胆碱能抗炎通路在炎症反应中的作用VIP

胆碱能抗炎通路在炎症反应中的作用 * 王大伟 1 ? 周荣斌 1 ? 姚咏明 2, ? ( 1 北京军区总医院急诊科, 北京 100700; 2解放军总医院第一附属医院烧伤研究所, 北京 100048) 摘要? 胆碱能抗炎通路是调节免疫系统的一种神经生理机制, 其在脾脏、 肝脏和胃肠道等网状内皮 系统通过释放乙酰胆碱抑制细胞因子的合成, 控制炎症反应。乙酰胆碱与巨噬细胞和其他分泌细 胞因子细胞表面的 ?7烟碱型乙酰胆碱受体相互作用, 抑制致炎细胞因子的合成与释放, 防止组织 损伤。 本文着重综述胆碱能抗炎通路调节炎症反应的神经生理机制及其在炎症性疾病中的干预 价值。 关键词 ? 胆碱能抗炎通路; 迷走神经; 炎症反应; ?7烟碱型乙酰胆碱受体 中图分类号 ? R364 . 5 ; R363 . 2 ? 损伤引发的适度炎症反应可有效地抵御病原体 入侵, 促进创伤恢复。但是炎症反应缺乏会使机体 防御力下降, 出现继发性感染; 炎症反应过度将产生 过量的细胞因子, 诱发广泛的组织损伤和器官功能 障碍。大量致炎细胞因子产生是慢性炎症和失控性 炎症反应的特征性表现, 它与脓毒症、 类风湿性关节 炎、 克隆病、 自身免疫性疾病等病理过程密切相关。 拮抗致炎细胞因子, 包括肿瘤坏死因子 ( TNF) ? ? 、 白 细胞介素 ( I L ) ?1和高迁移率族蛋白 B1( HMGB1) 等, 将有助于防止失控性炎症反应的发生与发展。 近年的研究发现, 迷走神经介导的 胆碱能抗炎通 路 !( cholinergic anti?inflamm atory pathway)也能有效 调节机体炎症反应 1。本文综述胆碱能抗炎通路 调节炎症反应的神经生理机制及其在炎症性疾病中 的干预价值。 一、 胆碱能抗炎通路 迷走神经除调节心率、 支气管收缩和胃肠蠕动 等经典功能外, 它还可以调节 TNF?等致炎细胞因 子的生成。同时, 炎症条件下促黑素生成增多也能 显著抑制细胞因子的合成。迷走神经传入纤维在孤 束核 (NTS)换元, 由迷走神经运动背核 ( DMN)发出 传出迷走神经节前纤维, 即胆碱能抗炎通路 (图 1)。 抗炎信号经迷走神经传出纤维到达脾脏、 肝脏、 心 脏、 肾脏和胃肠道等网状内皮系统, 随后迷走神经释 放的乙酰胆碱 (ACh)与巨噬细胞及其他分泌细胞因 子细胞表达的 ?7烟碱型乙酰胆碱受体 ( ?7 nicotinic acetylcholine receptor , ?7 n AchR)相互作用抑制细胞 因子的合成。胆碱能刺激抑制炎症细胞因子生成的 细胞内机制还不十分清楚, 目前认为抑制细胞内核 因子 ( NF) ? ?B信号 (例如降低 NF?B p65亚单位的 转录活性 ) 和激活 Janus激酶 2( Janus kinase?2 , JAK2) /转录激活因子 3( signal transducer and activa? tor of transcription? 3 , STAT3)抗炎通路是两种最主要 的机制。 图 1?胆碱能抗炎通路 二、 胆碱能抗炎通路的组成及其效应 (一 )迷走神经 ? 迷走神经传递的胆碱能信号 持续调控细胞因子的合成, 控制免疫反应的强度。 TNF?是导致内毒素 (脂多糖,lipopolysaccharide , LPS)血症低血压的主要炎症介质。刺激迷走神经 ( vagusnerve sti mulation, VNS)可显著降低内毒素休 克动物血中 TNF?水平 ( Borovikova等.2000)。相 反, 切断迷走神经则显著提高啮齿类动物对脓毒性 * 国家重点基础研究发展规划项目 ( 2005CB522602)、 国家 自然科学基金 ( 30672178 , 30872683, 30973120)资助课题 ? 通讯作者 217生理科学进展 2010年第 41卷第 3期 休克的易感性。所以迷走神经可以看作是调节免疫 反应的一种生理性抗炎系统。在脓毒症、 缺血? 再灌 注损伤、 失血性休克、 心肌缺血、 肠梗阻、 关节炎和胰 腺炎动物模型中, VNS抑制细胞因子活性的同时, 体内皮质类固醇或 IL?10水平并未升高。这一现象 提示体液抗炎途径并没有参与 VNS的抗炎机制。 另外, VNS发挥抗炎作用时心率变化不大, 迷走神 经中 A纤维成分由于激活阈值最低, 也不参与心率 的调节, 因此很有可能在抗炎过程中发挥重要 作用 2。 (二 )脾神经和脾脏 ? 内毒素血症时脾脏 TNF? ?主要由红髓和边缘带的巨噬细胞分泌, 红髓巨噬 细胞附近有儿茶酚胺能神经纤维。切断脾神经或用 利血平耗竭儿茶酚胺可以取消 VNS抑制 TNF?的 效应。这一实验表明脾神经是胆碱能抗炎通路控制 内毒素血症 TNF?必需的。胆碱能抗炎通路经过 两级神经元调节巨噬细胞 TNF?的合成: 节前神经 元位于 DMN, 节后神经元来自腹腔肠系膜上神经 丛, 在脾神经中穿行 3。脾脏是内毒素血症动物循 环血中 TNF? ?的主要来源。VNS能减少内毒素血 症动物循环血中 TNF?的产生, 切除脾脏则消除 VNS的保护效应; 烟碱降低脓毒症动物循环血中 HMGB1水平, 脾切除后该效应丧失。由此可见, 脾 脏对胆碱能抗炎通路的保护作用至关重要 (Huston 等.2007)。 (三 ) ?7烟碱型乙酰胆碱受体 ? 烟碱乙酰胆碱 受体 ( n AChR)是由多种亚单位 ( ?1? 10、 1? 4 、 ! 、 和 #单位 )构成的同源或异源五聚体受体, 属于配体门 控离子通道家族 (图 2)。根据受体分布的不同, n AChR分为肌肉型 nAChR和神经元型 nAChR。神 经元型受体又根据与 ? 银环蛇毒素的亲和力不同 分为高亲和力组和低亲和力组。?7 nAChR是神经 元型 nAChR的一种亚型, 与 ? 银环蛇毒素有高度 的亲和力。在神经元中, ?7 nAChR蛋白是 5个 ?7 亚单位构成的同源五聚体, 5个亚单位环绕形成一 个中心孔道。各亚单位接合处共有 5个配体结合位 点, 配体与此位点相互作用改变受体的功能状态。 ?7 nAChR对钙离子有高度的通透性, 但对乙酰胆 碱的敏感性较低。巨噬细胞 ?7亚单位与神经元 ?7 亚单位的基因序列一致, 相对分子量也相同, 大约 为 55 kD。 有实验证实, 乙酰胆碱可减弱 LPS刺激巨噬细 胞释放 TNF? 、IL? 1 、IL?6和 I L? 18 , 但对抗炎细胞 因子 IL?10无明显影响。乙酰胆碱的这种效应由 ? 银环蛇毒敏感的烟碱乙酰胆碱受体介导。其后研究 发现该受体是 ?7 n AChR。体外实验显示, 烟碱与巨 噬细胞表面 ?7 nAChR作用, 抑制 LPS诱导 TNF? 的释放, 并且 VNS对敲除 ?7 nAChR的内毒素血症 小鼠不产生抗炎作用 (W ang等.2003)。因此 ?7 nAChR是 VNS抗炎效应所必需的, 是胆碱能抗炎通 路的重要组分。VNS抑制 TNF?不需要免疫细胞 上 M 受体的激活, 进一步支持上述观点。 图 2? 烟碱乙酰胆碱受体亚型 巨噬细胞、 内皮细胞、 肠上皮细胞、 淋巴细胞、 神 经胶质细胞等均表达 ?7 nAChR, 因此, ?7 nAChR 激动剂可作用于机体多种器官组织, 产生广泛的抗 炎效应。但是胆碱能抗炎通路主要通过迷走神经释 放的乙酰胆碱与巨噬细胞表面 ?7 n AChR发挥作 用, 尚未见有证据表明其他类型细胞 ?7 nAChR也 接受迷走神经调控。 (四 )中枢毒蕈碱受体 ? 激活中枢毒蕈碱受体 可以激活胆碱能抗炎通路, 进而发挥抗炎效应。向 脑室注入 M受体激动剂明显减低内毒素血症循环 中 TNF?水平, 同时反映外周迷走神经活性的指标 瞬时心率变异升高。 CNI? 1493( 四价丙咪腙 ) 脑室 内给药激活胆碱能抗炎通路所产生的抗炎效应也是 由中枢 M 受体介导。还有实验表明, 加兰他敏 (乙 酰胆碱酯酶抑制剂 ) 抑制脑内乙酰胆碱酯酶的活 性, 提高脑组织的胆碱能活性, 通过中枢 M 受体、 迷 走神经和 ?7 n AChR参与的调节机制, 控制内毒素 血症时全身炎症反应 4。 三、 胆碱能抗炎通路调控炎症性疾病 (一 )脓毒症 ? 刺激迷走神经可抑制内毒素血 症动物脾脏和循环血中 TNF?生成, 切断迷走神经 218生理科学进展 2010年第 41卷第 3期 则作用相反。迷走神经干远端电刺激能减轻盲肠结 扎穿刺 ( cecal ligation and puncture ,CLP)所致脓毒 症动物肝组织损伤, 该保护效应依赖于 ?7 nAChR。 经皮刺激迷走神经不仅降低了致死性内毒素血症小 鼠循 环血 中 TNF? 水 平, 而 且抑 制 其 外 周血 HMGB1产生, 提高动物的生存率 5。 应用胆碱能激动剂激活胆碱能抗炎通路, 也可 控制脓毒症炎症反应。体内外实验表明, 烟碱能有 效降低脓毒症 TNF? ?和 HMGB1水平; ?7 n AChR特 异性激动剂 GTS?21和胆碱也有类似作用 5。小鼠 内毒素血症模型中虽然 VNS降低血浆、 肝脏和脾脏 TNF? ?水平比较明显, 但是对肺组织的抗炎作用有 限。而 ?7 nAChR激动剂的抗炎效应较 VNS更加 广泛。例如烟碱、 胆碱和 PNU?282987可降低乳酸 诱导的急性肺损伤, 气道内给予 GTS?21有效抑制内 毒素血症时肺脏 TNF? ?的释放。此外 CNI? 1493 、 催 产素和生长激素释放肽均可激活中枢胆碱能系统, 提高迷走神经活性, 下调脓毒症炎症介质。有资料 提示, 胆碱酯酶抑制剂 (毒扁豆碱、 新斯的明 )可下 调脓毒症动物炎症反应 6。然而, 胆碱酯酶抑制剂 用量过高无益于动物的生存, 具体原因尚不清楚。 目前认为胆碱酯酶抑制剂通过降低胆碱酯酶活性来 提高乙酰胆碱浓度, 增强胆碱能活性, 最终发挥抗炎 效应。 值得注意的是, 刺激迷走神经或用药物激活 ?7 n AChR均导致宿主清除细菌的能力下降 ( vanWest? erloo等.2005)。因为感染时机体产生炎症反应的 目的是清除细菌, 出现抗炎反应则可防止全身过度 的炎症反应, 二者之间存在动态平衡状态。激活胆 碱能抗炎通路可能打破了二者间的平衡, 对宿主产 生不利影响。 (二 )失血性休克 ? 失血性休克过程中大量细 胞因子产生促进了组织损伤和器官功能障碍。实验 表明, 用多种方式激活胆碱能抗炎通路可有效抑制 促炎介质生成, 改善动物预后。例如, VNS逆转失 血性休克低血压, 延长动物的生存时间, 抑制肝脏核 因子 NF? ?B活性和 TNF?的合成; ACTH ( 1?24)在 中枢激活胆碱能抗炎通路, 防止休克的进展, 并抑制 NF?B依赖的全身炎症反应; 研究证实, 胆囊收缩素 ( cholecystokinin , CCK)对失血性休克大鼠具有抗炎 和保护效应。高脂饮食可以诱导机体产生 CCK, 进 而与 CCK受体结合, 激活迷走神经传出纤维信号, 最终抑制失血性休克动物外周血中 TNF? ?和 IL?6 水平 ( Luyer等.2005)。因此, 肠道对食物性抗原的 低反应性可能与迷走神经传出纤维的抗炎作用 有关。 (三 )缺血 ? 再灌注损伤 ? VNS或用药物激活迷 走神经抗炎信号均可有效抑制缺血 ? 再灌注过程中 细胞因子反应, 减轻组织损伤。在主动脉夹闭诱导 的缺血? 再灌注模型中, 中枢给予 CNI?1493可激活 迷走神经, 抑制 TNF?的释放, 防止低血压和组织 损伤。VNS还可以激活烟碱受体, 抑制内脏血管阻 塞性休克动物 TNF? ?等炎症介质的释放, 减轻内脏 炎症反应, 延缓休克的进展。在大鼠心肌缺血 ? 再灌 注模型中观察到, VNS显著降低自由基的堆积、 心 律不齐和猝死的发生率; ACTH ( 1? 24)通过激活迷走 神经, 产生类似的保护作用 (M ioni等.2005)。此 外, 胆碱能激动剂烟碱或 GTS?21还能减轻肾缺血模 型中的炎症反应, 改善肾功能障碍。 (四 )胰腺炎 ? 胰腺炎病理过程中细胞因子失 控性合成与释放将诱发组织损伤甚至死亡, 胆碱能 抗炎信号可调节胰腺炎的局部和全身炎症反应。小 鼠胰腺炎动物模型中, 迷走神经切断后动物组织损 伤明显加重。蛙皮素诱导的急性胰腺炎动物模型 中, GTS?21治疗显著减轻胰腺组织损伤和肺组织炎 症; 切断迷走神经后 GTS?21仍然发挥作用。提示迷 走神经活性不足时, 用烟碱受体激动剂治疗胰腺炎 仍然有效 ( vanW esterloo等. 2006)。 (五 )肠梗阻 ? 肠梗阻多发生于腹部大手术或 创伤后, 肠梗阻早期胃肠运动减弱, 胃排空延迟; 梗 阻晚期肠内产生的大量细胞因子干扰了胃肠平滑肌 的功能。在小鼠肠梗阻模型中观察到, VNS通过小 肠巨噬细胞 ?7 nAChR依赖的 STAT3信号途径减轻 小肠炎症, 防止术后肠梗阻的进一步发展 ( de Jonge 等.2005 )。另 外?7 nAChR 特 异 性 激 动 剂 ( ARR17779和烟碱 )也可以阻断肠梗阻模型中肠道 的炎症反应, 促进肠蠕动恢复 7。 (六 )溃疡性结肠炎 ? 结肠炎的病理特征是炎 症黏膜内致炎细胞因子增加、 组织损伤和神经元丢 失, 提示胆碱能抗炎通路可能受损。烟碱治疗不仅 显著降低实验性结肠炎炎症标记物的水平, 还可缓 解溃疡性结肠炎患者的症状, 但是烟碱的副作用限 制了其临床应用。研究证实, 烟碱对溃疡性结肠炎 的保护效应依赖于完整的迷走神经, 还涉及其他机 制。用 ?7 nAChR选择性激动剂 (假木贼因 )治疗结 肠炎小鼠, 降低髓过氧化物酶和 TNF?水平, 抑制 肠固有层单核细胞 NF? ?B活性, 减轻结肠组织损伤 ( Bai等.2007); 烟碱受体拮抗剂处理则逆转上述 219生理科学进展 2010年第 41卷第 3期 效应。乙酰胆碱酯酶抑制剂 (毒扁豆碱 )对大鼠结 肠炎也有明显疗效。 (七 )阿尔采末病 ( AD) ? AD属于炎症性疾病, 血浆和脑脊液中致炎细胞因子和抗炎细胞因子 均升高。其中激活的小神经胶质细胞引发局部炎症 反应导致神经变性, 包括斑块形成、 轴突生长营养不 良和 tau蛋白过度磷酸化。体外实验表明, 小神经 胶质细胞的炎症反应可以被烟碱抑制, 其作用机制 与细胞外信号调节激酶 ( extracellular signal regulated kinase , ERK)和 p38丝裂原活化蛋白激酶 ( m itogen activated protein kinase , MAPK) 活性下降相关。动 物体内实验得出了同样的结论, 烟碱通过 ?7 nAChR 抑 制 ERK和 p38MAPK信号途径, 阻断 NF ?B和 c? Myc通路, 减轻局部炎症反应, 产生神经保护 效应 8。 (八 )其他炎症疾病? VNS和胆碱能激动剂 (烟 碱、 AR? R17779和 PNU? 282987)可抑制关节炎动物 模型局部炎症反应; CNI? 1493在中枢激活胆碱能抗 炎通路, 防止 Crohn病情进展; VNS能降低慢性心衰 动物模型心肌组织中 TNF?水平。此外, 烟碱抗炎 通路和雌激素抗炎信号协同作用减轻环磷酰胺诱导 的慢性膀胱炎模型炎症反应。 四、 迷走神经活性与炎症性疾病的关系 多项临床观察表明, 炎症性疾病中迷走神经功 能障碍与病情密切相关, 但还不能确定迷走神经活 性下降与炎症疾病加重之间是否存在因果关系。大 样本健康成年男性的调查研究显示, 迷走神经活性 指标 RR间期变异性与外周血 C? 反应蛋白和 IL?6 等炎症标记物水平呈负相关。在类风湿性关节炎患 者的临床研究中发现, RR间期变异性与病人血清 HMGB1水平呈负相关 9, 且迷走神经活性下降与 病人猝死率上升相关。AD等神经变性疾病存在胆 碱能缺陷和迷走神经活性下降。迷走神经活性下降 还与脓毒症、 狼疮、 结节病、 炎性肠病和创伤病人的 病死率升高有关。临床上, 许多炎症性疾病的治疗 措施 (针灸、 冥思、 催眠、 生物反馈、 认知、 放松疗法、 体育锻炼及高脂饮食 ) 均可提高迷走神经的活性, 降低 TNF?等致炎细胞因子水平。 五、 结语 与传统体液抗炎机制相比, 胆碱能抗炎通路抗 炎信号更直接、 迅速, 作用于特定的组织。它可以同 时抑制多种炎症介质的产生, 比靶向单一炎症介质 的治疗措施更具优势。胆碱能抗炎通路的效应已经 在上述多种炎症疾病动物模型及一些临床试验中得 到了证实。并且临床上 VNS治疗癫痫和抑郁症是 安全的, 提示干预胆碱能抗炎通路对慢性炎症疾病 的长期治疗是可行的。?7 nAChR特异性激动剂因 其选择性高, 副作用相对较小, 比其他胆碱能非特 异性激动剂更有治疗优势。 因此, 开发特异、 低 毒的 ?7n AChR激动剂是未来干预炎症的重要发展 方向。 参考文献 1?TraceyK J . Physiology and i mmunology of the cholinergic an? tiinfla mmatory pathway .J Clin Invest ,2007, 117: 289 296. 2? Huston J M, Gallowitsch?PuertaM, O chaniM,et a.l Trans? cutaneous vagus nerve sti mulation reduces serum highmobil ? ity group box 1 levels and i mproves survival inmurine sepsis CritCareM ed , 2007, 35 : 2762 2768. 3?Rosas?Ballina M,OchaniM,Parrish WR,et a. lSplenic nerve is required for cholinergic antiinfla mmatory pathway controlof TNF in endotoxemia .Proc Natl Acad SciUSA, 2008, 105 : 11008 11013. 4?Pavlov VA, ParrishWR, Rosas?BallinaM, eta. l Brain ace? tylcholinesterase activity controls system ic cytokine levels through the cholinergic anti? infla mmatory pathway .Brain Behav I mmun, 2009 ,23: 41 45. 5?ParrishWR, Rosas?BallinaM, G allowitsch?PuertaM,et a. l M odulation of TNF release