脑损伤介导的神经炎性反应与阿尔茨海默病

张步瑶    刘薇   翻译   马新华   校对

摘要

      创伤性脑损伤(TBI)是美国的一个主要健康问题，每年约有170万人受到影响。在脑内不同区域的胶质细胞、T细胞和肥大细胞对包括颅脑损伤在内的中枢神经系统损伤后认知和运动功能的恢复起着特定的保护作用。慢性神经炎性反应导致的神经元死亡和脑损伤后伴随的应激反应使高危个体易患或加速阿尔茨海默病(AD)的发生和发展。目前约有570万美国人患有AD。脑损伤后，肥大细胞立即作出反应，释放预先储存、激活的介质，并向中枢神经系统招募免疫细胞。血脑屏障(BBB)、紧密连接和粘附连接蛋白、神经血管和胶质血管微结构重排，以及炎性介质和炎性细胞从外周向BBB转运增加所致的功能障碍，都导致脑损伤后慢性神经炎性反应的增加。本文就肥大细胞活化引起的神经炎性反应及其伴随的危险因素作一综述，如年龄、性别、饮食习惯、情绪状态、应激、过敏倾向、慢性炎症性疾病，以及可加速脑损伤相关的神经炎、神经退行性变和AD发病的某些药物。

前言

      先天免疫细胞包括T细胞、巨噬细胞、自然杀伤细胞(NK细胞)和肥大细胞，它们通过对所有器官的持续监测，寻找并摧毁外来生物和有毒物质。在这个过程中，它们还会攻击一些正常细胞，导致这些细胞在组织中死亡，并引发炎症。在这些事件之后，T细胞和肥大细胞等免疫细胞在组织修复、疤痕形成和产生新细胞以恢复体内组织或器官的正常功能方面发挥了重要作用。然而，中枢神经系统(CNS)损伤后的免疫反应和组织修复的强度天然受限。这是因为大脑中神经元的再生能力有限。中枢神经系统还受到脑脊液(CSF)中局部和循环免疫细胞的定期监测，这些细胞通过脉络丛进入大脑，在健康状态下和受伤后维持大脑的适应性。胶质细胞的适度激活提供神经保护作用。然而，神经炎性通路的严重激活会导致神经元死亡。血管内皮细胞和血管周围巨噬细胞也参与了神经炎症。

      颅脑损伤(TBI)可分为轻、中、重型三种类型。创伤性和非创伤性脑损伤(非TBI)是后天性的，出生后由于肿瘤、中风、癫痫、感染、毒素、缺氧和代谢紊乱而发生。创伤性脑损伤可能是由于体育活动、车辆事故、跌倒、袭击、军事活动、爆炸、枪击造成的。战斗军人暴露在爆炸装置和爆炸中，而平民则成为恐怖爆炸袭击的目标。据报道，部署在伊拉克自由行动(OIF)和持久自由行动(OEF)的部队中有19.5%患爆炸TBI(BTBI)。通常约50%的重型颅脑损伤患者死亡，其余患者表现出严重的短期和长期神经并发症。反复脑外伤的足球运动员表现为慢性创伤性脑病(CTE)。据报道，前体育和前军事人员患CTE。CTE显示血管周围的神经元、神经纤维缠结、星形胶质细胞和细胞突起中存在过度磷酸化的tau蛋白。头部受伤后CTE的体征和症状可能需要数年到数十年的时间才能显现出来。然而，CTE的神经病理学还没有明确的定义。脑源性神经营养因子(BDNF)、神经生长因子(NGF)、神经营养因子-3(NT-3)和NT-4等神经营养因子在保护受损脑内神经元免受继发性损伤方面具有神经可塑性。脑损伤(TBI)可诱导免疫反应，以保护大脑免受任何进一步的伤害。然而，过度和持续的免疫反应会导致神经炎症介导的神经变性，导致阿尔茨海默病(AD)。神经炎是指起源于大脑或脊髓的，由于小胶质细胞和星形胶质细胞积累和激活增加而导致的损伤或感染，而引起的神经炎性反应。脑损伤后激活的胶质细胞和外周免疫细胞被招募到脑内，诱导神经炎性反应，加速阿尔茨海默病的发病。

      AD是一种进行性神经退行性疾病，临床并发症有痴呆、进食问题、感染和生活质量差。目前，大约有570万美国人患有AD。2016年，全球约有4400万人受到阿尔茨海默病和痴呆症的影响。随着世界范围内预期寿命的不断增加，阿尔茨海默病的患病率将会上升。在65至84岁的人群中，AD的患病率约为10%至19%，而85岁以上的人群中，AD的患病率超过47%。与年长的白人相比，年长的非裔美国人患阿尔茨海默病和痴呆症的风险几乎是白人的两倍。脑萎缩始于颞叶，在扩展到枕叶之前，逐渐扩展到额区和顶区。脑内存在淀粉样β蛋白(Aβ)斑块和神经原纤维缠结(NFT)内的tau蛋白过度磷酸化是AD的病理特征。AD患者最初表现为学习和记忆障碍，然后是语言和全局认知障碍。AD是与脑外伤有关的最常见的痴呆症。由于疾病机制尚不清楚，因此无法获得特定的AD疗法。脑损伤相关AD发病的免疫机制尚不清楚。在目前的论文假说中，我们提出了一个假设，即神经炎性反应和诸如年龄、性别、情绪状态、压力、过敏倾向、慢性炎症性疾病、某些食物和药物等因素可以影响脑损伤所致的神经炎症，从而介导高危个体的阿尔茨海默病的发病。

脑区特异性免疫和炎症反应

      正常的先天免疫网络和获得性免疫网络对中枢神经系统的发育和功能至关重要。免疫系统积极参与大脑的生理病理状态以及受伤后的恢复过程。T细胞在学习行为和压力环境中是必不可少的。T细胞和肥大细胞不断地在脑膜间隙和血脑屏障(BBB)结构处巡逻，以防止外来生物或抗原进入大脑。脑实质细胞受到紧密连接和血脑屏障选择性通透性的保护，不受外周系统的影响。蛛网膜下腔、脑脊液和血管系统有白细胞、巨噬细胞、T细胞和树突状细胞，但这些细胞进入脑实质的过程被血脑屏障阻止。在幼稚的中枢神经系统实质中没有淋巴细胞，但驻留在脑膜中的T细胞通过释放特定的细胞因子，如干扰素-γ(IFN-γ)、神经递质、神经调节剂和生长因子来执行其社会、行为和认知功能。这些T细胞通过软脑膜中的血管进入脑膜。幼稚的T细胞被激活的神经元、胶质细胞和内皮细胞发出的化学吸引信号招募到大脑中。脑损伤导致T细胞通过趋化因子从血管中涌入，内皮细胞中的粘附分子和T细胞上的整合素上调。不同类型的脑损伤对T细胞的数量、募集、增殖和反应也有不同程度的影响。

      小胶质细胞是大脑中的先天免疫细胞。在正常情况下，小胶质细胞处于静息状态(分枝状)，小体和细长的突起四处移动。小胶质突起是大脑中移动最快的结构。静息的小胶质细胞在不移动细胞体的情况下移动它们的突起。激活使小胶质细胞的形状转变为阿米巴状，以促进小胶质细胞的运动，并伴随着激活几种特异性受体、细胞因子和趋化因子的表达。在大脑中，受伤部位在一小时内就会被小胶质细胞突起包围。这些过程可以延长和收缩，以扫描细胞周围结构。每隔几个小时，大脑结构就会被小胶质细胞突起完全扫描一次。小胶质细胞在正常脑内迁移、吞噬并呈递抗原。小胶质细胞可以去除整个细胞或细胞结构。小胶质细胞识别将经历程序性细胞死亡的细胞；一旦被识别，小胶质细胞就会在程序性细胞死亡之前或期间迁移到现场进行移除。小胶质细胞还影响神经元前体细胞增殖、神经元存活、突触可塑性和认知。小胶质细胞表达裂解因子受体CX3CR1(CX3CL1)，一种由神经元释放的趋化因子；模式识别受体(PRR)，用于检测微生物和病原体相关的分子模式(PAM)。啮齿动物的小胶质细胞表现出性别差异。雄性的星形胶质细胞在视前区分支更多，具有更多激活的小胶质细胞表型。小胶质细胞和神经元通过CX3CL1-CX3CR1、CD200-CD200R、C3-CR3和DAP12信号通路进行双向通讯，形成和维持神经元回路。很明显，免疫系统在脑损伤后正常组织内稳态的恢复中起着重要作用(表1和图1)。

脑损伤与初始神经保护性免疫反应

      美国疾病控制和预防中心将TBI定义为“头部受到撞击、打击或震动，或头部穿透性损伤，导致神经元和胶质细胞凋亡和坏死，血脑屏障断裂，并随后被中性粒细胞和巨噬细胞等外周来源的免疫细胞群渗透到受损大脑，引起正常功能紊乱”。这伴随着星形胶质细胞和小胶质细胞的激活。脑外伤是对全身健康、行为、认知、发病率和死亡率造成长期不良影响的重要原因。TBI每年影响全球数百万人。在美军中，TBI的发病率近年来有较大幅度的增加。TBI现在被认为是美国的一个主要健康问题，每年影响超过170万人。TBI显著增加了医疗保险成本，因为不良影响持续了几天、几周、几个月、几年甚至几十年。尽管TBI在大脑中启动免疫反应，涉及大脑和外周系统中的免疫细胞，但在受伤后立即给予抗炎药在临床上并不有效。早期抑制免疫和炎症反应会导致慢性病变和病变扩散。此外，由于给药方法的困难，抗炎药物对重要的炎症介质或细胞不起作用。由于血脑屏障(BBB)、血脑脊液屏障(BCSFB)等问题，颅脑损伤后向中枢的药物输送变得复杂。鼻腔给药到大脑可能会改善治疗效果。因此，尽管一些药物可以缓解症状，但目前还没有有效的治疗方法来治疗TBI患者。

      如图1所示，小胶质细胞、单核细胞、巨噬细胞、中性粒细胞、T细胞和肥大细胞与中枢神经系统中死亡细胞的清除、支持屏障系统、伤口愈合和再生有关。小胶质细胞表达高水平的趋化因子(C-C基序)配体2(CCL2)，它们可以快速识别并对损伤相关产物如三磷酸腺苷(ATP)、脱氧核糖核酸(DNA)、核糖核酸(RNA)做出反应，并在几分钟内转移到损伤的位置，还可以阻止毛细血管渗漏，大脑中浸润的中性粒细胞在一两天内将外周单核细胞招募到大脑中，这是损伤后组织修复过程所必需的。脑损伤还诱导T细胞和肥大细胞反应，并招募CD4+T细胞产生白细胞介素-4(IL-4)，从而诱导损伤后的神经保护和轴突再生。调节性T细胞(Tregs)在损伤后CNS的伤口愈合、重塑和神经毒性星形胶质细胞增生中起重要作用。脑损伤部位释放的危险相关分子决定了T细胞的反应是神经保护性的还是破坏性的。Treg细胞通过抗炎细胞因子抑制T细胞反应。一般说来，T细胞在脑损伤后提供神经保护作用，这是由Treg细胞控制的。脑损伤后最初的炎症反应是有益的。然而，原发性损伤后的慢性免疫和炎症反应通过正反馈和神经炎症反应导致继发性脑损伤。TBI预后的多样性是由于受伤程度和受伤地点的不同。由于神经免疫和炎症反应可能是神经保护的或有害的，在使用抗炎药物治疗之前，了解正在进行的抗炎或促炎机制是很重要的。当处于神经保护和抗炎状态时，使用抗炎药物治疗可能会恶化病情。因此，了解时机和免疫反应对于TBI后的治疗至关重要。这项研究建议研究TBI后脱离当前M1/M2小胶质细胞活化表型的先天免疫细胞。幼稚星形胶质细胞表达胶质纤维酸性蛋白、S100β、谷氨酸转运蛋白1、谷氨酸转运蛋白1和醛脱氢酶1家族成员L1。反应性肥大星形胶质细胞增殖、迁移并表达Axin2、MMP2、MMP13、Nestin、钙粘素相关蛋白β1(CTNNB1)和PlauR。瘢痕形成星形细胞表达Sox9、Acan、Pcan、钙粘蛋白2(CdH2)、分泌型糖蛋白2(Sit2)、木糖转移酶(Xylt1)、软骨素4-0-磺基转移酶-1(Chst11)和硫酸软骨素N-乙酰半乳糖胺转移酶-1(Csgalnact1)。在神经炎症和缺血性脑损伤条件下，有两种不同类型的反应性星形胶质细胞，如A1神经毒性和A2神经保护表型。

      免疫系统执行组织损伤刺激物的隔离，清除细胞碎片，并促进TBI后的伤口愈合过程。颅脑损伤可刺激DAMPs和警报素的释放，如IL-1、α和IL-33。对DAMPs和警报的识别诱导局部释放细胞因子和趋化因子，从而促进免疫细胞的激活、增殖和招募至损伤部位。中性粒细胞募集还需要增加细胞间黏附分子-1(ICAM-1)或CD54的表达。先天免疫细胞包括中性粒细胞、巨噬细胞、小胶质细胞、树突状细胞、嗜酸性粒细胞、嗜碱性粒细胞、肥大细胞、T淋巴细胞。这些细胞使用Toll样受体(TLR)、核苷酸结合寡聚域(NOD)样受体（NLRP？）和清道夫受体来感知病原体和可引起免疫反应的危险信号。脉络丛上皮检测损伤脑细胞发出的危险信号或促炎介质如肿瘤坏死因子-α(TNF-α)，诱导中性粒细胞向脉络丛迁移。这些中性粒细胞与脑脊液一起循环，靠近损伤区域，可通过BCSFB迁移到脑实质。颅脑损伤后4小时内，中性粒细胞可从同侧软脑膜和脉络丛的血管中迁移。然后这些中性粒细胞渗入损伤部位，在24至48小时内达到高峰。

      激活的肥大细胞释放特异性的促炎和抗炎介质，如IL-1β、IL-4、IL-6、IL-8、IL-33、IL-36、TNF-α、CCl-2、CCl-3、CCl-5、粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（GM-CSF）、血管内皮生长因子(VEGF)、基质金属蛋白酶(MMPs)、活性氧（ROS）、P物质、神经生长因子（NGF）、转化生长因子-β(TGF-β)、促肾上腺皮质激素释放激素(CRH)、神经降压素、组胺、前列腺素D2(PGD2)、白三烯(LTs)、干细胞因子(SCF)、类胰蛋白酶和糜蛋白酶。这些介质的释放可能取决于刺激的肥大细胞的类型、刺激的性质和组织微环境。肥大细胞可以响应并保护身体免受霉菌(真菌)、细菌和病毒感染，并促进伤口愈合和纤维化。几份报告表明，肥大细胞通过在中枢神经系统释放特定的多功能炎症和神经毒性介质来介导神经炎症和神经变性。肥大细胞充当传感器和效应器，通过CD40、CD40L、神经活性和血管活性分子如CCL2、IL-8、TNF-α和VEGF，与神经、血管和免疫系统直接进行通信。肥大细胞通过检测损伤细胞释放的IL-33来应答细胞损伤。此外，小鼠肥大细胞蛋白酶激活胶质细胞和神经元以释放IL-33，而IL-33反过来又可以激活肥大细胞。几份报告表明，肥大细胞是第一批识别和响应脑损伤的细胞，它在损伤后数小时内释放预先储存和激活的TNF-α和蛋白酶，并招募其他免疫细胞，如中性粒细胞。肥大细胞释放的TNF-α可上调血管内皮细胞中内皮细胞白细胞粘附分子-1(ELAM-1)、细胞间粘附分子-1(ICAM-1)和血管细胞粘附分子-1(VCAM-1)的表达，从而影响中性粒细胞和其他白细胞在损伤部位的粘附和募集。在损伤部位释放的VEGFs可以通过VEGF受体(VEGFR)增加肥大细胞的聚集。转化生长因子-β(TGF-β)在纤维化、血管生成和组织修复机制中发挥重要作用，并抑制免疫细胞的功能。从肥大细胞颗粒快速释放的TGF-β以自分泌和旁分泌的方式抑制肥大细胞。脑外伤后的第一个免疫反应是肥大细胞的浸润和脱颗粒，并释放出预先储存和激活的神经保护介质。

      在脑损伤后，肥大细胞、小胶质细胞和内皮细胞分别在几秒钟、4小时和48小时内释放TNF-α。肥大细胞是缺氧缺血和其他脑损伤后的早期反应细胞。已经证实在缺氧缺血后1小时内迅速招募TNF-α阳性的肥大细胞。位于海马附近的肥大细胞调节情绪和认知功能。肥大细胞在发育过程中通过血管进入中枢神经系统，并停留在血管周围，并存在于血管的开口侧。肥大细胞在几分钟内释放预先形成的颗粒介质，在接下来的几小时和几天内释放新合成的介质，并在中枢神经系统放大血管活性、神经活性和免疫活性的细胞和分子反应。肥大细胞可以通过肥大细胞特异性类胰蛋白酶，以及表达在小胶质细胞和神经元上的蛋白酶激活受体-2(PAR-2)，激活小胶质细胞和神经元。这些细胞清除损伤部位的细胞碎片和受损细胞，促进血管生成和伤口愈合，包括纤维化。肥大细胞类胰蛋白酶是一种强烈的促血管生成蛋白酶，可诱导内皮细胞和成纤维细胞的激活、增殖和迁移。肥大细胞位于毛细血管出芽部位附近，表明其在新血管形成中的作用。与神经炎症相关的肥大细胞就像一把双刃剑。炎症反应在一侧是神经保护性的，而在另一侧是破坏性的，包括急性TBI。肥大细胞在整个生命周期内对人类健康和疾病既有保护作用，也有有害作用。肥大细胞在伤口愈合中非常重要，因为它们可以促进急性炎症、血管生成、成纤维细胞增殖和瘢痕形成。

      神经营养因子和抗炎原颗粒可减轻小鼠脑损伤后的神经元损伤和小胶质细胞激活，这表明重组原颗粒可用于治疗TBI。脑损伤导致单核细胞从血液迁移到脑损伤部位，成熟为巨噬细胞，并停留在那里，直到炎症消退。外周CCL2阳性单核细胞募集到脑内可引起皮层脑损伤时海马的损伤。神经毒性和破坏性星形细胞表型(A1)在脑损伤后增加。小胶质细胞介导了脑外伤早期的神经保护作用。然而，慢性小胶质细胞激活会导致经典的炎症介质的激活和释放，从而介导神经变性。TBI可立即激活小胶质细胞，这种激活可持续数年。小胶质细胞激活的部位与变性程度有关。激活的小胶质细胞由正常分枝表型变为肥大表型。激活状态是M1/经典激活和M2/交替激活。M1型是促炎性的，通过释放各种炎症介质诱导神经炎症和神经变性。M2型与神经营养因子的释放有关，具有促进修复和吞噬作用。然而，在慢性病中，小胶质细胞是由M1和M2组成的混合表型，因此很困难明确区分不同的M1或M2表型，因为它们处于过渡状态。

      中枢神经系统小胶质细胞有静息状态(分枝)、活化的非吞噬细胞(抗原提呈样)和反应性小胶质细胞(吞噬细胞)三种表型。脑损伤引起的不良反应的程度和持续时间因脑损伤的部位和程度而异。这部分是由于不同区域免疫反应的差异，并取决于免疫细胞向损伤部位募集的速度。此外，免疫细胞在大脑中的分布因区域而异。此外，一些地点的伤害比其他地点更危险和致命。淀粉样β蛋白(A-β)肽和tau的积聚随着年龄的增加而增加，并改变巨噬细胞对脑外伤的反应。小胶质细胞在最初的损伤后被“激活”，在随后的免疫挑战中变得异常活跃，并使恢复机制恶化。

      MMP-9调节中性粒细胞向损伤部位的迁移。伤后3d，随着外周免疫细胞如T细胞、NK细胞和树突状细胞(DC)募集增加，中性粒细胞数量减少，随后局部小胶质细胞和星形胶质细胞被激活。新招募的免疫细胞在受伤后两周内消失。中性粒细胞可引发AD样症状，并在淀粉样斑块(AP)的形成中发挥作用。然而，在TBI事件后，活化的星形胶质细胞和小胶质细胞的炎性细胞因子水平升高，在那里保留了几个月到几年。这表明免疫和炎症反应，包括中性粒细胞的存在，在最初的损伤后在组织中持续很长一段时间。中性粒细胞可以长期存活，一年后依然可以在中枢神经系统检测到中性粒细胞。中性粒细胞可激活小胶质细胞分泌多种介质，包括ROS、MMP9、TNF-α、IL-1、IL-6。免疫反应是否有助于神经保护或进一步破坏取决于因脑外伤而发展的免疫事件的性质、持续时间和程度。髓样细胞上表达的触发受体-2(TREM2)由巨噬细胞、树突状细胞、粒细胞和小胶质细胞等多种细胞表达，对于脑损伤后Aβ的清除和神经保护是必不可少的。开发阿尔茨海默病的血液生物标记物以前曾尝试过，目前正在进一步探索。总而言之，脑损伤可以在大脑中启动神经保护性免疫反应，从而保护大脑免受进一步损伤，并启动伤口愈合过程(图1)。

脑损伤与脑内不良炎症反应

      脑损伤或脑外伤后的大多数不良反应是由免疫和炎症反应引起的。脑外伤后的原发性损伤可能持续数月甚至数年，从而导致继发性损伤，并最终导致神经损伤和神经退化。因此，针对TBI后的特定促炎途径可能是这些患者的有效治疗选择。脑外伤介导的神经炎症与多种神经系统疾病密切相关，包括阿尔茨海默病(AD)、帕金森病(PD)、焦虑、抑郁、创伤后应激障碍(PTSD)、CTE、冷漠和肌萎缩侧索硬化症(ALS)。虽然TBI与几种神经疾病有关，但目前还没有疾病特异性和疾病缓解的方案可用于治疗这些患者。免疫反应失控导致神经炎症介导的神经元死亡、组织缺失、血脑屏障破坏、水肿、炎性介质水平升高、胶质增生和中枢神经系统免疫细胞浸润。

      参与TBI发病机制的免疫细胞包括中性粒细胞、巨噬细胞、小胶质细胞、T细胞和肥大细胞。如图2所示，这些细胞特异性地参与了TBI的免疫和炎症后果，包括胶质细胞的激活。脑损伤在损伤24小时后导致小胶质细胞的增殖，并根据损伤的部位和程度持续增殖数周。TBI不仅在中枢神经系统表现出部位特异性效应，而且还表现出神经元类型特异性效应。一些神经元类型比受损大脑同一区域的其他类型更脆弱。神经元的类型和它们的反应根据损伤的轻、中、重情况而不同。因此，轻度损伤可能不会影响损伤区域中可能受到中度损伤的所有类型的神经元。目前，激光捕获显微解剖(LCM)方法可以选择性地采集受颅脑损伤影响的特定脑区的特定神经元，用于病理和基因分析。

      在第一次TBI后，反应性星形胶质细胞和激活的小胶质细胞在损伤部位保留了数年。标记CD16/32的M1巨噬细胞/小胶质细胞在伤后3-7天增加。微粒(MPs)-来自小胶质细胞可介导神经炎症，并参与外周炎症。损伤后IL-1α的增加先于IL-β的产生，并诱导神经炎症和神经变性。IL-1增加脑外伤后血脑屏障通透性、胶质细胞活化、免疫细胞募集和神经变性。

重型TBI患者的血浆IL-6水平高于轻度TBI患者。IL-6在神经血管异常、神经炎症和神经退行性变中起重要作用。颅脑损伤后TNF-α水平升高，在急性期和慢性期分别起保护作用和有害作用。脑损伤后，TNF-α在即刻向损伤部位募集炎性细胞方面起着至关重要的保护性趋化作用。TNF-α水平在脑外伤后IL-1、ICAM-β之前升高，这些细胞因子促进内皮细胞上ICAM-1和VCAM1的表达，从而促进血脑屏障通透性和神经炎症。抗趋化因子干预减少了免疫细胞从血液中向脑内的募集，减轻了脑损伤后的炎症反应。脑部受损部位的星形胶质细胞、小胶质细胞、内皮细胞、肥大细胞立即释放趋化因子，并招募中性粒细胞。CCL2在血管内皮细胞中由腔面转运到腔面，影响脑损伤后血脑屏障通透性、水肿形成和免疫细胞的募集。免疫细胞募集和水肿形成的程度取决于脑损伤的程度。中性粒细胞通过产生细胞因子如TNF-α、活性氧(ROS)、蛋白水解酶弹性蛋白酶和MMP9，对神经元产生毒害作用，增加血脑屏障通透性。中性粒细胞分泌溶酶体酶、自由基，通过直接闭塞微血管、增加血管通透性，来减少血流量。虽然白细胞在大脑中迁移，但在啮齿类动物的脑外伤后，有一些特定的部位迁移是很高的。这些包括邻近损伤区的软脑膜和蛛网膜下腔，以及间膜池。胶质细胞成熟因子(GMF)是本实验室首次发现、测序和亚克隆的一种脑蛋白，在AD、PD和多发性硬化(MS)及其动物模型实验性自身免疫性脑脊髓炎(EAE)中，与脑细胞、天然免疫细胞的激活和神经炎症介导的神经变性有关。我们已经表明，转基因食品介导了帕金森病的神经炎症、神经变性，并与AD中的AP和NFT有关。由于GMF在上述疾病条件下的神经退行性变中起重要作用，我们推测它在脑损伤/脑外伤的发病机制中也可能起重要作用。

      脑损伤慢性激活活化B细胞的核因子κ轻链增强子(NF-κB)途径，并导致中枢神经系统炎症介质的升高。补体系统也参与了TBI的炎症途径。GM-CSF是促进骨髓免疫细胞增殖和动员的重要细胞因子。GM-CSF可以在脑外伤后发挥神经保护作用，帮助认知恢复，并增加海马区的神经发生。IL-10水平升高可介导脑外伤患者的神经保护作用。此外，IL-10抑制在AD患者和TBI患者中升高的NF-kB激活。运动诱导IL-10的释放，这可能会对AD等患者起到保护作用。阿司匹林是一种非类固醇消炎药，可抑制NF-κB的激活，增加IL-10并增强免疫细胞的招募。同样，颅脑损伤后患者的转化生长因子-β也升高。此外，载脂蛋白E4(Apoε4)和TREM2与炎症、TBI介导的神经炎症和认知损害有关。促炎介质和先天免疫机制增加炎症条件和精神疾病中的C-反应蛋白(CRP)，包括年龄相关的AD和TBI患者。

      肥大细胞可诱导脑缺血损伤后血脑屏障通透性增加、渗出增加、脑水肿、出血和局部炎症。缺血性中风、出血或脑外伤导致的血脑屏障通透性增加及其功能障碍。这允许几种血源性因子进入，如纤维蛋白原、凝血酶和白蛋白，它们作用于受损大脑中的神经血管单位和脑细胞。通过有缺陷的BBB进入大脑的因子可以激活小胶质细胞，增加其吞噬活性和趋化因子释放。纤维蛋白原可抑制脑外伤后轴突生长和神经元修复机制。凝血酶影响脑外伤后的内皮细胞，诱导水肿形成和氧化应激。白蛋白通过增加脑损伤后Ca+内流和丝裂原活化蛋白激酶(MAPKs)的活性，激活小胶质细胞和星形胶质细胞释放炎性细胞因子。

      脑损伤后血脑屏障通透性增加是由多种因素引起的，包括转化生长因子-β、谷氨酸、活性氧、基质金属蛋白酶(MMP2、MMP3和MMP9)和血管内皮生长因子A(VEGFA。脑损伤后即刻，肿瘤坏死因子-α、白细胞介素-1β和趋化因子水平升高，内皮细胞黏附分子增多。这些因素通过功能失调的血脑屏障增加免疫细胞从血液流入大脑。我们之前已经表明，肥大细胞的激活会导致血脑屏障的破坏。中性粒细胞和单核细胞也通过血脑脊液屏障迁移。除了CCL2，CCL20还参与巨噬细胞在缺血性脑损伤部位的募集和TNF-α和IL-1β的释放。IL-33可以影响局部巨噬细胞释放IL-4，从而诱导中风的康复。总而言之，如果免疫系统不能控制最初的损伤，脑损伤可以引发不利的和长期的神经炎性反应。这种炎症反应导致脑部神经炎症介导的神经变性(表2和图2)。

脑损伤动物模型

      动物模型被用来理解TBI的发病机制。脑外伤、脑震荡和CTE的动物模型被广泛用于理解脑损伤的后果。在TBI的挫伤模型中，局灶性TBI可能是由于头部受到打击，体重下降，液体撞击(FP)，刚性凹陷和动态皮质变形所致。创伤性轴索损伤(TAI)模型表现为弥漫性轴索损伤(DAI)。TAI动物模型包括轮脑模型和啮齿动物模型。颅脑冲击伤动物模型因其与军事活动的相关性而具有重要意义。急性血肿模型显示由于静脉撕裂或破裂造成的颅内血肿。脑外伤的动物模型提供了关于脑损伤病理效应的宝贵信息，特别是生物标记物的发现和药物的临床前筛选。然而，由于人类和小动物的中枢神经系统在免疫学、解剖学和功能上的差异，将研究成果从TBI动物模型转化为人类患者仍然极其困难。此外，人类TBI的多样性使得开发合适的临床相关的单一动物模型非常困难，因此需要几种类型的TBI模型，包括局灶型和弥漫型模型。因此，使用较大的动物，如非人灵长类动物、猪和羊，可能会改善临床结果。目前，还没有单一的接近人类颅脑损伤病理的“金标准”动物模型。除了动物模型外，TBI的体外细胞培养模型也为了解TBI发病机制中脑细胞和免疫细胞的相互作用提供了有价值的信息。TBI的体外细胞培养模型包括加压、横断、气压创伤、加速、流体力学、化学损伤和细胞拉伸方法。细胞培养系统包括芯片上脑、原代细胞培养、永生化细胞系、不同脑细胞的共培养、急性制备和器官培养。CTE的体外细胞培养模型可能提供关于CTE发病机制的更多信息。此外，用体外研究取代体内研究减少了对实验动物的使用。综上所述，动物模型可用于研究TBI的发病机制，但目前尚无单一的动物模型在免疫反应、病理和行为异常方面与人类TBI极为相似。

脑损伤加速阿尔茨海默病高危人群的发病

      TBI与精神疾病、创伤后应激障碍和AD发病风险增加有关。即使是单一的TBI事件也可能与AD的风险相关。最近的一项研究表明，创伤后的慢性和进行性神经炎与TBI后的神经变性有关。然而，最近的一份报告也表明，生物标记物分析未能证实TBI和AD痴呆之间的联系。血脑屏障破坏和紧密连接蛋白丢失是阿尔茨海默病(AD)中常见的问题，颅脑损伤可加重这一问题。TBI会导致脑肿胀、神经元损伤、缺氧、血脑屏障和紧密连接损伤和功能障碍、氧化应激、神经炎症、神经退化和认知下降，并容易在晚年导致AD发病。此外，脑外伤患者表现出AD发病频率的增加。最近的一项研究表明，AD患者的头部损伤或TBI增加。脑外伤患者在受伤后立即显示出AD标志A、β和NFT的存在。此外，脑外伤还会增加淀粉样前体蛋白(APP)，这是大脑中产生Aβ所必需的。中到重度TBI是痴呆症和AD的潜在风险因素，但轻度TBI是否会改变AD的发病机制尚不清楚。此外，一些研究结果不支持TBI和AD之间的联系。对假设的TBI-AD联系的荟萃分析结果喜忧参半，事实上，一份报告显示TBI甚至不是AD发病的重要危险因素。本研究提示轻度颅脑损伤对A-β代谢影响很小，但年龄会影响预后。此外，与年轻时相比，老年时的脑损伤已被证明与严重的问题和较差的恢复有关。轻度脑外伤可导致脑细胞暂时性功能障碍。大约80%的TBI病例被归类为轻度头部损伤。脑外伤可导致短期和长期的认知功能障碍。在一个自我报告的TBI中，有意识丧失的TBI病史与AD、痴呆或AD的神经病理特征无关。在使用退伍军人管理局医疗记录的第二份报告中，他们在磁共振成像和正电子发射断层扫描中检查了有认知障碍或脑变化的脑外伤病史和Aβ沉积。结果表明，颅脑损伤病史与认知损害和AD生物标志物无相关性。这些研究表明，TBI可能不会增加AD的风险。与阿尔茨海默病类似，晚年脑外伤也会增加帕金森病的风险。进一步的证据表明，反复损伤通常与发展慢性神经退行性疾病的高风险相关。胶质纤维酸性蛋白、Tau和Aβ42在脑外伤中升高，并被建议作为脑外伤的诊断和预后生物标记物。GFAP表达增加可能是致命的，并可诱导AD发病。需要进一步的研究才能最终确定脑外伤与老年人认知功能减退的关系。

      免疫反应失调被证明是TBI后观察到的神经炎症和神经紊乱的原因。脑损伤诱导Aβ和磷酸化tau的释放和沉积增加，形成AP和NFT，以介导AD发病，特别是在AD进展的早期。死后大脑显示A、β和tau沉积增加，这是脑外伤的特征。脑外伤后A-β升高会导致脑内斑块的形成。脑损伤介导的tau沉积随脑损伤的严重程度、类型、时间点和数量的不同而不同。据报道，在CCI、重量下降、FPI和bTBI条件下发生了Tau沉积。携带载脂蛋白ε4的等位基因或TREM2中的突变显示，人类AD的发病率显著增加，这些操作可能会影响脑外伤后神经功能障碍的严重程度。TREM2可抑制急性巨噬细胞向脑内迁移，但也可上调慢性颅脑损伤后的神经变性。TREM2还调节AD的先天免疫途径。脑损伤会导致认知障碍、APP、细胞外Aβ肽和含有tau蛋白的细胞内NFT的增加以及炎性细胞因子和趋化因子的释放。大约30%的颅脑损伤患者的大脑显示出Aβ肽的存在。在颅脑损伤后24小时内发现这种Aβ沉积，表明AD特异性Aβ肽与颅脑损伤的发病机制有关。

      肥大细胞被认为在AD的发病机制中发挥重要作用，类似于小胶质细胞。由于肥大细胞与神经炎症、脑损伤或脑外伤有关，这些细胞可能加速脑损伤/脑损伤介导的阿尔茨海默病的发病(图3)。肥大细胞能够检测到AD中淀粉样斑块(AP)的产生。脑损伤后，肥大细胞立即浸润并脱颗粒，在大脑中释放神经保护性和化学诱导性介质，包括肿瘤坏死因子-α。然而，肥大细胞的数量在几天和几周内不断增加，并通过在围产期缺氧缺血时释放炎症介质如肿瘤坏死因子-α和白细胞介素-9来促进脑损伤，抑制肥大细胞的激活减少了未成熟大鼠的脑损伤。轻度脑外伤与持续数周的硬脑膜肥大细胞脱颗粒有关，在慢性情况下，这可能会损害免疫细胞向大脑招募的血脑屏障完整性。脑外伤会导致轴突损伤，并影响导致行为异常的大脑网络。胼胝体、穹窿、内囊、上下纵束和脑纤维中的轴突在颅脑损伤中尤其易受损伤。脑外伤患者还表现出脑白质异常，记忆和学习技能有缺陷，随着反复脑震荡而增加，丘脑-额叶连接障碍会导致注意力缺陷。胼胝体有较多的白质纤维，是颅脑损伤常见的损害部位，导致明显的认知功能障碍。白质损伤被认为是颅脑损伤严重程度的标志。脑外伤患者和脑外伤介导的阿尔茨海默病患者长期不可逆的认知功能障碍可能与多个神经元网络的联系密切相关。根据现有的报道，我们得出结论，脑外伤可能会增加高危人群发展为阿尔茨海默病的风险。

个人特质对TBI介导的AD发病的影响--年龄、性别、种族、情绪、周围疾病、过敏倾向、遗传因素、环境因素和常规食物的性质可以影响TBI介导的AD发病

      衰老增加了与大脑中的神经炎症和神经退化相关的胶质细胞和先天免疫细胞的激活。最近的研究表明，早期脑外伤对神经退行性疾病的影响较小。但是，老年人的脑外伤可能会影响特定神经退行性疾病的发生、进展和严重程度，如AD或PD。然而，众所周知，阿尔茨海默病在年轻人和老年人中都会导致痴呆症。最近的一项研究报告说，老年TBI患者比年轻患者发展为长期异常的风险更高。在年轻时受伤后，免疫系统可以很好地保护大脑。老年免疫反应减弱导致神经保护功能减弱，老年颅脑损伤易加速AD的发病。老年人的伤口愈合过程也需要更长的时间，因此炎症反应在老年人中持续数月甚至数年，因此更容易发生包括阿尔茨海默病在内的神经退行性疾病。

      由于荷尔蒙的影响，女性的TBI介导的并发症和死亡率低于男性(高出3倍。卵巢激素在保护女性免受中风和神经退行性疾病方面发挥着重要作用。孕酮可使M1向M2转化，使巨噬细胞和小胶质细胞表型转化。研究表明，表现出精神和神经行为症状的女性需要很长时间才能从受伤中恢复，并在TBI后重返工作岗位。自伊拉克和阿富汗战争以来，参与作战行动的美国女兵人数有所增加。此外，自2001年以来，使用美国退伍军人事务部(VA)服务的女性人数翻了一番。美国国防部目前允许女性担任战斗角色的政策可能会增加女性患脑外伤介导和压力诱导的AD的风险。此外，最近的战争表明战区需要女兵，因此增加了女兵与爆炸有关的脑损伤。因此，针对TBI中的性别差异和未来的性别依赖治疗选择，设计新的研究策略是至关重要的。退伍军人女性颅脑损伤的病因学表现为爆炸伤(61%)和其他原因，如跌倒和车辆伤(37%)。由于女性退伍军人患脑外伤的风险很高，因此在服兵役期间和服兵役后都应该对她们进行脑外伤筛查。

      营养在认知功能、心理健康、脑结构、神经营养因子、神经通路、神经元可塑性和神经退行性变疾病等方面起着关键作用。据报道，认知功能下降和血管性痴呆症风险增加与牛奶消耗量减少有关。地中海式饮食与AD患者认知功能减退、降低风险和死亡率有关。因此，具有特定饮食习惯的特定种族在大脑对TBI介导的并发症的易感性上表现出差异。在一些个体中，特别是在年轻人中，经常饮用提供抗氧化和消炎特性的葡萄酒与降低AD发病风险有关。然而，由于酒精是神经毒性的，并降低认知功能，同样数量的酒精消费可能是神经毒性的，特别是在老年人中。因此，以营养为基础的方法可能使AD患者受益。正常饮食或茶中存在的天然化合物可以起到“营养食品”的作用，并抑制小胶质细胞的激活，从而显示出神经保护特性。黄酮类化合物是存在于许多水果、蔬菜和草本植物中的天然活性化合物。几种黄酮类化合物显示出神经保护特性，并具有抗淀粉样蛋白生成的作用，因此可作为许多脑部疾病的治疗剂。黄酮类化合物具有抗炎、抗缺血、抗癌、抗菌、抗病毒和神经保护等特性。槲皮素，一种黄酮类化合物，已被证明在TBI动物模型中具有神经保护作用，通过改善运动功能测试减少脑水肿和神经元凋亡。在TBI动物模型中，染料木黄酮和碧萝卜素等黄酮类化合物在功能恢复过程中也显示出神经保护作用。木犀草素，一种有效的天然化合物，在Tg2576小鼠AD模型中抑制TBI诱导的AD发病。木犀草素在体外抑制损伤介导的ROS水平，增加神经元存活和核因子E2相关因子2(Nrf2)-ARE途径的激活。据报道，植物性白藜芦醇可以保护TBI后的脑损伤，类黄酮木犀草素被建议在神经退行性疾病中提供神经保护益处。经常食用含有这些黄酮类化合物的营养补充剂或饮食可以减缓或预防神经退行性疾病的发生，包括TBI和TBI介导的AD后观察到的不良反应。在性别方面，男性患AD的风险是以前脑外伤患者的两倍。

      越来越多的证据表明，慢性应激是认知下降和阿尔茨海默病发病的一系列风险因素。海马是阿尔茨海默病(AD)的重要器官。具有高皮质醇受体的海马体对于言语记忆和关于事件时间和地点的上下文记忆至关重要。慢性应激加速衰老过程，包括海马CA1区锥体神经元的神经元丢失。应激影响下丘脑和海马，并诱导短期记忆、神经元功能障碍、神经炎症、神经变性，最终导致阿尔茨海默病。反复应激可导致海马CA3区树突或锥体神经元萎缩。这是可逆的，但长期应激会永久损害海马神经元。慢性心理压力也被认为是晚发性AD和认知障碍的危险因素。几种应激状态激活了下丘脑-垂体-肾上腺(HPA)轴，增加了糖皮质激素的释放，如皮质醇(啮齿类动物的皮质酮)，这些激素在AD患者中升高。

      压力可以增加AD进展中APP和tau的磷酸化。在小鼠中反复轻度颅脑损伤诱导的机械应激增加脑内Aβ1-42肽、tau的水平和α-synuclein介导的神经变性。在AD小鼠模型(Tg2576)中，束缚应激显示Aβ(1-42)增加，tau过度磷酸化和皮层神经元萎缩。脑外伤-导致严重抑郁障碍(MDD)和创伤后应激障碍(PTSD)，这些与女性、抑郁、失业、健忘和对创伤事件的记忆显著相关。脑外伤与帕金森病有关，这是一种自杀风险和死亡率增加的精神疾病。这些症状可以加速人类颅脑损伤后的神经炎症和AD的发生和发展。目前，关于阿尔茨海默病的发病机制，很难将应激对小鼠和人类的影响进行比较。在美国退伍军人中，TBI和PTSD共病的诊断最近有所增加。这些退伍军人患者出现了几种神经精神症状，如失眠、记忆问题、焦虑、易怒、神经元连接中断、神经元电路功能障碍、行为变化、记忆障碍、神经炎症和氧化损伤。肥大细胞激活与应激以及抑郁症依赖性炎症和神经退化有关。外周和脑肥大细胞通过促肾上腺皮质激素释放因子(CRF)和其他介质参与应激介导的效应，包括上皮屏障功能障碍。此外，肥大细胞在应激后的激活表现出性别差异。雌性啮齿动物的肥大细胞显示，肥大细胞颗粒储存介质的合成、储存和释放增加，与发情周期无关。应激相关疾病在女性中更为常见，并与这些患者中更多的肥大细胞激活有关。颅脑损伤可诱导患者应激，而肥大细胞在应激介导的效应中起重要作用。因此，肥大细胞可能在TBI介导的应激诱导的神经变性和AD的发病机制中发挥重要作用。所有这些情况都增加了TBI-PTSD患者的神经炎症、神经变性、神经元死亡和生活质量恶化。最近，女性TBI患病率从25%上升到40%。女性比男性表现出更多的应激反应，包括女性退伍军人。此外，与正常女性相比，妊娠期TBI可能会增加应激水平。

      遗传因素在阿尔茨海默病的发病机制中也起着重要作用。载脂蛋白ε4合并颅脑损伤增加AD发病风险。研究表明，载脂蛋白ε4相关的磷脂失调，介导重复性冲击性脑损伤后tau的磷酸化。载脂蛋白ε及其子集载脂蛋白ε4已被证明参与Aβ毒性、神经炎症和血脑屏障破坏。慢性变态反应性疾病，如哮喘，肥大细胞增加和严重激活与tau的磷酸化、痴呆和AD的严重程度密切相关。慢性外周疾病和过敏性疾病的存在可增加TBI介导的AD的发病、进展和严重程度。某些药物也影响TBI诱导的AD发病机制。在社区居住的阿尔茨海默病患者中，抗抑郁药物的使用与跌倒和头部受伤的风险持续增加有关。先天免疫靶向治疗可改善AD症状。

      外围慢性疾病的存在也会影响大脑中的神经炎症和神经变性，例如在AD中。AP中存在的β诱导依赖于TLR的，影响AD患者β清除的因素的先天免疫反应。研究表明，脂多糖诱导的外周炎症在AD动物模型中诱导Aβ的形成、AP的形成和认知功能的损害。同样，中枢神经系统免疫反应也会影响外周免疫反应。最近的研究表明，糖尿病、高血压、高脂血症、慢性肾脏疾病、抑郁症、中风、牙周病与中枢神经系统的认知障碍和免疫反应变化明显相关。慢性外周疾病导致血脑屏障破坏，增加免疫细胞和炎症介质向大脑的渗透，进而进一步激活胶质细胞，增强神经炎症。同样，脑损伤会导致碎片和炎症介质渗漏到外周，并引发全身性炎症反应综合征(SIRS)。全身炎症反应综合征(SIRS)可增加外周血白细胞数量和寿命，增加炎症介质水平。外周中性粒细胞在几个小时内到达大脑中的损伤部位。一项研究表明，外周组织产生的和血源性的Aβ都可以进入大脑，诱导神经变性和AD发病。慢性牙周病病程的延长与AD发病风险的相应增加相关。通过预防措施可以改变AD的发病、进展和严重程度。一级预防可以通过减少或消除特定的危险因素来实现，并且不存在阿尔茨海默病。在二级预防中，AD可以在症状出现之前及早发现，治疗可以延缓或阻止其进展。三级预防可以抑制疾病并发症的严重程度，提高生活质量。从上述报道可以清楚地看出，有几个因素可以控制TBI介导的AD的首发进展和严重程度(表3-4，图3)。

免疫和炎症途径作为脑外伤致阿尔茨海默病的药物靶点

      颅脑损伤相关认知障碍的发病率和死亡率在患者中仍居高不下。据估计，美国约有530万人患有与脑外伤相关的残疾(疾病控制和预防中心报告)。这是因为确切的疾病机制还不清楚。此外，研究表明，神经免疫反应是损伤后大脑功能恢复的重要因素。此外，TBI中启动的小胶质细胞对于任何后续的免疫挑战都是高度活跃的，这会恶化TBI的恢复。大约2%的美国人口生活着由于TBI而导致的各种残疾。某些药物可以改善认知功能障碍，但对慢性颅脑损伤患者认知功能障碍的显著改善尚未有明确报道。随着对脑损伤后免疫和炎症反应认识的不断深入，神经炎性反应成为抑制、预防和治疗颅脑损伤患者的药物靶点。神经炎性反应可导致颅脑损伤患者继发性脑损伤。然而，目前还不清楚在什么情况下治疗应该是有效的，以防止TBI介导的发病机制。以前的研究表明，临床试验和治疗尝试针对TBI后的神经免疫和神经炎症反应。结果表明，由于其复杂性，神经保护机制和神经炎症机制重叠，给治疗带来困难。几项临床前研究已被证明无效和不成功，因为确切的免疫和炎症反应仍不清楚，而且患者群体和TBI具有异质性。最近的临床前和临床试验表明，脑外伤患者的神经保护反应显著改善。因此，继续了解脑外伤患者的免疫和炎症反应机制，为脑外伤和阿尔茨海默病的治疗提供有效的治疗方案是非常重要的。

结论和前景

      在一般人群中，由于意外事故、运动和战区国防人员的原因，颅脑损伤通常更为常见。中性粒细胞和肥大细胞等先天免疫细胞介导的免疫反应可预防和限制炎症反应，清除损伤部位的死亡细胞和碎片，促进伤口愈合过程。然而，在严重和广泛的创伤中，保护性的先天免疫反应不足以控制免疫反应，严重的炎症反应会导致胶质细胞的激活和神经炎症。这种慢性神经炎导致中枢神经系统和外周系统中促炎介质的产生增加，继发性组织损伤，以及伴随神经元死亡的神经行为改变。在高危人群中，TBI和应激状态下肥大细胞的激活可能会增加AD发病的风险。在这些个体中，神经退行性变的增加会导致AD的发生和发展。因此，TBI可以加速AD的发病。尽管很少有研究报道TBI和AD之间可能没有联系，但大多数其他报道的研究确实将TBI和AD联系起来。然而，与这一环节相关的所有风险因素还没有被清楚地了解和调查。此外，这一联系的确切机制也不清楚，包括先天免疫系统的关键贡献。TBI介导的不良反应在人类中是非常不同的。病变的严重程度和持续时间取决于损伤的部位、程度和频率。年龄、性别、饮食、慢性外周疾病、变态反应性疾病、情绪特征、遗传因素、环境因素以及某些药物都可以影响或加速TBI介导的AD的发病。此外，未来的研究还应侧重于个体的情绪活动，这些活动可以影响神经免疫反应、神经行为特征和心理应激。有效的治疗选择应该抑制不利的神经炎症途径，而不是TBI后发生的即时保护性免疫反应。