阿爾茨海默病與神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞研究進(jìn)展

曹敏 劉靜 王培昌

阿爾茨海默病(Alzheimer disease，AD)是一種常見(jiàn)的神經(jīng)退行性疾病，主要發(fā)生于老年人群，是老年癡呆最常見(jiàn)的一種類型，其主要臨床表現(xiàn)為認(rèn)知功能障礙，如記憶力減退、失語(yǔ)、失認(rèn)、視空間功能障礙等[1]。AD的主要病理特征是腦組織神經(jīng)元細(xì)胞外β-淀粉樣蛋白(β-amyloid peptide，Aβ)聚集形成神經(jīng)炎性斑(老年斑)和腦組織神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)高度磷酸化的tau蛋白聚集導(dǎo)致神經(jīng)原纖維纏結(jié)形成[2-4]。隨人口老齡化進(jìn)程的加劇，AD的發(fā)病率也呈逐年上升趨勢(shì)，據(jù)統(tǒng)計(jì)目前有570萬(wàn)美國(guó)人患有AD，預(yù)測(cè)截至21世紀(jì)中葉美國(guó)這一數(shù)字將增長(zhǎng)到1380萬(wàn)[5]。目前，尚無(wú)有效逆轉(zhuǎn)或者終止AD進(jìn)展的藥物。近年來(lái)越來(lái)越多研究開(kāi)始關(guān)注腦白質(zhì)神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞在AD發(fā)病中的作用。神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞主要包括星形膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞、室管膜細(xì)胞、施萬(wàn)細(xì)胞、衛(wèi)星膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞和NG2細(xì)胞等，其主要功能包括：參與免疫應(yīng)答；支持、營(yíng)養(yǎng)及保護(hù)神經(jīng)元；調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)、影響突觸功能及保護(hù)血-腦屏障[6]?，F(xiàn)就星形膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞與AD發(fā)病關(guān)系的研究進(jìn)行綜述。

1 星形膠質(zhì)細(xì)胞與AD

星形膠質(zhì)細(xì)胞主要功能是調(diào)節(jié)細(xì)胞外離子和神經(jīng)遞質(zhì)，調(diào)節(jié)突觸活動(dòng)和維持谷氨酸穩(wěn)態(tài)，以及保持血-腦屏障的完整性[7]。在病理情況下，星形膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)生一系列形態(tài)和功能改變，統(tǒng)稱反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞，在反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞中，標(biāo)志性的細(xì)胞骨架蛋白——膠質(zhì)纖維酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein，GFAP)和一種Ca2+結(jié)合蛋白(S100 calcium-binding protein B，S100B)的表達(dá)增加。反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞主要分為兩種，具有毒性作用的A1型和具有保護(hù)作用的A2型。有研究發(fā)現(xiàn)，活化的小膠質(zhì)細(xì)胞通過(guò)分泌白細(xì)胞介素1α(IL-1α)、腫瘤壞死因子(TNF)和C1q共同誘導(dǎo)星形膠質(zhì)細(xì)胞變?yōu)锳1型，體外實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)拮抗IL-1α、TNF和C1q時(shí)，A1型星形膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá)無(wú)明顯減少，而應(yīng)用轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子(transforming growth factor β，TGFβ)時(shí)，反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄水平明顯下降；當(dāng)A1型星形膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量生成增多，其吞噬髓鞘碎片的功能下降，并誘導(dǎo)突觸生成的數(shù)量減少，同時(shí)A1型星形膠質(zhì)細(xì)胞分泌一種可溶性毒素，導(dǎo)致神經(jīng)元和成熟的少突膠質(zhì)細(xì)胞死亡，并可減弱少突膠質(zhì)細(xì)胞祖細(xì)胞(oligodendrocyte progenitor cells，OPCs)的分化能力[8]。A1型星形膠質(zhì)細(xì)胞在AD中大量存在。最近研究發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細(xì)胞參與Aβ的產(chǎn)生與降解，反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞可表達(dá)多種參與Aβ降解的蛋白酶，如腦啡肽酶、內(nèi)皮素轉(zhuǎn)換酶、胰島素降解酶和基質(zhì)金屬蛋白酶[9]。這些酶作用于Aβ的一個(gè)位點(diǎn)或多個(gè)位點(diǎn)，促進(jìn)Aβ的降解。反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞不僅參與Aβ的降解，還參與Aβ的生成[10]。反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞中β-淀粉樣前體蛋白(β-amyloid precursor protein，APP)、β分泌酶、γ分泌酶水平升高，導(dǎo)致Aβ分泌增多，最終導(dǎo)致腦內(nèi)Aβ含量升高。盡管目前AD的主流學(xué)說(shuō)為腦內(nèi)Aβ沉積，診斷AD的主要標(biāo)志物為Aβ42，但近年來(lái)星形膠質(zhì)細(xì)胞作為AD的潛在標(biāo)志物越來(lái)越受到關(guān)注。星形膠質(zhì)細(xì)胞的生物標(biāo)志物有：GFAP、S100B和B型單胺氧化酶(monoamino oxidase B，MAO-B)等。研究發(fā)現(xiàn)，認(rèn)知正常老年人血清S100B水平與認(rèn)知能力呈正相關(guān)，血管性癡呆(vascular dementia，VaD)和遲發(fā)性AD(late-onset AD，LOAD；發(fā)病年齡≥65歲)患者血清GFAP和S100B水平升高，而早發(fā)性AD(early-onset AD，EOAD；發(fā)病年齡<65歲)患者與認(rèn)知正常對(duì)照相比GFAP、S100B水平比較無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異；VaD和LOAD患者發(fā)病年齡較認(rèn)知正常對(duì)照組大10歲，提示GFAP、S100B的增加可能與年齡有關(guān)[11]。利用PET技術(shù)也可檢測(cè)星形膠質(zhì)細(xì)胞功能，目前星形膠質(zhì)細(xì)胞的PET示蹤劑有：[11C]-deuterium-L-deprenyl ([11C]DED)和[11C]BU99008。[11C]DED示蹤劑與MAO-B結(jié)合，在轉(zhuǎn)基因小鼠中，Aβ沉積的早期階段，MAO-B的表達(dá)增加，而在Aβ沉積后期，MAO-B未明顯升高[12]。[11C]BU99008與星形膠質(zhì)細(xì)胞線粒體膜上2型咪唑啉結(jié)合位點(diǎn)(imidazoline2 binding sites，I2BSs)結(jié)合，AD患者的尸檢結(jié)果發(fā)現(xiàn)I2BSs含量增加[13]。目前星形膠質(zhì)細(xì)胞的生物標(biāo)志物尚未應(yīng)用于AD的診斷中，可能由于與其他疾病有重疊性或者特異性低，但通過(guò)對(duì)星形膠質(zhì)細(xì)胞生物標(biāo)志物的研究，將更好地用于AD的早期診斷。

2 小膠質(zhì)細(xì)胞與AD

小膠質(zhì)細(xì)胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)( central nervous system，CNS )的主要免疫細(xì)胞，對(duì)CNS的損傷與修復(fù)發(fā)揮重要作用，并能夠感知神經(jīng)元活動(dòng)、調(diào)節(jié)突觸可塑性、影響認(rèn)知功能[14]。小膠質(zhì)細(xì)胞釋放的細(xì)胞因子，既包括抗炎因子如IL-10和TGF-β，也包括促炎因子TNF-α，IL-1β，IL-6，IL-12和IL-18[15]。AD模型鼠腦組織中IL-10過(guò)表達(dá)，會(huì)增加Aβ斑塊中載脂蛋白E(Apo lipoprotein E，APOE)RNA水平并且導(dǎo)致認(rèn)知障礙[16]。在AD小鼠模型中，過(guò)表達(dá)IL-6或IFN-γ發(fā)現(xiàn)，小膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)Aβ的吞噬作用增加，TNF-α和其他炎性反應(yīng)介質(zhì)的釋放增加[17-18]。在三轉(zhuǎn)基因3xTg-AD小鼠中腫瘤壞死因子受體(tumor necrosis factor receptor，TNFR)缺乏與Aβ沉積增加和tau磷酸化增強(qiáng)有關(guān)[19]。此外，來(lái)自TNFR缺陷的3xTg-AD小鼠的小膠質(zhì)細(xì)胞顯示出吞噬作用減弱，表明TNF-α在促進(jìn)清除機(jī)制中的保護(hù)作用。但I(xiàn)L-1β對(duì)Aβ的清除會(huì)產(chǎn)生不利影響，當(dāng)Aβ聚集時(shí)，小膠質(zhì)細(xì)胞被激活形成凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD，ASC)，ASC激活半胱天冬酶-1(caspase-1)進(jìn)一步激活I(lǐng)L-1β，在APP/PS1轉(zhuǎn)基因小鼠中caspase-1缺陷時(shí)，減少了IL-1β的形成，可增強(qiáng)小膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)Aβ的清除[20]。小膠質(zhì)細(xì)胞的激活對(duì)AD發(fā)展的其他不利因素包括：導(dǎo)致Aβ聚集、突觸丟失和神經(jīng)元損傷。Hong等[21]研究證明，采用寡聚Aβ刺激小膠質(zhì)細(xì)胞時(shí)會(huì)引起早期突觸損失，進(jìn)一步在APP / PS1小鼠中阻斷補(bǔ)體C3、C1q或CR3可減少早期突觸損失[21]。另外，C3缺乏或阻斷C5a可在未增加Aβ產(chǎn)生的情況下提高Aβ水平[22-23]。小膠質(zhì)細(xì)胞合成的大量清道夫受體已被證明可與Aβ相互作用，包括CD36、A1類清道夫受體(scavenger receptor class 1，Scara1)和晚期糖基化終產(chǎn)物受體(the receptor of advanced glycation endproducts，RAGe)。同時(shí)實(shí)驗(yàn)證明在AD模型鼠的腦組織中減少Scara1的表達(dá)可導(dǎo)致腦內(nèi)Aβ沉積增加[24]。小膠質(zhì)細(xì)胞在AD中的不同作用可能與小膠質(zhì)細(xì)胞狀態(tài)有關(guān)。Aβ刺激小膠質(zhì)細(xì)胞，從靜息狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧せ顟B(tài)，急性激活的小膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá)細(xì)胞因子，增強(qiáng)Aβ的吞噬，攝取和清除，但是長(zhǎng)期刺激會(huì)導(dǎo)致小膠質(zhì)細(xì)胞增殖，從急性免疫反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槁匝装Y狀態(tài)，最終加快AD的進(jìn)展。2型髓樣細(xì)胞觸發(fā)受體(triggering receptor expressed on myeloid cells 2，TREM2)基因突變與LOAD的發(fā)生有關(guān)，研究認(rèn)為T(mén)REM2基因具有增強(qiáng)小膠質(zhì)細(xì)胞吞噬凋亡細(xì)胞碎片和Aβ的作用[25]。TREM2經(jīng)過(guò)蛋白酶水解后形成可溶性TREM2(soluble TREM2，sTREM2)在腦脊液中大量存在，研究人員向AD模型鼠海馬中注射sTREM2，發(fā)現(xiàn)sTREM2促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞增殖和遷移且增強(qiáng)對(duì)Aβ的清除能力，sTREM2通過(guò)調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細(xì)胞進(jìn)而影響大腦內(nèi)Aβ含量，可作為AD免疫治療的一種新線索[26]。因此明確小膠質(zhì)細(xì)胞與AD發(fā)病的關(guān)系對(duì)確定免疫治療的最終療效具有重要意義。

3 少突膠質(zhì)細(xì)胞與AD

少突膠質(zhì)細(xì)胞在CNS中起關(guān)鍵作用。它們與神經(jīng)元緊密聯(lián)系，能夠產(chǎn)生髓鞘，進(jìn)而包裹軸突，保護(hù)軸突結(jié)構(gòu)完整，促進(jìn)電信號(hào)沿軸突傳播，降低電容，從而提高動(dòng)作電位的速度和效率[27]。轉(zhuǎn)錄因子Olig2是少突膠質(zhì)細(xì)胞分化的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，Olig2啟動(dòng)OPC分化同時(shí)抑制GFAP的表達(dá)。研究表明，應(yīng)用組蛋白去乙?；?(histone deacetylases 3，HDAC3)抑制劑強(qiáng)烈抑制Olig2的表達(dá)，可使OPCs分化為星形膠質(zhì)細(xì)胞，從而導(dǎo)致少突膠質(zhì)細(xì)胞減少，進(jìn)而導(dǎo)致髓鞘缺失[28]。當(dāng)AD患者腦白質(zhì)發(fā)生變化，少突膠質(zhì)細(xì)胞也將受到影響。AD患者腦組織尸檢結(jié)果顯示，在白質(zhì)組織中未成熟的少突膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量減少[29]。AD海馬旁白質(zhì)中少突膠質(zhì)細(xì)胞核的直徑縮短，而神經(jīng)元細(xì)胞核的平均直徑不受影響[30]。針對(duì)AD小鼠模型的研究揭示了白質(zhì)中少突膠質(zhì)細(xì)胞的功能變化：與野生型(Wild-type，WT)小鼠相比，在早老素1敲除小鼠中，少突膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)谷氨酸和Aβ更敏感；在6～8月齡APP/PS1轉(zhuǎn)基因小鼠中，OPCs的數(shù)量較WT小鼠增多[31]。AD腦白質(zhì)的變化還包括髓鞘丟失和脫髓鞘，當(dāng)脫髓鞘發(fā)生時(shí)，小膠質(zhì)細(xì)胞吞噬髓鞘碎片，分泌IGF-1、TNFα、IL-1β、成纖維細(xì)胞因子-2等促進(jìn)OPCs分化與增殖[32]；但隨著年齡增加，TGFβ增加，衰老的小膠質(zhì)細(xì)胞外基質(zhì)通過(guò)BMP信號(hào)通路，阻止OPCs向少突膠質(zhì)細(xì)胞的分化，進(jìn)而影響髓鞘再生，髓鞘損傷后，神經(jīng)元更容易受到氧化應(yīng)激及Aβ毒性的影響[33]。對(duì)于AD的全基因組關(guān)聯(lián)分析已經(jīng)確定橋接整合因子-1(bridging integrator-1，BIN1)是LOAD的第2個(gè)最顯著的易感基因位點(diǎn)，BIN1定位于嚙齒動(dòng)物和人腦中的白質(zhì)束，并且大部分BIN1在成熟的少突膠質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)，在人腦白質(zhì)中高度富集。同時(shí)有實(shí)驗(yàn)表明BIN1的表達(dá)隨著出生后髓鞘形成和少突膠質(zhì)細(xì)胞分化而上調(diào)。有實(shí)驗(yàn)表明缺乏BIN1基因的果蠅可能通過(guò)增加Aβ或者tau蛋白的產(chǎn)生，增加AD發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)[34]。了解成熟的少突膠質(zhì)細(xì)胞中BIN1的功能及在髓鞘形成過(guò)程中BIN1的作用將有助于認(rèn)識(shí)BIN1的變異是如何增加AD發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)的。

4 展望

由于AD的發(fā)病機(jī)制尚不明確，臨床上并沒(méi)有針對(duì)AD病因治療的藥物，隨著對(duì)神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的研究深入，以神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞為導(dǎo)向的治療將得到進(jìn)一步的發(fā)展。例如減少少突膠質(zhì)細(xì)胞的死亡，保護(hù)髓鞘，促進(jìn)髓鞘再生；增強(qiáng)星形膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)Aβ的清除作用；減少炎性因子的釋放等。因此，對(duì)神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的研究，將會(huì)為AD患者的治療提供新思路。