巨噬細(xì)胞遷移抑制因子調(diào)控中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷后局部微環(huán)境的研究進(jìn)展

(陸軍軍醫(yī)大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)生物學(xué)教研室，重慶 400038)

中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system,CNS)損傷后局部微環(huán)境復(fù)雜，存在多種再生抑制因素，如星形膠質(zhì)細(xì)胞過度增生形成膠質(zhì)瘢痕阻礙神經(jīng)再生，小膠質(zhì)細(xì)胞和巨噬細(xì)胞中的M1表型通過氧葡萄糖剝奪誘導(dǎo)神經(jīng)元凋亡[1]。研究發(fā)現(xiàn)巨噬細(xì)胞遷移抑制因子(macrophage migration inhibitory factor,MIF)可以通過調(diào)控星形膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的免疫功能影響CNS再生。MIF是最早被發(fā)現(xiàn)的可以抑制巨噬細(xì)胞從毛細(xì)血管向外遷移的淋巴因子，是一種保守的細(xì)胞因子。MIF在人類的編碼基因中定位于第22號(hào)染色體q11、23區(qū)，其編碼區(qū)由3個(gè)外顯子和 2個(gè)內(nèi)含子組成，蛋白單體分子量為12.5 kD，含有2個(gè)α螺旋和6個(gè)β折疊[2]。MIF廣泛表達(dá)于脊椎動(dòng)物(包括斑馬魚和哺乳動(dòng)物等)的單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、垂體細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞等，可調(diào)節(jié)固有免疫和適應(yīng)性免疫反應(yīng)，激活ERK級(jí)聯(lián)反應(yīng)，調(diào)節(jié)細(xì)胞遷移，并拮抗糖皮質(zhì)激素，具有免疫抑制作用[3]。MIF在神經(jīng)系統(tǒng)中受下丘腦—垂體調(diào)控，低氧、內(nèi)毒素、炎癥因子等均可誘導(dǎo)其表達(dá)，更有證據(jù)表明MIF作用的發(fā)揮與缺氧誘導(dǎo)因子(hypoxia-inducible factor 1，HIF-1)有關(guān)[4]。MIF調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)及血管新生可能有助于改善局部微環(huán)境，促進(jìn)CNS再生，但目前尚不清楚MIF在CNS損傷及再生中扮演的具體角色，因此，本文就MIF調(diào)控CNS損傷后局部微環(huán)境的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以期明確MIF調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)與血管新生在CNS損傷及再生中的作用，從而幫助發(fā)現(xiàn)促進(jìn)CNS修復(fù)的潛在治療靶點(diǎn)。

1 CNS損傷后MIF作用于星形膠質(zhì)細(xì)胞

在星形膠質(zhì)細(xì)胞影響神經(jīng)再生的過程中，MIF發(fā)揮著重要的調(diào)控作用。脊髓損傷后MIF的表達(dá)顯著增加，與小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞共定位。MIF通過激活CD74受體和細(xì)胞外信號(hào)相關(guān)激酶ERK通路引發(fā)星形膠質(zhì)細(xì)胞的炎癥反應(yīng)[5]。MIF誘導(dǎo)星形膠質(zhì)細(xì)胞釋放羥甾醇25-羥基膽固醇(25-hydroxycholes-terol，25-HC)，從而影響星形膠質(zhì)細(xì)胞遷移，并以劑量依賴的方式抑制星形膠質(zhì)細(xì)胞活性。這些結(jié)果提示，MIF可通過調(diào)節(jié)CNS損傷后的膽固醇代謝加重進(jìn)行性的神經(jīng)損傷[6]。脊髓損傷后MIF和環(huán)氧化酶2(cyclooxygenase 2，COX2)的蛋白水平同步升高，而環(huán)氧化酶1(cyclooxygenase 1，COX1)的蛋白水平卻不同步升高。對(duì)病灶部位使用MIF抑制劑4-碘-6-苯基嘧啶(4-iodo-6-phenylpyrimidine，4-IPP)可顯著降低COX2、微粒體前列腺素E合酶-1(microsomal PGE synthase-1，mPGES-1)的表達(dá)，從而減少前列腺素E2(prostaglandin E2，PGE2)的產(chǎn)生。星形膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)MIF的干擾反應(yīng)強(qiáng)烈，通過與CD74膜受體偶聯(lián)調(diào)控MAPK/COX2/PGE2信號(hào)通路，產(chǎn)生的PGE2能夠抑制腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)的產(chǎn)生，從而達(dá)到神經(jīng)保護(hù)效應(yīng)[7]。由此可見，MIF通過星形膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)CNS損傷后修復(fù)所產(chǎn)生的作用也具有兩面性。

2 MIF調(diào)控巨噬細(xì)胞參與CNS損傷后的炎癥反應(yīng)

2.1 炎癥反應(yīng)造成神經(jīng)細(xì)胞死亡

CNS損傷后由于局部神經(jīng)組織中細(xì)胞的死亡和血腦屏障的破壞，小膠質(zhì)細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、淋巴細(xì)胞、抗體和細(xì)胞因子均可在損傷部位引發(fā)炎癥反應(yīng)。由于神經(jīng)和血管的創(chuàng)傷性損傷、自身免疫反應(yīng)等，活化的單核細(xì)胞通過血腦屏障進(jìn)入損傷部位，活化的中性粒細(xì)胞和巨噬細(xì)胞釋放細(xì)胞因子、自由基、類花生四烯酸和蛋白酶，導(dǎo)致初始的急性炎癥反應(yīng)，可引起神經(jīng)毒性和神經(jīng)膠質(zhì)毒性，直接造成神經(jīng)細(xì)胞不可逆的死亡。同時(shí)，水平升高的TNF-α和白細(xì)胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)在激發(fā)炎癥反應(yīng)后還可增加促炎因子的釋放，從而引起神經(jīng)元和少突膠質(zhì)細(xì)胞的死亡，這種慢性損傷可導(dǎo)致進(jìn)行性的神經(jīng)功能喪失[8]。

2.2 炎癥反應(yīng)中巨噬細(xì)胞的神經(jīng)保護(hù)作用

盡管炎癥反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞死亡，但炎癥反應(yīng)中活化的巨噬細(xì)胞同時(shí)也能合成并釋放經(jīng)典的腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain derived neurotrophic factor，BDNF)、神經(jīng)營養(yǎng)素-3(neurotrophin 3，NT-3)等，從而降低谷氨酸興奮性毒性，促進(jìn)受損軸突的生長，保護(hù)受損CNS，促進(jìn)受損神經(jīng)組織的修復(fù)。炎癥反應(yīng)中活化的小膠質(zhì)細(xì)胞除了在先天免疫中發(fā)揮作用外，還促進(jìn)神經(jīng)系統(tǒng)的可塑性和內(nèi)穩(wěn)態(tài)維持，表達(dá)BDNF、NT-3、神經(jīng)生長因子(nerve growth factor，NGF)、酪氨酸蛋白激酶受體(tyrosinekinasereceptor，Trk)和神經(jīng)營養(yǎng)素受體(p75 neurotrophin receptor，p75NTR)，促進(jìn)神經(jīng)元存活。神經(jīng)營養(yǎng)素與其受體的結(jié)合可誘導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)Ca2+的持續(xù)增加，在磷脂酶C(phospholipase C,PLC)活化通路的介導(dǎo)下減少促炎因子的釋放，如NT-3可減少LPS和TNF-α的產(chǎn)生，對(duì)神經(jīng)元產(chǎn)生保護(hù)效應(yīng)，有利于炎癥情況下神經(jīng)元的存活[9]。

2.3 MIF在炎癥反應(yīng)調(diào)控中的“兩面性”

MIF是多功能促炎因子，可調(diào)節(jié)固有免疫與特異性免疫，低氧、內(nèi)毒素、炎癥因子等均可誘導(dǎo)其表達(dá)。MIF可促進(jìn)巨噬細(xì)胞活化，通過多種途徑完成炎癥細(xì)胞的募集，如上調(diào)細(xì)胞間黏附分子(intercellular cell adhesion molecule，ICAM)促進(jìn)白細(xì)胞與血管內(nèi)皮黏附[10]。同時(shí)，MIF通過促進(jìn)COX2表達(dá)、抑制p53通路阻止巨噬細(xì)胞過度激活導(dǎo)致的細(xì)胞凋亡，維持炎癥反應(yīng)[11]。MIF的促炎功能可由Toll樣受體4(toll like receptor 4,TLR4)調(diào)節(jié)，可促進(jìn)IL-6、IL-1β、TNF-α等一系列炎癥因子的釋放，并經(jīng)MAPK通路激活相關(guān)促炎基因的轉(zhuǎn)錄，同時(shí)具有拮抗抗炎物質(zhì)(如糖皮質(zhì)激素)的作用[12]。

然而，關(guān)于MIF在CNS損傷后的作用仍存在爭議。有研究發(fā)現(xiàn)，在腦缺血的情況下MIF會(huì)上調(diào)，若敲除MIF基因可縮小梗死灶面積，并改善感覺運(yùn)動(dòng)功能[13]；但也有研究發(fā)現(xiàn)，中風(fēng)患者炎癥急性期下調(diào)MIF可使梗死灶面積擴(kuò)大，提示MIF有抗凋亡和神經(jīng)保護(hù)功能，故維持一定水平的MIF有助于保護(hù)卒中患者的神經(jīng)元[14]。另外，最近一項(xiàng)關(guān)于心肌梗死的研究表明，MIF可通過在體內(nèi)外上調(diào)miR-133a-3p和激活下游AKT信號(hào)通路促進(jìn)血管生成、抑制細(xì)胞凋亡、減少纖維化等發(fā)揮心臟保護(hù)的作用[15]。在CNS損傷后，MIF可能具有相似的作用。對(duì)MIF分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，MIF在低聚態(tài)和氧化還原態(tài)之間存在動(dòng)態(tài)的相互轉(zhuǎn)換[16]，但這種轉(zhuǎn)換對(duì)損傷修復(fù)過程中的炎癥反應(yīng)所起的具體作用尚不明確。此外，神經(jīng)損傷后MIF本身的基因轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)翻譯和蛋白質(zhì)降解的動(dòng)態(tài)變化也可能是MIF功能“兩面性”產(chǎn)生的原因。

3 CNS損傷后MIF調(diào)控血管內(nèi)皮細(xì)胞功能

3.1 CNS損傷后的缺氧和炎癥反應(yīng)誘導(dǎo)血管新生

CNS血供豐富，神經(jīng)損傷常常導(dǎo)致血管破損和出血，隨后出現(xiàn)灌注不足、缺血、缺氧、血腦屏障破壞和水腫。CNS損傷后，繼發(fā)性損傷導(dǎo)致擴(kuò)展神經(jīng)血管單元(expand neurovascular unit，eNVU)失調(diào)，引起損傷后的殘余細(xì)胞退變，并在eNVU元素協(xié)同作用下通過局部血流調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝和活動(dòng)。血液可為損傷組織提供修復(fù)所需的氧氣和營養(yǎng)成分，因此，CNS的成功再生離不開血管網(wǎng)絡(luò)的重新建立[17]。血管新生是血管網(wǎng)絡(luò)修復(fù)過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，腦損傷時(shí)內(nèi)皮細(xì)胞被激活，組織缺氧導(dǎo)致血管內(nèi)皮細(xì)胞生長因子(vascular endothelial cell growth factor，VEGF)釋放到鄰近組織，并向附近的血管發(fā)出信號(hào)，使周細(xì)胞分離，局部細(xì)胞外基質(zhì)降解，血管內(nèi)皮細(xì)胞形成血管芽，然后向缺氧組織方向遷移和增殖[18]。炎癥反應(yīng)與血管新生相互聯(lián)系并彼此影響。組織缺氧是血管生成的主要誘因之一，缺氧誘導(dǎo)因子-1α(hypoxia-inducible factor 1α,HIF-1α)是其中一個(gè)關(guān)鍵的調(diào)控分子。HIF-1α調(diào)控的靶基因在細(xì)胞和神經(jīng)系統(tǒng)中對(duì)缺氧的生理反應(yīng)發(fā)揮重要作用，包括糖酵解、紅細(xì)胞生成、抗凋亡、血管生成和血管重構(gòu)[19]。

3.2 MIF在血管新生中與HIF-1α的關(guān)聯(lián)作用

HIF-1α與MIF均可促進(jìn)VEGF的表達(dá)。作為產(chǎn)生VEGF的中堅(jiān)驅(qū)動(dòng)力量，MIF具有旁分泌和自分泌等作用，不僅可引起巨噬細(xì)胞的M2極化，還可作用于血管內(nèi)皮細(xì)胞及其他炎性細(xì)胞。血管內(nèi)皮細(xì)胞在白細(xì)胞漏出、吸收循環(huán)等方面起著至關(guān)重要的作用。Chesney等[20]最先在腫瘤血管形成的研究中發(fā)現(xiàn)MIF可促進(jìn)血管生成，阻斷MIF的作用可以減少腫瘤血管的形成并抑制腫瘤生長，多種細(xì)胞實(shí)驗(yàn)證明其機(jī)制主要為HIF-1α調(diào)節(jié)MIF和VEGF的表達(dá)，從而通過MAPK和PI-3K通路促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞遷移與成管化[21-23]。另外，一項(xiàng)對(duì)膠質(zhì)瘤的研究發(fā)現(xiàn)，腫瘤邊緣的巨噬細(xì)胞更多呈M2極化[24]，這可能與M2巨噬細(xì)胞產(chǎn)生VEGF、白細(xì)胞介素-8(interleukin-8，IL-8)等有關(guān)。因此，MIF在促進(jìn)缺血缺氧誘導(dǎo)的組織修復(fù)和血管形成中發(fā)揮著重要作用，不僅與HIF-1α的直接調(diào)節(jié)有關(guān)，早期炎癥反應(yīng)在其中的作用也至關(guān)重要。但也有研究發(fā)現(xiàn)，巨噬細(xì)胞M2極化后HIF-1α表達(dá)下降[25]，CNS損傷后的修復(fù)過程中MIF與HIF-1α在不同病理生理過程中如何參與血管修復(fù)與炎癥反應(yīng)還需要更多的實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)。

4 MIF影響巨噬細(xì)胞的極化表型改變

4.1 巨噬細(xì)胞極化表型與炎癥反應(yīng)

根據(jù)損傷和疾病環(huán)境，在非神經(jīng)組織中，巨噬細(xì)胞的表型可大致分為促炎的M1型和抗炎的M2型。但在哺乳動(dòng)物神經(jīng)損傷后，巨噬細(xì)胞多表現(xiàn)為M2向M1極化，短暫少量表現(xiàn)為M2極化，不利于CNS再生，但其具體機(jī)制尚不完全清楚[26]。有研究顯示，無論在CNS還是外周組織中，M2型巨噬細(xì)胞(或小膠質(zhì)細(xì)胞)均可分泌促進(jìn)血管生成的相關(guān)因子，如VEGF及IL-8[27]；腫瘤發(fā)生與發(fā)展的相關(guān)研究表明，上調(diào)MIF水平可促進(jìn)腫瘤組織中巨噬細(xì)胞向M2轉(zhuǎn)化，從而導(dǎo)致腫瘤惡化[28-29]；在大鼠脊髓損傷模型中，MIF可通過與CD74膜受體相互作用促進(jìn)星形膠質(zhì)細(xì)胞趨化因子配體5(chemokine C-C motif ligand 5,CCL5)的產(chǎn)生，而重組CCL5蛋白在促進(jìn)M2遷移方面更有效[30]。這些結(jié)果提示，MIF水平與巨噬細(xì)胞表型轉(zhuǎn)化具有密切關(guān)系。CNS損傷的修復(fù)離不開M2型巨噬細(xì)胞，因?yàn)镸2型巨噬細(xì)胞具有減輕炎癥反應(yīng)、促進(jìn)組織修復(fù)的功能，在損傷修復(fù)的過程中，必定存在以M2極化為主導(dǎo)的階段。成年哺乳動(dòng)物CNS損傷后難以再生，同為脊椎動(dòng)物的斑馬魚CNS損傷后可再生能力卻較強(qiáng)，可能是由于在斑馬魚神經(jīng)損傷修復(fù)過程中MIF促進(jìn)了M2極化，在局部營造了對(duì)CNS再生有利的微環(huán)境，但其中復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制至今尚不完全清楚。

4.2 巨噬細(xì)胞M2極化中MIF與HIF-1α的作用

MIF在機(jī)體多種組織中廣泛表達(dá)，其改善組織損傷后的缺氧缺血與HIF-1α的調(diào)節(jié)有關(guān)。已知HIF-1α的激活受氧依賴性羥基化作用的調(diào)節(jié)，在斑馬魚尾橫斷模型中，以羥化酶抑制劑DMOG干預(yù)后，活化的HIF-1α可通過抑制中性粒細(xì)胞凋亡及逆向轉(zhuǎn)運(yùn)從而延長炎癥反應(yīng)。間歇性缺氧是一種有效的促炎刺激，缺氧情況下HIF-1α水平升高可導(dǎo)致IL-6誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞M1極化[31]。在腫瘤組織中拮抗HIF-1α?xí)?dǎo)致巨噬細(xì)胞M2極化并減弱炎癥反應(yīng)[4]。腫瘤相關(guān)研究結(jié)果顯示，MIF是HIF-1α表達(dá)及發(fā)揮轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用的重要調(diào)節(jié)因子，二者之間存在反饋性調(diào)節(jié)的關(guān)系。MIF基因敲除不會(huì)導(dǎo)致HIF-1α mRNA轉(zhuǎn)錄減少，但卻會(huì)引起HIF-1α蛋白水平下降，這表明哺乳動(dòng)物體內(nèi)MIF與HIF-1α的水平呈正相關(guān)，且低濃度的MIF可能通過促進(jìn)HIF-1α蛋白降解來下調(diào)HIF-1α的水平[4]。MIF作為一種炎癥因子，其水平升高常會(huì)導(dǎo)致腫瘤擴(kuò)散與惡化，而CNS損傷后MIF表達(dá)廣泛，有助于CNS的修復(fù)與再生，二者都與MIF介導(dǎo)的M2極化和血管新生密切相關(guān)。因此，研究M2極化介導(dǎo)血管新生影響腫瘤發(fā)展可能有助于發(fā)現(xiàn)MIF在CNS損傷修復(fù)中的潛在臨床應(yīng)用價(jià)值。

5 總結(jié)與展望

組織損傷后巨噬細(xì)胞的極化狀態(tài)與炎癥反應(yīng)和血管新生密切相關(guān)，MIF在其中的調(diào)控作用不容忽視。MIF參與炎癥反應(yīng)中的多項(xiàng)病理生理過程，在腫瘤組織中可促進(jìn)巨噬細(xì)胞M2極化從而誘導(dǎo)血管新生。同時(shí)，MIF的表達(dá)受到NF-κB、MAPK、miRNA等多條通路的調(diào)控，明確MIF和HIF-1α的直接關(guān)系以及二者對(duì)M2極化的調(diào)控作用將有助于理解小膠質(zhì)細(xì)胞和巨噬細(xì)胞在CNS損傷進(jìn)程中與時(shí)空相關(guān)的功能狀態(tài)改變。而明確CNS損傷后MIF調(diào)控巨噬細(xì)胞極化的機(jī)制將有助于探索治療哺乳動(dòng)物CNS損傷的新策略，為促進(jìn)新藥物靶點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)提供理論依據(jù)。