小膠質細胞極化狀態與腦缺血再灌注損傷關系的研究 進展

李想，蔡樂，王勇,2(通信作者*)

（1.廣西腫瘤免疫與微環境調控重點實驗室，廣西 桂林 541199；2．桂林醫學院生理學教研室，廣西 桂林 541199）

0 引言

隨著我國人口老齡化以及人民生活水平提高，腦卒中的患病率顯著上升，其高致死率及致殘率給家庭和社會造成了嚴重負擔，已成為威脅人類生命的最主要疾病之一。當發生缺血性腦卒中時，首要治療方式就是及時恢復血流，但腦組織發生一段時間缺血缺氧后，恢復血流再灌注，其功能不但無法恢復，反而會加重其結構和功能的破壞，即發生了腦缺血再灌注損傷(cerebral ischemia-reperfusion injury，CIRI)，進一步加重神經細胞損傷。同時，這些反應也會進一步刺激小膠質細胞產生相關的免疫應答，從而發揮神經保護或神經毒性作用。本文主要就小膠質細胞極化狀態在腦缺血再灌注損傷中發揮的作用展開綜述。

1 小膠質細胞概述

神經系統是人體最為復雜的一個系統，由神經細胞、膠質細胞，小膠質細胞、腦膜組成細胞以及血管等所組成。1932年，Hortega用碳酸銀法清楚地識別出中樞神經系統內具有吞噬，遷徙功能的細胞，他提出這些細胞這是由中胚層來源，將其描述為中樞神經系統的非神經元，非星型膠質細胞，且不同于中性粒細胞和少突膠質細胞，并命名為神經小膠質細胞[1]。也有其他研究者認為，小膠質細胞由卵黃囊原始的巨噬細胞產生的，并在成年后的中樞神經系統(Central Nervous System，CNS)中持續存在[2]。經過學者們多年的研究，小膠質細胞的來源大致被分為幾個觀點：①神經外胚層；②外周中胚層/間葉組織；③骨髓內造血干細胞或單核細胞；④卵黃囊。即使小膠質細胞起源還未被完全證實，但學者們廣泛認為小膠質細胞是具有不同發育起源的CNS常駐巨噬細胞。小膠質細胞位于神經結構的附近，其形態呈高度分枝狀，具有三級和四級分枝結構，且細胞間的分枝很少發生重疊[3]。作為大腦間質細胞，小膠質細胞可為神經細胞提供營養，對神經細胞的生長發育起到支持作用，作為中樞神經系統內固有的免疫效應細胞，小膠質細胞可以敏銳地監測大腦內神經元的狀態[4]，可修剪或清除神經細胞正常發育過程中多余或受損突觸，吞噬壞死或凋亡的神經細胞，可以說小膠質細胞參與了神經細胞從胚胎到成熟再到凋亡的整個過程。小膠質細胞通常處于靜止狀態，而受到刺激后極化狀態分為M1表型與M2表型[5]，M1表型主要分泌促炎因子，如白介素IL-1β(Interleukin-1β，IL-1β)、誘導型一氧化氮合成酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS)、腫瘤壞死因子-α(tumor Necrosis Factor-α，TNF-α)等，誘導組織或細胞產生氧化損傷，加重炎癥反應。M2表型主要分泌抗炎因子，如IL-10、轉化生長因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)等，發揮其抗炎、修復、再生等作用。正常狀態下，二者處于動態平衡。不同刺激使小膠質細胞從靜息狀態向不同表型的極化狀態激活，發揮神經損傷或者神經保護作用。

2 小膠質細胞極化狀態與CIRI的關系

2.1 小膠質細胞極化狀態與CIRI炎性反應的關系

炎性反應在CIRI病理生理過程中發揮著重要作用，而小膠質細胞是中樞神經系統的先天免疫細胞，介導CIRI的神經炎性反應。腦缺血后，可引起包括神經元在內的細胞壞死，產生活性氧，釋放細胞因子(如 TNF-α、IL-lβ、IL-6)等炎性介質，將靜息狀態的小膠質細胞激活成M1型，釋放更多炎癥介質，如基質金屬蛋白酶、iNOS以及活性氧等，引起腦組織水腫，血管通透性增加，促使更多神經細胞死亡[6]。因此，抑制小膠質細胞釋放促炎因子，增加抗炎因子釋放，可能是減輕腦缺血再灌注損傷的重要方式。張秀麗[7]等人建立脂多糖誘導的大鼠小膠質細胞 HAPI 細胞炎癥模型，觀察到誘導后的HAPI細胞胞體變大，突觸變粗變短，呈阿米巴型，促炎性因子的表達水平顯著升高；抗炎性因子表達水平顯著降低，給予藥物治療后促炎因子表達水平降低，而抗炎因子表達水平升高，同時細胞胞體脹大部分恢復，突觸變長，且細胞數量增多。在腦缺血早期抑制小膠質細胞向M1型極化，并刺激其向M2型極化，維持腦內M1與M2型的動態平衡，進而就可減輕CIRI以及改善腦組織功能恢復。Shadamu等人[8]用大鼠進行體內大腦中動脈閉塞(middle cerebral artery occlusion，MCAO) 體內模擬CIRI，同時用BV2細胞進行氧糖剝奪(oxygenand glucose deprivation，OGD)模型實驗體外模擬CIRI，發現M1標志物和M2標志物表達顯著增加。此外，給予大鼠注射轉運蛋白(Translocator protein，TSPO)的配體 PK11195 抑制了M1極化標志物，但促進了M2極化標志物的表達，顯著逆轉了大鼠 MCAO 后的神經損傷。體外研究表明，敲低TSPO促進了M1極化但抑制了M2極化，伴隨著細胞活力的顯著降低。相反，TSPO過表達抑制了M1極化，促進了M2極化，并顯著提高了細胞活力。這些實驗，進一步證實可通過改變小膠質細胞極化狀態，發揮減輕炎性反應，保護神經細胞的作用。

2.2 小膠質細胞極化狀態與CIRI自噬的關系

自噬是一種細胞內平衡機制，消化其自身成分的過程，通過該過程可消除細胞中多余或受損的細胞器，錯誤折疊的蛋白質以及入侵的微生物[9]。研究證明，CIRI發生與自噬有關[10,11]，適當的自噬可保護神經細胞，減輕CIRI引起的組織損傷，然而過度激活自噬引發自噬性死亡，造成不可逆損傷。小膠質細胞主要介導了細胞炎性反應，自噬本身是細胞內炎性反應的調節劑，自噬在小膠質細胞促炎或抗炎表型轉化中起著至關重要的作用。Qin等人[12]為了探討自噬是否參與小膠質細胞極化的調節，使用自噬抑制劑渥曼青霉素抑制了脂多糖(Lipopolysaccharide，LPS)誘導的自噬，同時小膠質細胞中的促炎因子表達水平降低，抗炎因子的表達水平沒有改變，這些結果表明自噬參與了小膠質細胞促炎狀態的激活。然而Jin等人[13]實驗發現，在創傷性腦損傷后大鼠小膠質細胞被激活，炎性因子分泌增加，而在使用自噬抑制劑3-甲基腺嘌呤(3-Methyladenine，3-MA)后，細胞自噬被抑制的同時小膠質細胞炎性極化狀態增強，神經細胞凋亡增多。Bussi等人[14]使用雷帕霉素和海藻糖誘導了BV2小膠質細胞的自噬后，明顯減少了LPS和α-突觸核蛋白刺激BV2細胞所產生的炎性因子以及降低了神經元細胞死亡，使用3-MA抑制自噬后，炎性因子反而增加。Fu等人[15]研究發現，在OGD后通過藥物促進BV2小膠質細胞中的自噬來抑制 NLRP3 炎性小體的活化，并且炎性因子IL-1β表達降低，說明小膠質細胞炎性極化狀態減輕，起到神經保護作用，對CIRI起到改善作用。相反的，Wang等人[16]通過轉染敲除C1q腫瘤壞死因子相關蛋白(Complement C1q Tumor Necrosis Factor-Related Protein 1，CTRP1)顯著增強了 OGD誘導的自噬并增加了促炎因子TNF-α、IL-1β和 IL-6等釋放，而重組CTRP1或CTRP1過表達減弱了BV2小膠質細胞中OGD誘導的自噬和炎癥反應，證明通過調控自噬可使小膠質細胞向促炎或抗炎表型極化，對CIRI起到加重或保護的作用。大量研究證明，小膠質細胞的極化與細胞自噬密切相關，可能通過不同途徑潛在調節小膠質細胞兩種極化狀態平衡，或許可以通過合理地調控自噬，進一步調節小膠質細胞在促炎和抗炎之間平衡，對CIRI起到改善作用。

2.3 小膠質細胞極化狀態與CIRI內質網應激的關系

內質網是蛋白質合成、運輸和維持細胞內Ca2+穩態的主要細胞器。內質網應激(endoplasmic reticulum stress，ERS)是機體發生炎癥、缺血、缺氧、氧化應激等因素導致內質網中錯誤折疊和未折疊蛋白的積累，導致細胞生理功能紊亂的狀態。內質網應激時未折疊蛋白反應(unfolded protein response，UPR)被啟動，UPR調控促炎因子釋放，然而內質網應激與炎癥反應是相互作用的，IL-1β、TNF-α 等炎癥介質的釋放也會加速UPR的活化，釋放更多的炎癥因子，產生炎癥反應的惡性循環[17]。因此在發生CIRI時，內質網應激刺激小膠質細胞發生極化，釋放炎性因子，而釋放的炎性因子進一步加重內質網應激。Mo[18]等人發現內質網應激相關蛋白IRE1a的過表達，會增加炎性因子的分泌，加重小膠質細胞OGD/R后的炎性反應。Zhu[19]等人實驗證明通過抑制內質網應激，可減少OGD/R后原代小膠質細胞以及BV2細胞的極化，并且減少MCAO模型大鼠的腦梗死面積，起到神經保護作用。可見，小膠質細胞的極化與內質網應激相互作用，共同影響CIRI，若能靶向調控內質網應激，即可有效減少小膠質細胞極化，更好地起到神經保護作用。

2.4 小膠質細胞極化狀態與CIRI相關信號轉導通路的關系

CIRI發生機制與自由基生成過多、白細胞大量聚集、興奮性氨基酸毒性以及胞內鈣離子超載等因素有關。研究表明，CIRI的病理生理過程涉及到內質網應激、炎性反應、細胞凋亡與自噬等[20-22]。同樣，有數個細胞信號通路調控著CIRI病理生理過程。核轉錄因子-κB(Nuclear factor kappa B，NF-κB)是細胞內的一種重要核轉錄因子，通過對一系列基因的表達和調控，參與腦缺血后神經元損傷、血腦屏障破壞和炎癥反應等多種病理進程[23]。有多項研究發現，NF-κB信號通路激活與小膠質細胞極化具有相關性，并且影響著CIRI。體內OGD實驗以及體外MCAO實驗的小膠質細胞被激活后通過TRAF2/NF-κB信號通路加重神經元炎性損傷[24]。使用藥物通過下調TLR4/Myd88/TRAF6 信號通路抑制NF-κB磷酸化，可使小膠質細胞從M1表型過渡到M2表型，減輕炎癥反應，減少神經元損傷[25]。迷走神經刺激可以通過抑制缺血性腦卒中的TLR4/MyD88/NF-kB 通路，促進小膠質細胞M2表型極化并抑制M1表型胞極化以減輕腦損傷[26]。Notch信號通路異常與多種中樞神經系統疾病發生有關。有研究證明[27,28]，通過藥物可抑制缺血缺氧后的小膠質細胞中Notch信號通路相關蛋白的表達，同時減輕小膠質細胞促炎表型極化，減少炎性因子釋放，起到神經保護作用，證明小膠質細胞極化可能與Notch信號通路有關。單腺苷酸活化蛋白激酶(AMP actived protein kinase，AMPK)是內源性防御分子，在CIRI發病過程中，具有抗炎抗凋亡的作用，減輕神經細胞損傷[29,30]。Gan等人[31]使用領苯二甲內酯衍生物CD21激活AMPK后，發現在MCAO模型小鼠腦組織中以及OGD后BV2細胞中的M1表型標志物減少了，同時M2表型標志物有所增加，這表明通過激活AMPK可誘導小膠質細胞向M2表型極化來減輕缺血后神經炎癥。AMPK/mTOR 信號通路是一個凋亡與自噬的重要調控途徑。Xu等人[32]實驗證明可通過激活AMPK/mTOR途徑使小膠質細胞從M1表型向M2表型轉變，從而預防CIRI。上述多項研究證明，這些信號通路可通過調控小膠質細胞的M1與M2極化狀態從而調控CIRI病理生理過程。

3 小結與展望

CIRI的發生機制十分復雜，在臨床治療上仍未有顯著突破。小膠質細胞在體內平衡受到身體傷害或其他刺激后變得特別活躍，并且使它們進入極化狀態，這很大程度上是取決于病變性質和嚴重程度，同時也會影響疾病發展。但是，目前小膠質細胞激活機制仍未完全明了，小膠質細胞極化狀態有利有弊，深入了解小膠質細胞激活的機制，調節好M1型與M2型的平衡關系，可能有助于為CIRI臨床治療提供新思路，成為治療突破的關鍵。