巫曉宇 劉 鳳 劉利民 邢維昊 熊 靜

阿爾茲海默病(Alzheimer′s disease, AD)是一種以進(jìn)行性加重的認(rèn)知功能全面衰退為主要表現(xiàn)的神經(jīng)退行性疾病。AD主要的病理特征包括β淀粉樣蛋白(amyloid-β,Aβ)沉積、神經(jīng)元軸突的微管相關(guān)蛋白Tau過度磷酸化和錯(cuò)誤折疊形成的神經(jīng)元纖維纏結(jié) (neurofibrillary tangles,NFT)以及神經(jīng)炎癥[1]。流行病學(xué)數(shù)據(jù)顯示,在中國2.49億60歲及以上的老年人中,AD患者有983萬人,遠(yuǎn)高于其他類型癡呆,AD患者長期的醫(yī)療保健費(fèi)用與看護(hù)需求為家庭與社會(huì)帶來了沉重的負(fù)擔(dān),但目前AD的治療仍缺乏突破性進(jìn)展[2]。

病毒感染是導(dǎo)致AD神經(jīng)變性的假說之一[3]。研究表明,老年人既是CNS病毒感染的易感人群,也是AD的好發(fā)人群[4]。單純皰疹病毒1型(herpes simplex virus-1,HSV-1)是最常見的與AD發(fā)病相關(guān)的病毒[5, 6]。單純皰疹病毒(herpes simplex virus,HSV)常常感染顳葉和額葉或邊緣系統(tǒng),與AD的典型病變部位有重疊。有研究表明部分患者在抗病毒治療后,仍然會(huì)出現(xiàn)癡呆的長期并發(fā)癥[4]。一項(xiàng)研究隨訪了8362例年齡在50歲或以上,HSV-1或單純皰疹病毒2型(herpes simplex virus-2,HSV-2)感染的患者,其10年癡呆發(fā)生率是對照組(性別和年齡匹配的無HSV感染者)的2.56倍[7]。也有研究發(fā)現(xiàn),在AD患者大腦中的顳上回、前額葉皮質(zhì)、額下回、海馬旁回幾個(gè)關(guān)鍵區(qū)域人類皰疹病毒6和7水平增加[8]。也有研究者提出攜帶了AD易感基因——載脂蛋白E(apolipoprotein E,APOE)的人群在病毒感染后可能更容易導(dǎo)致AD[6]。

此外,皰疹病毒家族中,人巨細(xì)胞病毒、EB病毒,人類免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus,HIV),也與認(rèn)知衰退有關(guān)[4,9～12]。新型冠狀病毒(severe acute respiratory syndrome coronavirus 2,SARS-CoV-2)因其神經(jīng)侵襲性和感染后癥狀長期存在導(dǎo)致感染者注意力、執(zhí)行功能、語言、處理速度和記憶力方面受損[13]。

AD直接病毒感染理論指出,病毒可能通過以下不同途徑進(jìn)入大腦:通過跨細(xì)胞遷移或“特洛伊木馬”作用穿越血-腦屏障(blood-brain barrier, BBB)和血-腦脊液屏障; 經(jīng)缺少完整BBB的腦室周圍器官(circumventricularorgans,CVOs)進(jìn)入大腦; 經(jīng)嗅覺途徑感染嗅覺上皮中的感覺神經(jīng)元入腦;通過支配周圍器官的周圍神經(jīng)進(jìn)入大腦[14]。其中BBB與病毒感染以及AD密切相關(guān)。

BBB損傷是CNS病毒感染與AD之間的重要聯(lián)系。病毒可以穿過損傷的BBB感染CNS被膜、血管和實(shí)質(zhì),引起大腦急性或慢性炎癥性損害,誘導(dǎo)腦內(nèi)產(chǎn)生Aβ沉積、NFT形成和神經(jīng)炎癥導(dǎo)致大腦神經(jīng)細(xì)胞死亡和進(jìn)行性癡呆[15]。而BBB損傷也被認(rèn)為是AD的早期表現(xiàn)。本文綜述了BBB損害在CNS病毒感染和AD中聯(lián)系機(jī)制,特別是病毒穿越及破壞BBB的方式與AD之間的重要聯(lián)系,希望能對AD的治療方法有所啟示。

一、血-腦屏障損害——CNS病毒感染與AD的重要聯(lián)系

BBB主要由腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞(brain microvascular endothelial cells,BMECs)、星形膠質(zhì)細(xì)胞、周細(xì)胞(pericyte,PC)和基膜組成。BBB是保護(hù)CNS實(shí)質(zhì)免受外周血成分影響和病原體侵入的重要屏障,也是溝通感染與神經(jīng)變性疾病的重要聯(lián)系。BBB并非堅(jiān)不可摧,其通透性與防御能力取決于患者年齡、免疫狀態(tài)和感染病原體類型[6]。

1.AD存在BBB損傷:研究認(rèn)為,BBB破壞是人類認(rèn)知障礙的早期生物學(xué)標(biāo)志物[16]。隨著人體自然衰老,BBB通透性也會(huì)增加[6]。在AD患者和動(dòng)物模型中,都觀察到了BBB的改變。有研究者通過采用水提取與相位對比動(dòng)脈自旋標(biāo)記(water extraction with phase contrast arterial spin tagging,WEPCAST)磁共振技術(shù),測定了55例老年人的BBB對水及蛋白分子的通透性。該研究發(fā)現(xiàn),與認(rèn)知正常的受試者比較,輕度認(rèn)知障礙患者的 BBB 表現(xiàn)出對水等小分子的滲透性增加,與腦脊液(cerebro-spinal fluid,CSF)Aβ 和 P-Tau 的 AD 標(biāo)志物有關(guān),可能具有預(yù)測認(rèn)知功能水平的能力[17]。動(dòng)物模型顯示,PC隨年齡增長丟失,導(dǎo)致BBB完整性破壞,并顯著促進(jìn)AD相關(guān)病理沉積和神經(jīng)元丟失[18]。此外,合并高膽固醇血癥、高血壓、吸煙等危險(xiǎn)因素,也會(huì)引起B(yǎng)BB的破壞[19, 20]。

2.病毒感染促進(jìn)了BBB損害:病毒一旦通過BBB進(jìn)入腦實(shí)質(zhì),就有可能感染星形膠質(zhì)細(xì)胞 (astrocyte,ACS) 和小膠質(zhì)細(xì)胞 (microglia,MGs),引起促炎性細(xì)胞因子分泌和免疫細(xì)胞浸潤增加導(dǎo)致腦損傷。即使在清除病毒后,局部免疫反應(yīng)依舊可以保持活躍,導(dǎo)致長期的神經(jīng)退行性改變和認(rèn)知損害[3,4 ～14]。研究表明,嗜神經(jīng)病毒,如皰疹病毒家族和HIV等,可以通過感染腦血管內(nèi)皮細(xì)胞、特洛伊木馬作用、破壞神經(jīng)血管單元等多種方式,激活BBB抗炎或炎性固有免疫應(yīng)答,造成BBB的結(jié)構(gòu)和功能異常[16]。

(1)直接感染血管內(nèi)皮細(xì)胞破壞BBB:HSV-1可以直接感染BMECs,導(dǎo)致病毒、免疫細(xì)胞、細(xì)胞因子進(jìn)入腦實(shí)質(zhì)的可能性大大增加,加重神經(jīng)炎癥,造成血管性腦水腫、出血和白細(xì)胞浸潤,進(jìn)一步損害大腦[21]。其持續(xù)感染與重新激活在AD的發(fā)生與發(fā)展中起著更為重要的作用。SARS-CoV-2也可以感染BMECs[22]。新型冠狀病毒感染患者尸檢顯示,通過透射電鏡發(fā)現(xiàn),患者大腦額葉的BMECs內(nèi)存在病毒樣蛋白。SARS-CoV-2可以與BBB的PC和內(nèi)皮細(xì)胞上表達(dá)的血管緊張素轉(zhuǎn)換酶-2(angiotensin converting enzyme-Ⅱ, ACE-2)受體相結(jié)合,損害BBB緊密連接并利用免疫細(xì)胞的吞噬作用,進(jìn)入CNS[22]。

而低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白1(low-density lipoprotein receptor-related protein 1,LRP1)、P-糖蛋白(P-glycoprotein,P-gp)、乳腺癌耐藥蛋白(breast cancer resistance protein,BCRP)、晚期糖基化終末產(chǎn)物受體(receptor for advanced glycation end products,RAGE)等BMECs的受體和轉(zhuǎn)運(yùn)體,在Aβ 通過BBB的轉(zhuǎn)運(yùn)和清除中發(fā)揮了重要作用。在AD患者的大腦中,LRP1、P-gp和BCRP的下調(diào)以及RAGE的上調(diào)加劇了Aβ 的累積,與AD的進(jìn)展有關(guān)[6]。

(2) 經(jīng)“特洛伊木馬”作用穿越BBB:病原體在內(nèi)化或感染白細(xì)胞后,可能會(huì)利用感染的白細(xì)胞的遷徙能力穿越BBB,起到“特洛伊木馬”的作用,導(dǎo)致CNS感染。其中白細(xì)胞的遷徙是在細(xì)胞黏附分子(cell adhesion molecules,CAM)與其配體、基質(zhì)金屬蛋白酶類(matrix metalloproteinases,MMPs)和趨化因子相互作用下,通過滾動(dòng)、黏附和遷移,穿過BBB[15]。當(dāng)BBB遭受損害或者破壞后,HSV-1就可以通過“特洛伊木馬”作用借助T細(xì)胞或巨噬細(xì)胞穿過BBB進(jìn)入大腦[5]。

(3)經(jīng)細(xì)胞旁途徑穿過BBB:經(jīng)細(xì)胞旁途徑即指分子從血液通過內(nèi)皮細(xì)胞之間的細(xì)胞間隙被動(dòng)擴(kuò)散到CNS組織中。生理情況下,內(nèi)皮細(xì)胞間緊密連接的存在,限制了病原體通過細(xì)胞旁途徑進(jìn)入CNS。HIV的反式激活蛋白可以通過小分子G蛋白RhoA信號通路,改變內(nèi)皮細(xì)胞-細(xì)胞連接的穩(wěn)定狀態(tài),破壞BBB內(nèi)皮細(xì)胞間的緊密連接,激活MMPs和蛋白酶體,促進(jìn)緊密連接蛋白的降解,最終導(dǎo)致BBB通透性增加[23]。HSV感染大腦后,導(dǎo)致循環(huán)中MMP9上調(diào)和活性增加,通過切割緊密連接蛋白和鄰近的細(xì)胞外基質(zhì),破壞血管內(nèi)皮細(xì)胞間的黏附作用,從而為病毒經(jīng)細(xì)胞旁途徑通過提供了條件[4]。

(4)通過周細(xì)胞破壞神經(jīng)血管單元進(jìn)入BBB:神經(jīng)血管單元由BMECs、PC、神經(jīng)元、ACS、MGs 和基底膜以及細(xì)胞外基質(zhì)組成,是發(fā)育和維持BBB結(jié)構(gòu)和功能完整性的關(guān)鍵[17]。人類巨細(xì)胞病毒、HIV、SARS-CoV-2,都可以直接感染PC, 或通過分泌的病毒基因產(chǎn)物使PC相關(guān)旁分泌信號轉(zhuǎn)導(dǎo)失調(diào)。病毒與PC相互作用導(dǎo)致血管滲漏或出血、BBB破壞從而促進(jìn)病毒侵襲大腦[24]。

二、病毒通過BBB后,引起腦實(shí)質(zhì)炎性反應(yīng),促進(jìn)AD病理發(fā)生

無論病毒以何種方式通過BBB,一旦病毒開始在腦內(nèi)復(fù)制,在CNS病毒感染急性期,可以直接感染額顳葉、海馬等部位,引起認(rèn)知功能損害。同時(shí),還可以激活機(jī)體先天性和適應(yīng)性免疫應(yīng)答引起顯著的神經(jīng)炎癥,誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞死亡[3]。病毒進(jìn)入腦內(nèi),引起病原相關(guān)分子模式(pathogen-associated molecular patterns,PAMP)和損傷相關(guān)分子模式(damage associated molecular patterns,DAMPs)釋放,由模式識別受體(pattern recognition receptors,PRRs)識別,進(jìn)一步釋放細(xì)胞因子、趨化因子、抗菌肽和活性氧等炎性介質(zhì),引起以炎性反應(yīng)、MGs和ACS激活為特征的免疫反應(yīng)。上述過程導(dǎo)致的炎癥聚集也會(huì)進(jìn)一步誘導(dǎo)受感染細(xì)胞焦亡[14]。機(jī)體針對病毒產(chǎn)生一系列免疫反應(yīng),導(dǎo)致炎癥、MGs和ACS的進(jìn)一步激活,是消滅病毒的必經(jīng)之路。

盡管多數(shù)病毒會(huì)通過免疫系統(tǒng)或者抗病毒治療得以清除,但仍有一些病毒能夠潛伏在三叉神經(jīng)節(jié)、周圍神經(jīng)系統(tǒng)和小膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi),造成慢性神經(jīng)炎癥或病毒的反復(fù)激活,可能導(dǎo)致Aβ和Tau蛋白的磷酸化增加,為AD的發(fā)生與進(jìn)展提供了條件[3 ～14]。有研究表明,HSV的重新激活與再感染會(huì)激活免疫系統(tǒng)。HSV-1感染的巨噬細(xì)胞可以釋放腫瘤壞死因子-α,刺激MGs產(chǎn)生白細(xì)胞介素-1β,同時(shí)MGs的激活和ACS增多,進(jìn)一步加重神經(jīng)炎癥,促使炎性細(xì)胞因子釋放增加以及氧化應(yīng)激作用,加速了神經(jīng)退行性病變[5～25]。此外,病毒感染后,激活的MGs還可以通過補(bǔ)體介導(dǎo)海馬突觸前膜損傷,導(dǎo)致腦炎患者長期記憶障礙和認(rèn)知功能障礙[26]。HSV-1還會(huì)誘導(dǎo)淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein,APP)相關(guān)分泌酶上調(diào),通過切割A(yù)PP產(chǎn)生含有Aβ序列的片段[3]。此外有研究者發(fā)現(xiàn),AD患者腦組織中,皰疹病毒6A的U4基因呈現(xiàn)特異性的高表達(dá),當(dāng)U4基因與APP共同表達(dá)時(shí),通過抑制APP泛素蛋白酶體降解,促進(jìn)Aβ產(chǎn)生和沉積、NFT產(chǎn)生和神經(jīng)細(xì)胞死亡[27]。Pascoal等[28]通過正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層顯像(positron emission computed tomography,PET)技術(shù),首次在人體中證實(shí)了MGs的激活驅(qū)動(dòng)了Tau蛋白在大腦中的傳播,而Aβ促進(jìn)了MGs激活,進(jìn)一步促進(jìn)了Tau蛋白的病理進(jìn)程。進(jìn)行性Aβ 沉積不僅導(dǎo)致神經(jīng)炎癥、神經(jīng)毒性和廣泛的神經(jīng)元死亡,還破壞了BBB中的腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞和緊密連接相關(guān)蛋白,進(jìn)一步損傷BBB的完整性和功能,BBB功能障礙和Aβ 沉積惡性循環(huán),共同導(dǎo)致AD的發(fā)生和發(fā)展[18]。

近年來研究發(fā)現(xiàn),在新型冠狀病毒感染合并認(rèn)知癥狀的患者和小鼠中,都發(fā)現(xiàn)了衰老相關(guān)的趨化因子配體11(chemokine ligand 11,CCL-11)顯著升高,誘導(dǎo)了海馬的MGs激活,引起海馬神經(jīng)持續(xù)受損,少突膠質(zhì)細(xì)胞減少和髓鞘丟失[29]。在新型冠狀病毒感染患者的血漿和腦脊液中,也發(fā)現(xiàn)了包括總Tau蛋白在內(nèi)的與CNS損傷相關(guān)的生物學(xué)標(biāo)志物升高[30],但SARS-CoV-2與AD及BBB之間的具體聯(lián)系與機(jī)制仍需進(jìn)一步探索。

三、抗病毒治療和病毒通過或繞過BBB的方式為AD治療提供了新思路

病毒與AD之間的聯(lián)系表明,抗病毒治療可能為阻止或延緩AD提供新方法。近年來一項(xiàng)隊(duì)列研究表明,在 AD高危人群中使用伐昔洛韋可以通過防止 HSV-1重新激活來降低AD的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)[7]。在輕度認(rèn)知功能障礙或 AD的 HSV-1 免疫球蛋白G血清陽性且同時(shí)攜帶APOE4基因的患者使用伐昔洛韋的抗病毒臨床試驗(yàn)中,證明了該藥物長期使用的安全性[31]。另有研究發(fā)現(xiàn),接受抗病毒治療的HSV感染患者中有5.8%在10年內(nèi)發(fā)展為老年癡呆,而未經(jīng)治療的HSV感染患者中這一比例為28.3%,這表明接種HSV-1疫苗可能預(yù)防AD發(fā)展[32]。目前,混合HSV-1糖蛋白的重組核酸疫苗已被證明可有效降低小鼠大腦中的HSV-1病毒載量,還可以在體外真核細(xì)胞中表達(dá),并能夠有效誘導(dǎo)pVAX-Tg免疫小鼠的細(xì)胞免疫,其體內(nèi)血清γ-干擾素(interferon-γ,IFN-γ)水平明顯升高[33]。盡管尚未開發(fā)出人HSV-1疫苗,但該疫苗的研制如果可以減少病毒的原發(fā)感染和再激活,必將對AD的預(yù)防有益[31]。

如何使藥物順利通過 BBB 也是神經(jīng)疾病治療中面臨的最大挑戰(zhàn)之一。如前所述,病毒穿過或繞過BBB的策略在一定程度上提示了藥物進(jìn)入CNS的方法。對嗜神經(jīng)病毒穿過BBB的機(jī)制的研究,有助于設(shè)計(jì)新的策略,為患者提供免疫療法、化學(xué)療法和其他療法。例如,使用來自狂犬病病毒糖蛋白的多肽作為載體,將攜帶抗病毒siRNA靶向輸送到大腦,狂犬病病毒糖蛋白多肽片段與蛋白質(zhì)或核酸連接后,可直接將藥物輸送到腦內(nèi)。此外,多肽片段還可與載藥多聚物,納米粒子或脂質(zhì)體等偶聯(lián),引導(dǎo)后者快速進(jìn)入腦內(nèi)[34]。有研究采用利用聚L-賴氨酸的負(fù)載siRNA和D肽的納米顆粒穿過BBB進(jìn)入腦實(shí)質(zhì),靶向治療AD,抑制了AD小鼠腦內(nèi)的Aβ 產(chǎn)生,明顯減輕了Aβ 和NFT導(dǎo)致的神經(jīng)毒性,改善了小鼠認(rèn)知功能[35]。另外還可以利用病毒相關(guān)蛋白,例如利用黃病毒非結(jié)構(gòu)蛋白-1,提高BBB通透性,從而提高藥物向CNS的滲透[36]。因此,病毒穿越或繞過BBB的策略,啟發(fā)了如何使藥物更好地通過BBB以治療AD的途徑,具有巨大的潛力。

四、展 望

中樞神經(jīng)病毒感染和AD的發(fā)病機(jī)制相關(guān),BBB損傷是中樞神經(jīng)病毒感染和AD的共同聯(lián)系。探索病毒感染損傷BBB的各種途徑,可能為CNS病毒感染相關(guān)神經(jīng)退行性病變提出新的治療方法和給藥途徑。而對感染損傷BBB機(jī)制及對增強(qiáng)BBB的防御功能或抑制BBB的炎性免疫反應(yīng)的研究,能為未來治療神經(jīng)退行性病變提供更多思路。

利益沖突聲明：所有作者均聲明不存在利益沖突。