大腦衰老過程中的免疫學(xué)機(jī)制研究進(jìn)展

李基民，王文杰，尹秋麗，戎瑞雪

（河北大學(xué)醫(yī)學(xué)院，河北 保定 071000）

0 引言

腦神經(jīng)元發(fā)生（Brain Neurogenesis）在人和小鼠的海馬齒狀回區(qū)（Dentated Gyrus of Hippocampus）和腦室下區(qū)（subventricular zone SVZ）普遍存在，且隨年齡的增長而減弱[1-3]；這一現(xiàn)象與記憶力減退、認(rèn)知障礙等多種神經(jīng)退行性變化有關(guān)[4]。具體的相關(guān)機(jī)制目前并不清楚，但最新的研究發(fā)現(xiàn)衰老個(gè)體大腦小膠質(zhì)細(xì)胞激活量增加從而對(duì)海馬齒狀回區(qū)神經(jīng)元發(fā)生產(chǎn)生影響，這一現(xiàn)象與大腦內(nèi)皮細(xì)胞（Brain Endothelial CellsBECs）表面的粘附分子VCAM-1（CD106）有關(guān)[5]。另有研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)不同年齡小鼠的SVZ 進(jìn)行單細(xì)胞RNA 測序，發(fā)現(xiàn)老年個(gè)體這一區(qū)域存在T 細(xì)胞浸潤，同時(shí)發(fā)現(xiàn)浸潤的T 細(xì)胞是克隆擴(kuò)增的，這表明它們可能經(jīng)歷了特定抗原刺激[6]。這暗示，腦神經(jīng)元發(fā)生隨年齡增長而減弱并表現(xiàn)出認(rèn)知障礙可能與免疫系統(tǒng)有關(guān)。基于這兩項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，下面將就VCAM-1 的相關(guān)研究和T 細(xì)胞對(duì)神經(jīng)元的影響進(jìn)行總結(jié)。

1 VCAM-1

1.1 分布、表達(dá)和功能。血管細(xì)胞粘附分子-1（Vascular cell adhesion molecule-1，VCAM-1/CD106）是Ig 超家族中的Ⅰ型跨膜糖蛋白，分子量100-110kDa，含有674 個(gè)氨基酸，廣泛分布于活化的內(nèi)皮細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、巨噬細(xì)胞及成纖維細(xì)胞等細(xì)胞表面；其配體為VLA-4（α4β1），主要分布于白細(xì)胞表面[7-9]。此外VCAM-1 可以被膜結(jié)合金屬蛋白酶ADAM17 水解，組成性地脫落，產(chǎn)生可溶性VCAM-1（soluble VCAM-1 ，sVCAM-1）[9]。VCAM-1 在 體 內(nèi) 炎癥反應(yīng)部位的內(nèi)皮細(xì)胞上調(diào)，促進(jìn)白細(xì)胞通過整合素受體VLA-4 連接并轉(zhuǎn)移到組織中[10]。

關(guān)于VCAM-1 的表達(dá)調(diào)控，現(xiàn)有的研究發(fā)現(xiàn)在LPS 刺激人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞后可激活PI3K/Akt 信號(hào)通路，p-PI3K、p-Akt 快速增加，并上調(diào) VCAM-1 表達(dá)。使用PI3K 和Akt抑制劑后發(fā)現(xiàn)二者可以濃度依賴性抑制 VCAM-1 表達(dá)，也可以抑制VCAM-1mRNA 含量變化；該通路可以通過轉(zhuǎn)錄水平控制VCAM-1 的表達(dá)[11]。此外多種免疫調(diào)節(jié)因子作用相應(yīng)細(xì)胞可激活NF-κB 通路，其單獨(dú)或與其它因子協(xié)同作用，使VCAM-1 的表達(dá)增加[12]。

在VCAM-1 的功能方面仍在進(jìn)行研究，目前認(rèn)為VCAM-1 通過與相應(yīng)配體VLA-4 特異性結(jié)合參與多種病理、生理過程[13-14]?？偨Y(jié)主要有三個(gè)方面作用：

（1）參與免疫反應(yīng)調(diào)節(jié)。白細(xì)胞穿血管內(nèi)皮向炎癥聚集是炎癥反應(yīng)中的重要生物學(xué)現(xiàn)象。VCAM-1 在白細(xì)胞的聚合、激發(fā)、牢固黏附和向炎癥局部組織移行的各個(gè)過程中均起著十分重要的作用[13]。

（2）參與免疫應(yīng)答。通過體外試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，VCAM-1 參與B 細(xì)胞的激活過程, 其可能是作為B 細(xì)胞的協(xié)同刺激分子而起作用[13-16]。

（3）參與淋巴細(xì)胞的歸巢及再循環(huán)。炎癥區(qū)域由于炎癥因子的作用可促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞表達(dá)VCAM-1，并與效應(yīng)T 細(xì)胞和記憶T 細(xì)胞上的受體VLA-4 結(jié)合，所以T 細(xì)胞可優(yōu)先歸巢于炎癥組織部位。另外，VCAM-1 還有參與細(xì)胞和組織的分化、發(fā)育以及腫瘤的擴(kuò)散、轉(zhuǎn)移等[15-17]。

1.2 VCAM-1 與大腦認(rèn)知能力的關(guān)系。Tony Wyss-Coray等人的研究揭示了在海馬區(qū)內(nèi)皮細(xì)胞黏附分子VCAM1 在調(diào)節(jié)大腦衰老功能中的新作用。他們最初實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，年輕人或鼠的血漿注入老年個(gè)體循環(huán)系統(tǒng)可逆轉(zhuǎn)老年個(gè)體認(rèn)知功能和突觸可塑性，反之老年人或鼠的血漿注入年輕個(gè)體循環(huán)系統(tǒng)會(huì)對(duì)年輕個(gè)體大腦認(rèn)知能力產(chǎn)生損害[18]。進(jìn)一步的研究結(jié)果使得科研人員得出假設(shè)：老年個(gè)體血漿中的炎癥因子包括TNF-α 和IL-1β，誘導(dǎo)VCAM-1 在大腦內(nèi)皮細(xì)胞（Brain Endothelial Cell，BEC）表達(dá)；VCAM-1 促進(jìn)白細(xì)胞在該區(qū)域黏附，但不促進(jìn)其遷移，從而維持BEC 炎癥；發(fā)炎和活化的VCAM-1+BECs 向?qū)嵸|(zhì)傳遞信號(hào)，激活小膠質(zhì)細(xì)胞從而影響海馬齒狀回區(qū)神經(jīng)元發(fā)生造成認(rèn)知障礙[5]。

此前就有報(bào)道稱，人在正常衰老過程中血腦屏障的主要細(xì)胞BEC 會(huì)上調(diào)表達(dá)VCAM-1[19]，此外sVCAM-1 水平也隨血液老化而增加[20-21]。目前尚不清楚介導(dǎo)該現(xiàn)象的具體循環(huán)因子，但可以證實(shí)的是隨著年齡的增長，循環(huán)系統(tǒng)中細(xì)胞因子和對(duì)大腦有不利影響的趨化因子在血液中的水平增加，誘導(dǎo)內(nèi)皮VCAM-1 的表達(dá)[5]。有趣的是，在680 名老年參與者中，sVCAM-1 水平與認(rèn)知障礙和腦血管功能障礙呈負(fù)相關(guān)[22]。

值得注意的是，Tony Wyss-Coray 等人的研究團(tuán)隊(duì)利用VCAM-1 抗體對(duì)老年小鼠進(jìn)行治療，發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元發(fā)生水平改善、大腦功能障礙得到改善；同時(shí)實(shí)驗(yàn)VCAM-1 基因敲除的小鼠也觀察到大腦衰老減慢的現(xiàn)象[5]。

Kokovay 等人結(jié)果表明，由于炎性細(xì)胞因子信號(hào)的增加，VCAM-1 在SVZ 的表達(dá)增加，亦會(huì)影響這一區(qū)域神經(jīng)干細(xì)胞的增殖即神經(jīng)元發(fā)生；心室內(nèi)注射抗VCAM-1 抗體可激活該區(qū)域神經(jīng)干細(xì)胞至增殖狀態(tài)[23]。

圖1 通過VCAM-1 激活海馬區(qū)小膠質(zhì)細(xì)胞

圖2 應(yīng)用抗VCAM-1 治療、恢復(fù)

2 T 細(xì)胞

2.1 T 細(xì)胞遷移進(jìn)入大腦實(shí)質(zhì)和對(duì)神經(jīng)元產(chǎn)生的影響。由于血腦屏障的存在，與大多數(shù)組織器官相比，血細(xì)胞進(jìn)入大腦實(shí)質(zhì)在很大程度上受到限制[24-26]。積累的證據(jù)表明，T 細(xì)胞在一些自身免疫性、傳染性和退行性神經(jīng)疾病中穿透進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)[24-26]。與此同時(shí)我們不得不承認(rèn)，中樞神經(jīng)系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)之間的相互作用存在平衡狀態(tài)，以使免疫系統(tǒng)能夠?qū)谷肭值牟≡w，同時(shí)防止該器官其重要功能和再生能力受到過度炎癥性損傷[27]。

T 細(xì)胞進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)可通過直接穿過毛細(xì)血管和毛細(xì)血管后微靜脈的血腦屏障，或間接通過脈絡(luò)叢和蛛網(wǎng)膜下腔進(jìn)入腦脊液的途徑[28]。不管T 細(xì)胞進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)的途徑如何，它的滲透依賴于許多涉及整合素、選擇素和趨化因子的分子相互作用[29]。由T 細(xì)胞表達(dá)的α4β1 整合素與其配體血管細(xì)胞粘附分子（VCAM-1）和纖維連接蛋白之間的相互作用，似乎對(duì)有效穿透蛛網(wǎng)膜下腔的CD4+和CD8+T 細(xì)胞十分重要[30]。但是，兩個(gè)T 細(xì)胞亞群，遷移到中樞神經(jīng)系統(tǒng)的要求有顯著差異。例如，腦內(nèi)皮細(xì)胞組成性地表達(dá)MHC- I 類分子，因此僅允許抗原特異性的CD8 +T 細(xì)胞跨內(nèi)皮細(xì)胞進(jìn)入大腦實(shí)質(zhì)[31]。此外，進(jìn)入蛛網(wǎng)膜下腔的CD4+T 細(xì)胞需要由常駐抗原呈遞細(xì)胞（APC）重新激活才能進(jìn)入腦實(shí)質(zhì)[32]。相關(guān)的具體機(jī)制目前仍在研究當(dāng)中。

關(guān)于對(duì)大腦的不利影響，中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)T 細(xì)胞和APC的激活導(dǎo)致局部釋放炎癥細(xì)胞因子和細(xì)胞毒性分子，如穿孔素、顆粒酶、死亡配體、一氧化氮、活性氧、谷氨酸等，可導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)損傷[33]。這一過程在多種神經(jīng)系統(tǒng)損傷疾病和大腦衰老過程中被證實(shí)[34-35]。

另一方面，神經(jīng)元和T 細(xì)胞相互作用存在有利的一面?；罨娜薈D8+ T 細(xì)胞以直接接觸但不依賴抗原的方式抑制軸突的生長，而活化的CD4+ T 細(xì)胞則可促進(jìn)軸突的生長[36]。有趣的是，活化的T 細(xì)胞可以產(chǎn)生神經(jīng)營養(yǎng)素，特別是腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子[36-37]。

2.2 T 細(xì)胞在老年個(gè)體大腦中影響神經(jīng)元發(fā)生。部分哺乳動(dòng)物大腦中的神經(jīng)干細(xì)胞集中于特定區(qū)域并與其他一些細(xì)胞共同構(gòu)成神經(jīng)源性小生境（neurogenic niches），隨著年齡的增長，神經(jīng)源性小生境的功能減弱，但該機(jī)制仍不清楚[38]。

Anne Brunet 的團(tuán)隊(duì)[6]近期通過單個(gè)細(xì)胞分析，觀察到老年小鼠神經(jīng)源性小生境內(nèi)存在T 細(xì)胞浸潤，這明顯有別與年輕個(gè)體（如圖3）。通過對(duì)這些T 細(xì)胞進(jìn)行核酸分析，該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)它們是克隆增殖的；這極有可能是因?yàn)門 細(xì)胞識(shí)別出了老年大腦中的特殊抗原（如圖4）。令人興奮的是，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)T 細(xì)胞可以通過分泌干擾素γ（Interferon-γ，IFN-γ），影響神經(jīng)元發(fā)生。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)T 細(xì)胞分泌的IFN-γ 在體內(nèi)或體外均可對(duì)神經(jīng)干細(xì)胞產(chǎn)生負(fù)面影響。

3 展望

隨著年齡的增長，腦神經(jīng)系統(tǒng)退行性改變的機(jī)制人們?nèi)栽诓粩嘌芯?。事?shí)上，在神經(jīng)元發(fā)生方面理解大腦衰老僅是其中一個(gè)方向。但是，近期Tony Wyss-Coray 團(tuán)隊(duì)及Anne Brunet 團(tuán)隊(duì)在海馬齒狀回區(qū)、SVZ 這兩個(gè)大腦重要神經(jīng)元發(fā)生區(qū)域的發(fā)現(xiàn)，令人興奮。他們都為衰老期間神經(jīng)元發(fā)生的下降提供了可能的原因，并提出了消除與年齡相關(guān)的認(rèn)知障礙的途徑。不論是阻斷VCAM-1 還是阻斷IFN-γ 來改善大腦狀況，這些均在實(shí)驗(yàn)室小范圍證實(shí)是可行的，但這些操作對(duì)于動(dòng)物機(jī)體整體的影響尚不清楚，是否真正可行仍不明確，但這些足以讓我們得到在改善和治療大腦退行性病變方面的啟發(fā)。

在物質(zhì)世界中，生命是神奇的。在探索生命衰老這一問題上，人們孜孜不倦?？茖W(xué)就是在不斷假設(shè)、推翻、證實(shí)中前進(jìn)。科學(xué)家們?cè)谘芯看竽X衰老方面的腳步不會(huì)停止，更多的問題也會(huì)得以顯現(xiàn)，它們等待著我們?nèi)ソ鉀Q。

圖3 不同年齡個(gè)體T 細(xì)胞在SVZ 的數(shù)量分布

圖4 T 細(xì)胞核算分析