GM-CSF在神经退行性疾病炎性反应过程中的作用

李嫚芹 张如意

湖北科技学院医学部药学院湖北科技学院糖尿病心脑血管病变湖北省重点实验室，湖北咸宁 437100

神经退行性疾病是由于神经元和（或）其髓鞘的损失所导致的，随着时间的推移和恶化，会引发多种功能障碍并诱发多种神经性疾病，主要包括阿尔茨海默病（Alzheimer 's disease，AD）、帕金森病（Parkinson's disease，PD）、多发性硬化症（multiple sclerosis，MS）等疾病。随着老龄化趋势的逐渐增加，神经退行性疾病的发生率也逐渐增加，因此，目前寻找有效预防和治疗手段和明确其相关机制已经成为全国当下的热点问题。粒细胞-巨噬细胞集落刺激因 子（granulocyte-macrophage colony-stimulating factor，GM-CSF）是一种与炎症相关的细胞因子，在参与中枢神经系统炎症方面起到关键作用，因此，本文通过对GM-CSF 的生物学特性和其在神经退行性疾病的神经炎症方面进行综述，为GM-CSF治疗中枢神经系统疾病提供新思路。

1 GM-CSF及生物学特性

GM-CSF 是一种蛋白质，其分子结构由一个单链多肽组成。它是由144 个氨基酸残基组成的多肽链，具有一个信号肽序列和一个成熟肽序列［1］。成熟的GM-CSF 多肽链的分子量为14～18 kD，其三维结构呈现出典型的细胞因子家族特征，包括一个稳定的α螺旋和β折叠结构。GM-CSF 的多肽链通过二硫键连接形成稳定的空间构型。该多肽链具有结构域，其中包含与受体结合和信号传递相关的关键氨基酸残基。这些残基位于分子的特定区域，与受体结合并介导细胞信号的转导。GM-CSF 的分子结构对其与细胞受体的结合和活性发挥至关重要的作用。通过与相应的受体结合，GM-CSF 能够启动细胞内信号传导通路，进而调控细胞增殖、分化和功能。需要注意的是，GM-CSF 存在多种结构变体和糖基化形式，这些变体可能在不同组织和疾病状态下表达。此外，研究发现这种结构的多样性可能对其生物活性和受体亲和性产生影响，并在特定生理和病理过程中发挥不同的作用［2］。GM-CSF 分子在Leu-23、Asp-27 和Glu-39 上包含两个分子内二硫键和三个环糖基化位点［3］，可刺激中性粒细胞、嗜酸性粒细胞和巨噬细胞的未成熟细胞和成熟细胞的增殖、分化、存活和功能［4］。同时，GM-CSF 在炎症过程中发挥着重要作用，它能够吸引和激活免疫细胞，包括巨噬细胞、树突状细胞和嗜中性粒细胞等，增强其炎症反应能力，现在也被确定为一种神经元生长因子［5］。此外，GM-CSF 还具有免疫调节和组织修复作用等。总的来说，GM-CSF 在调节免疫应答、炎症反应和组织修复中发挥重要作用。它对造血细胞的增殖和分化、免疫细胞的激活和功能增强起到关键的调控作用。

2 GM-CSF是神经退行性病变的共同炎性分子

炎症是中枢神经系统（central nervous system，CNS）和外周复杂的多因素过程，其活动在不同疾病分期中存在差异。神经炎症通常涉及中枢神经系统驻留细胞和外周免疫细胞之间复杂的相互作用，包括细胞因子、趋化因子和其他促进细胞-细胞通信的可溶性因子的释放［6］。小胶质细胞是中枢神经系统内的免疫细胞，起源于胚胎早期未成熟的卵黄囊祖细胞。根据不同疾病阶段的炎症环境，小胶质细胞可以通过改变它们的形态、基因表达和功能来分化为不同的表型。此外，根据它们的分子特征，小胶质细胞不仅能够触发神经毒性通路导致进行性神经退行性变，还能在促进神经保护、下调炎症和刺激修复方面发挥重要作用［7］。作为中枢神经系统免疫细胞，小胶质细胞已成为许多疾病的细胞靶点，包括AD、PD、MS 和其他神经炎症/神经退行性疾病等［8］。越来越多的证据表明，其他细胞如星形胶质细胞、神经元、少突胶质细胞和周细胞也在其中扮演着重要的角色［9］。GM-CSF 是一种单体糖蛋白，由活化的血管内皮细胞分泌。它具备造血因子和炎症细胞因子的特性，并广泛表达于多种细胞中，包括T 细胞、单核细胞、巨噬细胞、成纤维细胞和内皮细胞。引人注目的是，Th 细胞中诱导GM-CSF 表达，独立于任何外源性刺激或抗原，导致自发性CNS 炎症伴有神经功能缺损［10］。此外，GM-CSF 能够刺激和增强免疫细胞的活性，包括巨噬细胞、嗜中性粒细胞和树突状细胞等。单核细胞是髓系细胞，在组织稳态和炎症中发挥重要作用。这是因为单核细胞可以对多种淋巴细胞来源的细胞因子产生特异性反应，其中包括细胞刺激因子（colony stimulating factors，CSFs）。效应性T 细胞通过产生这些细胞因子来激活髓系细胞，而GM-CSF 能够在单核细胞到达炎症部位后，指导其分化和产生功能［11］。在神经退行性病变中，GM-CSF 的促炎作用导致免疫细胞的聚集和活化，进而引发炎性反应。GM-CSF 能够促使免疫细胞产生和释放多种炎性细胞因子，如肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白细胞介素-1β（IL-1β）和白细胞介素-6（IL-6）等［12］。这些细胞因子在炎性反应中起着重要的调节作用，进一步加剧神经退行性病变的炎性损伤。值得注意的是，GM-CSF 可以吸引和招募炎性免疫细胞，如巨噬细胞和嗜中性粒细胞，到达病变区域。这些细胞的浸润进一步加剧炎症反应，并对神经组织造成损伤。总之，GM-CSF 参与神经退行性病变炎性反应的机制主要涉及促炎作用、细胞因子释放、炎性细胞浸润以及氧化应激和炎性介质的产生。这些过程的共同作用导致炎性反应在神经退行性病变中的发展和进展［13］。

3 GM-CSF参与神经退行性疾病的炎症反应

3.1 GM-CSF 与阿尔茨海默病阿尔茨海默病是一种迟发性、进行性神经退行性疾病，其特征是突触和神经元的丧失，导致认知能力衰退、记忆障碍甚至死亡［14］。神经炎斑块（neuritic plaques，NP）由不溶性、聚合淀粉样蛋白（agregated beta-amyloid，A β）肽和由过度磷酸化Tau 蛋白组成的神经纤维缠结（neurofibrillary tangles，NFT）被认为是AD 的神经病理学特征［15］。AD 的发病机制涉及多种途径，这些途径包括突触衰竭、线粒体氧化损伤和炎症反应，研究报道，在这些细胞变化中，炎症反应是AD 发病机制的关键因素。炎症是由反应性星形胶质细胞和小胶质细胞的增殖引起的，小胶质细胞可通过作为抗原提呈细胞来激活T 淋巴细胞，并通过产生促炎细胞因子，如GM-CSF，从而参与炎症反应［16］。GM-CSF 是一种促炎细胞因子，参与调节粒细胞巨噬细胞群体的增殖、分化和功能活性［17］。GM-CSF 灌注到大脑中会引起一种显著的局部反应，其特征是大量小胶质细胞的增殖。

为了研究GM-CSF 在小胶质细胞激活以及对神经元存活、兴奋性和突触传递的影响，研究人员进行了一项实验。他们通过研究慢性GM-CSF 持续作用72 h 对雄性大鼠海马切片培养（原位）中小胶质细胞的影响，运用了局部场电位的细胞外电生理记录、免疫组织化学、基于设计的体视学、生化分析以及小胶质细胞的药理消融等实验方法。研究显示，GM-CSF 浓度为100 μg/L，作用时间为72 h，小胶质细胞数量增加了1.95 倍，并且在体外和原位条件下均表现出显著的有丝分裂作用。这些发现表明GM-CSF 对小胶质细胞的激活至关重要，抗GM-CSF 抗体可以抑制中枢神经系统中的小胶质细胞活性［18］。

血-脑屏障（blood-brain barrier，BBB）是一种高度专门化的结构和生化屏障，调节血源性分子进入大脑，并在大脑微环境中保持离子稳态。大脑内皮细胞之间的连接复合物，包括紧密连接和黏附连接，主要决定了BBB 的特性［19］。BBB 功能受损会使神经元、神经胶质与炎症细胞相互关联［20］。GM-CSF 是一种能够穿过BBB，且也在大脑中产生的细胞因子，在大脑中多种细胞表达GM-CSF 受体，包括神经元、少突胶质细胞、小胶质细胞、星形胶质细胞和内皮细胞［21］。研究表明，脑实质和脑脊液中高GM-CSF 水平诱导BBB 开放，促进外周血单核细胞穿过BBB 进入大脑。同时为了研究GM-CSF 是否可以阻断单核细胞的浸润，通过在APP/PS1 阿尔茨海默病模型小鼠中进行研究，结果发现GM-CSF 能通过转录调节下调闭塞带-1 蛋白（ZO-1）表达，通过泛素化途径下调Claudin-5 表达，触发人脑微血管内皮细胞单层紧密连接分解，所以脑内GM-CSF 阻断可消除APP/PS1 阿尔茨海默病模型小鼠大脑中增加的单核细胞浸润。因此，单核细胞浸润在AD 的发病机制中发挥重要作用［22］。研究显示在体外也证实了AD 患者血液单核细胞对细胞因子分泌的改变。全身免疫反应的改变可以解释AD 患者感染性并发症发生率的增加。

众所周知，AD 的标志之一是脑实质中淀粉样蛋白斑块的积累。有研究表明，在AD 动物模型中，CD40/CD40L 相互作用导致HEK/APPsw/CD40 细胞中淀粉样蛋白水平的增加，以及AD 动物模型中淀粉样蛋白病理的增加。考虑到CD40L 刺激也被证明会增加GM-CSF，Volmar 等［23］检测了HEK/APPsw/CD40 细胞中GM-CSF 的表达，发现在CD40L刺激的细胞中，GM-CSF 的表达比基础产量增加了5.8 倍。为了进一步研究CD40L 后淀粉样蛋白的增加是否由GM-CSF 介导，采用中和抗体阻断了GM-CSF 的功能，从而导致CD40L 刺激后淀粉样蛋白产生的减弱，结果发现，GM-CSF 在CD40L/CD40相互作用的下游起作用，GM-CSF 可能是CD40L/CD40 信号通路诱导抗体产生的关键成分。

值得注意的是，Treg 数量和功能的减少与AD进展密切相关。随后研究发现GM-CSF 治疗诱导了在周围评估的Treg 频率且外源性GM-CSF 可以很容易地横向穿过血脑屏障的BBB。为了证实这一发现，Kiyota 等［24］在2018 年通过在AD 小鼠海马内注射GM-CSF，结果发现挽救了AD 小鼠的认知能力下降，增加了淀粉样蛋白斑块邻近小胶质细胞的数量，并通过增强Aβ40 从大脑向外周循环的外排减少淀粉样蛋白低聚物。此外，还提供了GM-CSF 介导的挽救AD 小鼠海马内几种神经病理学表现的证据。最后，作为一种免疫调节剂，GM-CSF 纠正了AD 小鼠外周血Treg 频率的缺陷到非Treg 小鼠的水平。总之，这些数据表明GM-CSF通过多效性机制提供的神经保护，包括免疫调节、突触可塑性和神经发生，从而在AD 中获得有益的结果。

3.2 GM-CSF 与帕金森病PD 是一种以运动迟缓、僵硬和休息性震颤为特征的神经退行性疾病［25］。其特征是多巴胺能（dopaminergic acid，DA）神经元的丢失和含有α-突触核素的路易小体的存在［26］。非结构的α-突触核蛋白形成不溶性原纤维和聚集物，导致PD 中活性氧的增加和细胞毒性。大量证据表明，小胶质细胞活化、核因子kappa B（neclear factor kappa B，NF-κB）诱导的神经炎症和炎症因子的释放可能在PD 的神经退行性变中起重要作用，并且神经炎症在PD 中是以“朊病毒样”的方式在错误折叠的α-突触核蛋白的传播中发挥关键作用［27］。在中枢神经系统中，GM-CSF 由星形胶质细胞和T 细胞产生，可以穿过BBB 和血-脊髓屏障，在那里它与免疫细胞和神经细胞上的受体接触，已被证明有神经保护作用。GM-CSF 的神经保护活性被认为与其对促炎反应和抗炎反应的作用有关［28］。

CD4+T 细胞效应细胞向调节细胞的转化已被证明在神经退行性疾病的发生和进展过程中通过恢复免疫平衡来减缓疾病进展。调节性T 细胞（regulatory T cells，Treg）频率和功能的增加与静息小胶质细胞表型、黑质纹状体神经保护以及脑组织免疫稳态的恢复有关［29］。恢复Treg 的数量和功能是一种新的治疗神经退行性疾病的治疗策略。无论Treg 的功能是通过过继细胞转移、药物还是免疫调节剂来增强的，最终的结果都是一个强大的抗炎和神经元保留反应［30］。GM-CSF 是一种已知的免疫调节剂，可诱导调节性T 细胞，并在广泛的神经退行性疾病中作为神经元保护剂。Olson等［31］通过在1-甲基-4-苯基-1、2、3、6-四氢吡啶（MPTP）中毒小鼠中评估了GM-CSF 的神经保护和抗炎能力，结果表明GM-CSF 治疗具有抗炎能力和诱导Treg 群体的能力，其治疗有可能改变神经炎症疾病。有证据表明，炎症性小胶质细胞反应参与了PD 和该疾病的动物模型中多巴胺能神经元死亡的病理生理学过程。Henze 等［32］通过利用神经元/胶质中脑培养的体外模型，我们发现多巴胺能神经毒素1-methyl-4-phenylpyridinium（MPP+）刺激小胶质细胞的增殖，选择性地降低DA 神经元的存活，MPP+细胞处理后的小胶质细胞增殖被GM-CSF 模拟，GM-CSF 是星形胶质细胞产生的促炎细胞因子，并被GM-CSF 的中和抗体阻断。因此，研究结果表明，一种星形胶质细胞因子GM-CSF 能够介导MPP+对小胶质细胞的增殖作用。由于T 细胞很少表达GM-CSF 受体，因此需要中介体来影响Treg 的功能。几种可能的中间细胞类型包括树突状细胞、巨噬细胞、小胶质细胞、星形胶质细胞或髓系来源的抑制细胞等。基于支持耐受性树突状细胞调节Treg 活性的数据，Schutt 等［33］选择首先研究GM-CSF 对树突状细胞对抗神经炎症和保护多巴胺能神经元的作用，还评估了在PD 中被氧化修饰和（或）错误折叠的蛋白质，如N-α-Syn。数据表明树突状细胞在调节炎症和随后的神经退行性变中发挥了关键的作用，GM-CSF 能导致Treg 和Treg 活性的增加，为减少自身免疫或神经退行性疾病的神经炎症提供了一种有吸引力的治疗策略。为了更好地了解GM-CSF 对PD 中多巴胺能神经元的保护作用，Kim 等［34］研究了GM-CSF 对小鼠PD 模型中多巴胺神经元存活和运动行为改变的影响和GM-CSF对MPP+处理的PC12 细胞以及胚胎小鼠原代中脑神经元（primary mesencephalic neurons，PMNs）的体外神经保护作用。结果表明，GM-CSF 显著降低了MPP+诱导的PC12 细胞和PMNs 的多巴胺能细胞死亡。GM-CSF 在体外调节凋亡相关蛋白Bcl-2 和Bax的表达。此外，在体内给予GM-CSF 7 d，可保护黑质多巴胺能神经元，并改善PD 小鼠的运动行为。

免疫转化在PD 中的潜在治疗作用源于十多年的动物研究，为了将这些结果与人类疾病联系起来，Gendelman 等［35］进行了一项随机、安慰剂对照的双盲1 期试验，使用了一种研究充分的免疫调节剂GM-CSF，招募了17 名年龄匹配的非帕金森病受试者作为未接受治疗的对照组和20 名帕金森病患者，对帕金森病患者和对照组均进行了为期2 个月的基线分析监测，结果表明，与安慰剂相比，PD 评分量表在治疗6 周和8 周后表现出适度的改善，与经过预处理的PD 患者和非PD 对照组相比，与脑磁图记录的皮质运动活动和Treg 数量和功能的改善相平行，所以使用免疫疗法，如GM-CSF，调节免疫系统，诱导Treg 增加其功能，抑制神经炎症和蛋白质错误折叠，以更好地提供神经保护和治疗结果。

3.3 GM-CSF与多发性硬化症MS是一种复杂的、炎症性的、脱髓鞘的中枢神经系统髓鞘疾病［36］，由先天免疫系统和适应性免疫系统的细胞介导，特别是T淋巴细胞［37］。T细胞进入大脑后，与小胶质细胞和星形胶质细胞相互作用，并招募单核细胞和巨噬细胞，它们在启动和维持导致中枢神经系统损伤的炎症环境中发挥关键作用［38］。GM-CSF 是由骨髓来源的细胞产生的，如T细胞和单核/巨噬细胞，被证明作为促激活和分化因子作用于成熟的髓系细胞，在自身免疫性和炎症性疾病的发展中发挥关键作用［39］。因此，T 淋巴细胞通过产生的GM-CSF 作用于髓系细胞，从而引发中枢神经系统炎症［40］。

GM-CSF 作为MS 病理生理学必要的中介物的新作用得到疾病发病机制的免疫调节和神经免疫方面的支持。许多研究表明GM-CSF 在MS 中发挥作用，包括BBB 破坏、脱髓鞘和神经退行性变。为了证实这一观点，Imitola 等［38］通过采用MS 患者的脑组织，使用苏木精和伊红染色（Haematoxylin &Eosin staining，HE）和荧光快速蓝染色（luxol-fast blue staining，LFB）检测了MS 斑块的炎症和脱髓鞘，同时，通过检测额外的MS 大脑，证实了T 细胞产生GM-CSF 的情况，这表明GM-CSF 与MS 的发病机制相关。BBB 的破坏已被认为是MS 发病机制中的一个过程，推测GM-CSF 可能对单核细胞迁移产生重要影响。GM-CSF 刺激的单核细胞增加了TNF-α的产生，TNF-α可以通过增强内皮黏附分子表达来介导BBB 的破坏。此外，GM-CSF 诱导单核细胞中趋化因子受体的表达，使它们能够获得炎症表型并选择性地穿过BBB。除这些间接作用外，GM-CSF 还可以通过改变紧密连接蛋白的表达直接影响BBB 的通透性，紧密连接蛋白可以结合邻近的脑微血管内皮细胞的细胞膜，调节细胞通过BBB 的迁移。GM-CSF 介导的紧密连接的机制包括ZO-1 和Claudin-5 的表达减少，从而直接导致脑内皮细胞通透性的增加。在蛋白水平和mRNA水平上均发现了ZO-1 的下调，表明GM-CSF 抑制了ZO-1 的转录。

GM-CSF 还被发现能刺激星形胶质细胞的增殖，导致星形细胞增多，这是MS 的一个重要特征［41］。星形胶质细胞是丰富的中枢神经系统驻留细胞，在健康和疾病中具有重要的功能。星形胶质细胞的功能受小胶质细胞、微生物组和环境提供的因素的控制［42］。在MS 中，GM-CSF 诱导小胶质细胞的增殖和激活，这是该疾病发生所必需的［43］。研究MS 病理特征的最常用的动物模型是实验性自身免疫性脑脊髓炎（experimental autoimmune encephalomyelitis，EAE）。EAE 是研究多发性硬化症特定方面的有用模型，如免疫细胞激活和功能、中枢神经系统炎症和自身免疫，以及脱髓鞘、再髓鞘形成和神经退行性变的机制［44］。因此，Wheeler 等［42］通过对细胞在MS 及其临床前模型实验性自身免疫性脑骨髓炎通过单细胞RNA测序结合细胞特异性核糖体RNA 分析，结果显示，在EAE 和MS 中发现了星形胶质细胞。为了进一步研究GM-CSF 信号通路的影响，我们在存在或不存在GM-CSF 的情况下，在体外增加IL-1β和TNF剂量激活原代小鼠星形胶质细胞，结果发现GM-CSF 以剂量依赖性的方式促进了促炎基因的表达。IFN-b 是一种广泛应用于MS 的治疗方法，但其疾病调节机制尚不清楚。Rasouli 等［45］通过检测MS 患者的外周血，进行了体内和体外实验，结果发现，与接受IFN-b 治疗的患者和健康对照组相比，未经治疗的MS 患者的外周血中产生GM-CSF的CD4+和CD8+T 细胞的数量显著增加。与体外分析一致，IFN-b 在体外抑制T 细胞产生GM-CSF。通过对EAE 模型的研究，我们可以发现GM-CSF 促进单核细胞通过BBB 的迁移，并诱导小胶质细胞的增殖和激活，小胶质细胞进而分泌促炎症细胞因子维持炎症环境［46］。

4 总结与展望

GM-CSF 在神经退行性疾病的炎性反应过程中的作用一直是研究的热点之一，在神经退行性疾病中，炎症反映在促进神经损伤和疾病进展中起重要作用。GM-CSF 被认为参与调节炎性介质的释放和免疫细胞的活化，从而影响炎症介导的神经损伤过程。GM-CSF 可影响免疫细胞的功能，如巨噬细胞、树突状细胞和T细胞等。这些免疫细胞在神经退行性疾病的炎性反应中发挥重要作用。GM-CSF 的作用可能包括促进免疫细胞的增殖和活化，调节炎症介质的释放和细胞迁移等，从而调节炎性反应的程度和持续性。GM-CSF还具有神经保护作用，有助于减轻神经细胞的损伤和丧失。GM-CSF 可促进神经细胞的生存和功能维持，减少神经退行性疾病的发展。这一作用机制可能涉及调节神经细胞的免疫反应、抗氧化应激和促进修复过程等。基于GM-CSF在神经退行性疾病炎性反应中的作用，一些研究探索了利用GM-CSF 作为潜在的治疗策略。如通过给予外源性的GM-CSF 调节炎性反应、促进神经细胞的保护和修复。此外，也有研究探讨了利用GM-CSF的类似物或改良型的GM-CSF 增强其治疗效果。尽管GM-CSF 在神经退行性疾病炎性反应中的作用已经得到一定程度的研究，但仍有许多未知的细节和机制值得继续探讨。