胆碱能抗炎通路的研究进展

国际麻醉学与复苏杂志》2006年第27卷第4期 lm J Anesth Resus，August2OO6。~ol 27．No．4 胆碱能抗炎通路的研究进展 王博杰 苏跃 Development of research on cholinergic anti-inflammatory pathway WANG Bo．jie ，SU Yue · 综 述 · Department ofAnesthesiology，Beijing Tuberculosis and Thoracic Tumor Research Institute，Beijing 101149，China 【Abstract】Cholinergic anti—inflammatory pathway is a mechanism for neural inhibition of inflammation via the efferent vagus nerve．It can interact specifically with macrophage alpha7 subunits of nicotinic receptors，leading to cellular deactivation and inhibition of cytokine release．The pathway plays a critical role in controlling the systemic and local inflammations，and communicates with neuro— endocrine pathways broadly．It constitutes a neural—immune circuit with the afferent vagus nerve whose activation can signal the brain that inflammation is occurring，bridging between the brain and the immune system． 【Key words】cholinergic anti-inflammatory pathway；vagus nerve；acetylcholine；inflammation 感染、创伤等外界刺激会引起机体免疫细胞释 放炎症因子并导致炎症反应。适度的炎症反应有利 于抵抗病原体的侵袭、清除坏死组织、修复损伤和 促进康复，是宿主防御机制的重要组成部分。但当 机体自身调节功能失衡，炎症反应失控，则自身破坏 远比致病因子直接刺激产生的损伤更加严重。1991 年全身炎症反应综合征(SIRS)的概念被提出，用以 概括由感染和非感染因素导致的共同的炎性病生理 改变，再次引起了人们对过度炎症反应的重视。 以往的研究较多关注体液因素等对炎症反应的 影响，近年来神经系统的免疫调节功能逐渐成为研 究热点，其中迷走神经及其递质乙酰胆碱所构成的 胆碱能抗炎通路(CAP)，在调控炎性反应方面具有 重要作用。 1 CAP CAP主要指中枢的免疫调节信号通过激活传 出迷走 神经，引起外周神经末梢释放 乙酰胆碱 (ACh)，与免疫细胞上具有d7亚单位的 N型ACh 受体结合，通过细胞内信号传导抑制促炎因子的释 放，调控炎症反应。CAP与下丘脑．垂体．肾上腺 (HPA)轴和交感神经系统(SNS)等神经内分泌免疫 调节通路具有广泛联系。 作者单位： 北京结核病胸部肿瘤研究所麻醉科 101 149 1．1 乙酰胆碱的抗炎作用 在外周，ACh主要由交感神经的节前纤维 、副 交感神经节前和节后纤维释放，通过毒蕈碱型受体 (M受体)和烟碱型受体(N受体)发挥作用。这些 受体的亚型(M型)和亚单位(N型)的RNA存在于 大量的淋巴细胞和其他免疫或可产生细胞因子的非 免疫细胞上；这些细胞很多也能生成和释放 ACh。 ACh能够抑制炎症反应时促炎介质的释放，包括肿 瘤坏死因子．d(TNF．d)、白介素 (IL)等。 TNF主要由巨噬细胞和活化的 T细胞产生，是 局部和全身炎症反应所必需的调节因子。Borovik- ova等⋯在体外实验中观察到 ACh或其他拟胆碱 药，可抑制内毒素刺激引起的巨噬细胞大量释放 TNF．d，但 ACh加入前后 TNF mRNA的表达无明显 变化。用抗人TNF单克隆抗体标记巨噬细胞，可观 察到 ACh抑制 TNF转录后蛋白质的合成，说明ACh 的抗炎靶点是作用于蛋白水平，而非转录水平。 IL是细胞损伤或感染时介导急性时相反应的 一 类多肽，具有 广泛 的免疫 学活性。Borovikova 等 ¨研究表明，ACh可抑制由内毒素刺激巨噬细胞 所产生的致炎细胞因子 IL-l、IL-6、IL．18的释放，但 并不抑制抗炎细胞因子 IL-l0的释放。应用标记辅 酶R和寡核苷酸探针技术检测，发现内毒素刺激巨 噬细胞 2h后，IL-lB和 IL-6 mRNA表达明显增加； 加入ACh，可明显降低IL-lB、IL-6蛋白质的合成，但 维普资讯 http://www.cqvip.com hp 下划线 hp 下划线 hp 下划线 国际麻醉学与复苏杂志》2006年第27卷第4期 Int JAnesth Resus，August 2006，Vol 27，No．4 并不能减少两者 mRNA的表达，提示 ACh可能也是 通过转录后机制抑制 IL-1 p和 IL-6的释放。 1．2 传出迷走神经与抗炎 早在 30年前，已发现毒蕈碱可以削弱 T淋巴细 胞的细胞毒性，但一直没有弄清楚其机制。近年来， 由于发现ACh在体外具有免疫抑制作用，提示体内 可能存在调控全身和局部炎症反应的副交感神经通 路，其中最值得注意的是传出迷走神经的神经-免疫 调节功能。 迷走神经末梢除广泛分布于主要内脏器官外， 在免疫组织和免疫相关器官上也广泛分布，如胸腺、 淋巴节等。兴奋传出迷走神经能促进胸腺淋巴细胞 的释放。Borovikova等 ¨在内毒素休克大鼠模型 中，直接刺激该神经可降低血TNF-0【含量，同时使 抗炎激素和细胞因子释放增加，阻止血压的持续下 降，减缓内毒素引起的低血压性休克的发生时相。 若切断迷走神经，则明显加重TNF-0【对炎症刺激的 反应，使动物对内毒素的致死效应更加敏感。 Bernik等 以电刺激迷走神经能减少缺血再灌注损 伤所导致的全血TNF升高，抑制心脏和肝脏 TNF-0【 生成，缓解缺血再灌注引起的休克，但对肺脏和肾脏 的TNF-0【生成没有显著抑制。 很多实验证明迷走神经对各主要脏器和外周局 部炎症反应也都有显著作用。Ustinova等 观察到 心肌缺血再灌注期间，心迷走神经活动增强；反复刺 激迷走神经可明显减轻再灌注期间氧自由基损伤， 降低无氧代谢，减轻酸中毒对心肌的损害。电刺激 迷走神经还可有效地抑制内毒素血症动物心脏TNF 的生成 ；切断该神经则使心肌的TNF-0【水平显著 升高，炎性损伤加重 J。此外，肝巨噬细胞(枯否细 胞)也是内毒素血症细胞因子的主要来源。电刺激 迷走神经能显著降低内毒素血症大鼠肝组织中 TNF．0【和血浆中丙氨酸氨基转移酶的含量 ，抑制 失血眭休克时肝脏NF．kB的产生，同样可使内毒素 血症大鼠肺组织中TNF．0【等促炎因子释放减少，对 急性肺损伤有保护作用 J。研究还表明烟碱对结 肠炎也有一定的治疗作用。吸烟人群结肠炎患者的 结肠粘膜致炎因子明显低于不吸烟患者，提示胆碱 能抗炎通路也可以抑制肠道炎症。对外周局部炎 症，传出迷走神经也具有调节作用。如电刺激迷走 神经末梢可以抑制实验动物爪部的炎性水肿 。 值得注意的是，实验表明 ，左侧和右侧传出 迷走神经的抗炎作用具有等效性。因此，迷走神经 刺激的保护作用不依赖于神经的偏侧性。 1．3 N型乙酰胆碱受体 亚单位是胆碱能抗炎通 路必需的组成部分 传出迷走神经能够抑制外周炎症因子的产生， 提示迷走神经与炎症细胞间存在信号传导机制。外 周血单核细胞表面存在 M受体和N受体，两者均能 与ACh结合，抑制TNF在体内的合成，但以N受体 为主。已证实人类有l6种不同的N型ACh受体亚 单位，而完全分化的初级巨噬细胞特异地表达 仅7 亚单位 j。该亚单位与胆碱能抗炎通路的功能相 关。 在烟碱存在的情况下，运用其反义寡核苷酸抑 制0【7亚单位，可使内毒素引起的 TNF释放增加 j 。 此外，通过基因敲除而缺失 0【7亚单位的小鼠 与野生鼠比较，在内毒素血症状态下血浆中存在更 多的TNF、IL．1和 IL-6。而且，电刺激野生鼠的迷走 神经可以降低血浆和组织中促炎细胞因子的水平， 但对 亚单位缺失的小鼠无效。虽然 0【7亚单位 也存在于高级中枢和胰腺神经节，但在体内，这些亚 单位已被证实在神经节传导中没有起作用，这就暗 示了 亚单位缺失小鼠对炎症刺激的高敏感性不 能归于副交感和／或交感神经节传递的削弱。把这 些数据综合在一起，就显示出N型 ACh受体 亚 单位是胆碱能抗炎通路的一个必需的组成部分。 近来Shytle等 首次报道发现脑单核巨噬细 胞-／J、神经胶质细胞上存在含有 亚单位的N型 受体，体外实验中ACh和烟碱预处理能抑制内毒素 引起的小神经胶质细胞释放TNF。这一作用可被 亚单位拮抗剂所抑制。此研究结果提示中枢可 能也存在与外周相似的胆碱能抗炎通路。 1．4 胆碱能抗炎通路的中枢机制及与其他抗炎通 路的联系 关于脑通过 HPA轴和 SNS发挥免疫调节作用 的机制已初步阐明。HPA轴是一个典型的神经内 分泌抗炎通路，其终产物糖皮质激素(GC)具有免疫 抑制作用。而 SNS对免疫系统具有双重调节效 应 ¨，其作用主要依靠外周受体参与完成。交感神 经节后纤维末梢释放去甲肾上腺素(NE)，与淋巴细 胞和巨噬细胞上的 B受体结合可下调免疫功能；与 0【受体结合则增加TNF．0【的释放。SNS也可通过合 成和释放肾上腺素(E)进行免疫调节。所以，交感 神经的调控可被看作是肾上腺的“激素调控”。但 是，以儿茶酚胺为基础的治疗策略是很难实现的，因 为它广泛影响心血管系统和其他免疫调节药物的作 用。 胆碱能抗炎通路与 HPA轴和SNS在中枢水平 具有广泛的联系。延髓的迷走神经背侧复合体 (dorsal vagal complex，DVC)集中了重要的中枢迷走 神经核团。DVC由孤束核(NTS)、迷走神经运动背 维普资讯 http://www.cqvip.com hp 下划线 hp 下划线 hp 下划线 hp 下划线 hp 下划线 hp 下划线 hp 下划线 hp 下划线 hp 下划线 hp 下划线 hp 下划线 国际麻醉学与复苏杂志>>2oo6年第27卷第4期 Int J Anesth Resus，August 2OO6，Vol 27，No．4 核(DMN)和最后区(AP)组成。NTS是内脏迷走神 经传人纤维集中的区域。它与自主神经和内分泌功 能有关，将胆碱能抗炎通路与HPA轴和SNS紧密联 系。DMN是传出迷走神经节前纤维的主要启始位 点。AP由于缺少血脑屏障，是传人体液通路中的重 要部位。由此可见，除了迷走神经传出纤维，胆碱能 抗炎通路至少还应包括两个脑干核团：NTS和 DMN。 NTS能将信息传递到下丘脑核团。其中，室旁 核(PVN)是接受 NTS输入信号的重要部位。它是 促肾上腺皮质激素释放激素合成和释放的位置，可 调节HPA轴的活性。这一结构将神经抗炎和内分 泌体液抗炎通路有效地联系起来。此外，NTS的神 经元和延髓嘴侧腹外侧部(rostral ventrolateral me． dulla，RVM)的神经元之间也存在突触联系，这与控 制和维持心血管系统的稳定有关。RVM发出神经 纤维投射到蓝斑核(LC)。两者又均与脊髓的交感 神经节前神经元有关联，从而有效地与SNS建立联 系。Lc还发出去甲肾上腺素能神经通往PVN等上 级脑组织，同时从 PVN到 RVM和 NTS也存在广泛 的通路。这些上行和下行的通路把神经信号转换为 激素水平信号，完成主要的神经激素通路的免疫调 节。 与内分泌机制相比较，自主神经系统调节免疫 在某些方面比体液性的抗炎通路更为有利 ¨。在 庞大的抗炎网络中，糖皮质激素、抗炎因子和其他体 液调节因子依赖于浓度梯度缓慢地、分散地发挥作 用，历时数小时或数天。而神经信号传导是光速的， 在炎症反应的初始关键阶段起着重要作用。由于神 经传导具有不应期，其控制生物功能是短暂的，如没 有进一步的信号输入，免疫细胞就能快速恢复功能。 所以与体液抗炎通路相比，神经抗炎通路反应相对 更快、更局限化。 2 迷走神经构成的神经．免疫环路 迷走神经的传出纤维构成胆碱能抗炎通路，从 中枢向外周传递免疫调节信息；而最近的一些研究 表明，迷走神经的传人纤维具有将外周免疫信息向 中枢传递的作用。据此，一条由迷走神经构成的环 路将神经系统和免疫系统紧密联系起来。(见图 1[ ]、 2．1 传人迷走神经与炎症介质信号转导 至少有三方面证据显示了迷走神经传人纤维对 于外周免疫信息向中枢传递的重要性：①切断迷走 神经将阻断免疫刺激引起的中枢反应。实验显示 图 1 迷走神经参与感知和控制炎症的通路[ ，切断动物膈下迷走神经可全部或部分消除腹 腔内注射内毒素、IL．1B或TNF—OL引起的一系列应 激反应，而单纯横断内脏神经却不能消除这种反应， 提示免疫信号不是由内脏神经经脊髓传人脑的。② 免疫刺激时，迷走神经相关结构中某些指标发生改 变。如腹腔内注射IL一1B会诱导迷走神经感觉神经 元的c．f0s基因表达 。腹腔内注射葡萄球菌肠毒素 B引起迷走神经结状神经节、下丘脑室旁核和孤束 核的c．f0s基因表达。③免疫刺激引起迷走神经电 生理学变化。如用卵白蛋白刺激气道，记录到结状 神经节放电增加。这些结果均表明传人迷走神经在 免疫信息向神经信号的转换和传递中起重要作用。 2．1．1 迷走神经识别炎性介质 迄今为止，对炎性介质激活迷走神经传人纤维 的机制仍然不清楚。一方面，免疫刺激可能激活免 疫细胞，使其释放细胞因子，与迷走神经末梢的炎性 介质受体结合，激活传人迷走神经通路。另一方面， 免疫刺激可能激活位于副神经节上的化学感应细 胞，从而激活传人迷走神经。有实验表明，副神经节 上的IL．1受体可能是炎性介质信号与迷走神经通 路间的链接位点。 2．1．2 炎性介质信号激活脑神经元 腹腔内注射内毒素可引起脑内IL．1OL、IL．1B和 TNF．OL的mRNA合成增加，虽然神经细胞也能产生 上述细胞因子，但数量极微，所以外周炎症信号传人 引起脑内炎性介质的明显增加，是引起免疫应激反 应的主要原因。传人迷走神经及其相关结构可以把 免疫信号转化为电信号，直接或间接地通过NTS神 经元活动，激活 DMN的迷走传出系统或其他抗炎 通路，使周围免疫活动接受中枢神经系统的调节。 当膈下迷走神经切断后，腹腔内再注射小剂量的内 毒素或 IL一1B，不会出现脑 c-f0s基因表达和 IL．1 mRNA量增加，抑制了反应性引起的HPA轴兴奋和 下丘脑核团 NE的释放。 维普资讯 http://www.cqvip.com hp 下划线 hp 下划线 《国际麻醉学与复苏杂志>>2oo6年第27卷第4期 Int J Anesth Resus。August 2006，V0l 27，No．4 2．1．3 神经免疫信息传导通路与体液通路的关系 很多证据支持免疫到中枢的信息传递有体液机 制参与，特别是在全身炎症反应时。但是有实验证 明l1 川 ，小剂量的内毒素或炎性介质信号是通过迷 走神经通路上传的，而大剂量的免疫刺激信号上传 才主要通过体液途径。二者紧密联系，相互补充。 前者能提高机体对伤害性刺激的敏感性，后者则增 强应激反应的程度。传人迷走神经在免疫信息向脑 传递的过程中，在免疫反应的早期阶段起着重要作 用。 2．2 迷走神经的炎症反射 传递免疫一神经信号的传人迷走神经通路与作 用于神经一免疫调节中的胆碱能抗炎通路共同构成 了一个神经调控环路。可见，迷走神经在神经和免 疫系统间的双 向性交流过程中起着重要 的作用。 Traceyl1 据此提出了“炎症反射 (inflammatory re— flex)”的概念：感染、损伤或者缺血等因素活化天然 免疫细胞释放细胞因子，如TNF一 、IL一1等。这些细 胞因子被位于迷走神经感觉纤维上的相应受体识别 后，信号经孤束核换元，投射到各迷走神经核团，继 而通过胆碱能抗炎通路、下丘脑一垂体一肾上腺轴和 交感神经系统发挥抗炎作用(见图2)。 3 结语 去甲肾上辟裹 图2 炎症反射通路[ 。 传人迷走神经的感觉功能与传出迷走神经的调 节功能联合作用，通过炎症反射不断地监控和调节 机体免疫状态。胆碱能抗炎通路是免疫调节环路中 的重要组成部分。它在中枢的抗炎作用正在研究之 中。CAP为中枢调节免疫功能提供了新的视角。 以 CAP各个部位作为靶点，研究和开发安全有效的 抗炎药物和抗炎手段，可能为防治炎症性疾病开辟 新途径。 编者按： 自进入 21世纪以来，在短短几年中，人们先后发现和明 确了炎症 (inf1ammation)及 有关介 质(包括细胞因子 TNF， 245 ILS等)与神经系统的关系，本文介绍的重点和看点就在于 阐明了迷走神经在“感知”和“控制”炎症所引作用和其传入 和传出通路 ．因而可能为人们提供 了一些新的潜在的治疗标 目。 参考文献 1 Borovikova LV ，Ivanova S ，Zhang M，et a1．Vagus nerve stimulation attenuates the systemic inflammatory response to endotoxin．Nature， 2000，405(6785)：458462． 2 Bernik TR，Friedman SG，Ochani M，et a1．Cholinergic anti—inflamma— tory pathway inhibition of tumor necrosis factor during ischemia reperfu— sion，J Vasc Surg，2002，36(6)：1231—1236． 3 Ustinova EE．Schultz HD．Activation of cardiac vagal afferent by oxy— gen—derived free radical in rats．Circ Res，1994，74(5)：895-903． 4 Bernik TR，Friedman SG，Ochani M ，et a1．Pharmacological stimula· tion ofthe cholinergic antiinflam matory pathway．J Exp Med，2002，195 (6)：1-9． 5石德光 ，胡森，姜小国，等．迷走神经完整性在减轻内毒素引起的大 鼠心脏炎症反应中的意义．中国现代医学杂志，2002，12(24)：8— 10． 6姜小国，胡森，石德光 ，等．迷走神经兴奋对内毒素血症大鼠肝脏氧 自由基及 TNF—d的影响．巾同现代医学杂志 ，2003，13(2O)：35 38． 7石德光，胡森，姜小国，等．电刺激迷止神经对内寿索血症所致急性 肿损伤的影响．中国危重病急救医学，2002，14(12)：732-735． 8 Borovikova LV，Ivanova S，Nardi D，et a1．Role of vagu s nerve signaling in CNI·1493一mediated suppression of acute infammation．Auton Neu· rosci，2000，85(1—3)：141—147． 9 Wang H，Yu M，Ochani M，et a1．Nicotinic aeetylcholine receptor d7 subunit is an essential regulator of inflammation． Nature，2003，42 1 (6921)：384—388． 10 Shytle RD，Mori T，Townsend K，ell a1．Cholinergic modulation of mi— croglial activation by u7 nicotinic receptors．J Neurochem，2004，89 (2)：337-343． 1 1 Elenkov IJ，Wilder RL，Chrousos GP，et a1．The sympathetic nerve—an integrative interface between two supersystems：the brain and the im· mune system．Pharmacol Rev，2000，52(4)：595-638． 12 Tracey KJ．The inflammatory reflex．Nature，2002，420(6917)：853— 859． 13 Libert C．Inflammation：A nervous connection．Nature，2003，421： 328． 14 Hansen MK．Connor KA，Goehler LE，et a1． The contribution of the vagus nerve in interleukin一1 beta—induced fever is dependent on dose． Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol，2001，280(4)：929·934． 15 Hansen MK，Nguyen KT，Fleshner M，et a1．Effects of vagotomy on se— rum endotoxin，cytokines，and corticosterone after intraperitoneal li· popolysaccharide．Am J Physiol Regul lntegr Comp Physiol，2000，278 (2)：331-336． 16 Romanovsky AA，Ivanov AI，Szekely M．Neural route of pyrogen signa— ling to the brain．Clin Infect Dis，2000，31(Suppl 5)：S162一S167． 17 Gaykema RPA，Goehler LE，Ngu yen KY ，et a1．Endotoxin signaling roles for vagus and circumventricular organs：correlates of dose·related induction of c fos and interleukin一1 B．Soc Neurosci Abstra，1998，24 (1)：1611． 维普资讯 http://www.cqvip.com hp 下划线