第二节　趋化因子在神经系统内的分布

CCL2为最早被发现的存在于脑内的趋化因子，经免疫组织化学检测发现，CCL2广泛分布于运动皮质、海马、纹状体、蓝斑核、小脑等脑区的神经元中，其受体CCR2在嗅球、下丘脑等部位［5］。采用RNA测序（RNA-seq）技术检测发现，目前已经在健康人类脑内检测发现24种趋化因子基因表达，包括CC家族的CCL1、CCL2、CCL3、CCL4、CCL8、CCL18、CCL22、CCL26、CCL27、CCL28、CCL3L3、CCL4L2共计12种。CXC家族的CXCL1、CXCL2、CXCL3、CXCL5、CXCL10、CXCL11、CXCL12、CXCL14、CXCL16共计9种。CX3C家族的CX3CL1，XCL家族的XCL1、XCL2共计2种。除传统的趋化因子外，由中国科学家发现的趋化素样因子家族在人类大脑中也存在表达，如CKLF基因及其超家族成员CMTM1、CMTM3、CMTM4、CMTM5、CMTM6、CMTM7、CMTM8共计8种基因均在成人大脑中被检测发现。上述现象提示，脑内趋化因子种类丰富，但各个趋化因子之间表达丰度差异巨大，表明它们可能在神经系统内发挥不同的生物学作用。

趋化因子在神经系统的分布特征见图1-2。

一、趋化因子在神经系统细胞中的分布特征

神经系统具有人体最精密的组织结构，它是人类感知世界、产生情感、作出决断的组织器官。这些功能都是由神经细胞活动而产生。在神经组织内，神经细胞主要包括两大类细胞，即神经细胞和神经胶质细胞。神经细胞也称为“神经元”，是一类高度分化的有突起的细胞，它们可接受刺激和整合信息，并将信息精准地传递至下一节神经元。部分神经元还具有内分泌与旁分泌功能，可通过释放营养因子、多肽、激素等小分子物质，参与神经功能的调节。神经胶质细胞包括星形胶质细胞、小胶质细胞以及少突胶质细胞。其中星形胶质细胞是胶质细胞中体积最大、数量最多的一种，主要负责为神经元提供营养物质、调控神经信息传递、参与神经炎症反应等。小胶质细胞为大脑内固有的免疫细胞，负责大脑的免疫防御系统。少突胶质细胞是构成中枢神经系统髓鞘的胶质细胞，负责包裹神经元轴突，保证神经信息的快速传导。研究表明，少突胶质细胞也具有脑内免疫细胞的部分功能，参与神经系统的发育与成熟。除此之外，神经系统还存在于室管膜细胞、脉络丛上皮细胞等，共同维护神经系统内环境的稳定。

在人类大脑中，CXCL1表达于胎儿期27～36周的神经元内，出生后维持表达，至2岁后表达逐渐消失［6］。CXCL1在小鼠脑中分布于神经元、星形胶质细胞和内皮细胞中，癫痫损伤可迅速提升小鼠脑内的CXCL1水平［7］。CXCL12最早于胚胎期第12.5天的小鼠脑膜内皮细胞中被发现，出生后CXCL12可广泛表达于神经系统的各类细胞中，包括神经细胞、星形胶质细胞和小胶质细胞中，成年后脑膜内的CXCL12水平开始下降。在成人大脑中，CXCL12分布广泛，包括大脑皮质、基底节、蓝斑核、海马、丘脑等脑区［8］。CXCL9、CXCL10、CXCL11作为干扰素诱导表达的趋化因子，在健康成人脑内并不表达。当神经系统受到病毒感染或炎症反应时，CXCL9、CXCL10、CXCL11会立即被诱导表达。

CX3CL1作为CX3C家族唯一的成员，在小鼠兴奋性神经元与中间神经元中均有分布。在成人大脑中，CX3CL1可分布于海马、嗅球、杏仁核、苍白球和丘脑等脑区的细胞内［6］。星形胶质细胞内存在低水平的CX3CL1的表达，当受到TNF-α等致炎因子诱导时，星形胶质细胞内的CX3CL1可迅速升高［9］。CXCL8可由神经系统的多种细胞分泌，包括小胶质细胞、星形胶质细胞、少突胶质细胞以及神经元。其中神经元内的CXCL8为诱导性表达，正常神经元内并不存在［10］。CCL3仅表达于发育期的神经元内，成人大脑神经元内CCL3表达消失，但经RNA测序发现，CCL3可在成人大脑的星形胶质细胞中表达。经神经系统病理模型筛选后发现，CCL3仅在阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）模型大脑神经元内被检测到，提示其可能与AD的发病有关。CCL20和CCL21均为诱导性表达，正常脑组织中无表达。

CKLF1作为趋化因子家族的新成员，在神经系统的分布亦有特殊规律。在大脑胚胎发育期，CKLF1可广泛分布于大脑皮质、海马和纹状体和下丘脑中。其表达细胞类型为神经元、小胶质细胞与少突胶质细胞。出生后，CKLF1表达水平逐渐降低，至出生后2周CKLF1表达消失。经多种神经病理学模型筛选发现，成年大鼠脑内CKLF1可经缺血性损伤诱导回复，其分布脑区为缺血侧大脑皮质、海马、纹状体及下丘脑，其表达的细胞类型为神经元、小胶质细胞。除此之外，研究还发现，在前额皮质及中脑黑质致密部注射脂多糖（lipopolysaccharide，LPS），可诱导CKLF1的表达回复，表明诱导性CKLFL1可能参与了神经炎症反应。其超家族的CMTM系列在中枢神经系统的分布尚待深入探讨。

二、趋化因子对神经发育的影响

趋化因子对多种细胞具有趋化和促进增殖等活性，这正是神经系统发育所需要的生物学功能。与类固醇激素和神经肽相似，趋化因子参与了大脑发育的过程。

CXCL12/CXCR4在胚胎期大脑中高表达，至成年后仅在海马齿状回颗粒下层和侧脑室下层（subventricular zone，SVZ）区的神经干细胞中保留持续表达，其他脑区表达水平很低。成年大鼠齿状回区CXCL12可促进颗粒细胞的增殖，指引轴突出芽和延伸的方向。在多种神经损伤模型中，均可见CXCL12的表达水平升高，以改善神经元的修复和连接功能的正常。在体外研究中，CXCL12可发挥类似神经递质的功能，引发和调控神经元轴突的延伸，在CXCL12和CXCR4基因敲除小鼠中，可见小鼠海马和小鼠发育障碍［11］。

胰岛素样生长因子是大脑第五层神经元发育所必需的营养因子。在脑内，这一因子由小胶质细胞负责合成与分泌。已有研究发现，由神经元合成的CX3CL1，可通过作用于小胶质细胞表面的CX3CR1，激活胰岛素样生长因子的释放，促进大脑皮质神经元的发育［12］。除此之外，小胶质细胞CX3CR1的激活是小胶质细胞发挥吞噬作用的重要环节，这一作用与大脑发育期凋亡神经元的清除和多余突触修剪至关重要。CX3CL1/CX3CR1信号破坏可导致海马区神经发生减少，补充CX3CL1可减缓衰老过程中神经发生减少［13］，从而在正反两方面证明了CX3CL1/CX3CR1信号通路在神经发育中的作用。

在神经发育过程中，CX3CR1基因敲除可导致小胶质细胞分支减少，运动能力降低等功能缺陷，由此导致谷氨酸能神经元发育障碍，信息传递受损，主要表现为：①AMPA/NMDA发育障碍。在神经发育初期，α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异唑（AMPA）受体表达量显著低于N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受体，随着神经系统发育成熟，AMPA受体表达增多，相应的，AMPA受体介导的兴奋性突触后电流也显著增加。然而，在CX3CR1敲除小鼠的海马锥体神经元中，AMPA受体介导的兴奋性突触后电流并没有随着神经发育的成熟而增加，CX3CR1基因敲除小鼠表现出明显AMPA/NMDA发育障碍现象。②谷氨酸神经环路传输障碍。表现为CX3CR1基因敲除小鼠CA3-CA1区谷氨酸能神经传递的输入-输出曲线斜率显著低于野生型小鼠。③神经元突触前膜功能障碍。表现为CX3CR1基因敲除小鼠由双脉冲易化诱发的神经递质释放显著少于野生型小鼠。上述研究说明，CX3CR1基因缺失导致的小胶质细胞功能障碍可引起神经元发育及功能障碍［14］。除此之外，CX3CR1介导的小胶质细胞功能在小鼠出生后视网膜感光细胞成熟的过程中也具有重要的作用，表现为CX3CR1基因缺失可导致感光器外段延长的纤毛结构发生变异，导致发育障碍［15］。

CCL2/CCR2海马SVZ神经元持续表达，并可被CCL2诱导发生趋化运动。但在CCL2基因敲除小鼠中，并未发现神经发生的显著改变，提示我们在神经发育期，大脑可能存在对CCL2基因缺失的代偿机制。进一步的研究显示，在缺血性神经损伤模型中，海马区神经干细胞的运动是依赖于CCL2/CCR2信号通路的激活［16］，抑制CCL2活性可显著阻碍神经干细胞向受损脑区的迁移，表明CCL2在生理与病理不同环境中，具有不同的生物学功能。除此之外，已有研究证明，CCL2/CCR2信号通路可促进Tuj1蛋白的表达，表明CCL2/CCR2具有促进神经干细胞向神经细胞分化的功能，但对神经干细胞的增殖无明显影响。

髓鞘附着于神经元轴突外，负责神经元电信号的跳跃式传播，由少突胶质细胞构成。已有研究表明，表达于星形胶质细胞的CXCL1可通过作用于少突胶质前体细胞表面的CXCR2，促进少突胶质前体细胞在脊髓内的正确迁移。更为重要的是，CXCL1/CXCR2信号可以维持少突胶质细胞的线性分布和髓鞘的行程［17］。

CCL17及其受体CCR4在小鼠脑中海马脑区为组成型表达，LPS诱导的神经炎症反应可显著增加CCL17在海马锥体神经元中的含量，并且这一升高依赖于海马区TNF-α信号通路的激活。同步上调的CCL22的表达则是依赖于粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子的表达。CCL17缺乏可导致海马脑区小胶质细胞密度降低。借助于计算机辅助的图像分析，研究者发现缺乏CCL17的小胶质细胞表现出细胞胞体缩小，分支增多的现象，提示其现象受到抑制，电生理学研究表明，CCL17可抑制海马脑片谢弗侧支（Schaffer collateral）的基础突触传递效能，表明CCL17具有潜在的抑制学习记忆功能的作用。CCR4为树突状细胞表达IL-23和粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子所需，在实验性自发性脑脊髓炎动物模型中，CCR4是Treg细胞跨越血脑屏障（blood brain barrier，BBB）的关键受体之一。CCR4基因敲除小鼠显示出自主运动和探索行为，表明CCR4可能参与了神经-胶质细胞相互作用。