免疫系统的自主神经支配和调节（1987-2007）

摘要

简介

1987年之前，Felten及其同事对小鼠胸腺和脾脏的儿茶酚胺神经支配进行了初步描述，随后将他们的分析扩展到包括其他物种以及淋巴结、骨髓和肠道(Felten等人，1985年). 除了儿茶酚胺纤维和终末对所有免疫器官的神经血管神经支配外，还证明了非血管神经支配，并表明神经与先天免疫和适应性免疫的细胞介质并置。免疫器官神经支配的神经解剖学起源的鉴定也已开始。例如，使用逆行神经解剖追踪技术(布洛赫和摩尔，1981年)报道了胸腺的主要副交感神经和运动神经元输入，其来源于脑干的面后核（环绕核的紧密形成）和上颈脊髓的腹角运动神经元。利用显微解剖技术和组织化学方法，他们随后确定了来自上颈交感链神经节的胸腺交感神经输入(布洛赫和波美兰茨，1984年). 然而，他们指出迷走神经、膈神经和喉返神经的分支向胸腺提供了大量胆碱能（乙酰胆碱酯酶，AChE）输入，这支持了他们早期的逆行追踪结果(布洛赫和摩尔，1981年). 由于已知为食管、膈肌和颈部肌肉组织提供运动神经支配的脑干细胞核和脊髓运动神经元也不太可能为胸腺提供主要神经输入，因此我们重新研究了大鼠和小鼠胸腺神经输入的来源。这些结果发表在《大脑、行为和免疫》第一卷(Nance等人，1987年)和总结如下。图1描述了本文要讨论的总体主题。

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图1

所有初级和次级免疫器官都接受来自交感节后神经元的大量交感神经支配。没有神经解剖学证据表明副交感神经或迷走神经供应到任何免疫器官。大脑的输入来自感觉，例如背根神经节，或免疫刺激，例如细胞因子。交感神经系统及其主要神经递质去甲肾上腺素提供免疫功能神经调节的主要途径。SNS的激活主要抑制与先天免疫系统相关的细胞的活性，而它可以增强或抑制与获得性/适应性免疫系统相关细胞的活性。通过肾上腺素能受体，主要是β2肾上腺素能受体（β₂AR）亚型，NE能够通过启动细胞活性水平的变化来调节免疫细胞活性水平，这通常涉及细胞因子和抗体的基因表达水平的变化。

胸腺神经支配

使用少量注射小麦胚芽凝集素-辣根过氧化物酶（WGA-HRP）（0.5-2.0μl，而使用5-25μl注射HPR(布洛赫和摩尔，1981年)胸腺的交感神经输入被确定为来源于交感链神经节，交感链从颈上链神经节尾侧延伸至T3交感神经节(Nance等人，1987年). 重要的是，在迷走神经腹侧复合体（模糊核致密结构）或上颈脊髓中几乎没有发现逆行标记的神经元。对于在脑干或脊髓中发现少量轻度标记神经元的少数动物，这些结果可以通过逆行示踪剂扩散到周围的纵隔结构（食道和结肠长肌）来解释。将WGA-HRP注射到食道和结肠长肌中，可以在脑干和脊髓中复制出与胸腺相同的逆行标记神经元模式(布洛克和摩尔，1981年). 此外，显微解剖未能发现支配胸腺的迷走神经或膈神经的任何分支。最后，颈迷走神经切片未能改变胸腺中的乙酰胆碱酯酶（AChE）染色，表明AChE染色与交感神经有关，而不是迷走神经胆碱能纤维。胸腺的输入也很有限或不存在。因此，胸腺明确地接受来自颈部和上胸交感链神经节的大量交感神经支配，并且没有神经解剖学证据表明胸腺有副交感神经或感觉神经输入(Nance等人，1987年).

20年后的今天，另一项关于胸腺神经支配的神经解剖学研究被报道(Trotter等人，2007年). 本研究利用伪狂犬病病毒（PRV）的跨神经元逆行转运检测了大鼠胸腺的神经支配。除了验证关于胸腺完全没有迷走神经输入的原始观察结果之外(Nance等人，1987年)他们确定了向胸腺提供交感神经输入的中枢通路。在病毒从交感节后神经元经神经元转运后，他们在T1-T7脊髓的中间外侧细胞柱中鉴定了交感节前神经元。在较长的存活时间内，PRV的跨神经元转运在脊髓中发现了额外的标记中间神经元，以及位于延髓、脑桥和下丘脑的交感运动前神经元。我们认为，在注射内毒素或应激后，由免疫器官的PRV跨神经元转运所确定的相同脑区代表了许多与活动依赖性神经细胞标记物c-fos蛋白相同的脑区，这并非巧合(Wan等人，1994年). 因此，交感神经系统提供了胸腺免疫功能直接神经调节的唯一途径。尽管据报道胸腺中存在通常与感觉肽相关的神经肽(Felten等人，1985年)目前，没有神经解剖学或功能方面的证据表明这些纤维能够提供来自胸腺的任何感觉反馈。因此，P物质或CGRP的存在并不能证明传入神经支配的存在。

脾脏神经支配

1989年，关于脾脏神经支配来源的第一项神经解剖学研究发表在《大脑、行为和免疫》杂志上(南斯和伯恩斯，1989年). 除了逆行示踪剂WGA-HRP外，还使用了荧光逆行示踪剂FluoroGold。通过向大鼠脾脏内少量注射示踪剂，在注射后对脾脏应用扩散屏障（Opsite），并对脾神经进行手术切片，发现与腹腔-中隔脾相关的椎前交感神经节为脾脏提供了主要交感神经输入。此外，在胸交感神经链中发现了许多逆行标记的神经元。对脾脏的去神经化证实了标记的特异性，并确定脾神经是神经输入脾脏的最终共同通路。重要的是，与胸腺相似，没有证据表明迷走神经或背根神经节对脾脏有感觉输入。我们得出结论，脾脏的神经输入仅为交感神经，没有证据表明存在感觉或迷走神经供应。随后，《大脑行为与免疫》杂志发表了进一步证据，证明脾脏没有任何迷走神经或副交感神经输入(Bellinger等人，1993年)他证明脾脏中没有胆碱乙酰转移酶（ChAT），这是胆碱能神经纤维比AChE更特异的标记物。同样，囊泡乙酰胆碱转运体（胆碱能神经元和纤维的高度特异性标记物）的免疫组化研究表明，它们在淋巴组织中完全缺失(Schafer等人，1998年). 最后，对PRV脾脏神经支配的跨神经元研究证实了这一结论(Cano等人，2001年)并证明支配脾脏的交感节前神经元来自胸椎脊髓的T1-T12区。较长的存活时间表明，交感前运动脑细胞核直接或间接投射到脊髓交感节前神经元，并且再次由脑干、桥脑和下丘脑中的许多相同细胞核组成，这些细胞核被免疫刺激激活(Wan等人，1994年). 因此，神经解剖学和神经化学证据表明，脾脏的神经支配起源于交感神经，进一步表明没有证据表明脾脏有副交感神经或感觉输入。同样，在脾脏中发现的任何感觉神经肽阳性纤维都不参与提供来自该免疫器官的感觉反馈。

淋巴结神经支配

淋巴结神经支配起源的详细神经解剖学描述仍然有限。然而，交感儿茶酚胺纤维在各种淋巴结中的存在和分布已经有很好的记录(Felten等人，1985年)，并且这种神经支配的神经节起源很可能反映了淋巴结所在的身体特定区域。与此相一致，并且代表了仅有的两项淋巴结神经支配逆行追踪研究之一的是(罗密欧等人，1994年). 他们将重点放在大鼠的颈上神经节上，并证明向颌下腺淋巴结注射荧光金可以逆行标记同侧上颈神经节尾侧的交感神经元。尽管没有检查其他交感链神经节中的逆行标记神经元，但这种有限的分析表明，类似于胸腺和脾脏，单个淋巴结接受来自节后神经元的交感神经输入，这些神经元与向免疫器官所在的身体特定区域提供交感神经输出有关。然而，与胸腺和脾脏相反，有一些神经解剖学证据表明，淋巴结可能接受神经传入供应，至少在豚鼠中是这样。(Kurkowski等人，1990年)在豚鼠气管支气管淋巴结注射氟金后，检测了标记神经元在背根感觉神经节的分布。他们没有检查交感链神经节中的标记，但在颈背根神经节中观察到荧光金标记的神经元，这些神经元从C3神经节到C8神经节数量递减。虽然需要更多的神经解剖学研究，但这些结果表明，可能存在区域淋巴结的感觉输入。从功能上讲，这可能反映出淋巴结收集并处理来自身体特定区域的免疫细胞，所有这些免疫细胞都接受广泛的传入感觉神经支配（皮肤、肌肉、粘膜等）。感觉纤维是皮肤局部炎症反应的重要调节器，这种神经-免疫相互作用可能延伸至引流淋巴结(Shepherd等人，2005年). 此外，与胸腺和脾脏不同，淋巴结处理与身体特定区域和组织隔室相关的免疫反应，其中免疫挑战的位置对于将免疫系统引导至损伤和感染部位至关重要。根据有限的可用数据，区域淋巴结可能接受来自背根神经节的传入神经输入。迄今为止，没有神经解剖学证据表明副交感神经传入淋巴结，也没有发现淋巴组织中囊泡型乙酰胆碱转运体标记纤维(Schafer等人，1998年)进一步支持了这一结论。

骨髓神经支配

与其他免疫器官一样，骨髓的交感神经支配已经建立，功能实验已经证明交感神经系统可以调节骨髓功能(Felten等人，1985年). 然而，骨髓神经支配起源的神经解剖学研究与淋巴结的研究一样有限，部分原因是接受交感神经和感觉神经支配的矿化骨与骨髓之间的密切接触(Imai等人，1997年). 所有血管都接受交感神经的供应，供应矿化骨、软骨和骨膜的营养血管继续流入骨髓。同样，假定的感觉纤维（P物质和CGRP免疫阳性）伴随着去甲肾上腺素能交感神经纤维，沿着这些血管供应周围骨骼，并进一步分布于整个骨骼。骨骼神经支配和骨骼发育之间的功能分离尚待确定。虽然应用神经解剖追踪技术来确定骨髓神经支配与周围组织的起源在技术上是困难的(Denes等人，2005年)最近报道了第一项研究骨髓神经支配起源的神经解剖学研究。利用高浓度的PRV，他们证明了病毒从股骨骨髓到胸腰椎椎旁交感神经节和T8-L1脊髓交感节前神经元的跨神经元转运。在存活时间较长的情况下，在脑干、桥脑和下丘脑的运动前交感神经核中检测到病毒标记。而跨神经元标记的中心模式与胸腺和脾脏的报道类似(Cano等人，2001年;Trotter等人，2007年)PRV感染神经元的中央标记数量非常有限，可能是由于启动骨髓跨神经元转运所需的PRV的高剂量和神经毒性所致。然而，他们的结果确立了骨髓交感神经输入的起源，重要的是，用两种等基因但组织化学可区分的PRV形式进行双重跨神经元标记，可以比较骨髓与上覆骨骼肌之间的差异。尽管在许多大脑和脊髓区域观察到类似的PRV标记中央模式，但整个神经轴几乎没有重叠（双重标记）。例如，在下丘脑室旁核和脑干和脑桥的降儿茶酚胺核（由肌肉和骨髓注射PRV产生）的标记是完全分开的，没有神经元的双重标记。他们没有报告任何关于骨髓可能的感觉输入的结果。因此，传入神经支配以及任何可能的副交感神经对骨髓的输入尚待确定。需要对骨髓进行额外的逆行追踪研究，并检查骨髓中是否有囊泡乙酰胆碱转运体标记的神经。

神经内分泌调节的其他场所

身体的所有区域都接受交感神经输入，并且作为微生物入侵或抗原攻击的潜在部位的所有体表（皮肤、口腔和肠道粘膜、腹膜、肺）都接受与免疫系统的细胞元件密切相关的广泛传入神经支配。感觉纤维对这些体表微生物和抗原的局部作用的类似佐剂的作用是局部炎症（先天性）免疫反应以及随后的适应性免疫反应的大小和有效性的重要调节器(Shepherd等人，2005年).

免疫系统神经支配概述

免疫系统的所有成分都有主要的交感神经（儿茶酚胺）输入，而免疫系统的传入神经可能仅限于淋巴结和骨髓。迄今为止，还没有神经解剖学证据表明免疫系统的传出迷走神经或副交感神经支配，可能的例外是呼吸道和消化道，这些尚待证实。

免疫细胞上的受体表达

支持交感神经定位和免疫细胞附近NE释放的研究结果促使设计研究以确定免疫细胞表面是否表达肾上腺素能受体。为了将神经信号传递给免疫细胞，这种受体的表达是必要的。结合NE的受体有两种类型，即α-肾上腺素能受体（αAR）和β-肾上腺素能接收器（βAR），它们以组织特异性的方式表达，并与NE表现出不同的亲和力₂AR）亚型是啮齿动物和人类免疫细胞上表达的主要受体(Kin and Sanders，2006年;Sanders等人，2001年)]. β的数量₂免疫细胞上表达的AR是可变的，受许多不同因素的调节，包括细胞激活、细胞因子、激素和神经递质。β的刺激₂免疫细胞上的AR诱导细胞内cAMP水平升高，随后蛋白激酶A（PKA）激活。此外，β₂AR激活其他信号中间产物，如丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）。

分子技术的出现，对免疫细胞亚群的特定群体进行了分类，从而可以在蛋白质和基因表达水平上确定哪些亚群表达了特定的肾上腺素能受体亚型。已发现参与先天免疫的细胞表达β₂主要是AR，但据报道有些细胞表达其他亚型。总结支持α表达式的数据的唯一综述₁主要由单核细胞/巨噬细胞产生的AR发表在《大脑、行为与免疫》杂志上，其中讨论了α₁AR表达式(卡维拉尔，2002年). 此外，大多数报告表明，参与适应性免疫的T和B细胞表达β₂仅限AR亚型。大量CD8+和CD4+T细胞表达β₂AR，以及原始CD4+T细胞和小鼠Th1细胞，而小鼠Th2细胞的克隆没有。然而，使用人类细胞时存在相互矛盾的数据，其中一些数据表明缺乏aβ₂AR和一些人认为存在，主要是因为很难获得纯化的人类IFN-γ和IL-4产生细胞群，因为这些细胞因子在人类中不会像在小鼠中那样极化。然而，随着技术的改进，纯化只分泌Th1或Th2类细胞因子的人CD4+T细胞，应该可以确认β₂AR有不同的表达，如果有，是为了什么生理目的。

CD4+T细胞激活后，β₂除小鼠Th2细胞外，大多数细胞上的AR表达增加或减少。这些发现表明β₂AR在原始T细胞分化为Th1细胞时保持不变，但在分化为Th2细胞时受到抑制。调节β差异表达的机制₂这两种效应细胞亚群的AR仍然未知，但可能涉及表观遗传学机制（未发表的发现）。B细胞表达的受体几乎是CD4+T细胞的两倍。一些放射配体结合分析显示B细胞上αAR的表达，但由于在分析前未从淋巴细胞样本中除去高水平表达αAR的血小板，因此结果可能会误导。此外，迄今为止所有的B细胞受体研究都主要针对最常见的B细胞类型，也就是众所周知的B-2细胞。迄今为止，还没有关于不太常见的CD5+B-1 B细胞亚群是否表达β₂综上所述，已知适应性免疫细胞主要表达β₂AR，而先天免疫细胞似乎同时表达β₂AR，a公司₁AR和a₂应收账。

新生儿免疫的症状调节

先天免疫是抵抗微生物的第一道防线。先天免疫系统对微生物（Toll受体）反应迅速，但对多种生物的反应数量有限。先天免疫系统的成分包括上皮表面（皮肤和粘膜）、补体、吞噬细胞（巨噬细胞和中性粒细胞）、自然杀伤细胞和粒细胞（包括中性粒细胞、嗜酸性粒细胞、碱性粒细胞和肥大细胞）上的抗菌化学物（防御素），这些炎症细胞是先天免疫和特异免疫的效应细胞。巨噬细胞对各种类型的细菌、细菌DNA（非甲基化CpG）和病毒的存在作出反应。例如，单核细胞表达脂多糖（LPS）的特异性受体（CD14，Toll-4），脂多糖是革兰氏阴性菌的一种细胞壁成分。注射LPS会产生一连串的炎性细胞因子，首先是肿瘤坏死因子α（TNF-α），然后是白介素-1β（IL-1β）和白介素-6（IL-6）。其他重要的调节和效应分子是由巨噬细胞在稍后的时间间隔产生的，如白细胞介素12、干扰素和一氧化氮。这些巨噬细胞依赖性产物既是效应分子又是信号分子。例如，TFN-α作用于细胞死亡受体，杀死受感染和受损的细胞，如果过量产生，则会导致感染性休克。TNF-α与IL-1β一起产生热原反应（发热），有助于进一步杀灭细菌。这些炎性细胞因子还对血管内皮细胞产生局部作用，以上调粘附分子的表达，从而将额外的免疫细胞招募到细菌入侵的部位。血管通透性的同时变化有助于这些细胞从血流中迁移。IL-6介导对感染的急性期反应，并刺激肝脏产生和释放急性期蛋白，如CRP。重要的是，这些细胞因子为适应性免疫系统随后的参与和行动奠定了基础。巨噬细胞及其特异性结合物树突状细胞作为抗原提呈细胞，为抗原特异性适应性免疫系统的全面参与提供了关键的第一步。因此，先天免疫系统早期活动的调节对特异性适应性免疫反应的大小和质量有重大影响。微生物佐剂增强对抗原的特异性免疫反应的效用是基于这一基本免疫过程。鉴于巨噬细胞在先天免疫系统调节中的核心作用，接下来的讨论将集中于巨噬细胞的神经调节及其炎性细胞因子的产生。

适应性免疫的症状调节

β的刺激₂表达β₂AR增加了细胞内cAMP浓度和腺苷酸环化酶活性，这表明在基因表达水平上有可能调节细胞活性。在该研究领域的早期，体外和体内的研究结果都支持NE和β₂AR刺激确实能够改变细胞功能[有关早期研究的综述，请参阅(桑德斯和蒙森，1985年). β的发展₂AR-deficient小鼠被认为是一项突破，它有望令人信服地表明免疫细胞上该受体的表达与生理学相关。2003年，《大脑、行为与免疫》发表了该小鼠的第一个综合免疫学表型(Sanders等人，2003年). 然而，与预期相反，免疫前后小鼠表型正常，可能是由于体内的补偿机制，似乎不涉及另一种肾上腺素能受体亚型的上调。然而，当β₂从小鼠中取出AR-缺陷细胞并在体外进行分析。后一项发现表明，如果β₂将缺乏AR的小鼠转移到正常小鼠，它们可能会提供必要的体内工具，以研究该受体对特定免疫细胞亚群的生理相关性。然而，不幸的是，这些小鼠的‘q’单倍型是免疫缺陷小鼠模型中尚不具备的遗传背景。因此，在β₂AR-deficient小鼠被回交给一种免疫缺陷小鼠可用的小鼠菌株。因此，大多数人支持β的功能相关性₂AR是通过体内和体外功能分析获得的。

评论

综上所述，这些研究表明NE可能对体内T和B细胞功能产生不同的影响。然而，当比较NE在体内和体外对T和B细胞功能的影响时，会出现其他问题。如前所述，大多数研究调查NE对体内缺乏神经递质的正常小鼠T和B细胞功能的影响。因此，体外研究专门研究了添加NE对特定T和B细胞群体和功能的影响，而体内研究实际上是研究NE对参与免疫反应和表达肾上腺素能受体的所有细胞群体的影响。此外，在NE缺失小鼠中测得的免疫反应可能反映了当不存在NE时在体外发生的免疫反应，这表明当含有NE的神经纤维完整且功能正常时，向体外培养物中添加NE可能更能反映体内免疫反应的真实状态。最后，体内研究可能还检查了NE对处于不同分化状态的细胞的影响，因为NE缺失最有可能影响这些动物的原始细胞和效应细胞。因此，未来的研究可能需要使用额外的模型系统来辅助，例如将特定受体缺陷细胞群过继转移到免疫缺陷小鼠中，以研究NE在调节体内抗体生成的每种细胞类型功能中的作用。或者，使用有条件的基因表达系统，在体内特定细胞群中破坏NE合成酶的基因或肾上腺素能受体的表达也会有帮助。

结论

鉴于免疫系统神经支配的功能重要性，重要的是要认识到神经免疫网络中这一联系的神经原子基础仍然依赖于少数研究。胸腺神经支配的首次描述发表二十年后，现在很少有人提及(Nance等人，1987年)我们仍然需要对免疫系统的神经支配进行进一步的神经解剖学和神经化学分析。神经免疫调节系统的所有概念模型，例如最近的“胆碱能抗炎症假说”，都受到解剖学的限制，必须与免疫系统神经支配的神经解剖学组织相一致。

迄今为止，许多临床实例支持神经免疫相互关系在疾病状态的病因或进展中的作用，其中许多实例在许多优秀的综述中进行了彻底的讨论(格拉泽，2005年;Heijnen和Cohen，1999年;桑德斯和斯特劳布，2002年). 所有这些综述都强调，对NE调节免疫细胞活性水平的细胞、生物化学和分子机制的理解，终有一天会导致治疗方法的发展，从而改变免疫系统相关疾病的病因和/或进展。当一个人的免疫系统在宿主环境中遇到多种抗原时，无论是外部还是内部，使用这种治疗方法都很重要。了解一个人的免疫能力水平如何影响对免疫细胞活动产生影响的神经系统的不同组成部分也很重要，例如淋巴组织中的神经支配水平和/或局部分泌的NE水平和/或者β₂免疫细胞上的AR。

脚注

参与者信息

德怀特·南斯，Susan Samueli综合医学中心，加利福尼亚大学，美国加利福尼亚州奥兰治市欧文分校。

弗吉尼亚·M·桑德斯，美国俄亥俄州哥伦布俄亥俄州立大学医学中心分子病毒学、免疫学和医学遗传学系。

参考文献