神经内分泌免疫网络与中枢神经系统的关系

神经内分泌免疫网络与中枢神经系统的关系

1.免疫组织的调节作用神经系统、分泌系统和免疫系统在维持身体环境稳定方面发挥着重要作用。它们之间的关系形成了神经内外免疫网络。有资料表明,免疫系统识别非我和修饰化了的自我抗原后,激活的免疫细胞将免疫信息传送到中枢神经系统(CNS)。已发现免疫细胞可释放一些信使分子介导与CNS的通讯,这些分子包括:淋巴因子、单核因子、特定的补体片段、免疫球蛋白、组织胺、5-羟色胺(5-HT)、炎症介质、胸腺激素和一些免疫细胞来源的经典激素。抗原刺激类型不同,可出现不同的淋巴细胞亚型、辅助细胞和可溶性产物的多种组合,这种组合可能编码特定的免疫反应信息并传送至脑。此外,支配免疫器官或组织的神经纤维还可将免疫反应发生部位的信息传送至脑。免疫系统可被看成是一个特殊的感觉器官,它可感受机体其他感受器所不能感知的病毒、细菌等免疫刺激信号。从免疫系统接受信号后,CNS发生一些生物电和神经活性物质分泌的变化。已知激素、神经递质、神经肽均可影响免疫系统。这些物质通过结合于免疫细胞亚群上的特定受体起作用,影响免疫系统的自身调节机制,如淋巴因子、单核因子的产生,抑制-辅助细胞的关系,独特型抗体的反馈调节等。CNS调节免疫系统功能的另一途径是自主神经系统。免疫器官如胸腺、脾脏、淋巴结和小肠集合淋巴结等都有丰富的自主神经支配,交感神经通过末梢释放的儿茶酚胺影响免疫器官和免疫细胞的活动;最近又有证据表明副交感神经在胸腺淋巴细胞的生成、凋亡以及向外周淋巴器官的迁移中也起重要作用。近年,对神经内分泌免疫网络的研究还涉及到自身免疫性疾病、变态反应、感染性疾病、应激、情感异常等领域,神经系统对免疫系统的调节作用受到更多基础和临床学者的广泛关注。但目前对参与免疫调节的神经环路即CNS参与免疫调节的核团了解的仍不全面。2.立体定向手术对特定脑区电损伤的影响早期研究CNS参与调节免疫反应的中枢部位的主要方法是用脑立体定向手术对特定脑区进行电损毁。尽管损毁实验有其局限性,它主要反映在缺少被毁损脑环路后对免疫功能的影响,这种方法可为研究参与调节外周免疫反应的脑结构提供原始的资料。2.1前脑损伤与免疫调节的关系损毁实验研究最多的脑区是下丘脑,主要包括下丘脑前区和视前区。前下丘脑损毁可导致有核脾细胞和胸腺细胞的减少,对有丝分裂原刀豆蛋白A(ConA)的T细胞增殖反应下降和自然杀伤(NK)细胞活性的下降。对过敏症的一种急性高敏反应的研究发现,前下丘脑损毁对致死性过敏症有明显的保护作用。也有人提出前下丘脑影响抗体的生成。但Ado和Goldstein的研究却没有发现下丘脑损毁后抗体水平的变化。损毁前下丘脑还可抑制迟发性皮肤高敏反应(DTH)。上述这些变化大都是暂时性的,有些作用还可被垂体切除所逆转,提示这些作用由神经内分泌机制介导。这些研究比较一致地认为,前下丘脑直接或间接参与了对体液和细胞免疫功能的促进作用。损毁下丘脑中部和后部得到的结果较为复杂。Katayama等报道,损毁下丘脑中部可导致T、B淋巴细胞数量减少。Dann等发现,损毁下丘脑中部可增强移植排斥反应,而Roszman等却未观察到有任何变化。Katayama等发现后部下丘脑损毁导致T辅助细胞/T抑制细胞比例的下降,这样的损毁还能增强肿瘤的生长。有的研究者发现,双侧局部损毁也可阻止致死性过敏症的发生。Stein等却认为,无论是损毁下丘脑中部还是后部,都不会影响致死性过敏反应的发生。Filipp和Szentiványi发现灰结节区损伤的豚鼠循环中和组织固定的抗体水平降低。Korneva和Khai研究了下丘脑和其他脑区损毁对兔抗体生成的影响,他们发现后腹侧下丘脑损毁,可完全抑制针对马血清的补体固定的抗体的产生,并导致抗原在血中保留时间延长。他们还进一步提出了支持其初步发现的证据,即刺激后下丘脑可导致抗体滴度升高。此外,幼年大鼠后下丘脑损毁可导致成年后体液免疫继发性降低。下丘脑损毁的结果很难解释且常相互矛盾,其原因有三。首先,因为下丘脑核团很小,很难非常精确地损毁。其次,下丘脑的核团中常常包含了许多化学构筑不同的神经元,这些功能性的神经元群可能是完整的,也可能是分散的。第三,下丘脑内含有丰富的过路纤维,且相互交织,损毁时这些过路纤维易遭破坏。因此,尽管有证据表明前下丘脑是影响许多免疫功能的主要部位,但进一步确定发挥作用的神经投射和化学性特异的神经元群还需借助其他研究手段。2.2氧化细胞的免疫反应损毁边缘前脑结构也影响免疫功能。损毁背侧海马或杏仁复合体可导致脾细胞和胸腺细胞数量一过性增加及对有丝分裂原ConA的T细胞增殖反应一过性增强。这种作用可因垂体切除而逆转,提示其通过神经内分泌机制的介导。另有作者发现,损毁背侧海马对体液免疫的影响因损毁的区域和/或破坏的纤维联系而有所不同,而对于细胞介导的免疫应答过程如实验性变态反应性脑脊髓炎和移植排斥反应,则此损毁没有作用。小范围损毁其他一些脑区如扣带皮质区、杏仁中央核和基底内侧杏仁核,可导致细胞免疫反应的改变。化学性损毁外侧隔区后,NK细胞活性增强,抗体生成反应下降,脾脏巨噬细胞分泌TNFα减弱,T细胞对ConA的淋巴细胞增殖反应增强。损毁外侧隔区和其与海马的连接后,T细胞反应性也发生改变。这些研究中损毁的边缘结构与下丘脑之间存在广泛联系,因此有可能是通过调节神经内分泌和自主神经的传出活动改变了外周免疫反应。此外,有人观察到,左侧伏核多巴胺(DA)能神经元损毁的动物,脾脏NK细胞活性下降;右侧纹状体DA能神经元损毁的动物,脾脏淋巴细胞的增殖功能被破坏。提示中枢神经内DA能通路对免疫反应的调节有侧别差异。2.3左温度和左方神经元自由基因子Renoux等提出大脑皮层能够调节免疫反应,并且具有侧别差异。大面积损毁小鼠左侧的大脑皮层,可导致T细胞数目和反应性的下降,NK细胞活性下降,而对B细胞和巨噬细胞没有影响;右侧大脑皮层通过调节左侧大脑皮层发出的传出信号,似乎起到相反的作用。Newlands等的研究也有类似的结果。尽管这些损毁破坏的范围很大,涉及的机制、通路以及化学性特异的神经元系统都不明确,这些资料仍然有很大价值。因大脑皮层参与了对心理、社会因素和应激的反应以及对外部世界的认知,所以大脑皮层能够影响免疫反应,便将这些精神心理的事件与免疫功能的改变联系起来。值得指出的是,大脑皮层尤其是额叶、扣带皮质区和颞叶,与边缘前脑、下丘脑、脑干、内脏性核团以至一些自主神经节前神经元都有直接联系。2.4网状结构/中缝核损毁脑干特定部位也可导致免疫反应的改变。Masek等发现损毁延髓尾侧网状结构和尾侧脑桥,可抑制DTH;而损毁吻内侧网状结构和中缝核则可增强DTH。损毁网状结构还可伴随胸腺的退化。因为很多神经元群都和网状结构发生纤维联系,所以很难确定参与调节这些免疫反应的化学性特异的神经元。也可能是单胺能神经元,尾侧网状结构包含了很多儿茶酚胺能神经元,它们主要投射至下丘脑和一些边缘结构。而吻侧中缝核则包含了向下丘脑和边缘系统投射的5-HT可神经元胞体。这两个单胺能系统参与调节许多内脏和神经内分泌活动,并且与情感和认知过程有关。在下丘脑,去甲肾上腺素(NE)可和5-HT能系统彼此平衡,以调节一些功能如体温调节。有证据表明,中枢神经内NE能系统参与了对免疫反应的调节。向中枢神经内注射6-羟多巴胺(6-OHDA)可抑制对绵羊红细胞(SRBCs))的初次免疫应答,此作用是由于增强了抑制性T细胞的活性所致。另一种可能性是,网状结构/中缝核的损毁和去除中枢的NE,不仅可阻断向下丘脑和边缘系统的单胺能上行传入,而且影响了向自主神经节前神经元的单胺能下行投射。损毁小鼠的蓝斑可抑制造血干细胞集落单元的形成。电损毁蓝斑后,大鼠的体液免疫和细胞免疫反应均降低。特异地损毁臂旁核尤其是其腹侧和内侧份,可导致胸腺细胞增殖反应减弱。这些核团处于脑干自主神经核团(如孤束核)和下丘脑以及杏仁核的边缘前脑环路之间,它们可能参与了与自主神经系统有关的传入、传出信息的处理,并且影响了一些与神经内分泌有关的下丘脑和边缘结构环路。上述研究提示,皮质-边缘前脑-下丘脑-脑干自主神经核可能作为一个整体的环路,通过调节神经内分泌的传出和自主神经的传出,发挥免疫调节作用。3.cns对免疫抑制的反应3.1免疫抑制作用电生理学研究表明,免疫应答过程或免疫细胞产物能够影响中枢特定部位神经元的电活动。Besedovsky等最早观察了免疫应答和下丘脑神经元放电变化之间的关系,发现用SRBCs免疫的动物,第1d无抗体生成,下丘脑神经元放电也无变化;但在第5d,即抗体生成的高峰期,下丘脑腹内侧核放电频率增加数倍,而弓状核、前乳头体背侧核、室旁核、视前区、下丘脑前区、下丘脑后区和丘脑连合核的放电无变化。由于这些结果是在动物麻醉状态下取得的,因此可能有麻醉剂的影响。实际上,给自由活动的动物带上记录电极,在清醒状态下研究抗原刺激后下丘脑的电活动时,发现下丘脑神经元放电改变与麻醉状态下的记录有所不同。Saphier等证明,在初次抗体生成高峰期(SRBCs免疫后第5d),视前区/下丘脑前区神经元放电增加;免疫接种后的前3d,室旁核神经元放电频率减弱,而在第6d增加;再次免疫应答过程中,视前区/下丘脑前区的放电变化较初次免疫应答时减弱,这可能反映了初次和再次免疫应答过程中细胞因子的分泌存在差异。进一步研究发现,用免疫抑制药物环胞菌素A(CsA)抑制外周免疫反应后。中枢的放电变化也相应消失,提示这种下丘脑电活动变化与外周免疫反应的强弱有关。大量早期的苏联文献阐述了在针对一特异抗原的反应过程中激发的或自发的脑电生理活动的变化,他们发现变化最明显的脑区是下丘脑、边缘系统结构(如海马)以及中脑网状结构。有人采用脑内埋植电极的方法证明,慢性电刺激下丘脑背内侧核和感觉运动皮质可增强DTH和抗体生成,刺激下丘脑后区也有类似的反应,但刺激下丘脑腹内侧核不引起免疫反应的改变。考虑到免疫应答过程中可记录到下丘脑腹内侧核的放电变化,这种研究结果的差异可能是因所用抗原和实验方法不同所致。最近的证据表明,免疫细胞的产物细胞因子能够影响一些脑区的电生理活动。干扰素-α(IFN-α)而非IFN-δ能改变大脑皮层、背侧海马和下丘脑腹内侧核的放电频率。大鼠第三脑室内注入IL-2后下丘脑腹内侧的放电频率降低,而视上核和室旁核的放电明显增加。脑片研究发现,IL-1β可诱导杏仁基底外侧核神经元的膜超级化,同时伴随输入阻抗的降低,这可能是由于增强了内源性GABA的作用。同一研究中还发现,灌流IL-1β能减小兴奋性突触后电位(EPSPs)的幅度,并可能通过突触前机制,阻断由于刺激终纹和外侧杏仁核诱发的快相和慢相抑制性突触后电位(IPSPs)。而在另一研究中,IL-1β可增强背侧海马锥体层细胞的GABA能的IPSPs,这说明细胞因子在不同的脑区作用并不一致。IL-1β对终纹床核的神经元也有兴奋作用,可能是通过前列腺素的介导。有报道在培养的背侧海马CA1区神经元中加入IL-1β,作用30s即足以抑制电压依赖的钙离子内流。用培养的鸡皮层神经元所做的电生理研究发现,IL-1可增强GABA介导的Cl-离子通透性的增加,降低NMDA和甘氨酸对细胞内钙离子浓度的影响,此作用可因海人酸拮抗剂的预处理而减弱。这些资料显示,IL-1既可调节脑内的兴奋性神经递质,也可以调节脑内的抑制性神经递质。除有资料显示IL-1对神经元兴奋性的抑制作用外,IL-1还可增加视上核的放电。海马的长时程增强效应(LTP)被用作研究学习和记忆的电生理模型。用IL-1将脑片预处理25min即能显著抑制LTP。Coogan等认为,在齿状回IL-1β对LTP的抑制作用可能是由于阻断了突触后NMDA受体。另有研究发现,脑室注射IL-1会损害大鼠在Morris迷宫中的空间学习能力,这可能与IL-1对LTP的抑制作用有关。3.2免疫激发的头脑神经作用对中枢神经单胺类递质代谢的研究提供了更多的证据表明CNS能够调控免疫功能。Besedovsky等报道SRBCs免疫后4d,即抗体生成高峰期,高免疫反应大鼠与生理盐水对照组相比,下丘脑的NE含量明显下降,而在低免疫反应性大鼠,NE转化率与对照组者相同。抗原接种后第1天未观察到这种变化,这就排除了可能是由于急性应激所致。此外,中枢其他部位也未发现有DA或NE水平的改变。Carlson等用显微解剖下丘脑特定区域和其他部位的方法,研究了免疫接种后中枢神经内单胺类递质的变化。他们发现,免疫接种SRBCs后4d,在抗体生成和糖皮质激素分泌的高峰期,室旁核的NE水平下降,其他部位如视上核、前下丘脑或内侧下丘脑则无此变化。这种NE含量的降低可能反映了室旁核内NE从末梢释放的增加。他们还发现,在免疫反应的上升相,背侧海马的NE和5-HT水平降低,室旁核和视上核内的5-HT含量也显著下降,而孤束核的5-HT水平升高;其他脑区未发现单胺类递质的变化,在免疫反应的下降相也未发现这种变化。新牛痘病毒(NDV)接种后PVN和皮层的儿茶酚胺代谢也发生改变。小鼠注射NDV后8h,即可观察到下丘脑和脑干内3-甲氧,4-羟苯乙烯甘醇(MHPG),下丘脑、脑干和前额叶皮质的色氨酸也有类似变化。这些变化在其他一些常用的应激模型如足电休克和束缚应激中也可见到。流感病毒的感染也可引起一些脑区的MHPG和色氨酸水平升高,其中变化最明显的是下丘脑。因此,可得出比较一致的结论:免疫激发导致CNS内儿茶酚胺和5-HT的变化,尤其是下丘脑。Besedovsky等研究发现,注射ConA刺激的淋巴细胞的培养上清在2h后,下丘脑的NE水平也可下降,因此推测免疫后脑内的NE代谢变化,可能是由于在抗体生成高峰期细胞因子分泌所致。有的研究还表明,腹腔注射IL-1可激活脑内的NE系统,这种作用在下丘脑最明显,但在皮层、纹状体、背侧海马和脑干也可观察到。这种NE系统的变化被认为是介导了IL-1对下丘脑促肾上腺皮质激素释放因子(CRF)神经元的激活,因为切断延髓上行的儿茶酚胺能传入,可显著减弱下丘脑对IL-1刺激的反应。前列腺素合成抑制剂消炎痛也能阻断IL-1诱导的NE系统的激活,提示前列腺素介导了IL-1的这种中枢效应而Terao等进一步提出是通过前列腺素D2的介导。脂多糖(LPS)也能引起儿茶酚胺的代谢发生类似的改变,但在下丘脑其作用不如IL-1的特异性显著。IL-1对DA能系统的作用报道不一,有的研究认为,IL-1对DA能系统没有影响,也有报道认为IL-1刺激后前额叶皮质DA的利用增加。IL-1对5-HT能系统的作用与NA相似。Zalcman等发现,IL-1不仅能够增加5-HT在海马和前额叶皮质的转化率,还能增加5-HT在背侧海马和前额叶皮质的转化率,并指出这可能是由于这些脑区5-HT的利用增加和含量减少所致。Gemma等将IL-1注射到自由活动的大鼠侧脑室后发现,前下丘脑内一种5-HT的主要代谢物,5-羟基吲哚乙酸(5-HIAA)的浓度明显升高。Shintani等也证实,IL-1β直接注射到前下丘脑后增加了5-HT、NE和DA的释放及其代谢产物的含量。IL-1影响脑单胺类递质代谢的研究,也可以合理地解释上文所提到的SRBCs、NDV和流感病毒等对中枢神经内单胺类递质代谢的影响。因为不同的抗原都可以通过刺激巨噬细胞分泌IL-1,进而作用于中枢神经。上述的研究提示,免疫系统受到抗原刺激后可产生多种细胞因子,进而与特定的下丘脑、边缘前脑和脑干自主神经核团等部位发生直接或间接的联系,并可进一步诱发中枢神经内单胺类递质代谢的变化。单胺类递质是重要的神经递质,能够调节许多内脏活动、自主神经活动、神经内分泌活动和神经元的电活动。它们是脑和免疫系统之间进行信息传递的又一基础。3.3免疫-hpa轴激活剂srbcs已知感染、炎症、肿瘤等的发生过程中神经内分泌可发生改变。神经内分泌是中枢神经影响外周免疫反应的又一重要途径。目前大量的研究集中于下丘脑-垂体-肾上腺轴(HPA)方面。Besedovsky等发现,在针对不同抗原的免疫反应过程中,血中糖皮质激素水平增加。但只有当免疫反应足够强烈、达到一定的阈值时才能观察到此变化。例如,不同高低免疫反应性的小鼠,仅在高免疫反应性小鼠可观察到血中糖皮质激素明显升高。免疫过程中血中糖皮质激素水平能影响对其它非相关抗原的反应。另有作者报道,小鼠接种NDV后血中促肾上腺皮质激素(ACTH)和皮质酮水平也出现明显的升高。此结果可能由病毒本身引起也有可能是对感染的应激,或是从免疫细胞释放的淋巴因子或单核因子所致。最后一种可能性已被证明是正确的。将外周血白细胞与NDV一起培养可产生一种能刺激正常未感染动物垂体-肾上腺轴的因子,后来证明这种因子是IL-1。LPS也能刺激HPA轴,糖皮质激素升高的意义是在脓肿形成过程中具有保护作用。最近证明内毒素对HPA轴的刺激作用是由激活的巨噬细胞的产物所引起,去除巨噬细胞能干扰LPS诱导的血中糖皮质激素的升高。而这种内分泌反应主要是由IL-1引起的,因为注射IL-1受体拮抗剂同样能取消LPS引起的肾上腺皮质激素的升高。种植同源肿瘤后血中糖皮质激素早期也升高,至少在一个模型中可以证明,这种作用是通过免疫细胞来源的因子所介导。但并不是所有的免疫反应都可激活垂体-肾上腺轴。在皮肤移植免疫排斥反应中,与带自体移植物的动物比较,带异体移植物的动物血中皮质酮水平较后者低。免疫系统激活的过程还可影响其它几种内分泌机制。SRBCs引起的免疫反应过程中血中的甲状腺激素水平下降。大鼠注射福氏完全佐剂后早期血中泌乳素(PRL)水平升高。接种肿瘤细胞24~48h后,血中PRL和皮质酮明显升高,而甲状腺素、胰岛素和睾酮水平降低。这些内分泌变化均发生在肿瘤发生之前,提示这些激素的变化不是直接由肿瘤的产物所介导,而是对宿主所产生的内源性介质的反应,这些介质影响了神经内分泌机制。免疫系统激活后的神经内分泌变化强烈地提示这些机制参与免疫调节。免疫反应进行中,HPA轴的激活可导致特定淋巴因子、单核因子的产生被抑制,其结果是防止了细胞的过度增殖。免疫过程中糖皮质激素的抑制作用至少可以部分地解释连续抗原竞争的现象,这种竞争现象在很大程度上被去除肾上腺或垂体所取消。免疫-HPA轴的受损可能导致淋巴细胞过度增殖及自身免疫性疾病。过度肥胖种系(OS)小鸡同时伴发有自发性自身免疫性甲状腺炎,与正常小鸡相反,它们不能对SRBCs起免疫反应,检测血中皮质酮水平也不升高。显然,免疫刺激引起的神经内分泌机制相当复杂,免疫-神经内分泌机制运行的结果不仅对免疫的调节,也包括其它自身稳定机制,如对代谢过程的控制。3.4il-1和ps后c-fosmrna表达的调节原癌基因c-fos及其编码的相关蛋白(FOS,FOSB,Fra1,Fra2等)作为神经元激活的标志,近年来在神经系统形态和功能相结合的研究中得到了广泛应用。现在认为,不同的应激可引起脑内不同形式的FOS表达,c-fos技术已经成为研究脑内功能性神经环路的有力工具。大量研究发现,免疫细胞的产物如细胞因子可引起脑内许多脑区和特定神经元的c-fos原癌基因及其相关蛋白的表达,提示脑内一些核团与免疫信息的感知和调控关系密切。静脉注射LPS后在许多脑区可见FOS的表达,包括终板血管器/内侧视前区、穹隆下器、弓状核、正中隆起、杏仁中央核、背外侧顶盖核、蓝斑、臂旁核、最后区、孤束核、A1-C1细胞群、室旁核、视上核等。进一步研究发现,此作用可能是通过IL-1的介导完成的。有的作者报道,脑室注射IL-1α后,在下丘脑内室旁核、视上核,弓状核和乳头体上核等部位有c-fosmRNA及其蛋白的表达。Ericsson等的研究更为明确,IL-1静脉注射后,室旁核的CRF和催产素神经元表达c-fosmRNA,此外在终纹床核,杏仁中央核、外侧臂旁核以及延髓背内侧区和腹内侧区也可见到大量的c-fosmRNA。Day等发现,外源性给予IL-1后,脑膜、脑血管、脉络丛和穹隆下器表达c-fosmRNA。半定量分析提示,中枢和外周注射IL-1后,下丘脑的c-fosmRNA表达无明显差异,但在孤束核和杏仁中央核c-fosmRNA的表达,外周途径比中枢途径强3~4倍,在外侧臂旁核和终纹床核也观察到有类似现象。这些研究提示,细胞因子外周注射或中枢注射对中枢神经通路激活的机制并不完全相同。孤束核、臂旁核、杏仁中央核和终纹床核不一致的c-fosmRNA的表达提示可能有迷走神经的机制参与。迷走神经介导外周细胞因子或内毒素对中枢的刺激作用在大量的研究中已经得到证实。有趣的是,用细胞因子或内毒素作为免疫刺激,激活的中枢神经通路与以往其他应激刺激激活的神经通路比较有许多类似之处,如边缘前脑、下丘脑和脑干自主神经核团的参与,提示中枢神经系统