抗N-甲基-D-天門冬氨酸受體腦炎病理機制的研究進展

李學斌綜述, 楊 燦, 李秋波審校

自身免疫性腦炎是一組中樞神經系統灰質和白質的自身免疫性炎癥性疾病[1],抗N-甲基-D-天門冬氨酸受體腦炎(抗NMDAR腦炎)最為常見[2]。NMDAR的亞基在畸胎瘤內神經組織中的異位表達可能有助于破壞免疫耐受性[3]。抗NMDAR腦炎的兒科患者,與皰疹病毒感染密切相關。抗NMDAR抗體可以導致各種神經癥狀如癲癇發作、認知缺陷、運動和協調障礙以及精神障礙[1]。

NMDAR屬于谷氨酸門控離子通道家族[2,4],主要參與記憶功能和突觸可塑性,在突觸傳遞和可塑性中發揮關鍵作用[5]。NMDAR由四個亞基組成:包含兩個GluN1亞基或GluN2和GluN3亞基結合[6,7]。GluN2亞單位的平衡負責谷氨酸能神經傳遞[8],GluN2A賦予NMDAR特定的電生理特性,如高通道開放概率和電導、更容易脫敏,使這些受體成為突觸活動的多功能調節劑[8]。NMDAR亞基都包含一個胞外N端結構域(NTD)[9],在NTD內,存在谷氨酸和甘氨酸的激動劑結合位點(ABD)[8]。NMDA受體的離子孔被鎂離子堵塞[4～6,10],只有去除鎂離子[11,12],同時兩種激動劑(谷氨酸和甘氨酸)與NMDAR結合,受體才對鈉離子和鉀離子具有滲透性,才會發生去極化過程[1]。而在NMDAR打開后,鈣通過NMDAR進入細胞內,在突觸可塑性中發揮中心作用[1],并且將神經元細胞的去極化與神經元存活、突觸形成和長時程增強等至關重要的細胞內信號轉導級聯相耦合[2]。谷氨酸是中樞神經系統的主要興奮性神經遞質,并已被證明可調節神經元活力、基本神經系統回路和對環境刺激的行為反應等多種生理機制[2],NMDAR的活性在很大程度上是由突觸部位的階段性谷氨酸釋放控制的[5],突觸外NMDAR主要引起谷氨酸興奮毒性,對神經元功能不利[12]。NMDAR功能、組成和定位的異常調節是許多神經和精神疾病中存在的突觸功能障礙的基礎。對這種疾病的認識不足,導致許多癲癇、特發性腦膜炎或精神疾病患者被誤診,從而錯過了潛在的治療干預的機會。鑒于這種罕見疾病的潛在災難性后果,我們將簡要回顧其發病機制,為臨床治療提供一個參考。

1 抗NMDAR腦炎的觸發因素

卵巢畸胎瘤是抗NMDAR腦炎的誘因[13]。卵巢畸胎瘤大量表達各種GluR相關的表位(包括NMDAR表位),針對NR1表位產生異常抗體[14～16]。

單純皰疹病毒感染亦是抗NMDAR腦炎的誘因[13],單純皰疹腦炎患者釋放神經元抗原可能會引起針對NMDAR的免疫激活,導致抗NMDAR腦炎的發生[13],初始表現與單純皰疹病毒腦炎一致,但隨后出現持續性和進展性神經系統后遺癥,這些包括認知和運動障礙[11]。

2 抗NMDAR抗體的作用機制

2.1 突觸受體內化 細胞表面NMDAR的內化與抗體滴度相關[14,17],抗NMDAR抗體與GluN1亞基的表位結合[11],一方面,導致受體的暫時激活;另一方面,導致AMPA受體超極化導致兩個抗體復合物的連接(交聯)[13],通過結合、加帽和交聯,隨后抗體受體復合物內化。

Vissel的研究表明,NMDAR可以通過不同殘基的亞單位CTD磷酸化對NMDAR的內吞/清除進行調節[8],在抗NMDAR腦炎中是否發揮作用尚不清楚。

腎上腺素和NMDAR的相互作用可以穩定各自突觸內的NMDAR,自身抗體減少了NMDAR和腎上腺素的相互作用,受體就會聚集在突觸外,受體的這種突觸外定位會反過來促進其內化[1],并且結合IgG的NMDAR就在突觸外的位點,在內化過程中起作用[18]。

抗NMDAR腦炎主要由NMDAR內化引起,受體內化降低細胞表面受體密度[19,20],從而降低了海馬神經元中突觸NMDAR介導的電流,作為這些過程的結果,相應神經細胞中NMDAR介導的電流減少[21],導致電流振幅顯著降低[18],使得長時程增強(LTP)受損[19]。同時還可能導致海馬神經元NMDAR丟失,是NMDAR功能減退的主要原因[18],從而導致精神分裂癥[22],出現一系列精神癥狀[1,13]。非IgG結合的NMDAR主要在突觸內,但突觸內NMDAR和EphrinB2型受體(EphB2)之間的相互作用在突觸后膜中的穩定和聚集來調節長時程增強(LTP),這種相互作用的破壞導致NMDAR移位到突觸外位點,然后內化[21],受體內化后以蛋白酶體依賴的方式被破壞[11],從而導致突觸內受體減少,這與癲癇相關[18];而皮質神經元中NMDAR內化導致患者記憶喪失和焦慮[14,19,23,24]。

2.2 抑制突觸可塑性 NMDAR抗體導致NMDAR水平降低[17],使得NMDAR突觸簇數量減少[13]、密度逐漸降低,當突觸中NMDAR 減少時會導致突觸可塑性降低[17],通過調節的NMDAR密度改變突觸可塑性,并改變了AMPAR可塑性的誘導閾值[25,26]。

抗NMDAR抗體通過阻斷NMDAR在突觸中的作用,抑制突觸可塑性[11]。NMDAR介導的突觸電流和鈣信號傳導對神經可塑性至關重要[6],鈣進入是突觸可塑性的關鍵[27],NMDAR具有對鈣的特別高的滲透性,突觸通過NMDAR的鈣流入激活 Ca2+/鈣調蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ型(CaMKⅡ)及其易位至NMDA受體的GluN2B亞基來參與突觸可塑性[10],這使得它成為突觸可塑性的主要參與者,這種現象被認為是學習和記憶的關鍵[5]。同樣多項證據表明GluN2B表達增加與突觸可塑性和認知能力增強有關[5],這表明抗體介導的NMDAR減少與記憶和行為缺陷之間存在明確的聯系[28]。GluN2A亞基功能障礙與突觸可塑性改變密切相關[8,29]。突觸后LTP的誘導依賴于突觸后NMDAR的激活,而突觸前LTP不依賴NMDAR[12]。含有GluN2A和GluN2B的NMDAR異聚體在NMDAR依賴性突觸后LTP和LTD中都充當關鍵分子[12],因此GluN2A和GluN2B變體會改變NMDAR依賴的可塑性[30],通過將 GluN2A 亞基賦予的高開放概率(從而允許大量鈣進入)和 GluN2B亞基的獨特信號特性相結合,NMDAR 可能在觸發 LTP 中具有獨特的作用:改善學習和記憶[5,31]。

2.3 抑制性神經元的功能減低 抗體誘導的NMDAR功能減退導致海馬神經元的抑制性中間神經元的抑制性突觸密度降低[19]。由于抑制性中間神經元的激活減少[1],減少了神經元的抑制性輸入[30],而興奮性神經元的大量去抑制導致興奮性神經元釋放更多谷氨酸[1],這可能是抗NMDAR腦炎癲癇發作的一個原因。

NMDAR的可用性降低會影響每個節點的抑制性神經元,降低多巴胺能神經元的正常抑制張力。由于抑制性中間神經元的NMDAR功能低下以及由此導致的皮質谷氨酸能和多巴胺能投射的去抑制[19],引起多巴胺的產生增加,導致精神癥狀[10]。

3 NMDAR的病理功能

文獻指出抗體作用于NMDAR會導致進行性記憶缺陷、快感缺失、抑郁樣行為、認知和行為缺陷[18],當NMDAR與抗體分離水平恢復后,相關的臨床癥狀逐漸改善[17],因此,可以證明抗NMDAR抗體介導突觸功能的喪失,導致了上述癥狀的產生[19]。

小鼠注射抗NMDAR抗體后運動皮質興奮性顯著增強,增加了NMDAR的活性[32],導致NMDAR過度激活從而引起GluN2B亞基上調導致興奮性毒性和癲癇發作易感性的增加[33],為與NMDAR功能障礙相關的癲癇發作提供證據[19],因此,抗NMDAR的自身抗體對癲癇發作具有致病性[19]。

抗NMDAR抗體直接改變谷氨酸能神經傳遞[11,19],誘導海馬中谷氨酸釋放增加,從而神經細胞興奮性增加,導致癲癇發作,并且抗體的致癇作用與海馬內結合的IgG的數量相關[18]。

阻斷NMDAR可引起精神病癥狀,包括妄想、幻覺、健忘癥、運動障礙和僵直癥,同樣NMDAR功能減退會導致情緒改變和精神分裂癥的癥狀[15,17]。

突觸外NMDAR的過度激活會導致細胞內鈣的過度增加[5],Ca2+流入受GluN2B和GluN2A的細胞質C末端的不同結構域控制[33],通過PP1(絲氨酸-蘇氨酸磷酸酶)介導GluN2B 的去磷酸化控制成熟神經元中NMDAR突觸含量,致使NMDAR轉運調控受損,細胞內高鈣負荷[11,26,34]會導致細胞凋亡效應酶的激活,導致神經元細胞死亡增加(興奮性毒性)[23,35]。突觸外NMDAR通常富集GluN2B亞單位,被認為是構成興奮毒性的主要信號通路[9],因此,突觸外NMDAR信號升高會觸發興奮毒性[23,26]。

GluR亞基是一種定位于突觸的突觸后跨膜蛋白,小腦素介導神經絲素-小腦素-谷氨酸受體δ相互作用,會表現出共濟失調運動[34]。

4 炎癥因子在抗NMDAR腦炎中的作用

在對患者的活檢中海馬內發現了大量的漿細胞、IgG沉積[13],沒有發生不可逆的神經元變性[14,21],這表明是由抗體導致的神經元功能障礙引起的。T細胞募集和增殖中起作用的細胞因子,如IFN-γ、腫瘤壞死因子(TNF)-α、CXCL-10、趨化因子C-C基序配體(CCL)22、IL-1β、IL-6、IL-7、IL-10和IL-17A在急性期升高,表明疾病初期T細胞參與[7,36,37]。而疾病后期CD4+T細胞與相關細胞因子減少的研究表明與抑制免疫治療無關,而動物實驗結果考慮與T細胞及其細胞因子耗竭相關[38]。TNF-α和IL-6的應用則可能加劇抗NMDAR抗體通過突觸機制降低海馬神經元突觸部位的中樞敏化的作用。 正常濃度IL-6的產生會減少NMDA誘導的胞漿Ca2+超載,抑制神經元凋亡和壞死,起保護作用;慢性輸注IL-6減弱抗NMDAR抗體對的鼠海馬神經元中NMDAR介導的MEPSCs,這破壞了動物的學習能力;因此,IL-6可能對突觸可塑性和記憶起雙向作用[39]。TNF-α損害突觸可塑性和記憶的機制在抗NMDAR腦炎中大多是未知的,但我們發現中樞神經系統長期輸注TNF-α可使NMDAR介導的海馬神經元EPSCs減少,這可能是潛在機制[39]。

自身抗體在中樞神經系統內對NMDAR的持續免疫激活導致突觸功能的損傷[28]。

癲癇發作是由抗體直接引起的,但是與抗NMDAR腦炎相關的神經炎癥可能會促進癲癇發作[40]。研究表明,必須持續接觸抗體才能誘發癲癇發作[19],IL-1受體介導的信號傳導是癲癇發作和持續的前提,抗炎治療引起的細胞因子濃度下降與有助于臨床改善。IL-1受體拮抗劑降低了炎性因子的表達,阻斷IL-1的作用會減弱抗體誘導的癲癇發作,可能是通過調節Ca2+濃度來調節谷氨酸能神經傳遞[40],并且有助于海馬突觸活動的正常化[32]。因此IL-1可能是通過增強NMDAR介導的谷氨酸能傳遞,增加癲癇的發生[32]。

本篇綜述主要討論了抗NMDAR腦炎的發病機制,目前研究表明NMDAR抗體在抗NMDAR腦炎中的核心作用,抗體與受體結合、交聯,最終NMDAR受體內化,受體密度降低、突觸可塑性受到抑制、抑制性中間神經元功能減退,從而出現一系列病理功能,并且多種炎癥因子參與其中,但目前炎癥因子的參與機制需進一步研究;阻斷抗體及抗炎治療是治療該病的重要手段,由于動物模型尚未建立,發病機制的闡述有待進一步驗證。