神經變性疾病與神經炎癥：小膠質細胞和星形膠質細胞的作用

付海鑫綜述， 王慧影， 張 良， 蘭 瑞， 武繼濤審校

隨著社會人口老齡化進程加快，神經變性疾病（neurodegenerative diseases，ND）的發病率也在顯著上升，嚴重威脅著人類的健康，但目前仍缺乏有效的治療方法。慢性神經炎癥是ND發生的關鍵性因素。小膠質細胞和星形膠質細胞是中樞神經系統（central nervous system，CNS）炎癥反應的關鍵調節因子。通過影響小膠質細胞和星形膠質細胞調控神經炎癥可以改善神經癥狀延緩ND 的進展。深入了解小膠質細胞和星形膠質細胞在ND 中的作用對于開發有效的治療方法至關重要。本文主要就神經炎癥和各種ND 的關系以及小膠質細胞和星形膠質細胞在神經炎癥中的作用進行簡要綜述。

1 神經變性疾病

ND 是CNS 中神經元功能或結構的進行性喪失而引起的一組疾病，最終會導致認知和（或）運動功能障礙，如阿爾茨海默病（Alzheimer's disease，AD）、帕金森病（Parkinson disease，PD）、多發性硬化癥（multiple sclerosis，MS）、亨廷頓病（Huntington disease，HD）和肌萎縮側索硬化癥（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）［1］。ND是老年人發病和認知障礙的主要原因。AD患者在全球范圍內有近5 000萬人［2］，我國PD 患者預計在2030 年達到494 萬例，到2040 年全球人數將超過1 200 萬例［3］。隨著人口老齡化不斷加深，ND的發病率也將持續上升。

2 神經炎癥

神經炎癥和ND 的發生密切相關，也是多種ND的典型特征。CNS 由神經元和神經膠質細胞組成，神經膠質細胞包括小膠質細胞、少突膠質細胞和星形膠質細胞。任何外來病原體進入CNS都會激活神經膠質細胞中的星形膠質細胞和小膠質細胞，它們兩者是參與神經炎癥的關鍵細胞。神經炎癥被定義為CNS 對干擾體內平衡的元素的炎癥反應，在神經系統疾病的發生發展中起著重要作用。神經炎癥是CNS 對有害刺激和損傷的協調反應，是一種保護性反應。這種反應涉及所有神經系統疾病，例如創傷性、缺血性、代謝性、感染性、毒性、腫瘤性和ND，這些疾病的共同特點是神經元功能障礙和死亡。神經炎癥可分為兩種類型：神經保護性和神經退行性。在CNS 受到低水平持續時間較短的神經炎癥時，被認為具有保護作用。相反，當神經炎癥變成慢性持續性時就是有害的，會抑制神經元再生，可能導致各種ND 的發生。神經炎癥以反應性膠質細胞增生和CNS 中可溶性炎癥因子的產生為特征，持續的炎癥反應涉及小膠質細胞和星形膠質細胞［4］。

2.1 小膠質細胞與神經炎癥 小膠質細胞是CNS 中常駐單核巨噬細胞，主要來源于單核細胞前體細胞的大腦駐留巨噬細胞，處于CNS 免疫系統的最前沿，有免疫防御和體內平衡維持兩個重要作用［5］。小膠質細胞介導的神經炎癥是多種ND 最顯著的特征之一。在健康處于穩態的CNS 中，小膠質細胞主要以“靜息狀態”存在，高度活躍且具有高度移動性不斷地監測和調查其細胞環境。生理性的功能包括清除累及或退化的神經元等組織成分、動態調節神經元活動、突觸結構的形成和修飾、維持大腦穩態等。在發育過程中可以通過吞噬作用清除多余新生神經元的凋亡殘留物，對神經發生起促進作用［6］。小膠質細胞很容易因病理因素的刺激被“激活”，進入病理性狀態，活化的小膠質細胞表現出“變形蟲樣”的形態變化，會迅速遷移至損傷部位［7］。激活的小膠質細胞通常分為兩種相反作用的亞型：M1（經典激活）和M2（替代激活）。M1 活化通常由干擾素-γ（interferon-γ，IFN-γ）和脂多糖（lipopolysaccharide ，LPS）誘導，發揮促炎作用，導致包括白細胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）、腫瘤壞死因子α（tumor Necrosis Factor-α，TNF-α）、白細胞介素-6（interleukin-6，IL-6）、白細胞介素-12（interleukin-12，IL-12）、CC 趨化因子配體（CC chemokine ligands，CCL）、超氧化物岐化酶（superoxide dismutase，SOD）、活性氧（reactive oxygen species，ROS）、一氧化氮（NO）等促炎介質的釋放，誘導神經元的死亡。M2活化由抗炎細胞因子白細胞介素-4（interleukin-4，IL-4）和白細胞介素-13（interleukin-13，IL-13）誘導，發揮抗炎作用，導致包括抗炎細胞因子［白細胞介素-10（interleukin-10，IL-10）、轉化生長因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）］，生長因子［胰島素樣生長因子-1（insulin growth factor-1，IGF-1）、成纖維細胞生長因子（fibroblast growth factor， FGF）、集落刺激因子-1（colony stimulating factor-1，CSF-1）］和神經營養生長因子［神經元內神經生長因子（neuro-growth factor，NGF），腦源性神經營養因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）和神經膠質細胞衍生的神經營養因子］來拮抗促炎細胞因子的活性以維持穩態，通過吞噬作用清除損傷部位的碎片促進損傷組織重建和修復［7，8］。M1/M2 表型的動態變化與ND 密切相關，通常M1小膠質細胞在疾病終末期的損傷部位占主導地位，M2小膠質細胞的抗炎和神經修復保護作用受到抑制［9］。不受控制和過度激活的M1 促炎反應，最終會導致不可逆的神經元損傷，是ND 的罪魁禍首［10］。在ND中，M1和M2小膠質細胞活化的比例會發生改變，因此通過調控M1/M2的可能有助于ND的治療［9］。

2.2 星形膠質細胞與神經炎癥 星形膠質細胞是CNS中最豐富的細胞，來源于神經干細胞，參與CNS 穩態相關的關鍵過程，包括血腦屏障的形成、神經遞質的合成和回收、維持離子平衡、調節神經元代謝和防御氧化應激等功能［11］。有研究表明星形膠質細胞由多個亞群組成，根據位置或基因表達的不同生理功能是異質的［12］。星形膠質細胞是血腦屏障的主要成分之一，星形膠質細胞末端足突形成圍繞內皮細胞、周細胞和基底層的薄屏障。盡管血腦屏障包圍了大多數的血管，將CNS 與外周血液循環分隔開來，形成了保護作用，但是超過97%的星形膠質細胞與血液供應存在聯系，這表明外周細胞產生的分子會對星形膠質細胞產生反應。星形膠質細胞還可以通過離子通道、神經遞質和代謝物等多種機制與神經元形成串擾。例如：細胞外鉀離子水平對調控神經元的反應至關重要。星形膠質細胞表達鉀離子通道，可以通過清除細胞外的鉀離子而調節神經元的膜電位和興奮性。相反，星形膠質細胞可以通過鉀離子通道導致細胞外鉀離子水平升高和神經元過度興奮，導致神經變性［13］。星形膠質細胞和小膠質細胞之間的串擾已被發現，小膠質細胞的活化導致星形膠質細胞的活化，星形膠質細胞極化取決于小膠質細胞狀態［14］。星形膠質細胞在受傷后會變成反應性星形膠質細胞。反應性星形膠質細胞是神經炎癥的活躍參與者，起著雙重作用。反應性星形膠質細胞可以通過表達多種受體產生免疫調節分子，這些免疫調節分子可以促進或限制炎癥［15］。研究表明有的反應性星形膠質細胞可以產生支持軸突再生的分子，如NGF-3 和BDNF，從而促進炎癥損傷的恢復［16］。星形膠質細胞可以形成“神經膠質瘢痕”促進組織再生來修復損傷。星形膠質細胞在幾乎所有確保CNS神經元健康的生理過程中都發揮重要作用。

3 各個ND中的神經炎癥

3.1 AD 中的神經炎癥 AD 是一種持續進展性ND，主要見于老年人，女性發病率高于男性。AD的特征是進行性癡呆伴認知能力下降和長期記憶受損［17］。AD以多種不同的形式對人產生影響，常見的預警信號包括抑郁、記憶力減退、解決問題能力下降、情緒波動、人格改變、運動活動中判斷力變差等［18，19］。主要病理標志是大腦皮質區和海馬區存在細胞外β-淀粉樣蛋白（β-Amyloid，Aβ）沉積形成的老年斑和神經內過度磷酸化的Tau 蛋白錯誤折疊后聚集形成的神經原纖維糾纏結（neurogenic fiber tangles，NFT）［20］。Aβ 的積累刺激NFT 的形成。Aβ在大腦中的積累被認為是AD發病機制的早期事件。

Aβ 斑塊相關的神經變性、錯誤折疊的tau 蛋白引起的神經原纖維變性、突觸功能障礙和神經遞質失衡、神經炎癥、傳染病假說、腸道微生物破壞、基因突變、氧化應激及自噬是迄今為止探索到的所有重要發病機制。在這些機制中，神經炎癥在AD的發病機制中起著核心作用［20］。Aβ 已被公認為一種抗菌肽，可以激活Toll 樣受體2 識別的免疫途徑，導致神經炎癥。斑塊和糾纏結聚集后，周圍會出現小膠質細胞聚集。小膠質細胞能夠吞噬Aβ 斑塊發揮神經保護和修復作用，但當小膠質細胞被Aβ反復地誘導活化后，對Aβ 的吞噬作用會逐漸受到抑制作用，并產生大量炎癥介質（包括IL-1β、TNF-α、CCL 和ROS等）進而導致周圍神經元和神經突觸的損傷。另外，在促炎細胞因子的影響下，還會導致Tau 的過度磷酸化并且增加Aβ斑塊的形成。

星形膠質細胞通過分泌切割Aβ的蛋白水解酶參與Aβ的降解。然而，星形膠質細胞也有助于大腦中的Aβ 聚集，因為他們會產生Aβ 并釋放β 分泌酶1。另外TGF-β、IL-1β、TNF、IL-6和IFN-γ等細胞因子通過反應性星形膠質細胞促進Aβ的產生。

3.2 PD 中的神經炎癥 PD 是引起老年人運動障礙最常見的原因，主要神經病理學特征是黑質致密中的多巴胺能神經元的缺失［21］。主要臨床癥狀是運動障礙（如靜止性震顫、僵直、步態拖曳、運動遲緩）和其他非運動障礙（如便秘、認知、情緒和睡眠障礙）［22］。CNS 中錯誤折疊的α-突觸核蛋白（α-Synuclein，α-Syn）的異常積累在PD 神經變性的發病機制中起著關鍵作用。

參與PD 發病機制的分子機制尚未完全闡明。目前研究表明包括α-Syn 錯誤折疊和聚集、線粒體功能障礙、蛋白質清除受損、自噬分解代謝的破壞、鈣穩態喪失、神經炎癥和氧化應激可能導致多巴胺能神經元的惡化［23］。其中神經炎癥在PD 神經變性的發病機制中起著至關重要的作用。PD 患者黑質中TNF-α、IL-6 等促炎細胞因子呈強陽性反應［24］。在PD 動物模型中，當小鼠暴露于神經毒素中后，黑質中的小膠質細胞會迅速激活數量大量增加，在小膠質細胞激活數天后會出現多巴胺能神經元的丟失，在這期間阻斷小膠質細胞的活化可以減輕多巴胺能神經元的死亡［25］。錯誤折疊的α-Syn參與病原體或損傷相關分子模式介導的小膠質細胞Toll樣受體2或TLR4介導的信號通路失調，最終導致小膠質細胞激活分泌多種促炎介質，如TNF-α、IL-1β和IL-6。雖然PD 中需要激活小膠質細胞來清除毒素和不需要的病原體來保證CNS 的完整性，但不受調節的炎癥反應以及ROS 的釋放也會導致神經發生減少、神經元丟失和突觸可塑性改變。

在健康個體中，星形膠質細胞異質性地分布在中腦內，黑質中星形膠質細胞密度較低。死后黑質中星形膠質細胞數量有增加，主要由星形膠質細胞表達的鈣結合蛋白S100B 水平也存在上調。S100B增加誘導性一氧化氮合酶的表達，誘導小膠質細胞中COX-2的活化，導致神經毒性因子NO和超氧化物自由基的產生增加，這些過程可能直接導致神經元細胞的死亡［26］。星形膠質細胞還可以通過介導對谷氨酸的興奮性毒性、鉀離子緩沖和鈣離子穩態促進PD的發生，控制多巴胺能神經元死亡［27］。

3.3 MS 中的神經炎癥 MS 是一種以神經炎癥、脫髓鞘和軸突變性為特征的慢性自身免疫性疾病，其發病機制涉及炎癥和神經退行性過程。根據病程分成了四種類型：復發緩解型、繼發進展型、原發進展型、進展復發型。大多數患者在早期被診斷為復發緩解型MS，隨著時間的推移病情逐漸惡化進展為繼發進展型［28，29］。當前的治療手段改善復發緩解型MS 具有明顯療效，但是對繼發進展型MS 的治療手段仍然有限。MS 進展的關鍵是CNS 對外周免疫浸潤作出的炎癥反應，失調的免疫系統被認為是MS惡化的主要原因。在MS的所有階段活動性脫髓鞘和神經變性與活化的小膠質細胞和星形膠質細胞介導的炎癥有關。

小膠質細胞積聚在MS 大腦活動性脫髓鞘和神經變性的部位，具有雙重作用。一方面可以導致髓鞘損傷和病變擴大；另一方面可以通過清除髓鞘碎片、減少炎癥和分泌促進髓鞘再生的細胞因子而發揮保護作用［30］。小膠質細胞對病變部位髓鞘碎片的吞噬清除作用對于神經元的髓鞘再生至關重要，清除減少或減慢會伴隨髓鞘再生的減慢［31］。在MS早期階段小膠質細胞表達促炎表型，參與吞噬作用，氧化損傷和抗原呈遞［32］。活化的小膠質細胞和CD8+T 細胞會導致髓磷脂破壞，募集B 細胞、其他T 細胞和巨噬細胞導致軸突損傷和血腦屏障的破壞［33］。在進展型MS中，活化的小膠質細胞和巨噬細胞可以通過多種機制介導神經變性，包括細胞因子的釋放、谷氨酸釋放導致興奮性毒性以及ROS和NO釋放導致氧化損傷。

有研究表明星形膠質細胞會將小膠質細胞募集到脫髓鞘的部位進行髓鞘碎片清除，如果這個募集過程受到抑制或破壞小膠質細胞介導的吞噬作用就會延遲［34］，這表明星形膠質細胞通過小膠質細胞來參與髓鞘碎片的清除。另有研究發現，將轉基因小鼠中小膠質細胞消融后星形膠質細胞也可參與碎片清除，這表明星形膠質細胞也能夠獨立發揮吞噬作用，如果小膠質細胞無法執行吞噬作用則可以提供補償機制［35］。星形膠質細胞的分泌物還可以加速髓鞘再生。例如，星形膠質細胞衍生的金屬蛋白酶-1組織抑制劑可以驅動少突膠質細胞前體細胞變為成熟的少突膠質細胞，促進CPA 喂養模型的小鼠髓鞘再生［36］。星形膠質細胞介導的BDNF 釋放會使CPZ 喂養小鼠模型胼胝體中代謝受體的水平增加，從而導致髓磷脂的表達升高，促進髓鞘再生［37］。參與炎癥反應的核因子-κB信號通路會影響星形膠質細胞的分泌，導致CPZ喂養模型小鼠少突膠質細胞的變性，導致脫髓鞘［38］。另有研究表明，缺乏星形膠質細胞神經營養因子受體酪氨酸激酶B 的小鼠模型容易出現脫髓鞘［39］。反應性星形膠質細胞和少突膠質細胞前體細胞之間具有相互抑制作用，會對髓鞘再生產生抑制。在溶血卵磷脂誘導脫髓鞘后，星形膠質細胞活化和內皮素-1的上調會導致少突膠質細胞前體細胞分化降低，減少髓鞘再生。但是使用內皮素受體拮抗劑去抑制信號傳導阻斷Notch激活后，即可導致髓鞘再生的加速。這些研究共同表明，小膠質細胞和星形膠質細胞都與抑制和加速髓鞘再生有關［40］。

3.4 HD 中的神經炎癥 HD 發病時會出現進行性運動功能、精神、行為障礙和認知能力下降。HD 的遺傳因素主要是由于亨廷頓蛋白編碼基因（Huntington protein-encoding genes，Htt）中三核苷酸CAG 序列的重復擴增引起（超過35 個重復）導致的Htt 突變（mutations in genes encoding Huntington proteins，mHtt）［41］。Htt 在CNS 中尤為豐富，主要存在于腦組織的細胞質中。Htt在發育、軸突運輸和細胞存活方面發揮作用，mHtt 是HD 的關鍵神經病理學標志，主要病理特征是紋狀體中的中型棘樣神經元的死亡［41］。mHtt 會直接引起CNS 和外周組織的炎癥反應，mHtt形成可溶性片段和聚集體，這些產物對神經元有毒性，特別是對紋狀體中的中型棘神經元有毒，隨后會到達大腦皮質等其他區域。HD的組織損傷機制包括興奮性毒性、線粒體損傷、自由基以及可能的神經炎癥機制。

HD和其他ND相比沒有明顯的外周免疫細胞浸潤到大腦，其主要的炎癥過程是由活化的小膠質細胞和星形膠質細胞介導的。小膠質細胞和星形膠質細胞對于調節神經元活動和維持神經元功能的最佳環境至關重要，HD患者的紋狀體中常見反應性膠質細胞增多癥。小膠質細胞和星形膠質細胞增高的程度與神經元丟失的程度直接相關，并且導致炎癥介質的產生增加。當CNS 損害發生時，小膠質細胞被激活啟動先天免疫，隨著小膠質細胞的持續激活，活化小膠質細胞的存在可以誘導一系列的促炎細胞因子，包括IL-6、IL-12 和TNF-α，作為下游效應可以檢測到半胱天冬酶活性、細胞內鈣水平以及ROS和NO的產生增加。長時間產生炎癥介質會導致慢性炎癥損傷健康的神經元。

HD 患者表現出星形膠質細胞功能障礙以及反應性星形膠質細胞。功能障礙的星形膠質細胞失去為神經元提供支持的能力，可能導致HD 的神經元死亡。星形膠質細胞會變為產生促炎和有害分子的反應性星形膠質細胞。在紋狀體中，反應性星形膠質細胞數量的增加與紋狀體神經變性呈梯度相關。星形膠質細胞可以釋放抗炎、神經營養或抗氧化分子發揮神經保護作用，但HD 中星形膠質細胞的神經保護和神經毒性作用是不平衡的，神經毒性占優勢，炎癥介質可以推動星形膠質細胞表達促炎表型［42］。星形膠質細胞從突觸中攝取谷氨酸尤為重要，神經元長期暴露于過量谷氨酸中會導致谷氨酸介導的興奮性毒性。具有mHtt 包涵體的星形膠質細胞顯示Kir4.1 通道表達降低導致HD 中的鉀穩態受損。Kir4.1 通道通過允許鉀離子內流維持星形膠質細胞的膜電位。HD中鉀離子通道的表達丟失，引起鉀離子內流的減少，細胞外鉀離子水平增加，導致去極化增加，中型棘樣神經元的過度興奮［43］。星形膠質細胞中mHtt 表達，會觸發神經元中的氧化應激，其釋放的抗壞血酸在HD 中會被改變，因此反應性星形膠質細胞表達更強的促炎作用［44，45］。

3.5 ALS 中的神經炎癥 ALS 的病理特征為大腦皮質、腦干和脊髓中運動神經元（motor neurons，MN）的死亡。ALS 發病后會出現肌肉萎縮無力，癱瘓，然后擴散到其他部位，最終導致呼吸肌功能障礙因呼吸衰竭而死亡。目前關于ALS確切的發病機制仍然是未知的，病理機制的復雜性是ALS 治療的主要障礙。從尸檢解剖病理學研究中了解到神經炎癥在ALS發病機制中起著重要作用。在ALS患者和小鼠模型的脊髓中發現了T 細胞浸潤，小膠質細胞和廣泛星形膠質細胞增生的證據。ALS 神經炎癥的特征是CNS小膠質細胞和反應性星形膠質細胞以及外周淋巴細胞和巨噬細胞浸潤［46～48］。

活化的小膠質細胞主要通過3 種途徑參與MN變性：（1）分泌的神經營養因子減少，且減少的水平與MN 死亡相關。（2）釋放多種促炎因子，如TNF-α、IL-1、IL-6、IL-1α 和NO 改變神經生理機制，抑制線粒體功能或者通過突觸蛋白的翻譯后修飾來誘導MN凋亡。（3）失去參與突觸重塑的功能［49］。在ALS的早期，小膠質細胞表達M2表型釋放具有抗炎活性的細胞因子IL-4、IL-10、IL-13 和神經營養因子，例如BDNF 等來促進組織修復和再生并保護神經元［9］。進展到晚期，小膠質細胞從M2表型切換到M1表型，通過核因子-κB 信號通路以及分泌ROS 和促炎細胞因子IL-1β、IL-6、TNF-α 促進炎癥和細胞毒性加重MN 的死亡。活化小膠質細胞增多特別表現為運動皮質、皮質脊髓束和脊髓腹角的MN 損傷，并且隨著疾病的進展，活化的小膠質細胞數量會逐漸增加。

反應性星形膠質細胞圍繞上部和下部退化MN，在病理學中發揮核心作用。ALS 中星形膠質細胞的活化會降低保護作用增加損害作用［50］。活化的小膠質細胞和星形膠質細胞產生毒性因子導致最初的MN損傷和疾病的進展。有研究表明，星形膠質細胞可釋放對MN 有毒的可溶性因子，小膠質細胞釋放的IL-1α、TNF-α 會驅動星形膠質細胞進入神經毒性表型誘導神經炎癥，導致MN 死亡。通過抑制這些因子釋放或減少反應性星形膠質細胞，可以減緩疾病進展［51］。將MN 與反應性星形膠質細胞共培養2 個月，MN 會顯示出ALS 特有的軸突和細胞質蛋白包涵體增加，部分反應性星形膠質細胞會釋放TGFβ1誘導蛋白質的聚集，TGF-β1會通過mTOR 途徑破壞運動神經元自噬［52］。ALS 患者星形膠質細胞中因為SOD1 基因突變會出現異常聚集的磺酰化EAAT2羧基端碎片，該碎片在星形膠質細胞中的聚集會誘導細胞表型發生改變，并抑制對突觸間隙中谷氨酸的正常攝取［53］。當神經元過度暴露在谷氨酸等興奮性神經遞質中時，會產生顯著的毒性反應［54］。異常的SOD1蛋白會錯誤地定位在線粒體內外膜間隙，導致ROS 清除能力下降，加重線粒體損傷和神經元凋亡。線粒體功能障礙導致ROS產生增加三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）生成減少和鈣離子穩態受損，過多的ROS 進一步加重脂質和蛋白質的氧化損傷，加速MN 變性、死亡。ATP 產生不足嚴重影響神經元活性，鈣離子穩態失衡會觸發神經元的變性凋亡［55］。

4 總結與展望

ND 的發病是一個極其復雜的過程，神經炎癥是ND 神經變性和神經元丟失發生進展的關鍵因素，小膠質細胞和星形膠質細胞是主要參與者。促炎和神經保護性神經膠質細胞之間的動態變化在ND 的進展中起著至關重要的作用。活化的小膠質細胞和星形膠質細胞之間也會相互影響。這些細胞在慢性神經炎癥和神經元死亡中持續存在的作用顯現出它們可能是ND 的治療靶點。抑制神經炎癥可以改善癥狀延緩疾病進展。開發新的治療方法靶向干預小膠質細胞和星形膠質細胞的活化，抑制慢性有害神經炎癥的發生，將是控制ND發展的新的治療策略。

利益沖突聲明：所有作者均聲明不存在利益沖突。

作者貢獻聲明：付海鑫負責設計論文框架、論文的起草、編撰及修改；王慧影、張良負責進行文獻檢索；蘭瑞、武繼濤負責擬定寫作思路、審校、指導撰寫文章并最后定稿。