8　胆碱能抗炎通路的研究进展

一、胆碱能抗炎通路的起源

长期以来,如何干预和调控炎症反应并使其向有利方向转归是人们一直探讨的问题。2000年Tracey在《Nature》上撰文,首次提出“胆碱能抗炎通路”(cholinergic anti-inflammatory pathway,CAP)概念,开创了炎症反应调控研究的新领域。CAP的提出要追溯到对药物CNI-1492抗炎作用的研究。CNI-1492能通过大脑间接发挥抗炎作用,从而抑制大鼠足趾局部注射刺激物角叉菜胶导致的炎症反应,该抗炎作用可以被电刺激迷走神经所模拟,也可通过切断迷走神经以阻断。继而Tracey在进一步实验中证实,乙酰胆碱(acetylcholine,ACh)可显著抑制脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)诱导的人巨噬细胞释放肿瘤坏死因子(tumour necrosis factor,TNF),同时也可呈剂量依赖性抑制LPS诱导的其他细胞因子如白介素(interleukin,IL)-1β、IL-6、IL-18等,且这些作用是通过转录后抑制其蛋白合成,并与烟碱、毒蕈碱乙酰胆碱受体作用而发挥的。同时在体实验证实,电刺激外周迷走神经可促进体内ACh、抗炎激素或抗炎细胞因子释放,进而抑制LPS诱导的外周致炎细胞因子活性及水平,而切断迷走神经则可导致炎症因子含量增加。这些研究表明神经-免疫作用能直接调节炎症反应而快速发挥防御作用,该过程有赖于胆碱能受体和激活的副交感传出神经(迷走神经)的共同作用,故而将其命名为“胆碱能抗炎通路”(图1)。

二、CAP的构成

传出迷走神经、神经递质ACh和α7亚基烟碱乙酰胆碱受体(α7nAChR)三者有机构成了一个完整的神经-免疫调节反射通路,而脾则是该环路中不可或缺的抗炎效应器官。

既往研究表明,近80%的迷走神经纤维是感觉纤维,主要分布于气道、心、肝、胃肠等器官,炎症反应发生时,迷走神经通过外周感受器官由迷走传入纤维将炎症信息传入大脑,然后再由迷走传出纤维实时对大脑指令做出反应调整以维持机体内稳态,从而完成一个炎症反射环路(图2)。

胆碱能神经递质的受体主要有烟碱和毒蕈碱受体两类,nAChR家族最先发现于神经系统,是配体门控离子通道。在CAP中,胆碱能抗炎效应首先是通过α环蛇毒素敏感的烟碱乙酰胆碱受体调节巨噬细胞产生的细胞因子活性被发现的。Wang等通过将反义寡核苷酸(antisense oligonucleotides,AS)作用于人α7nAChR基因的转录起始密码子的实验发现烟碱对TNF抑制作用的具体受体为α7nAChR;而在体实验也表明,迷走神经对LPS导致的全身炎症反应TNF释放的抑制作用同样依赖于α7nAChR。以上结果证实,α7nAChR在CAP中对炎症因子的抑制和释放发挥着至关重要的作用。

ACh作为一种神经递质早已被认识,无论在生理还是病理状态其都能影响血管的紧张性,但由于ACh的半衰期短,因此其临床应用非常有限。但在生理上,ACh被认为是一种抗炎介质,可抑制固有免疫反应或炎症因子释放;通过刺激迷走神经或直接用烟碱作用于α7nAChR均可导致迷走神经末梢ACh释放增加,ACh作用于LPS预处理的巨噬细胞,可抑制细胞表面TNF-α水平。

炎症反应时,通过α7nAChR依赖的迷走神经传递抗炎信号至脾,从而抑制炎症细胞因子的产生,而脾切除则可直接降低细胞因子表达水平,这与迷走神经兴奋所致抑制效应相同,综合以上结果表明,迷走神经、α7nAChR及ACh三者共同组成了CAP,而脾则是该通路中不可或缺的效应器官。

三、CAP与脾及交感神经的研究

迷走神经传出纤维源自迷走神经背核,直达腹腔肠系膜上神经丛脾神经,传递抗炎信号至脾,脾神经末梢释放去甲肾上腺素并激活特定表达胆碱乙酰转移酶T淋巴细胞(ChAT+T细胞)上的β2肾上腺素受体,经转录最终合成ACh,而在缺乏功能性ChAT+ T细胞的裸鼠,刺激迷走神经不能合成ACh,也不能产生抗炎作用。迷走神经能够调控内皮细胞激活和白细胞迁移,然而内皮细胞和皮下组织并没有迷走神经的分布,说明包括内皮细胞在内的许多组织和器官上的ACh释放并非来源于神经系统,而是功能性ChAT+T细胞合成的结果。

颈部迷走神经电刺激能减少腹侧膈下迷走神经切除的大鼠脾及血清中TNF水平,而在腹腔内选择性切除部分迷走神经分支或脾切除的大鼠则该抑制效应消失,表明脾和血清TNF水平的调节需要完整的腹腔内迷走神经的参与。但目前根据神经解剖学对神经束路追踪及神经生理学的研究认为,迷走传出神经元和脾交感神经元没有突触连接,电刺激切断的迷走神经外周端也没有诱发脾神经的动作电位,而对缺乏α7nAChR的小鼠采用直接刺激脾神经也能抑制全身性炎症反应,该过程依赖于脾神经自身的动作电位,表明该抗炎效应是交感抗炎通路介导的,说明电刺激迷走神经对脾的作用是通过非神经通路完成的,提示目前有关炎症反射迷走神经传出端的理论还值得进一步商榷。在全身性炎症反应中,迷走神经对脾TNF-α的产生和释放依赖于脾上去甲肾上腺素能交感神经的分布,而非迷走神经动作电位的传递。去甲肾上腺素可通过ChAT+T细胞激活脾上的巨噬细胞释放ACh,ACh作用于α7nAChR产生抗炎作用,下调促炎细胞因子水平和表达,说明交感神经传出支及其递质在迷走神经主导的炎症反射中起着同样作用。综上所述,脾迷走节前神经元与交感节后神经元之间没有突触联系,脾交感神经元是受脾交感节前神经直接支配的,而在炎症反射中,炎症反射神经传出支对脾的效应显然包括了交感神经通路,说明迷走神经与脾之间可能存在一种非神经联系机制。

目前对CAP抗炎作用的研究还没有任何明确的证据证实迷走传出神经的抗炎作用是独立于交感神经系统而单独存在的。交感神经的激活能发挥有效的抗炎作用,调控巨噬细胞产生和释放炎症细胞因子,这与迷走神经的抗炎效应相一致。有研究证实,绝大部分涉及刺激迷走传出神经发挥的抗炎效应均与同时激活了肾上腺髓质和交感神经系统有关,但目前还没有人进一步检验在阻断交感神经或者肾上腺素能或者肾上腺脱髓质后,再单独刺激迷走传出神经在炎症反应中所产生的效应。

四、CAP的研究应用与临床疾病

至今尚无明确药物能有效预防缺血再灌注损伤。但目前研究表明,烟碱和选择性α7nAChR激动剂对不同器官缺血再灌注动物模型均表现出明显的保护作用。对双侧肾缺血再灌注大鼠在灌注前后给予烟碱或者是GTS-21(选择性α7nAChR激动剂),均能显著减轻肾缺血导致的急性肾功能不全和肾小管坏死。对前脑脑缺血再灌注大鼠模型给予毒扁豆碱能减轻脑部炎症、内皮细胞损伤和超氧阴离子自由基产生。心搏骤停复苏的患者由于脑部神经元的损伤,其脑部炎症可导致CAP的抗炎活性下降,而在缺血后临床治疗时间窗内立即给予选择性α7nAChR激动药可对缺血再灌注细胞死亡和炎症反应提供显著的保护作用。烟碱激活α7nAChR能明显抑制缺血再灌注所致肝损害,该保护作用可能与诱导HO-1高表达有关,但其保护作用存在一个治疗时间窗,且随着作用时间延长而减弱。

对于脓毒症所致急性肾损伤,肾小管功能紊乱及管球反馈机制的激活是其主要原因。电刺激迷走神经已被证实在缺血再灌注损伤、脓毒症、失血性休克等模型中均可抑制炎症反应,其主要是通过抑制血清和脾的促炎细胞因子TNF-α、IL-6浓度来抑制炎症反应的。而对于类风湿关节炎,通过直接在患者颈部植入神经刺激器来刺激迷走神经,可有效缓解症状,达到良好的临床治疗效果。在心肌缺血再灌注模型大鼠发现,短期内应用电刺激迷走神经可通过对抗交感、减少肾上腺素能递质释放、减少心肌的炎症细胞因子和心肌细胞凋亡从而达到保护心肌细胞和减少心肌梗死面积的目的。最近的研究发现电刺激内毒素血症大鼠迷走神经还可明显抑制凝血反应激活和减轻纤溶反应,提示CAP不仅影响炎症反应,而且还影响着促凝和抗凝平衡。

在中枢神经系统内有大量的α7nAChR表达,其主要参与学习与记忆,在一些神经精神疾病,例如Alzheimer病、Parkinson病、癫痫以及精神分裂症等,可能与其表达水平下调或者受体减少有关。目前,应用电刺激颈部迷走神经治疗难治性癫痫已被临床证实安全有效,而且全世界已有超过25 000人接受了该安全又易耐受的治疗方案,而这一治疗方法还被运用到了包括抑郁症和Alzheimer病等多种神经精神疾病的治疗。另外有研究报道脾淋巴细胞胆碱能信号紊乱有可能同术后认知功能下降的代谢综合征有关。而Kipnis等在《Nature》上发表的文章指出,大脑像其他组织一样,具有淋巴管系统,能够通过脑膜淋巴管将脑脊液和免疫细胞输送到颈深淋巴结,与外周免疫系统相连接,参与从中枢到外周的免疫调节。因此有理由推测,CAP在神经退行性疾病的作用必然与神经系统淋巴细胞转运、AChR、迷走神经活性及ACh的激活与释放等有着极其密切的关系,而这还有待于人们进一步去探索和研究。

目前认为,慢性轻度炎症是肥胖症的主要特征之一,胰岛素抵抗是其根本原因,其基本病理变化是动物脂肪组织产生的促炎细胞因子产物增加从而导致炎症发生。而炎症性肠病也是以慢性复发性炎症为特征,在炎症性肠病患者发现促炎转录因子NF-κB被激活、肠黏膜上炎症细胞因子TNF-α高表达。烟碱已被证实可有效降低肥胖相关性慢性炎症以及胰岛素抵抗,也可降低活动性结肠炎患者炎症反应并增强肠道功能,而在α7nAChR基因敲除后其抗炎作用消失,提示烟碱对肥胖症及炎症性肠病的抗炎作用是通过α7nAChR发挥作用的。曾经有人试图把烟碱作为一种治疗肥胖症和炎症性肠病的新药,但由于其本身的毒性相关的副作用以及非特异性,临床应用受到很大限制。

右美托咪定,作为一种新型选择性α2肾上腺素能受体激动药,在临床上主要作为麻醉辅助药,能发挥镇静、镇痛、抗焦虑、阻滞交感神经等作用,广泛应用于临床麻醉、重症监护及术后镇静。研究证明在LPS诱导的内毒素血症小鼠给予右美托咪定预处理可通过增加颈部迷走神经放电频率而激活CAP,从而抑制炎症细胞因子表达起到抗炎作用。右美托咪定还可呈剂量依赖性的抑制大鼠颈上神经节(主要是交感神经)的Na+和nAChR通道,并且该抑制作用并不依赖α2肾上腺素能受体,表明右美托咪定在抑制交感神经的同时增强迷走神经活性,但其增强迷走神经活性是直接还是间接作用机制尚不明确。在对另一类似药物美托咪定的研究中,观察到美托咪定能够抑制心脏和胃的交感神经活性,致使去甲肾上腺素释放减少,并选择性的激活心脏迷走神经导致ACh释放增加同时抑制胃迷走神经导致ACh释放减少。由于美托咪定在治疗心衰的同时不会引起胃肠方面的相关副作用,因此未来可能成为一种颇具潜力的心衰治疗药物。

五、结语

CAP的相关研究至今已有十余年。作为一种新兴的神经-免疫调节通路,CAP相较于体液抗炎通路,有着反应迅速、分布广泛、定位准确、调控精确等特点,随着对CAP研究的深入,其在临床应用方面的前景更是令人期待,未来应用迷走神经刺激和α7nAChR激动剂来治疗相关临床疾病的方法也会越来越多。同时,CAP作为一个独立系统的局限性也越来越被人们所认识。因此,未来对CAP的研究应该在现有研究的基础上,对其与体液免疫和交感神经系统之间的交互作用,胆碱能药物的开发,药物的抗炎作用与CAP的交互影响等方面进行更加深入的研究。

(马剑波　鲁开智　顾健腾)

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