摘要：尽管采用抗逆转录病毒治疗（ART）实现了有效的病毒抑制，但HIV感染者（PWH）仍面临神经认知障碍和持续性神经炎症的风险增加。尽管神经元不被HIV感染，但它们仍易受慢性感染的间接影响，包括暴露于病毒蛋白、炎症介质和胶质细胞功能障碍。由此产生的神经元损伤被认为在ART时代HIV相关神经认知障碍（HAND）的发生和持续中发挥作用。本综述探讨了慢性HIV感染对神经元功能的影响，重点阐述了由病毒依赖性和非病毒依赖性通路驱动的神经元功能障碍机制。我们讨论了中枢神经系统（CNS）病毒储存库的作用、神经免疫相互作用，以及包括Tat、gp120和Nef在内的HIV蛋白的神经毒性效应。我们进一步探讨了慢性HIV感染如何影响突触完整性、神经元代谢和年龄相关的神经退行性变。最后，我们强调了旨在保护神经元功能的新兴生物标志物和治疗策略。通过整合关于神经元功能障碍的病毒依赖性和非病毒依赖性机制的现有证据，本综述确定了关键的知识空白和未来研究重点，旨在保护PWH的神经元功能并改善神经系统预后。
1. 引言
尽管采用抗逆转录病毒治疗（ART）实现了病毒抑制，HIV感染者（PWH）仍持续面临神经认知障碍、神经病理学和神经炎症风险升高。虽然神经元不被HIV感染，但会受到中枢神经系统（CNS）邻近细胞感染的影响。这种对神经元的影响被认为通过旁观者模型介导，即HIV感染或持续存在于脑髓系细胞和迁移的T细胞群中，而神经元功能障碍通过暴露于病毒蛋白、炎症介质、兴奋性毒性信号、氧化应激和营养支持改变而发生。HIV在感染早期进入CNS，这种早期病毒暴露可能建立炎症和储存库动态，影响后续的神经元结局和体积变化，即使在ART抑制病毒血症后也是如此。该框架解释了为何即使神经元未被感染，仍可发生显著的神经元损伤，以及为何病毒定位并不总是与认知功能障碍的模式相匹配。
在ART抑制的PWH中，尽管全身病毒复制受到抑制，神经元功能障碍仍持续存在，表现为慢性突触、树突、轴突、代谢和网络异常。因此，ART抑制的PWH的神经元功能可能由早期未受控制感染的遗留损伤和CNS中持续的低水平转录共同决定。HIV如何在长期ART抑制背景下影响神经元完整性，以及这些效应是否可逆，目前正在探索中。
本综述将讨论慢性HIV感染对神经元健康和功能影响的现有证据，并探讨慢性神经元功能障碍对HIV治愈研究的意义。
2. PWH中神经元功能障碍的临床证据
慢性HIV感染传统上与神经病理发生和认知障碍相关，PWH中神经元健康受损的临床相关表现主要在HIV相关神经认知障碍（HAND）和/或HIV相关脑损伤（HABI）框架下讨论。根据这些标准，神经认知障碍的报告患病率为10%至30%，具体取决于所用标准。Frascati标准将HAND分为三个不同类别：无症状神经认知障碍（ANI）、轻度神经认知障碍和HIV相关痴呆。在ART治疗时代，PWH中严重痴呆不常见；然而，影响注意力、执行功能、记忆提取、处理速度和日常功能的较轻且波动的损害仍然常见。ANI的纳入尤其存在争议，因为它可能高估认知障碍的真实发生率或HIV所起的作用，而实际上可能反映其他因素，包括衰老、药物使用、合并感染和合并症。这些变化可能反映了额叶-纹状体、边缘系统和白质回路中的持续脆弱性，而非特定类型的脑损伤。神经元功能障碍不仅影响认知。情绪变化、疲劳、动力下降、运动功能减慢和应对能力降低也可能反映HIV相关神经元和网络应激的累积效应，尤其是在老年人和患有其他血管或精神疾病的人群中。
值得注意的是，文献对HIV对大脑的长期影响存在分歧，一些研究继续显示尽管接受ART仍存在慢性影响，而其他研究报告在管理良好的ART抑制PWH中神经认知障碍患病率下降。近期在感染后较早时间点启动治疗的ART抑制PWH中的证据，导致该领域对持续损伤和/或遗留影响的具体贡献存在分歧。
3. 神经元损伤的细胞和分子机制
理解慢性HIV临床表现的机制对于确定神经元功能障碍是反映持续损伤、急性感染的遗留效应还是两者的结合至关重要。
3.1. 病毒蛋白对神经元的直接毒性作用
包括gp120、转录反式激活因子（Tat）和Nef在内的几种HIV蛋白已被证明具有神经毒性，并强烈参与HIV相关神经元损伤的发病机制。这些蛋白破坏谷氨酸能信号传导、失调细胞内钙稳态、损害线粒体功能、促进氧化损伤，并激活与应激反应和凋亡相关的转录通路。尽管血浆病毒复制受到有效抑制，CNS中病毒产物（包括HIV蛋白和转录本）的低水平表达与持续的神经炎症相关，可能足以维持神经元应激反应。
HIV Tat在增强HIV转录中起关键作用，因此已被研究其潜伏逆转能力。然而，Tat在CNS中具有多种已记录的神经毒性作用。在感染细胞的HIV复制周期中，Tat被释放，可与周围细胞相互作用，通过突触转运机制在整个大脑中运输，导致神经元中突触功能、钙信号传导和线粒体完整性的改变。具体而言，Tat与神经元上的低密度脂蛋白相关蛋白结合，导致内吞作用和内溶酶体功能障碍。这些过程增加pH值，可抑制自噬，导致神经元功能障碍并最终导致神经元死亡。在Tat诱导型动物模型中，Tat上调鉴定出神经元中淀粉样蛋白-β（amyloid-β）的积累，这是阿尔茨海默病中的关键因素，并通过向神经元添加Tat在体外进一步证实可诱导内溶酶体功能障碍。Tat的寡聚化及与淀粉样蛋白-β肽原纤维的相互作用与膜完整性减弱和神经元毒性相关。在SIV感染的非人灵长类动物和体外模型中的研究表明，Tat诱导细胞内效应，包括与细胞应激、衰老和DNA修复相关的转录因子叉头盒蛋白O3（forkhead box O3）转位至细胞核，触发神经元凋亡。HIV Tat还与N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受体结合，驱动Ca2+内流、过度激活和神经元中的谷氨酸兴奋性毒性。响应Tat，神经元还上调抑制性突触的生成，这可改变兴奋性与抑制性突触的平衡，影响PWH中观察到的神经元通讯和信息处理。有趣的是，HIV Tat对神经元的影响可能具有分支依赖性，因为含有Cys31Ser突变的HIV Tat（见于HIV C分支感染的PWH）对NMDA受体的神经毒性效应显著低于不含该突变的B分支。
HIV包膜糖蛋白gp120已在PWH的脑组织和脑脊液（CSF）中检测到，并通过趋化因子受体信号传导、NMDA受体致敏以及影响树突回缩、突触丢失和凋亡易感性的下游通路发挥与HIV Tat部分重叠的效应。具体而言，HIV gp120与趋化因子受体CCR5和CXCR4结合，可触发神经元信号通路，包括与神经毒性相关的内吞运输通路。Gp120与趋化因子受体的结合已被证明可诱导内质网应激和形态改变，导致神经元中Ca2+耗竭。体外/体内研究表明，HIV gp120还可诱导神经元中的线粒体损伤和功能障碍，进一步促进神经元损伤。除大脑皮层组织内的效应外，gp120还通过脊髓背角神经元中的突触变性和异常激活，参与HIV相关疼痛和周围神经病变。
其他病毒蛋白包括HIV Nef、Vpu、病毒蛋白R（Vpr）和gp41在神经元上的具体作用相对于gp120和Tat而言定义较为不明确。Nef已在PWH和SIV感染的非人灵长类动物的脑和CSF中检测到。离体/体外研究表明，Nef可从感染细胞中通过细胞外囊泡释放，并诱导轴突和神经突损伤。尽管大多数证据指向通过胶质细胞激活的旁观者机制。HIV辅助蛋白Vpu已被证明在异位感染期间诱导神经元中Caspase 3激活和TAR DNA结合蛋白43的积累，这是阿尔茨海默病和肌萎缩侧索硬化的特征。可溶性Vpr也被证明可导致神经元凋亡。
3.2. 胶质细胞激活和全身炎症介质对神经元的旁观者效应
除了直接的病毒介导神经毒性外，旁观者效应也导致PWH中的神经元功能障碍。虽然HIV不直接感染神经元，但HIV持续存在于胶质细胞中，包括小胶质细胞，以及程度较轻的星形胶质细胞和血管周细胞。病毒感染和脑细胞激活在ART存在下持续存在，这对神经元健康有害。激活的小胶质细胞和浸润的单核细胞释放细胞因子、趋化因子、活性氧和脂质介质，损害突触维持并改变神经元兴奋性，增加其对兴奋性毒性和代谢损伤的易感性。具体而言，HIV gp120已被证明可驱动胶质细胞产生IL-1β，这可能致敏NMDA受体信号传导和神经毒性。包括HIV Tat在内的其他病毒蛋白也可诱导促炎性M1样小胶质细胞表型，分泌IL-1β和TNF-α，导致神经元损伤和细胞死亡。这种持续的炎症反应即使在缺乏神经元细胞死亡的情况下也影响神经元功能。尽管有效ART治疗，CNS中仍存在的慢性低水平免疫激活已被证明与突触可塑性降低相关，并干扰神经递质稳态。这种神经元回路的变化导致处理速度减慢、执行功能受损、记忆缺陷和运动控制改变。
星形胶质细胞是脑稳态的重要调节者，尽管尚未证明星形胶质细胞被HIV有效感染，但其功能障碍被认为是HIV相关神经元损伤的主要贡献者。HIV相关炎症可损害星形胶质细胞摄取谷氨酸、提供代谢支持、减少抗氧化剂以及调节细胞外离子水平的能力；所有这些都增加神经元对兴奋性毒性和能量衰竭的易感性。星形胶质细胞还有助于维持血脑屏障（BBB）完整性并协调神经血管耦合，星形胶质细胞功能障碍提供了局部神经炎症与影响神经元健康的更广泛组织水平紊乱之间的机制桥梁。HIV Tat已被证明可诱导星形胶质细胞产生促炎细胞因子，短暂暴露可支持数小时的持续细胞因子释放，影响周围细胞微环境，特别是神经元。在星形胶质细胞和小胶质细胞中，Tat放大炎症反应并破坏谷氨酸调节。
异常的突触修剪也被牵涉到PWH的神经元损伤中。突触修剪是小胶质细胞和星形胶质细胞的正常功能，用于移除神经元之间不需要的连接。然而，小胶质细胞和星形胶质细胞已被证明在PWH中增强神经元突触的突触修剪。一项使用HIV-gp120转基因小鼠的近期研究发现，与野生型对照相比，动物表现出更高水平的小胶质细胞和星形胶质细胞突触修剪，支持病毒蛋白直接导致重要的突触前（在某些情况下为突触后）神经元末端损伤的机制。小鼠模型中的研究还表明，Tat可驱动小胶质细胞增生和突触修剪，进一步强调病毒蛋白介导的通路在驱动突触修剪中的贡献。有趣的是，即使在ART抑制的PWH中，通过专门的正电子发射断层扫描（PET）在临床上观察到突触密度降低，这引发了一个问题：这些观察是否可能与脑中残留的病毒蛋白有关，或者是否有其他通路驱动ART抑制个体的突触修剪。
3.3. 血脑屏障和神经血管损伤
BBB破坏是HIV中神经元损伤的另一个重要决定因素。受损的BBB完整性促进异常的免疫运输，允许神经组织暴露于循环炎症介质，并可能损害正常突触传递和代谢支持所需的严格调节的微环境。在老年HIV感染者中，神经血管损伤可能与HIV特异性机制相互作用，放大白质损伤、损害神经元弹性，并使仅归因于HIV的因果关系复杂化。HIV gp120还可激活BBB的内皮细胞，驱动BBB功能障碍和细胞因子释放，可能增强淋巴细胞向脑内的运输。
3.4. 代谢和线粒体应激
PWH中的神经元功能也受到线粒体功能障碍和脑代谢改变的影响。线粒体对炎症和兴奋性毒性应激特别敏感。当受损时，线粒体产生较少的ATP，生成更多的活性氧，并更可能促进结构性损伤。磁共振波谱（MRS）研究显示N-乙酰天冬氨酸水平降低和其他代谢变化，表明HIV中的神经元即使在没有明显组织损伤的情况下也可能处于代谢应激状态。HIV Tat已被证明通过线粒体功能障碍和线粒体DNA泄漏到细胞质中，诱导小胶质细胞中的NLRP3炎症小体激活，导致IL-1β的产生和神经元损伤。
4. 神经元的结构和功能后果
4.1. 突触和树突损伤
突触树突损伤而非大量神经元丢失通常是HIV感染中神经元功能受损的最早标志。树突简化、突触蛋白表达改变和回路连接性破坏可在无明显神经元细胞丢失的情况下显著损害认知。这在ART治疗的PWH中尤其相关，由持续的HIV相关神经炎症引起的微妙慢性突触病理学可能解释了尽管病毒抑制仍存在的持续性神经认知症状。
突触和树突损伤可能是分子损伤与临床症状之间的主要联系。病毒蛋白、炎症、氧化应激和 disrupted 谷氨酸均可损害突触和树突，这些是神经元中能量需求高且高度可适应的部分。这一水平的损伤足以在神经元完全丢失之前降低神经网络的效率。
4.2. 轴突损伤和白质破坏
PWH中的轴突完整性也受到影响，影像学和液体生物标志物研究均反映了这一点。对神经丝轻链（NfL）水平（神经轴突损伤的替代指标）的分析表明，神经元损伤可发生在感染的所有阶段，从未经治疗的HIV和HIV相关痴呆到具有较轻认知障碍的ART治疗个体。弥散成像分析显示的白质微结构异常表明，HIV相关损伤不仅限于皮层神经元，还涉及长程连接和轴突维持。轴突损伤的这一方面至关重要，因为脑功能依赖于局部突触和长程连接。即使是轻微的轴突损伤也可导致信息处理速度减慢和执行功能受损，这仍然是ART治疗的PWH中最常见的认知障碍。
5. 神经元损伤的混杂因素
5.1. ART方案
ART已改变了HIV感染的神经系统后果，但并未完全使神经元健康正常化。有效的ART减少严重的脑炎病理学，降低许多炎症和损伤生物标志物，并且可能在早期启动时预防大量不可逆的神经元损伤。然而，ART并未消除所有CNS炎症活动，不能完全逆转遗留损伤，并且可能无法完全抑制脑和CSF中区室化或转录活跃的HIV。这创造了一个以部分保护而非完全恢复为特征的治疗格局。早期ART似乎尤为重要，因为它可能限制未受控制的CNS损伤持续时间，并降低晚年持续性结构和代谢异常的风险，尽管RV254研究的一项研究发现，急性感染期间早期启动ART并未使CSF NfL水平相对于血清阴性对照正常化。同时，在管理良好的队列中持续存在的较轻损伤表明，抑制血浆病毒血症是必要的，但不足以完全保护神经元功能。
5.2. 衰老、合并症和异质性
当前神经HIV研究的主要问题是，HIV诱导的神经元损伤发生在一个患有非感染性合并症的老年人群中。心血管疾病、代谢紊乱、抑郁症、睡眠障碍、物质使用和既往脑损伤可加剧神经损伤，并使HIV感染的确切作用变得模糊。因此，PWH代表了一个高度异质的人群，其中神经元健康可能受到病毒介导因素以及宿主年龄、用药史、心血管风险和 psychosocial 因素的影响。
这些合并症的潜在影响可能解释了不同研究中认知表型和生物标志物结果的差异。具体而言，ART时机、CD4最低点、脑炎损伤史、性别、地理区域、病毒亚型、合并感染状态和评估方法都可能影响对神经元健康和认知功能的分析。
5.3. 合并感染的作用
合并感染是PWH神经病理学的潜在贡献者。合并感染丙型肝炎（HCV）且有显著肝病的PWH比仅感染HIV者具有更高的认知障碍发生率。然而，关于HCV血清状态本身在无肝病情况下是否升高风险存在相互矛盾的报道，CHARTER联盟的一项大型研究未发现相对于仅HIV感染者的神经认知障碍发生率升高，但识别出白质结构异常。巨细胞病毒（CMV）在PWH中普遍存在，CMV合并感染是PWH中脑血管疾病的已知风险因素。具体而言，在脑内，已在患有AIDS的PWH中报道了CNS细胞的合并感染，并可导致脑炎。CMV可能在脑内具有组织特异性效应，因为PWH肠道中的CMV复制已被证明可驱动上皮激活和炎症。然而，HCMV再激活的全面影响难以系统量化，因为一项80名PWH的研究发现血浆CMV IgG水平与较差的神经系统结局相关，而近期一项纵向随访PWH队列的报告发现血浆CMV IgG水平与认知障碍指标不相关。因此，需要进一步研究以阐明CMV和其他病原体再激活对PWH脑内细胞激活和潜在认知障碍的贡献。
总之，这些比较对于理解HIV在CNS中的发病机制很重要，因为它们表明神经元健康可通过直接感染或通过对重要支持细胞的损伤和炎症环境的诱导而受到影响。
6. 评估神经元损伤的证据和工具
为了测量HIV相关神经元损伤，通过两种主要方法使用结构性、生化和临床测量。死后组织提供神经元和突触损伤的直接证据，而神经影像学和液体生物标志物为活体个体提供间接但可追踪的损伤证据。
6.1. 神经病理学证据
尸检研究提供了评估PWH脑中细胞环境的机会。多项尸检组织研究一致地将神经认知障碍和HIV相关脑病理学与炎症标志物如IL-1β、TNF-α、IFNα、CD16+单核细胞以及小胶质细胞和星形胶质细胞激活联系起来，支持神经元损伤发生在持续性先天免疫激活区域的模型。死后组织分析还使得量化神经元丢失、突触耗竭、树突简化、白质损伤、胶质增生和区域脆弱性成为可能，这些神经病理学模式无法通过活体成像技术以相同的置信度建立。
6.2. 活体HIV感染者的神经影像学
在活体PWH队列中，基于磁共振成像（MRI）的方法提供对HIV相关损伤的结构和功能后果的非侵入性评估。ART抑制的PWH中的结构和静息态功能MRI研究显示灰质体积较低和白质异常，提示这些区域的神经元损伤和组织丢失。这些发现进一步表明，尽管ART抑制了HIV，可检测的脑结构变化仍然存在。弥散成像的使用增加了灵敏度，允许检测影响轴突和白质束的微结构破坏，而功能成像有助于定义脑变化如何导致网络组织改变和认知衰退。
MRS能够通过监测神经元损伤的代谢相关性来检测脑损伤，特别是识别指示HIV相关神经元损伤的N-乙酰天冬氨酸（NAA）异常，这些异常在常规扫描可见之前即可检测到。同样，MRI、弥散成像和MRS研究继续在病毒抑制的HIV队列中检测到结构和代谢异常，表明尽管长期ART，神经元功能可能仍未完全恢复。总之，这些影像学方法支持这样的观点：ART治疗的PWH中的HIV相关神经元损伤可能是微妙的、分布性的和慢性的，而非大规模破坏性的。
6.3. CSF和血液生物标志物
液体生物标志物的评估特别有价值，因为它们允许随时间重复监测神经元健康，并可纳入干预研究。CSF和血液中的NfL是神经轴突损伤的指标，在严重疾病中升高，但在较不晚期状态和原发感染期间也可能异常。NfL水平与PWH中认知问题的发生率相关。由于NfL水平在开始ART后下降然后稳定，NfL被认为是损伤的动态标志物，而非仅反映早期损伤。CSF生物标志物的效用也在尝试理解涉及CNS区室相关过程的机制时特别有信息量。除NfL外，星形胶质细胞激活和鞘内免疫激活的CSF生物标志物提供了关于神经炎症环境或BBB功能障碍存在与否的信息。虽然这些不是直接反映神经元健康和功能的替代指标，但它们可提供神经炎症环境的评估。例如，CSF YKL-40、CSF NfL与白蛋白比值、新蝶呤和CSF HIV RNA水平等指标之间存在显著关联。因此，这些关联证实了HIV感染中神经元状态不佳与胶质细胞激活和CNS免疫状态改变相关的观点。在ART治疗的PWH中，已证明单核细胞激活标志物如CSF新蝶呤、sCD163和sCD14在病毒抑制后仍与神经认知障碍相关；然而，这些数据应谨慎解释，因为生物标志物异常并非HIV特异性。血浆和/或CSF中病毒产物的检测是否可预测潜在神经病理学仍不明确。一项ART治疗的PWH研究在个体CSF（36.8%）和CSF外泌体（34.4%）中检测到HIV Tat，其水平与较低的精神运动速度和信息处理相关。然而，CSF Tat水平也与既往可卡因或苯丙胺滥用相关。
结合尸检和机制研究，这些发现强化了以下观点：治疗后的HIV感染可使大脑处于持续性脆弱状态，其特征为不完全恢复、持续低水平损伤或两者兼有。
6.4. 解释和局限性
还需要对检测技术进行适当解释，因为许多体内标志物对HIV感染高度敏感，但对其非特异性。衰老、血管疾病、肾脏疾病、其他疾病、药物使用、睡眠障碍、抑郁症和既往免疫抑制等因素可影响神经影像学和生物标志物发现；因此，难以区分HIV诱导的神经病变与其他疾病。因此，最重要的发现来自多管齐下的方法，包括认知测试、神经影像学、外周和CSF生物标志物以及可能的尸检发现的组合。
7. 对HIV治愈研究的意义
HIV对神经元健康的影响与HIV治愈方法高度相关，因为CNS已被证明是持续性病毒储存库，其中持续的病毒转录、免疫激活和改变的胶质细胞状态在全身HIV抑制后仍持续存在。然而，CNS通常在治愈研究中未被评估，并且在递送方面存在挑战，因为许多干预措施穿过BBB的渗透性有限。因此，关于有效清除/沉默PWH CNS中HIV感染细胞的证据很少。包括免疫疗法在内的较新方法在动物模型中显示出靶向CNS储存库的一些前景；然而，在PWH中的疗效和安全性尚不清楚。如果CNS储存库继续驱动可能伤害神经元的炎症或转录程序，那么忽略大脑的治愈策略则存在低估残余持续损伤的风险。例如，虽然Tat和其他干预措施已被证明在静息CD4+ T细胞储存库中作为潜伏逆转剂有效，但已识别出对大脑的显著神经毒性担忧。相反，减少全身储存库而不影响神经元或神经免疫参数的干预措施可能无法解决持续性HIV疾病的CNS影响。
这意味着神经元健康和神经元损伤的影响应被视为HIV治愈研究中的结果和机制。突触完整性、神经轴突损伤、胶质细胞激活、BBB功能和认知表现之间观察到的相互作用提供了一种手段，可评估所提出的治愈干预措施是降低有害的CNS活动还是增加神经炎症。这对于潜伏逆转、免疫调节和/或细胞靶向策略尤其重要，这些策略在CNS中的效应可能与外周血不同。
8. 领域优先事项
从当前文献中浮现出几个优先事项。首先，需要纵向多参数研究，随时间跟踪病毒持续性、炎症信号、神经元生物标志物和认知。其次，我们需要更清晰地理解区分活动性神经元损伤与历史性损伤的测量方法。第三，提高确定神经元功能障碍的哪些方面是暂时的和可逆的相对于永久性损伤的能力，将有助于确定适当的治疗方法。超越主要关注认知障碍诊断，转向更广泛的脑健康框架，可能提供对亚临床神经元脆弱性、弹性的更精细视角，并更好地考虑衰老和非病毒性合并症。这种方法似乎与当前证据更一致，并可能更好地与在PWH整个生命周期中保护脑功能的目标相一致。
9. 结论
HIV对大脑中的神经元健康产生持久且多方面的的影响，主要通过靶向突触、树突、轴突、代谢和神经网络的间接机制，而非通过广泛的产生性神经元感染。ART已显著减少严重的神经系统疾病，但并未消除损害许多PWH神经元完整性的遗留和持续过程。因此，最具信息量的当代模型是慢性、异质性且仅部分可逆的神经元应激，其可能由残留病毒转录、神经炎症、神经血管功能障碍和合并症塑造。
这种解释对临床和转化研究都有实际意义。保护神经元健康应被视为HIV感染治疗中的核心治疗结局，而不仅仅是认知的次要相关指标。此外，CNS知情的终点应更系统地整合到ART优化、辅助神经保护和HIV治愈策略的研究中。
