病毒病中枢神经机制研究进展

病毒病中枢神经机制研究进展

病毒（也称为感染性海绵状病）是一种慢性、致命和退行性传染病，可在多个个体之间传播。在动物中主要包括牛海绵状脑病(Bovinespongiformencephalopathy,BSE)、羊痒病(Scrapie)、貂传染性脑病(Transmissibleminkencephalopathy,TME)、鹿的慢性消耗性病(ChronicWastingDisease,CWD)及猫科动物海绵状脑病(Felinespongiformencephalopathy,FSE)。在人类包括库鲁病(Kuru病)、克雅氏病(Creutzfeldt-Jakob,CJD)、变异型克雅氏病(VariantCreutzfeldt-Jakobdisease,VCJD)、格氏病(Gerstmann-Straussler-Scheinker,GSS)和致死性家族失眠症(Fatalfamilialinsomnia,FFI)等。该类疾病与一种具有传染性的蛋白质因子(proteinaceousinfectiousparticle,Prion)相关,称为朊蛋白。目前普遍认为其致病因子是由异常变构形成错误折叠的朊蛋白(PrPSc),PrPSc本身具有复制能力,可以诱导正常的朊蛋白(PrPC)转变成PrPSc,从而可以传染并导致疾病。先前的研究证实通过腹腔注射,静脉内注射,脑内注射、皮肤刺破,眼球灌注以及口服感染等接种方式能够导致动物感染朊病毒,但是不同的接种途径其致病因子的复制及传播机制不同。通过胃内接种羊痒病的小鼠,PrPSc首先在派伊尔氏淋巴集结(Peyer’spatches,PPs)和颈部淋巴结复制,然后再出现在脾脏和中枢神经系统(centralnervoussystem,CNS),切除脾脏并不影响疾病的潜伏期,表明入侵可不起始于脾脏。而通过腹腔注射、静脉以及皮下接种(颈部皮下和足底)的研究表明PrPSc从淋巴网状系统到CNS的神经入侵路径首先发生在脾脏(大概为内脏淋巴结),沿着自主神经如内脏神经到达中胸段脊髓,然后向CNS的其余部分包括脑和腰椎逐渐扩散,但是由于鼠的自主神经以及神经节很小难以采样,因此还缺乏有关起始于脾脏-胸部脊髓路径的直接证据。但是已经获得以检测脾脏基质层为依据的间接证据,在这些部位神经末梢PrPSc十分丰富,并且从脊髓和脑向周围神经离心传播已经得到证实。通过口服或者腹膜内接种仓鼠,Baldauf等证实263K朊病毒株进入脑组织可能是通过迷走神经,它被认为是最有可能的一条直接路径。通过感染性实验以及免疫组织化学(IHC)或者石蜡组织包埋印迹检测PrPsc的方法证实,在羊痒病的仓鼠模型中,肠和腹膜神经节参与了早期的神经入侵。对目前已知的传播途径归纳起来主要包括消化道途径、血液循环途径、外周神经及组织途径,根据接种方式的不同PrPSc可通过一种或者二种途径感染机体。研究最多且比较清楚的是消化道途径,其次是血液途径,而外周神经及组织则了解较少,已知经坐骨神经途径接种痒病可使小鼠或者仓鼠发病,本文从消化道和血液两个途径进行介绍。1阴道感染朊病毒从感染进入机体到到达大脑发病部位大致可分为入侵、复制和沉积、传送3个阶段。1.1prpsc在肠道组织中的复制途径人们认为最初英国牛海绵状脑病(BSE)的发生是由于在牛的饲料中添加了含有BSE感染因子的反刍动物肉骨粉;人类的变异型克雅氏病(vCJD)以及库鲁病是由于采食了朊病毒污染的食物,其中vCJD是由于食用BSE污染的牛肉所致,而库鲁病则是由于当地的风俗习惯食用死者的脑组织所致。因此消化道途径被认为是朊病毒病最重要的自然传播途径,也是目前研究最多的接种途径。PrPSc经口腔进入胃肠道后,如果要进入机体并在肠相关淋巴组织中复制和聚集,首先要通过肠上皮细胞,研究表明有以下3种可能的通过途径:第一种是通过位于长绒毛上皮和派伊尔氏淋巴集结滤泡相关上皮内的微皱细胞也就是M细胞的胞转作用。M细胞被认为是肠上皮中唯一一种具有跨膜运输大分子和颗粒的细胞,能够使机体免疫系统从肠道管腔内容物中抽取样品,并引起免疫应答,而一些病原微生物则能够利用它进入粘膜组织。体外实验已经证实M细胞能够通过穿胞作用将痒病因子运送至上皮细胞的底外侧,尽管体内实验还未见报道,但是M细胞被认为是最有可能跨上皮运输PrPSc穿过肠上皮的细胞。第二种方式是通过与铁蛋白形成复合物进入,有实验证实将散发型克雅氏病(sCJD)患者脑组织匀浆经胃蛋白酶处理后形成具有与蛋白酶K相似的PrPSc片段,该片段能够与铁蛋白形成复合物,然后通过依赖铁蛋白的机制经肠上皮细胞的吞噬作用转运至一囊泡状结构。第三种方式是树突状细胞的单独摄取。树突状细胞能够不依赖M细胞的作用,将自身的树突穿过上皮细胞间隙直接到达肠腔,然后从肠腔摄取抗原物质。1.2复制到身体组织和器官1.2.1prpsc在脏器组织中的复制目前研究认为PrPSc穿过肠上皮细胞后,在传播至神经系统之前,首先在淋巴组织中沉积或者复制,这些淋巴组织包括脾脏、淋巴结、扁桃体、盲肠和派伊尔氏淋巴集结,但是不同动物传染性海绵状脑病(TSE)疾病沉积或者复制的部位不同,例如在感染BSE的人类和绵羊的淋巴组织中检测出大量的PrPSc,但在自然感染的牛淋巴组织中则没有检测到PrPSc。同样是羊的痒病,如果其朊蛋白基因的表型或者痒病毒株不同则感染因子在羊体内的分布也不同。经口感染痒病的小鼠,在侵入神经前PrPSc主要在肠相关淋巴组织(GALT)如派伊尔氏淋巴集结、肠系膜淋巴结中沉积。在感染早期,PrPSc在淋巴组织内沉积对其以后的神经入侵很重要,给切除派伊尔氏淋巴集结的小鼠口服PrPSc进行感染,或者通过腹膜内接种切除脾脏的小鼠,发现痒病的神经入侵过程都会受到影响。PrPSc进入淋巴组织后,早期主要沉积在B淋巴滤泡生发中心的滤泡树突状细胞(FDCs)和巨噬细胞上,分布于FDCs细胞膜和树突细胞外的周围空间。在朊病毒神经入侵过程中,PrPSc在FDCs的沉积十分重要,当缺少FDCs时,疾病的潜伏期延迟,传染性降低。由于B细胞能够为维持FDCs的活性状态提供重要的细胞因子,如淋巴毒素(LT)α1β1和肿瘤坏死因子(TNF)α,因此PrPSc不能在缺失B细胞或者LTα1β1和TNFα并同时缺少FDCs的小鼠淋巴组织内沉积,如果通过药物临时性阻断FDCs与LTα1β1和TNFα结合的受体信号通道,则能够降低接种TSE因子通过外周途径感染宿主的易感性。虽然这为治疗TSE相关疾病提供了一种思路,但是这离实际应用还很远,因为只有在该病发生早期即神经入侵前这种方法才能阻碍PrPSc的感染,而目前神经入侵的准确时间段还无法确定。PrPsc的沉积还需要正常细胞型PrPc的表达,并且表达量与疾病的发生程度有一定的关系,PrP的基因表达量能够决定疾病的持续时间,而FDCs的PrPc表达量似乎很高,这有助于解释为什么FDCs对PrPSc的沉积至关重要,与FDCs相比,淋巴细胞的表达量则很低,但是即使淋巴细胞不表达PrPc也不能阻止PrPSc在脾脏中的沉积以及随后的神经入侵,并且有些细胞虽然PrPc的表达量很高,但是未发现PrPSc的复制,因此PrPSc的复制和沉积除与PrPc的表达相关外还与其它细胞因素相关。FDCs能够将抗原以免疫复合物的形式长期保留在细胞表面,这种免疫复合物通常由抗原、抗体或者补体成分组成,并且不经过加工处理,这种特性在PrPSc的复制及沉积中十分重要,但是这种特性依赖于补体或者补体受体的参与,当缺少补体C1q、C2、C3、因子B和细胞型补体受体时,PrPSc在脾脏中的沉积会受到影响,有实验表明补体C1q能够与构象发生改变的PrP结合,而FDCs自身能够合成C1q,因此补体有可能直接与PrPSc相结合,许多其它细胞也能够表达补体受体,因此补体有可能通过树突状细胞的游走或者巨噬细胞的吞噬作用促进PrPSc的摄入和体内运输。1.2.2树突状细胞对m细胞原代地质细胞的作用PrPSc穿过肠上皮细胞后,将会被运输到派伊尔氏淋巴集结淋巴滤泡的FDCs,由于在派伊尔氏淋巴集结内FDCs位于滤泡相关上皮的远端,因此当PrPSc穿过上皮细胞层后必须被其它细胞运送至FDCs。在M细胞基底外侧膜端有一凹陷被称为内上皮袋,抗原物质经M细胞胞转后可以进入内上皮袋,然后经袋内的B细胞、T细胞和巨噬细胞处理,而树突状细胞、巨噬细胞和淋巴细胞也正好位于粘膜固有层的下面,可以对进入机体的抗原物质进行处理,因此PrPSc经M细胞转运后可被内上皮袋内或者下面的细胞获取,随后被运送至FDCs,其中树突状细胞发挥着重要作用。树突状细胞是专职抗原递呈细胞,它能高效地摄取、加工处理和递呈外周抗原给淋巴组织并引起机体免疫应答,同时在M细胞内上皮袋下方的位置也有利于摄取从消化道胞转来的抗原,然后递呈给肠相关淋巴组织(GALT),并且树突状细胞还能不依赖M细胞通过树突直接从肠腔摄取抗原。树突状细胞摄取抗原后,能将抗原分解成短的多肽并递呈给主要组织相容性复合体2(MHC2)类分子相关的细胞表面。体外实验证实,一些树突状细胞在获取PrPSc后在半胱氨酸蛋白酶的作用下能将PrPSc降解并清除,因此树突状细胞虽可转运PrPSc,但不太可能将PrPSc以传染性状态传送给淋巴滤泡,但也有报道称有些树突状细胞能以原始非降解状态保留蛋白抗原和PrPSc。1.3通过某种方式将prpsc传输到中枢神经系统1.3.1prpsc与外来体PrPSc在淋巴组织的FDCs复制及聚集后,如何被转运至外周神经系统呢?由于FDCs的网络系统不可移动并且FDCs与交感神经之间在解剖学上位于完全不同的两个空间,因此PrPSc从FDCs转运至外周神经系统需要借助可移动的中间细胞或物质,外来体(Trojanexosomes)被认为与此相关,外来体被认为在细胞内病毒传播过程中可能发挥重要作用,外来体内含有许多糖基化磷脂酰肌醇(GPI)锚定的蛋白,包括PrPc,最近的研究认为PrPSc能够以感染的形式释放与外来体有关,因此PrPSc从一个细胞向另一个细胞的传播可能通过外来体从感染细胞转移至未感染细胞。同时FDCs与外周神经间的距离影响PrPSc神经入侵的速度,在鼠痒病的研究中发现,淋巴组织的微结构控制朊病毒神经入侵的效力,滤泡树突状细胞与脾脏主要神经的距离影响其神经入侵的速度,树突状细胞也被认为具有将TSE因子直接转运至外周神经系统的潜力,1.3.2prpsc在cns中的表达当PrPSc运送至外周神经系统后如何转运到中枢神经系统?目前认为主要是沿着神经解剖学上两种截然不同的途径,一条路径是沿着内脏神经的交感神经传播,到达胸椎中段的中间外侧细胞柱(IML),随后沿着脊髓以尾至颅的方向传播至脑;另一种传播方式能够不依赖脊髓,直接沿着副交感神经的迷走神经到达脑部延髓内的迷走神经运动背核(DMNV)。两种不同路径最初都是沿着神经节循序渐进的以退行的方式传播的。许多啮齿类动物模型实验数据支持肠道神经在疾病发生中的作用,并支持交感神经负责将传染因子从脾脏传至脊髓。首先这种传递方式依赖PrPc,而肠道中PrPcmRNA的表达量很高,其次脾脏受神经高度支配,脾脏神经密度分布增高的鼠其疾病潜伏期缩短、感染滴度增高,而PrPSc主要聚集在这里,但切除脾脏神经支配的鼠仍然能够发生痒病,即脾脏的切除不能阻止该病的发生,这说明神经入侵还有其他途径。副交感神经中的迷走神经一直被认为是最有可能的途径,但是切除副交感神经的啮齿类动物模型一直很难获得,因此缺少这方面的直接实验数据。肠神经系统已经被证实是最先被入侵的神经,进一步研究发现在肠神经系统中最先感染发生在十二指肠和回肠,然后向胃肠道的上方和下方传播。不同肠神经系统丛的感染来自不同的组织,肠绒毛皮下的细神经纤维能够将传染性传给粘膜下神经丛,派伊尔氏淋巴集结滤泡的神经末梢也能将传染因子传给粘膜下神经丛,派伊尔氏淋巴集结和肠神经系统之间淋巴细胞主动运输的间接接触也能传播感染性,Heggebo等研究表明脾脏中的PrPSc主要沉积在边缘区,该区受神经高度支配,因此通过交感神经退行性传播可以将脾脏和脊髓两者联系起来,上述解释是以传染因子能够进入迷走神经背运动背核(DMNV)为基础的,感染因子从肠神经系统沿着迷走神经传出副交感神经逆行到DMNV或者沿着其它神经核如弧束核顺行到DMNV,而PrPSc在三叉神经神经元和结节性神经节的沉积要比在脑组织晚,这表明这些神经节的感染是由于向下传播导致的。以时空方式研究PrPSc的沉积表明迷走神经的背运动核(DMNV)和胸部脊髓的中间外侧柱(IMLC)是PrPSc在CNS中最先聚集的两个点位。PrPSc从外周神经系统(ENS)进入CNS通过两个不同的循环,内脏神经回路和迷走神经回路,内脏神经回路涉及到腹腔和肠系膜神经节、中间外侧柱以及随后的背根神经节。迷走神经回路涉及到通过结状神经节的迷走神经背运动核。后来对仓鼠生物测定也证实了迷走神经和颅肠系膜神经节具有传染性。2血液感染的发生机制早在20世纪60年代就开始研究关于感染朊病毒的动物或人的血液是否具有传染性,先前的研究表明,感染朊病毒的全血具有传染性,包括感染痒病羊的血液、感染BSE牛的血液以及感染CWD鹿的血液都具有传染性,而且已经证实有5例vCJD是由于输入含有PrPSc污染的血液制品所致。感染朊病毒的血浆也具有传染性,自然感染痒病绵羊的血浆棕黄层通过静脉注射健康绵羊能够导致发病,人工感染BSE的小鼠血浆通过脑内接种健康小鼠能导致部分小鼠发病,人工感染BSE小卷尾猴的血浆通过脑内接种能感染小卷尾猴致其发病,这些研究都能说明血浆具有传染性;另外相关的研究表明,将人工感染GSS综合症的小鼠血浆棕黄层通过腹膜注射感染小鼠,检测的7个样品中有4个表现为阳性。血液中具体哪些成分具有传染性目前还不清楚。至于血液感染的传播途径,研究表明通过静脉注射要比腹膜内和皮下接种感染的潜伏期短,Millson等用139A痒病毒株研究发现静脉注射后观察到“病毒感染期”非常短,因此他认为血液传播最有可能的一种方式是PrPSc通过血液传送至脾脏和