【综述】水通道蛋白4抗体阳性视神经脊髓炎谱系疾病的发病机制

文章来源：中华神经科杂志, 2023,56(2) : 227-232

作者：游云凡 秦川 田代实 周罗绮

摘要

视神经脊髓炎谱系疾病（NMOSD）是以视神经和脊髓受累为主要表现的中枢神经系统自身免疫性脱髓鞘疾病，以视神经炎、急性脊髓炎、极后区综合征等为主要临床特征。其中水通道蛋白4（AQP4）抗体阳性患者占多数，且较AQP4抗体阴性患者临床症状更重、复发更频繁、致残率更高，但其发病机制尚不明确。文中对AQP4-IgG阳性NMOSD发病机制的研究进展进行综述。

视神经脊髓炎（neuromyelitis optica，NMO）是一种中枢神经系统（central nervous system，CNS）的自身免疫性脱髓鞘疾病，临床表现主要为视神经炎（optic neuritis）和长节段横贯性脊髓炎（longitudinally extensive transverse myelitis）。该病由Devic首次描述，所以又称为Devic病。2004年，Lennon等^［1］发现一种对NMO具有高度特异性的IgG自身抗体（NMO-IgG），随后证明NMO-IgG的靶抗原是位于星型胶质细胞足突上的水通道蛋白4（aquaporin-4，AQP4），所以NMO-IgG也称为AQP4-IgG^［2］。2007年Wingerchuk等^［3］将一些发病机制与NMO相似的非特异性炎性脱髓鞘病进行了归纳，并提出NMO谱系疾病（neuromyelitis optica spectrum disorder，NMOSD）这一概念。由于早期的NMO诊断标准要求视神经和脊髓受累，但是临床上患者可能出现局限或更广泛的CNS受累，于是2015年国际NMO诊断委员会统一定义了NMOSD这一术语，并更新了NMOSD的诊断标准^［4］。

AQP4-IgG是NMO的敏感且高度特异的血清标志物，约80%的NMOSD患者被检测出AQP4-IgG阳性^［5］。AQP4-IgG阳性患者起病年龄为40岁左右，以亚洲人群更常见，且发病年龄更小，女性比男性高发^［6］。我们以“视神经脊髓炎”“水通道蛋白4抗体”“自身免疫”“炎症”“neuromyelitis optica”“anti-aquaporin 4 autoantibody”“autoimmunity”“inflammation”作为中英文检索词，在中国知网数据库以及PubMed数据库中检索2000—2022年的相关中英文文献，对其研究现状及进展进行综述。

一、AQP4的介绍

（一）AQP4的结构

AQP4每个单体由6个螺旋跨膜结构域和2个围绕狭窄水孔的短螺旋段组成。AQP4主要有2种亚型：M1和M23亚型。2种亚型在翻译时的起始位置不一样，相对较长的M1亚型在甲硫氨酸-1（Met-1）处起始翻译，另一种较短的M23亚型在甲硫氨酸-23（Met-23）处起始翻译^［7］。AQP4与其他水通道蛋白一样，AQP4单体组装成四聚体，M23同型四聚体和M1/M23异四聚体进一步聚集在细胞膜上组装成被称为正交粒子阵列（orthogonal arrays of particles，OAPs）的超分子结构。

有研究发现M23-AQP4可能是通过相邻四聚体中精氨酸-108（Arg-108）和酪氨酸-250（Tyr-250）之间的相互作用介导形成更大的阵列，而M1-AQP4不能单独形成OAPs，OAPs的大小、形状取决于M1-AQP4与M23-AQP4的相对含量^［8］。目前认为AQP4-IgG对OAPs有着更高的亲和力，并且补体识别单位C1q通过与OAPs上聚集的AQP4-IgG形成高效多价结合，这可以显著增强补体依赖的细胞毒性（complement dependent cytotoxicity），对进一步理解疾病的发生有重要意义^［9］。

（二）AQP4的功能

AQP4属于选择性水通道蛋白家族，是一种双向、渗透驱动的水通道，是大脑、脊髓和视神经中最丰富的水通道，通过参与水分子穿过血脑屏障的过程来控制神经系统的水稳态^［5］。关于AQP4的功能研究大多是基于AQP4基因缺陷动物的研究，研究发现AQP4参与脑脊液的产生并在内环境稳定中发挥重要作用^［10］。水中毒和缺血性脑梗死模型中AQP4基因缺陷的小鼠脑水肿减轻^［11］；在血管源性水肿和脑积水模型中AQP4基因缺陷小鼠的预后更差^［12］，这些发现表明了AQP4在脑中对水平衡调控的重要作用。

此外，越来越多的研究结果表明，AQP4还参与其他各种生理功能，如神经兴奋、突触可塑性和记忆形成、淋巴液清除、神经炎症、谷氨酸稳态、钾离子平衡、细胞外空间体积调节等^［13］。

（三）AQP4的分布

AQP4主要在CNS的星形胶质细胞、室管膜细胞和视网膜Müller细胞中表达，但不存在于少突胶质细胞、神经元或脉络膜上皮细胞。在血管附近的星形胶质细胞末端表达最多，与血脑屏障接触，这种聚集表达也称为AQP4的极化表达。AQP4还在肾、气道、胃肠器官的上皮细胞基底外侧膜表达，在骨骼肌中表达水平较低^［6］。虽然AQP4也在这些外周器官中广泛表达，但并未出现病理改变，这可能是由于补体激活调节因子在外周与AQP4共表达比CNS更高^［14］。AQP4的分布与AQP4-IgG抗体阳性患者的病变分布高度相关，特征性病灶位于视神经、脊髓、间脑和后脑区，相应部位受累便可出现对应症状。You等^［15］对人视网膜中的AQP4和Müller细胞的功能紊乱进行了详细分析，提供了AQP4-IgG阳性患者眼部Müller细胞功能障碍的体内结构和功能证据。

有研究结果表明，AQP4的极化表达可能与其C端丝氨酸-丝氨酸-缬氨酸（Ser-Ser-Val）序列有关，这段序列是PDZ结构域（postsynaptic density protein-95，discs large，and zona occludens 1 proteins）的特征性结合基序，此外聚集蛋白、肌营养不良蛋白相关蛋白复合物以及星形胶质细胞与内皮细胞和软脑膜细胞的接触对AQP4极化也有重要作用^［16］。

二、AQP4-IgG与NMOSD

（一）AQP4-IgG的产生

现阶段对于NMOSD患者产生自身特异性AQP4-IgG的机制尚未明确，可能的原因有以下几点：（1）免疫耐受缺陷：研究发现在NMOSD患者的中枢和外周B细胞耐受检查点存在缺陷，导致自身反应性幼稚B细胞过多，自身反应性B细胞不能被清除或使其处于无反应状态，导致在其幼稚B细胞积累，伴随大量自身反应性克隆，免疫耐受缺陷可能是AQP4自身抗体产生和随后疾病发生的关键因素之一^［17］。（2）分子模拟：有研究发现，自然界中的几种植物和细菌蛋白质在序列和结构上与人类AQP4有显著的相似性^［18］。另有学者发现与AQP4反应的T细胞会与产气荚膜梭菌蛋白质内的同源肽序列表现出交叉反应^［19］。这些研究结果可能对致病性抗体的产生机制有一定提示作用。此外，IL-6有促进浆细胞存活、增强促炎性T细胞分化和激活及刺激AQP-IgG产生等作用，在致病抗体产生及致病过程中发挥重要作用^［20］。

针对抗体的产生，目前有学者研究了许多不同的治疗靶点，包括B细胞抗原CD19（inebilizumab）、CD20（rituximab）以及IL-6R（satralizumab）等靶点的单克隆抗体。inebilizumab和rituximab通过耗竭B细胞从而减少致病性抗体，在临床上都取得了较好的疗效^［21］。satralizumab通过阻断IL-6的作用，减少致病性抗体产生，可以显著减少患者疾病的复发^［22］。此外，诱导免疫耐受是一种新兴技术，或许可以在保留机体正常防御机制的同时治疗NMOSD。一项Ⅰb期临床试验结果表明，使用负载特异性抗原的工程树突状细胞诱导耐受是安全可行的^［23］。

（二）AQP4-IgG与疾病的关系

自从Lennon等^［2］发现NMO患者中特异性的AQP4-IgG以来，人们认识到NMO是一种与多发性硬化（multiple sclerosis，MS）不同的独立疾病。随后，Lopez等^［24］发现在部分AQP4抗体阴性的NMOSD患者中存在髓鞘少突胶质细胞糖蛋白（myelinoligodendrocyte glycoprotein，MOG）抗体，于是这类髓鞘少突胶质细胞糖蛋白抗体相关性疾病（myelin oligodendrocyte glycoprotein antibody-associated disease，MOGAD）的患者可作为一类独立疾病实体与NMOSD进行区分，但目前对于MS并未发现有特异性的自身抗体。三者在临床表现上非常相似，故血清抗体检测是其重要的鉴别手段。

目前认为AQP4-IgG是NMOSD的主要致病因素，检测血清中AQP4-IgG是否阳性是NMOSD诊断的最重要的方法^［25］。但是AQP4-IgG滴度在预测患者疾病复发上并不准确，有些研究结果表明大多数患者复发前AQP4-IgG滴度有不同程度的增加，但也有AQP4-IgG滴度降低患者复发的例子。随着时间的推移，个体间和个体内AQP4-IgG的绝对水平都有所不同，不易确定预测复发的抗体滴度临界值^［26］。此外，血清AQP4-IgG滴度通常与疾病严重程度呈正相关，但并不是所有血清AQP4-IgG滴度高的患者临床表现都更严重^［27］，这可能预示着还有更加复杂的致病机制在NMOSD中发挥重要作用。关于抗体滴度与疾病复发进展等方面的关系还有待进一步的研究。

三、AQP4-IgG进入CNS

（一）AQP4-IgG由外周进入中枢

目前认为AQP4-IgG主要存在于外周循环，通过血脑屏障到达CNS与星型胶质细胞上的AQP4结合是导致疾病发生的一个关键步骤。

一般在血脑屏障的作用下，血液中的免疫球蛋白不容易进入到CNS。许多研究发现NMOSD都存在不同程度的血脑屏障损伤，AQP4-IgG可能通过已损伤的血脑屏障进入CNS，而AQP4-IgG进入CNS与AQP4结合可导致AQP4内化，扰乱水稳态并引发水肿，破坏血脑屏障的完整性^［28］。此外，疾病过程中自身抗体、免疫细胞以及细胞因子都可能损害血脑屏障，增加血脑屏障的通透性，从而允许更多自身抗体进入CNS，导致疾病进一步加重，进而导致恶性循环。有学者发现IL-6不仅可以促进AQP4-IgG的产生还可以诱导T细胞迁移并破坏血脑屏障的屏障功能^［29］，而在AQP4-IgG存在的条件下，萨特利珠单抗（satralizumab）可以通过血脑屏障抑制血脑屏障功能障碍和炎性细胞浸润，从而预防疾病的发生。

也有研究发现血脑屏障的损伤可能不是病变形成的前提条件，软脑膜细胞层在小动脉水平上开有窗，在毛细血管、小静脉和静脉水平上广泛缺失。在这些区域，表达AQP4的星形胶质细胞末端直接暴露于离开微血管的抗体。此外，AQP4-IgG还可以通过脑室周围器官等血脑屏障通透性较强的区域或通过细胞外途径进入脑脊液^［30］。

（二）AQP4-IgG鞘内合成

除了从外周循环进入CNS，AQP4-IgG还可能来源于鞘内合成。Bennett等^［31］通过检测首次临床发作的NMO患者脑脊液中过度表达的浆细胞免疫球蛋白序列，发现AQP4-IgG在发病时存在鞘内合成，并直接参与到NMO的发病过程。Kowarik等^［32］通过比较AQP4抗体阳性患者的血清与脑脊液的转录组和免疫球蛋白组，发现在NMO恶化期间，鞘内免疫球蛋白大部分是由鞘内B细胞产生，这群细胞由新产生的克隆和外周来源的克隆组成，可能导致 NMO疾病的恶化和病变形成，并且可能是预防性治疗的重要目标。

四、AQP4-IgG 导致细胞损害的机制

AQP4-IgG阳性患者CNS病变的特征是血管中心性IgG和IgM沉积，AQP4-IgG与抗原结合触发经典补体级联反应，激活的补体以及星形胶质细胞分泌的细胞因子诱导炎性细胞浸润，随后引起的CNS兴奋性毒性与旁观者效应，造成脱髓鞘与神经损伤。MS与MOGAD的病理学特点是静脉周围汇合性脱髓鞘、部分轴突保留以及白质和灰质中的反应性胶质增生。在NMOSD中，轴突和星形胶质细胞的丢失非常严重，而在MS和MOGAD中星形胶质细胞和轴突大量保留。在NMOSD中观察到AQP4下调，而在MOGAD中AQP4保留甚至升高^［24］。

（一）致病性抗体的作用

绝大多数AQP4-IgG都是IgG1，而IgG1可有效激活补体系统，引发补体依赖的细胞毒性^［33］。AQP4-IgG与OAPs结合后，攻膜复合物（membrane attack complex，MAC）通过破坏局部磷脂双分子层形成穿膜亲水孔道，细胞吸水肿胀破裂。此过程中产生的补体活化单位C3a、C5a等是重要的炎性介质，可促进炎性细胞浸润。补体激活产生的C3b、C4b等补体成分结合在靶细胞膜上，通过与吞噬细胞表面补体受体结合促进吞噬细胞对其进行吞噬，发挥调理作用^［34］。此外，表达IgG Fc受体的自然杀伤细胞（natural killer cell，NK）可以通过与已结合在细胞上的AQP4-IgG的Fc段结合，从而杀伤靶细胞，发挥抗体依赖的细胞介导的细胞毒性作用（antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity，ADCC）^［35］。

有研究发现抗人类补体蛋白C1q单克隆抗体在细胞培养和脊髓切片培养中均可起到减轻抗体引起的补体依赖的细胞毒性，在NMO动物模型中也可观察到脱髓鞘损伤减轻^［36］。最近一项随机双盲3期临床研究使用C5抑制剂（eculizumab）阻断补体激活来治疗患者，结果显示eculizumab单一疗法可以长期有效地预防疾病复发^［37］。

类似地，大多数MOG抗体也是IgG1，结合少突胶质细胞上的MOG，理论上同样可以激活补体系统启动ADCC导致脱髓鞘。Serguera等^［38］在恒河猴脑中也发现了IgG和C1q的沉积。

（二）炎性细胞的作用

补体活性成分以及细胞因子可促进炎性细胞浸润，主要包括中性粒细胞、嗜酸性粒细胞、巨噬细胞/小胶质细胞、淋巴细胞^［39］。值得关注的是，在MOGAD和NMOSD中，CD4⁺T细胞数量要超过CD8⁺T细胞，可见粒细胞浸润，而在MS中主要由活化的巨噬细胞、小胶质细胞和CD8⁺T淋巴细胞组成，CD4⁺T细胞、B淋巴细胞和浆细胞的数量较少，粒细胞浸润不常见^［24］。

相关研究结果表明，在NMO小鼠模型中，外周血液循环中的中性粒细胞显著升高，在病变早期进入CNS后可加剧补体激活引起的损伤，中性粒细胞主要依赖弹性蛋白酶产生CNS损伤，实验结果也表明选择性弹性蛋白抑制剂（西维来司）对NMO急性期治疗有益^［40］。

嗜酸性粒细胞在NMO脱髓鞘病变中含量丰富，研究发现其可能是通过与细胞表面结合的抗体共同作用产生抗体依赖性细胞介导的细胞毒性，或在补体的帮助下，通过补体依赖性细胞介导的细胞毒性杀伤细胞，而抗组胺药西替利嗪对造模小鼠的病变有缓解作用^［41］。

近年来，巨噬细胞/小胶质细胞在NMO发病机制中的作用受到重视。研究认为巨噬细胞/小胶质细胞在细胞溶解前期与星形胶质细胞的相互作用可能是驱动NMO病变的关键，此过程涉及早期激活的补体成分与小胶质细胞C3a受体信号，AQP4-IgG激活的星型胶质细胞可能通过C3裂解产物C3a促进巨噬细胞/小胶质细胞的活化，激活的巨噬细胞/小胶质细胞产生的C1q可以启动经典补体级联反应，也可能单独引起轴突损伤，故巨噬细胞/小胶质细胞可能是治疗NMO的新靶点^{［42, 43］}。

淋巴细胞在NMO疾病过程中的作用同样不容忽视。有研究结果表明单纯AQP4-IgG的作用不足以诱导产生星型胶质细胞破坏性的NMO损伤，而AQP4特异性CD4⁺T细胞的激活可能为AQP4-IgG诱导星形胶质细胞损伤提供必需的炎性环境^［44］。另一项研究结果表明，过度激活的CD8⁺T细胞亚群与NMOSD的发病机制有关，而免疫治疗可能通过减少效应/记忆CD8⁺T细胞发挥抗炎作用^［45］。此外，调节性T细胞可能通过抑制炎性细胞浸润、巨噬细胞/小胶质细胞活化，从而降低趋化因子和促炎性细胞因子水平，改善NMO的病变损伤^［46］。B细胞除了活化成为效应B细胞后分泌致病性自身抗体外，还可能通过抗原提呈、增强促炎性B细胞活性、减弱调节性B细胞活动等抗体非依赖性方式参与炎性反应，导致脱髓鞘和组织损伤^［47］。经B细胞耗竭疗法（利妥昔单抗）治疗的患者，虽然抗体滴度并没有持续下降，但患者也有显著的症状缓解，提示可能存在自身抗体以外的发病机制^［48］。

（三）继发损害

神经元和少突胶质细胞继发性损害可能是星型胶质细胞的功能障碍和丢失以及旁观者效应导致的。

星型胶质细胞除了支持其他神经细胞外，还对脑内谷氨酸稳态调节有重要作用，AQP4-IgG结合星型胶质细胞可能下调其兴奋性氨基酸转运体2（excitatory amino acid transporter 2）的表达，导致细胞外的谷氨酸无法被星形胶质细胞摄取而产生堆积，而神经元和少突胶质细胞对细胞外谷氨酸的积累高度敏感，由此引起细胞兴奋性毒性，加重NMOSD病变^［49］。

此外，AQP4-IgG与星形胶质细胞AQP4结合后，激活的可溶性补体蛋白（C5b67）导致补体MAC沉积在附近的少突胶质细胞上，少突胶质细胞因为低表达CD59（抑制MAC形成的糖蛋白）而易受到补体攻击，这被称为补体的旁观者机制，可以解释早期少突胶质细胞损伤和脱髓鞘^［50］。

五、小结与展望

综上所述，AQP4抗体阳性的NMOSD的发病机制是通过自身抗体与抗原结合后触发的抗体及补体依赖细胞毒性作用为始动环节，继而产生炎性因子浸润与炎性细胞激活，伴随血脑屏障通透性增高、神经兴奋性递质累积等病理过程，最终导致CNS脱髓鞘损伤的错综复杂的过程。其中确切的分子机制尚不明确，如自身抗体产生的具体机制，抗体滴度与疾病的严重程度，抗体滴度与疾病的复发、预后的相关性，炎性细胞的免疫表型与发病的关系等，针对这些问题的研究都可以为NMOSD的治疗提供新的理论依据及靶点。

参考文献略