中樞神經系統HIV-1感染的研究進展

陳江浩

(西安交通大學第一附屬醫院，西安710065)

人類免疫缺陷病毒(HIV)包括HIV-1和HIV-2兩個亞型。研究顯示，HIV-1感染患者常伴有注意力及記憶力下降、運動神經受損及性情的顯著變化，這些中樞神經系統的病理改變與HIV-1在中樞神經系統的感染和復制有關。目前已知HIV-1在原發性感染宿主外周免疫系統后，可以很快通過血腦屏障進入神經中樞系統。在沒有抗逆轉錄病毒藥物控制下，HIV-1可以在平均2個月的時間內感染顱腦[1]，在腦脊液中可檢出HIV-1 RNA[2]。由于HIV-1在腦實質中大量復制帶來的神經炎癥和神經毒性，引起一系列神經退行性病變。其中20%～30%的患者可以伴發HIV-1介導的神經癡呆(HAD)[3]。而在抗逆轉錄病毒治療后，雖然HAD可以得到有效控制，但是仍有39%～52%的患者伴有不同程度的中樞神經紊亂癥狀，即HIV-1引起的神經認知障礙(HAND)。控制HIV-1在中樞神經系的感染對治療HIV-1感染和改善患者預后具有重要意義。現將中樞神經系統HIV-1感染的生物學特性、神經免疫反應及治療進展等綜述如下。

1　中樞神經系統中HIV-1感染的生物學特性

1.1　HIV-1進入中樞神經系統的感染路徑

目前尚未發現HIV可以直接通過血腦屏障。大量證據[4，5]顯示，HIV進入中樞神經系統是由感染的單核巨噬細胞攜帶的HIV-1 DNA跨過血腦屏障，而后復制的HIV-1感染小膠質細胞形成穩定的中樞感染病灶。在這一過程中，外周血中的HIV-1感染引起的炎癥因子激活了血腦屏障的內皮細胞表達CCL2趨化因子。而血液循環系統中被HIV感染的單核細胞通過其自身細胞膜表達的CCR2受體與血管內皮細胞表面的CCL2特異性識別，進而黏附內皮細胞，隨后通過類似阿米巴式的細胞運動，攜帶HIV進入中樞神經系統[5，6]。另外有證據顯示，連接黏附分子、活化白細胞黏附分子、CD99和血小板內皮細胞黏附分子都參與了單核巨噬細胞黏附及跨越血腦屏障過程。從腦實質中檢出的HIV-1主要為CCR5株，因為CCR5株HIV-1主要侵襲單核巨噬細胞，這也間接證實了中樞神經系統的HIV-1感染主要為單核巨噬細胞跨越血腦屏障轉運而來[7]。

1.2　HIV-1在中樞神經系統的復制

HIV-1在中樞神經系統主要感染小膠質細胞。由于小膠質細胞的生物學特性與外周血單核巨噬細胞接近，因此有觀點認為，中樞神經系統的小膠質細胞來源于胚胎發育期的單核巨噬細胞。但是與單核巨噬細胞不同的是，小膠質細胞并不表達CD14和CD45，這也被認為是區別這兩種細胞的重要標志[8]。在腦實質中，小膠質細胞根據部位不同可以占0.5%～16.6%的細胞比例，并且自我更新、動態監測和吞噬中樞神經系統的凋亡細胞以保持穩定正常的生理環境。HIV-1感染小膠質細胞主要通過細胞表達的CD4受體和CCR3、CCR5、CXCR4協同受體一起結合來侵入細胞內。隨后逆轉錄的HIV-1 DNA嵌入到宿主基因組中，轉錄翻譯并釋放HIV-1病毒顆粒[9]。由于小膠質細胞的存活時間可以達到數年或更長，因此感染了HIV-1的小膠質細胞可以形成穩定的顱腦內的病毒復制點。目前，抗逆轉錄病毒藥物的使用使得中樞神經系統中的復制活躍期的小膠質細胞已經大大減少，然而顱腦內病毒的復制仍在繼續。攜帶HIV-1 DNA的休眠期的小膠質細胞可以逃避抗逆轉錄病毒藥物的抑制，不斷緩慢地釋放新的病毒，并引起新的感染。所以，休眠期的攜帶HIV-1 DNA的小膠質細胞正在得到更多的關注。研究發現，休眠期的小膠質細胞通過調節細胞核內的組蛋白從而有效抑制病毒轉錄調控。小膠質細胞中的轉錄因子CTIP2可以促進組蛋白去乙酰化酶1和組蛋白去乙酰化酶2的活化，并引起組蛋白3的去乙酰化，從而抑制病毒轉錄的啟動子，造成感染HIV-1的小膠質細胞進入不轉錄病毒的休眠狀態[10]。由于沒有有效的表面標志物，現在還無法鑒別及診斷休眠期的HIV-1感染的小膠質細胞。但是有研究顯示，中樞神經系統的免疫激活和修復神經退行性病變的生物標志物CD74表達升高，提示CD74與休眠期的中樞神經系統的HIV-1感染有關[10，11]。

另有研究發現，5%～10%的星形細胞也可以被HIV-1感染[12]。星形細胞可以表達HIV-1的協同受體CCR5和CXCR4，但是否表達CD4仍然存在爭論。體外實驗發現，星形細胞可以被HIV-1感染，但經過短暫的病毒復制后，其病毒表達會顯著下降至非常低的水平，只有在干擾素γ、粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子、腫瘤壞死因子α(TNF-α)的刺激下，星形細胞重新產生新的HIV-1病毒顆粒并且具有感染性[13]。所以一般認為，星形細胞可能是長期攜帶HIV-1 DNA的感染細胞，并不具有很強的病毒復制能力。但是考慮到星形細胞的數量占腦實質的15%～20%，星形細胞仍然是不可忽視的HIV-1感染病灶。

2　中樞神經系統HIV-1感染的神經炎癥和神經毒性

2.1　神經炎癥反應

HIV-1不能直接感染神經中樞系統中的神經元細胞，但是HIV-1感染所引起的神經炎癥是導致HAD或HAND的神經退行性病變的主要致病因素。作為中樞神經系統的免疫監視細胞，小膠質細胞激活是整個神經免疫的關鍵。小膠質細胞表面表達大量與巨噬細胞類似的白細胞表面抗原，如CD45、HLA-DR、CD11b等[14]。且小膠質細胞具有類似的吞噬功能，被認為是中樞神經系統的固有免疫細胞。被HIV-1感染的小膠質細胞可以具有巨噬細胞類似的M1、M2激活分型，及分泌相關的炎癥及趨化因子，促進神經炎癥反應及導致類似于神經退行性病變的腦部損傷，加快中樞神經系統衰老。臨床影像學顯示，HIV-1感染能夠在還沒有神經系統癥狀的情況下激活小膠質細胞，由感染所釋放的炎癥因子進一步加重了非感染區的炎癥反應，其顯著標志為增加了組織相容性復合體Ⅱ、CD163、IL-1β和TNF-α的表達[15]。由于藥物本身就具有一定的中樞神經毒性及抗病毒藥物無法阻斷休眠期的病毒復制，中樞神經系統的神經炎癥可以轉成HIV-1腦炎。小膠質細胞具有很強的生理調節功能，但是HIV-1感染可以引起的小膠質細胞的生物學行為發生改變，例如改變細胞代謝及增強p53-p21信號通路，使小膠質細胞的生命周期延長，從而長期釋放炎癥因子[16]；另外一個更顯著的標志是HIV-1可以顯著減少β淀粉樣蛋白降解酶，引起細胞外β淀粉樣蛋白的聚合，從而加劇阿爾茲海默病的發生。

星形細胞也是神經系統免疫炎癥反應中不可或缺的部分。作為包繞血管內皮細胞構成血腦屏障的支持細胞，星形細胞可以在HIV-1感染早期就被HIV-1的Tat、gp120、Nef蛋白激活，通過擾亂環氧酶、細胞內鈣離子和ATP的濃度，釋放一系列炎癥因子，促進血管內皮細胞損傷，使得更多的外周血中的單核細胞跨過血腦屏障，加劇中樞神經系統的神經炎癥反應[17]。研究[18]還發現，HIV-1 Tat可以誘導星形細胞表達PDGF-BB，隨后引起CCL-2表達升高。目前已知CCL-2可以加速神經炎癥反應[19]，影響β淀粉樣蛋白的代謝并加劇認知功能的損傷，是引起神經退行性病變和老年癡呆的重要炎癥因子。星形細胞激活是誘發HAD和HAND的重要原因。除此之外，HIV-1 gp120引起的星形細胞釋放IL-6、TNF-α也是導致神經炎癥的重要因子[20]。

2.2　神經毒性

在絕大部分病毒性感染引起的神經退行性病變中，神經免疫炎癥反應通常早于神經元損傷。因為數量眾多的膠質細胞負責了免疫監視功能。但是HIV-1的結構蛋白在中樞神經系統的累積，最終可以直接引起神經元損傷。HIV-1 gp120和Tat被認為是首要引起HIV-1神經毒性的病毒蛋白[21]。最早發現，HIV-1 gp120蛋白可以顯著降低神經元對多巴胺的轉運，并且減少神經元樹突的數量。另有研究證明，HIV-1 gp120的神經毒性也可以通過激活神經元的N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受體[22]，使細胞內鈣離子濃度增加，誘發細胞內一氧化氮合酶(NOS)介導的氧化應激反應，從而導致神經元損傷[23，24]。HIV-1 Tat蛋白通過磷酸化NMDA受體也可以激活以上的氧化應激過程。另外，HIV-1 Tat激活NMDA受體后還可以引起MAP激酶的活化，最終啟動神經元的凋亡[25]。HIV-1 Tat蛋白還可以與神經元表面受體脂蛋白受體(LRP)相結合，引起LRP內吞，而減少LRP對其配體如β淀粉樣蛋白和載脂蛋白E的識別和降解，加劇神經退行性病變進程[26]。

3　中樞神經系統HIV-1感染的治療

3.1　血腦屏障與抗逆轉錄病毒藥物

中樞神經系統HIV-1感染目前尚無特異性治療方法。研究發現，HIV-1感染患者在經歷抗逆轉錄病毒治療后，腦脊液中的HIV-1 RNA含量顯著降低，而患者伴發的HAD也可以得到有效控制。但是由于中樞神經系統獨特的生理和解剖結構，徹底控制病毒復制依然不能實現。首要問題是如何解決抗逆轉錄病毒穿越血腦屏障的問題。致密的血管內皮和星形細胞結構阻斷了絕大部分的藥物通過血腦屏障。雖然在顱腦的下丘腦、最后區和穹窿下區等部位血管內皮細胞的緊密連結較稀疏，藥物可以借此跨過血腦屏障；但是在已知的抗逆轉錄病毒藥物里面，只有核苷類抗逆轉錄酶抑制劑具有較好的血腦屏障通過率，非核苷類抗逆轉錄酶抑制劑只有Nevirapine可以達到較高的中樞神經藥物濃度，其他類抗逆轉錄病毒藥物包括最新的長效非核苷類逆轉錄酶抑制劑Rilpivirine在內，在顱腦的有效濃度并不顯著[27]。由于血腦屏障的天然阻隔，抗逆轉錄病毒藥物的療效受到了極大限制。因此，顱腦內中樞神經系統被認為是HIV-1在體內的最終藏身之地。而逆轉錄藥物本身尚存在一定的中樞神經毒性，可以增加β淀粉樣蛋白酶的聚集并引起神經退行性病變的發生，所以對于中樞神經系統的HIV-1感染不能僅依賴于傳統的抗逆轉錄病毒藥物治療，更應該考慮中樞神經系統的固有生理學特性。

3.2　納米藥物傳輸

最新研究表明，納米技術在生物醫藥領域的應用為改善傳統藥物的效能帶來新的思路。特別是在神經系統疾病方面，通過納米技術的重新包裝，可以大大提高生物活性蛋白和小分子跨過血腦屏障，提高傳統藥物對神經退行性病變的治療效果。用納米技術合成的抗逆轉錄病毒蛋白酶抑制劑可以更穩定、更長時間地停留在外周血循環系統中，極大地改善藥物通過血腦屏障的能力[28]。這種納米晶體化的抗逆轉錄蛋白酶抑制劑還能靶向作用于單核巨噬細胞，隨著巨噬細胞跨越中樞神經系統的血管內皮細胞，從而實現由細胞介導的藥物傳輸[29]。這一新療法目前已經完成了臨床前期的實驗，目前正在準備進入臨床實驗。

除了直接抑制病毒在中樞神經系統的復制，減少或者控制HIV-1感染所引起的神經炎癥也是目前重要的治療發展的方向。目前最新的抗神經炎癥的小分子藥物混合系激酶3阻斷劑URMC-099具有非常好的神經中樞藥物穿透活性，其通過抑制MAP kinase活性，直接減少激活膠質細胞，也有一定的保護神經元的作用[30]。其療效已經在控制阿爾茲海默病及HIV-1引起的神經炎癥中得到了驗證。另外發現，URMC-099與新型納米化的抗逆轉錄病毒藥物nanoART一起使用還可以增強抗逆轉錄病毒藥物的療效[31]。鑒于此，聯合抗神經炎癥及具有神經保護性能的藥物與抗逆轉錄病毒藥物聯合使用，將是今后控制中樞神經系統HIV-1感染的必經之路。

4　結語

在持續不斷的抗逆轉錄病毒的治療下，中樞神經系統可能是HIV-1在體內復制最后的藏身之所。目前的治療手段還不足以徹底清除中樞神經系統中的感染病灶。因此，盡可能抑制感染并且減少神經免疫炎癥反應，盡最大可能減小神經損傷，是今后研究的重點。

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