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细菌性脑膜炎中中性粒细胞的作用及机制研究

2020-07-16 431 上传者：管理员

摘要：细菌性脑膜炎是好发于人或动物中枢神经系统的急性感染性疾病,常由化脓性细菌感染所致。中性粒细胞是人体免疫系统的重要组成细胞,处于机体抵抗病原微生物、特别是化脓性细菌入侵的前线,在固有免疫中起着重要作用。在细菌性脑膜炎的发生发展过程中,中性粒细胞发挥重要作用,文章就其重要性进行综述。

关键词：
中性粒细胞
中枢神经系统
急性感染性疾病
细菌性脑膜炎
血脑屏障
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中性粒细胞,也被称为多形核白细胞(PMN),是血液中含量最为丰富的白细胞,在机体抗微生物感染早期起到重要作用。细菌性脑膜炎作为中枢神经系统(CNS)常见的感染性疾病,具有高发病率和高死亡率的特征,其主要致病菌为化脓菌,如脑膜炎双球菌、大肠杆菌K1、B型链球菌、2型猪链球菌、肺炎双球菌和流感嗜血杆菌等[1]。细菌性脑膜炎主要病理生理特征是外周血和脑脊液中大量的PMN浸润,该反应为机体对抗病原体提供重要的免疫防御作用,但若此种反应过度也会对CNS造成严重的损害[2]。文章就PMN在细菌性脑膜炎中的作用及机制研究进展作一综述。

1、PMN抗细菌机制及其相互作用

PMN是人体内重要的炎症介导细胞之一。当机体受到病原菌入侵时,PMN在趋化因子的作用下可迅速募集到感染部位,透过血管壁进入感染灶,其通过三种方式进行杀菌:进入感染灶的PMN将细菌吞噬入胞内分解,这种吞噬过程对清除病原体至关重要;其次,聚集到感染部位的PMN被激活,产生脱颗粒效应,进而清除病原体;近年来研究发现PMN有不同于坏死和凋亡的另一杀菌机制——中性粒细胞胞外诱捕网(NET),NET是PMN死亡的产物,中性粒细胞死亡后将DNA释放到胞外形成网格状结构,并附着PMN颗粒内的杀菌蛋白,将细菌包裹杀灭。目前,对PMN的这种死亡机制知之甚少[3,4]。PMN和病原菌之间的相互作用错综复杂。Zhang等[5]研究发现,镰状红细胞贫血发生时,病原微生物通过TLR和MyD88驱动PMN衰老,衰老的PMN骨髓清除受体CXCR4表达上调,通过IL-17/G-CSF轴反馈抑制PMN的产生。小鼠实验中发现,病原微生物数量的减少可降低衰老的PMN的数量并显著减轻其对镰状红细胞贫血模型中组织的炎症性损伤。此外,Ullah等[6]发现,肺炎双球菌及溶血素会影响PMN的自噬、吞噬作用及NET形成。研究发现,肺炎双球菌可诱导PMN的自噬发生,其发生依赖Ⅲ型PIK和Atg5,可增强PMN吞噬能力,这可能与获得自噬的PMN内的营养物质有关。同时,PMN自噬的发生可促进NET的形成,而该菌溶血素却可逃避NET的杀伤作用,其机制尚不明确。PMN在抗细菌性脑膜炎中的作用研究得越来越深入。

2、PMN与细菌性脑膜炎的关系

PMN向CNS迁移是细菌性脑膜炎的重要特征。细菌性脑膜炎发生时,PMN跨越血脑屏障(BBB)进入CNS,通过分泌细胞因子及吞噬等作用清除细菌。但研究发现,PMN在很大程度上参与了细菌性脑膜炎的致病过程,其严重程度与PMN数量呈正相关,PMN过度浸润将导致血管损伤和脑膜炎败血症相关的多器官衰竭[7]。然而,PMN在不同细菌性脑膜炎中的作用及机制不尽相同。

2.1脑膜炎奈瑟菌性脑膜炎

脑膜炎奈瑟菌,又称脑膜炎球菌,是引起流行性脑脊髓膜炎(流脑)的病原体。临床检测到PMN内、外出现典型的革兰氏阴性双球菌时即可作出初步诊断。补体系统是预防脑膜炎奈瑟菌感染的主要固有免疫屏障,实验中发现,PMN杀伤脑膜炎奈瑟菌需要激活补体,具有补体活性的血清存在时,PMN杀菌的能力增强[8]。然而,PMN的募集可能为细菌提供营养物质,为细菌存活创造有利条件。Söderholm等[9]研究发现,脑膜炎奈瑟菌感染时,PMN发生极化,其头部的伪足可介导吞噬作用,尾部虽不具有吞噬活性,但富含介导黏附和信号转导的受体,脑膜炎奈瑟菌可黏附PMN尾部并内化到胞内,破坏PMN内吞噬溶酶体,这可能是细菌传播和免疫逃逸的一种机制。Stork等[10]提出营养免疫的观点,即细菌所需的营养物质的消耗会限制其在宿主体内的存活。研究发现,脑膜炎奈瑟菌感染后,PMN表达一种与锌离子、锰离子具有高亲和力的钙结合蛋白受体,耗竭该菌所需的锌离子。但该菌在锌离子缺乏时,外膜蛋白CpbA表达增多,CpbA会竞争结合PMN表面钙结合蛋白,使锌离子游离而致该菌在宿主体内大量存活。这种钙结合蛋白受体可能会成为预防该脑膜炎的一种新靶点。

2.2大肠杆菌K1性脑膜炎

大肠杆菌K1是引起新生儿脑膜炎的革兰氏阴性细菌。Zhang等[11]研究发现,大肠杆菌K1中的cgID与PMN跨内皮细胞迁移有关,其缺失将导致PMN跨内皮细胞的迁移能力下降。该研究[11]表明,cgID可激活脑内皮细胞(HBMEC)中的NF-κB通路,从而促进PMN对HBMEC的黏附和跨内皮迁移。此外,大肠杆菌K1的毒力因子FimH可诱导其侵袭并促进PMN跨HBMEC的迁移,机制可能与HBMEC表面的CD48-α7nAChR复合物通过Ca2+信号激活和丝切蛋白去磷酸化有关,大肠杆菌K1介导的PMN跨内皮细胞迁移在脑膜炎感染中起着不利作用,可加重疾病进展[12]。限制PMN在大肠杆菌K1性脑膜炎中过度迁移,将成为预防和治疗大肠杆菌K1性脑膜炎重要的理论基础。

2.3B型链球菌性脑膜炎

B型链球菌(GBS)是新生儿脑膜炎的主要病原体。研究发现,GBS感染时,IL-1信号转导通路可选择性促进PMN的募集,从而清除GBS感染,而IL-1缺乏的小鼠极易感染GBS[13]。激活IL-1信号通路可作为GBS感染的替代治疗策略。此外,GBS菌毛蛋白PilA可粘附HBMEC,PMN的浸润可增强其毒力作用[14]。研究发现,PilA缺失的GBS,CNS内PMN数量和细菌载量都大大下降,其机制可能为PilA结合细胞外基质成分胶原蛋白,随后胶原蛋白与脑血管内皮细胞上的α2β1整合素结合,从而促进细菌黏附和促炎细胞因子的释放,促进PMN的募集及激活,从而增加BBB通透性增加[14]。

2.42型猪链球菌性脑膜炎

2型猪链球菌(streptococcussuistype2,SS2)是近年发现的一种人兽共患的脑膜炎球菌。Liu等[15]研究发现,SS2细胞壁含有一种5α-核苷酸酶,它可以将ATP、AMP水解成腺苷,腺苷可与PMN表面的G蛋白耦联受体A2aR结合,导致PMN内cAMP增加,抑制PMN的活化,致使PMN黏附到内皮细胞的能力下降,活性氧分泌减少、脱颗粒作用减弱,使PMN的免疫杀伤能力减弱。因此,抑制PMN表面的A2aR有可能成为一种潜在的治疗靶点。另有报道称,SS2感染后,PMN可跨越BBB形成NET捕获杀伤SS2,该细菌可分泌核酸酶A降解NET的DNA骨架结构作为保护机制,以此逃避PMN的杀伤作用。与WT相比,核酸酶缺失株可有效地被PMN吞噬杀伤[16]。然而,SS2在感染过程中可形成保护性生物被膜,抵抗NET的吞噬杀伤作用[17]。此外,最新发现SS2的毒力因子溶菌酶释放蛋白(MRP)可通过结合纤维蛋白原逃避PMN介导的免疫杀伤作用,并促进宿主血液中的病原体存活,其机制尚不清楚[18]。

3、PMN穿越血脑屏障的机制

BBB是血液和脑组织间的一种特殊屏障,其能够阻止病原体及毒性物质从血液循环进入CNS,其中脑血管内皮细胞是BBB结构的基础。

细菌性脑膜炎时,PMN在感染部位炎症因子趋化作用下,从外周血管渗出趋化到感染部位,穿越脑血管内皮细胞并导致脑组织的病变。有报道称,PMN跨脑血管内皮细胞的迁移是通过依赖G蛋白耦联受体的β2整合素与内皮细胞的细胞间黏附分子的结合实现的[19]。vonWedel-Parlow等[20]发现,PMN跨内皮细胞途径有2种:跨细胞途径和细胞旁途径。Wewer等[21]发现,SS2体外感染猪脉络丛上皮单细胞后,紧密连接蛋白和细胞骨架蛋白发生重排,电子显微镜对PMN迁移过程连续性分析发现,PMN通过细胞旁途径穿越BBB,PMN跨BBB迁移与其顶膜形成的漏斗状结构有关。据研究,脑膜炎奈瑟菌跨越BBB时,通过阻断β-肾上腺素受体引起脑内皮细胞间紧密连接的开放,特异性激动剂激活β-肾上腺素受体,可以防止脑膜炎奈瑟菌黏附及抑制PMN穿越内皮细胞屏障[22]。此外,Huang等[23]发现,大肠杆菌K1感染后,脑血管内皮细胞表面波形蛋白作为其毒力因子IbeA受体,两者结合可激活NF-κB途径,诱导大肠杆菌K1的入侵及PMN的跨细胞迁移。

4、PMN对神经元的损伤机制

PMN过度浸润对机体是不利的。Otxoa-De-Amezaga等[24]发现,脑组织缺血性损伤时,PMN的渗入可破坏BBB的完整性并加剧病变,小胶质细胞识别吞噬PMN后可减轻其对神经元的损伤程度。通过靶向集落刺激因子1受体减弱小胶质细胞对PMN的吞噬作用后,脑部缺血性病变加重,其机制有待进一步研究。Perez-De-Puig和Moxon-Emre等[25,26]研究发现,PMN的募集会导致缺血性脑卒中患者BBB的破坏、神经元的损伤,其产生的MMP-9可破坏BBB、激活星形胶质细胞,抗体耗竭PMN后,可减轻神经髓鞘和轴突的损伤,其机制与PMN释放的氧自由基、蛋白酶(组织蛋白酶G、蛋白酶3)以及促炎因子(IL-6、IL-8、TNF-α)等有关,抑制PMN作为缺血性脑损伤的防治具有重要意义。Saadoun等[27]发现,PMN浸润可导致视神经脊髓炎(NMO)的脊髓病变,NMO小鼠模型中,PMN释放的弹性蛋白酶可导致神经炎症及神经脱髓鞘,抑制PMN弹性蛋白酶的释放可显著降低神经性炎症。

患细菌性脑膜炎时,缺氧、神经毒性细菌产物及宿主介质共同作用损伤神经元[28]。有报道称,肺炎克雷伯菌性脑膜炎模型中,脑脊液中CXCL2表达显著升高、PMN浸润增多,CXCL2抑制剂可显著减少PMN的浸润,抑制神经元凋亡,减轻炎症反应蔓延,其具体机制有待进一步研究[29]。总之,无论损伤是来自细菌还是PMN,对神经元都具有严重毒性损伤作用。

5、结语

PMN浸润是细菌性脑膜炎发生的标志性事件,而跨越BBB进入CNS的PMN是一把“双刃剑”,它不仅可以对抗细菌性脑膜炎的致病菌,同时也会对CNS造成严重损伤。目前,PMN在细菌性脑膜炎致脑损伤中的作用仍在研究中,其作为细菌性脑膜炎的靶点将越来越受到关注。

孙强,黄晶,雷连成.中性粒细胞在细菌性脑膜炎中的作用及机制研究进展[J].现代免疫学,2020,40(03):257-260.