抗N-甲基-D-天门冬氨酸受体脑炎病理机制的研究进展

李学斌综述, 杨 灿, 李秋波审校

自身免疫性脑炎是一组中枢神经系统灰质和白质的自身免疫性炎症性疾病[1],抗N-甲基-D-天门冬氨酸受体脑炎(抗NMDAR脑炎)最为常见[2]。NMDAR的亚基在畸胎瘤内神经组织中的异位表达可能有助于破坏免疫耐受性[3]。抗NMDAR脑炎的儿科患者,与疱疹病毒感染密切相关。抗NMDAR抗体可以导致各种神经症状如癫痫发作、认知缺陷、运动和协调障碍以及精神障碍[1]。

NMDAR属于谷氨酸门控离子通道家族[2,4],主要参与记忆功能和突触可塑性,在突触传递和可塑性中发挥关键作用[5]。NMDAR由四个亚基组成:包含两个GluN1亚基或GluN2和GluN3亚基结合[6,7]。GluN2亚单位的平衡负责谷氨酸能神经传递[8],GluN2A赋予NMDAR特定的电生理特性,如高通道开放概率和电导、更容易脱敏,使这些受体成为突触活动的多功能调节剂[8]。NMDAR亚基都包含一个胞外N端结构域(NTD)[9],在NTD内,存在谷氨酸和甘氨酸的激动剂结合位点(ABD)[8]。NMDA受体的离子孔被镁离子堵塞[4～6,10],只有去除镁离子[11,12],同时两种激动剂(谷氨酸和甘氨酸)与NMDAR结合,受体才对钠离子和钾离子具有渗透性,才会发生去极化过程[1]。而在NMDAR打开后,钙通过NMDAR进入细胞内,在突触可塑性中发挥中心作用[1],并且将神经元细胞的去极化与神经元存活、突触形成和长时程增强等至关重要的细胞内信号转导级联相耦合[2]。谷氨酸是中枢神经系统的主要兴奋性神经递质,并已被证明可调节神经元活力、基本神经系统回路和对环境刺激的行为反应等多种生理机制[2],NMDAR的活性在很大程度上是由突触部位的阶段性谷氨酸释放控制的[5],突触外NMDAR主要引起谷氨酸兴奋毒性,对神经元功能不利[12]。NMDAR功能、组成和定位的异常调节是许多神经和精神疾病中存在的突触功能障碍的基础。对这种疾病的认识不足,导致许多癫痫、特发性脑膜炎或精神疾病患者被误诊,从而错过了潜在的治疗干预的机会。鉴于这种罕见疾病的潜在灾难性后果,我们将简要回顾其发病机制,为临床治疗提供一个参考。

1 抗NMDAR脑炎的触发因素

卵巢畸胎瘤是抗NMDAR脑炎的诱因[13]。卵巢畸胎瘤大量表达各种GluR相关的表位(包括NMDAR表位),针对NR1表位产生异常抗体[14～16]。

单纯疱疹病毒感染亦是抗NMDAR脑炎的诱因[13],单纯疱疹脑炎患者释放神经元抗原可能会引起针对NMDAR的免疫激活,导致抗NMDAR脑炎的发生[13],初始表现与单纯疱疹病毒脑炎一致,但随后出现持续性和进展性神经系统后遗症,这些包括认知和运动障碍[11]。

2 抗NMDAR抗体的作用机制

2.1 突触受体内化 细胞表面NMDAR的内化与抗体滴度相关[14,17],抗NMDAR抗体与GluN1亚基的表位结合[11],一方面,导致受体的暂时激活;另一方面,导致AMPA受体超极化导致两个抗体复合物的连接(交联)[13],通过结合、加帽和交联,随后抗体受体复合物内化。

Vissel的研究表明,NMDAR可以通过不同残基的亚单位CTD磷酸化对NMDAR的内吞/清除进行调节[8],在抗NMDAR脑炎中是否发挥作用尚不清楚。

肾上腺素和NMDAR的相互作用可以稳定各自突触内的NMDAR,自身抗体减少了NMDAR和肾上腺素的相互作用,受体就会聚集在突触外,受体的这种突触外定位会反过来促进其内化[1],并且结合IgG的NMDAR就在突触外的位点,在内化过程中起作用[18]。

抗NMDAR脑炎主要由NMDAR内化引起,受体内化降低细胞表面受体密度[19,20],从而降低了海马神经元中突触NMDAR介导的电流,作为这些过程的结果,相应神经细胞中NMDAR介导的电流减少[21],导致电流振幅显著降低[18],使得长时程增强(LTP)受损[19]。同时还可能导致海马神经元NMDAR丢失,是NMDAR功能减退的主要原因[18],从而导致精神分裂症[22],出现一系列精神症状[1,13]。非IgG结合的NMDAR主要在突触内,但突触内NMDAR和EphrinB2型受体(EphB2)之间的相互作用在突触后膜中的稳定和聚集来调节长时程增强(LTP),这种相互作用的破坏导致NMDAR移位到突触外位点,然后内化[21],受体内化后以蛋白酶体依赖的方式被破坏[11],从而导致突触内受体减少,这与癫痫相关[18];而皮质神经元中NMDAR内化导致患者记忆丧失和焦虑[14,19,23,24]。

2.2 抑制突触可塑性 NMDAR抗体导致NMDAR水平降低[17],使得NMDAR突触簇数量减少[13]、密度逐渐降低,当突触中NMDAR 减少时会导致突触可塑性降低[17],通过调节的NMDAR密度改变突触可塑性,并改变了AMPAR可塑性的诱导阈值[25,26]。

抗NMDAR抗体通过阻断NMDAR在突触中的作用,抑制突触可塑性[11]。NMDAR介导的突触电流和钙信号传导对神经可塑性至关重要[6],钙进入是突触可塑性的关键[27],NMDAR具有对钙的特别高的渗透性,突触通过NMDAR的钙流入激活 Ca2+/钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ型(CaMKⅡ)及其易位至NMDA受体的GluN2B亚基来参与突触可塑性[10],这使得它成为突触可塑性的主要参与者,这种现象被认为是学习和记忆的关键[5]。同样多项证据表明GluN2B表达增加与突触可塑性和认知能力增强有关[5],这表明抗体介导的NMDAR减少与记忆和行为缺陷之间存在明确的联系[28]。GluN2A亚基功能障碍与突触可塑性改变密切相关[8,29]。突触后LTP的诱导依赖于突触后NMDAR的激活,而突触前LTP不依赖NMDAR[12]。含有GluN2A和GluN2B的NMDAR异聚体在NMDAR依赖性突触后LTP和LTD中都充当关键分子[12],因此GluN2A和GluN2B变体会改变NMDAR依赖的可塑性[30],通过将 GluN2A 亚基赋予的高开放概率(从而允许大量钙进入)和 GluN2B亚基的独特信号特性相结合,NMDAR 可能在触发 LTP 中具有独特的作用:改善学习和记忆[5,31]。

2.3 抑制性神经元的功能减低 抗体诱导的NMDAR功能减退导致海马神经元的抑制性中间神经元的抑制性突触密度降低[19]。由于抑制性中间神经元的激活减少[1],减少了神经元的抑制性输入[30],而兴奋性神经元的大量去抑制导致兴奋性神经元释放更多谷氨酸[1],这可能是抗NMDAR脑炎癫痫发作的一个原因。

NMDAR的可用性降低会影响每个节点的抑制性神经元,降低多巴胺能神经元的正常抑制张力。由于抑制性中间神经元的NMDAR功能低下以及由此导致的皮质谷氨酸能和多巴胺能投射的去抑制[19],引起多巴胺的产生增加,导致精神症状[10]。

3 NMDAR的病理功能

文献指出抗体作用于NMDAR会导致进行性记忆缺陷、快感缺失、抑郁样行为、认知和行为缺陷[18],当NMDAR与抗体分离水平恢复后,相关的临床症状逐渐改善[17],因此,可以证明抗NMDAR抗体介导突触功能的丧失,导致了上述症状的产生[19]。

小鼠注射抗NMDAR抗体后运动皮质兴奋性显著增强,增加了NMDAR的活性[32],导致NMDAR过度激活从而引起GluN2B亚基上调导致兴奋性毒性和癫痫发作易感性的增加[33],为与NMDAR功能障碍相关的癫痫发作提供证据[19],因此,抗NMDAR的自身抗体对癫痫发作具有致病性[19]。

抗NMDAR抗体直接改变谷氨酸能神经传递[11,19],诱导海马中谷氨酸释放增加,从而神经细胞兴奋性增加,导致癫痫发作,并且抗体的致痫作用与海马内结合的IgG的数量相关[18]。

阻断NMDAR可引起精神病症状,包括妄想、幻觉、健忘症、运动障碍和僵直症,同样NMDAR功能减退会导致情绪改变和精神分裂症的症状[15,17]。

突触外NMDAR的过度激活会导致细胞内钙的过度增加[5],Ca2+流入受GluN2B和GluN2A的细胞质C末端的不同结构域控制[33],通过PP1(丝氨酸-苏氨酸磷酸酶)介导GluN2B 的去磷酸化控制成熟神经元中NMDAR突触含量,致使NMDAR转运调控受损,细胞内高钙负荷[11,26,34]会导致细胞凋亡效应酶的激活,导致神经元细胞死亡增加(兴奋性毒性)[23,35]。突触外NMDAR通常富集GluN2B亚单位,被认为是构成兴奋毒性的主要信号通路[9],因此,突触外NMDAR信号升高会触发兴奋毒性[23,26]。

GluR亚基是一种定位于突触的突触后跨膜蛋白,小脑素介导神经丝素-小脑素-谷氨酸受体δ相互作用,会表现出共济失调运动[34]。

4 炎症因子在抗NMDAR脑炎中的作用

在对患者的活检中海马内发现了大量的浆细胞、IgG沉积[13],没有发生不可逆的神经元变性[14,21],这表明是由抗体导致的神经元功能障碍引起的。T细胞募集和增殖中起作用的细胞因子,如IFN-γ、肿瘤坏死因子(TNF)-α、CXCL-10、趋化因子C-C基序配体(CCL)22、IL-1β、IL-6、IL-7、IL-10和IL-17A在急性期升高,表明疾病初期T细胞参与[7,36,37]。而疾病后期CD4+T细胞与相关细胞因子减少的研究表明与抑制免疫治疗无关,而动物实验结果考虑与T细胞及其细胞因子耗竭相关[38]。TNF-α和IL-6的应用则可能加剧抗NMDAR抗体通过突触机制降低海马神经元突触部位的中枢敏化的作用。 正常浓度IL-6的产生会减少NMDA诱导的胞浆Ca2+超载,抑制神经元凋亡和坏死,起保护作用;慢性输注IL-6减弱抗NMDAR抗体对的鼠海马神经元中NMDAR介导的MEPSCs,这破坏了动物的学习能力;因此,IL-6可能对突触可塑性和记忆起双向作用[39]。TNF-α损害突触可塑性和记忆的机制在抗NMDAR脑炎中大多是未知的,但我们发现中枢神经系统长期输注TNF-α可使NMDAR介导的海马神经元EPSCs减少,这可能是潜在机制[39]。

自身抗体在中枢神经系统内对NMDAR的持续免疫激活导致突触功能的损伤[28]。

癫痫发作是由抗体直接引起的,但是与抗NMDAR脑炎相关的神经炎症可能会促进癫痫发作[40]。研究表明,必须持续接触抗体才能诱发癫痫发作[19],IL-1受体介导的信号传导是癫痫发作和持续的前提,抗炎治疗引起的细胞因子浓度下降与有助于临床改善。IL-1受体拮抗剂降低了炎性因子的表达,阻断IL-1的作用会减弱抗体诱导的癫痫发作,可能是通过调节Ca2+浓度来调节谷氨酸能神经传递[40],并且有助于海马突触活动的正常化[32]。因此IL-1可能是通过增强NMDAR介导的谷氨酸能传递,增加癫痫的发生[32]。

本篇综述主要讨论了抗NMDAR脑炎的发病机制,目前研究表明NMDAR抗体在抗NMDAR脑炎中的核心作用,抗体与受体结合、交联,最终NMDAR受体内化,受体密度降低、突触可塑性受到抑制、抑制性中间神经元功能减退,从而出现一系列病理功能,并且多种炎症因子参与其中,但目前炎症因子的参与机制需进一步研究;阻断抗体及抗炎治疗是治疗该病的重要手段,由于动物模型尚未建立,发病机制的阐述有待进一步验证。