小膠質細胞對神經干細胞調控機制的研究進展

一、概述

（一）小膠質細胞

小膠質細胞是中樞神經系統(tǒng)（central nervous system，CNS）固有吞噬細胞，占CNS實質內膠質細胞總數的10﹪～15﹪[1-2]。胚胎時期，原始髓樣前體起源于卵黃囊中，隨著集落刺激因子-1（colony stimulating factor-1，CSF-1）的調節(jié)和胚胎發(fā)育成熟遷移至大腦之中。在穩(wěn)定狀態(tài)下，前體細胞在成人CNS中形成小膠質細胞[3-4]。根據小膠質細胞存在狀態(tài)不同，可以分為靜息、活化、吞噬和衰老小膠質細胞[5]。CNS生理狀態(tài)下，靜息態(tài)小膠質細胞在腦發(fā)育早期通過調控神經元凋亡和調節(jié)突觸功能，從而維持大腦環(huán)境穩(wěn)態(tài)。在病理因素刺激下，小膠質細胞通過釋放趨化因子或細胞因子對病原體產生細胞介導的免疫反應，小膠質細胞也可轉變?yōu)橥淌杉毎?，清除細胞碎屑和退化變性髓鞘[6]。CNS的小膠質細胞活化是異質性的，主要有M1和M2 兩種表型。M2型在免疫應答早期出現(xiàn)，持續(xù)時間短；M1型在免疫應答中晚期出現(xiàn)，此時M2型表達受到抑制，導致M1型在炎癥反應中占主導作用[7-8]。

（二）神經干細胞（neural stem cells，NSCs）

NSCs是神經元和膠質細胞的起源，主要存在于哺乳動物的大腦海馬齒狀回亞顆粒區(qū)（subgranular zone，SGZ）和室管膜下區(qū)（subventricular zone，SVZ）[9-10]。NSCs 可以調節(jié)和控制CNS的發(fā)育和人類日常行為活動，這種調節(jié)的失敗可能導致大腦畸形，學習和記憶受損，腫瘤的發(fā)展等。由于NSCs在大腦維護和修復中的重要作用，這些細胞已被研究用于治療神經退行性疾病、修復神經創(chuàng)傷和延緩衰老等[11]。單個NSCs受內在和外在信號的調節(jié)產生神經元、星形膠質細胞和少突膠質細胞等各種CNS 內的細胞[12-13]。其中最有效的外部調節(jié)因子是可溶性表皮生長因子（epidermal growth factor，EGF）和成纖維細胞生長因子（fibroblast growth factor，F(xiàn)GF），它們都對NSCs的增殖和自我更新能力有支持作用。當缺乏EGF和FGF時，NSCs 將自發(fā)分化為神經元、星形膠質細胞和少突膠質細胞的混合物。NSCs 不僅僅受可溶性因子的調控，Notch信號通路通過轉錄激活靶基因Hes1和Hes5 也可以調控NSCs[14-15]。

二、小膠質細胞對NSCs的調控機制

NSCs的增殖、分化和遷移受多種信號傳導分子及可溶性因子的調控，包括生長轉化因子-β（transfoeming growth factor-β，TGF-β）、腫瘤壞死因子-α（tumour necrosis factor-α，TNF-α）、EGF和肌腱蛋白-R（tenascin-R，TN-R）等，例如經TN-R 激活的小膠質細胞能顯著促進NSCs的增殖[33]。同時NSCs的調控也與多種通道的表達有關系，如過氧化物酶體增殖物激活受體（peroxisome proliferator-activated receptor，PPARγ）通路等。在SVZ 中的小膠質細胞相對于其他腦區(qū)表現(xiàn)出一定程度的活化水平，并且可以釋放上述可溶性因子和神經營養(yǎng)因子，這一現(xiàn)象表明NSCs 受小膠質細胞的調控[16-17]。但正如前述，小膠質細胞有不同的極化表型，根據不同的刺激和培養(yǎng)條件，小膠質細胞對NSCs的調控會有所不同，M1型可分泌促進炎癥發(fā)生的細胞因子如白介素-6（interleukin-6，IL-6）、CC 亞族趨化因子配體2（C-C chemokines ligand，CCL2）等，M2型可釋放神經營養(yǎng)因子，兩者對于NSCs的增殖分化遷移有著不同的作用，活化的小膠質細胞對NSCs的調控已在研究中得到證實。

（一）M1型小膠質細胞對NSCs的調控機制

目前已有研究表明，M1型小膠質細胞具有促進炎癥的作用。在體外培養(yǎng)時，經脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）介導的小膠質細胞可以極化為M1型小膠質細胞[18]。

1.誘導NSCs向星形膠質細胞分化：有研究將小膠質細胞與NSCs 共同培養(yǎng)于24 孔的細胞培養(yǎng)板上，發(fā)現(xiàn)小膠質細胞可以促進NSCs向星形膠質細胞分化，但是該研究結果僅僅表明小膠質細胞有促進NSCs向星形膠質細胞分化的能力，具體是M1表型還是M2表型的作用未闡述明確[19]。Osman 等[20]通過對脂多糖培養(yǎng)基（lipopolysaccharide-culture medium，LPS-CM）和IL-4-CM 小膠質細胞進行對比，發(fā)現(xiàn)LPS誘導的培養(yǎng)基中的膠質纖維酸性蛋白（glial fibrillary acidic protein，GFAP）陽性細胞數量要多于經IL-4誘導后的培養(yǎng)基中的細胞數量。這一研究結果證實了M1型小膠質細胞主要誘導NSCs向星形膠質細胞分化。

M1型小膠質細胞具體調控NSCs分化的機制有以下3點：（1）骨形成蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）被認為是星形膠質細胞發(fā)生的啟動子，而促炎型小膠質細胞可以增加BMP-2和BMP-4的水平[21]。BMP 可以通過Smad信號通路促進NSCs向星形膠質細胞的分化，同時抑制向少突膠質細胞的分化[22-23]；（2）M1型小膠質細胞可以通過“DeDelta-Notch-RBP-J-Hes1/Hes5-Mash1”通路來促進NSCs向星形膠質細胞的分化[15,24]。Hes1 由NSCs或神經前體細胞表達，并維持這些細胞的未分化和增殖狀態(tài)[25]。而M1型小膠質細胞可以抑制該通路，進而下調該通路的靶基因Hes1和Hes 5，從而使NSCs向星形膠質細胞分化；（3）M1型小膠質細胞可以抑制神經限制性沉默因子（neuron-restrictive silencing factor，NRSF），NRSF是一種轉錄調控因子，通過與特定的DNA 序列（repressor element-1/neuron-restrictive silencing element，RE-1/NRSE）結合，抑制神經前體細胞的一系列神經元分化基因，當NRSF被M1型小膠質細胞抑制后，NSCs分化抑制被解除，趨于向星形膠質細胞分化[26]。

2.促進NSCs遷移：一項研究將小膠質細胞和NSCs加樣于生物相容性材料三維石墨烯支架上，發(fā)現(xiàn)三維石墨烯架可以通過輕微的炎癥反應激活小膠質細胞，研究結果發(fā)現(xiàn)第10小時三維石墨烯培養(yǎng)基內的NSCs遷移距離比聚苯乙烯組織培養(yǎng)基和二維石墨烯培養(yǎng)基內的遷移距離大約遠250 mm，該研究說明小膠質細胞有促進NSCs遷移的作用[27]。

在腦損傷或者大腦的微環(huán)境受到刺激的情況下，損傷區(qū)周圍的M1型小膠質細胞主要分泌基質細胞衍生因子-1（stromal cell-derived factor-1，SDF-1）、CCL-2和IL-6 等，趨化因子SDF-1的受體是趨化因子受體4（C-X-C chemokine receptor4，CXCR4），SDF-1和多個神經細胞黏附分子在受損腦內移植物神經干/祖細胞的遷移分化及神經網絡重建中發(fā)揮作用[28]。通過對小膠質細胞標記發(fā)現(xiàn)，由M1型小膠質細胞促進分化的星形膠質細胞可以表達CXCR4、CXCR7和這些信號受體的配體趨化因子配體12（chemokine C-X-Cmotif ligand 12，CXCL12），正是由于這些受體和配體的存在，引發(fā)了NSCs的歸巢作用，促進了NSCs向炎癥發(fā)生區(qū)域的遷移[29-30]。而另一項研究從反面印證了M1型小膠質細胞可以促進NSCs的遷移，在體外趨化實驗中加入CXCL12的拮抗劑AMD3100，發(fā)現(xiàn)AMD3100的存在使綠色熒光蛋白標記的NSCs遷移減少了75﹪[31]。

綜上研究，可以說明M1型小膠質細胞主要通過炎癥因子及其配體來促進NSCs的遷移。M1型小膠質細胞本身具有促進NSCs向星形膠質細胞分化的能力。當出現(xiàn)腦損傷時，星形膠質細胞通過SDF-1/CCL-2/IL-6的受體CXCR4/CCLR-2/IL-6R激活CXCL12引發(fā)NSCs的歸巢作用，促使NSCs向損傷部位的遷移。

3.抑制NSCs增殖：有一項研究采用了5-溴脫氧尿嘧啶核苷（5-Bromo-2-deoxyUridine，Brd U）法研究小膠質細胞條件培養(yǎng)基對NSCs增殖的影響。在對照條件下（未經處理的NSCs 暴露于Brd U 6 h），NSCs的平均增殖率為36﹪。在M1條件培養(yǎng)基上，NSCs的增殖率下降了50﹪以上，此項研究發(fā)現(xiàn)M1型小膠質細胞對NSCs的增殖產生抑制作用[18]。如前所述，Hes1 可維持NSCs的未分化和增殖狀態(tài)。M1型小膠質細胞通過“DeDelta-Notch-RBP-J-Hes1/Hes5-Mash1”通路抑制Hes1的表達，從而抑制NSCs的增殖[25]。由于M1型小膠質細胞主要誘導NSCs分化為星型膠質細胞，星型膠質細胞分泌的可溶性調節(jié)因子會抑制NSCs的增殖[32]。

（二）M2型小膠質細胞對NSCs的調控機制

M2型小膠質細胞有抗炎作用。在體外培養(yǎng)時，經IL-4介導的小膠質細胞可以極化為M2型小膠質細胞。

1.誘導NSCs向神經元和少突膠質細胞分化：M2型小膠質細胞可以通過釋放腦源性神經營養(yǎng)因子（brain derived neurotrophic factor，BDNF）和TGF-β誘導NSCs向神經元和少突膠質細胞的分化[33]。Yuan 等[34]研究表明PPARγ通路可以促進NSCs向神經元和少突膠質細胞分化。該研究表明M2型小膠質細胞上清液中15 脫氧前列腺素J2（15-Deoxy-Δ12,14-prostaglandin J2,15d-PGJ2）含量增加，而15d-PGJ2是PPARγ的內源性配體，已有報道15d-PGJ2 可以通過PPARγ通路促進NSCs的增殖，當PPARγ被抑制后，NSCs趨于向星形膠質細胞的分化，限制其向神經元和少突膠質細胞的分化[35]。因此，M2 小膠質細胞可以通過15d-PGJ2 激活PPARγ通路，從而使NSCs向神經元和少突膠質細胞分化。

目前最新的研究發(fā)現(xiàn)，M2型小膠質細胞可以分泌細胞外因子7a（wingless/integrated 7a，Wnt7a），通過Wnt β-連環(huán)蛋白（wingless/integrated β-catenin）通路促進NSCs向神經元和少突膠質細胞方向定向分化[36]。

綜上，M2型小膠質細胞促進NSCs向神經元和少突膠質細胞分化主要通過2個通路（PPARγ和Wnt β-連環(huán)蛋白通路）和3種因子（BDNF、TGF-β和Wnt7a）來發(fā)揮作用。

2.促進NSCs遷移：在體外培養(yǎng)條件下，不論是LPS誘導極化為M1型，還是IL-4誘導極化為M2型，對NSCs的遷移潛能評估結果是，任何微膠質條件的培養(yǎng)基均增加了NSCs的遷移活性[18]。而有研究發(fā)現(xiàn)，IL-4-CM 中的NSCs遷移距離要大于LPS-CM，即M2型促進NSCs遷移的能力要高于M1型[20]。有研究認為，小膠質細胞在促進NSCs的遷移過程中，發(fā)揮主要作用的是TNF-α，但是具體作用機制有待進一步研究[37]。

3.促進NSCs增殖：當小膠質細胞在體外培養(yǎng)條件下時，在IL-10/IL-13的刺激下，M2 極化的原代小膠質細胞條件培養(yǎng)基對NSCs的增殖具有支持作用[32]。有報道表明，TGF-α可以明顯放大SVZ的NSCs增殖反應[38]。在一項關于中風的研究發(fā)現(xiàn)TGF-α 含量在M2型小膠質細胞條件培養(yǎng)基中顯著增加，表明TGF-α是M2培養(yǎng)基中的一個主要的細胞因子，在缺血性腦卒中時，它促進了NSCs的增殖[39]。而另一項研究則是從未受傷的大腦中分離出NSCs，之后暴露于含有受損大腦小膠質細胞的條件中時，可以促進NSCs的增殖。同時該實驗也表明，在腦損傷的情況下，小膠質細胞通過分泌EGF和bFGF 等引起神經球大小和數量的增加[40]（圖1）。

三、小膠質細胞對NSCs調控的應用前景

由于小膠質細胞對NSCs的調控作用，為臨床治療某些疾病提供了理論基礎與新的思路，細胞移植治療某些疾病的研究也相繼在基礎實驗與臨床研究中展開。一些實驗評價了外源性NSCs 移植對缺血性腦卒中的治療效果和安全性。他們的結果表明，外源性NSCs 能顯著改善缺血模型的預后，不僅功能預后得到改善，而且組織梗死體積明顯減少，無明顯的安全性問題[41-42]。鑒于M1型小膠質細胞對于NSCs調控的負性作用，去除M1型小膠質細胞協(xié)同NSCs治療缺血性腦卒中也許會帶來更佳的治療效果，這值得進一步探討研究。此外，有研究將核受體相關因子-1（nuclear receptorrelated factor 1，Nurr1）過表達的NSCs和小膠質細胞移植入帕金森大鼠的紋狀體內，其結果顯示它可以促進NSCs向多巴胺能神經元分化，改善大腦微環(huán)境，并且大鼠的行為異常得到明顯改善[43]。這為治療帕金森病提供了新的策略。

在臨床研究方面，Elena 等[44]將自體M2型小膠質細胞進行鞘內注射來治療重癥腦癱患兒，其觀察結果表明以M2型小膠質細胞為基礎的細胞治療是安全的，不會引起任何嚴重的細胞相關反應或長期的副作用，且腦癱患兒的神經功能得到明顯改善。另一項研究通過經鼻給予M2 巨噬細胞來源的可溶性產物來治療腦血管病，該研究納入30例患者，經過28～30 d的治療且隨訪6個月后發(fā)現(xiàn)此項治療方案不僅是安全的，還可以改善患者的神經心理缺陷[45]。

由于倫理、療效和安全性等問題，相對于動物實驗，臨床試驗目前還未較大規(guī)模開展，相關細胞移植治療要達到臨床應用階段還有很長的路要走。隨著研究的不斷深入，通過細胞方式進行神經修復等治療方式終將為患者帶來福祉。

四、總結與展望

綜上所述，在對NSCs的遷移調控中，M1型和M2型小膠質細胞都可以促進NSCs的遷移。在NSCs的增殖方面，M1型小膠質細胞具有抑制NSCs增殖而M2型小膠質細胞則具有促進NSCs增殖的作用。在NSCs的分化調控上，M1型小膠質細胞可以促進NSCs分化為具有支持和分隔神經細胞作用的星形膠質細胞，M2型小膠質細胞則可以促進NSCs分化為CNS 中的成髓膠質細胞-少突膠質細胞。目前小膠質細胞對NSCs的調控機制仍尚未闡述清楚。已有的研究結果為新的研究指明了方向，越來越多的調控機制被發(fā)現(xiàn)，若能進一步明確具體的機制，這對將來治療CNS 疾病會有很大的幫助。