免疫和炎性反应与肌萎缩侧索硬化症
在ALS中有明显的炎性表现。ALS患者尸检中发现有免疫异常表现，发现有小胶质细胞激活形态学的改变和细胞表面受体的表达。从在ALS死者大脑运动皮层及脊髓中发现免疫炎性反应相关细胞异常聚集，到认识到免疫炎性反应与ALS发病有关，经历了漫长的探索。最初，Charcot在ALS死者的脊髓侧索中发现存在神经胶质瘢痕，而神经胶质瘢痕是由星形胶质细胞增生形成的，是中枢神经系统中炎性反应的结局。后来对ALS死者尸检时也发现，在皮质脊髓束及脊髓灰质的很多部位都存在大量星形胶质细胞。在出现临床症状的SOD1突变动物中，出现了明显的炎性反应。早期发病与星形胶质细胞相关，晚期则与小胶质细胞相关，且小胶质细胞在疾病早期就已发挥作用。自身免疫机制ALS与体液免疫密切相关。如通过对一系列ALS病例的研究发现，ALS患者血清中存在大量异常的免疫球蛋白、免疫复合物，以及IgA、IgE升高。抗神经元抗体研究表明，ALS患者的血清和脑脊液中有抗神经元结构成分抗体，且脑脊液中抗神经元抗体高于血清。
（一）胶质细胞在ALS中的作用
虽然星形胶质细胞不是中枢神经系统中真正的免疫细胞，但它可产生机体固有免疫的物质成分。胶质细胞功能紊乱研究发现，运动神经元周围胶质细胞对运动神经元变性有很大的影响。中枢神经系统的周围胶质细胞有小胶质细胞、星形胶质细胞，在中枢受伤后迅速被激活，释放毒性和炎性介质，使神经元和胶质细胞损伤。小胶质细胞与神经元、星形胶质细胞形成网络链接，生理条件下网络之间的相互作用构成有机的生存环境。正常的星形胶质细胞的功能可参与神经递质传递代谢，它通过摄取突触间隙中的Glu和γ-氨基丁酸（GABA）用来合成神经元中的递质谷氨酰胺和GABA，减少突触间隙中的Glu浓度，进而减少Glu所引起来的兴奋性毒性。这些表明，Glu转运体的丢失是继发于胶质化反应的。胶质细胞还可通过主动释放Glu盐而引起神经元兴奋性毒性损伤，胶质细胞中的炎性改变可激发Glu盐的释放，因此可加剧神经元的兴奋性毒性。小胶质细胞是神经系统中主要的免疫细胞，当神经系统受损时可被激活。随着ALS患者SODG93A转基因鼠脊髓内增加的炎性介质及活化的星形胶质细胞和小胶质细胞的发现，越来越多的研究表明，突变的SOD1介导的ALS的发病过程并不局限在运动神经元，且涉及周围的胶质细胞。且在仅表达于神经元的突变SOD1小鼠中并未发现运动神经元的退行性病变。文献报道，ALS患者大脑运动皮层中有大量被激活的小胶质细胞。小胶质细胞占胶质细胞总数的5%～20%，具有免疫活性和吞噬功能。参与对中枢系统微环境的监测和免疫应答。ALS中出现的炎性反应是有益还是有害的还未知。
在SOD1小鼠临床症状出现前，通过给予可抑制小胶质细胞激活的米诺环素处理可延缓疾病的进展。SOD1小鼠中的炎性反应由炎性介质介导，通过类似无菌性炎症样受体激活导致无菌性炎症。无菌性炎症可激活细胞凋亡蛋白酶1，进一步激活IL-1β。缺乏细胞凋亡蛋白酶1或者IL-1β或者通过IL-1受体拮抗剂处理过的SOD1小鼠表现寿命的延长。在动物模型中发现，神经毒性需要非神经元细胞中也要有突变人SOD1（hSOD1）的表达，实验表明，转基因小鼠中单纯地在神经元细胞或胶质细胞中表达突变的hSOD1不能引起运动神经元病的发生。在由正常和突变的SOD1共同表达的嵌合鼠细胞内，被突变SOD1表达的非神经细胞环绕的正常运动神经元表现出类似ALS的病理特点，而正常的非神经细胞使周围表达突变SOD1的运动神经元生存率提高。尽管表达突变SOD1仅限于星形胶质细胞或者小胶质细胞，并不足以引发疾病，但研究表明，与表达突变SOD1的神经胶质细胞共同培养的运动神经元的生存率减少。除此以外，在ALS患者血清中，可观察到TNF-α和可溶的TNF受体的增加。脊髓运动神经元在胚胎期会正常地表达p75NTR引起细胞的死亡，但是它的表达会在出生后停止，p75NTR及TrkA均不在成人的运动神经元中表达，但p75NTR会在轴突损伤及ALS中再次出现表达，在ALS小鼠模型中，退变的运动神经元重新表达p75NTR，其周围的反应性星形胶质细胞则表达神经生长因子（NGF），NGF在酪氨酸激酶受体（TrkA）缺失的情况下可与p75NTR结合，并可引起细胞的死亡。星形胶质细胞还有可能通过另外一种机制来影响神经元对兴奋性毒性的敏感性，钙离子渗透通过的抗毒覃碱样抗帕金森病药α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异噁唑丙酸（AMAP）受体通过一种AMAP受体第二亚单位（GluR2）调控，GluR2可产生受体不利于钙离子的渗透，星形胶质细胞可上调共同培养的运动神经元细胞上的GluR2的表达，从而起到保护神经元细胞免受兴奋性毒性损害的作用，然而，若是在星形细胞中表达突变的hSOD1，则会下调GluR2，从而造成神经元细胞的损害。
有研究发现，在ALS患者中出现大量激活的小胶质细胞，利用电子发射计算机断层扫描（PET）显影，在ALS患者的运动皮质、额叶前部、丘脑和脑桥均观察到激活的小胶质细胞。随着研究的进一步深入，ALS动物模型及ALS患者的病理变化均证实在ALS发病过程中存在小胶质细胞激活。最近有研究发现，ALS患者与相同年龄段的正常健康人相比，脑脊液中促炎因子含量升高。由此可见，在ALS的病理变化中存在炎性反应。ALS患者和突变转基因小鼠的脊髓中发现了很多小胶质细胞的激活因子，包括TNF-α、IFN-γ、MCP-1、IL-1α、IL-6和MMP-9等。许多因子是由激活的小胶质细胞自身所分泌，这些因子可以正反馈加强自身的活化，也可作用于邻近的小胶质细胞。Dahlke等在ALS小鼠模型的运动皮层中发现，有大量被激活的星形胶质细胞和分泌肿瘤坏死因子α（Tumor Necrosis Factor α，TNF-α）等促炎因子的小胶质细胞，并在相同部位检测到了Caspase-3，因此推断，炎性反应在ALS中是通过促炎因子激活Caspase-3的途径引起运动神经元退变和凋亡的。CX3C能减少小胶质细胞的凋亡并促进其分裂增生。其他神经元来源的信号分子如神经细胞黏附分子（Neural Cell Adhesion Molecule，NCAM）和细胞间黏附分子（Intercellular Adhesion Molecule-5，ICAM-5）能改变小胶质细胞的性状。嘌呤和嘧啶也参与了神经元和小胶质细胞的相互作用。ATP能够诱导小胶质细胞的化学趋化，分泌炎性细胞因子包括IL-1β、IL-6和TNF-α，并激活NF-κB途径。运用cDNA（Complementary DNA）微阵列技术和RNA保护技术显示，大约80天时在突变脊索周围，大量炎性相关基因，包括iNOS、COX-2、MMP-9、IL-1、IL-6及TNF-α表达上调，它们大多数能促进小胶质细胞激活，从而产生神经毒性。ATP作用于小胶质细胞膜上的嘌呤受体，诱导其复合膜电位、跨膜Ca2+内流和胞质内Ca2+浓度升高，并通过嘌呤受体可调节LPS诱导小胶质细胞IL-1的释放。
近年来，越来越多的证据强有力地说明小胶质细胞参与了ALS病变过程中运动神经元丢失的触发和病情的进展恶化。在高级脊椎动物的中枢神经系统中，星形胶质细胞通过一种叫作胶质化反应的形式来应对各种损伤，如创伤、感染、局部缺血和神经变性过程。小胶质细胞通过一系列的激酶和磷酸化反应对外界刺激产生应答。其中的MAPK途径包括4条通路：ERK1/2即p44/42、NKs/SAPKs、ERK5/（BMK1）和p38MAPK，这4条途径对外界刺激的应答不同。p38MAPK直接调节的激酶MK2在神经性炎症和神经变性疾病中具有相关作用，如诱导小胶质细胞的促炎性因子的释放，而在LPS和IFN-γ刺激下小胶质细胞中MK2的激活和表达将增加。虽然神经元分泌的激活信号现在还不是很清楚，但是活化的p38MAPK在运动神经元中的出现先于小胶质细胞，这意味着胶质细胞的活化反应与其周围受损的运动神经元分泌相关信号有关。一个参与它们相互作用的信号分子是神经元和星形胶质细胞表达的CX3C，其受体表达在神经元和小胶质细胞上。另有实验表明，小胶质细胞因对其胞质中突变的SOD1蛋白产生应答而被激活，导致了胞内途径的激活和神经毒性因子分泌增加。也有可能损害了小胶质细胞，从而阻止它们释放某些对神经元具有保护作用的因子。具有突变SOD1的小胶质细胞更容易被激活。选择性敲除小胶质细胞中的突变SOD1，使得突变小鼠存活增加，这一现象证实了以上假设。(https://www.daowen.com)
磷酸化的p38MAPK也是参与IL-1和TNF-α合成的激酶。在携带人类突变SOD1G93A基因的转基因小鼠脊髓中，运动神经元胞体和激活的小胶质细胞均表现出了p38MAPK磷酸化水平的增高，增高水平与疾病进展呈正相关。另外激活的小胶质细胞中抗凋亡的Akt途径下调也在ALS病程中发现。MAPK通路的p38和p44/42家族参与细胞生长增殖的调控，也是炎性因子、渗透压改变和营养因子缺乏引起的相关激活通路，其在小胶质细胞的激活中有显著的作用，此通路激活后使得小胶质细胞释放神经毒性分子并诱发炎性反应。小胶质细胞激活后的作用很复杂，最终结果可能依赖于氧化应激作用、与神经元的交互作用及其细胞炎性因子等。①氧化应激作用：小胶质细胞中烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸（NAD-PH）氧化酶激活产生ROS、NO后，使线粒体肿胀，导致神经元损伤。有研究者利用基因敲除NADPH氧化酶催化亚单位gp91phox，可观察到gp91phox基因敲除小鼠的病理变化和症状表现均明显改善。②小胶质细胞与神经元间的交互作用：经过总结相关研究结果，发现二者间可通过分泌的蛋白质、细胞因子、膜表面受体、嘌呤类物质等相互作用。③细胞炎性因子：激活的小胶质细胞释放大量如TNF-α、IL-6等炎性因子。
在ALS患者中，可观察到在上下运动神经元周围均有胶质化反应。星形胶质细胞在ALS患者中可能的损伤机制包括：①下调星形胶质细胞Glu转运体：很多ALS患者脑脊液中有Glu的增加和在皮质区与脊髓中Glu转运体（EAAT2）表达的减少。兴奋性氨基酸通过突触前膜和星形胶质细胞上的Glu转运体而清除，在ALS患者中，EAAT2转运体受损或者缺失与星形胶质细胞增生同时出现。②死亡受体肿瘤坏死因子α（TNF-α）、神经营养因子受体（p75NTR）及Fas/CD95，在hSOD1G93A小鼠临床症状出现前可在它的腰背脊髓中观察到TNF-α及它的促凋亡受体TNF-R1 mRNA的升高，而胶质细胞是中枢神经系统中TNF-α的主要来源。③NO：在ALS患者和ALS动物模型中，反应性星形胶质细胞可上调iNOS的表达和造成氧化应激及硝化应激。在体外，星形胶质细胞和运动神经元细胞表现为对NO和过氧化硝酸盐不同的敏感性，在神经元细胞中，它们可引起线粒体功能的障碍和细胞的死亡，星形胶质细胞却不受影响。Fas和Fas配体（FasL）一样在胚胎期的运动神经元中正常表达导致细胞的死亡，然而，Fas信号传导在轴突损伤导致的神经元细胞死亡中出现，提示这种路径可能会在神经元细胞变性的病理过程中激活。被损坏的运动神经元释放的ROS扰乱了周围星形胶质细胞摄取谷氨酸，从而导致细胞外的谷氨酸水平及兴奋性毒性升高。突变老鼠体内慢性注射LPS后诱导小胶质细胞表达膜表面受体CD14，LPS与此受体结合后激活p38MAPK途径和JNK（c-Jun N-terminal Kinase）途径，从而使小胶质细胞活化并释放一系列的炎性介质，包括活性氧分子（Reactive Oxygen Species，ROS）促因子和趋化因子。LPS也能诱导小胶质细胞高表达胰岛素样生长因子-1（Insulin-like Growth Factor-1，IGF-1），从而刺激免疫细胞的增生和调节免疫功能。ROS也可活化胶质细胞，进一步释放ROS、活性氮及致炎细胞因子，而这些是有神经细胞毒性的。神经胶质细胞的参与可能是引起运动神经元退行性变的一种途径，一般是始于局部，并蔓延至邻近的运动神经元群。持续的固有免疫激活将使疾病在3周内恶化，并伴随着运动神经元轴突损伤和小胶质细胞激活增加。在用细胞因子处理过的星形胶质细胞可产生NO，使一起培养的皮质运动神经元的线粒体呼吸链受损，以及加强NMDA介导的兴奋性毒性。抑制iNOS可以阻止运动神经元丢失。从突变hSOD1小鼠胚胎中分离出的运动神经元表现为对Fas激活和NO敏感性的增加。这表明由星形胶质细胞产生的Fas和NO激活物可能会引起或促进运动神经元的死亡。
（二）细胞免疫在ALS中的作用
ALS不但与体液免疫有关，而且也与细胞免疫异常有关。文献报道，血清中有20种抗原可与ALS患者产生的高活性IgG结合，且这20种血清抗原鉴别ALS的特异度达100%、敏感度达99.9%。ALS患者血清或脑脊液中抗运动神经元抗体可与运动神经元细胞膜的电压门控Ca2+通道结合，引起胞浆及轴突末梢Ca2+水平升高，进而导致运动神经元的损伤及凋亡。实验通过对抗体、T细胞、趋化因子、细胞因子和其他炎性标志物的研究表明，ALS中出现有异常的炎性反应，ALS中存在钙离子电压依赖性通道抗体，IgG的水平升高。ALS患者血液中有CD4+辅助细胞的增加和单核细胞及巨噬细胞中人类白细胞抗原（HLA）Ⅱ类分子的表达增加，有白细胞介素（IL）-13，它可产生T细胞并且和疾病的进展相关。这些研究均表明，此类炎性反应在SOD1小鼠中会加重疾病。同样有证据表明，保护性免疫机制可减轻疾病。炎性反应的保护作用包括小胶质细胞清除碎片和与T细胞交联。大脑特殊的T细胞可能通过释放的细胞因子和生长因子在损伤部位发挥修复损伤炎性组织的作用。
然而，最近也有学者发现，在ALS的G93A-C57SOD1转基因鼠体内，受损的运动神经元可招募免疫细胞而延缓肌肉的去神经化。可见，免疫反应在ALS病程中的作用并不是单一的。这种保护性的免疫反应作为一种自我平衡调节很普遍的存在。保护性机制可使神经系统减轻受到的破坏，保护性免疫机制由调节性T细胞介导，转导正常调节性T细胞（Treg）的G93ASOD1小鼠可延迟发病时间。缺乏T细胞的小鼠则表现为胰岛素样生长因子（IGF-1）的缺乏、IL-6的下调及促炎性趋化因子和还原型辅酶Ⅱ（NADPH）氧化酶2（NOX2）的增加。在ALS血清中发现有IL-17、IL-6的升高。ALS患者脑脊液中克隆出来的T细胞可被诱导产生干扰素。在ALS中也有循环的趋化因子和组织因子的增加及脂多糖水平、C3的升高。此外，其他炎性因子也可出现异常。随着研究的不断深入，ALS与自身免疫的关系正逐步明显，但是目前临床上应用免疫抑制剂治疗ALS并未取得明显疗效。