• 信息公告:
 

机体如何感受慢性痒:感觉神经元利用经典免疫

信号通路介导慢性痒的分子机制

Oetjen LK, Mack MR, Feng J,  et al . Cell, 2017, 21,171(1):217-

228. e13. doi: 10.1016/j.cell.2017.08.006. 

苏州大学 , 王志红 译   刘 通 校

 

TEACHER SDAY

摘  要   哺乳动物进化出的神经生理性反射(如咳嗽和抓挠),用来排除入侵的病原体和有害的环境刺激。这类机体反应与慢性炎性疾病相关,包括哮喘和特性应皮炎 (AD)。然而,人们对炎症通路如何介导躯体感觉(如痒觉)的机制仍然知之甚少。本研究结果显示 Th2 型细胞因子直接激活小鼠和人类的感觉神经元。慢性痒依赖于神经元 IL-4Rα 和 JAK1 信号。临床上,用 JAK 抑制剂治疗慢性顽固性瘙痒的病人效果显著,而其他免疫抑制治疗无效。因此,经典免疫信号机制可作为神经系统内的新型治疗靶点。综之,这项研究揭示一个进化保守的范式,即感觉神经系统采用经典的免疫信号通路来影响哺乳动物的行为。

 
 

研究背景

 

 

神经系统和免疫系统协同工作来感知潜在的病原体,并提供机体保护性反应。这两大系统在包括肠道、肺、皮肤在内的多个屏障表面存在广泛的交互作用。这些交互作用可协调多方面的反应,包括神经生理反射(如咳嗽和抓挠),来排除入侵的病原体和逃避有害的环境刺激。神经免疫交互作用共同促进机体生存,但这些反应的失调能否导致感觉异常(特别慢性痒),对此我们仍然知之甚少。慢性痒(定义为持续超过 6 周的瘙痒)影响高达 15%的人群,并严重降低生活质量。慢性痒是炎性皮肤疾病(如特应性皮炎,AD)的主要临床特征,但瘙痒也是多种神经性疾病的症状。此外,慢性痒在没有任何已知疾病过程的情况下也能发生,被描述为慢性特发性瘙痒症 (chronic idiopathic pruritus,CIP)。尽管慢性痒发病率高,但是目前还没有专门用于治疗慢性痒的有效药物。人们普遍认为,皮肤炎症会导致瘙痒。例如,致痒因子组胺与荨麻疹的瘙痒有关,白细胞介素31(IL-31) 与 AD 的瘙痒相关。然而,炎症介诱导瘙痒的确切机制仍然不明确。在 AD 中,已知 Th2 型细胞因子 IL-4、IL-5 和 IL-13 介导皮肤炎症反应。在皮肤中过表达 IL-4 或 IL-13 的小鼠发展出 AD 样病变和强烈的慢性痒。值得注意的是,最近获批的单克隆抗体药物 dupilumab,通过作用于受体亚基IL-4Rα 来阻断 IL-4 和 IL-13 的信号传导,对 AD 有显著的治疗效果。这些经典炎症介质是否也能诱导瘙痒还不清楚。此外,其下游信号转导通路在免疫系统和神经系统中是否保守以及靶向治疗慢性痒的可能性仍然未知。本研究结果表明,Th2 型细胞因子 IL-4 和 IL-13 直接激活小鼠和人类的感觉神经元,且慢性痒依赖于神经元 IL-4Rα 和 JAK1 信号。用Janus 激酶 (JAK) 抑制剂托法替尼 (tofacitinib) 治疗慢性顽固性瘙痒的病人效果显著。因此,经典免疫信号通路机制可能作为神经系统内治疗慢性痒的新靶标。

 

 
 
 
 

主要研究结果

 

 

1. Th2 型细胞因子直接激活感觉神经元

RT-PCR 结果显示小鼠和人类的背根神经节(DRG) 和三叉神经节 (TG) 表达 IL-4Rα (Il4ra) 和 IL-13Rα1 (Il13ra1),但不表达 IL-5Rα (Il5ra) 的。钙成像结果表明,IL-4 或 IL-13 分别诱导 4.1%和 3.3%的 DRG 神经元的胞内钙升高,且感觉神经元对 IL-4或 IL-13 的反应频率以剂量依赖性方式增加。由于缺乏 Il5ra 的表达,IL-5 不引发 DRG 神经元的钙反应。此外,IL-4 也能诱导人类感觉神经元的胞内钙升高。综之,这些发现表明在小鼠和人类中感觉神经元对 Th2 型细胞因子(如 IL-4)的反应是保守的。

2. Th2 型细胞因子激活痒觉感觉通路

通过重新分析已发表的两个神经元转录组数据库,本研究发现,Il4ra 的表达在非肽能和肽能痒觉和伤害性感觉神经元中较丰富。使用单细胞 RNA-seq 数据库发现,与其他伤害性感觉神经元 (PEP1和 PEP2) 和机械感受神经元 (TH) 相比,Il4ra 和Il13ra1 的表达在痒觉神经元(NP1,NP2 和 NP3)中较丰富。钙成像结果发现,主要是小直径的神经元对 IL-4 和 IL-13 有反应。89% 对 IL-4 反应的神经元对 IL-31、组胺或两者有反应。75% 对 IL-13 反应的神经元对 IL-31、组胺或两者有反应。63%对 IL-4反应的神经元也对 IL-13 有反应。45%对 IL-4 反应的神经元也对胸腺基质淋巴细胞生成素 (TSLP) 有反应。先前研究表明,组胺和 MrgprA3 激动剂氯喹分别激活瞬时感受器电位通道 (TRP) TRPV1 和TRPA1,诱导胞外钙内流。IL-4 或 IL-13 诱导 DRG神经元的胞内钙升高完全依赖于 TRPV1 的表达和细胞外钙。预处理 DRG 神经元 IL-4 之后,可增强DRG神经元对组胺、氯喹、TSLP和IL-31的钙反应。行为学结果发现,皮内注射高剂量的 IL-4 或 IL-13并不引起急性抓挠行为,但皮内注射 IL-4 可增强组胺诱导的抓挠行为。因此,尽管 Th2 型细胞因子本身不是有效的急性致痒剂,但是它们能使感觉神经元对多种不同的致痒剂敏感化。

3. 感觉神经元 IL-4Rα 信号介导慢性痒

为探讨感觉神经元特异的 Th2 型细胞因子信号转导在慢性痒中的作用,本研究构建了在感觉神经元上特异性敲除 IL-4Rα 的小鼠 (Na V 1.8-Cre +IL-4Ra fl/fl ,IL-4Rα Δneuron ),并证实 IL-4Rα Δneuron 小鼠的 DRG 中缺失 Il-4ra,而不是 Il-2rg 或 Il-13ra1。IL-4Rα Δneuron 小鼠的 DRG 神经元中对 IL-4 和 IL-13的反应大幅减弱。相比之下,IL-4Rα Δneuron  小鼠的DRG 神经元对其他致痒剂(包括 IL-31 和组胺)的反应正常。建立 MC903 诱导的 AD 模型发现,IL-4Rα Δneuron  小鼠的搔抓行为明显减少。耳厚度测量和组织病理学评估显示,MC903 处理 IL-4Rα Δneuron小鼠的皮肤炎症减少。因此,神经元 IL-4Rα 信号的缺失抑制慢性痒和皮肤炎症。

4. 感觉神经元 JAK1 信号介导慢性痒

在免疫细胞中,Th2 型细胞因子通过 JAK 依赖性信号转导。本研究探讨了痒觉神经元是否也表达JAK 信号转导通路。使用已发表的单细胞 RNA-seq数据库,明确了JAK1的表达在痒觉神经元中富集,而且 IL-4 刺激能诱导感觉神经元 JAK1 磷酸化水平升高。为了在功能上评估 Th2 型细胞因子是否以JAK1 依赖性方式激活感觉神经元,本研究构建了在感觉神经元中敲除 JAK1 的小鼠 (Na V 1.8-Cre +  JAK1 fl/fl ,JAK1 Δneuron )。钙成像实验发现,在缺少 JAK1 的情况下,DRG 神经元对 IL-4 的反应消失。使用JAK 抑制剂 ruxolitinib 药理学抑制 JAK 信号,与JAK1 Δneuron 小鼠中的发现类似,将 ruxolitinib 作用于 DRG 神经元导致其对 IL-4 的钙反应减少。建立MC903 诱导的 AD 模型发现,JAK1 Δneuron 小鼠的搔抓行为明显减少,并且腹腔注射 ruxolitinib 也能显著减少搔抓行为。病理组织学研究显示,腹腔注射ruxolitinib 仅稍微减少炎症反应。因此,ruxolitinib的抗痒作用可能主要通过对神经元的 JAK 信号直接抑制来介导,而不是通过抑制皮肤炎症。此外,在AEW 诱导的干皮病模型(一种与明显炎症无关的慢性痒模型),JAK1 Δneuron 小鼠的搔抓行为明显减少。综之,即使在没有强烈的皮肤炎症的情况下,神经元 JAK1 仍是慢性痒的关键信号。

5. CIP 病人在没有皮肤炎症的情况下表现出严重的瘙痒

CIP 是一种未知病因的瘙痒症,不伴有明显的皮肤炎症。由于 Th1 型免疫力的缺陷,CIP 病人表现出轻微的 Th2 型免疫特征,即外周嗜酸性粒细胞增多和免疫球蛋白 E (IgE) 升高。组织病理学表明 AD存在皮肤炎症的多种特征,包括角化过度,棘皮病和混合皮肤炎性浸润。形成鲜明对比的是,CIP 的组织病理学检查中仅显示极低的炎症。值得注意的是,尽管皮肤炎症比较轻微,但 CIP 病人报告比 AD 病人更痒。因此,慢性痒既能在强烈的皮肤炎症情况下出现,也能在没有明显的炎症情况下出现。为了在分子水平表征 CIP,本研究对来自 CIP病人的皮肤、AD 病人的损伤皮肤和对照受试者的皮肤进行 RNA-seq 分析。对表达在对照和 AD 皮肤的前 100 个差异表达的基因进行的样本聚类分析,结果显示,与对照皮肤相比,CIP 皮肤与 AD 皮肤更密切相关。然而,CIP 和 AD 皮肤的基因组富集分析 (GSEA) 揭示了许多将 CIP 与 AD 区分开的特异性转录程序,AD 皮肤与免疫反应的广泛激活有关,然而 CIP 皮肤富含多种转录程序,包括细胞形态学和钙转运。综之,这些发现表明 CIP 是一种与AD 共享分子标记的慢性痒症,尽管在炎症方面与AD 有明显的差异。

6. JAK 抑制剂改善 CIP 病人的瘙痒症

研究表明,JAK抑制剂作为一种抗炎药物治疗,可以快速和显著减少 AD 病人的瘙痒症状。本研究发现阻断神经元 JAK1 信号显著缓解炎性和非炎性慢性痒。因此,尽管在 CIP 中没有明显的皮肤炎症,JAK 抑制剂也可能有效缓解 CIP 病人的瘙痒症。本研究对 5 例严重 CIP 病人使用 JAK 抑制剂 tofac-itinib 进行了非适应症型用药 (off-label)。所有病人以前都没有进行其他的非适应症型用药(包括免疫抑制治疗)。口服 tofacitinib 治疗 1 个月后,5 例CIP 病人的瘙痒症均有明显改善。与其他的免疫抑制治疗相比,随着时间的推移,服用 tofacitinib 治疗的病人,报告了瘙痒症的快速缓解。因此,使用JAK抑制剂可能作为慢性痒症病人的新治疗策略。

 
 
 
 

讨  论

 

 

慢性痒在病人护理中经常被忽视,临床研究证实,慢性痒严重影响病人生活质量,但目前还没有针对慢性痒的具体治疗方法。本研究首先证明经典免疫信号分子 IL-4Rα 的激活直接刺激小鼠和人感觉神经元。其次,感觉神经元激活该信号通路 (IL-4Rα 和 JAK1) 对炎症和非炎症相关的慢性痒是必需的。最后,当用 JAK 抑制剂治疗时,CIP 病人的瘙痒症会改善。

机体通过屏障表面上皮、免疫和神经系统的特有功能迅速排除潜在病原体和环境毒素。虽然以前认为上皮组织仅为一种物理屏障,但最近的研究发现它在各种免疫功能中的关键作用。屏障表面多系统之间的交流对于适当的机体防御是必不可少的。除了免疫系统和上皮组织外,哺乳动物还采用由感觉神经系统启动的行为反应,如咳嗽和抓挠,以机械方式去除有害刺激。本研究表明,经典的免疫介质是感觉环路的重要组成部分,通过激活和敏感化感觉神经系统来调控机体行为。鉴于固有免疫系统采用 Th2 型细胞因子来增强屏障表面的免疫反应,本研究提示,感觉神经系统也采用该信号通路来介导行为反应。因此,Th2 型细胞因子的直接激活感觉神经元,可能是促进机体保护性行为反应(如抓挠行为)的关键的第一步。综上所述,本研究明确了感觉神经系统内的免疫信号通路的新功能,并有望作为治疗慢性痒的新靶标。

 

 

文章来源:《中国疼痛医学杂志》2017年第23卷12期897-899页,国外医学动态栏目《机体如何感受慢性痒:感觉神经元利用经典免疫 信号通路介导慢性痒的分子机制》. (Nanna B, Finn

版权所有:  您是本站第 1158153 位访问者
主管单位:中华人民共和国教育部 主办单位:北京大学 中华医学会疼痛学分会 地址:北京市海淀区学院路38号
技术支持:北京勤云科技发展有限公司