代謝因素影響小膠質細胞極化在阿爾茨海默病中的作用及機制

吳藝舸 宋麗娟 丁智斌 郭敏芳 尉杰忠 馬存根 （.山西中醫藥大學國家中醫藥管理局多發性硬化益氣活血重點研究室/神經生物學研究中心，太原 0004； .山西醫科大學生理學系/山西白求恩醫院神經科，000 太原； .山西大同大學腦科學研究所，07009 大同）

隨著老齡化加速，臨床上常見的以神經元丟失和癡呆為特征的阿爾茨海默病（Alzheimer's disease，AD）、以靜止震顫為主要表現的帕金森病（Parkinson's disease，PD）等中樞神經系統（central nervous system，CNS）變性疾病愈來愈受到關注［1-2］。小膠質細胞作為CNS中固有的免疫細胞，可通過不同途徑的激活誘導炎癥信號通路，參與神經變性的發生、發展，從而影響疾病預后［3］。根據激活的小膠質細胞特性，一般將小膠質細胞分為M1和M2兩大群［4］。然而，表型標記與功能之間的不連續性導致靶向M1/M2開發針對神經炎癥、免疫調節療法欠精準［5］。

1 M1極化與M2極化

小膠質細胞通過其特有的異質性和可塑性發生極化，演變為表型與功能差異巨大的兩個亞群，分別具有促炎或抗炎作用。將其描述為經典激活的M1型和替代激活的M2型，前者又稱為細胞毒性M1型，后者又稱為細胞保護性M2型［6］。M1型的標志性分子為MHCⅡ、COX-2、誘導型一氧化氮合成酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）、分化群（如CD3、CD6、CD32），可經干擾素γ（interferon-γ，INF-γ）、脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）等誘導激活，產生腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、IL-1β、IL-6、IL-12、一氧化氮（nitric oxide，NO）和活性氧（reactive oxygen species，ROS）等神經毒素物質，促發炎癥反應，加重神經損害［7］。M2型表型的標志性分子為CD206、胰島素樣生長因子1（insulinlike growth factor-1，IGF-1）、精氨酸-1（arginase-1，Arg-1）、P2X4R、FIZZ1、CD206等，可分泌IL-4、IL-10、轉化生長因子β（transforming growth factor-β，TGF-β）、血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）、腦源性神經營養因子（brainderived neurotrophic factor，BDNF）等細胞因子，通過抑制NF-κB信號通路、阻斷NO產生、上調Arg-1等抑制炎癥表達，起到抗炎癥反應、吞噬損傷的神經細胞碎片、修復神經的作用［8-10］。

2 M1極化和M2極化分類的缺陷

上述分類對小膠質細胞研究的開展起到重要作用。但隨著研究的深入，其缺陷也逐漸顯露出來，因為它們僅代表小膠質細胞廣譜分化連續體中的兩個極端狀態，這樣的分類導致了表型標記與功能之間的不連續性［11］。RNA單細胞測序表明，小膠質細胞可同時顯示M1型與M2型激活的特征性基因，提示兩者間存在相互轉化的可能［12］。近年研究也發現，M2型小膠質細胞可進一步分為M2a、M2b、M2c和M2d 4個亞型［13］。與此同時，目前對于小膠質細胞極化的大部分認知都來源于嚙齒動物細胞建立的模型，其是否真正適用于人類尚需進一步探究。而且，體內小膠質細胞的分化情況較體外復雜得多，其極化的變化更類似于一個連續的整體，M1與M2此消彼長，功能調節呈現傾斜方向（圖1）［5］。

圖1 激活后的小膠質細胞的極化方向Fig.1 Polarization of activated microglia

鑒于此，從免疫代謝影響小膠質細胞極化方向和功能調節的角度探討，則可彌補M1/M2分類產生的缺陷，可能有助于闡明其在神經變性疾病中的作用，并為探討新的治療策略提供思路。

3 代謝促進小膠質細胞的炎性極化

三大能量代謝中的一些代謝產物直接或間接地影響小膠質細胞的表型轉化。其中谷氨酸等氨基酸代謝產物、糖酵解代謝、飽和脂肪酸代謝均能促進小膠質細胞的炎性極化。

3.1 谷氨酸等氨基酸的代謝產物和病理產物促進小膠質細胞的炎性極化 從谷氨酸在神經細胞中代謝的角度來看，谷氨酰胺可通過三羧酸循環導致琥珀酸積累。琥珀酸鹽的過量累積會誘導活性氧化物促進低氧誘導因子-1α（hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α）的穩定，使小膠質細胞從抗炎性向促炎性表達轉化［14-15］。又如在AD和PD中，細胞毒性小膠質細胞釋放大量谷氨酸，并與受體N-D-天冬氨酸甲酯（Methyl N-D-Aspartate，NMDA）結合，產生神經毒素，損害神經細胞的線粒體呼吸鏈，最終造成細胞凋亡，加重神經變性疾病［16］。同時，AD中通過β分泌酶和γ分泌酶的蛋白水解作用產生的淀粉樣蛋白β（amyloid β，Aβ）沉積，可導致神經遞質含量降低，引起突觸損傷和神經元死亡［17］。在2型髓系細胞觸發受體（triggering receptor expressed on myeloid cells 2，TREM2）等介導下，Aβ代謝所形成的氨基酸產物被小膠質細胞吞噬，在小膠質細胞內形成吞噬體，但同時加劇細胞炎癥反應，增加IL-6、IL-1β、TNF-α等的過量表達，促使小膠質細胞的促炎極化［18］。

3.2 糖酵解促進小膠質細胞的炎性極化 小膠質細胞從“靜息”狀態向促炎性狀態極化時，其代謝狀態會由氧化磷酸化轉變為糖酵解。在離體實驗中，與對照組相比，處在細胞外高葡萄糖濃度的小膠質細胞中的表型標志性分子，如iNOS、IL-6、TNF-α等水平均呈上升趨勢，使小膠質細胞產生促炎性極化［19］。另外，在促炎因子刺激下，小膠質細胞的葡萄糖攝取量及糖酵解水平又會隨著葡萄糖轉運體1（glucose transporter 1，GLUT1）和4（GLUT4）的表達增加而增多，形成惡性循環［20］。有學者指出糖酵解增強可能是小膠質細胞促炎性的先決條件，其具體作用途徑是經小膠質細胞NF-κB通路促使IL-6、TNF-α等促炎因子產生，進而激活小膠質細胞抗炎性表型表達，增強免疫應答和吞噬活性［21］。但實際上，這種情況下的小膠質細胞往往過度激活，從原先的抗炎性極化迅速轉化為促炎性極化，并釋放高濃度的促炎因子及神經毒素，這種小膠質細胞的連續性表達導致其促炎性不受控制，造成神經細胞的進一步損害，通過炎癥反應加重AD等疾病［22］。同時，促炎性極化產生的促炎因子在Aβ斑塊的形成中也起到決定性作用，而Aβ大量沉積又會反作用于小膠質細胞，誘導炎性極化方向，釋放細胞毒性因子和炎性介質，造成神經元損傷，如此循環往復過程中，促炎性極化所需的能量通過糖酵解增強提供，導致AD的進行性發展［23］。

3.3 飽和脂肪酸促進小膠質細胞的炎性極化 作為CNS中免疫細胞代謝的重要介質和豐富能量來源的脂肪酸，大部分來源于血液，通過被動擴散或協助轉運方式透過血腦屏障（blood brain barrier，BBB）。研究發現，高脂肪飲食能增加血液中的脂肪酸濃度，大量透過BBB，并作用于下丘腦，特異性地激活小膠質細胞，產生促炎性反應［24-25］。盡管有學者提出治療AD時可通過攝取適量膳食脂肪酸以減少小膠質細胞的炎癥反應，但研究表明過量的飽和脂肪酸攝入往往會適得其反，因為其會增加小膠質細胞的促炎表型［26-27］。另有實驗研究表明，大量攝入諸如棕櫚酸、硬脂酸等飽和脂肪酸會激活TLR-4受體，通過激活NF-κB通路釋放IFN-γ和TNF-α等促炎性因子，使小膠質細胞向促炎性狀態極化，誘發或加重AD等神經變性疾病的發生與進展［28］。

4 代謝因素促進小膠質細胞的抗炎性極化

4.1 有效的線粒體功能與氧化磷酸化代謝促進小膠質細胞的抗炎性極化 與小膠質細胞促炎性極化時糖酵解途徑增強不同的是，“靜息”狀態和向抗炎性極化小膠質細胞的激活需要氧化磷酸化（oxidative phosphorylation，OXPHOS）代謝的支持。有效的線粒體功能需要OXPHOS產生三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）以滿足其行使功能，參與各類細胞穩態的維持和損傷細胞的修復［29］。當小膠質細胞受LPS等炎性刺激后，容易出現分裂、呼吸鏈電子傳導障礙、OXPHOS受阻等系列損害，使線粒體功能缺失［30］。AD患者體內常存在基因突變、關鍵蛋白表達異常等，導致氧化磷酸化代謝失常，線粒體損害，迫使細胞代謝途徑發生轉變，依賴糖酵解供應能量［31］。糖酵解增強會加重小膠質細胞的促炎性極化，釋放炎癥因子和神經毒性物質加重病情。線粒體分裂抑制劑（mitochondrial division inhibitor 1，Mdivi-1）可阻止LPS所引起的線粒體斷裂，恢復耗氧率（oxygen consumption rate，OCR）和細胞外酸化率（extracellular acidification rate，ECAR），使iNOS和COX-2蛋白表達受抑制，最終達到降低促炎因子釋放的目的，對阻斷小膠質細胞的促炎性表達具有重要意義［32］。相反，通過調節線粒體上的解偶聯蛋白2（uncoupling protein 2，UCP2）抑制線粒體功能可使小膠質細胞炎性反應增強，如NO、IL-6等炎癥因子釋放增多，并抑制抗炎基因的誘導和抗炎功能［33］。

4.2 不飽和脂肪酸促進小膠質細胞的抗炎性極化 與飽和脂肪酸相反，氧化后所形成的不飽和脂肪酸往往與抗炎性極化相關。不飽和脂肪酸可與小膠質細胞膜上的G蛋白偶聯受體120結合，激活其抗炎表型，參與抗炎效應［34］。且由于其自身為雙鍵碳鏈結構，能以長鏈脂肪酸形式插入小膠質細胞的細胞膜，影響細胞膜的曲率，改變膜上受體信號，增加吞噬作用［35］。多項研究證實，不飽和脂肪酸處理后的小膠質細胞抗炎因子，如IL-10、TGF-β等表達明顯升高，IL-10常介導AD中的神經元損傷后修復，具有維持免疫穩態作用，TGF亞群則可以防止Aβ1-42誘發AD，抗炎性小膠質細胞的表型標志性分子CD206、Arg-1的表達也隨之上調［36］。以二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid，DHA）為例，其作為一種典型的omega-3脂肪酸，與小膠質細胞的吞噬作用息息相關，有人將其稱之為消炎脂肪酸，其通過影響載脂蛋白E（apolipoprotein E，ApoE）表達，保護神經細胞，降低散發性AD的風險［37-38］。因此，不飽和脂肪酸能抑制炎癥信號，促進小膠質細胞的抗炎性極化［39］。

4.3 精氨酸等氨基酸代謝促進小膠質細胞的抗炎性極化 氨基酸代謝對小膠質細胞的影響往往呈雙向調控作用。以精氨酸為例，一方面可以通過誘導iNOS因子釋放，促使NO生成，調控小膠質細胞向促炎性極化；另一方面，精氨酸也能通過抑制HIF-1α通路而向促炎性極化［40］。此外，重組Arg-1可以將精氨酸分解為鳥氨酸，直接起到對iNOS的抑制作用［41］。iNOS在CNS炎癥過程中發揮重要作用，抑制其功能可降低NO表達，與NO含量呈正比例關系的Aβ也隨之受到抑制，可有效減緩AD的進展［42］。作為大腦中高濃度存在的代謝來源，谷氨酸與谷氨酰胺構成了一個循環體系，即使在葡萄糖充足的情況下，小膠質細胞亦會利用谷氨酰胺進行氧化磷酸化，維持線粒體的功能，從而使小膠質細胞向抗炎性極化，減輕炎癥反應，這些正是AD患者治療所需的必要條件［43］。

5 代謝因素影響小膠質細胞極化的相關信號通路

信號通路在小膠質細胞的極化方向中扮演極為關鍵的角色，TLR4/NF-κB信號通路、p38 MAPK信號通路等能使小膠質細胞促炎性極化；TREM2等信號通路能使小膠質細胞抗炎性極化；HIF-1α信號通路則具有雙向調節作用。通過代謝變化影響不同的信號通路可調控小膠質細胞的極化方向。

5.1 TLR4/NF-κB信號通路 Toll樣受體（Toll-like receptor，TLR）主要分布于免疫細胞，其中的TLR4具有特異性識別病原體相關分子的功能，且在CNS中分布廣泛，在小膠質細胞中表達最多，故小膠質細胞成為最主要的特異性識別LPS的受體。NF-κB是一種具有多向調節作用的核轉錄因子，是TLR4最重要的下游信號之一。TLR4通過MyD88依賴途徑和MyD88非依賴途徑激活NF-κB信號通路，調控一系列炎癥因子如IL-2、IL-1β、TNF-α等的表達，使小膠質細胞向促炎性極化，而極化后的小膠質細胞又能反過來產生作用，增加炎癥因子的釋放［44-45］。NF-κB作為Aβ沉積、神經炎癥和神經退行性變的主要驅動因素，其過度增加可加重AD患者癥狀，對其進行抑制是AD治療的重要方向［46］。在免疫代謝中，糖酵解增強、飽和脂肪酸的攝入增加均能激活TLR4/NF-κB信號通路，產生一系列促炎因子，促使小膠質細胞的炎性極化，對AD治療產生不利影響。

5.2 p38 MAPK信號通路 絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）可以響應各種細胞外刺激，并調節小膠質細胞特性，而其中的p38 MAPK在促炎信號網絡的調節和生物因子的合成中發揮較大作用［47］。多種炎癥因子、ROS、紫外線、滲透壓變化等均能激活p38 MAPK通路，繼而激活NF-κB、STAT等轉錄因子，通過典型的3級酶促級聯反應，進而表達TNF-α、IL-1β等炎癥因子，加重炎癥反應。高葡萄糖含量能通過調控MAPK信號通路增加糖代謝水平和糖酵解能力，使得小膠質細胞向促炎性極化。

5.3 TREM2信號通路 TREM2是一種1型跨膜受體蛋白，在CNS中主要由小膠質細胞表達，可調節吞噬作用和抑制炎癥反應［48］。TREM2可與LPS、Aβ寡聚體、ApoE等結合而激活，不同配體可以激活TREM2下游的不同信號通路，調節小膠質細胞表型［49］。如通過TREM2-DAP12信號通路激活磷脂酰肌醇3-激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B，AKT）通路，上調小膠質細胞中CCAAT-增強子結合蛋白α（CCAAT-enhancer binding protein α，C/EBPα）表達，進而大量轉錄表達CD36，促進小膠質細胞增殖，吞噬損傷的神經細胞碎片等，發揮細胞保護作用［50］。在AD患者中，小膠質細胞常表現為TREM2的缺陷，線粒體構型受到破壞，數量減少，自噬增加，小膠質細胞出現功能障礙，加重了疾病進展［51］。

5.4 HIF-1α信號通路 HIF-1是一種可與低氧反應元件結合，導致下游靶基因轉錄的一種轉錄因子，在缺氧條件下特異性穩定的亞基α對HIF-1的活性具有決定性作用［52］。HIF-1α直接參與VEGF基因表達。缺氧狀態下，HIF-1α進入細胞核中與缺氧反應元件（hypoxia response element，HRE）結合，激活產生大量VEGF，轉錄后在糖酵解代謝途徑的介入下參與血管生成［53］。HIF-1α是糖酵解代謝的主要驅動因素之一，對維持小膠質細胞的炎性極化必不可少。但同時，通過不同氨基酸代謝途徑的介入，HIF-1α的作用亦能被限制，從而激活小膠質細胞的抗炎性表達［54］。對于AD患者而言，抑制促炎性表達，轉向抗炎性無疑是一種期待的治療途徑。

上述幾條信號通路相互聯系，相互作用。受細胞代謝調控，在TNF、IL-1、IL-18等作用下，往往能激活NF-κB和p38 MAPK信號通路，經過基因表達產生一系列的炎性物質加重AD損害。LPS在激活NF-κB信號通路產生炎癥因子的同時，亦能在TREM2信號通路發揮作用，參與CD36誘導損傷的修復，發揮保護作用。而在糖代謝供能的情況下，低氧環境常常激活HIF-1α信號通路，與HRE相結合，釋放VEGF、NOS等因子，介導AD的炎癥反應（圖2）。

圖2 HIF-α、MAPK、NF-κB、TREM2信號通路間的聯系Fig.2 Connections among signaling pathways of HIF-α，MAPK， NF-κB， TREM2

6 靶向代謝因素影響小膠質細胞極化的物質

如上所述，通過影響小膠質細胞的三大代謝方式，均能起到干預小膠質細胞極化方向的作用。而針對AD等神經炎性變性疾病，促進小膠質細胞的抗炎性極化，使其產生抗炎、細胞保護的效果很可能是一種有效的治療思路。

在抑制糖酵解代謝途徑方面，磷酸腺苷活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）可通過抑制雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）通路的磷酸化水平抑制糖酵解代謝，促使小膠質細胞抗炎性極化，減輕AD患者的CNS炎癥反應［55］。在維持有效的線粒體功能和氧化磷酸化代謝方面，從姜黃中提取的姜黃素具有調控多種信號通路的功能，可抑制LPS誘導的神經炎癥，使小膠質細胞偏向抗炎性表達［56］。通過加工成納米顆粒形式的姜黃素可透過BBB到達神經元線粒體，可減輕氧化應激反應來保護細胞，降低神經元死亡，緩解AD癥狀［57］。Rho激酶抑制劑鹽酸法舒地爾可以起到保護線粒體功能作用，同時維持小膠質細胞的氧化磷酸化代謝，抑制NF-κB信號通路，降低炎癥因子表達，促使小膠質細胞向抗炎性極化，發揮抗炎、吞噬神經細胞碎片、保護神經等作用［58］。與此相似，作為內源性類固醇的孕酮同樣在CNS中起到維持線粒體功能完整的作用，這對于小膠質細胞的抗炎性極化尤為關鍵，提示通過干預代謝途徑可以起到神經保護作用［59-60］。與脂代謝相關的是，降糖藥物維格列汀可有效對抗高脂高糖引起的AD，通過調節代謝水平，恢復正常代謝，可降低AD大鼠的炎癥反應，防止小膠質細胞促炎性極化，起到一定的神經保護與抗凋亡功能［61］。同樣，作為降糖藥物的利拉魯肽，在輕度AD患者的治療過程中展現了一定的療效，通過調控CNS中細胞糖代謝的異常，降低了小膠質細胞的極化水平，腦內Aβ水平減少［62］。

7 小結與展望

隨著基礎和臨床研究的不斷深入，小膠質細胞等免疫細胞在神經變性疾病中的作用日益受到重視［63］。然而，傳統意義上的M1/M2極化分類由于過于簡化和極端已遠不能解釋目前的研究結果。由于免疫代謝在小膠質細胞的促炎或抗炎極化中的關鍵作用，從代謝角度研究小膠質細胞的極化很可能是一種可行的思路。糖酵解增強、飽和脂肪酸含量增多、氨基酸的特定代謝等途徑都能特異性地激活小膠質細胞的促炎性表達。相反，氧化磷酸化支持下的有效線粒體功能、不飽和脂肪酸等都能支持小膠質細胞的抗炎性表達。因此通過靶向代謝調控細胞因子與信號通路調控小膠質細胞的極化方向，對治療AD等神經炎性變性疾病可能具有重要的理論價值與實踐意義。