小膠質(zhì)細胞在神經(jīng)炎癥與神經(jīng)退行性疾病關(guān)系中的作用

凌心，程媛，余配全，谷景雪*

(1. 徐州市腫瘤醫(yī)院藥劑科，江蘇 徐州；2. 徐州醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院，江蘇 徐州)

1 小膠質(zhì)細胞的起源和活化

小膠質(zhì)細胞(Microglia)是中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)中的常駐巨噬細胞，來源于胚胎卵黃囊中的祖細胞，是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的第一道也是最主要的免疫防線[1]。小膠質(zhì)細胞除了具備典型的免疫細胞作用外，還可以通過吞噬功能清除腦內(nèi)特有的物質(zhì)如鞘磷脂碎片和異常聚集的蛋白等，并提供營養(yǎng)來保護大腦，從而保持腦穩(wěn)態(tài)并支持組織修復(fù)[2]。干擾或破壞CNS內(nèi)穩(wěn)態(tài)可引發(fā)靜息的小膠質(zhì)細胞向活化表型的快速轉(zhuǎn)化[3]。小膠質(zhì)細胞的激活能夠被各種環(huán)境因素引發(fā)，這個過程關(guān)聯(lián)到形狀變化和細胞中的分子以及表面的抗原譜的上調(diào)[4]。另外，小膠質(zhì)細胞可以被病毒和細菌或疾病有關(guān)的蛋白(β-淀粉樣蛋白(Aβ)和α-突觸核蛋白)和死亡后的神經(jīng)元所釋放出的少部分可溶性的分子激活[5]。

活化的小膠質(zhì)細胞是神經(jīng)退行性疾病的典型病理生理特征[3]。大腦中主要存在兩種類型的小膠質(zhì)細胞：“靜息態(tài)”和“激活態(tài)”小膠質(zhì)細胞。文獻表明中樞神經(jīng)系統(tǒng)中小膠質(zhì)細胞的激活有高度異質(zhì)性，可將其分為兩種相反的激活表型：M1和M2型[3,6]。根據(jù)激活的表型，小膠質(zhì)細胞具備細胞毒性或神經(jīng)保護作用[6]。M1或“促炎”表型(經(jīng)典激活)使促炎癥細胞因子和一氧化氮增加，神經(jīng)營養(yǎng)因子減少，從而加劇炎癥和細胞毒性[3]。相比之下，M2或“抗炎”表型(選擇性激活)能夠增加抗炎細胞因子，神經(jīng)營養(yǎng)因子的表達以及其他一些參與炎癥反應(yīng)的信號分子的下調(diào)，從而表現(xiàn)出神經(jīng)保護或修復(fù)作用[3]。初步研究結(jié)果表明，激活的M1/M2功能狀態(tài)的表型轉(zhuǎn)化可以根據(jù)疾病的發(fā)展階段和嚴(yán)重程度來確定[7]。相關(guān)臨床前模型中證實，當(dāng)M2型小膠質(zhì)細胞炎癥的消退和修復(fù)過程減弱時，M1型小膠質(zhì)細胞就會在損傷部位、疾病晚期占優(yōu)勢[6]。

M1/M2模式是一個簡化的模型來解釋炎癥反應(yīng)的兩個極點，它類似于自然界的“陰陽”原則。人們廣泛研究M1和M2型巨噬細胞對炎癥誘導(dǎo)的人類疾病的不同影響。但是目前尚不清楚這兩種表型之間是否存在形態(tài)差異或是否可以共存。然而，這兩種表型能夠在不同的環(huán)境中相互轉(zhuǎn)化，這可能有助于神經(jīng)退行性疾病發(fā)病機制的研究。

2 小膠質(zhì)細胞與神經(jīng)炎癥

小膠質(zhì)細胞是腦炎癥和炎癥性神經(jīng)退行性疾病的關(guān)鍵細胞[9]。神經(jīng)炎癥的第一個癥狀是小膠質(zhì)細胞的激活。當(dāng)病原體、組織損傷、異常刺激、神經(jīng)毒素、感染或損傷出現(xiàn)時，小膠質(zhì)細胞被激活。在這種情況下，小膠質(zhì)細胞開始聚集，增殖，遷移，吞噬細胞，將抗原呈遞給T細胞，釋放各種氧化劑并激活各種基因和蛋白質(zhì)，包括促炎細胞因子，如白介素1β(IL-1β)、腫瘤壞死因子α(TNF-α)、COX-1、COX-2、活性氧(ROS)以及可能引起神經(jīng)元功能障礙和細胞死亡的神經(jīng)毒性化合物[10]。

圖1 M1/M2型小膠質(zhì)細胞[8]

2.1 神經(jīng)炎癥的發(fā)生與發(fā)展

炎癥反應(yīng)是由于機體的免疫細胞激活炎癥級聯(lián)來防止組織損傷或抗原的浸潤而引起的[11]。炎癥反應(yīng)可以在機體各組織和器官部位發(fā)生。炎癥反應(yīng)是成功抵抗疾病和在損傷后重建體內(nèi)平衡的基礎(chǔ)，而急性炎癥能夠轉(zhuǎn)變成慢性炎癥，當(dāng)炎癥途徑被錯誤地調(diào)節(jié)時，病情會惡化[12]。雖然大腦中的炎癥可能會對受傷后的恢復(fù)過程產(chǎn)生負(fù)面影響，但炎癥部分作用似乎是有益且必不可少的。了解炎癥有時具有保護作用、有時具有破壞性行為的原因?qū)τ诖竽X相關(guān)損傷的研究至關(guān)重要。而通常所說的“神經(jīng)炎癥”是指中樞神經(jīng)系統(tǒng)中繼發(fā)于神經(jīng)元損傷的炎癥反應(yīng)。

神經(jīng)炎癥被定義為大腦或脊髓內(nèi)的炎癥反應(yīng)。在CNS損傷后，白細胞可流入損傷的部位并激活CNS中的內(nèi)源性小膠質(zhì)細胞，這些現(xiàn)象統(tǒng)一被稱為神經(jīng)炎癥。這種炎癥是由細胞因子、趨化因子、活性氧和次級信使的產(chǎn)生介導(dǎo)的。神經(jīng)炎癥涉及一個動態(tài)的多階段生理反應(yīng)，伴有一系列復(fù)雜的促炎因子級聯(lián)，這些促炎因子修飾了中樞神經(jīng)微環(huán)境[11]。此外，神經(jīng)炎癥的程度取決于主要刺激或損傷的環(huán)境、持續(xù)時間和過程。例如，炎癥可導(dǎo)致免疫細胞的聚集、水腫、組織損傷和潛在的細胞死亡。且文獻表明神經(jīng)炎癥可以損傷以及破壞相關(guān)的軸突和髓鞘部分，從而導(dǎo)致CNS中神經(jīng)元以及少突膠質(zhì)細胞的喪失[13]，這種不利的影響極易引發(fā)多種相關(guān)神經(jīng)疾病，如：AD、PD、MS等。

2.2 小膠質(zhì)細胞與神經(jīng)炎癥的關(guān)系

小膠質(zhì)細胞是任何神經(jīng)炎癥討論的焦點。這是因為這些先天免疫細胞執(zhí)行主要的免疫監(jiān)視和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的巨噬細胞樣活動，包含細胞因子和趨化因子的產(chǎn)生。事實上，許多先天免疫能力的中樞神經(jīng)系統(tǒng)是由小神經(jīng)膠質(zhì)介導(dǎo)的。正常情況下，小膠質(zhì)細胞表達一組基因，這些基因使它們能夠感知和篩選周圍的炎癥信號，促進神經(jīng)元存活，促進活動依賴的突觸重塑，吞噬受損細胞[14]。此外，活躍的小膠質(zhì)細胞也會進行細胞骨架重組，改變細胞表面受體表達的模式。小膠質(zhì)細胞可以殺滅入侵的病原體，去除受損神經(jīng)元釋放的毒性物質(zhì)[15]，從而控制大腦內(nèi)部發(fā)生的感染和損傷的擴散。然而過度激活的炎癥細胞極具有破壞力，對神經(jīng)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的危害和損傷[6]。

在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，源自先天和后天免疫系統(tǒng)以及神經(jīng)膠質(zhì)細胞(特別是小膠質(zhì)細胞)的炎癥效應(yīng)因子可作為干擾腦組織動態(tài)平衡的傳感器，并在神經(jīng)元細胞損傷或異物進入大腦后局部積累。根據(jù)外部發(fā)生的刺激或是活化因子的種類以及持續(xù)時間的長短，小膠質(zhì)細胞發(fā)生的激活可能是急性也有可能是慢性的[16]，小膠質(zhì)細胞的急性活化在CNS中常常起著神經(jīng)保護的作用，然而慢性活化常被認(rèn)為是相關(guān)神經(jīng)退行性疾病的一種潛在的機制。小膠質(zhì)細胞的差異激活是調(diào)節(jié)神經(jīng)炎癥的中心點[17]。由于活化的小膠質(zhì)細胞還可以產(chǎn)生抗炎介質(zhì)和神經(jīng)營養(yǎng)因子，如胰島素樣生長因子-1，神經(jīng)膠質(zhì)細胞源性神經(jīng)營養(yǎng)因子，腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子等，因此必須進行更多的研究才能從小膠質(zhì)細胞的多功能性中獲益?？傊∧z質(zhì)細胞活化和細胞因子表達的增加是為了保護中樞神經(jīng)系統(tǒng)，使宿主受益。盡管如此，慢性小膠質(zhì)細胞激活可能導(dǎo)致強大的病理變化和神經(jīng)行為并發(fā)癥[18]。

3 小膠質(zhì)細胞在神經(jīng)退行性疾病發(fā)生發(fā)展中的作用

神經(jīng)退行性病變是指大腦和脊髓中神經(jīng)元的慢性和進行性喪失。具體地說AD是β淀粉樣蛋白(Aβ)的沉積和tau蛋白胞內(nèi)異常積累形成的神經(jīng)原纖維纏結(jié)(NFTs)導(dǎo)致的記憶喪失和認(rèn)知減退[19]，而PD的特點是中腦黑質(zhì)致密部多巴胺神經(jīng)元的選擇性死亡[19]。肌萎縮性側(cè)索硬化癥(ALS)是由運動神經(jīng)元的退化引起的[20]。

眾所周知，小膠質(zhì)細胞在這些疾病中被激活，并表達大量的免疫介質(zhì)，比如IL-1β，TNF-α，ROS和NO，這一點已經(jīng)得到了很好的證明[8,21]。在基礎(chǔ)水平上，這些免疫介質(zhì)可以作為清道夫來處理神經(jīng)元的正常更替，并幫助清除壞死神經(jīng)元的碎片，但在神經(jīng)退行性疾病中，慢性激活的小膠質(zhì)細胞可能會釋放過多的這些細胞毒性因子，從而加劇病情的發(fā)展。例如，在AD中，未被小膠質(zhì)細胞有效清除的Aβ沉積可以觸發(fā)小膠質(zhì)細胞分泌促炎癥細胞因子，進一步損害神經(jīng)元。因此，小膠質(zhì)細胞的慢性激活已成為治療神經(jīng)退行性疾病和藥物開發(fā)的一個主要焦點[21]。

3.1 小膠質(zhì)細胞與AD

大多數(shù)神經(jīng)退行性疾病影響著老年人口，由于醫(yī)學(xué)的進步延長了壽命，老年人口正以指數(shù)級的速度增長，例如，AD預(yù)計在未來幾十年僅在美國就會影響1380萬65歲以上的老年人[22]。AD的兩個主要特點，沉積的Aβ在皮膚表面形成老年斑和神經(jīng)纖維纏結(jié)(Tau的高磷酸化聚集物)的積累形成，這些病理變化直接或間接地導(dǎo)致突觸功能喪失、線粒體損傷、小膠質(zhì)細胞活化和神經(jīng)元細胞死亡[23]。在AD患者和動物模型中，小膠質(zhì)細胞聚集在老年斑的四周，其密度是正常薄壁組織的2-5倍。它們控制細胞內(nèi)Aβ，表現(xiàn)出促炎性形態(tài)變化，例如體細胞腫脹，并伴有促炎性標(biāo)志物的增加，包括主要的組織相容性復(fù)合物II，CD36，IL-1，IL-6等[21]。

值得注意的是，膠質(zhì)細胞-Aβ相互作用會導(dǎo)致早期突觸喪失、神經(jīng)毒性活性氧和氮物質(zhì)(ROS和RNS)產(chǎn)生、NLRP3炎性小體的活化以及促炎性細胞因子的產(chǎn)生。在多種因素長期作用下，Aβ大量沉積于細胞外形成老年斑，刺激小膠質(zhì)細胞活化與增殖，大量的炎性細胞因子被分泌釋放，常常引發(fā)局部或普遍CNS的相關(guān)損傷，最終導(dǎo)致神經(jīng)毒性的產(chǎn)生引起相關(guān)神經(jīng)元退行性病變[24]?；谶@些發(fā)現(xiàn)，小膠質(zhì)細胞與Aβ的相互作用是一把雙刃劍。即在疾病進展期間的某個時間點，小膠質(zhì)細胞起著有用的作用，然后發(fā)展為功能異常的細胞。在監(jiān)視大腦環(huán)境時，小膠質(zhì)細胞對Aβ肽的感應(yīng)會導(dǎo)致Aβ及傷害性物質(zhì)的清除。然而，Aβ的持續(xù)產(chǎn)生及其與小膠質(zhì)細胞的長期相互作用進一步推動了淀粉樣蛋白的沉積，最終導(dǎo)致疾病惡化。

此外，tau的跨突觸傳播是通過解剖學(xué)上相連的突觸發(fā)生的。然而，小膠質(zhì)細胞也通過非突觸傳遞途徑-胞吞作用(通過吞噬作用)和胞吐作用(通過外來體)傳播tau聚集體。小膠質(zhì)細胞的耗竭抑制了tau的增值[25]，這表明小膠質(zhì)細胞在AD發(fā)病機理中積極參與了tau的病理過程。此外，小膠質(zhì)細胞可能通過調(diào)節(jié)鄰近的星形膠質(zhì)細胞間接促成神經(jīng)元死亡。小膠質(zhì)細胞衍生的免疫因子可誘導(dǎo)A1星形膠質(zhì)細胞表型，通過營養(yǎng)支持減少、清除能力受損和毒素釋放而導(dǎo)致神經(jīng)元死亡[26]。因此，小膠質(zhì)細胞及其相關(guān)的炎癥反應(yīng)對于揭示AD發(fā)病機制以及為AD的預(yù)防治療提供理論依據(jù)都具有重要的意義。

3.2 小膠質(zhì)細胞與PD

PD在最常見神經(jīng)退行性疾病中位于第二，影響65歲以上的1.2%的個體。大多數(shù)病例是散發(fā)性的，有5%-10%的遺傳性。臨床表現(xiàn)為靜息性震顫、運動遲緩、體位不穩(wěn)、伴有認(rèn)知障礙、自主神經(jīng)功能障礙等非運動性癥狀[27]。在大腦內(nèi)部，PD的發(fā)展過程中出現(xiàn)了一系列的神經(jīng)病理變化，最終導(dǎo)致了診斷的標(biāo)志：名為路易體(LBs)和路易神經(jīng)元(LNs)的細胞內(nèi)包裹體的聚集和致密部黑質(zhì)(SNpc)多巴胺能(DA)神經(jīng)元的丟失。越來越多的證據(jù)表明，神經(jīng)炎癥不僅是PD的一個后果，而且是其發(fā)展和進程中的一個重要因素。特別是小膠質(zhì)細胞，可能有助于PD炎癥的誘導(dǎo)和調(diào)節(jié)。

研究發(fā)現(xiàn)，PD患者黑質(zhì)紋狀體中的神經(jīng)元細胞死亡伴隨著顯著的小膠質(zhì)細胞活化，如，全基因組關(guān)聯(lián)(GWAS)研究已將在小膠質(zhì)細胞中特異性表達的人類白細胞抗原基因(HLADRA)鑒定為遲發(fā)性PD的遺傳危險因素[28]。反應(yīng)性小膠質(zhì)細胞也在轉(zhuǎn)基因小鼠PD模型中被發(fā)現(xiàn)。注射革蘭氏陰性細菌內(nèi)毒素脂多糖(LPS)，一種特別誘導(dǎo)小膠質(zhì)細胞增生的毒素，顯示黑質(zhì)DA神經(jīng)元丟失的跡象[29]?；罨男∧z質(zhì)細胞產(chǎn)生多種炎性介質(zhì)，如TNF-α、IL-6、NOS2、COX2和活性氧，從而導(dǎo)致促炎癥因子的過度積累和持續(xù)DA神經(jīng)元的死亡通過正電子發(fā)射斷層掃描(PET)分析，觀察到存活PD患者的黑質(zhì)紋狀體中激活的小膠質(zhì)細胞和DA神經(jīng)元的顯著死亡[30]。此外，反應(yīng)性小膠質(zhì)細胞也存在于黑質(zhì)紋狀體以外的腦區(qū)，如腦橋和基底神經(jīng)節(jié)。這些發(fā)現(xiàn)表明小膠質(zhì)細胞激活與PD進展相關(guān)，并誘導(dǎo)DA神經(jīng)元毒性和死亡。因此研發(fā)抑制小膠質(zhì)細胞激活的藥物將為PD的治療提供新的思路。

3.3 小膠質(zhì)細胞與ALS

ALS是成年人中最嚴(yán)重和最常見的運動神經(jīng)元退化性疾病之一[29]。它以運動皮層、腦干和脊髓為目標(biāo)，涉及控制橫紋肌的上下運動神經(jīng)元的死亡。這會導(dǎo)致一些癥狀，如肌肉僵硬和抽搐，由于肌肉逐漸變小而導(dǎo)致的肢體無力，吞咽或說話困難。此外，多達一半的患者出現(xiàn)額顳葉癡呆(FTD)，其特征是額葉和顳葉的進行性退化、行為和人格變化以及語言和執(zhí)行功能下降[31]。大多數(shù)情況下，在疾病的晚期，患者會因膈肌和肋間肌的衰弱導(dǎo)致呼吸衰竭從而死亡。肌萎縮性側(cè)索硬化癥是一種發(fā)病年齡和進展速度不一的疾病，從診斷開始，生存時間為3至5年[20]。

研究發(fā)現(xiàn)，在ALS小鼠模型和人類ALS患者的中樞神經(jīng)系統(tǒng)中觀察到激活的小膠質(zhì)細胞數(shù)量增加。此外，對人類患者死后組織和ALS小鼠模型的研究表明，在神經(jīng)元缺失的大腦區(qū)域，激活的小膠質(zhì)細胞水平升高[32]。因此，關(guān)于ALS患者如何發(fā)生小膠質(zhì)細胞活化有幾種假說。假說一，慢性炎癥相關(guān)的系統(tǒng)信號分子(即小膠質(zhì)細胞“啟動”)可以加劇小膠質(zhì)細胞對第二種局部刺激的反應(yīng)，如神經(jīng)退行性疾病特有的蛋白質(zhì)聚集的存在，增加了組織的損傷[33]。假說二，激活免疫系統(tǒng)的亞臨床感染有可能把小膠質(zhì)細胞給激活，導(dǎo)致ALS患者出現(xiàn)的炎癥。還有假說稱小膠質(zhì)細胞可能的激活途徑是通過腸道菌群的變化，因為據(jù)報道這些變化可以控制小膠質(zhì)細胞的成熟和功能[34]。然而，將ALS與患者和小鼠模型腸道微生物群的改變聯(lián)系起來的研究是有限的[35]。因而，全面了解小膠質(zhì)細胞在ALS病理學(xué)中的作用及其治療潛力至關(guān)重要，對ALS的病理生理機制的了解的進展鼓勵了新的治療方法可能被發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)實希望。

4 展望

在過去的十幾年里，小膠質(zhì)細胞的相關(guān)研究數(shù)量呈指數(shù)增長。同時研究者也開始了解小膠質(zhì)細胞在神經(jīng)退行性疾病中的作用，并探索其對損傷反應(yīng)的調(diào)節(jié)途徑，包括使小膠質(zhì)炎性反應(yīng)保持在控制狀態(tài)的神經(jīng)保護性免疫檢查點途徑和促進清除有害刺激物的途徑。小膠質(zhì)細胞的活化及其過度產(chǎn)生的各種炎癥介質(zhì)對于神經(jīng)退行性疾病治療的機制摸索起到至關(guān)重要的作用，對于神經(jīng)退行性疾病的研究工作具有深遠意義。