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本文综述了扩散去极化（SD）与中枢神经系统先天免疫的关联。SD 可引发神经炎症，通过激活 Pannexin - 1（Panx1）通道、NOD 样受体家族含 pyrin 结构域 3（NLRP3）炎症小体等，导致炎症因子释放。此外，SD 还与偏头痛等疾病相关，为相关疾病治疗提供了新方向。
背景
扩散去极化（SD）是一种特殊的现象，它表现为神经元和神经胶质细胞的去极化波，在大脑皮质表面扩散。当 SD 发生时，受影响的神经元会出现膜电位的短暂、近乎完全丧失，进而导致大脑的电活动发生显著变化。SD 的传播速度通常约为每分钟 3 - 5 毫米，在这个过程中，会引发一系列生化和生理变化，像离子浓度改变、代谢需求增加，还会激活炎症通路。多种因素都能触发 SD，比如头部受到创伤、大脑缺血，或者受到兴奋性刺激等，而且 SD 与偏头痛先兆以及其他一些神经系统疾病密切相关。
在代谢正常的大脑中，SD 一般不会造成组织损伤。然而，在因缺血、缺氧、出血或创伤等导致代谢受损的大脑里，反复自发的 SD 会给细胞带来额外的代谢负担，最终致使细胞损伤甚至死亡。这是因为 SD 发生时，细胞需要消耗大量能量来恢复被打乱的内环境稳态，但由于线粒体功能障碍，能量产生却减少了，从而造成能量的供需失衡。而且，缺血组织对 SD 产生的血管收缩血流动力学反应，会加重组织的低灌注和缺氧情况，让能量供需失衡的问题更加严重。当 SD 引发的炎症反应与这些损伤因素叠加在一起时，就会在原发性损伤的基础上，导致细胞死亡和损伤范围扩大。不过，最近一些研究通过光遗传学方法无创诱导 SD，却发现 SD 对缺血后梗死周围组织损伤并没有不良影响，这也让人们对 SD 与组织损伤之间的因果关系产生了质疑。另外，还有研究表明，SD 在大脑中可能具有一些保护作用，例如发挥缺血预处理的功能，或者预防癫痫发作。
SD 对于中枢神经系统（CNS）的细胞来说，是一个能量消耗巨大的过程。在这个过程中，会发生大量离子转移和神经递质释放，而恢复内环境稳态则需要消耗大量能量。在健康的大脑中，由于不存在缺血或缺氧的情况，这种细胞应激通常不会导致神经元、星形胶质细胞或小胶质细胞死亡。但是，SD 诱导的细胞应激却能引发一种炎症反应，我们称之为神经旁炎症。旁炎症通常被看作是一种生理反应，它有助于维持组织的内环境稳态和修复过程。它会在应对各种应激源，如衰老、代谢变化或组织损伤时出现，但不会引发全面的炎症反应。因此，与 SD 相关的实质炎症变化可以被认为是神经旁炎症。
实质神经炎症
Jander 等人最早提供了 SD 诱导实质神经炎症的证据。他们发现，在大鼠大脑皮层中，SD 会使诱导部位同侧的促炎细胞因子白细胞介素 - 1β（IL - 1β）和肿瘤坏死因子 α（TNF - α）的 mRNA 水平升高。这些细胞因子的 mRNA 水平在 SD 后 4 小时达到峰值，16 小时后开始下降。值得注意的是，这种细胞因子表达的增加与在更明显的炎症状态（如缺血）下观察到的情况相似。免疫染色结果也显示，同侧皮层中 IL - 1β 的蛋白质水平升高，且主要存在于小胶质细胞内。
体外研究也证实了 SD 对细胞因子水平的影响。在海马器官型培养物实验中发现，SD 会使促炎和抗炎细胞因子（IL - 1α、IL - 1β、IL - 2、IL - 4、IL - 6、IL - 10、干扰素 γ（IFN - γ）和 TNF - α）的水平都有所增加，其中 IL - 1β 的水平在长达三天的时间里都显著升高。体内微阵列分析进一步表明，在 SD 后短短两小时，IL - 1α、IL - 1β、IL - 6 和 IL - 13 等细胞因子的 mRNA 水平就开始上升，并且这种升高状态会持续 48 小时。相反，IL - 2、IL - 10 和 IL - 12 的水平在这两个时间点都有所下降。此外，炎症介质环氧合酶 - 2（COX - 2）的表达在 SD 后 3 小时增加，在同侧皮层中，SD 后 1 天可检测到其最高蛋白水平。其他炎症标志物，如血管细胞黏附分子 1（VCAM - 1）、细胞间黏附分子 1（ICAM - 1）等细胞黏附分子，以及巨噬细胞趋化蛋白 - 1（MCP - 1）和巨噬细胞炎症蛋白 1（MIP - 1）等趋化因子，在 SD 后 3 小时也显著增加。
研究发现，SD 与实质炎症之间存在着紧密的联系。无论是单次 SD 还是多次 SD，都会使神经元中的 Pannexin - 1（Panx1）大通道打开，这个通道在谷氨酸能活动过度和细胞应激时会被激活。通道打开后，会在 SD 后短短 5 分钟内触发半胱天冬酶 - 1 激活，使神经元内的裂解半胱天冬酶 - 1 增加。激活的半胱天冬酶 - 1 会促进神经元释放 IL - 1β 和高迁移率族蛋白 B1（HMGB1）。HMGB1 作为一种警报分子，能够向周围细胞发出信号，启动炎症通路。神经元释放的 HMGB1 随后会激活星形胶质细胞中的核因子 κB（NF - κB），导致 COX - 2 和诱导型一氧化氮合酶（iNOS）等炎症介质的表达增加。研究人员认为，神经元和星形胶质细胞中这种协调的炎症信号传导，可能是三叉神经激活和偏头痛发作的潜在机制。因为抑制 Panx1 通道的打开，或者抑制 HMGB1 和 NF - κB 的作用，都能够减轻脑膜中动脉血流量的增加（这是三叉神经激活的一个指标），并逆转多次接受 SD 处理的小鼠的头痛行为。
进一步对 HMGB1 动态变化的研究发现，多次 SD 后，其表达会显著增加，而单次 SD 后则不会。HMGB1 的表达在 SD 后 3 小时达到峰值，24 小时后恢复到基线水平。在正常情况下，HMGB1 主要定位于神经元和星形胶质细胞的细胞核内，但在 SD 后，它的分布会向细胞核外转移，在神经元中表现得尤为明显。这些发现表明，SD 后 HMGB1 会从神经元中释放出来，并可能扩散到脑脊液和脑膜中，这突出了它在头痛发作，尤其是多次 SD 后头痛发作中的重要作用。
Panx1 在 SD 诱导的神经炎症中的作用，似乎还与嘌呤能信号传导相互补充。Panx1 激活后会与嘌呤能受体 P2X7形成一个大孔复合物，使得谷氨酸和离子能够透过，这在 SD 过程中是一个重要因素。通过药物或基因手段阻止 Panx1 - P2X7孔的形成，能够降低对 SD 的易感性，减少 SD 后 IL - 1β、COX - 2 和 iNOS 的表达增加。这种抑制作用还会降低降钙素基因相关肽（CGRP）的表达，减少三叉神经痛通路中的神经元激活，而单独抑制 P2X7则不会产生这些效果。此外，Src 家族激酶（SFK）信号传导在这个过程中也有参与，抑制 SFK 或其与 P2X7孔的相互作用，能够同时降低 SD 易感性和炎症介质的表达。最近的一项研究还表明，P2X7R 拮抗剂不仅能减少 SD 诱导侧同侧半球的神经炎症，还能降低对侧半球以及皮质下区域的神经炎症。过去人们认为 SD 只影响单侧半球，常将对侧半球作为对照。但最近的研究发现，在野生型和家族性偏瘫性偏头痛 1 型（FHM1）突变小鼠的大脑中，SD 诱导的神经炎症可以是双侧的。对侧的神经炎症反应可能是由于强烈的轴突冲动通过胼胝体传播到对侧皮层，类似于癫痫样放电的强烈谷氨酸能活动，激活了 Panx1 大通道，从而触发了 N - 甲基 - D - 天冬氨酸（NMDA）受体过度激活后的下游通路。支持这一观点的是，研究人员通过在对侧皮层局部抑制 NMDA 受体（使用 MK801），成功减轻了对侧皮层和纹状体的神经炎症。人体正电子发射断层扫描（PET）研究也支持这些发现，表明 SD 后的神经炎症是多区域的，并且可以双侧发生。最近一项 PET - MRI 研究对至少有 1 次伴有先兆偏头痛发作的患者和健康对照组进行了研究，使用（11C）PBR28 放射性配体（它能与神经炎症时增加的 18kDa 转运蛋白结合，该蛋白是一种神经胶质标记物），结果发现偏头痛患者的皮质和皮质下结构双侧炎症信号都有所增加，而且信号强度与偏头痛发作次数相关。
除了 SD，突触能量利用的不平衡也可能导致 Panx1 通道激活。比如，应用 1,4 - 二脱氧 - 1,4 - 亚氨基 - D - 阿拉伯糖醇（DAB）或睡眠剥夺，这两种情况都会破坏星形胶质细胞中糖原的利用，从而导致神经元中的 Panx1 通道打开。这种激活可能是因为星形胶质细胞因突触能量不足，对钾离子（K?）的重吸收受损，导致细胞外 K?浓度增加。通道打开还会使裂解半胱天冬酶 - 1 增加，促进 HMGB1 从神经元细胞核中转运出来，这表明神经源性炎症可以由多种机制引起。实际上，无论是突触能量中断还是 K?水平升高（由 DAB 或睡眠剥夺引起），都会降低 SD 阈值，而通过葡萄糖或乳酸灌注可以逆转这种变化，这突出了突触能量代谢在维持突触活动和防止 SD 产生中的关键作用。
以往研究 SD 与神经炎症之间联系的实验，大多采用传统的 SD 诱导方法，如开颅手术、针刺和皮质内注射等。但这些侵入性技术会造成组织损伤，给炎症研究带来干扰。为了解决这个问题，Takizawa 等人利用光遗传学方法诱导 SD，来研究炎症介质表达的变化。他们发现，在经历 6 次 SD 波后，与对侧相比，同侧皮层中 COX2、IL - 1β、TNF - α、IL - 6、ICAM - 1、VCAM - 1 和趋化因子（C - C 基序）配体 2（CCL2）的 mRNA 水平增加。IL - 1β 水平在 SD 后 1 小时达到峰值，其他介质在 4 小时左右达到峰值，并在 24 小时前恢复到基线水平。值得注意的是，单次 SD 也会显著提高 IL - 1β、COX - 2、TNF - α 和 CCL2 的表达。IL - 1β 的表达在单次 SD 后短短 10 分钟就开始增加，这表明它在炎症级联反应中起着上游作用。用 IL - 1 受体敲除小鼠进行的实验表明，即使经过多次 SD，CCL2 和 TNF - α 的表达水平也会降低。在 SD 前后给予地塞米松治疗，可以减少这些炎症介质的增加，而布洛芬则没有这种效果。同侧皮层中炎症介质的增加是大脑内部的变化，在全身循环中无法检测到。
越来越多的证据表明，炎症小体激活可能将 Panx1 通道的打开与 SD 后炎症介质表达的增加联系起来。最近的研究指出，核苷酸结合结构域（NOD）样受体家族含 pyrin 结构域 3（NLRP3）炎症小体的表达、组装以及裂解半胱天冬酶 - 1 的水平，在多次 SD 和单次 SD 后不久，都会在大脑皮层中增加。值得注意的是，这种 NLRP3 的激活主要发生在神经元中，神经胶质细胞中则没有明显变化。SD 后 NLRP3 炎症小体的激活，会导致 IL - 1β、COX - 2、TNF - α 和 CCL2 水平增加，同时神经元会释放 HMGB1。重要的是，通过药物抑制或基因敲除 Panx1、NLRP3 以及 IL - 1β，都能抑制这些炎症介质的增加。此外，抑制 Panx1 和 NLRP3 会减少三叉神经血管的激活，表现为 SD 后常见的脑膜中动脉扩张减少，CGRP 和 c - FOS 表达降低。虽然小胶质细胞中研究的炎症介质水平没有增加，但在多次 SD 后，它们会出现形态变化，表明小胶质细胞被激活。用米诺环素抑制小胶质细胞的激活，可以减少神经元炎症。
虽然最近对 NLRP3 炎症小体在 SD 相关实质炎症中的作用有了较多研究，但其他类型炎症小体的参与情况还不太清楚。NLRP2 在免疫反应中的具体功能尚未完全明确，但有研究表明它在多种疾病模型（包括脑缺血、疼痛和抑郁症）中作为星形胶质细胞炎症小体，参与炎症反应。此外，在不同的生物学背景下，NLRP2 还通过调节 NF - κB 参与抗炎过程。最近一项研究观察了在小鼠大脑中光遗传诱导单次 SD 后 NLRP2 的表达模式和变化。有趣的是，在假手术和正常小鼠大脑中，NLRP2 免疫反应主要出现在神经元中，而不是星形胶质细胞或神经胶质细胞中。值得注意的是，在这个早期时间点，SD 会导致神经元中 NLRP2 免疫反应显著下降。因此，NLRP2 在神经元中的特异性表达，以及 SD 后其表达的显著下降，都凸显了它在神经元对炎症挑战反应中的潜在作用。
研究表明，HMGB1 与 Toll 样受体（TLR）2/4 之间的相互作用，对于 SD 后小胶质细胞的激活至关重要。抑制 TLR 2/4 能够有效阻止 SD 后小胶质细胞的激活，从而下调神经元中的炎症介质，这强调了神经元和小胶质细胞在 SD 诱导炎症中的相互作用。之前，虽然知道 SD 后应激神经元会释放 HMGB1，但释放机制并不清楚。最近的研究发现，单次 SD 后，HMGB1 会通过细胞外囊泡从神经元中释放出来。释放后，这些囊泡主要被星形胶质细胞摄取，而不是小胶质细胞，进而导致星形胶质细胞中的 NF - κB 激活。这种信号传导似乎局限于神经元和星形胶质细胞，这表明在轻度炎症状态（包括 SD）下，它不会在大脑中引发更广泛的细胞免疫反应。
除了上述提到的介质，SD 还被证明可以通过激活海马切片培养物和体内的 T 细胞，增加 IFN - γ 的产生，这与白质中的髓鞘破坏和 SD 易感性增加有关。SD 对神经炎症的这些多样影响，可能受到 TLR3 的调节，TLR3 是先天免疫系统中一种关键的模式识别受体。在 SD 前应用 TLR3 激动剂聚肌苷酸（Poly I），可以减轻大脑中 TNF - α 和 IFN - γ 水平的增加。此外，Poly I 处理还具有神经保护作用，能够增加大脑中 γ - 氨基丁酸（GABA） - A 受体的水平，减少多次 SD 后应激神经元的数量。值得注意的是，SD 还会影响全身炎症反应，促进脾脏中 IFN - γ、TNF - α、转化生长因子 - β（TGF - β）和 IL - 4 的产生，并促进淋巴细胞增殖。给予 Poly I 则会减少 SD 后脾脏中 TNF - α 和 IL - 4 的产生。这些发现表明，这些炎症过程不仅局限于中枢神经系统，还会对全身免疫反应产生影响。
SD 引发炎症的一种方式可能与线粒体功能障碍有关。研究发现，SD 会导致神经元中的钙离子流入线粒体，引起线粒体膜去极化。即使在健康的脑组织中，SD 也能导致神经元线粒体形态发生变化，这反映了线粒体功能障碍。SD 还会导致线粒体膜上的线粒体通透性转换孔（mPTP）打开。mPTP 的打开会激活细胞内的先天免疫系统通路，从孔中释放的钙离子还会导致细胞凋亡。相反，线粒体应激或功能障碍可能会促进 SD 的产生，比如在伴有线粒体疾病和偏头痛共存的情况下，如肌阵挛性癫痫伴破碎红纤维（MERRF）和乳酸酸中毒及卒中样发作（MELAS）综合征。
神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞在 SD 相关炎症中的细胞间相互作用
SD 会严重破坏离子和神经递质的内环境稳态，导致大量跨膜离子转移，表现为钠离子（Na?）和钙离子（Ca2?）内流，同时伴有水分子的移动，以及钾离子（K?）和谷氨酸从受影响的脑细胞中外流。星形胶质细胞在清除 SD 过程中释放的细胞外 K?和谷氨酸方面起着至关重要的作用，其 Na?/K? ATP 酶活性对于恢复被 SD 打乱的内环境稳态也非常关键。这些功能使星形胶质细胞成为 SD 易感性的关键调节者。此外，SD 本身也会对星形胶质细胞产生深远影响，当组织内环境稳态受到干扰时，星形胶质细胞会变得活跃，表现为胶质纤维酸性蛋白（GFAP）表达增加和细胞肥大。在 SD 后，在受影响的皮层中可以观察到 GFAP 染色增加，长期暴露于 SD 会导致星形胶质细胞数量显著增加，GFAP 免疫阳性增强。对 SD 后的星形胶质细胞进行详细分析（包括体外脑切片和体外实验）发现，肥大的星形胶质细胞数量增加，这些细胞中与反应性星形胶质细胞增多相关的标记物，如 GFAP、波形蛋白和 S100β 的表达也升高。此外，SD 后星形胶质细胞中炎症介质（包括 IL - 1β、TNF - α 和 IL - 6）以及模式识别受体 TLR3 和 TL<
