小膠質細胞在新生兒缺氧缺血性腦病中的作用的研究進展▲

羅 興 方成志 曾紅蘭 張丙宏

(武漢大學人民醫院新生兒科，湖北省武漢市 430060，電子郵箱：luoxing0618@hotmail.com)

【提要】 小膠質細胞作為中樞神經系統的固有免疫細胞，參與了新生兒大腦發育和功能穩態的維持。目前認為小膠質細胞在中樞神經系統損傷中的作用是雙重的，既可以加劇神經損傷，也可以通過分泌生長因子、吞噬清除細胞碎片等方式限制炎癥信號，促進神經功能的恢復。本文就小膠質細胞在新生兒腦發育及缺氧缺血性腦病中的作用進行綜述，旨在為未來靶向小膠質細胞治療缺氧缺血性腦病提供新的觀點。

新生兒缺氧缺血性腦病(hypoxic-ischemic encephalopathy，HIE)是圍生期因部分或完全缺氧、腦血流減少或暫停，而引起的一系列神經異常表現綜合征，是新生兒死亡和致殘的重要原因。約有20% HIE患兒在新生兒期死亡，而有30%的患兒會遺留長期神經系統后遺癥，如腦癱、視力障礙、癲癇發作、智力低下和學習障礙等[1]。目前HIE的發病機制尚未完全闡明，涉及圍生期感染、早產兒、腦組織代謝改變、宮內窘迫、遺傳缺陷等[2]，觸發了神經炎癥、氧化應激、谷氨酸興奮毒性等一系列神經毒性事件，導致神經功能的不可逆損害[3]。

小膠質細胞占神經膠質細胞總數的5%～20%，是中樞神經系統的常駐免疫和抗原提呈細胞，靜息狀態下胞體較小，呈梭狀或分支狀[4]。在發生感染、創傷、局部缺血和神經退行性變的情況下，小膠質細胞將轉變為阿米巴或巨噬細胞樣，并迅速向病變部位遷移。一方面，小膠質細胞會釋放炎性細胞因子和細胞毒性物質而加劇組織損傷；但另一方面，小膠質細胞也可通過清除活性氧簇、吞噬細胞碎片、釋放神經營養因子等方式，來促進組織修復和重塑。小膠質細胞生物學功能的廣泛性，決定其在中樞神經系統中的地位，無論在生理還是病理情況下均發揮著不可替代的作用。

1 小膠質細胞參與新生兒正常腦發育

小膠質細胞起源于卵黃囊衍生的原始髓樣祖細胞[5]，最早在妊娠4～5周即血腦屏障形成之前，就可通過腦膜、脈絡叢和腦室進入胚胎前腦和腦皮質，這些原始的小膠質細胞以特定模式增殖、成熟并開始在大腦中定植[6-7]。在發育中的大腦，小膠質細胞的形態學表現具有相當大的異質性，不僅在大腦中分布不均，而且具有從卵圓形、變形蟲樣到分枝狀的多種形態[8]。這與小膠質細胞復雜的功能相關，其功能除了公認的免疫監視和吞噬作用外，還參與神經發生、髓鞘形成、血管生成調節、突觸重塑等過程[9]。

1.1 調節神經元數量及營養支持神經細胞 神經元數量的調節對于神經回路的正確構建至關重要，小膠質細胞通過平衡消除和存活機制參與神經元數量的控制[10]。腦發育過程中生成的神經元大多在未成熟階段死亡，小膠質細胞可通過吞噬作用促使發育過程中的未成熟或缺陷神經元發生程序性死亡，以消除腦早期發育過程中錯誤的神經連接[11-12]。此外，小膠質細胞分泌的神經生長因子和堿性成纖維細胞生長因子等神經營養因子，有助于神經元和少突膠質細胞的發育存活。

1.2 調控突觸的形成與成熟 小膠質細胞分泌腦源性神經營養因子、白細胞介素(interleukin,IL)-10等細胞因子誘導早期突觸形成，并以神經元活性依賴性的方式接觸突觸結構，監測突觸的功能狀態、參與調節突觸數量及功能可塑性[13]。小膠質細胞以CXC趨化因子3受體1(chemokine 3 receptor 1,CXC3R1)或補體依賴性途徑，及時清除數量眾多的功能發育不全或無效的突觸連接。CXC3R1是表達于小膠質細胞的特異性趨化因子受體，可與多余突觸結構神經元分泌的CXC趨化因子3配體1結合以清除非功能性突觸[14]；腦發育過程中CXC3R1的缺乏，已被證實會導致突觸修剪過程的延遲，進而引起認知功能障礙[15]。同時，小膠質細胞表達的補體受體3與未成熟突觸結構表達的經典補體蛋白C1q、C3結合，導致補體介導的突觸清除[16]。此外，小膠質細胞還參與突觸可塑性的調節，而突觸可塑性是指在外界環境作用下突觸的結構和功能發生適應性變化的能力，這種持續的小膠質細胞-突觸相互作用通常被認為是學習和記憶的基本細胞基礎。

1.3 引導脈管系統的發育 小膠質細胞可充當血管萌芽階段的“巨噬細胞接頭”，為中樞神經系統的發育提供營養和氧氣[17]。Checchin等[18]在小膠質細胞減少的新生大鼠中觀察到視網膜血管面積和血管密度減少，提示小膠質細胞在血管生成中的潛在作用。事實上，由于清除多余血管并參與血管吻合，因此小膠質細胞對于腦發育過程中的脈管系統重塑必不可少[19]。此外，小膠質細胞還可釋放促內皮生長因子、轉化生長因子β等，參與血管再生和血腦屏障的修復過程。

綜上，小膠質細胞主要通過吞噬作用以及釋放營養因子，參與正常大腦的發育和穩態調節，但其在生理或病理環境下是有益還是有害取決于微環境、刺激類型、損傷時間、與其他細胞類型的相互作用等的綜合作用。

2 小膠質細胞參與HIE發病的機制

2.1 神經炎癥 小膠質細胞介導的神經炎癥是決定HIE預后的關鍵因素[20-21]。缺氧缺血信號刺激小膠質細胞表面的模式識別受體[Toll樣受體(Toll-like receptor，TLR)、核苷酸結合寡聚域樣受體、視黃酸誘導型基因-1樣受體]，誘導小膠質細胞的形態、數量及表面蛋白均發生明顯改變，由靜息狀態轉變為活化狀態，即經典的M1型激活[22]。相反，M2型激活是由抗炎細胞因子如IL-4或IL-13觸發的，可通過分泌生長因子、吞噬清除細胞碎片等方式來限制炎癥信號，促進神經功能的恢復[23]。小膠質細胞作為中樞神經系統的常駐免疫和抗原呈遞細胞，在HIE損傷后2 h即被激活并迅速遷移到損傷部位，釋放促炎細胞因子如IL-1β、IL-6、腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF)-α，并上調趨化因子如CCL-2、CCR3等的表達，導致繼發性神經損傷。促炎因子還可破環未成熟的血腦屏障，使外周免疫細胞(中性粒細胞、單核細胞、巨噬細胞)滲入大腦，從而與活化的小膠質細胞產生協同作用以加劇免疫反應。

既往研究揭示了小膠質細胞介導HIE后神經炎癥的分子機制，其中關于TLR的研究最為廣泛[24]。TLR參與固有免疫應答的建立，與病原模式相關受體相互作用，刺激促炎細胞因子的產生和抗原提呈細胞的成熟。HIE損傷后小膠質細胞表面TLR的表達增強，誘導下游炎癥轉導因子核因子κB和干擾素調節因子3的活化；降低TLR的表達有助于減少腦梗死的面積并改善神經功能[25]。

2.2 氧化應激損傷 當活性氧、活性氮的產生與細胞抗氧化系統之間的平衡被破壞時，就會發生氧化應激。氧化應激損害腦組織的細胞結構，引起分子水平上的脂質過氧化、線粒體功能受損、細胞骨架破壞、酶失活等不可逆性改變，導致細胞死亡[26]。既往研究證實，氧化應激作為缺氧缺血性腦損傷后的重要神經毒性事件，與神經細胞的死亡密切相關。Lu等[27]發現缺氧缺血腦損傷后煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶(nicotinamide-adenine dinucleotide phosphate oxidase,NOX)的激活刺激超氧化物的產生；Lu等[28]發現活性氧參與新生兒缺氧缺血性腦損傷中病理性自噬的激活，抑制氧化應激可減輕HIE導致的神經元細胞死亡。雖然中樞神經系統的所有細胞類型都能表達一種或多種NOX同工酶，但小膠質細胞中的NOX表達水平是最高的，特別是NOX2和NOX4[29-30]。作為體內氧化代謝反應的副產物，NOX調節活性氧的生成，是M1型小膠質細胞促炎細胞因子表達的先決條件[31-32]。此外，活化的小膠質細胞表達誘導型一氧化氮合酶，促進一氧化氮及細胞毒性代謝產物過氧亞硝酸鹽的生成[33]。

2.3 破壞谷氨酸穩態 谷氨酸是中樞神經系統中主要的興奮性神經遞質[34]。生理條件下，小膠質細胞釋放的谷氨酸被星形膠質細胞和少突膠質細胞中表達的谷氨酸轉運蛋白有效清除，谷氨酸轉運蛋白介導的谷氨酸清除對于維持適當的谷氨酸信號傳導及防止其在胞外毒性蓄積至關重要[35]。在缺氧缺血損傷后，活化的小膠質細胞不僅釋放過量的谷氨酸[36]，同時釋放活性氧、TNF-α和IL-1β等細胞毒性因子破壞谷氨酸轉運蛋白的功能[37]，干擾谷氨酸重攝取從而破壞突觸間隙谷氨酸穩態，誘導神經元和少突膠質細胞死亡。此外，過量的谷氨酸抑制小膠質細胞釋放胰島素樣生長因子(insulin growth-like factor,IGF)，而IGF在組織損傷修復中起重要作用[38]。

3 小膠質細胞的神經保護作用

病理條件下，小膠質細胞活化一直以來被認為在腦損傷中發揮神經毒性作用，抑制小膠質細胞活化可減輕缺血引起的腦損傷[39]。然而，越來越多的證據表明，小膠質細胞也可通過釋放抗炎細胞因子、神經營養因子、吞噬細胞碎片、保護神經血管完整性等方式，促進腦缺血損傷后神經功能的恢復[40]。小膠質細胞的雙重作用與腦損傷后不同細胞環境和病理階段下，小膠質細胞表現出不同激活狀態和作用方式有關[41-42]。小膠質細胞活化分為經典激活型(M1)和交替激活型(M2)。與促炎M1型小膠質細胞不同，M2型小膠質細胞產生抗炎細胞因子IL-10、轉化生長因子β和IGF-1，并表達清道夫受體，有助于抑制炎癥和促進組織修復[43]。鑒于M2表型的保護功能，許多研究關注靶向小膠質細胞治療腦缺血的潛力。例如Fernández-López等[44]發現活化的小膠質細胞通過分泌轉化生長因子β，維持腦毛細血管和血腦屏障的穩定性，而且這種神經保護作用不能被外源性細胞因子所替代；Chu等[45]用富含氫的鹽水促進小膠質細胞的M2型極化，抑制HIE誘導的神經炎癥。

4 總結與展望

小膠質細胞作為中樞神經系統的固有免疫細胞和抗原提呈細胞，根據腦損傷的性質和嚴重程度，可獲得不同的功能狀態。小膠質細胞的活化是HIE發生和發展的重要步驟。鑒于小膠質細胞功能的多樣性和在中樞神經系統中的重要地位，過去幾十年學者們進行了大量研究來了解小膠質細胞如何被激活以及它們介導神經損傷的作用機制。這些研究揭示了小膠質細胞參與HIE的神經炎癥、氧化應激損傷、谷氨酸穩態的破壞等一系列神經損傷級聯反應，同時其也通過釋放抗炎細胞因子、神經營養因子、吞噬細胞碎片、保護神經血管完整性的方式來發揮神保護作用。

調節小膠質細胞的行為顯然是一個重要的研究課題，其預示著未來靶向小膠質細胞具有治療新生兒缺氧缺血性腦損傷的巨大潛力。且小膠質細胞反應通常持續數小時至數天，因此相對于其他治療措施，靶向小膠質細胞的治療時間窗更長。目前已有靶向小膠質細胞的治療策略在HIE的體內外模型中得到了驗證，例如Thomi等[46]發現臍帶間充質干細胞分泌的外泌體可通過調節小膠質細胞TLR/CD14通路，抑制促炎細胞因子的分泌；Nemeth等[47]用納米樹枝狀大分子綴合N-乙酰半胱氨酸，使其能最大限度地選擇性定位在受損的小膠質細胞中，從而減輕HIE后神經炎癥并改善神經行為學功能。但這些方法的臨床轉化應用往往受到限制，因為必須考慮到跨血腦屏障，以及藥物給藥劑量、方式、半衰期等的影響。特別因新生兒HIE是復雜的神經元損傷級聯反應，很難在嚙齒類動物模型上充分模仿，單一的藥物或治療措施往往不能達到完全的神經保護。因此，將靶向小膠質細胞的治療策略和目前已被證實有效的亞低溫治療、干細胞移植等結合起來，是未來攻克HIE的重要方向。