān)，其水平還與抑郁的嚴重程度呈正相關(guān)[11]。在壓力誘導的抑郁動物模型研究中顯示IL-1β信號轉(zhuǎn)導對抑郁樣表型的發(fā)展至關(guān)重要[32]。P2X7R敲除小鼠表現(xiàn)出抗抑郁和抗狂躁表型，而P2X7R拮抗劑考馬斯亮藍的抗抑郁作用也已報道。綜上所述，P2X7R可能與抑郁癥的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。

3.3癲癇 癲癇是一組以反復發(fā)作大腦神經(jīng)元突發(fā)性異常放電，導致短暫大腦功能障礙的慢性疾病。癲癇可發(fā)生在所有年齡段的人群，全球約有6 000萬人患有該病[33]。與一般人群相比，癲癇患者的預期壽命縮短2%～10%，病死率增加2～3倍，伴有一系列共患疾病的風險增加4倍，如抑郁和焦慮等影響生活質(zhì)量的神經(jīng)精神疾病[33]。持續(xù)神經(jīng)變性、血腦屏障通透性增加和細胞外基質(zhì)重組是癲癇特征性改變。研究表明，癲癇的這些改變是基于星形膠質(zhì)細胞和小膠質(zhì)細胞激活而引發(fā)的[33]。靜息狀態(tài)時腦小膠質(zhì)細胞表達P2X7R，遇到刺激時小膠質(zhì)細胞激活并釋放IL-1β調(diào)節(jié)神經(jīng)炎癥反應，加劇癲癇發(fā)生[34]。神經(jīng)炎性可以增加神經(jīng)元興奮性，降低癇性發(fā)作的閾值，介導神經(jīng)元凋亡等，在癲癇發(fā)病中起重要作用[35]。在癲癇患者和實驗模型中發(fā)現(xiàn)促炎癥細胞因子(如IL-1β和TNF-α)的釋放均增加。Rodriguez-Alvarez 等[36]研究發(fā)現(xiàn)，P2X7R拮抗劑可有效控制缺氧誘導的新生小鼠癲癇發(fā)作,聯(lián)合使用P2X7拮抗劑考馬斯亮藍和A-438079后也縮短了癲癇持續(xù)狀態(tài)時程。由此可見，P2X7R和NLRP3炎癥小體在癲癇發(fā)作中在扮演著重要角色，可能成為治療癲癇發(fā)作的重要靶點。

3.4PD PD是一種中老年人常見的進行性腦病，主要涉及運動、語言和其他能力的障礙，如四肢的靜止震顫，肌肉強直，姿勢失衡和運動遲緩。PD的病理特征是黑質(zhì)致密部多巴胺能神經(jīng)元的逐漸丟失和投射至紋狀體區(qū)的多巴胺遞質(zhì)減少[37]。α突觸核蛋白是中樞神經(jīng)系統(tǒng)突觸前及核周表達的可溶性蛋白質(zhì)，它與PD的發(fā)病機制和相關(guān)功能障礙密切相關(guān)[38]。研究發(fā)現(xiàn)，腦內(nèi)α突觸核蛋白積聚可觸發(fā)大量ATP釋放，從而激活小膠質(zhì)細胞上的P2X7R，增加活性氧類的產(chǎn)生進而激活NLRP3炎癥小體，引起IL-1β的異常產(chǎn)生和釋放，導致多巴胺能神經(jīng)元的損傷[39]。同時，P2X7R在長時間較高濃度ATP的刺激作用下形成質(zhì)膜孔道，也可導致多巴胺能神經(jīng)元變性、壞死，而P2X7R拮抗劑考馬斯亮藍可以阻斷這一進程[40]。此外，P2X7R活化可能又有助于α突觸核蛋白聚集，加重PD病情[41]。因此，P2X7R與PD的發(fā)生密切相關(guān)，抑制其活化可能對PD患者有重要的臨床意義。

3.5HD HD是由神經(jīng)元中亨廷頓蛋白的IT15基因突變引起的遺傳性神經(jīng)疾病，其癥狀包括運動癥狀、認知功能障礙及精神障礙，多發(fā)生于40歲左右的成年人。需要指出的是，正常的亨廷頓蛋白本身具有多種功能，而亨廷頓蛋白變異則會導致功能紊亂。舞蹈癥是HD的典型癥狀，所以這一疾病也被稱作亨廷頓舞蹈病。HD是由于紋狀體和大腦皮質(zhì)神經(jīng)元亨廷頓蛋白變異所造成的神經(jīng)毒性作用，最終導致神經(jīng)元功能障礙。有證據(jù)表明，阻滯ATP生成可降低HD腦細胞死亡[42]。在Tet/HD94和R6/1兩種HD小鼠模型中，神經(jīng)元P2X7R表達以及P2X7R誘導的Ca2+通透性增加，而用P2X7R拮抗劑考馬斯亮藍可改善運動協(xié)調(diào)障礙和減輕體重，同時抑制神經(jīng)元損失[43]。以上研究均表明P2X7R可能在HD的發(fā)生演化中有重要作用，且P2X7R拮抗劑有望成為HD的治療藥物。

3.6MS MS是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的進行性疾病。據(jù)估計全球約250萬人MS患者，其癥狀包括運動障礙，認知、視覺和感覺缺陷，疲勞和疼痛等，在25～45歲青壯年高發(fā)，其病因尚不清楚[44]。據(jù)研究，環(huán)境和遺傳因素在疾病發(fā)展中起作用[44]。MS以彌漫性軸索損傷、星形膠質(zhì)細胞和小膠質(zhì)細胞增生、少突膠質(zhì)細胞損傷、炎性病灶損傷和T細胞的活化為特征[44]。實驗性自身免疫性腦脊髓炎(experimental autoimmune encephalomyelitis,EAE)小鼠是目前認可的MS動物模型，P2X7R在EAE小鼠中過表達[45]。進一步研究發(fā)現(xiàn)，敲除P2X7R的EAE小鼠，中樞神經(jīng)系統(tǒng)淋巴細胞凋亡的數(shù)量減少，脊髓中γ干擾素的表達增加，軸突損傷減輕而TNF-α和IL-2水平基本無改變。在EAE小鼠慢性期給予P2X7R拮抗劑后，軸突傳導和神經(jīng)系統(tǒng)潛伏期得到改善，癥狀和組織損傷減輕，髓鞘再生增加[45]。Yiangou等[46]提出了MS的P2X7R機制：星形膠質(zhì)細胞死亡引起的細胞外ATP水平增加，激活小膠質(zhì)細胞和巨噬細胞中的P2X7R，從而刺激IL-1β產(chǎn)生和釋放。IL-1β又引發(fā)炎癥和組織損傷，誘導環(huán)加氧酶2的產(chǎn)生，加劇細胞凋亡。值得一提的是，P2X7R拮抗劑(考馬斯亮藍)用于治療MS的神經(jīng)變性已獲得專利(EP1655032B1)，為臨床和研究提供了新的工具[47]。

4 小 結(jié)

神經(jīng)精神疾病的醫(yī)療需求在迅速增加，而目前的治療策略并沒有理想的臨床效果。P2X7R作為神經(jīng)元-神經(jīng)膠質(zhì)通訊的關(guān)鍵調(diào)節(jié)位點，參與神經(jīng)保護，神經(jīng)變性和神經(jīng)再生相關(guān)信號轉(zhuǎn)導途徑的調(diào)節(jié)，已成為神經(jīng)精神疾病新的治療干預的靶點而受到關(guān)注。臨床試驗中的P2X7R拮抗劑即將作為神經(jīng)精神障礙的輔助藥物而應用。已有的證據(jù)表明P2X7R介導小膠質(zhì)細胞的活化和促炎性因子共同作用是許多神經(jīng)精神疾病發(fā)生發(fā)展的重要原因[13]。因此，通過進一步明確P2X7R在神經(jīng)炎癥中的作用機制，明確其中重要的信號通路和靶點，可能為神經(jīng)精神疾病臨床治療藥物的開發(fā)提供新思路。