巨噬細(xì)胞與阿爾茨海默病相關(guān)性的研究進(jìn)展

李銘麟 崔檬 王佳賀

作者單位：110004 遼寧省沈陽市，中國醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院全科醫(yī)學(xué)科(李銘麟，王佳賀)；寧養(yǎng)病房(崔檬)

AD是一種慢性神經(jīng)退行性疾病，是目前最常見的癡呆病因。AD的神經(jīng)病理學(xué)特征是斑塊中β-淀粉樣蛋白(β-amyloid，Aβ)的積累、過度磷酸化的tau蛋白促進(jìn)神經(jīng)原纖維纏結(jié)(neurofibrillary tangles，NFTs)形成以及神經(jīng)炎癥，這些因素共同導(dǎo)致神經(jīng)變性和認(rèn)知衰退[1]。眾多研究提示，神經(jīng)炎癥機(jī)制在 AD 的發(fā)生以及發(fā)展過程中起到重要作用，大腦中的持續(xù)免疫反應(yīng)不僅與神經(jīng)退行性變有關(guān)，還會促進(jìn)和加重Aβ的積累和NFTs的形成。神經(jīng)炎癥與中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system, CNS)中大規(guī)模的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能有關(guān)，與神經(jīng)炎癥相關(guān)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接中斷引發(fā)了AD的認(rèn)知缺陷[2]。

發(fā)生在CNS的感染、創(chuàng)傷或缺血等刺激，可引起急性炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致免疫系統(tǒng)的快速激活，其特征是巨噬細(xì)胞增多和炎癥介質(zhì)的釋放，當(dāng)這一過程不受調(diào)節(jié)時(shí)，會導(dǎo)致慢性神經(jīng)炎癥，進(jìn)而導(dǎo)致神經(jīng)退行性變和AD的發(fā)生[3]。參與神經(jīng)炎癥的免疫細(xì)胞主要包括小膠質(zhì)細(xì)胞(microglia, MG)、巨噬細(xì)胞、肥大細(xì)胞以及T細(xì)胞等。其中對巨噬細(xì)胞所產(chǎn)生的免疫反應(yīng)的探索是目前AD研究的核心。在穩(wěn)態(tài)條件下，CNS中的巨噬細(xì)胞由腦實(shí)質(zhì)巨噬細(xì)胞和非腦實(shí)質(zhì)巨噬細(xì)胞組成，前者主要是MG，后者主要可分為血管周圍巨噬細(xì)胞和血源性單核細(xì)胞來源的巨噬細(xì)胞等[4]。其中MG是CNS中獨(dú)特的組織駐留巨噬細(xì)胞(tissue-resident macrophages, TRMs)，在免疫反應(yīng)和炎癥疾病中起重要作用[5]。巨噬細(xì)胞可以吞噬清除Aβ和tau蛋白，Aβ也會激活巨噬細(xì)胞，產(chǎn)生大量炎性細(xì)胞因子和毒性介質(zhì)，形成神經(jīng)炎癥，并參與 tau蛋白的聚集和擴(kuò)散。肥大細(xì)胞被 Aβ激活后，釋放炎性介質(zhì)加重AD神經(jīng)炎癥，破壞血腦屏障，招募外周巨噬細(xì)胞和 T 細(xì)胞進(jìn)入腦中[6]。

1 AD的發(fā)病機(jī)制

有關(guān)AD的發(fā)病機(jī)制，目前影響較廣的有Aβ瀑布假說，認(rèn)為Aβ的生成與清除失衡是導(dǎo)致神經(jīng)元變性和癡呆發(fā)生的起始因素。Aβ的積累與神經(jīng)炎癥、突觸丟失、神經(jīng)元功能受損以及最終導(dǎo)致的認(rèn)知功能下降之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性，而Aβ的積累主要?dú)w因于大腦MG和外周血單核細(xì)胞來源的巨噬細(xì)胞清除Aβ的減少[7]。Aβ是淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein, APP)被β-和γ-分泌酶自然切割的產(chǎn)物，APP的異常加工導(dǎo)致不溶性Aβ的積累，引起自由基反應(yīng)和炎癥[8]。另外，tau蛋白學(xué)說認(rèn)為過度磷酸化的tau蛋白影響了神經(jīng)元骨架微管蛋白的穩(wěn)定性，導(dǎo)致NFTs形成，從而破壞了神經(jīng)元及突觸的正常功能[9]。

研究證明，在臨床診斷AD前幾十年就已經(jīng)存在神經(jīng)炎性病理過程的變化[10]。在AD發(fā)病早期，局部的神經(jīng)炎癥一直處于較低水平，但感染、血管缺血、代謝失調(diào)或自由基氧化等的反復(fù)刺激都會導(dǎo)致急性炎癥反應(yīng)，使大腦的炎性介質(zhì)到達(dá)損傷的血腦屏障，觸發(fā)外周固有和適應(yīng)性炎癥反應(yīng)，受炎癥介質(zhì)刺激的外周單核/巨噬細(xì)胞在趨化因子受體的引導(dǎo)下，通過受損的血腦屏障并有目的地滲透到大腦中的炎癥部位，造成AD的病理過程慢性持續(xù)進(jìn)展[11]。除了Aβ斑塊和非功能性腦損傷引起的炎癥反應(yīng)外，AD病人的大腦表現(xiàn)出持續(xù)的炎癥反應(yīng)[12]。在身體機(jī)能鼎盛時(shí)期，先天免疫系統(tǒng)能夠在中和攻擊后恢復(fù)到靜止?fàn)顟B(tài)，但隨著應(yīng)激源的時(shí)間依賴積累，先天免疫細(xì)胞甚至在“靜止”狀態(tài)下也變得更加持久地激活，產(chǎn)生局部和全身的炎癥反應(yīng)，激活細(xì)胞毒性MG，導(dǎo)致細(xì)胞因子的產(chǎn)生失衡，Aβ積聚和不可逆轉(zhuǎn)的腦損傷，最終導(dǎo)致神經(jīng)元死亡和癡呆的發(fā)生[13-14]。

另外，近年來神經(jīng)血管假說也逐漸被認(rèn)可，該學(xué)說提出腦血管功能的失常導(dǎo)致神經(jīng)元功能障礙，并且Aβ清除能力下降，從而導(dǎo)致認(rèn)知功能損害。除此之外，尚有細(xì)胞周期調(diào)節(jié)蛋白障礙、氧化應(yīng)激[7]、線粒體功能障礙等多種假說[15]。

2 腦實(shí)質(zhì)中巨噬細(xì)胞與AD的相關(guān)性

2.1 MG的特征 MG是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中獨(dú)特的TRMs，通過自我更新而持續(xù)發(fā)揮作用，因此被命名為TRMs。在大腦中，當(dāng)識別到對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的威脅時(shí)，靜息狀態(tài)的MG轉(zhuǎn)化為激活狀態(tài)，迅速改變分枝形態(tài)為變形蟲形態(tài)，遷移到損傷部位吞噬病原體[12]。MG根據(jù)環(huán)境的變化而極化，形成M1型MG和M2型MG，兩者分泌不同的細(xì)胞因子。在受感染的組織中，MG首先極化為M1型，引起促炎反應(yīng)以幫助宿主對抗病原體，持續(xù)的炎癥反應(yīng)介導(dǎo)細(xì)胞毒性使吞噬能力受損和神經(jīng)營養(yǎng)因子釋放減少，隨后MG極化為M2表型進(jìn)行抗炎反應(yīng)并修復(fù)受損組織[16-17]。但目前M1/M2表型假說仍有爭議，有學(xué)者認(rèn)為炎癥過程中組織內(nèi)的巨噬細(xì)胞不應(yīng)被過度簡化的巨噬細(xì)胞極化(M1/M2)教條化[18]。近年來有研究發(fā)現(xiàn)了疾病相關(guān)的MG(disease-associated microglia, DAM)，這是一種新的MG亞型，它在AD的發(fā)展過程中發(fā)揮著重要的作用，為AD疾病的治療帶來了新的曙光[19]。

2.2 MG在AD中的作用機(jī)制 MG在AD的疾病進(jìn)展過程中具有“雙刃劍”的作用。一方面，在AD發(fā)病早期，活化的MG通過吞噬作用清除可溶性和寡聚Aβ，可以延緩疾病神經(jīng)病理學(xué)的進(jìn)展。另一方面，長期的免疫反應(yīng)導(dǎo)致AD病理惡化，這與前饋反應(yīng)循環(huán)中MG的持續(xù)激活有關(guān)。反應(yīng)性MG的增生引起促炎細(xì)胞因子持續(xù)存在，會降低其結(jié)合和吞噬Aβ的效率和Aβ降解酶的活性，導(dǎo)致Aβ的積累而形成Aβ斑塊，加劇神經(jīng)炎癥，損傷神經(jīng)元。隨著MG清除Aβ的能力減弱，外周血巨噬細(xì)胞被招募到Aβ斑塊沉積中來清除Aβ，加劇了炎癥的影響，從而進(jìn)一步加重AD的病理損傷。Tau蛋白本身也可以刺激MG活化，并且Aβ蛋白過度刺激會使MG發(fā)生免疫功能障礙，進(jìn)而導(dǎo)致炎癥反應(yīng)的發(fā)生，使MG釋放毒性物質(zhì)，損傷周圍正常神經(jīng)組織，最終誘導(dǎo)產(chǎn)生過度磷酸化的Tau蛋白[12]。上述病理過程惡性循環(huán)，使突觸結(jié)構(gòu)逐漸受損，突觸后膜興奮性電位幅度減弱，神經(jīng)元逐漸變性與死亡，造成記憶力下降、運(yùn)動功能受阻、精神行為異常等現(xiàn)象，最終發(fā)展為AD[20]。

如前所述，M1型MG通過釋放細(xì)胞因子而引起促炎反應(yīng)。在AD中，IL-1β、IL-6和TNF-α等參與引起神經(jīng)退行性改變，這些促炎介質(zhì)表現(xiàn)出不同的活性途徑。如IL-1β，是神經(jīng)炎癥的主要調(diào)節(jié)因子，在正常狀態(tài)下低水平表達(dá)，在局部損傷時(shí)被快速誘導(dǎo)表達(dá)。其水平升高會增加細(xì)胞因子IL-6的產(chǎn)生，而IL-6又會刺激CDK5(一種已知會使tau蛋白過度磷酸化的激酶)的激活[12]。IL-6釋放的數(shù)量和條件不同，可起到促炎或抗炎的作用，對神經(jīng)元組織的正常穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要[21]。一項(xiàng)為期10年的研究顯示，中年后期外周血IL-6水平升高可使認(rèn)知功能下降[22]。 Aβ被MG和外周巨噬細(xì)胞吞噬，觸發(fā)組織蛋白酶B2的釋放，促使NLRP3炎癥小體組裝[23]。IL-1β的產(chǎn)生和釋放依賴于NLRP3炎癥小體的激活，它是巨噬細(xì)胞產(chǎn)生IL-1β的關(guān)鍵，其在激活時(shí)聚集在MG內(nèi)部，導(dǎo)致半胱天冬酶-1和下游IL-1β釋放[24]。TNF-α在炎癥刺激反應(yīng)中對細(xì)胞因子級聯(lián)的啟動和調(diào)節(jié)起著至關(guān)重要的作用，其增加血管內(nèi)皮黏附分子，使免疫細(xì)胞遷移到受損害的區(qū)域。有報(bào)道稱AD病人的大腦和血漿中TNF-α水平持續(xù)升高，輕度認(rèn)知功能障礙(mild cognitive impairment, MCI)進(jìn)展為AD病人的腦脊液中亦可檢測到高水平的可溶性TNFR1和TNFR2[12]。某動物實(shí)驗(yàn)研究表明，IL-1β和TNF-α的過度表達(dá)顯著增加了轉(zhuǎn)基因AD小鼠的Aβ沉積，并使MG從促炎M1表型向M2抗炎狀態(tài)轉(zhuǎn)變[21]。M2型MG的特征是分泌具有抗炎活性的細(xì)胞因子，如IL-4和IL-13，可以抑制M1表型相關(guān)的一些促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生，減少一氧化氮(NO)的釋放，從而減輕脂多糖誘導(dǎo)的神經(jīng)元損傷，同時(shí)刺激M2表型MG分泌精氨酸酶(Arg) 1、CD200R、IL-10、轉(zhuǎn)化生長因子β(TGF-β)等，通過這種方式，MG可以通過谷氨酸攝取、死亡細(xì)胞的清除、異常蛋白的積累或神經(jīng)營養(yǎng)因子的產(chǎn)生等不同機(jī)制起到神經(jīng)保護(hù)和神經(jīng)支持作用。但亦有研究表明IL-10可以促進(jìn)神經(jīng)炎癥并導(dǎo)致MG功能障礙，IL-10功能的多態(tài)性增加了某些人群患AD的風(fēng)險(xiǎn)[12]。另外，在激活狀態(tài)下，MG和滲透CNS的單核細(xì)胞來源的巨噬細(xì)胞會上調(diào)主要組織相容性(MHC)Ⅰ類和Ⅱ類復(fù)合物分子，同時(shí)MG表達(dá)和釋放趨化因子配體(CCL)系列趨化因子，這使得它們能更有效地將抗原遞呈給T細(xì)胞，介導(dǎo)神經(jīng)炎癥反應(yīng)[25]。補(bǔ)體的分泌、缺氧狀態(tài)等許多因素都會影響MG的極化，即在急性期上調(diào)促炎M1表型，而在長期缺氧時(shí)誘導(dǎo)向抗炎M2表型極化[26]。

最新的研究證實(shí)，髓系細(xì)胞2觸發(fā)受體(TREM2)僅由MG表達(dá)，在AD病人大腦中Aβ的沉積使TREM2在MG中上調(diào)，TREM2對于穩(wěn)態(tài)MG向DAM狀態(tài)的轉(zhuǎn)變至關(guān)重要。DAM高表達(dá)脂代謝和吞噬相關(guān)的基因，抑制由脂多糖(LPS)誘導(dǎo)的MG介導(dǎo)的促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生，減少Aβ生成，促進(jìn)對Aβ斑塊的吞噬，延緩AD的進(jìn)展[27]，同時(shí)MG表達(dá)巨噬細(xì)胞集落刺激因子(mCSF)，集落刺激因子-1受體(CSF1R)可以結(jié)合mCSF和IL-34兩種配體，縮小斑塊體積，從而延遲認(rèn)知功能下降[28]。TREM2的缺失會降低MG增殖、吞噬、細(xì)胞因子產(chǎn)生的作用，引起神經(jīng)退行性變[29]。但在AD后期，由于Aβ活化了炎癥小體，而炎癥小體的凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白(ASC)可以協(xié)助Aβ斑塊的沉積，DAM 反而會加速病情發(fā)展。關(guān)于DAM在AD晚期是起一個保護(hù)性還是損傷性或中立性的作用，目前還不清楚，需要進(jìn)一步的探究。

3 腦實(shí)質(zhì)外巨噬細(xì)胞與AD的相關(guān)性

3.1 腦實(shí)質(zhì)外巨噬細(xì)胞的特征 腦實(shí)質(zhì)外巨噬細(xì)胞簡稱巨噬細(xì)胞，作為免疫系統(tǒng)的基本組成部分，廣泛存在于體內(nèi)，由血液中的單核細(xì)胞穿出血管后分化而成，是哺乳動物大多數(shù)組織中最豐富的免疫細(xì)胞。巨噬細(xì)胞在機(jī)體局部損傷時(shí)處于抵抗感染的第一線，啟動炎癥反應(yīng)以中和入侵的病原體，并通過吞噬作用清除病原體和受損細(xì)胞，促進(jìn)組織修復(fù)和重塑，能夠有效抵抗病原體的入侵和維持體內(nèi)的平衡[30-31]。類似地，巨噬細(xì)胞可分為參與促炎反應(yīng)產(chǎn)生神經(jīng)毒性的M1型和進(jìn)行抗炎反應(yīng)并修復(fù)受損組織M2型。巨噬細(xì)胞作為專門的吞噬細(xì)胞，也參與Aβ和 Tau的吞噬及消除以維持組織穩(wěn)態(tài)[32]。研究巨噬細(xì)胞與Aβ、Tau以及神經(jīng)炎癥之間的關(guān)系，有望為AD的治療提供策略。

3.2 血源性單核細(xì)胞來源的巨噬細(xì)胞在AD中的作用 血源性單核細(xì)胞來源的巨噬細(xì)胞從脈絡(luò)膜叢、軟膜和腦微血管進(jìn)入大腦。有研究表明，周圍組織器官中的巨噬細(xì)胞和血液中的單核細(xì)胞能高效吞噬Aβ，延緩AD進(jìn)程[33]，但亦有研究持相反結(jié)論[7]?？傮w來說，在MCI階段，單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞處于激活狀態(tài)。由于慢性神經(jīng)炎癥可能持續(xù)存在，這種狀態(tài)可能會持續(xù)數(shù)十年，可以觀察到病人單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的趨化性、自由基產(chǎn)生和細(xì)胞因子產(chǎn)生顯著增加，外周血單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和T細(xì)胞浸潤中樞神經(jīng)系統(tǒng)并在病理區(qū)域附近聚集。TREM2斑塊相關(guān)的髓系細(xì)胞上也表達(dá)著單核細(xì)胞來源的巨噬細(xì)胞的特征標(biāo)記。隨著病人神經(jīng)炎癥持續(xù)時(shí)間的延長，MG會變得疲憊或衰老，不能再有效地清除Aβ斑塊，此時(shí)只能依靠周圍單核細(xì)胞來源的巨噬細(xì)胞超負(fù)荷地清除Aβ，并逐漸演變?yōu)榕R床AD[34]。

3.3 腦血管周圍巨噬細(xì)胞(brain perivascular macrophages, PVM)在AD中的作用 PVM是一種獨(dú)特的腦巨噬細(xì)胞，在大腦血管周圍空間緊密貼壁于腦阻力動脈壁，與大腦血管系統(tǒng)密切相關(guān)。PVM像MG一樣，不被循環(huán)單核細(xì)胞補(bǔ)充，可能是一個自我更新的細(xì)胞群。PVM在腦感染、免疫激活、AD及血管-神經(jīng)認(rèn)知功能障礙中的作用機(jī)制包括:PVM和大腦內(nèi)皮細(xì)胞之間的串?dāng)_;與循環(huán)巨噬細(xì)胞等免疫細(xì)胞的相互作用和活性氧的產(chǎn)生。小鼠AD模型研究表明，PVM的減少顯著增加了血管Aβ水平，調(diào)節(jié)PVM密度可影響腦組織血管中淀粉樣蛋白的清除。相反，刺激PVM的轉(zhuǎn)換可降低腦淀粉樣血管病變負(fù)荷，而不依賴MG的清除，這突出了PVM在AD中的重要性[35]。總的來說，現(xiàn)有證據(jù)支持PVM是腦駐留免疫系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，對AD的發(fā)病機(jī)制具有積極的保護(hù)意義[36]。

4 干預(yù)巨噬細(xì)胞機(jī)制與預(yù)防AD的相關(guān)性

目前認(rèn)為，在AD的整個過程均有巨噬細(xì)胞參與，靶向干預(yù)巨噬細(xì)胞機(jī)制可能是一種很有前途的AD治療策略，旨在將細(xì)胞表型從神經(jīng)毒性型轉(zhuǎn)變?yōu)樯窠?jīng)保護(hù)型。動物實(shí)驗(yàn)研究表明,骨調(diào)素(osteopontin, OPN)可通過加快單核-巨噬細(xì)胞聚集到AD小鼠大腦中，促進(jìn)巨噬細(xì)胞極化為抗炎、高吞噬表型，抑制Aβ的產(chǎn)生和聚集，并促進(jìn)Aβ清除，有利于預(yù)防AD的發(fā)展[15]。阻斷Smad2/3信號通路可有效降低外周器官和循環(huán)中的Aβ水平，并增強(qiáng)大腦的Aβ流出，增強(qiáng)外周巨噬細(xì)胞對Aβ的清除，從而減輕了大腦中的Aβ沉積、神經(jīng)炎癥和認(rèn)知缺陷，這可能為AD的治療提供了新的視角[37]。SPI1/PU.1是大腦和外周巨噬細(xì)胞發(fā)育的主要調(diào)節(jié)因子，其水平下調(diào)可降低巨噬細(xì)胞的吞噬功能，增加凋亡細(xì)胞死亡，抑制免疫反應(yīng)，促進(jìn)MG的抗炎狀態(tài)，在AD中可能具有保護(hù)作用[38]。研究表明，姜黃素可減輕氧化應(yīng)激的不良反應(yīng)，增強(qiáng)AD和MCI病人巨噬細(xì)胞對Aβ的吞噬潛能[7]。Nogo蛋白是炎癥過程中巨噬細(xì)胞募集和激活的關(guān)鍵介質(zhì)，NgR1是Nogo蛋白的常見受體，在AD相關(guān)巨噬細(xì)胞中含量豐富，對AD的預(yù)防具有指導(dǎo)意義[39]。大量的流行病學(xué)數(shù)據(jù)表明，接受非甾體抗炎藥(NSAIDs)治療的病人發(fā)生AD的風(fēng)險(xiǎn)較低，證實(shí)了神經(jīng)炎癥在AD中的重要作用[40]。

5 總結(jié)與展望

綜上所述，與AD相關(guān)的巨噬細(xì)胞主要包括血源性單核細(xì)胞來源的巨噬細(xì)胞、MG、PVM，正常生理狀態(tài)下起著神經(jīng)保護(hù)作用，對Aβ的及時(shí)清除能使神經(jīng)元免受傷害。在AD中巨噬細(xì)胞的作用機(jī)制是復(fù)雜的，在不同的疾病階段有所不同。當(dāng)持續(xù)受到Aβ和Tau刺激時(shí)，不同分型及時(shí)期的巨噬細(xì)胞共同作用造成慢性不可逆的神經(jīng)炎癥，導(dǎo)致AD的疾病進(jìn)展。DAM是一種新發(fā)現(xiàn)的MG亞型，是一個獨(dú)特的細(xì)胞群體，在AD進(jìn)展中有著重要的作用。所以巨噬細(xì)胞的M1和M2分型是否嚴(yán)謹(jǐn)仍需進(jìn)一步考究。目前來說，對包括AD在內(nèi)的許多神經(jīng)退行性和自身免疫性CNS疾病的預(yù)防和治療研究仍然是進(jìn)展緩慢的。盡管許多潛在的巨噬細(xì)胞靶點(diǎn)已經(jīng)被確定，如OPN、Smad信號、SPI1/PU.1因子和Nogo蛋白等，然而要將這些研究成果應(yīng)用于臨床還需要更多的努力。繼續(xù)加強(qiáng)對CNS巨噬細(xì)胞的生物學(xué)研究，以識別調(diào)控CNS穩(wěn)態(tài)和潛在控制CNS疾病病理生理學(xué)的關(guān)鍵機(jī)制，為未來AD的防治提供更多的方向。

doi:10.1101/2021.08.30.458295.

doi:10.1007/S10571-021-01124-0.