第二節(jié)　趨化因子在神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的分布

CCL2為最早被發(fā)現(xiàn)的存在于腦內(nèi)的趨化因子，經(jīng)免疫組織化學(xué)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，CCL2廣泛分布于運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)、海馬、紋狀體、藍(lán)斑核、小腦等腦區(qū)的神經(jīng)元中，其受體CCR2在嗅球、下丘腦等部位［5］。采用RNA測(cè)序（RNA-seq）技術(shù)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，目前已經(jīng)在健康人類腦內(nèi)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)24種趨化因子基因表達(dá)，包括CC家族的CCL1、CCL2、CCL3、CCL4、CCL8、CCL18、CCL22、CCL26、CCL27、CCL28、CCL3L3、CCL4L2共計(jì)12種。CXC家族的CXCL1、CXCL2、CXCL3、CXCL5、CXCL10、CXCL11、CXCL12、CXCL14、CXCL16共計(jì)9種。CX3C家族的CX3CL1，XCL家族的XCL1、XCL2共計(jì)2種。除傳統(tǒng)的趨化因子外，由中國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的趨化素樣因子家族在人類大腦中也存在表達(dá)，如CKLF基因及其超家族成員CMTM1、CMTM3、CMTM4、CMTM5、CMTM6、CMTM7、CMTM8共計(jì)8種基因均在成人大腦中被檢測(cè)發(fā)現(xiàn)。上述現(xiàn)象提示，腦內(nèi)趨化因子種類豐富，但各個(gè)趨化因子之間表達(dá)豐度差異巨大，表明它們可能在神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)發(fā)揮不同的生物學(xué)作用。

趨化因子在神經(jīng)系統(tǒng)的分布特征見圖1-2。

一、趨化因子在神經(jīng)系統(tǒng)細(xì)胞中的分布特征

神經(jīng)系統(tǒng)具有人體最精密的組織結(jié)構(gòu)，它是人類感知世界、產(chǎn)生情感、作出決斷的組織器官。這些功能都是由神經(jīng)細(xì)胞活動(dòng)而產(chǎn)生。在神經(jīng)組織內(nèi)，神經(jīng)細(xì)胞主要包括兩大類細(xì)胞，即神經(jīng)細(xì)胞和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞。神經(jīng)細(xì)胞也稱為“神經(jīng)元”，是一類高度分化的有突起的細(xì)胞，它們可接受刺激和整合信息，并將信息精準(zhǔn)地傳遞至下一節(jié)神經(jīng)元。部分神經(jīng)元還具有內(nèi)分泌與旁分泌功能，可通過釋放營(yíng)養(yǎng)因子、多肽、激素等小分子物質(zhì)，參與神經(jīng)功能的調(diào)節(jié)。神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞包括星形膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞以及少突膠質(zhì)細(xì)胞。其中星形膠質(zhì)細(xì)胞是膠質(zhì)細(xì)胞中體積最大、數(shù)量最多的一種，主要負(fù)責(zé)為神經(jīng)元提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、調(diào)控神經(jīng)信息傳遞、參與神經(jīng)炎癥反應(yīng)等。小膠質(zhì)細(xì)胞為大腦內(nèi)固有的免疫細(xì)胞，負(fù)責(zé)大腦的免疫防御系統(tǒng)。少突膠質(zhì)細(xì)胞是構(gòu)成中樞神經(jīng)系統(tǒng)髓鞘的膠質(zhì)細(xì)胞，負(fù)責(zé)包裹神經(jīng)元軸突，保證神經(jīng)信息的快速傳導(dǎo)。研究表明，少突膠質(zhì)細(xì)胞也具有腦內(nèi)免疫細(xì)胞的部分功能，參與神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育與成熟。除此之外，神經(jīng)系統(tǒng)還存在于室管膜細(xì)胞、脈絡(luò)叢上皮細(xì)胞等，共同維護(hù)神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定。

在人類大腦中，CXCL1表達(dá)于胎兒期27～36周的神經(jīng)元內(nèi)，出生后維持表達(dá)，至2歲后表達(dá)逐漸消失［6］。CXCL1在小鼠腦中分布于神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞中，癲癇損傷可迅速提升小鼠腦內(nèi)的CXCL1水平［7］。CXCL12最早于胚胎期第12.5天的小鼠腦膜內(nèi)皮細(xì)胞中被發(fā)現(xiàn)，出生后CXCL12可廣泛表達(dá)于神經(jīng)系統(tǒng)的各類細(xì)胞中，包括神經(jīng)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞中，成年后腦膜內(nèi)的CXCL12水平開始下降。在成人大腦中，CXCL12分布廣泛，包括大腦皮質(zhì)、基底節(jié)、藍(lán)斑核、海馬、丘腦等腦區(qū)［8］。CXCL9、CXCL10、CXCL11作為干擾素誘導(dǎo)表達(dá)的趨化因子，在健康成人腦內(nèi)并不表達(dá)。當(dāng)神經(jīng)系統(tǒng)受到病毒感染或炎癥反應(yīng)時(shí)，CXCL9、CXCL10、CXCL11會(huì)立即被誘導(dǎo)表達(dá)。

CX3CL1作為CX3C家族唯一的成員，在小鼠興奮性神經(jīng)元與中間神經(jīng)元中均有分布。在成人大腦中，CX3CL1可分布于海馬、嗅球、杏仁核、蒼白球和丘腦等腦區(qū)的細(xì)胞內(nèi)［6］。星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)存在低水平的CX3CL1的表達(dá)，當(dāng)受到TNF-α等致炎因子誘導(dǎo)時(shí)，星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)的CX3CL1可迅速升高［9］。CXCL8可由神經(jīng)系統(tǒng)的多種細(xì)胞分泌，包括小膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞以及神經(jīng)元。其中神經(jīng)元內(nèi)的CXCL8為誘導(dǎo)性表達(dá)，正常神經(jīng)元內(nèi)并不存在［10］。CCL3僅表達(dá)于發(fā)育期的神經(jīng)元內(nèi)，成人大腦神經(jīng)元內(nèi)CCL3表達(dá)消失，但經(jīng)RNA測(cè)序發(fā)現(xiàn)，CCL3可在成人大腦的星形膠質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)。經(jīng)神經(jīng)系統(tǒng)病理模型篩選后發(fā)現(xiàn)，CCL3僅在阿爾茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）模型大腦神經(jīng)元內(nèi)被檢測(cè)到，提示其可能與AD的發(fā)病有關(guān)。CCL20和CCL21均為誘導(dǎo)性表達(dá)，正常腦組織中無(wú)表達(dá)。

CKLF1作為趨化因子家族的新成員，在神經(jīng)系統(tǒng)的分布亦有特殊規(guī)律。在大腦胚胎發(fā)育期，CKLF1可廣泛分布于大腦皮質(zhì)、海馬和紋狀體和下丘腦中。其表達(dá)細(xì)胞類型為神經(jīng)元、小膠質(zhì)細(xì)胞與少突膠質(zhì)細(xì)胞。出生后，CKLF1表達(dá)水平逐漸降低，至出生后2周CKLF1表達(dá)消失。經(jīng)多種神經(jīng)病理學(xué)模型篩選發(fā)現(xiàn)，成年大鼠腦內(nèi)CKLF1可經(jīng)缺血性損傷誘導(dǎo)回復(fù)，其分布腦區(qū)為缺血側(cè)大腦皮質(zhì)、海馬、紋狀體及下丘腦，其表達(dá)的細(xì)胞類型為神經(jīng)元、小膠質(zhì)細(xì)胞。除此之外，研究還發(fā)現(xiàn)，在前額皮質(zhì)及中腦黑質(zhì)致密部注射脂多糖（lipopolysaccharide，LPS），可誘導(dǎo)CKLF1的表達(dá)回復(fù)，表明誘導(dǎo)性CKLFL1可能參與了神經(jīng)炎癥反應(yīng)。其超家族的CMTM系列在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的分布尚待深入探討。

二、趨化因子對(duì)神經(jīng)發(fā)育的影響

趨化因子對(duì)多種細(xì)胞具有趨化和促進(jìn)增殖等活性，這正是神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育所需要的生物學(xué)功能。與類固醇激素和神經(jīng)肽相似，趨化因子參與了大腦發(fā)育的過程。

CXCL12/CXCR4在胚胎期大腦中高表達(dá)，至成年后僅在海馬齒狀回顆粒下層和側(cè)腦室下層（subventricular zone，SVZ）區(qū)的神經(jīng)干細(xì)胞中保留持續(xù)表達(dá)，其他腦區(qū)表達(dá)水平很低。成年大鼠齒狀回區(qū)CXCL12可促進(jìn)顆粒細(xì)胞的增殖，指引軸突出芽和延伸的方向。在多種神經(jīng)損傷模型中，均可見CXCL12的表達(dá)水平升高，以改善神經(jīng)元的修復(fù)和連接功能的正常。在體外研究中，CXCL12可發(fā)揮類似神經(jīng)遞質(zhì)的功能，引發(fā)和調(diào)控神經(jīng)元軸突的延伸，在CXCL12和CXCR4基因敲除小鼠中，可見小鼠海馬和小鼠發(fā)育障礙［11］。

胰島素樣生長(zhǎng)因子是大腦第五層神經(jīng)元發(fā)育所必需的營(yíng)養(yǎng)因子。在腦內(nèi)，這一因子由小膠質(zhì)細(xì)胞負(fù)責(zé)合成與分泌。已有研究發(fā)現(xiàn)，由神經(jīng)元合成的CX3CL1，可通過作用于小膠質(zhì)細(xì)胞表面的CX3CR1，激活胰島素樣生長(zhǎng)因子的釋放，促進(jìn)大腦皮質(zhì)神經(jīng)元的發(fā)育［12］。除此之外，小膠質(zhì)細(xì)胞CX3CR1的激活是小膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)揮吞噬作用的重要環(huán)節(jié)，這一作用與大腦發(fā)育期凋亡神經(jīng)元的清除和多余突觸修剪至關(guān)重要。CX3CL1/CX3CR1信號(hào)破壞可導(dǎo)致海馬區(qū)神經(jīng)發(fā)生減少，補(bǔ)充CX3CL1可減緩衰老過程中神經(jīng)發(fā)生減少［13］，從而在正反兩方面證明了CX3CL1/CX3CR1信號(hào)通路在神經(jīng)發(fā)育中的作用。

在神經(jīng)發(fā)育過程中，CX3CR1基因敲除可導(dǎo)致小膠質(zhì)細(xì)胞分支減少，運(yùn)動(dòng)能力降低等功能缺陷，由此導(dǎo)致谷氨酸能神經(jīng)元發(fā)育障礙，信息傳遞受損，主要表現(xiàn)為：①AMPA/NMDA發(fā)育障礙。在神經(jīng)發(fā)育初期，α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異唑（AMPA）受體表達(dá)量顯著低于N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受體，隨著神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育成熟，AMPA受體表達(dá)增多，相應(yīng)的，AMPA受體介導(dǎo)的興奮性突觸后電流也顯著增加。然而，在CX3CR1敲除小鼠的海馬錐體神經(jīng)元中，AMPA受體介導(dǎo)的興奮性突觸后電流并沒有隨著神經(jīng)發(fā)育的成熟而增加，CX3CR1基因敲除小鼠表現(xiàn)出明顯AMPA/NMDA發(fā)育障礙現(xiàn)象。②谷氨酸神經(jīng)環(huán)路傳輸障礙。表現(xiàn)為CX3CR1基因敲除小鼠CA3-CA1區(qū)谷氨酸能神經(jīng)傳遞的輸入-輸出曲線斜率顯著低于野生型小鼠。③神經(jīng)元突觸前膜功能障礙。表現(xiàn)為CX3CR1基因敲除小鼠由雙脈沖易化誘發(fā)的神經(jīng)遞質(zhì)釋放顯著少于野生型小鼠。上述研究說明，CX3CR1基因缺失導(dǎo)致的小膠質(zhì)細(xì)胞功能障礙可引起神經(jīng)元發(fā)育及功能障礙［14］。除此之外，CX3CR1介導(dǎo)的小膠質(zhì)細(xì)胞功能在小鼠出生后視網(wǎng)膜感光細(xì)胞成熟的過程中也具有重要的作用，表現(xiàn)為CX3CR1基因缺失可導(dǎo)致感光器外段延長(zhǎng)的纖毛結(jié)構(gòu)發(fā)生變異，導(dǎo)致發(fā)育障礙［15］。

CCL2/CCR2海馬SVZ神經(jīng)元持續(xù)表達(dá)，并可被CCL2誘導(dǎo)發(fā)生趨化運(yùn)動(dòng)。但在CCL2基因敲除小鼠中，并未發(fā)現(xiàn)神經(jīng)發(fā)生的顯著改變，提示我們?cè)谏窠?jīng)發(fā)育期，大腦可能存在對(duì)CCL2基因缺失的代償機(jī)制。進(jìn)一步的研究顯示，在缺血性神經(jīng)損傷模型中，海馬區(qū)神經(jīng)干細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)是依賴于CCL2/CCR2信號(hào)通路的激活［16］，抑制CCL2活性可顯著阻礙神經(jīng)干細(xì)胞向受損腦區(qū)的遷移，表明CCL2在生理與病理不同環(huán)境中，具有不同的生物學(xué)功能。除此之外，已有研究證明，CCL2/CCR2信號(hào)通路可促進(jìn)Tuj1蛋白的表達(dá)，表明CCL2/CCR2具有促進(jìn)神經(jīng)干細(xì)胞向神經(jīng)細(xì)胞分化的功能，但對(duì)神經(jīng)干細(xì)胞的增殖無(wú)明顯影響。

髓鞘附著于神經(jīng)元軸突外，負(fù)責(zé)神經(jīng)元電信號(hào)的跳躍式傳播，由少突膠質(zhì)細(xì)胞構(gòu)成。已有研究表明，表達(dá)于星形膠質(zhì)細(xì)胞的CXCL1可通過作用于少突膠質(zhì)前體細(xì)胞表面的CXCR2，促進(jìn)少突膠質(zhì)前體細(xì)胞在脊髓內(nèi)的正確遷移。更為重要的是，CXCL1/CXCR2信號(hào)可以維持少突膠質(zhì)細(xì)胞的線性分布和髓鞘的行程［17］。

CCL17及其受體CCR4在小鼠腦中海馬腦區(qū)為組成型表達(dá)，LPS誘導(dǎo)的神經(jīng)炎癥反應(yīng)可顯著增加CCL17在海馬錐體神經(jīng)元中的含量，并且這一升高依賴于海馬區(qū)TNF-α信號(hào)通路的激活。同步上調(diào)的CCL22的表達(dá)則是依賴于粒細(xì)胞-巨噬細(xì)胞集落刺激因子的表達(dá)。CCL17缺乏可導(dǎo)致海馬腦區(qū)小膠質(zhì)細(xì)胞密度降低。借助于計(jì)算機(jī)輔助的圖像分析，研究者發(fā)現(xiàn)缺乏CCL17的小膠質(zhì)細(xì)胞表現(xiàn)出細(xì)胞胞體縮小，分支增多的現(xiàn)象，提示其現(xiàn)象受到抑制，電生理學(xué)研究表明，CCL17可抑制海馬腦片謝弗側(cè)支（Schaffer collateral）的基礎(chǔ)突觸傳遞效能，表明CCL17具有潛在的抑制學(xué)習(xí)記憶功能的作用。CCR4為樹突狀細(xì)胞表達(dá)IL-23和粒細(xì)胞-巨噬細(xì)胞集落刺激因子所需，在實(shí)驗(yàn)性自發(fā)性腦脊髓炎動(dòng)物模型中，CCR4是Treg細(xì)胞跨越血腦屏障（blood brain barrier，BBB）的關(guān)鍵受體之一。CCR4基因敲除小鼠顯示出自主運(yùn)動(dòng)和探索行為，表明CCR4可能參與了神經(jīng)-膠質(zhì)細(xì)胞相互作用。