星形膠質細胞對阿爾茲海默病的雙向作用

原 野余姊陽邵思邁史 洺張紫娟郝 莉張振強*

(1.河南中醫藥大學中醫藥科學院,鄭州 450046;2.河南中醫藥大學基礎醫學院,鄭州 450046)

阿爾茲海默病(Alzheimer's disease,AD)是以認知功能障礙和記憶受損為主要臨床表現的神經系統退行性疾病。 在臨床上隨著AD 疾病的發展,不僅會出現語言和執行功能下降,還可能會出現非認知癥狀,如精神、行為、運動和感覺障礙。 目前已知其數個關鍵病理特征,包括淀粉樣 β(amyloid- β protein,Aβ)肽的細胞外沉積所形成的老年斑和高度磷酸化的Tau 蛋白在胞內積聚所形成神經原纖維纏結(neurofibrillary tangle,NFT),突出可塑性減弱及神經元丟失。 星形膠質細胞有著神經膠質細胞的絕大多數功能,但其主要功能還是調節細胞外離子和神經遞質,調節突觸活動維持ATP 葡萄糖和谷氨酸穩態,以及保持血腦屏障的完整性。 星形膠質細胞在致炎因素作用下形態功能均會發生改變,激活為反應性星形膠質細胞。 反應性星形膠質細胞一方面既可以產生相關神經營養因子保護神經元,另一方面也可以分泌細胞毒因子和炎癥因子來損害神經元,在AD 發病過程中,星形膠質細胞從多方面途徑來影響和干預AD 的發展進程具有十分重要的意義。 因此這篇綜述中,我們重點介紹了星形膠質細胞對AD 的積極和消極影響。

1 星形膠質細胞特征

星形膠質細胞是充滿于中樞神經系統(central nervous system,CNS)中的支持細胞。 目前研究表明,星形膠質細胞可以表達豐富的受體、離子通道和第二信使系統,星形膠質細胞上存在乙酰膽堿受體,多巴胺受體,神經肽受體以及神經營養因子受體,它的表面還具有電壓依賴的K+、Na+和Ca2+通道,激活腺苷酸環化酶后產生第二信使cAMP,使它們能夠影響細胞外環境,而且對附近細胞和神經元的生存,免疫調節,信號傳導,功能整合等作用進行調節[1]。 因此,星形膠質細胞在我們的中樞神經系統生理病理過程中有著舉足輕重的作用,包括谷氨酸是否穩定、神經元的興奮性和代謝支持、突觸發育情況和其可塑性[2]。 神經傳遞通過激活一系列細胞表面受體和轉運蛋白來調節星形膠質細胞的興奮性,研究發現,神經元中所表達的Eph 受體與Ephrins 在星形膠質細胞中也有所表達,兩者呈正相關,并且在體內的Ephrin-A3 配體也主要表達于星形膠質細胞細胞膜上[3]。 AD 發病的始動因素之一就是星形膠質細胞的代謝功能障礙,同時也是AD臨床表現發生和發展的重要因素。 而且星形膠質細胞的細微形態和表型變化在阿爾茨海默病癥狀前階段的海馬區有所反應[4]。 星形膠質細胞在阿爾茲海默病前期,星形膠質細胞激活的改變狀態不同于星形膠質細胞的完全激活狀態,但還是會出現反應性膠質增生現象,星形膠質細胞胞體和突起會增厚,其標志物星形膠質細胞特異性膠質纖維酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein,GFAP)表達增強,并且與TNF-α 表達呈顯著正相關關系[5]。 在大腦遇到感染或神經變性等損傷情況時,星形膠質細胞的活性持續增加,成為反應性星形膠質細胞,而它這種細胞活性增加的狀態與免疫介質激活和促炎細胞因子釋放存在著莫大的聯系[6]。 在AD 中,激活的星形膠質細胞既會影響神經導致其退化并增加其病理表現,但同時在一定條件下也可以保護神經系統,對神經具有雙向的調節作用[4]。 當CNS 早期受到損傷時,正常的靜止狀態星形膠質細胞活化,然后大量生成GFAP[7]。 GFAP 是一種參與構成星形膠質細胞的骨架中間絲蛋白,在海馬與皮層中含量最高。 GFAP 水平與星形膠質細胞激活狀態是呈正相關關系,因此GFAP 是大腦早期受到損傷的一個有據可查并且十分重要的指標[8]。 而且在 AD機制研究中,GFAP 是目前公認的星形膠質細胞標志物。 GFAP 可改變SP 周圍的星形膠質細胞的生物形態結構[9],從而延緩 AD 的發生。 GFAP 可以調節血腦屏障,對抗神經遞質過剩來保護神經元,當星形膠質細胞遭遇損傷破壞時,GFAP 就會從星形膠質細胞中析出,穿過血腦屏障進入血液循環,從而使GFAP 濃度增高。 因此當血清GFAP 濃度越高,則意味著神經系統和認知功能損害越嚴重[10]。與GFAP 相似的還有鈣結合肽S100β,其主要由星形膠質細胞產生,對神經元和膠質細胞產生旁分泌和自分泌作用,是介導神經元與膠質細胞相互作用的重要物質[11]。 它同樣可以被用于標記星形膠質細胞,目前已可以作為相對受限于星形膠質細胞的神經退行性疾病腦損傷標志物。 有研究表明,腦免疫系統與S100β 的相互作用對神經元具有保護作用或毒性損傷作用主要取決于 S100β 自身的濃度[12]。 當它處于納摩爾濃度水平時,它對于神經內細胞有著積極作用,可以提高神經細胞的存活率,刺激神經軸突正常發育與生長。 而當細胞外的S100β 濃度上升至微摩爾水平時,則會對大腦產生消極作用,它會被星形膠質細胞釋放出來并積聚在糖基化終末產物受體(receptor for advanced glycation end products,RAGE)之中,出現MAPK 磷酸化與脂質過氧化,導致炎癥信號通路NF-κB 活化,最終使促炎因子 IL-1β,iNOS 蛋白,腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor-α,TNF-α)表達增高,神經細胞凋亡增多[12]。 因此,對于星形膠質細胞在AD 中所起的雙向作用來說,GFAP 和S100β 二者的所處的水平濃度與其所發揮的功能是極其重要的因素。

2 星形膠質細胞與Aβ

近年來,已有相關研究已經證實,AD 患者大腦中由神經外的β-淀粉樣蛋白(β- amyloid ,Aβ)在腦內異常聚集而形成的老年斑是該病發病機制中的重要因素和關鍵環節,也是AD 的主要病理特征之一。 并且有研究證實了活化的反應性星形膠質細胞可在AD 中的Aβ 斑塊變性區域發現[13-14]。 正常情況下在中樞神經內的 Aβ 主要是由神經元產生[15],但有新研究表明,在AD 炎癥反應中,TNF -α和INF -γ 可以同時刺激星形膠質細胞的活化,從而也產生Aβ,最終導致腦內 Aβ 總量升高[16]。 Aβ是由β-分泌酶1(BACE1)裂解淀粉樣蛋白前體(APP)而產生[17]。 BACE1 是參與 Aβ 肽產生的主要β-分泌酶[18],而且在受到慢性應激時,星形膠質細胞也會過度表達BACE1[17],從而提高腦內Aβ總量。

在Aβ 產生和清除中,星形膠質細胞在其中有著兩面性。 一方面,活化的反應性星形膠質細胞可以作為Aβ 的生成者并促進疾病的發展。 另一方面,它也可以攝取和內化細胞外環境中的Aβ 并對其進行降解[13]。 已有研究表明,在AD 患者中,老年斑周圍會發現脂蛋白酯酶(lipoprotein lipase,LPL),LPL 是存在于大腦中的一種蛋白質,并且會與星形膠質細胞外的Aβ 相互結合,提高星形膠質細胞與Aβ 的親和力,促進Aβ 的降解與內化,減少腦內Aβ 的總量,從而起到保護神經的作用。 星形膠質細胞也有多種途徑清除Aβ,星形膠質細胞可以表達多種能夠攝取 Aβ 的轉運蛋白,如低密度脂蛋白受體相關蛋白-1(low density lipoprotein receptor related protein 1,LRP1)、清道夫受體(scavenger receptor B1, SCARB1) 以 及 RAGE (receptor for advanced glycation end products)[19]。 其中,LRP1 可以攝取 Aβ 單體,但是不能攝取 Aβ 寡聚體;RAGE可以攝取單體、寡聚體和纖維化的Aβ[20]。 星形膠質細胞還能夠同時通過內囊溶酶體途徑直接介導Aβ 清除。 溶酶體內含有多種 Aβ 的降解酶,其中有胰島素降解酶(insulin degradingenzyme,IDE)和腦啡肽酶(neprilysin, NEP),這兩種酶在面對單體的Aβ時可以有效降解,同時溶酶體內還含有基質金屬蛋白酶-9 (matrix metalloproteinase-9,MMP9),它面對單體和原纖維的Aβ 均能有效降解[21]。 星形膠質細胞還可以向細胞外釋放載脂蛋白ApoE 來清除組織中的 Aβ[22]。 同時在 AD 中,Aβ 也可以反作用于星形膠質細胞使其活化,并且可以使在老年斑附近的α1-抗凝乳蛋白酶(α1-antichymotrypsin,ACT)過度表達,加速Tau 蛋白的磷酸化[23]。 其他蛋白酶如基質金屬蛋白酶MMP-2 和MMP-9 的抑制也會一定程度上減弱星形膠質細胞對Aβ 的降解[24]。 總而言之,目前數據表明,星形膠質細胞具有防止淀粉樣蛋白過度堆積和斑塊沉積的機制。

但是,這些機制并不足以阻止AD 發生。 有數據表明,老年AD 小鼠的星形膠質細胞對淀粉樣蛋白的內化分別比年輕AD 小鼠體內少35%,體外少20%[25],因此AD 后期階段的攝取機制存在缺陷。這可能部分是由于星形膠質細胞清道夫受體SR-B1的表達增加,因為來自老年AD 小鼠的星形膠質細胞降低了SR-B1 的表達,可能導致補體(C1q)介導的 Aβ 的攝取受損[25]。 此外,有證據表明,當星形膠質細胞快速吞噬Aβ 原纖維時,它們是以儲存的形式形成大的星形細胞內體[26]。 被吞噬的物質被修飾成多片段式的Aβ,這表明星形膠質細胞的降解途徑并不是非常完整的。 而這些都使星形膠質細胞對Aβ 的調節作用失衡,導致Aβ 生成能力增強,而內化和降解Aβ 的能力減弱,從而進一步加劇AD的發展。

3 星形膠質細胞與Tau 蛋白

在AD 中,微管相關蛋白Tau 的異常積聚和隨之伴隨的神經纖維纏結是其主要病理特征[27]。 而Tau 蛋白作為調節軸突運輸和微管蛋白穩定性的重要蛋白質廣泛分布在中樞神經系統的神經元軸突。它的磷酸化決定了其與微管蛋白的親和力,Tau 蛋白的過度磷酸化則會使微管蛋白結合受到抑制[28]。而星形膠質細胞在CNS 中產生的因子一定程度上可以加劇Tau 蛋白的過度磷酸化,比如TNF -α 和白介素6(IL-6),這些細胞因子能使總Tau 蛋白的病理狀態變得更為嚴重[29]。 同時最近研究發現,星形膠質細胞中所屬于dEaat1 的RNAi 的缺少會引起細胞外谷氨酸和神經元活動的異常,從而加重Tau 蛋白的病理表現[30]。 而過度磷酸化的Tau 蛋白又會抑制星形膠質細胞對神經的保護能力。 眾所周知,Tau 蛋白產生的主要來源是神經元的樹突與軸突而并不是星形膠質細胞,但截斷Tau 蛋白的數量與星形膠質細胞之間卻有著正相關的關系。 研究表明,星形膠質細胞可以增強Caspase-3 的活性,而活化的Caspase-3 與神經元內產生截斷Tau 蛋白的數量也呈正相關表達[31]。 因此,星形膠質細胞在Tau 蛋白磷酸化過程中的重要因素,并且兩者間存在著十分密切的聯系。

4 星形膠質細胞與神經炎癥反應

神經炎癥是中樞神經系統(CNS)中的一種免疫應答,在AD 發展過程中也起著雙面作用。 在組織損傷時神經炎癥在一定條件下有助于組織再生和修復。 但是長期持續的炎癥反應則會促進AD 的發生。 有證據表明,AD 患者的認知功能減退發生在Aβ 病變之前[32]。 而且在 Aβ 聚集和 Tau 蛋白過度磷酸化之前就在AD 患者血清和腦脊液中檢測到炎癥因子已表達上調。 因此說明神經炎癥是AD 的一個顯著特征和重要因素,同時參與了AD 的早期病理進程。 星形膠質細胞在AD 患者腦內炎癥反應中具體的表現為體積變大,數量增多,在致炎因素下會被激活為有吞噬功能的狀態并分泌多種炎癥因子,它們大部分對神經細胞具有毒性作用,能夠使神經細胞凋亡甚至壞死[33]。 APP 的亞細胞分布受糖基化程度影響,而非糖基化的APP 則保留在高爾基體中,高爾基體中的 β 分泌酶活性是最高的,所以APP 在含有β 分泌酶的高爾基體中長時間滯留將引起 Aβ 的產生[34]。 參與 APP 的 β 剪切過程還有淀粉樣前體蛋白β 位點裂解酶1(β-site amyloid precursor protein cleavage enzyme 1,BACE1),有研究發現,在敲除了 TNF-α 的 APP 轉基因小鼠中,BACE1 活性減弱,表達降低,并且可以減少APP 的β 切割,使Aβ 總量相對減少,最終起到了減慢老年斑形成,緩解認知功能障礙的作用[35]。 因此我們根據以上認為星形膠質細胞參與在AD 中可能是通過產生的炎癥因子影響APP 的β 切割方式進行的。

在星形膠質細胞介導的炎性反應中,NF-κB 信號通路十分重要,并且它既具有保護神經的作用,也有能釋放神經毒性的負面作用。 NF-κB 也被稱為炎癥反應的中心環節。 一方面,神經元中NF-κB 的活化可以抑制些退行性疾病的發展[36],比如AD 及帕金森病等。 在 AD 中,NF-κB 活化可以調節凋亡相關蛋白,抗氧化酶和抑制線粒體去極化等等,從而抑制細胞凋亡,提高神經元存活率,間接抑制疾病發生[37]。 另一方面,Aβ 通過 NF-κB 機制的激活誘導 iNOS 表達和 NO 的釋放[38]。 在 AD 早期,星形膠質細胞能吞噬損傷的神經細胞,保持腦內神經中樞系統(CNS)相對平衡,但疾病進一步發展,則會激活NF-κB ,生成促炎因子并對Aβ 產生神經毒副作用[39],并且使星形膠質細胞對 Aβ 的清除速度減緩[38]。 星形膠質細胞所產生的炎癥因子與釋放的谷氨酸不僅會對神經元造成損傷,而且還會對NF-κB 進一步激活。 激活的 NF-κB 能使多種細胞因子表達增高,而上調的這些細胞因子又能反過來再次激活NF-κB 形成正反饋機制。 這種情況會導致炎癥反應加重,促進AD 病情的進一步發展。

5 星形膠質細胞與神經元相互作用對認知功能的影響

星形膠質細胞是腦神經回路發育和正常運行所必須的重要細胞,它大約占腦細胞中的19%~40%[40-41]。 其變為反應性星形膠質細胞后主要毒性后果是影響神經元的健康及其正常功能[42]。 神經元與星形膠質細胞同為腦內重要的神經細胞并有著神經興奮傳遞和保護修復的不同分工。 但同時兩者又有密切的聯系,星形膠質細胞突起與突觸前和突觸后神經元之間的緊密聯系可以形成一個三部性突觸[43]。 神經元-星形膠質細胞連接有助于星形膠質細胞維持多種重要功能,包括血腦屏障(blood-brain barrier,BBB)的形成和維持、神經元-膠質細胞的通訊、神經遞質的循環、神經元和其他膠質細胞的結構支持和營養[44]。 而星形膠質細胞的功能失調,可以促進神經元的功能障礙,從而可能導致認知能力下降[45]。 為了維持 CNS 的穩態,星形膠質細胞會釋放多種神經遞質,如谷氨酸、D-絲氨酸、ATP 等。 星形膠質細胞為保持CNS 內穩態,在調節神經系統和聯系神經元時會釋放多種神經遞質,如谷氨酸鹽、D ‐絲氨酸、ATP 等。 在 APP/PS1 轉基因小鼠海馬的星形膠質細胞中γ-氨基丁酸的缺失以及神經元的過度興奮,一定程度上取決于谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase,GS)表達是否有所降低。 同時免疫組化發現Aβ 沉淀變多,GS 免疫陽性的星形膠質細胞數量會減少。 而谷氨酸穩態系統的損傷則會導致大腦認知功能的下降[46]。因此星形膠質細胞自身和谷氨酸信號通路異常是影響認知記憶功能的重要因素[47]。

在Pertusa 的研究中,星形膠質細胞可以分泌膠質細胞源性神經營養因子GDNF,它可以減輕神經元萎縮,增加空間學習和記憶認知能力,可以預防和減緩神經元的退行性病變[48]。 GDNF 在小鼠膠質細胞系B49 被中發現,對于多巴胺能神經元的生存分化有著很重要的意義[49]。 在AD 發病早期,臨床患者腦中與血清中的GDNF 會出現適應性過程。在輕度認知功能障礙的AD 患者血清中GDNF 的水平明顯低于正常值。 而在死亡AD 患者的顳中回,可以觀察到成熟的GDNF 肽會明顯下調。 因此星形膠質細胞與神經元在不同時期不同部位的影響和作用也是不盡相同的。

6 總結與展望

AD 的發病機制目前來看是錯綜復雜并且無法確定,影響因素也來自很多方面,但星形膠質細胞對于AD 整個病理過程無疑是非常重要的。 活化的星形膠質細胞在AD 發展的早期可以吞噬分解Aβ沉淀和損傷的部分神經元。 但如果代謝過度則會使自身負荷過大從而受損,生成促炎因子、加速Aβ的沉淀并釋放神經毒性。 星形膠質細胞在大腦中不同的部位,不同的機制中所產生的作用和影響也不同,而這些都隨著疾病的發展和星形膠質細胞自身特性的改變而改變。 因此星形膠質細胞可作為細胞特異性治療的靶點,同時,保護星形膠質細胞在早期不被過度消耗和清除過度代謝的活化星形膠質細胞是一個在神經系統疾病方面值得深入研究探討的切入點。