趨化因子和小膠質細胞在阿爾茨海默病神經炎癥中的作用研究進展

王 佳張 麗隗和儒翟悅怡劉樹鋒*張連峰*

(1.河北省實驗動物重點實驗室河北醫(yī)科大學,石家莊 050017;2.中國醫(yī)學科學院醫(yī)學實驗動物研究所,北京協(xié)和醫(yī)學院比較醫(yī)學中心,衛(wèi)計委人類疾病比較醫(yī)學重點實驗室,北京 100021)

阿爾茨海默病(Alzheimer disease,AD)是一種常見的慢性進行性神經退行性疾病,主要臨床表現(xiàn)為進行性認知功能障礙、精神和行為異常,逐漸發(fā)展為無法進行日常生活的嚴重癡呆。 AD 主要病理學改變有大腦皮質區(qū)和海馬區(qū)的細胞外β-淀粉樣蛋白(amyloid β-protein,Aβ)沉積形成的老年斑(senile plaques,SP)、神經細胞內過度磷酸化的Tau蛋白錯誤折疊后聚集形成的神經原纖維纏結(neurofibrillary tangles,NFTs)、神經炎癥和神經元丟失[1]。 目前,AD 的發(fā)病原因與發(fā)病機制尚不明確,經典的病因假說有Aβ 級聯(lián)假說和Tau 蛋白假說等。 越來越多證據顯示神經炎癥在AD 發(fā)病中具重要作用,神經炎癥是中樞神經系統(tǒng)(central nervous system,CNS)針對各種有害刺激(如損傷或感染)發(fā)生的免疫反應,由CNS 的神經膠質細胞、內皮細胞和外周的免疫細胞介導并產生細胞因子、趨化因子、活性氧等各種炎性介質共同引起[2]。 AD 病理研究發(fā)現(xiàn)SP 附近存在反應性小膠質細胞,同時檢測到AD 病人腦實質中炎性細胞因子和趨化因子(chemokine,CK)的水平升高,揭示AD 中存在神經炎癥,并參與AD 的發(fā)病機制[1,3]。 AD 中的神經炎癥主要以Aβ 沉積和錯誤折疊的Tau 蛋白對小膠質細胞的持續(xù)激活,導致細胞因子和趨化因子等炎性介質的不斷釋放產生的慢性炎癥反應,而釋放的趨化因子誘導小膠質細胞向神經炎癥區(qū)域遷移,發(fā)揮促炎或抗炎的作用,進而影響AD 的發(fā)展[4]。 因此,本文將重點論述小膠質細胞激活和趨化因子釋放在AD 神經炎癥中發(fā)揮的作用。

1 小膠質細胞的激活

小膠質細胞是神經膠質細胞的一種,大約占大腦中神經膠質細胞的10%左右。 研究表明小膠質細胞起源于卵黃囊的原始巨噬細胞,相當于腦和脊髓中的巨噬細胞[5]。 靜息的小膠質細胞以休眠模式監(jiān)視著周圍組織的免疫狀態(tài),當出現(xiàn)炎癥刺激時,小膠質細胞迅速被激活,通過改變形態(tài)遷移至病變部位,清除壞死物質,支持和保護神經系統(tǒng)。激活后的小膠質細胞可以極化為促炎或抗炎表型,分別稱為經典激活小膠質細胞(M1 型)和替代激活小膠質細胞(M2 型)[6]。 M1 型為促炎狀態(tài),釋放大量促炎因子(如 IL-1β、TNF-α、IFN-γ、CCL2)以及一氧化氮合酶iNOS,活性氧ROS 等炎性成分,不斷加劇炎癥反應,引起神經元變性及腦組織損傷。 M2型為抗炎狀態(tài),能夠釋放抗炎因子(如IL-4、IL-10、IL-13、YM-1)以及神經營養(yǎng)因子促進炎癥消退,吞噬細胞碎片,促進組織修復并重建體內穩(wěn)態(tài)[6-8]。

AD 產生的Aβ 沉積、錯誤折疊的Tau 蛋白及損傷的神經元會吸引小膠質細胞的聚集并引起其激活,同時引起細胞因子和趨化因子的釋放,這些因素與Aβ 持續(xù)相互作用形成AD 中的神經炎癥[9-10]。AD 病理研究中發(fā)現(xiàn)Aβ 可以誘導小膠質細胞的聚集并浸潤在淀粉樣斑塊周圍,Aβ 可以作為危險相關分子模式激活小膠質細胞表面模式識別受體如Toll 樣受體(toll-like receptors,TLR),髓樣細胞觸發(fā)受體2(triggering receptor expressed on myeloid cells,TREM2),清道夫受體(scavenger receptor,SR-AI/II),補體受體,受體晚期糖基化終產物(receptor advanced glycosylation end product,RAGE)等,引起小膠質細胞的活化、分泌、吞噬等作用[11-12]。 Aβ 還可以直接以濃度依賴的方式與淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein,APP)相互作用,共同誘導小膠質細胞的激活并分泌炎性因子TNF-α[13]。Nussbaum 等[14]發(fā)現(xiàn) Aβ 還能誘導 Tau 蛋白異常聚集,并在細胞內形成NFTs 而引發(fā)慢性神經炎癥。相關研究報道在AD 患者海馬體的NFTs 和帶有纏結的神經元附近,以及Tau 蛋白轉基因動物模型(TAUSHR72 轉基因大鼠和 TauR406W 轉基因小鼠)中,常出現(xiàn)小膠質細胞的激活,可能的原因是當Tau 蛋白發(fā)生錯誤折疊后,不斷聚集并在神經元中形成NFTs,破壞神經元的功能并導致細胞最后死亡,引發(fā)的炎癥激活小膠質細胞。 這些均表明炎癥反應與NFTs 之間存在密切關系[10,15-16]。 同時激活的小膠質細胞釋放的TNF-α 會在體外誘導Tau 蛋白的聚集[17]。 因此,Aβ 沉積和錯誤折疊的 Tau 蛋白可以通過多種途徑激活小膠質細胞炎癥反應路徑,并進一步影響AD 的發(fā)生、發(fā)展。

靜息的小膠質細胞在AD 產生的病理中可以誘導激活為M1 型和M2 型。 目前的研究認為在AD的早期,Aβ 沉積將靜止的小膠質細胞激活為M2型,M2 型極化的小膠質細胞表現(xiàn)出神經保護和抗炎作用,分泌抗炎因子,吞噬、降解、去除Aβ 和Tau,抑制炎癥反應。 隨著 AD 病理發(fā)展,Aβ 和 Aβ 誘導的促炎因子持續(xù)相互作用使小膠質細胞過度活化轉變?yōu)镸1 型,M1 型的小膠質細胞表現(xiàn)出神經毒性和促炎作用,釋放大量促炎因子,運動能力下降,吞噬、降解能力減弱,加劇炎癥反應[18-19]。 圖1 為小膠質細胞在AD 中的激活。 從圖中發(fā)現(xiàn),AD 中激活的M1 型小膠質細胞可以引起促炎性趨化因子(CCL2、CCL3、CCL4、CCL5、CXCL1、CXCL8、CXCL9、CXCL10)的分泌,M2 型小膠質細胞引起抗炎性趨化因子(CCL22、CXCL8、CXCL12、CX3CL1) 的分泌[20-23]。 由此可見,小膠質細胞的極化過程中會引起大量趨化因子的分泌,這些趨化因子與小膠質細胞相互作用,共同影響AD 的進程。 因此,下文將對趨化因子分類總結并分別展開論述。

圖1 小膠質細胞在AD 中的激活過程Note. Deposition of Aβ, Tau protein, pathogens, apoptotic cell debris, etc. can all activate microglia in AD disease. After activation, microglia can be polarized into M1 and M2 types. M1 type microglia release CCL2, CCL3, CCL4, CCL5,CXCL1, CXCL8, CXCL9, CXCL10, IL-1α, IL-1β, IL-6, TNF-α, iNOS, and other pro-inflammatory factors; M2 type microglia release CCL22, CXCL8, CXCL12, CX3CL1, IL-4, IL-10, IL-13, TGF-β, FIZZ-1, YM-1, and other antiinflammatory factors. M1 type microglia recruit immune cells, activate the immune response, and further release inflammatory factors, leading to an inflammatory cascade, accelerating cell death and tissue damage. M2 type microglia phagocytize Aβ, clear cell debris, enhance neuroprotective effects, promote tissue repair, and maintain homeostasis.Figure 1 Activation process of microglia in AD

2 趨化因子的分泌

趨化因子是一類促使細胞分化、遷移和運輸功能的多肽,能夠激活趨化因子受體,在炎癥過程中誘導趨化、組織外滲以及調節(jié)白細胞的功能[24]。 趨化因子及其受體在大腦中以低水平表達,受到炎癥刺激才會發(fā)生調節(jié)作用,其表達主要來源于小膠質細胞及其他神經細胞[25]。 趨化因子根據分子中N-末端半胱氨酸的不同位置分為四個亞家族,包括CXC、CC、C 和 CX3C。 其中 CXC 趨化因子亞族 17個成員,C 趨化因子亞族2 個成員,CX3C 趨化因子亞族1 個成員。 而CC 趨化因子則是趨化因子家族中最大的亞類,包括 28 個成員,分別為 CCL1 ~CCL28。 CXC 趨化因子家族成員中 CXCL1、CXCL9、CXCL10 在 AD 中上調,參與促炎反應[22-23]。 CX3C家族的唯一成員CX3CL1 發(fā)現(xiàn)具有抑制Tau 蛋白病理改變,增加神經信號傳導和神經保護作用[26]。 更多的研究發(fā)現(xiàn)大量的CC 趨化因子在AD 中上調,少量因子存在下調或者不變[27],且其受體 CCR3,CCR5 陽性反應的小膠質細胞與 Aβ 沉積密切相關[28]。 提示了CC 趨化因子在AD 中可能的重要作用和未來研究方向。 因此,本文重點論述CC 趨化因子在AD 神經炎癥和小膠質細胞的激活中的重要作用。 28 個CC 趨化因子的受體、功能和在AD 中的表達變化總結見表1。 根據28 個CC 趨化因子目前已發(fā)現(xiàn)的炎癥調節(jié)作用將其分為三類:促炎性、抗炎性和雙重功能的趨化因子。 分述見表1。

表1 CC 趨化因子的功能及其受體Table1 CC Chemokines function and its receptors

2.1 促炎性趨化因子

促炎因子對炎癥的發(fā)展有促進作用。 大多數表現(xiàn)出促炎作用的趨化因子在AD 及其產生的神經炎癥中是上調的,如表 1 中 CCL2、CCL3、CCL4、CCL5、CCL6、CCL9、CCL11、CCL12、CCL15,這些趨化因子不單表現(xiàn)參與炎癥反應,也在AD 的病理機制中發(fā)揮特有的作用,并且和其本身的氨基酸序列同源性密切相關。

CCL2,又稱為單核細胞趨化蛋白(monocyte chemoattractant protein,MCP-1),由淀粉樣斑塊相關的小膠質細胞產生,Kiyota 等[75]的研究發(fā)現(xiàn)CCL2過表達的Tg2576(APPswe)/CCL2 轉基因小鼠表現(xiàn)出小膠質細胞的聚集和促進Aβ 沉積和淀粉樣斑塊形成,并加速了認知障礙。 CCL2 過表達使rTg4510(tauP301L)轉基因小鼠模型的Tau 蛋白病理惡化,表現(xiàn)以NFTs 和磷酸化Tau 陽性包涵體的大量增加,并伴有膠質細胞增生和明顯的炎癥反應[76]。 另一研究表明CCL2 在遺忘性輕度認知障礙(amnestic mild cognitive impairment,aMCI)、AD 及同樣具有癡呆、腦萎縮特征的額顳葉型失智癥(frontotemporal dementia,FTLD)患者的腦脊液(cerebrospinal fluid,CSF)中均明顯升高[77-78]。 CCL12(MCP-5) 是與CCL2(MCP-1)同源的單核細胞趨化因子,具有66%的氨基酸同一性。 CCL2 與CCL12 都是Tau 病理相關神經炎癥的壓力應激反應基因[46]。 CCL2 和CCL12 還可以同時與CCR2 受體結合,CCR2 在小膠質細胞上具有迅速促進嘌呤能受體(purinergic receptor,P2RX4)轉運到細胞表面的能力,進而促進小膠質細胞的胞吐作用[79]。 脊髓中星形膠質細胞表達的CCL7(MCP-3)和CCL2(MCP-1)具有大于60%的氨基酸同一性,也可以通過CCR2 激活小膠質細胞,產生更多炎性介質引起神經性疼痛[37,80]。根據以上證據說明具有同源性基因的趨化因子可以與同一種受體結合,對炎癥刺激發(fā)揮同樣的促炎功能。

然而這一現(xiàn)象并不是完全一致的,有研究報道在212 名FTLD 患者與203 名年齡匹配的對照人群觀察 CCL2(MCP-1)A-2518G 的單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism,SNP),FTLD 患者腦脊液中 MCP-1 水平顯著高于對照組,MCP-1 A-2518G SNP 可能通過影響 MCP-1 的產生而成為FTLD 的保護因子[81]。 CCL2 和 CCL8(MCP-2)同樣具有相似序列的趨化因子,其氨基酸序列同源性為62%,均會在神經退行性疾病中升高[80]。 在CCL8中發(fā)現(xiàn) SNP 與 CCL2 都位于同一連鎖區(qū),其中rs1163763 會導致氨基酸的取代,對蛋白質功能產生潛在的影響,對219 名AD 患者和209 名FTLD 患者進行了rs1133763 關聯(lián)測試,并與231 名年齡相匹配的對照組進行比較,發(fā)現(xiàn)CCL8 rs1133763 的分布在患者和對照組之間沒有顯著差異。 這種SNP 相關的連鎖不平衡基因變異對神經退行性疾病并無明顯作用[40]。 因此,即使是具有同源性基因的趨化因子在神經疾病中也會發(fā)揮各自不同的功能。

CCL3/巨 噬 細 胞 炎 性 蛋 白-1α (Macrophage inflammatory protein,MIP-1α)和 CCL4/巨噬細胞炎性蛋白-1β(Macrophage inflammatory protein,MIP-1β)是巨噬細胞炎性蛋白(MIP-1)的兩種形式,二者相互作用,共用同一受體CCR5,其功能與炎癥反應有關[82]。 5XFAD 轉基因小鼠中淀粉樣斑塊相關的小膠質細胞表現(xiàn)出免疫反應過度和炎癥的高反應性,同時發(fā)現(xiàn)促炎因子 CCL3、CCL4、CCL6 的表達[9]。 Passos 等[83]的研究也發(fā)現(xiàn)在小鼠側腦室注射Aβ1-40 后,CCL3 及其受體CCR5 的表達水平升高,小膠質細胞的數量也顯著增加。 遺傳方面CCL3/MIP-1α 的基因多態(tài)性影響中國人對AD 的敏感性,其中MIP-1α-906(TA)6/(TA)6 基因可能是AD 的遺傳危險因素[84]。 研究發(fā)現(xiàn)AD 患者的外周血單核細胞控制著 CCL4 的產生[85], AD 的APPswe/PS1dE9 轉基因小鼠大腦的CCL4 水平升高與大腦Aβ 沉積呈年齡依賴性相關,并增加淀粉樣斑塊周圍星形膠質細胞的活化,放大了炎癥反應[86]。

2.2 抗炎性趨化因子

抗炎因子被認為可以減輕炎癥反應。 目前明確具有抗炎作用的趨化因子CCL17、CCL18、CCL22在有關AD 疾病中的研究較少,但在影響大腦認知、神經炎癥、小膠質細胞的激活等神經系統(tǒng)相關研究中發(fā)現(xiàn)了很多可能會影響AD 疾病發(fā)展的抗炎作用。

CCL17,即胸腺和激活調節(jié)趨化因子(thymus and activation-regulated chemokine,TARC),是 M2 型巨噬細胞的標志物,IL-4 可以誘導其在巨噬細胞中形成和上調,激活的M2 型巨噬細胞參與吞噬細胞碎片以及抑制炎癥反應[55]。 維生素D3 可選擇性地增強小膠質細胞HMO6 中細胞因子IL-10 和CCL17的表達,使小膠質細胞具有抗炎活性,保護神經進行免疫修復[56]。 在應對LPS 誘導的急性炎癥刺激時,與記憶認知有關的海馬CA1 區(qū)小膠質細胞的CCL17 上調,CCL17 可以維持小膠質細胞的靜息狀態(tài),CCL17 基因敲除小鼠(CCL17-/-)的小膠質細胞體積減少,并呈現(xiàn)出分枝減少、極性增強的反應形態(tài)[87]。 一項針對高罹患AD 疾病風險的墨西哥裔美國人關于遺忘性輕度認知障礙的生物標記物檢測發(fā)現(xiàn)在aMCI 病例中血液生物標記物以炎性因子為主,排列前三的標記物分別為TNFα,IL-10 和TARC,這些發(fā)現(xiàn)提示了炎性因子和aMCI 發(fā)展至AD 的代謝過程可能存在相互作用,還需要對上述炎性因子進一步研究[88]。

CCR4 是 CCL17 和 CCL22/巨噬細胞來源的趨化因子(macrophage-derived chemokine,MDC)的共同受體,CCR4 的基因敲除小鼠(CCR4-/-)表現(xiàn)出運動和探索行為受損,此時的 CCR4 與其配體CCL22 可能參與了神經元和神經膠質細胞的功能調節(jié)[89]。 CCL22 在實驗性自身免疫性腦脊髓炎(experimental autoimmune encephalomyelitis,EAE)小鼠的大腦中由小膠質細胞產生,通過誘導TH2 細胞的歸巢來調節(jié) Th1 細胞介導的神經炎癥[90]。CCL22 同樣具有抗炎活性,在神經系統(tǒng)疾病的脫髓鞘、神經元損傷中,都檢測到了M2 型小膠質細胞標志物 IL-10、CCL18、CCL22,激活的 M2 型小膠質細胞有助于免疫抑制,促進神經修復和髓鞘的再生[91]。 Movsesyan 等 的 研 究 團 隊[92-93]設 計 以CCL22 作為分子佐劑的 AD 疫苗 PMDC-3Aβ1-11-PADRE,通過誘發(fā)細胞免疫及體液免疫,產生抗炎作用,減輕炎癥反應,協(xié)同疫苗產生的抗Aβ 抗體共同促進APPSwe/PS1M146V/tauP301L 轉基因小鼠大腦中Aβ 沉積物的清除,抑制Aβ 病理學的積累。

CCL18 也稱為替代巨噬細胞活化相關趨化因子- 1 (alternative macrophage activation associated chemokine,AMAC-1)和巨噬細胞炎性蛋白-4(MIP-4),它與CCL3 關系最密切,共享64%的序列同一性,卻沒有激活與CCL3 相同的受體,因為CCL18 具有獨特的四級結構,可以和CCR8、PITPNM3、GPR30三種受體結合,表現(xiàn)出抗炎性趨化因子的作用。CCL18 作為人和靈長類動物獨有的趨化因子,從死亡后人腦組織分離出來的小膠質細胞在IL-4 刺激下培養(yǎng),發(fā)現(xiàn)了 CCL18 上調[94]。 在沒有 IL-4 的刺激,CCL18 也可以誘導單核細胞成為M2 型巨噬細胞,上調抗炎因子IL-10,并增強巨噬細胞的吞噬能力,清除細胞碎片[57]。

2.3 雙重功能趨化因子

有學者在炎癥相關研究中發(fā)現(xiàn)個別趨化因子具有促炎和抗炎的雙重作用,即在不同的炎癥環(huán)境中可以表現(xiàn)出促炎狀態(tài)也可以表現(xiàn)出抗炎狀態(tài),如CCL1、CCL2、CCL7、CCL13、CCL14、CCL23、CCL24、CCL26。 CCL1、CCL2、CCL7 在神經炎癥中表現(xiàn)出以促炎作用為主,而另外一些具有雙重功能的趨化因子在AD 和神經炎癥中的作用并不十分明確。

CCL23 是具有促炎和抗炎雙重功能的趨化因子,在單核細胞中既能被IL-1β 和IFN-γ 誘導表達,也能由IL-4 和IL-13 誘導表達,在樹突狀細胞由IL-10 誘導使其表達[65]。 臨床研究表明AD 患者血液中的 CCL23 高于健康對照者,從輕度認知障礙(mild cognitive impaired,MCI)發(fā)展到AD 患者的血液及腦脊液檢測數據中發(fā)現(xiàn)CCL23 呈高進展性,并且在AD 遺傳易感因素ApoE ε4 等位基因攜帶者血液中檢測到高水平的CCL23,可能與血漿中的炎癥反應有關,預測CCL23 可能是輕度認知障礙發(fā)展到AD 的血液生物炎性標志物[66]。 CCL23 的受體CCR1,只在與Aβ42 陽性的神經炎斑和營養(yǎng)不良性神經元中表達,并且隨臨床疾病的嚴重程度而增加,因此成為AD 特有的神經炎性標志物[95]。

CCL26 又稱嗜酸性粒細胞趨化因子(eotaxin-3),已證明 IL-4 和 IL-13 可通過 JAK1-STAT6 途徑上調CCL26 的表達,表現(xiàn)出抗炎作用,但同時TNF-α 對 IL-4 增強的 CCL26 產生協(xié)同作用[96]。 在 EAE大鼠的神經炎癥反應中,CCL26 結合CCR3 發(fā)揮促炎作用,加重腦組織損傷[70]。 在輕度認知障礙發(fā)展至AD 的臨床隨訪研究中發(fā)現(xiàn)前驅性AD 患者腦脊液中的CCL26 顯著高于健康對照者[31]。

3 小結與展望

無論是衰老、遺傳或者環(huán)境因素造成的癡呆,都會在AD 病理形成的過程中產生神經炎癥。 小膠質細胞是大腦中免疫監(jiān)視器,也是神經炎癥反應的核心。 小膠質細胞作為AD 清除Aβ 的主要途徑,可以抑制淀粉樣蛋白的沉積延緩AD 的發(fā)展;但炎性持續(xù)激活的小膠質細胞會分泌更多的促炎因子,引起神經元的損傷,加速AD 的進展。 小膠質細胞是AD 疾病發(fā)展的一把雙刃劍,如何抑制M1 型小膠質細胞的炎性激活,減輕炎癥反應,增加M2 型小膠質細胞的神經保護作用,維持穩(wěn)態(tài)的正性平衡成為治療AD 疾病的方向。

趨化因子在AD 的神經炎癥反應中具有雙向調節(jié)的作用,一方面具有促炎作用的趨化因子可以持續(xù)激活M1 型小膠質細胞分泌更多炎性因子及毒性物質,使小膠質細胞失控,加重炎癥反應,形成惡性循環(huán);另一方具有抗炎作用的趨化因子可以維持M2型小膠質細胞的穩(wěn)態(tài),增加Aβ 內化及降解,減輕炎癥的活躍程度。 這是一個高度動態(tài)的過程,神經炎癥中的促炎和抗炎因子對于正常細胞組織代謝的動態(tài)平衡至關重要,如何維持穩(wěn)態(tài)平衡決定了炎癥反應的發(fā)展。 AD 疾病中的神經炎癥活躍程度由趨化因子、細胞因子等炎性介質所反應,抗炎因子和促炎因子的平衡影響著AD 的預后。 很多研究將促炎性趨化因子CCL2、CCL3 作為MCI 發(fā)展到 AD 早期的炎性因子標志物,也有將具有抗炎作用的CCL22 作為分子佐劑的AD 疫苗,但更多關于趨化因子的研究只是檢測其在AD 中的水平變化,并沒有深入探索這些趨化因子對于小膠質細胞或者Aβ誘導神經炎癥的作用機制研究。 因此需要明確抗炎性趨化因子控制小膠質細胞表型轉換的機制,進而可以通過增加抗炎性趨化因子的正向作用和減少促炎性趨化因子的負向作用來改善AD 的神經炎癥程度,為AD 的治療提供新的思路。