迷走神经调控脓毒症炎症反应的研究进展

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迷走神经调控脓毒症炎症反应的研究进展

脓毒症是由宿主对感染反应失调引起的危及生命的器官功能障碍^[1]。尽管早诊断、早治疗可拯救脓毒症患者，但是每年仍有数百万人的生命受到脓毒症的威胁^[2]。促炎反应与抗炎反应之间的动态竞争失衡是脓毒症的病理生理特征，失衡的严重程度决定了脓毒症的预后^[3]。死于脓毒症早期的患者通常归因于促炎反应引起的高炎症状态，表现为"细胞因子风暴"、中毒性休克、发热和高分解代谢等^[3，4]；然而，死于脓毒症后期的患者通常归因于抗炎反应引起的免疫抑制，表现为原发感染和继发感染的持续进展^[3]。因此，深入研究促炎反应与抗炎反应之间的调节机制，将为脓毒症治疗提供新的突破口。

近年来，神经免疫学方面的研究取得了显著进展，极大地扩展了对神经通路调节炎症反应的认识。与大脑调控心率和血压的机制相似，神经免疫调节也以神经反射的方式发挥作用，因此又被称作"炎症反射"^[5，6]。炎症反射的传入神经和传出神经分别负责炎症感知及炎症控制^[6]，这也表明免疫系统被神经系统调控。近年来，有关迷走神经在炎症性疾病中通过炎症反射发挥免疫调节作用的研究备受关注。现围绕迷走神经的传入神经和传出神经对炎症反射神经环路组成的影响进行综述，重点概述迷走神经介导炎症反射的机制，以及在脓毒症炎症反应中的调节作用，希望能为治疗脓毒症揭示新的策略。

脓毒症相关性脑病诊断及病理生理机制

1　迷走神经介导的炎症反射

炎症反射是指中枢神经系统以神经反射的方式整合传入的炎症信号，并负反馈抗炎信号，最终抑制炎症反应^[5]。炎症反射将大脑与免疫细胞连接起来，并调控免疫反应，从而维持免疫稳态。目前有关炎症反射的研究主要分为两大类，即传入神经如何实现炎症感知，以及传出神经如何实现炎症控制^[6]。迷走神经的传入神经和传出神经具有同时介导炎症反射的输入与输出的解剖功能。因此，近年来大量研究聚焦于阐释迷走神经介导的炎症反射在调节免疫应答中的作用机制^{[7，8，9，10，11]}。基于近年来相关研究的新进展，现重点概述迷走神经是如何通过传入纤维和传出纤维实现炎症反射的炎症感知及炎症控制，进而总结迷走神经调节炎症反应的作用机制。

1.1　迷走神经实现炎症反射的解剖基础：

迷走神经是第10对脑神经，同时含有传入神经纤维（包括躯体感觉和内脏感觉）及传出神经纤维（包括躯体运动和内脏运动），从延髓下传分布至颈部、胸部和腹部，生理功能涉及心血管、呼吸道、胃肠道、免疫和内分泌系统的稳态调节^{[12，13，14]}。内脏感觉神经在结节神经节换元后信号传递到孤束核（nucleus of the solitary tract，NST），随后信号被投射至高级神经中枢，如下丘脑、杏仁核和皮质。内脏器官的感觉纤维占迷走神经总纤维数的60%～80%，传入神经节中的神经递质包括谷氨酸、降钙素基因相关蛋白和P物质。感觉纤维除感知疼痛、牵拉、化学刺激和温度外，还能通过炎症相关受体感知炎症信号^[15，16]。疑核（nucleus ambiguus，NA）和迷走神经背侧运动核（dorsal motor nucleus of the vagus nerve，DMN）是传出神经纤维的起源，其中主要是胆碱能纤维，以乙酰胆碱为神经递质；少部分是非肾上腺素能非胆碱能纤维，以一氧化氮（nitric oxide，NO）、血管活性肠肽和降钙素基因相关蛋白为神经递质。前期研究表明，交感神经和副交感神经在维持免疫稳态中发挥了重要的调控作用^[17，18]，而迷走神经的大部分传出纤维属于副交感神经。另外，外周免疫细胞也表达神经递质受体，如α7烟碱型乙酰胆碱受体（nicotinic acetylcholine receptor α7 subunit，α7nAChR）^[8]。因此，迷走神经的传入纤维和传出纤维均与免疫反应密切相关，且具有与免疫细胞互相传递信号的解剖学和分子学基础。

1.2　迷走神经的炎症感知功能：

外周神经元和中枢神经元均可以通过表达炎症相关受体感知炎症微环境中的炎症信号。有研究表明，神经元能够表达模式识别受体（pattern recognition receptor，PRR），感知微环境中的病原体相关分子和细胞因子，如巨噬细胞或中性粒细胞释放的肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）和白细胞介素-1β（interlenkin-1β，IL-1β）^[7，11]。通常情况下，可以通过4种途径将外周炎症信号传递到中枢神经系统^[19]：①脑室周器（circumventricular organ，CVO）因缺乏血脑屏障，能直接感知血液循环中的炎症信号；②以饱和转运细胞因子的方式穿过血脑屏障；③细胞因子通过刺激脑内皮细胞分泌炎症介质，以旁分泌形式作用于神经元；④炎症信号直接激活外周感觉神经元，如迷走神经的感觉神经元。

迷走神经的感觉纤维不仅在胸腹器官中具有外周轴突末端，在脑干中也具有特殊的谷氨酸能轴突末端。有研究表明，迷走神经的轴突感受器不但能被温度、压力和渗透压激活，还能被TNF-α、IL-1β等炎症因子激活^[15，16]。例如：Goehler等^[20]报道，可通过脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）诱导巨噬细胞分泌IL-1β或直接通过腹腔注射IL-1β兴奋膈下迷走神经传入纤维。Borsody和Weiss^[21]发现，切断膈下迷走神经背侧干能够阻断腹腔内的LPS或肽聚糖对中枢蓝斑神经元的激活。Simons等^[22]通过使迷走神经失能的方法发现，迷走神经切断术（vagotomy，VGX）可以阻断腹腔内LPS诱导的发热反应。上述研究表明，在腹腔感染过程中，迷走神经传入纤维介导了炎症信号向中枢的传递。另有研究表明，迷走神经的结节神经节表达的Toll样受体4（Toll-like receptor 4，TLR4）可以与循环中的LPS直接结合进而激活迷走神经，并将炎症信号传入中枢，导致机体产生发热反应^[23，24]。因此，迷走神经可以在多个解剖层面感知宿主的炎症变化，并将炎症信号转化为神经信号传入中枢神经系统，这说明迷走神经介导了炎症反射的炎症感知。

1.3　迷走神经的炎症控制功能：

外周炎症信号传入中枢神经系统，中枢神经元整合后向外周反馈抗炎信号，而抗炎信号主要通过3种途径发挥抗炎作用^{[6，19，25，26，27]}：①信号投射至下丘脑室旁核，通过激活下丘脑 - 垂体 - 肾上腺轴（hypothalamic-pituitary-adrenal axis，HPA轴）释放皮质醇，从而抑制炎症反应；②信号投射至脊髓交感节前神经元，激活肾上腺髓质，通过释放儿茶酚胺抑制炎症反应；③信号投射至DMN，激活迷走神经传出纤维，通过释放乙酰胆碱抑制炎症反应。学术界将迷走神经传出纤维介导的抗炎效应——阻止促炎细胞因子释放和防止全身炎症反应，命名为"胆碱能抗炎通路"（cholinergic anti-inflammatory pathway，CAIP）^[5，9]。

由于迷走神经同时介导炎症反射的炎症感知和炎症控制，因此迷走神经对机体的免疫应答具有重要的调节作用。鉴于CAIP不仅是迷走神经实现炎症反射的效应途径，还是当前的研究热点。因此，现重点概述CAIP在抗炎信号传递和效应机制方面的研究新进展。

1.3.1　CAIP在脾脏参与下的抗炎机制：

20多年前，有研究者意外发现电刺激迷走神经会产生抗炎效应^[8，28]。随后，研究者发现迷走神经发挥抗炎效应必须有α7nAChR的参与^[29]。于是，Pavlov和Tracey^[9]在描述炎症反射时提出了"CAIP"的概念，其特点是迷走神经传出纤维在外周器官释放乙酰胆碱，通过活化表达α7nAChR的巨噬细胞发挥抗炎效应。经深入研究发现，迷走神经刺激（vagus nerve stimulation，VNS）并不能抑制切除脾脏的脓毒症小鼠的全身炎症反应，随即提出"脾脏在CAIP抗炎过程中不可或缺"的理论观点^[30，31]。然而，脾脏是没有迷走神经末梢分布的^[32]。为了阐释迷走神经信号如何传递到脾脏及其在脾脏内的信号传递，研究者开展了大量工作。研究表明，迷走神经在腹腔神经节中与交感节后神经元有突触联系，可以通过脾神经将抗炎信号传递到脾脏^{[33，34，35]}。脾内胆碱乙酰转移酶（choline acetyltransferase，ChAT）⁺ T细胞被脾神经释放的去甲肾上腺素激活，并分泌乙酰胆碱^[11]。该研究成果解释了脾脏内乙酰胆碱的非神经来源，即脾脏没有迷走神经末梢也能实现胆碱能抗炎效应。Rana等^[36]报道，VGX使盲肠结扎穿孔术（cecal ligation and puncture，CLP）致脓毒症小鼠脾脏中ChAT⁺ T细胞数量减少，导致全身炎症反应加重。Huston等^[30]研究发现，VGX使LPS致脓毒症小鼠脾脏和全身的炎症反应加重。通过总结上述研究，我们将需要脾脏参与的CAIP称为经典通路，即活化的迷走神经传出纤维在腹腔神经节释放乙酰胆碱进而激活脾神经，脾神经末梢在脾内释放去甲肾上腺素并激活ChAT⁺ T细胞分泌乙酰胆碱，然后乙酰胆碱活化巨噬细胞的α7nAChR并激活胞内抗炎信号通路，减少炎症因子产生，从而实现抗炎效应。

1.3.2　CAIP在无脾脏参与下的抗炎机制：

近年来，研究者逐渐发现，在没有脾脏的情况下，CAIP依然能在多个疾病模型中发挥抗炎效应。Matteoli等^[37]研究发现，迷走神经可以通过激活肠道的胆碱能肠神经元释放乙酰胆碱，然后直接与肠道巨噬细胞α7nAChR结合，从而抑制肠道炎症反应，并且该抗炎过程不依赖T细胞和脾脏。Teratani等^[38]研究发现，迷走神经传出纤维与肠神经元形成突触联系，并可以激活肠神经元，通过促进肠神经元末梢释放乙酰胆碱，调节抗原呈递细胞活性，从而在炎症性肠病中发挥抗炎效应，而该抗炎过程同样不依赖脾脏。Nishio等^[39]报道，在非酒精性脂肪性肝炎小鼠模型中，切断迷走神经肝支会加重肝的脂肪变性和炎症反应。由于选择性切断迷走神经肝支并不会影响腹腔支与腹腔神经节的联系^[35]，提示CAIP在肝脏的抗炎效应不需要脾脏的参与。研究者在一项关于爆发性肝炎的研究中发现，切断左颈迷走神经能够显著增加LPS刺激的肝组织中TNF-α和IL-6的水平，并受肝组织中库普弗细胞α7nAChR的影响^[40]。由于选择性切断迷走左干并不会影响右侧腹腔支与腹腔神经节的联系^[35]，提示CAIP在肝脏的抗炎效应不需要脾脏的参与。综合上述研究结果，发现两个特殊之处：①肝脏和胃肠道均有迷走神经传出纤维末梢直接分布；②在肝脏和胃肠道这些器官中，CAIP发挥抗炎效应均不需要脾脏的参与。这些最新的研究成果扩展了我们对CAIP的认知，说明CAIP的表现形式具有多样性，这也说明CAIP值得继续深入研究。

2　迷走神经介导的炎症反射在脓毒症中的炎症调节作用

迷走神经通过参与炎症反射的调控过程，在调节脓毒症的炎症反应中发挥重要作用。迷走神经的传入纤维能够在先天免疫识别入侵的病原体并释放炎症因子后，第一时间感知炎症。例如：组织巨噬细胞在识别病原相关分子模式（pathogen-associated molecular patterns，PAMP）后活化，产生TNF-α，TNF-α迅速激活传入迷走神经上的肿瘤坏死因子受体（tumor necrosis factor receptor，TNFR），神经冲动将外周炎症信号传入大脑^[15，16]。迷走神经的传出纤维将中枢系统的负反馈信号经CAIP作用于外周免疫细胞，如巨噬细胞、中性粒细胞、树突状细胞和单核细胞等^{[8，41，42，43，44]}，这些先天免疫细胞在脓毒症炎症反应中发挥了关键作用^{[42，45，46，47]}。而且，除脓毒症外，CAIP对烧伤、自身免疫性疾病、缺血/再灌注损伤（ischemia/reperfusion injury，IRI）等多种炎症性疾病也具有抗炎效应^{[7，36，38，42，48，49]}。由此可知，干预迷走神经的炎症反射机制进而调节脓毒症的炎症反应具有转化医学的研究价值。目前主要有两类干预方法用于观察迷走神经对脓毒症炎症反应及预后的影响，分别为VNS和药理学干预。

2.1　VNS：

VNS的研究最早源于癫痫的治疗，经过数十年的发展，目前已开始在临床试验中用于治疗癫痫、慢性疼痛和头痛等慢性疾病^[12]。2000年，Borovikova等^[28]报道了VNS在脓毒症中的应用，发现VNS能够缓解LPS致脓毒症大鼠的全身炎症反应^[28]。随后，研究者相继发现VNS在脓毒症中不仅能够抑制脾组织内巨噬细胞产生炎症因子^[33]，还能抑制脾中性粒细胞的表型转换^[41]，抑制炎症小体激活^[50]，改善脓毒症相关性脑病^[51]。由此可见，VNS通过激活CAIP可以作用于不同的靶点，从而调节脓毒症的炎症反应。随着基础研究的逐渐丰富，目前已开始进行临床前试验。研究显示，通过颈部VNS干预脓毒症，可以显著减轻多器官功能障碍，并降低血管活性药物和液体复苏的需求^[52]。近期一项临床研究报道，脓毒症患者经过耳部VNS治疗5 d后，可以显著降低循环中的促炎因子TNF-α和IL-1β的水平，并且能够提高抗炎因子IL-10的水平^[53]。这些研究成果说明，VNS在脓毒症中发挥了抗炎效应，VNS的临床疗效值得进一步深入研究。

2.2　药理学干预：

基于CAIP的理论基础，针对活化神经递质受体，目前干预的药物主要有胆碱能激动剂和肾上腺素能激动剂。胆碱能激动剂能够通过模拟乙酰胆碱激活CAIP通路中的关键受体α7nAChR，使巨噬细胞胞内抗炎信号被激活，进而实现迷走神经的抗炎效应。例如：尼古丁不仅能在LPS致脓毒症中抑制巨噬细胞分泌TNF-α^[29]，还能在大肠杆菌脓毒症中减轻肝组织病理损害^[54]。近年研究表明，GTS-21（一种选择性α7nAChR激动剂）能够提高CLP致脓毒症的存活率，并且缓解肝脏的炎症反应^[55]。GTS-21治疗CLP致脓毒症在促进感染灶细菌清除的同时，还能改善器官损害^[44，56]。另外，有研究者通过抑制胆碱酯酶活性来减缓乙酰胆碱的水解，提高乙酰胆碱水平和利用率，进而发挥抗炎效应。例如：应用乙酰胆碱酯酶抑制剂Distigmine治疗CLP致脓毒症能够显著改善存活率，并降低循环炎症因子水平^[17]。毒扁豆碱治疗CLP致脓毒症可抑制肝脏核转录因子-κB（nuclear factor-κB，NF-κB）的蛋白表达，降低肺脏内中性粒细胞髓过氧化物酶（myeloperoxidase，MPO）活性，明显改善脓毒症预后^[57]。β₂ -肾上腺素能受体（β₂ -adrenergic receptor，β₂ -AR）在CAIP通路中发挥了"中继站"的作用，β₂ -AR激动剂能够激活ChAT⁺ T细胞，释放乙酰胆碱，从而发挥抗炎作用^[58]。研究证明，沙丁胺醇可通过激活T细胞β₂ -AR明显降低LPS致脓毒症的循环炎症因子水平，并能提高CLP致脓毒症的存活率^[58]。研究表明，沙丁胺醇可明显减轻CLP致脓毒症的肺部炎症和气道损伤^[59]。另外，巨噬细胞和自然杀伤细胞（natural killer cell，NK细胞）也表达β₂ -AR，活化后对腺苷酸环化酶和丝裂素活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）通路发挥调节作用^[60]。近期一项研究表明，脑肠肽能够活化迷走神经，减轻脓毒症相关性小肠损伤^[61]。尽管上述研究提示药理学激活CAIP通路可以改善脓毒症预后，但是目前仍然处于基础研究阶段，尤其是胆碱能激动剂因存在明显的中枢神经副作用而在转化医学中推广受限。相对而言，β₂ -AR激动剂的安全性较好，但是作用机制相对复杂，难以确定是否仅通过活化CAIP通路来发挥抗炎效应。因此，通过药理学活化迷走神经的炎症反射尚需进一步研究，期待在治疗脓毒症方面取得突破性进展。

2.3　中医针刺：

针刺是一种有效的中医治疗方法。胡森等^[62]于2009年发现针刺足三里穴能降低CLP致脓毒症大鼠的促炎症因子水平，而VGX后针刺的作用显著降低；随后，胡森等^[63]又发现针刺足三里穴能减轻CLP致脓毒症肝、肾等多器官损害，而该针刺疗效能被VGX消除。这两项研究提示针刺足三里穴需在迷走神经介导下才能发挥抗脓毒症效应。石现等^[64]发现针刺足三里穴能改善CLP致脓毒症大鼠的肝组织缺血，而非穴位针刺的疗效显著降低。张敏等^[65]发现针刺足三里穴对LPS致脓毒症大鼠的肺微血管内皮细胞有显著的保护效应，而非穴位针刺和VGX后针刺均未观察到保护效应。随着针刺改善脓毒症炎症反应的基础研究不断进展，近期开展了一项临床随机对照研究，该研究显示，通过腹针疗法针刺穴位联合口服温脾汤能改善脓毒症患者的胃肠功能障碍，减少内毒素释放，降低全身炎症因子水平^[66]。以上研究结果表明，以中医穴位为基础的针刺治疗能在迷走神经的介导下发挥抗炎作用，这可能与活化CAIP有关^[67]。但是，目前迷走神经介导的针刺改善脓毒症炎症反应的具体作用机制尚不明确，期待相关研究早日取得突破，为中医针刺疗法提供理论基础。

3　小　结

当前，脓毒症依然是难治性疾病，患者病死率依然居高不下。为拯救脓毒症患者，研究者开展了大量工作。随着对脓毒症病理生理认识的逐渐深入，研究者发现脓毒症主要是由宿主促炎反应与抗炎反应之间的平衡机制失调引起。因此，重新恢复促炎与抗炎之间的动态平衡是治疗脓毒症的潜在突破口。随着神经免疫研究的进展，研究者逐步认识了迷走神经介导的炎症反射是宿主内在抗炎机制的重要参与者。因此，通过干预迷走神经活化炎症反射的抗炎效应，成为治疗脓毒症的一种有效措施。尽管在VNS和药理学方面取得了令人满意的疗效，甚至已在临床前研究中得到初步验证，但仍需进一步研究以解决存在的争议，特别是迷走神经介导的炎症反射的具体作用途径及机制，为后续研究新的和更有效的干预措施奠定基础。

引用: 陈贵兵, 刘书畅, 付伟, 等.  迷走神经调控脓毒症炎症反应的研究进展 [J] . 中华危重病急救医学, 2024, 36(2) : 216-220.