細胞因子與缺血性腦卒中

張其梅 夏 杰 彭 玉

三峽大學第一臨床醫學院(宜昌市中心人民醫院神經內科) 宜昌 443003

細胞因子是一種具有低分子量的多肽類物質,主要包括白介素(interleukin,IL)、集落刺激因子(colony stimu lating factor,CSF)、腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF)、轉化生長因子(transform ing grow th foctor,TGF)等,中樞神經系統各類組織細胞可產生多種細胞因子,這些細胞因子作為免疫反應中的基本介質,在腦缺血后炎癥損傷過程中具有廣泛的作用,可以直接或間接參與炎癥細胞的活化和浸潤,并在神經元的損傷與修復過程中起重要作用。本文就幾種細胞因子在腦缺血后病理生理過程中的作用作一簡要綜述。

1 TNF-α與缺血性腦卒中

TNF-α主要是由激活的單核/巨噬細胞分泌產生的細胞因子,在中樞神經系統中,神經元、星形細胞和膠質細胞也可產生TNF-α,在正常情況下,具有抗腫瘤、感染和促進組織修復等重要作用;但若持續釋放,則會引起機體發熱、休克、惡病質和組織損傷。研究發現大鼠大腦中動脈阻斷術后2 h,TNF-αm RNA表達升高,4～8 h TNF-α表達至高峰,且均至少持續24 h,在梗死中心和半暗帶均可檢測到TNF-α免疫標記陽性神經元,與凋亡神經元的分布具有一致性,表明腦缺血后TNF-α的表達水平增高與神經元的凋亡有關[1]。TNF-α可促進腦微血管內皮粘附分子的表達,并誘導中性粒細胞化學趨化因子、單核細胞化學趨化因子的產生,致使粘附及趨化現象的出現,這在腦缺血后白細胞-內皮粘附及繼發的炎癥細胞穿越血管壁進入腦實質中具有重要意義[2]。

Pradillo等[3]通過反復大腦中動脈栓塞(10m in/次)使大鼠獲得缺血預適應(Ischem ic preconditioning,IPC),再持續栓塞48h,發現神經元腫瘤壞死因子受體1(TNFR1)表達上調,并與獲得IPC前相比,梗死面積顯著減小,謂之缺血耐受(Ischem ic tolerance,IT),再行腦室內注射TNFR1反義核苷酸后,發現IT被抑制,從而證明TNF-α的神經元保護作用。

2 G-CSF與缺血性腦卒中

粒細胞克隆刺激因子(Granulocyte-colony stimu lating factor,G-CSF)是一種刺激粒細胞和巨噬細胞增殖、成熟和分化的酸性糖蛋白,有廣泛的免疫活性,具有重要的免疫調節功能。在中樞神經系統內,巨噬細胞集落刺激因子主要由星形細胞產生,可分化為多能干細胞,包括神經元、膠質細胞、血管內皮細胞等[4]。研究發現持續大腦中動脈栓塞小鼠,與預先動脈或腦室注射G-CSF組相比,后者梗死灶和水腫面積顯著減少、梗死側腦組織含水量及皮層損傷范圍也顯著減少,同時抑制IL-1βmRNA表達的上調[5]。這種缺血保護作用可能與動員造血干細胞、抗凋亡、促神經元分化、血管生成、抗炎等機制有關[5-6]。G-CSF的抗凋亡機制可能與增加腦缺血后信號轉導子及轉錄活化子3(STAT3)的活化、上調抗凋亡信號蛋白如細胞凋亡抑制蛋白2(cIAP2)、Pim-1、bcl-2的表達、抑制凋亡信號Caspace-3、細胞色素C的表達及Bax轉位至線粒體有關[7]。

3 IL-1與缺血性腦卒中

IL-1家族包括IL-1α、IL-1β以及IL-1受體拮抗劑(IL-1Ra),是一類前炎癥細胞因子。IL-1家族中,與腦缺血后神經元損傷關系最密切的是IL-1β。腦組織中IL-1β的來源主要為神經細胞和神經膠質細胞,具有刺激膠質細胞的生長和分化、誘導其他細胞因子產生的作用。早期研究已發現各種腦缺血模型缺血區均出現IL-1βm RNA表達增高。在大腦中動脈栓塞大鼠模型中,大腦缺血皮質區IL-1β表達明顯增多,而以IL-1β抗體預先阻斷后,大鼠梗死體積及神經、行為缺失評分明顯降低[8]。研究表明,IL-1存在兩種受體即IL-1βⅠ型(IL-1βRⅠ)和IL-1βⅡ型(IL-1βRⅡ),IL-1主要通過IL-1βRⅠ介導神經元損傷,因為IL-1βRⅠ敲除小鼠在缺血條件下,神經元損傷程度較野生型輕,且1月內康復程度高[9]。IL-1β與腦缺血后神經損傷關系密切。研究還發現IL-1α也參與了神經元損傷過程,同時敲除IL-1α、IL-1β小鼠與野生型相比,神經元損傷顯著減輕,而單獨敲除IL-1α或IL-1β時并未能獲得同樣效果[10]。IL-1在腦缺血后參與神經元損傷的機制可能與其誘導腦微血管內皮細胞粘附分子及化學趨化細胞因子表達、促進白細胞浸潤等促炎作用有關。

有研究表明[11]似乎僅小膠質細胞分泌的內源性IL-1Ra才具有神經元保護作用,可能與IL-1β誘導膠質細胞產生神經生長因子有利于腦缺血后的修復過程有關[11-12]。

4 IL-6與缺血性腦卒中

IL-6是由單核-巨噬細胞、活化的T、B-淋巴細胞、內皮細胞、成纖維細胞等分泌的一種蛋白質,其主要生物學功能是調節B細胞的增殖和分化,直接影響成熟B細胞分泌免疫球蛋白。IL-6在急慢性免疫反應中占有重要地位,各種腦損傷均可誘導其表達升高。急性腦缺血患者血清IL-6表達水平增高,且與梗死灶面積、患者預后呈相關性,表明IL-6水平升高可能是腦血管炎性損害的標志。IL-6能刺激前列腺素、血小板活化因子(p latelet activation factor,PAF)的產生,誘導一氧化氮合酶的表達,進而促進炎癥的發展和血管內皮的損害[13]。雖然目前許多研究都證實IL-6參與了腦缺血后的炎癥反應,但也有研究表明IL-6對缺血后神經元具有保護作用。研究發現缺血再灌注區IL-6下游信號轉導通路JAKSTAT和Stat3大量激活,而這些信號通路被認為與神經元保護有關[14]。而Fujita等[15]認為IL-6參與了星形膠質細胞介導的神經元修復過程。IL-6對中樞神經系統的作用究竟是保護性的還是損傷性的仍存有爭議,有學者提出在急性期參與了神經元損傷過程,而在亞急性和恢復期因調節因子起到神經營養作用[14]。

5 IL-10與缺血性腦卒中

白細胞介素-10(inter leukin-10,IL-10)主要由Th2細胞分泌,是一類強有力的抗炎性細胞因子,與腦缺血后神經元的保護過程密切相關。研究表明IL-10敲除小鼠在大腦中動脈栓塞后,梗死面積超過正常野生型30%,在體外培養時,其大腦皮層神經元對興奮性神經毒性敏感性較野生型小鼠增加,當向培養基中加入重組小鼠IL-10后,神經元對缺血缺氧耐受性顯著增強,并呈濃度依賴性[16]。Ooboshi等[17]通過向局部或全腦缺血模型大鼠側腦室注入編碼IL-10(Ad IL-10)的腺病毒載體,發現腦梗死體積顯著縮小,且在全腦缺血后的海馬神經元起到的保護作用更大,表明IL-10基因在腦缺血后轉入側腦室可減弱腦梗死和海馬破壞。IL-10的這種神經元保護作用可能與其抑制血管內皮粘附分子和細胞間粘附分子的表達,進而抑制腦缺血灶周圍區非特異免疫反應和前炎癥細胞因子IL-1β、TNF-α的合成有關[17-18]。

6 IL-17與缺血性腦卒中

IL-17是目前發現的又一新的細胞因子,主要由活化記憶型CD4+T細胞亞群分泌,能誘導多種基質細胞產生多種前炎性細胞因子和造血活性因子,如IL-8、IL-6、G-CSF、TNFα、IL-1、PGE2等,具有促進多種細胞釋放炎性因子、促進細胞增殖及抑制部分腫瘤生長等多種生物學作用。目前研究發現其與機體多種疾病相關,如類風濕關節炎、關節骨破壞、腸道炎癥、肺部感染等。最近有研究發現缺血性腦卒中患者和大腦中動脈栓塞模型大鼠患側IL-17表達水平均增強,提示IL-17參與了缺血性腦損傷后的炎性反應[19]。但這種缺血后IL-17表達規律的具體意義及可能的機制尚有待進一步研究。

7 TGF-β與缺血性腦卒中

轉化生長因子-β(transforming grow th factor-β,TGF-β)是具有調節和刺激細胞增殖分化的細胞因子,在組織修復中占重要地位。TGF-β是一重要的抗炎因子,對神經元主要起保護作用,其機制可能為:(1)調節凋亡蛋白(Bad)和抗凋亡蛋白(Bcl-2,Bcl-x1)的表達平衡;(2)創造利于神經元存活的環境,如促進血管生成、抑制巨噬細胞自由基的產生和釋放、降低中性粒細胞-白細胞粘附等;(3)參與細胞外信號調節激酶1/2(Erk1/2)的活化[20-21]。

8 IL-8與缺血性腦卒中

IL-8主要由單核細胞產生,具有趨化和激活中性粒細胞、調節粘附分子的表達、增強白細胞與內皮細胞的粘附、在腦缺血后的炎性損傷中起重要作用。IL-8已成為腦缺血抗炎治療的新靶分子,V illa[22]等研究發現,在大鼠中動脈栓塞3.5、6 h及3d后注射IL-8受體抑制劑,與對照組相比,梗死體積明顯減少,急性期及恢復期神經功能獲得明顯改善。

腦缺血后炎癥反應作為一個復雜的病理生理過程,各類細胞因子在這一過程中具有廣泛的作用,或起促炎反應介導神經元損傷,或抗炎參與腦保護,但表達順序和作用并不是孤立的,而是相互平衡、相互制約的關系。因此調節缺血后炎癥反應,并通過各種方法使他們發揮神經元保護作用而拮抗其促炎效應,可能是今后治療腦缺血的一條新的有效途徑。

[1] Mao M,Hua Y,Jiang X,Li L,et al.Ex pression of tumor necrosis factor alpha and neuronal apop tosis in the developing rat brain after neonatal stroke[J].Neu rosci Lett,2006,403:227-232.

[2] Rodríguez-Yá?ez M,Castillo J.Role ofinflamm atorym arkers in b rain ischemia[J].Curr Opin Neurol,2008,21:353-357.

[3] Pradillo JM,Romera C,Hurtado O,et al.TNFR1 upregulation mediates tolerance after brain is chemic preconditioning[J].J Cereb Blood Flow Metab,2005,25:193-203.

[4] Sprigg N,Bath PM,Zhao L,et al.Granulocyte-colony-stimu lating factor mobilizes bone marrow stem cells in patients with subacute ischem ic stroke:the Stem cell Trial of recovery Enhance Ment after Stroke(STEMS)pilot random ized,controlled trial(ISRCTN 16784092)[J].Stroke,2006,37:2 979-2 983.

[5] Gibson CL,Jones NC,Prior MJ,et al.G-CSF suppresses edema formation and reduces interleukin-1beta expression after cerebral ischemia in mice[J].J Neuropathol ExpNeurol,2005,64:763-769.

[6] Lu CZ,Xiao BG.G-CSF and neuroprotection:a therapeutic perspective in cerebral ischaemia[J].Biochem Soc Trans,2006,34(Pt 6):1 327-1 333.

[7] Solaroglu I,Tsubokaw a T,Cahill J,et al.Anti-apoptotic effect of granulocy te-colony stimulating factor after focal cerebral ischemia in the rat[J].Neu roscience,2006,143:965-974.

[8] Caso JR,Moro MA,Lorenzo P,et al.Involvement of IL-1beta in acu te stress-induced worsening of cerebral is chaemia in rats[J].Eur Neurop sychopharmacol,2007,17:600-607.

[9] Basu A,Lazovic J,K rady JK,et al.Interleukin-1 and the interleukin-1 type 1 receptor are essential for the progressive neurodegeneration that ensues subsequent to a mild hypoxic/is chemic injury[J].J Cereb Blood Flow Metab,2005,25:17-29.

[10] Patel HC,Boutin H,A llan SM.Interleukin-1 in the brain:mechanism s of action in acute neurodegeneration[J].Ann N Y Acad Sci,2003,992:39-47.

[11] Pinteaux E,Rothwell NJ,Boutin H.Neuroprotective actions of endogenous in terleukin-1 receptor antagonist(IL-1ra)are mediated by glia[J].Glia,2006,53:551-556.

[12] Hutchinson PJ,O'Connell MT,Rothw ell NJ,et al.Infla-mmation in human brain injury:in tracerebral concentrations of IL-1alpha,IL-1beta,and their endogenous inhibitor IL-1ra[J].J Neurotrauma,2007,24:1 545-1 557.

[13] Waje-Andreassen U,K rakenes J,Ulvestad E,et al.IL-6:an early marker for outcome in acute ischemic stroke[J].Acta Neurol Scand,2005,111:360-365.

[14] Suzuki S,Tanaka K,Suzuki N.Ambivalent aspects of interleukin-6 in cerebral ischemia:inflammatory versus neurotrophic aspects[J].J Cereb Blood Flow Metab,2009,29:464-479.

[15] Fujita T,Tozaki-Saitoh H,Inoue K.P2Y1 receptor signaling enhances neurop rotection by as trocytes against oxidative stress via IL-6 release in hippocampal cultures[J].G lia,2009,57:244-257.

[16] Grilli M,Barbieri I,Basudev H,etal.Interleukin-10modulates neuronal threshold of vulnerability to ischaemic dam age[J].Eur JNeurosci,2000,12:2 265-2 272.

[17] Ooboshi H,Ibayashi S,Shichita T,et al.Postischemic gene transger of in terleukin-10 protectsagainst both focal and global brain ischemia[J].Circulation,2005,111:913-919.

[18] Kang H,Yang PY,Rui YC.Adenoviral gene transfer of viral interleukin-10 protects cerebrovascular impairment induced by lysophosp hatidylcholine[J].Eur J Pharmacol,2008,580:175-181.

[19] Li GZ,Zhong D,Yang LM,et al.Express of interleukin-17 in ischemia brain tissue[J].Sc and J Immunol,2005,62:481-486.[20] Dhandapani KM,Brann DW.T ransforming grow th factor-beta:a neuro protective factor in cerebral ischemia[J].Cell Biochem Biophy s,2003,39:13-22.

[21] Zhu Y,Culm see C,K lumpp S,et al.Neuroprotection by transform ing grow th factor-beta1 involves activation of nuclear factor-kappa B through phosphatidylinositol-3-OH kinase/Akt and mitogen-activated protein kinase-extracellu lar-signal regulated kinase1,2 signaling pathways[J].Neuroscience,2004,123:897-906.

[22] Villa P , Triulzi S , Cavalieri B , et al.The in terleukin-8 (IL-8/CXC L8) receptor inhibit or reparixin improves neurologicaldeficits and reduces long-term inflammation in permanent andtransient cerebral ischemia in rats[ J].Mol Med , 2007 , 13 :125-133