9 肥大细胞在术后急性中枢炎症反应中的作用
外周手术创伤可以活化固有免疫系统，激活外周免疫细胞，导致相应细胞因子的释放。相关免疫信息传入大脑，致大脑内与免疫相关的细胞活化，释放炎症介质，损伤神经元，引起中枢的急性炎症反应。肥大细胞（mast cells，MCs）是机体固有免疫系统的一种多功能效应细胞，在脑内主要位于血脑屏障（blood-brain barrier，BBB）周围。外周炎症来袭时，脑内MCs数量增加，并在第一时间捕捉到血液中的免疫信号，迅速释放类胰蛋白酶和组胺等活性物质激活小胶质细胞与星形胶质细胞，促进其释放肿瘤坏死因子α、白介素6、活性氧等。同时，MCs还可作用于血管内皮细胞等，进一步破坏血-脑屏障。以下就MCs在术后急性中枢炎症发生与发展中的作用进行综述。
一、外周手术可致急性中枢炎症
有文献表明，胫骨骨折手术，腹部手术，血管手术等多种外周手术均可引起全身和中枢炎症。Xiong CD等人发现，小鼠施行胫骨骨折手术后，与假手术组相比，促炎细胞因子IL-1β、IL-6和TNF-α的水平在脑内迅速升高，小胶质细胞激活，颅内血管内皮细胞功能紊乱，BBB通透性改变，从而出现急性中枢炎症。
此外，既往的术后认知功能障碍（Postoprative Congnitive dysfunction，POCD）和近期提出将POCD更名为围术期神经认知紊乱（perioperative neurocognitive disorders，PND）的研究中已有大量证据表明，外周手术诱发的中枢炎症是发生POCD或PND的重要机制之一。因此，探讨外周手术与急性中枢炎症的关系，不仅具有揭示外周与中枢神经双向调控机制的理论意义，而且具有加速老年患者术后康复和提高生活质量的重要临床意义。
二、术后急性中枢炎症与MCs的变化
人体中的MCs来源于骨髓干细胞，以CD34+单核细胞形式介入循环，并在所驻留组织中发育成熟。MCs广泛存在于所有器官和血管组织中及腹膜，滑膜等处，它们也可以从外周经血液循环转移至中枢神经系统。脑内MCs多位于BBB脑实质侧，与小胶质细胞，星形胶质细胞，神经元，血管内皮细胞关系紧密。它是先天免疫系统中重要的“第一反应细胞”，有助于机体对病原体做出免疫应答。MCs表面表达多种受体，这些受体有助其参与细胞迁移、增殖和激活的调控。MCs表面最重要的两种受体为c-kit和高亲和力IgE受体（FcεRI）。c-kit受体可介导肥大细胞祖细胞的分化、脱颗粒与细胞因子合成。IgE与FcεRI的交联可致蛋白酪氨酸激酶（Syk和Lyn）的活化，进而刺激有丝分裂原活化蛋白激酶（MAPK）级联的活化，引起IL-33、TNF等炎症因子基因表达增加。活化的MCs立即脱颗粒，释放储存的介质，例如组胺，肝素，类胰蛋白酶，胃促胰酶，激肽原酶，羧肽酶A3和TNF等。
MCs被激活后，由于给定的刺激和微环境条件不同，分别可释放促炎介质，或释放抗炎介质。因此MCs兼具促进和抑制炎症过程的能力。中枢神经系统的MCs参与了各种病理过程：在脑缺血出血模型中，其可加重中枢神经系统损伤，即BBB损伤增加，发生脑水肿及脑出血，促进炎症反应；相反，MCs可能通过特异性蛋白酶降解促炎细胞因子，在创伤性脑损伤后发挥保护作用。
然而，目前的文献提示，在外周手术致中枢炎症的进程中，肥大细胞倾向于发挥促炎作用。正常情况下，脑内MCs可通过脱颗粒分泌组胺、类胰蛋白酶等介质，调节感觉、情绪、认知等。外周炎症来袭时，脑内MCs则在第一时间捕捉到血液中的免疫信号并迅速脱颗粒，释放颗粒中的介质，起到中枢炎症反应的起始者和催化剂的作用。在一项大鼠胫骨骨折模型实验中，我们发现胫骨骨折手术可以引起脑内MCs数量增加，BBB通透性增大，小胶质细胞激活及神经元凋亡，导致中枢炎症加重；提前在侧脑室注射MC稳定剂可明显逆转上述现象。据此可推测，MCs脱颗粒释放的活性物质，如组胺和类胰蛋白酶等是破坏BBB和加剧中枢炎症反应的“元凶”。我们进一步采用MC缺陷鼠C57BL/6-KitW-sh/W-sh进行实验，结果发现野生鼠脑内给予MC激活剂Compound 48/80（C40/80）显著促进了脑内炎症的发展，而MC缺陷鼠C57BL/6-KitW-sh/W-sh脑内给予C48/80后中枢炎症没有影响[16]。这些工作再次证实了脑内MCs脱颗粒在外科术后BBB通透性升高和在急性中枢炎症发生中的重要作用。
三、中枢激活的MCs与小胶质细胞
在中枢神经炎症的发生发展过程中，小胶质细胞的作用已被广泛认可。然而免疫来源的其他非神经细胞（如MCs）释放的促炎信号也是关键因素。目前已有研究证明MCs和小胶质细胞之间存在多种潜在相互作用的分子机制。例如：①TLRs参与中枢神经系统免疫功能细胞活化，可导致炎症前级联反应。当TLR2或TLR4激活时，人MCs释放细胞因子，将免疫细胞招募到损伤部位。同样，小胶质细胞的招募也依赖于TLR2和TLR4相关信号通路。MCs活化导致CCL5/RANTES等趋化因子上调，诱导小胶质细胞发生促炎反应；小胶质细胞释放的IL-6和CCL5又可反向影响MCs表面TLR2和TLR4的表达。②神经性疼痛的发展过程涉及ATP/嘌呤能受体信号通路。小胶质细胞与MCs均表达多种P2X和P2Y受体亚型。MCs中，ATP可通过自分泌/旁分泌方式释放；ATP在体外对小胶质细胞具有强大的刺激作用。细胞外ATP可通过TLRs刺激PAMPs（例如LPS）预活化的小胶质细胞，使其释放IL-33，之后IL-33与MCs上的IL-33受体结合，诱导MCs IL-6，IL-13和单核细胞趋化蛋白-1的分泌；单核细胞趋化蛋白-1反过来可以调节胶质细胞活性。③脑源性神经营养因子在诱发疼痛过敏起着关键作用。外周神经损伤后，MCs胰蛋白酶激活受体2（PAR2）的分裂，激活携带PAR2的小胶质细胞，导致小胶质细胞P2X4受体上调，介导BDNF释放；小胶质细胞释放的介质作用于附近的MCs，导致两种细胞类型之间形成BDNF驱动的反馈回路。此外，小胶质细胞释放的IL-6和TNF-α可以上调肥大细胞上PARs表达，增强这种反馈回路。
为了探讨激活的MCs对小胶质细胞的影响，我们做了以下实验：对大鼠实行胫骨骨折手术，通过免疫染色检测海马小胶质细胞标记物Iba1，以了解海马小胶质细胞激活情况。术后第1天和第3天进行观察，我们发现Iba1-ir细胞数量显著增加，且细胞表现为细胞体大，分枝短而粗的形态。这种结果可以通过使用MC稳定剂进行预处理来预防，并可通过使用MC激活剂进行预处理而加剧。为了进一步观察激活的MCs对海马小胶质细胞表型变化的影响，我们测试了术后1天海马CA1区小胶质细胞的表型标志物。结果发现手术增加了M1标记物（CD86，CD32，IL-1β）和免疫调节M2b标记物（SOCS3）的表达，而M2a修复/再生标记物（CD206）的表达减少。这些结果表明MCs的稳定可以抑制小胶质细胞的活化。
四、中枢激活的MCs与星形胶质细胞
星形胶质细胞是中枢神经系统中最丰富的非神经元细胞群，参与所有中枢神经系统的基本功能，包括神经元的存活和分化、能量代谢、血流调节、体液稳态、神经传递、成体神经发生、免疫防御等。大量研究表明，这种细胞群能积极调节中枢神经系统的免疫反应。在中枢神经系统疾病的不同阶段，这些细胞在保护性免疫反应或破坏性炎症的进展中均发挥重要作用。星形胶质细胞的轻度活化通常具有神经保护作用，可改善神经退行性变的早期症状。其分泌的神经营养因子如胶质细胞源性神经营养因子（GDNF）、脑源性神经营养因子（BDNF）、神经营养因子3（NT-3）的释放可促进神经元存活，维持突触稳态。GDNF还可以抑制小胶质细胞活化，减轻神经炎症。然而，星形胶质细胞的强烈活化则会导致大量细胞因子、趋化因子、活性氧和促炎介质的分泌，影响周围细胞如小胶质细胞、神经元和星形胶质细胞本身的细胞状态，导致兴奋毒性、神经变性和细胞凋亡。
MCs与星形细胞具有交互作用。有实验表明，将人U87成胶质细胞瘤（U87）和人MC-1（HMC-1）细胞系共培养，小鼠大脑皮质来源的星形胶质细胞和小鼠骨髓来源的MCs（BMMCs）共培养，结果发现共培养可致［Ca2+］i水平升高，细胞因子和趋化因子释放增加；Rho-family GTPases，NF-κB/AP-1/STAT1727，Jack1/2，STAT1701通路激活。抗CD40抗体或CD40 siRNA均可抑制上述效应。作者得出结论，MCs与星形胶质细胞共培养时，他们可通过CD40-CD40L相互作用彼此激活，激活的星形胶质细胞通过小GTP酶诱导炎性细胞因子产生，而这些细胞因子可通过Jak/STAT1701途径反向激活星形胶质细胞，释放更多的细胞因子，导致多发性硬化症等神经退行性疾病。两种细胞间的接触在体外和EAE模型中均为双向激活，两种活化细胞均可通过多种介质导致中枢炎症，启动神经退行性疾病的发生发展。
组胺对星形胶质细胞的离子稳态、能量代谢和神经递质清除等活动有重要影响。星形胶质细胞表达组胺H1、H2和H3受体，但不表达H4受体。组胺能选择性上调这三种组胺受体的表达，诱导星形胶质细胞活化。M. Lipnik-Štangelj等人的研究表明，组胺和白介素-1β（IL-1β）协同作用可调控神经生长因子（NGF）从胶质细胞释放；组胺和白介素-6（IL-6）协同刺激NGF分泌也得到了类似的结果。这些结果表明，组胺可能通过与多种细胞因子和神经营养因子相互作用，从而影响星形胶质细胞的免疫调节功能。在中枢神经系统中，组胺主要由MCs分泌，活化的MCs可触发星形胶质细胞活化并产生炎症因子，提示活化的MCs可导致星形胶质细胞的促炎谱。我们在另外一些研究中，发现组胺在 0.001，0.01，0.1，1μg/ml浓度时，更倾向于对星形胶质细胞起到神经保护和抗炎作用。通过触发H1，H2，H3受体，组胺可减少星形胶质细胞TNF-α与IL-1β的合成和分泌，增加GDNF的分泌。因此，组胺可能通过对星形胶质细胞TNF-α和IL-1β分泌的下调，GDNF合成的上调，唤起星形胶质细胞的神经保护作用。
五、中枢激活的MCs与血管内皮细胞
脑微血管内皮细胞是BBB和紧密连接蛋白（tight junction protein，TJP）网络的主要成分，在维持BBB的完整性中起到至关重要的作用。脑血管内皮细胞可以表达基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs），其中基质金属蛋白酶2（MMP2）和MMP9可降解TJPs，破坏BBB的完整性。
我们的研究表明，类胰蛋白酶可与大脑微血管内皮细胞上Par-2受体结合，上调黏附分子VCAM-1，激活内皮细胞，下调BBB紧密连接蛋白occludin和claudin-5的表达，上调金属蛋白酶MMP2和MMP9的表达，破坏BBB的完整性。MCs活化后可释放大量类胰蛋白酶，活化MCs的上清液可以诱导内皮细胞的激活，促进炎性细胞因子TNF-α和il-6等的分泌，损害BBB，从而加重中枢炎症。
六、展望
外周手术可引起急性中枢炎症反应。在这一反应中，中枢MCs发挥重要作用。其脱颗粒释放的各种介质，在引起和加重炎症反应同时，激活小胶质细胞、星形胶质细胞和血管内皮细胞，导致神经元凋亡和BBB破坏，进一步加剧炎症反应。故我们应当重视MCs在术后急性中枢炎症中的作用，从而为临床防治术后急性中枢炎症及相关疾病寻找可能的干预手段。
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