小膠質(zhì)細胞活化介導的神經(jīng)元損傷與抑郁癥的研究進展

何 瓔,鄒蔓姝,3,韓遠山,王宇紅,3

(湖南中醫(yī)藥大學1. 科技創(chuàng)新中心,湖南 長沙 410208;2. 第一附屬醫(yī)院,湖南 長沙 410000;3.抑郁類疾病中醫(yī)藥防治湖南省重點實驗室,湖南 長沙 410208)

抑郁癥是一種常見的精神情感障礙,其特征是情緒低落、失去興趣、言語活動減少、無法享受生活,甚至有自殺念頭。根據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計,抑郁癥影響著全球約3億人。抑郁癥的發(fā)病受心理、激素、遺傳等多種因素的影響,其發(fā)病機制復雜,主要包括單胺類神經(jīng)遞質(zhì)假說,受體假說,下丘腦-垂體-腎上腺軸假說,細胞因子、興奮性氨基酸及內(nèi)分泌激素假說[1]。近年來,免疫反應(yīng)、神經(jīng)炎癥和神經(jīng)損傷和抑郁癥的生物學關(guān)聯(lián)受到了學者們的廣泛關(guān)注。

小膠質(zhì)細胞(microglia,MG)作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system,CNS)中的常駐免疫細胞,其參與協(xié)調(diào)免疫反應(yīng)并與神經(jīng)保護息息相關(guān),其激活有兩種模式:M1模式,MG活化后會分泌超氧自由基和促炎性因子(如白細胞介素-6((interleukin-6,IL-6)、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白細胞介素-1β(interleukin-1β,L-1β)),損傷神經(jīng)元;M2模式,MG活化后能分泌抗炎因子(如白細胞介素-10(interleukin-10,IL-10)、白細胞介素-4(interleukin-4,IL-4)、轉(zhuǎn)化生長因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)),有利于神經(jīng)元損傷的修復[2]。小膠質(zhì)細胞功能障礙及特異性基因突變與許多中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病有關(guān)。其中,神經(jīng)炎癥是引發(fā)包括抑郁癥在內(nèi)的中樞神經(jīng)疾病的重要病理因素,因此,抑制中樞神經(jīng)炎癥是有效緩解抑郁癥發(fā)生、發(fā)展的關(guān)鍵途徑[3]。研究指出[3],MG活化在中樞炎癥信號傳遞與放大中扮演了重要角色。研究膠質(zhì)細胞對神經(jīng)元的保護與攻擊作用已成為神經(jīng)疾病研究的重要方向,但活化的MG引起神經(jīng)元損傷機制,以及在抑郁癥發(fā)生中扮演的角色,該類研究目前較少。

1 炎癥與神經(jīng)元損傷

神經(jīng)元損傷是介導認知功能障礙和抑郁樣行為的重要病因。有報道指出炎癥可誘發(fā)神經(jīng)元凋亡,突觸可塑性損害及興奮性降低等損傷。促炎因子白細胞介素-21(interleukin-21,IL-21)能通過蛋白酪氨酸激酶2(Janus kinase,JAK)/轉(zhuǎn)錄活化因子(signal transducers and activators of transcription,STAT)途徑誘發(fā)神經(jīng)元凋亡[4],相反地,抑制炎癥因子的分泌或增加抗炎因子的產(chǎn)生則有助于維持神經(jīng)元細胞的活性。此外,炎癥因子可損害神經(jīng)元突觸可塑性,進而引起神經(jīng)元正常功能異常,如IL-6可降低神經(jīng)元突觸可塑性而助推抑郁的發(fā)生[5]。研究發(fā)現(xiàn)[6],典型的促炎因子TNF-α、干擾素-γ(interferon-γ,IFN-γ)和IL-1β在調(diào)節(jié)神經(jīng)元之間的突觸傳遞中發(fā)揮著重要的作用,由此可見,炎癥廣泛參與了神經(jīng)元損傷。

在抑郁動物模型的血清、腦脊液和海馬中促炎因子TNF-α、IL-6和IL-1β表達升高,抑炎因子IL-10表達降低,慢性不可預知刺激(chronic unpredictable mild stress,CUMS)破壞大鼠機體的自我免疫調(diào)節(jié)功能,從而誘導神經(jīng)炎癥,進而導致神經(jīng)元損傷[7]。在重度抑郁癥(major depressive disorder,MDD)患者中,免疫細胞調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)失衡,其中,MG細胞負責免疫力的中心部分,MDD患者被觀察到血液炎癥標志物的改變和大腦中MG的激活,炎癥標志物IL-1β、IL-6和TNF-α基因表達增加,而炎癥的負調(diào)控因子SOCSs的mRNA表達水平下降[8]。不僅如此,炎癥還可引起海馬神經(jīng)元細胞凋亡,樹突棘密度下降等損傷[9]。由此可見,神經(jīng)元損傷與抑郁癥的發(fā)生發(fā)展緊密相關(guān),從炎癥反應(yīng)著手研究抑郁癥神經(jīng)元損傷機制,對揭示抑郁癥的發(fā)病機制具有重要意義。

2 與MG活化相關(guān)的神經(jīng)元損傷相關(guān)通路

MG活化可通過多種方式影響抑郁癥的發(fā)生,其中,炎癥因子破壞血腦屏障后大量入腦,通過炎癥瀑布效應(yīng)導致神經(jīng)元損傷是抑郁癥發(fā)生、發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié),而MG活化在炎癥信號的傳遞和放大過程中扮演了重要角色。

2.1 MG 活化介導的NLRP3信號誘發(fā)神經(jīng)元損傷NLRP3炎癥小體是由含pyrin結(jié)構(gòu)域NOD樣受體家族3(NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3,NLRP3)、凋亡相關(guān)微粒蛋白ASC及含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-1(cysteinyl aspartate specific proteinase-1,caspase-1)組成的多蛋白復合物,主要表達于巨噬細胞、MG等免疫細胞。研究發(fā)現(xiàn)[10],在CUMS大鼠中NLRP3和MG標志蛋白Iba1共表達增多,提示抑郁模型大鼠中MG細胞內(nèi)NLRP3活化可介導神經(jīng)元損傷。Herman等[10]指出NLRP3炎癥小體活化觸發(fā)炎性瀑布效應(yīng),進而影響神經(jīng)元突觸可塑性和形態(tài),導致海馬受損和認知功能損害。炎性因子可結(jié)合神經(jīng)元細胞膜上面的受體而發(fā)揮作用(其中IL-1β及TNF-ɑ受體的作用非常關(guān)鍵),其可通過降低突觸后致密蛋白、谷氨酸受體2以及N-甲基D-天冬氨酸-2B受體蛋白表達而損害神經(jīng)元突觸可塑性[11];相反地,抑制NLRP3活化可減少IL-1β分泌則可以緩解MG活化引起的神經(jīng)元毒性。岳凌峰等[12]發(fā)現(xiàn)可通過阻止NLRP3炎癥小體招募并活化caspase-1,促進炎癥因子IL-1β和IL-18成熟來減輕CUMS模型小鼠的炎癥反應(yīng),保護其海馬神經(jīng)元,減輕小鼠抑郁樣行為。綜上所述,MG活化介導的NLRP3信號,是海馬神經(jīng)元損傷的重要途徑。

2.2 MG 活化介導COX/PGs通路誘發(fā)神經(jīng)元損傷環(huán)氧合酶(cyclo-oxygenase,COX)是一種雙功能酶(有COX-1和COX-2兩種亞型),具有環(huán)氧化酶和過氧化氫酶活性,其可催化花生四烯酸(arachidonic acid,AA)轉(zhuǎn)化為前列腺素(prostaglandin,PGs)。MG細胞是COX的重要來源,最新研究顯示MG的活化促進了COX合成更多的PGs,后者可以充當MG細胞和神經(jīng)元細胞之間的直接信使因子[13]。這些PGs由MG分泌至胞外,并進一步結(jié)合神經(jīng)元細胞膜上的前列腺素受體(EPR),進而使得神經(jīng)元興奮性下降并引發(fā)抑郁癥[13-14]。Fritz等[14]研究發(fā)現(xiàn),PGs/EPR通路的活化可增加神經(jīng)元峰電位間距,降低膜電阻力及后超極化(fAHP)[13],同時也抑制了γ-氨基丁酸GABA及多巴胺(dopamine,DA)信號通路,進而抑制DA遞質(zhì)的生成和傳遞,從而引發(fā)負面情緒及抑郁。因此,MG活化介導COX/PGs通路降低海馬神經(jīng)元興奮性可能是引發(fā)抑郁一重要機制。

COX和神經(jīng)炎癥相關(guān)并且被認為可通過介導PGs的合成而引起神經(jīng)元興奮性降低[15]。誘發(fā)炎癥的病原體LPS可激活MG細胞以調(diào)節(jié)CNS中的神經(jīng)炎癥反應(yīng)。尼羅替尼可抑制小鼠海馬和皮質(zhì)中MG活化,通過調(diào)節(jié)AKT/P38/STAT3信號傳導抑制LPS介導的促炎細胞因子COX-2、IL-1β、IL-6表達水平,增加樹突棘密度,保護海馬神經(jīng)元[16]。有研究試圖通過調(diào)控COX-2水平,干預PGE2的產(chǎn)生來發(fā)揮抗神經(jīng)炎癥的作用,新型GPR55受體拮抗劑KIT10可通過抑制COX-2/PGE2降低小膠質(zhì)細胞的神經(jīng)炎癥[15]。綜上,MG活化誘發(fā)神經(jīng)炎癥,進而調(diào)控COX/PGs通路影響神經(jīng)元,可能是引發(fā)抑郁的又一重要機制。

2.3 MG 活化介導犬尿氨酸途徑誘發(fā)神經(jīng)元損傷犬尿氨酸途徑(kynurenine pathway,KP)是色氨酸(tryptophan,Trp)代謝的主要途徑,促炎細胞因子促進Trp沿KP的代謝,KP代謝物紊亂會導致神經(jīng)損傷[17]。KP可以生成二種神經(jīng)活性代謝物,分別為3-羥基犬尿氨酸(3-hydroxy-kynurenine,3-HK)(主要在小膠質(zhì)細胞中)和犬尿酸(kynurenic acid,KYNA)(主要在星形膠質(zhì)細胞中)。促炎細胞因子,如IL-1β、IL-6、TNF-α和干擾素-γ,增加KP中的降解-限制酶吲哚胺2,3-雙加氧酶1(indoleamine 2,3-dioxygenase,IDO1)和色氨酸雙加氧酶2(tryptophan 2,3-dioxygenase,TDO2)。IDO1和TDO2將Trp分解代謝為N-甲酰基犬尿氨酸,然后進一步代謝為L-犬尿氨酸(kynurenine, KYN),最終轉(zhuǎn)換為KYNA或3-HK,前者具有神經(jīng)保護作用,后者具有神經(jīng)毒性,其比例失衡可導致抑郁癥的發(fā)生,另一方面,慢性壓力和感染會激活肝外酶吲哚胺2和3-雙加氧酶(IDO)并促進可用Trp向KYN途徑的轉(zhuǎn)移,從而減少大腦中血清素(5-hydroxy tryptamine,5-HT)的合成[17]。因此,IDO作為炎癥和抑郁之間的交叉點起著重要作用,IDO激活可誘導動物產(chǎn)生抑郁樣行為,IDO抑制劑的應(yīng)用可減輕小鼠的抑郁狀態(tài)。由此可知,色氨酸-犬尿氨酸(TKP)通路在調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)中起關(guān)鍵作用,促炎因子可激活中樞神經(jīng)神經(jīng)系統(tǒng)的免疫反應(yīng),改變KYN通路的神經(jīng)保護/神經(jīng)毒性平衡,增加神經(jīng)毒性代謝物和興奮性毒性,導致谷氨酸能系統(tǒng)、營養(yǎng)支持和突觸功能的長期變化[18],從而介導抑郁癥的發(fā)生。有研究表明[19],MG活化后,觸發(fā)TKP通路,導致犬尿氨酸2,3單加氧酶和QUIN的表達增加,前者可由炎癥介質(zhì)(如IL-1β)誘導,后者具有神經(jīng)毒性,增加其轉(zhuǎn)錄,并促進神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)病機制,通過MG活化介導的KP通路可調(diào)節(jié)炎癥介質(zhì)和神經(jīng)元損傷,恢復神經(jīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。Zhang等[20]使用大鼠建立了CUMS抑郁樣模型,給予蒼艾揮發(fā)油(CAVO),結(jié)果發(fā)現(xiàn)CAVO具有一定的抗抑郁效果,其抗抑郁作用主要歸因于抑制MG活化和下調(diào)IDO表達,從而抑制犬尿氨酸途徑,逆轉(zhuǎn)對5-HT系統(tǒng)的作用,并且能抑制神經(jīng)元炎癥引起的大腦神經(jīng)內(nèi)分泌和神經(jīng)化學變化。綜上所述,神經(jīng)炎癥可使MG活化,進一步使大腦中Trp代謝途徑偏向于KP途徑產(chǎn)生神經(jīng)毒性代謝物而不是5-HT,在這些條件下,誘發(fā)抑郁行為。

2.4 MG 活化介導HPA軸誘發(fā)神經(jīng)元損傷研究證明[21],MG活化和下丘腦-垂體-腎上腺軸(the hypothalamic-pituitary adrenal,HPA)軸息息相關(guān),HPA軸進一步參與抑郁癥的病理生理過程。HPA軸是機體重要的神經(jīng)內(nèi)分泌軸,參與控制應(yīng)激反應(yīng),其特征是調(diào)節(jié)下丘腦分泌促腎上腺皮質(zhì)激素釋放激素(corticotropin releasing hormone,CRH)作用于腺垂體,調(diào)控腺垂體促腎上腺皮質(zhì)激素(adrenocorticotropic hormone,ACTH)的分泌,ACTH又可作用于腎上腺皮質(zhì),影響HPA分泌糖皮質(zhì)激素(glucocorticoid receptor,GC)[靈長類為皮質(zhì)醇,嚙齒類為皮質(zhì)酮(corticosterone,CORT)]的分泌。皮質(zhì)醇的增加通過糖皮質(zhì)激素受體(glucocorticoid receptor,GR)發(fā)揮負反饋作用,抑制HPA軸的活性以恢復皮質(zhì)醇水平[21]。HPA軸亢進容易引發(fā)抑郁癥。嚙齒動物模型壓力暴露會增加其大腦中海馬、下丘腦和額葉皮質(zhì)中的促炎細胞因子水平,這些細胞因子激活MG并誘導更多細胞因子的產(chǎn)生,形成一個正反饋循環(huán)。大腦中,細胞因子和小膠質(zhì)細胞就通過改變細胞信號傳導和基因表達來影響神經(jīng)元突觸可塑進而導致抑郁癥的發(fā)生[22]。向小鼠慢性輸注血管緊張素Ⅱ可誘發(fā)腦部炎癥,炎癥增加了海馬中的MG活化,活化的MG進一步分泌炎性因子降低GR水平,使HPA軸過度活化,HPA軸亢奮導致GC長期升高,其降低海馬GR和MG中GR的缺失促使MG活化,導致神經(jīng)元死亡,從而誘導抑郁癥的發(fā)病[23]。張欣等[24]成功構(gòu)建圍經(jīng)期抑郁大鼠模型,觀察到模型組大鼠海馬神經(jīng)元萎縮且數(shù)目減少、形態(tài)及排列不規(guī)則、分層不清、胞膜部分斷裂、尼氏體數(shù)量減少以及神經(jīng)元細胞存活率降低,但是CRH、ACTH、CORT含量顯著增加,由此得知,HPA軸過度亢進,并且損傷海馬神經(jīng)元,是圍經(jīng)期抑郁大鼠的發(fā)病機制。研究證明通過調(diào)節(jié)HPA軸可以改善MG過度活化的情況,從而抵抗暴露在壓力中所造成的影響。Zhang等[25]發(fā)現(xiàn)CUMS通過刺激HPA軸釋放CORT,導致CORT潴留,可損傷HPA軸反饋系統(tǒng)。CORT通過結(jié)合其在MG上表達的受體來控制大腦的神經(jīng)炎癥過程。除了通過CORT對小膠質(zhì)細胞的作用外,CUMS也可以直接激活小膠質(zhì)細胞產(chǎn)生促炎介質(zhì)和氧化劑,這兩種物質(zhì)都可能損害星形膠質(zhì)細胞的功能,星形膠質(zhì)細胞作為共存的腦膠質(zhì)細胞,在維持神經(jīng)元可塑性、存活和活動方面發(fā)揮重要作用,甲胺四環(huán)素治療抑郁樣癥狀,與降低海馬TNF-α和IL-1β的表達,從而改善炎癥,抑制MG激活和HPA軸亢進有關(guān)。

3 總結(jié)與展望

神經(jīng)炎癥在抑郁癥的發(fā)生發(fā)展中起到至關(guān)重要的作用,神經(jīng)炎癥中炎癥因子表達水平發(fā)生改變。炎癥因子可分為促炎炎癥因子和抗炎炎癥因子,在抑郁癥患者中,促炎炎癥因子水平升高,抗炎炎癥因子水平降低。通過改善神經(jīng)炎癥治療抑郁癥的藥物常常具有抑制促炎炎癥因子分泌和增強抗炎炎癥因子產(chǎn)生的作用,如COX抑制劑(阿司匹林、塞萊希布等)。炎癥因子分泌增多,誘導BBB通透性增加而進入腦內(nèi),導致MG活化,MG活化之后,一方面可致使NLRP3炎癥小體活化,觸發(fā)炎性瀑布效應(yīng),引起神經(jīng)元凋亡并損害突觸可塑性;一方面可通過COX/PGs途徑介導神經(jīng)元興奮性降低、遞質(zhì)失衡;MG活化還能促進色氨酸向犬尿氨酸途徑進行,使其代謝物紊亂后導致神經(jīng)損傷;另一方面,MG活化還能通過影響HPA軸,造成其功能紊亂,影響神經(jīng)元可塑性和神經(jīng)元數(shù)量誘發(fā)抑郁癥。炎癥、MG和抑郁癥三者密切相關(guān),然而,對于這三者的關(guān)系目前并沒有系統(tǒng)全面的研究,這仍然需要大量的實驗去挖掘。研究小膠質(zhì)細胞活化介導的神經(jīng)元損傷在抑郁癥發(fā)生發(fā)展中的作用,有助于抑郁癥臨床研究的發(fā)展,為抗抑郁藥物的開發(fā)提供新的且可靠的依據(jù)。