小膠質細胞在神經退行性疾病中的神經免疫調節作用

沈婕 李久勝

(三潭醫院 急診內科 天津 300190)

小膠質細胞在神經退行性疾病中的神經免疫調節作用

沈婕 李久勝

(三潭醫院 急診內科 天津 300190)

神經炎癥；神經退行性疾病；小膠質細胞；星形膠質細胞；炎性細胞因子

近年來的臨床研究和動物實驗的證據表明腦內神經炎癥與多種急慢性神經退行性疾病的發生和發展密切相關，如阿爾茨海默病(Alzheimer's disease，AD)、帕金森病(Parkinson's disease，PD)和多發性硬化(multiple sclerosis，MS)等。而小膠質細胞在神經炎癥中起到了關鍵性的作用，它既能保護神經元，又能分泌神經毒性物質，維持神經元的微環境，并以此來控制神經元的命運。小膠質細胞功能的調節是通過與神經元、星形膠質細胞、血腦屏障和中樞神經系統(CNS)浸潤的T細胞之間的相互作用實現的。本文就該方面的研究進展做一簡要綜述。

1 小膠質細胞功能

神經炎癥以小膠質細胞的活化為特征，伴隨血腦屏障的通透性改變，外周免疫細胞進入中樞神經系統，釋放炎性因子導致神經元損傷死亡。小膠質細胞活化對神經炎癥的調節發揮著重要的作用，但其機制尚未完全清楚。小膠質細胞與外周巨噬細胞有很多不同之處，例如小膠質細胞能被血清蛋白活化從而感知血腦屏障的破壞。小膠質細胞在腦實質中，不能循環，在活化時會大量增殖[1]。健康狀態下，小膠質細胞有一種穩定的表型時刻監視著周圍的環境，它們能夠通過表達表面分子和分泌可溶性因子來影響星形膠質細胞和神經元的功能，促進細胞碎片和聚合蛋白的清除，并在突觸修剪中起積極作用[2]。當受到感染和損傷時小膠質細胞表現出與外周巨噬細胞相似的反應。在中樞神經系統被損傷和感染時，小膠質細胞暴露在含脂多糖和IFN-γ的環境中被活化，表型發生變化獲得M1樣的特征，細胞形態如變形蟲樣，高表達促炎性因子，細胞具有很強的吞噬能力，并表達一些標志分子如CD86、誘生型一氧化氮合酶(iNOS)和CD16/32[3-4]。在含有IL-4、IL-10等抗炎因子的微環境中，小膠質細胞獲得M2樣表型，細胞形態小，有分支狀突起，表達特異性標志分子如巨噬細胞甘露糖受體1(CD206)和精氨酸酶1(arginase-1)[5]。通常中樞神經系統損傷和感染之后，最初的炎癥反應是由M1樣小膠質細胞介導的，它主要發揮抵抗微生物的殺菌作用和吞噬細胞的作用，這些作用有利于細胞碎片的清除以及隨后的損傷修復。早期活化之后M1樣小膠質細胞在恢復階段有兩種不同的命運。一方面，是在最后階段M2樣小膠質細胞參與M1樣小膠質細胞誘導的炎癥消退，隨后產生神經營養因子促進組織修復[5]。另一方面，也是不利的一方面，M1樣小膠質細胞經歷不受控制的活化或者過度活化，誘導慢性炎癥而導致神經毒性因子產生，時間過長會導致神經元死亡。這種情況下小膠質細胞成為炎性介質的主要來源，產生的炎性因子和炎性介質包括TNF-α、IL-6、IL-1β、IL-1α、NO、過氧化氫、過氧化物陰離子、蛋白水解酶和谷氨酸鹽及趨化因子RANTES和MCP-1等[1]。

2 小膠質細胞在神經炎癥中的分子調節

傳染性病原體的炎性反應是通過病原體相關分子模式的受體刺激啟動的，例如Toll樣受體。這些受體不僅僅識別像LPS、鞭毛蛋白或者雙鏈RNA的抗原[6]，而且它們也能識別內源性聚合和氧化的蛋白[7]。Toll樣受體刺激包括細胞內接頭蛋白MyD88和TRIF的募集以及隨后IκB激酶和MAP激酶的活化。IκB的磷酸化作用會導致NF-κB的核易位，MAP激酶活化會使AP-1轉錄因子活化。這些信號通路的協同作用導致了一型干擾素等促炎因子的產生[8]。小膠質細胞上有許多Toll樣受體(TLR1-TLR9)及它們的共同受體。其中TLR2和TLR4與阿茲海默癥和帕金森癥等神經退行性疾病的神經炎癥和聚合蛋白的清除有關[7]。關于阿茲海默癥已經有研究表明聚合的淀粉樣蛋白-β (Aβ)能通過TLR4刺激小膠質細胞產生高水平的促炎因子如NO、IL-6和TNF-α。而TLR4缺失的阿茲海默病小鼠模型中，小鼠大腦中發現了彌漫性的纖維素性的Aβ增生[9]。此外，LPS作用于野生型小鼠的海馬區后，刺激TLR4使聚合的Aβ的量減少，與此同時還伴隨著適度的小膠質細胞的活化。有趣的是不同型的TLR4與阿茲海默癥的發病風險有關，而在帕金森癥中沒有這種現象。關于帕金森癥中TLR4的研究表明在患有帕金森癥的小鼠大腦中TLR4的表達上調。而TLR4缺失會導致帕金森癥小鼠模型中小膠質細胞活化和神經變性的敏感性降低[10]。與這些研究一致的是，給小鼠注射低劑量的LPS在中腦誘發神經炎癥后，小膠質細胞獲得活化的M1樣表型，進而會導致黑質紋狀體通路的多巴胺能神經元損失增多，產生運動功能障礙[11]。因此，TLR4有助于慢性小膠質細胞的活化進而產生神經炎癥和神經變性。小膠質細胞的TLR2也與帕金森癥和阿茲海默癥有關。例如聚集的Aβ也會導致TLR2介導的小膠質細胞的活化；低聚體突觸核蛋白也可以通過與TLR2質細胞介導的吞噬作用都會減弱，聚集的Aβ激活小膠質細胞誘發炎癥反應[7]。此外在阿茲海默癥和帕金森癥的動物模型大腦中都會發現TLR2表達上調。而阿茲海默癥動物模型中TLR2缺失后，小膠質細胞的活化顯著增強，認知損害加重。因此在阿茲海默癥神經變性過程中，TLR2的作用比TLR4更顯著。在這些神經退行性疾病中其他Toll樣受體對神經炎癥的發生發展也有一定的作用。例如無論是在體外還是在阿茲海默癥模型體內刺激小膠質細胞的TLR9都能夠使Aβ介導的神經毒性作用減弱[11]。因此，在神經退行性疾病中小膠質細胞上的Toll樣受體能夠調節M1樣表型的獲取以及具有神經毒性的慢性炎癥。

小膠質細胞產生的TNF-α在帕金森癥和阿茲海默癥的神經變性過程中發揮著重要的作用[12]。另一種由小膠質細胞分泌的介導神經毒性的物質是興奮性神經遞質谷氨酸。當動物發生急性的中樞神經系統損傷如腦外傷、局部缺血和癲癇癥，以及像帕金森癥、阿茲海默癥和肌萎縮性(脊髓)側索硬化等神經退行性疾病時，腦組織中細胞外的谷氨酸都會大量聚集，從而導致神經元興奮性中毒。當CNS受到損傷時，具有谷氨酸緩沖能力的星形膠質細胞會減少，損傷部位被活化的M1樣小膠質細胞占據。雖然神經元、星形膠質細胞和處于穩態的小膠質細胞也會釋放高水平的谷氨酸，但是活化的M1樣的小膠質細胞會通過連接蛋白半通道和胱氨酸/谷氨酸逆向轉運系統釋放大量有毒的谷氨酸。而神經元中離子型谷氨酸受體N-甲基-D-天門冬氨酸(NMDA)的過度刺激會造成鈣離子內流異常從而導致細胞死亡。TNF-α能夠刺激小膠質細胞中谷氨酰胺酶上調表達，進一步促進小膠質細胞合成和釋放谷氨酸。與此同時TNF-α還能夠抑制星形膠質細胞對谷氨酸的攝取。因此，小膠質細胞產生的炎性因子能夠加劇細胞外谷氨酸的增加，從而加劇神經元的損傷死亡。此外，受損的神經元能夠刺激表達在小膠質細胞上的Toll樣受體來進一步促進谷氨酸的上調表達，從側面加強小膠質細胞的神經毒性作用[13]。并且表達在小膠質細胞上的α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸受體和代謝型谷氨酸受體的自分泌作用能夠促進TNF-α的合成和釋放[14]，因此，谷氨酸的釋放和TNF-α的產生形成了兩條相互促進的神經毒性機制，并且這兩種機制具有一致的作用。

3 神經退行性疾病中神經元與小膠質細胞的相互作用

雖然傳統上對神經炎癥的研究主要集中在小膠質細胞，然而在過去10 a，神經元在神經退行性疾病過程中對炎癥反應的作用也倍受關注。有證據表明神經元和小膠質細胞之間相互作用對神經炎癥和神經變性具有重要的調節作用。M1樣和M2樣小膠質細胞對神經元的存活和穩態分別發揮著不同的影響，相反神經元也可以誘導小膠質細胞開啟或關閉炎癥反應。就這點來說，熱激蛋白60(HSP60)，它能誘導TLR4依賴性的神經毒性介質NO的合成，從而在小膠質細胞引發氧化反應[15]。另一個重要的開啟小膠質細胞對中樞神經系統損傷的機制是通過代謝型的嘌呤受體6(P2Y6)。當神經元損傷時小膠質細胞上的這種受體的表達會上調，而神經元的核苷酸也會被釋放到細胞外。Koizumi等[16]發現表達在小膠質細胞上的P2Y6受體可以作為一個擴散性尿苷二磷酸的傳感器，引發吞噬作用而使神經元受到損傷。在神經變性過程中神經元與小膠質細胞的相互作用也可以由高遷移率族蛋白B1(HMGB1)介導。在中風和帕金森癥模型中損傷或死亡的神經元、活化的小膠質細胞都能夠釋放高遷移率族蛋白B1(HMGB1)，隨后再作用于小膠質細胞，從而加劇神經變性[17]。示蹤目標分子HMGB1的實驗表明這種蛋白能與表達在小膠質細胞表面的CD11b結合，刺激 NF-κB通路和NADPH氧化酶，從而產生大量的炎性因子和神經毒性因子。中和掉HMGB1/CD11b或使NADPH氧化酶的基因缺失都會阻止神經變性的發展[17]。上述證據揭示了一系列神經元和小膠質細胞的相互作用機制，即活化的小膠質細胞和損傷的神經元形成一個惡性循環來介導慢性和漸進性的神經變性。而這些發現可能就是慢性帕金森癥病程發展的根本原因。不管是促炎信號還是抑炎信號都能通過神經元對小膠質細胞的作用來促進。例如表達在小膠質細胞表面的CD200與表達在神經元表面的CD200R互相作用能夠發揮抗炎的作用。而有些研究指出CD200-CD200R信號通路能夠抑制小膠質細胞的活化，CD200-CD200R的相互作用能引發小膠質細胞中的促炎因子的下調和抗炎因子的上調[18]，由此，小膠質細胞表型從M1樣轉變為M2樣。在不同的神經退行性疾病中都存在著這種相互作用。在帕金森癥模型中這種相互作用的紊亂會加重多巴胺能神經元的變性[19]，而在阿茲海默癥模型中能促進神經炎癥，在多發性硬化癥小鼠模型中會更早的出現實驗性自身免疫性腦脊髓炎。與此一致的是，在阿茲海默癥和多發性硬化癥模型中應用CD200R激動劑有利于癥狀的緩解[20]。并且阿茲海默癥患者中CD200和CD200R表達量均降低。另一種抗炎相互作用機制是由趨化因子CX3CL1介導的。CX3CL1可作為神經元上的跨膜錨定蛋白，能夠被裂解成可溶性的同種型。可溶性的CX3CL1與表達在小膠質細胞上的CX3CR1作用能抑制M1樣表型的活化，由此抑制神經炎癥反應和神經變性。在帕金森癥[21-22]、肌萎縮側索硬化和阿茲海默癥動物模型中，CX3CL1介導的抗炎性反應能抑制神經變性。其他神經元對小膠質細胞的抗炎性信號可由表達在神經元上的CD47與小膠質細胞和巨噬細胞上的SIRPα(信號調節蛋白α)的相互作用介導，此外還可由神經元分泌的CD22和表達在小膠質細胞和浸潤在CNS巨噬細胞上的CD45的相互作用介導[23]。

以上證據說明，小膠質細胞的活化是一個動態的可調節的過程，而這種調節作用可直接由神經元介導。動態平衡時神經元能夠誘導小膠質細胞發揮抗炎性作用，而當環境或遺傳因素使平衡破壞時，神經元釋放的信號使小膠質細胞能夠促進神經炎癥發生進而導致神經變性。

綜上所述，神經炎癥是神經退行性疾病共有的一種病理變化，小膠質細胞在此過程中發揮著重要的調節功能。小膠質細胞接受微環境中神經元及其他細胞或者細胞因子等刺激信號，發生活化，釋放或具有神經損傷作用或神經保護作用的因子，損傷神經元或保護神經元。因此，小膠質細胞可以作為許多神經退行性疾病的治療靶標，為神經退行性疾病的治療帶來新的轉機。

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10.3969/j.issn.1004-437X.2017.02.023

2016-03-14)