小膠質(zhì)細(xì)胞表型和功能的多樣性與阿爾茨海默癥

國佳瑩，石京山

(遵義醫(yī)科大學(xué) 基礎(chǔ)藥理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室暨特色民族藥國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，貴州 遵義 563099)

在中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system,CNS)中，膠質(zhì)細(xì)胞可分為小膠質(zhì)細(xì)胞(Microglia,MG)、星形膠質(zhì)細(xì)胞(Astrocyte,AS)和少突膠質(zhì)細(xì)胞。MG是CNS的天然的免疫效應(yīng)細(xì)胞，在生理情況下，MG處于M0靜息狀態(tài)，并發(fā)揮免疫監(jiān)視、免疫防御和修復(fù)組織的作用[1]。當(dāng)腦損傷或受到炎性刺激時(shí)，MG處于M1、M2兩種表型的動態(tài)平衡中，但大腦受到過度刺激后，MG轉(zhuǎn)化成M1表型并且調(diào)控多種炎性介質(zhì)的釋放，如：腫瘤壞死因子-α(Tumor necrosis factor,TNF-α)、白介素-1β(IL-1β)和一氧化氮(NO)等，這些介質(zhì)的不斷產(chǎn)生和積累從而造成了周圍神經(jīng)元的損傷[2]。同時(shí)，受損的神經(jīng)元釋放多種毒性物質(zhì)，如β-淀粉樣蛋白(Aβ)和α-突觸核蛋白(α-synuclein)等，然而這些毒性物質(zhì)能夠進(jìn)一步誘導(dǎo)MG形成M1表型并且又再次釋放神經(jīng)毒性物質(zhì)。所以，受損的神經(jīng)元和M1表型的MG之間構(gòu)成了一種惡性循環(huán)，尤其是對神經(jīng)退行性疾病，例如在阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)的發(fā)生發(fā)揮重要作用[3]。受到外界過度刺激的MG轉(zhuǎn)化為M1表型后，M1表型MG能夠調(diào)控炎性因子的釋放，并且形成級聯(lián)放大反應(yīng)從而導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生，體內(nèi)一些活性物質(zhì)可以調(diào)控M0向M1表型的轉(zhuǎn)化或者促進(jìn)其向M2表型轉(zhuǎn)化[4]；M2表型的MG通常被稱為“守衛(wèi)保護(hù)大腦者”能夠及時(shí)清除腦有害物質(zhì)。M2表型能夠發(fā)揮吞噬作用、調(diào)控抗炎因子的表達(dá)增加比如：促進(jìn)抗炎因子IL-10等表達(dá),從而修復(fù)損傷的神經(jīng)元[5]。

1 MG的表型分型

在健康的腦組織中，MG是一種極具可塑性和多向性的細(xì)胞類型。他們以不同的形態(tài)存在，即“靜息型MG”(M0)和“活化型MG”，后者又分為M1型和M2型兩種活化細(xì)胞，維系著CNS微環(huán)境的平衡[6]。在CNS內(nèi)環(huán)境發(fā)生改變時(shí)，如炎癥、損傷、抗原入侵等，M0型MG轉(zhuǎn)變?yōu)榧せ畹腗1和/或M2型MG，以保護(hù)CNS免受神經(jīng)損傷或致病性入侵和隨后的神經(jīng)炎癥反應(yīng)[7-8]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，MG的M1型又稱為“經(jīng)典激活”，主要發(fā)揮促炎作用，M1表型的生物因子標(biāo)志主要為TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-12和CD16/32；M2型又稱為“替代激活”，主要發(fā)揮抗炎和修復(fù)作用，而M2表型的生物因子標(biāo)志主要是IL-10、Arg-1和CD206[4]。

2 MG的表型轉(zhuǎn)化

當(dāng)CNS受到刺激時(shí)，M0型MG迅速被激活，轉(zhuǎn)化為免疫原性表型M1和抗炎癥表型M2型MG。研究表明，M1型MG能夠釋放神經(jīng)毒性物質(zhì)，誘發(fā)炎癥反應(yīng)；M2型MG具有多種免疫保護(hù)功能，在腦中起到免疫消除作用，并能促進(jìn)中樞神經(jīng)系統(tǒng)組織的修復(fù)和再生[9]。根據(jù)基因表達(dá)譜，M2型MG又被細(xì)分為3種不同的激活狀態(tài)即：M2a、M2b、M2c。M2a型MG是通過選擇性激活產(chǎn)生，并通過抗炎因子的分泌和碎片的吞噬作用促進(jìn)免疫消除，通過產(chǎn)生神經(jīng)營養(yǎng)因子如胰島素樣生長因子-1(IGF-1)促進(jìn)組織再生；M2b型MG被免疫復(fù)合物介導(dǎo)的Fcγ受體刺激激活，其特征是IL-12分泌下調(diào)，而IL-10分泌增多；M2c型MG是M1型MG在糖皮質(zhì)激素或IL-10作用下失活而成，其分泌特征主要由轉(zhuǎn)化生長因子(TGF-β)和鞘磷脂激酶的表達(dá)所主導(dǎo)，發(fā)揮促進(jìn)組織修復(fù)和基質(zhì)重構(gòu)[10-11]。最近的研究發(fā)現(xiàn)，靜息和活化狀態(tài)的MG功能轉(zhuǎn)化是由相關(guān)的信號傳導(dǎo)和生長因子進(jìn)行調(diào)控：在靜息狀態(tài)下，MG通過激活周圍神經(jīng)元和AS分泌的幾個(gè)關(guān)鍵細(xì)胞因子信號軸，如TGF-β、小細(xì)胞浸潤因子和集落刺激因子1(CSF-1)受體來維持細(xì)胞環(huán)境的穩(wěn)態(tài)。當(dāng)脂多糖(LPS)或干擾素-γ(IFN-γ)刺激時(shí)，會促進(jìn)MG的M1型形成，分泌炎性介質(zhì)：TNF-α和IL-1β等，從而對健康腦細(xì)胞造成損傷[12]。然而，在白介素-4(IL-4)作用下，卻可以促進(jìn)M2表型形成，主要引起抗炎反應(yīng)，釋放白介素-10(IL-10)等介質(zhì)，促進(jìn)軸突再生，發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用[13]。研究發(fā)現(xiàn)，在體外細(xì)胞培養(yǎng)中，免疫熒光標(biāo)記的MG的M1和M2表型特征性標(biāo)志物，隨時(shí)間增加，不同表型所占比值也在發(fā)生動態(tài)變化。具體來說，在維持大腦神經(jīng)穩(wěn)態(tài)的平衡過程中，初始M2型比M1型表現(xiàn)強(qiáng)，其對傷口愈合和抗炎修復(fù)發(fā)揮重要作用；但在慢性炎癥后期，M1型占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致神經(jīng)損傷[14]。因此，在維持CNS穩(wěn)態(tài)的過程中，調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細(xì)胞M1/M2表型的轉(zhuǎn)化具有重要意義(見圖1)。

圖1 MG表型轉(zhuǎn)化及功能示意圖

3 MG在CNS微環(huán)境調(diào)節(jié)作用

MG在CNS微環(huán)境中是重要的調(diào)節(jié)因子。當(dāng)遇到外界刺激時(shí)，MG的高度動態(tài)和反應(yīng)性分泌使其能對細(xì)胞外界信號做出快速反應(yīng)，即MG通過中和病原體或者一些致病性肽如Aβ和分泌抗炎因子如IL-10或生長因子，來修復(fù)和防止大腦的過度損傷，在急性炎癥期間可以對大腦起到免疫保護(hù)作用[15]。靜止?fàn)顟B(tài)下的MG通過吞噬作用，清除病原體和細(xì)胞碎屑來調(diào)節(jié)CNS的穩(wěn)態(tài)，而過度炎癥會導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞損傷和神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生?，F(xiàn)在研究發(fā)現(xiàn)，不同階段的MG反應(yīng)能夠干預(yù)和改變炎癥并在神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病防治中開辟新的方向[16]。實(shí)際上，在生理?xiàng)l件下，急性炎癥反應(yīng)之后，MG信號通路會產(chǎn)生一個(gè)負(fù)反饋循環(huán)，從而有效地消除炎癥。在腦損傷模型中，MG首先上調(diào)IL-6等炎癥細(xì)胞因子的表達(dá)，并刺激IL-10和TGF-β的表達(dá)快速升高，通常在小鼠損傷腦組織7天后達(dá)到峰值[17]。而IL-10和TGF-β是重要的細(xì)胞因子，能介導(dǎo)向周邊的MG由M1向M2表型轉(zhuǎn)化，以重建中樞神經(jīng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)微環(huán)境。TGF-β還能促進(jìn)神經(jīng)營養(yǎng)因子的產(chǎn)生，并刺激早期AS增生，以減少寡聚體Aβ突觸毒性。此外，MG和AS的TGF-β 信號通路已被證明可以減少海馬神經(jīng)元中AD相關(guān)的樹突棘丟失，從而并提高記憶能力[18]。

4 MG與AD

AD是癡呆癥的主要病因。由于老齡化人口的急劇增加，它在發(fā)達(dá)國家的發(fā)病率不斷上升，這是對現(xiàn)代醫(yī)學(xué)最昂貴的挑戰(zhàn)之一[19]。面對這一挑戰(zhàn)，對AD的發(fā)病機(jī)制有更全面的了解已成為現(xiàn)在關(guān)注的熱點(diǎn)。最近的研究顯示，越來越多的證據(jù)表明，作為大腦固有的免疫系統(tǒng)細(xì)胞的MG發(fā)揮重要作用，MG對病原體和炎癥的反應(yīng)現(xiàn)在已明確。在尋找AD基因修飾因子的過程中，全基因組關(guān)聯(lián)研究發(fā)現(xiàn)，大部分AD的遺傳風(fēng)險(xiǎn)存在于MG而非神經(jīng)元中表達(dá)的基因，如APOE、TREM2、CD33、BIN1、INPP5D、PICALM等一系列致病基因[20]。根據(jù)越來越多的文獻(xiàn)報(bào)道，MG在AD中對個(gè)體細(xì)胞因子和趨化因子的有保護(hù)和損害作用，說明其具備“雙刃劍”的功能；研究也指出MG的神經(jīng)營養(yǎng)因子和神經(jīng)源性因素在CNS中所扮演的不同角色，所以MG在AD的發(fā)病機(jī)制中如何發(fā)揮作用是目前許多學(xué)者的關(guān)注點(diǎn)[21-22]。研究發(fā)現(xiàn)，Aβ沉積、Tau蛋白過度磷酸化、補(bǔ)體系統(tǒng)的激活等都能夠激活MG從而促使AD發(fā)生。當(dāng)Aβ沉積形成斑塊后通過激活MG受體或當(dāng)Aβ部分片段與C1q補(bǔ)體蛋白受體相結(jié)合形成攻膜復(fù)合體(membrane attack complex,MAC)促進(jìn)神經(jīng)炎癥并導(dǎo)致AD的發(fā)生[23-24]。此外，MG內(nèi)絲裂原激活蛋白激酶(MAPK)途徑被激活并釋放大量炎癥因子，同時(shí)Tau蛋白發(fā)生過度磷酸化發(fā)生異常聚集，形成神經(jīng)纖維纏結(jié)(neurofibrillary tangles,NFTs)促進(jìn)AD發(fā)生[25]。

4.1 MG與神經(jīng)炎癥 在AD微環(huán)境中，MG反饋系統(tǒng)的缺失可導(dǎo)致其促炎和抗炎作用的平衡偏離生理平衡。新發(fā)現(xiàn)的證據(jù)表明，在這種慢性神經(jīng)炎癥環(huán)境，先天免疫通路被激活，抑制MG的表達(dá)和神經(jīng)毒性因子的增加，導(dǎo)致了神經(jīng)元的損失[26]。利用基于MRI方法的神經(jīng)圖像和膠質(zhì)反應(yīng)、細(xì)胞因子改變、神經(jīng)發(fā)生的組織學(xué)進(jìn)行評估，研究者發(fā)現(xiàn)，在TgAPP/PS1小鼠中，MG和AS在6個(gè)月大時(shí)被激活并聚集在Aβ斑塊周圍，在6～12個(gè)月大時(shí)隨年齡增長顯著增加。聚集的MG顯著上調(diào)促炎因子的產(chǎn)生，包括TNF-α、iNOS和IL-1β[27]。研究發(fā)現(xiàn)，在APP/PS1模型小鼠中，核轉(zhuǎn)錄因子(NF-κB)炎癥通路被激活，TNF-α、IL-1β、IL-6等炎癥因子表達(dá)含量明顯增加，這些炎癥介質(zhì)又能夠進(jìn)一步激活NF-κB信號通路，從而促進(jìn)炎癥聯(lián)級放大反應(yīng)[28]。此外，MAPK信號通路被激活后，p38-MAPK能夠誘導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞釋放大量炎癥因子、粘附因子等，同時(shí)也促進(jìn)MG本身凋亡[29-30]。采用p38抑制劑阻斷炎癥通路的發(fā)生能夠減緩AD進(jìn)展。另外，當(dāng)MG被激活后，過氧化物酶體增殖物激活受體(PPAR)信號通路也會被激活并能夠抑制炎癥作用，促進(jìn)MG由M1型向M2型轉(zhuǎn)化，并分泌IL-4和IL-10等抗炎因子以及神經(jīng)營養(yǎng)因子從而抑制炎性反應(yīng)的發(fā)生[31]。當(dāng)PPARδ與NF-κB亞基結(jié)合，并抑制NF-κB蛋白轉(zhuǎn)錄過程，從而減少炎癥介質(zhì)的釋放，最終發(fā)揮防治AD的作用[32]。Toll樣受體4(TLR4)的抑制已被證明與免疫反應(yīng)和腦損傷有關(guān)。文獻(xiàn)報(bào)道與C57BL/6野生型小鼠相比，APP/PS1轉(zhuǎn)基因AD小鼠TLR4水平顯著升高，同時(shí)MG的炎性因子表達(dá)顯著升高。TLR4 抑制劑 TAK-242可顯著改善神經(jīng)功能，降低Bax水平，顯著降低M1標(biāo)記物iNOS和TNF-α水平，而M2表型標(biāo)記物TREM2和Arg-1在體內(nèi)外表達(dá)增加。與此同時(shí)，在Aβ25-35所致的AD模型中，炎癥標(biāo)志物MyD88、NF-κB-p65和NLRP3的升高，NLRP3升高可被NLRP3-siRNA或TAKC-242預(yù)處理所抑制。這些結(jié)果表明，抑制TLR4具有神經(jīng)保護(hù)作用，并促進(jìn)了AD中MG從炎性M1表型向保護(hù)性M2表型的轉(zhuǎn)變[33-34]。

4.2 MG與補(bǔ)體系統(tǒng)激活 在各種神經(jīng)系統(tǒng)疾病中，補(bǔ)體通路過度激活可導(dǎo)致神經(jīng)元損傷。新近研究發(fā)現(xiàn)，在淀粉樣變異蛋白(PS2APP)和具有病變的Tau蛋白(Tauopathy)Taup301小鼠模型中，MG中典型補(bǔ)體成分和中心成分C3表達(dá)增加。通過去除C3阻斷補(bǔ)體功能，可以減少PS2APP小鼠斑塊相關(guān)的突觸丟失，改善Taup301小鼠的神經(jīng)元丟失和腦萎縮，改善神經(jīng)生理和行為。此外，在AD患者的大腦中發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)元突觸中C3蛋白升高，并且腦脊液中C3蛋白的水平也增加，并與Tau蛋白有一定的聯(lián)系，此外，過度刺激C3補(bǔ)體受體后，使得MG，尤其是M1型MG激活，并釋放大量炎癥因子，破壞微環(huán)境的平衡從而促進(jìn)AD發(fā)生[35]。這些結(jié)果表明，在大腦損傷和病變的環(huán)境中，激活的補(bǔ)體系統(tǒng)可以通過Tau蛋白病理引起的神經(jīng)退行性變。雖然AD的特征是β-淀粉樣蛋白斑塊(Aβ)和Tau蛋白纏結(jié)，但現(xiàn)在對補(bǔ)體的研究主要集中在淀粉樣變模型上[36]。聚集的Aβ也可以激活補(bǔ)體，通過MG吞噬作用導(dǎo)致突觸被枝剪甚至丟失。值得注意的是，全身系炎癥可激活大腦中的MG的TLR4、NLRP3炎癥小體和補(bǔ)體，從而導(dǎo)致CNS神經(jīng)炎癥、Aβ聚集、突觸丟失和神經(jīng)退行性變[37]。根據(jù)現(xiàn)在機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)，在β-淀粉樣蛋白斑塊(Aβ)的AD模型小鼠中，其大腦神經(jīng)元的突觸出現(xiàn)丟失，并在Aβ斑塊沉積的周圍出現(xiàn)MG大量激活，隨后補(bǔ)體系統(tǒng)激活，C1q等補(bǔ)體蛋白參與神經(jīng)炎癥反應(yīng)發(fā)生[38]。MG表面高表達(dá)C1q補(bǔ)體受體蛋白，Aβ前體蛋白(APP)經(jīng)β-和γ-裂解酶分解而成的Aβ1-16可與C1q受體結(jié)合，其結(jié)合的親和力高，對補(bǔ)體系統(tǒng)激活作用明顯[39]。當(dāng)大量的Aβ與MG表面的C1q受體結(jié)合后，補(bǔ)體系統(tǒng)被過度激活形成MAC，并對正常的組織造成損壞作用，使得細(xì)胞凋亡和溶解；同時(shí)，MAC也能夠激活M1型MG，并產(chǎn)生大量的炎癥因子，形成鏈?zhǔn)郊壜?lián)放大反應(yīng)的惡性循環(huán)，從而導(dǎo)致AD發(fā)生[40]。研究發(fā)現(xiàn)，將人工合成的Aβ42多肽疫苗注射進(jìn)入APP/PS1模型小鼠后，通過檢測發(fā)現(xiàn)小鼠血清中具有高濃度的抗Aβ42的抗體，且腦內(nèi)Aβ沉積含量顯著降低從而降低了AD的發(fā)生[41]。在補(bǔ)體受體系統(tǒng)中，當(dāng)MG表面的C3補(bǔ)體受體激活后，可以調(diào)節(jié)MG在初期進(jìn)行吞噬細(xì)胞分泌毒性物質(zhì)、清除Aβ等，進(jìn)而維持神經(jīng)元微環(huán)境平衡[42]。

4.3 MG與Tau蛋白磷酸化 大量的Aβ沉積在神經(jīng)組織周圍形成斑塊和神經(jīng)細(xì)胞的Tau蛋白過度磷酸化和異常聚集形成神經(jīng)纖維纏結(jié)(Neurofibrillary tangles,NFTs)是AD主要病理特征[43-44]。在正常的神經(jīng)組織微環(huán)境中，Tau蛋白是微管相關(guān)蛋白(Microtubule associated proteins,MAPs)組成成員之一，微管蛋白與正常的Tau蛋白相結(jié)合可以促進(jìn)微管的形成、穩(wěn)定和延長從而發(fā)揮微管在神經(jīng)組織中的蛋白物質(zhì)運(yùn)輸功能并維持正常的神經(jīng)細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)[45]。但在AD患者腦中或者APP/PS1小鼠中，正常的Tau蛋白發(fā)生磷酸化從微管骨架上解離下來，導(dǎo)致過度磷酸化Tau蛋白發(fā)生異常聚集，從而形成NFTs刺激MG釋放大量的炎癥因子導(dǎo)致AD的發(fā)生。研究發(fā)現(xiàn)，采用野生型的Syn基因蛋白與Tau蛋白競爭性地結(jié)合微管組裝蛋白，從而能夠有效控制Tau蛋白發(fā)生過度磷酸化并影響微管的功能作用發(fā)揮[46]。Tau蛋白過度磷酸化在MG內(nèi)激活mTOR(雷帕霉素靶蛋白)蛋白受體或者Toll樣受體，并通過GSK-3β、MAPK等炎癥信號通路進(jìn)一步促進(jìn)AD發(fā)生。利用雷帕霉素可減輕Tau蛋白過度磷酸化和異常聚集[47-48]。同時(shí)在激活MG表面的Toll樣受體和IL-1受體后，通過p38-MAPK途徑可以引起炎癥因子大量釋放，Tau蛋白發(fā)生過度磷酸化進(jìn)行病理化擴(kuò)散并引起神經(jīng)元的損傷和記憶空間受損從而促進(jìn)AD發(fā)生[49]。有研究報(bào)道可以通過研發(fā)Tau蛋白疫苗來減少磷酸化Tau蛋白的聚集形成和對神經(jīng)元損害作用；同時(shí)，采用Toll樣受體抑制劑能夠促進(jìn)MG由M1型向M2型轉(zhuǎn)化，并釋放抗炎因子，減少磷酸化Tau蛋白的形成和異常聚集，從而延緩AD發(fā)生[50]。

4.4 MG與吞噬作用 髓樣細(xì)胞觸發(fā)受體(TREM2)在CNS中僅在MG表面表達(dá)。研究表明，激活TREM2對Aβ沉積和磷酸化Tau蛋白的吞噬清除作用具有一定調(diào)控作用[51]。在AD小鼠中，體外給予IL-4可激活TREM2，導(dǎo)致溶酶體和微管相關(guān)蛋白1輕鏈3(LC3)II/I表達(dá)升高，說明MG自噬水平升高，由此顯著下調(diào)半胱天蛋白酶募集域含蛋白9(CARD9)和TLR4的表達(dá)水平，通過削弱CARD9-TLR4通路，抑制TLR4介導(dǎo)的促炎作用，這一研究結(jié)果提示，TREM2可能是治療AD神經(jīng)炎癥的潛在藥物靶點(diǎn)[52]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)沉默TREM2基因，AD患者或在APP/PS1小鼠模型中的Aβ沉積越多，且MG被激活，以及釋放大量炎癥因子促進(jìn)AD發(fā)生[53]。增加TREM2受體表達(dá)，發(fā)現(xiàn)MG周圍的Aβ沉積明顯減少，且MG對Aβ的吞噬作用增強(qiáng)，釋放的抗炎因子IL-10以及神經(jīng)營養(yǎng)因子等明顯增加，提示TREM2基因可以促進(jìn)MG由M1型向M2型轉(zhuǎn)化[54]。此外，研究發(fā)現(xiàn)，在APP/PS1模型小鼠中，TREM2基因缺陷或轉(zhuǎn)導(dǎo)受損時(shí)使磷酸化Tau蛋白表達(dá)含量明顯增多，并會發(fā)生異常聚集形成NTFs，MG的吞噬功能下降[55]。因此，通過過表達(dá)TREM2，能夠促進(jìn)MG由M1型向M2型轉(zhuǎn)化，進(jìn)而增加MG吞噬磷酸化Tau蛋白功能[56]。

5 展望

目前的一系列神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)病機(jī)制和治療手段并未完全清楚，此篇綜述探討的是：在正常的生理?xiàng)l件下，MG處于M1、M2兩種表型的動態(tài)平衡中，但受到外界刺激后，M1表型的MG通過激活補(bǔ)體和釋放炎癥因子等導(dǎo)致疾病發(fā)生；而M2表型的MG發(fā)揮吞噬沉積的Aβ、磷酸化的Tau蛋白作用來抑制疾病的發(fā)生。因此，通過調(diào)節(jié)MG的M1、M2表型轉(zhuǎn)化功能狀態(tài)來防治疾病的發(fā)生，但是目前對于藥物和治療方案來調(diào)控M1、M2表型轉(zhuǎn)化的報(bào)道較少，所以可以以此篇文章，為治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病的藥物研發(fā)和MG表型轉(zhuǎn)化抑制疾病作進(jìn)一步的探討。