軟腦膜在外周炎癥影響神經炎癥過程中的作用

王鷂 呂慧欣 杜留熠 顧芯銘 任靜宜 于維先 周延民

1.吉林大學口腔醫院種植中心 長春 130021;

2.吉林省牙發育及頜骨重塑與再生省重點實驗室 長春 130021

軟腦膜是血腦屏障中的重要組成部分。在生理情況下，軟腦膜參與隔離了外周循環系統內的大部分免疫細胞及細胞因子，阻止其進入腦實質，保證了中樞神經系統的穩態及相對獨立于外周系統的“免疫豁免權”。但是，已有許多臨床證據揭示，一些外周系統炎癥疾病（如牙周炎）與神經系統內的炎癥及其導致的疾病有著明顯的相關性。傳統觀點認為，在外周系統中產生的炎癥介質可以誘導中樞神經系統內炎性因子的釋放，使其產生一種“鏡像”的免疫應答[1]，而且反復、輕微的外周炎癥還可以降低中樞神經系統對于外周炎癥的敏感性，從而抑制炎癥的發生、發展[2]。近年來的一系列研究顯示，軟腦膜可能參與了外周炎癥對于神經炎癥的動態調節，并起到了某種傳遞炎性信號的作用。本文就這一過程的內在機制進行綜述，旨在進一步揭示神經炎癥的產生機制，為眾多慢性神經中樞系統疾病的治療提供新途徑。

1 軟腦膜

軟腦膜是緊貼于腦表面的一層透明薄膜，且能夠伸入溝裂。由軟腦膜形成的皺襞突入腦室內，形成脈絡叢，分泌腦脊液。脈絡叢上皮細胞與其之間的緊密連接構成了血-腦脊液屏障（bloodcerebrospinal fluid barrier），負責血液與腦脊液之間的物質轉運[3]。軟腦膜與室管膜上皮、軟膜下膠質膜共同構成了腦脊液-腦實質屏障（cerebrospinal fluid-brain barrier），其表面分布有多種受體和轉運子。

數十年來的研究一直認為，腦膜是一種防御結構，但越來越多的研究證實，腦膜是一種復雜的生理結構，除了作為外周循環系統和中樞神經系統間的屏障，還具有信號傳遞[4]、物質轉運[5]、干細胞孵育[4]以及參與中樞神經系統免疫應答[6]等功能。進一步的研究[7]表明，許多物質都可作用于軟腦膜，如脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）、白細胞介素（interleukin，IL）-1β、IL-6、環氧合酶（cyclooxygenase，COX）-2、核因子κB抑制蛋白α（inhibitor of nuclear factor κB α，IκBα）、腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）-α、前列腺素（prostaglandin，PG）等，可誘導軟腦膜分泌炎性因子，促進中樞神經系統的炎性應答。Liddelow等[8]還發現，當發生炎癥時，軟腦膜上缺少緊密連接蛋白（claudin）-3的小鼠的腦脊液中會有更多的外周免疫細胞，這進一步證明了當軟腦膜的屏障功能良好時，可以限制外周免疫細胞的進入。總而言之，軟腦膜參與構成外周-中樞神經系統之間的屏障，能夠限制炎癥信號、免疫細胞等多種物質在兩個系統間的直接擴散。

2 外周炎癥與神經炎癥的關系

外周炎癥是機體對侵入的病原微生物進行的一種防御反應，在日常生活中很常見。有研究[9]證據顯示，外周炎癥與神經炎癥有著顯著的相關性。Kranjac等[10]和Semmler等[11]的動物實驗結果顯示，系統炎癥疾病與認知功能損傷存在密切關系。

在正常生理情況下，由于內皮細胞間的緊密連接為中樞神經系統構建了一個特殊的屏障系統，中樞神經系統一直被視作一個與外界相對隔離的“免疫特權區域”[12]。軟腦膜參與構成了中樞神經系統的免疫腦屏障系統，在正常生理情況下，限制外周循環系統中抗體、免疫調節因子以及免疫細胞滲透、進入，同時保護腦實質[13-14]。腦實質內的神經元和膠質細胞則被包裹于屏障之內，維護著特殊的穩態微環境。

通過幾條已知的路徑，外周炎癥可以引發中樞神經系統的炎性應答。Wu等[15]發現了一條可能的新路徑，即軟腦膜細胞介導路徑，認為在全身性炎癥誘導神經炎癥過程中，軟腦膜可能起到了某種傳遞炎癥信號的作用。概括來看，外周炎癥與中樞神經炎癥的關系密不可分，而軟腦膜既在兩者之間提供了一個物理屏障，保證了中樞系統的“免疫特權”，又在炎癥信號由外周循環系統傳遞進入中樞神經系統的過程中起到了重要的作用。

牙周炎是一種典型的慢性外周炎癥，入侵牙周組織的病原微生物及其代謝產物導致機體產生免疫應答，引起牙周組織破壞[16]。由于組織、血管的破壞，牙周致病菌及其毒素、局部炎癥因子等還可直接進入外周血液循環。牙周炎最常見的致病菌牙齦卟啉單胞菌的LPS可被巨噬細胞的Toll樣受體（Toll-like receptor，TLR）識別，誘導巨噬細胞、單核細胞向局部組織、血液中釋放大量的IL-1β、TNF-α和IL-6等促炎細胞因子[17-18]。同時，研究證據[19]也顯示，牙周炎的致病原會增高菌血癥的發病風險。一旦發病，炎癥會通過某種解剖結構相關的路徑擴散到腦及其他的遠端組織、器官。盡管其中確切的機制還沒有被確認，但已經獲知以牙周炎為代表的外周性炎癥與中樞神經系統炎癥相關性疾病的病程顯著相關。對于這方面的深入研究，可能將有助于找到防治神經系統疾病的新思路。

3 軟腦膜介導炎癥信號傳遞的可能通路

3.1 外周巨噬細胞的激活作用

關節炎是一種常見的外周炎癥。Wu等[20]發現，佐劑型關節炎大鼠的巨噬細胞在被激活后會隨循環系統聚集在軟腦膜附近，但本身并不進入腦組織，而是通過分泌炎性因子作用于軟腦膜細胞。接收到炎癥信號的軟腦膜細胞會產生特定的免疫應答，進而釋放炎性因子，刺激中樞神經系統內的膠質細胞，造成進一步的神經炎癥和認知損傷。

牙周炎是另一種常見的慢性炎癥，可導致一種頑固的外周炎癥反應。Liu等[21]發現，在牙齦卟啉單胞菌LPS的刺激下，外周循環系統中的巨噬細胞可向牙周組織和循環系統中釋放大量的炎性信號，包括TNF-α、IL-1β，以及誘導型一氧化氮合酶等[21-22]。傳統觀點認為，在牙周炎病程中，巨噬細胞通過TLR釋放出的炎性因子，可在口腔黏膜內介導固有免疫的發生[23]，然而Liu等[21]首次提出了巨噬細胞對于軟腦膜可能存在刺激作用，并誘使軟腦膜釋放出相應的促炎因子。雖然這一領域的研究剛剛起步，但為研究牙周炎與神經炎癥疾病的相關性指出了一條新的路徑。

3.2 細胞因子的釋放

Liu等[21]發現，在用牙齦卟啉單胞菌的LPS刺激人急性單核細胞白血病單核細胞株以及小鼠巨噬細胞后，在培養基中可檢測出TNF-α和IL-1β分泌水平明顯上升；用這種培養基刺激軟腦膜細胞4 h后，可在軟腦膜細胞的培養液中測到同種因子表達量的顯著上升。實驗中還發現，對于軟腦膜細胞炎性因子的分泌速度和分泌水平，巨噬細胞培養基刺激組都要遠高于LPS直接刺激組。

當發生外周炎癥時，活化的軟腦膜細胞所體現的作用是復雜的，除促進神經系統的炎性反應外，還具有抗炎作用。現有研究[24-26]顯示，活化的軟腦膜的抗炎作用主要通過分泌PGE2和轉化生長因子（transforming growth factor，TGF）-β1來實現。對于中樞神經系統而言，PGE2是一種抗炎蛋白質分子，可以抑制神經元的死亡和炎性介質的釋放，而TGF-β1更能直接對皮質神經元產生保護作用。體內、體外實驗證據均表明，軟腦膜細胞既可被LPS刺激，也可被活化的巨噬細胞所分泌的炎性因子刺激。被刺激并激活后的軟腦膜細胞，可同時分泌促炎因子和抗炎因子，這些因子共同作用于中樞神經系統，影響神經系統炎癥的發生和發展。

3.3 對膠質細胞的激活作用

膠質細胞的活化是神經炎癥的關鍵影響因素[26]。在全身性炎癥反應的初始階段，由于血腦屏障的存在，體內大部分的免疫細胞和炎性細胞雖然在軟腦膜周圍堆積，但是無法進入腦實質[20]。用活化后軟腦膜細胞的培養基處理小膠質細胞后，可發現后者TNF-α和IL-1β的mRNA水平顯著上升[21]，說明軟腦膜細胞分泌的細胞因子與小膠質細胞的活化有顯著的相關性。體內實驗[20]也為這一猜想提供了證據，在給小鼠注射免疫誘導劑后，沿軟腦膜細胞分布的膠質細胞出現了明顯的形態學變化。因為其他的膠質細胞（如星形膠質細胞等）也可能涉及這一通路，這一方面還需要深入研究。

軟腦膜細胞既能分泌促炎因子，也能分泌抗炎因子，從而調節中樞神經系統內的免疫反應平衡。因此，軟腦膜細胞對于膠質細胞的刺激作用也是多樣化的。免疫熒光實驗證實，在發生神經炎癥時，被軟腦膜細胞活化的小膠質細胞和星形膠質細胞是腦內IL-10的主要來源[25]；體外實驗[20]也證實了軟腦膜對于膠質細胞IL-10分泌的促進作用。IL-10在中樞神經系統中能展現出顯著抗炎作用，不僅能抑制膠質細胞對于促炎因子的分泌，還能上調中樞神經系統內的抗炎因子水平[27-29]。

在發生全身性炎癥時，軟腦膜細胞分泌的PGE2還可誘導膠質細胞分泌TGF-β1[25,30]和TGF-β受體Ⅱ。不難推斷，膠質細胞在接收來自軟腦膜的炎癥信號后被活化，并可發揮促炎作用和抗炎作用，從而調節中樞神經系統內的炎性反應。

在發生全身性的外周炎癥時，膠質細胞的免疫應答還與年齡相關。研究[31]發現，在年輕的關節炎小鼠身上，活化后的小膠質細胞和星形膠質細胞的TGF-β1和IL-10表達量顯著上升；在中年關節炎小鼠身上，膠質細胞主要表達IL-1β和PGE2合成酶。隨著小鼠年齡的增長，腦內的一部分膠質細胞（尤其是小膠質細胞）會改變其形態和特性。在全身性炎癥的刺激下，這種變形細胞體現出了高于正常值的敏感性，能夠更顯著地表達IL-1β和PGE2合成酶。對于中年關節炎小鼠，其腦內活化的膠質細胞釋放的促炎因子（主要為IL-1β和PGE2）可下調軟腦膜的兩種重要的緊密連接蛋白Claudin3和ZO-1，從而影響其屏障功能，改變其對于中性粒細胞滲出物和CD4+T細胞的通透性；在年輕小鼠腦內，膠質細胞活化后將表達抗炎因子（如IL-10、TGF-β），可抑制PGE2和IL-1β對緊密連接蛋白的毒性影響。膠質細胞的這種年齡相關的行為差異，決定了在全身性炎癥中，軟腦膜通透性的改變會受到年齡因素的影響。

4 小結

外周炎癥對中樞神經系統的炎癥有動態調節作用。神經系統的炎癥是許多慢性神經系統疾病（如阿爾茨海默病、帕金森病、額顳癡呆）的共同病理變化。軟腦膜可能在外周炎癥對于神經系統炎癥的這種影響中扮演了某種信使的角色。對于健康人，軟腦膜作為免疫腦屏障系統的組成結構，將循環系統中大部分的免疫細胞、細胞因子等阻隔在中樞神經系統之外，保證了中樞神經系統的免疫獨立性。當發生全身性炎癥時，軟腦膜會發生明顯的免疫應答，通過分泌和接受細胞因子，參與炎癥的發生和發展。一些外周炎癥的致病物質可以刺激巨噬細胞和軟腦膜細胞，誘導其分泌炎性介質，同時巨噬細胞所分泌的致炎因子也能作用于軟腦膜細胞，增強其炎性反應。另一方面，處于免疫應答中的軟腦膜所釋放的促炎因子，可激活中樞系統內的神經膠質細胞，而活化的小膠質細胞一直被視作與神經系統炎癥有著密切的相關性，并與多種神經退行性疾病和認知功能損害有關。

除了參與以上通路外，軟腦膜細胞在被激活后，還能分泌以PGE2、TGF-β1為代表的抗炎因子，保護神經元，與促炎因子一起，共同影響中樞神經系統內的炎癥反應。

由于軟腦膜涉及多種細胞因子的通路，不難推測它很可能在外周炎癥對神經炎癥的影響中扮演某種關鍵的信使角色。對于軟腦膜的進一步研究是必要的，對外周炎癥與中樞神經炎癥之間新的通路的探究勢必將揭示牙周炎、關節炎與眾多神經退行性疾病間的深層次聯系，為這些疾病的預防和治療提供新的思路。