衰老中小膠質細胞對認知功能減退調控的研究進展

葉蕾,舒姝,徐運,柏峰

我國的人口老齡化問題日益嚴峻,2020年第七次全國人口普查數據[1]顯示,我國60歲及以上老年人口占比已達到18.73%。衰老相關的健康問題嚴重影響老年人的生活質量,并給家庭和社會帶來沉重的經濟負擔和挑戰。衰老過程中神經認知功能減退是最常見的生理變化之一,隨著人口老齡化的不斷發展,癡呆癥的發病率和流行率也大幅增加,目前我國是癡呆癥患者人數最多的國家,約占全球癡呆癥總人口的25%[2]。因此,尋找衰老過程中認知功能減退的具體機制,防止或減緩其發生發展刻不容緩。在衰老的過程中,免疫系統的完整性往往會隨著年齡的增長而惡化,導致對感染、心血管疾病以及神經退行性疾病的易感性增加,使機體處于慢性輕度促炎環境中。越來越多的研究[3]表明,神經炎癥是年齡相關性認知損害的病理生理機制之一。小膠質細胞是CNS的主要常駐免疫細胞,具有吞噬和清除碎片、參與組織修復、調節突觸重塑等重要功能[4],其功能也受年齡的影響而發生改變。在衰老過程中,小膠質細胞隨著年齡的增長逐漸激活并表現出嚴重的功能異常,如促炎型細胞因子、活性氧(ROS)的產生增加[5-6],而衰老時功能異常的小膠質細胞可能在認知功能減退中具有重要作用。本文將就衰老中小膠質細胞在認知功能減退中的作用和潛在機制展開綜述。

1 衰老狀態下的小膠質細胞

慢性無菌炎癥是衰老的重要特征,當它發生在CNS時被稱為神經炎癥,主要表現為促炎型細胞因子、ROS表達增加,以及抗炎基因表達下調[5-7],衰老過程中的神經炎癥不可避免地會影響小膠質細胞的功能特性,小膠質細胞功能改變也是大腦老化的重要標志。

生理條件下的小膠質細胞發揮感知環境、維持生理動態平衡以及保護自身免受自身修飾和外源性的傷害的功能,參與內穩態、宿主防御病原體和CNS疾病的發生、發展[4]。隨著年齡的增長,小膠質細胞轉變為衰老或營養不良的狀態,形態上主要表現為突起長度縮短,分支及分支面積減少[8]。衰老過程中小膠質細胞產生的變化顯示出空間異質性,在老化大腦的白質區域更為明顯[9]。大腦白質與學習和信息處理密切相關,而白質中的神經炎癥可能與衰老過程中認知能力下降有關[10]。

神經炎癥以及氧化應激的增加也會影響小膠質細胞的基本功能,其中趨化因子(C-X3-C基元)配體1(CX3CL1)/趨化因子(C-X3-C基元)受體1(CX3CR1)和髓樣細胞觸發受體2(TREM2)/DNAX激活蛋白12(DAP12)信號對小膠質細胞發揮其生理功能至關重要。CX3CL1是由神經元分泌的趨化因子,能夠與小膠質細胞表面的CX3CR1相互作用,參與引導小膠質細胞在大腦中的發育定植及功能成熟[11]。研究[12]發現,老年小鼠由神經元分泌的CX3CL1的表達減少,成年小鼠的小膠質細胞在內毒素治療24 h后可恢復其表面CX3CR1水平,而老年小鼠的小膠質細胞未出現這種功能恢復。TREM2-DAP12信號能夠影響小膠質細胞的吞噬功能、促進細胞存活以及具有抗炎作用[13-14]。在老年小鼠中,小膠質細胞TREM2的表達也減少,當老年小鼠TREM2基因敲除后表現出年齡相關的小膠質細胞變化、氧化爆發和神經元丟失[15]。TREM2/DAP12介導的信號還能夠增加神經元腦源性神經營養因子(BDNF)的表達。BDNF既能夠促進突觸的形成,也能防止小膠質細胞吞噬海馬區域的苔蘚纖維突觸[16]。而BDNF及酪氨酸激酶受體B(TrkB)水平隨著年齡增長而降低,與衰老過程中小膠質細胞的激活狀態呈負相關[17]。另外通過活體雙光子成像技術研究不同年齡小鼠大腦皮質小膠質細胞的細胞內鈣信號和突起伸展水平發現,自發性鈣瞬變的細胞比例隨著年齡的增長而逐漸增加,小膠質細胞可能通過這種鈣信號改變對微環境中發生的輕微細胞或組織損傷反應過度,也就是小膠質細胞過度激活[18]。總體而言,小膠質細胞所產生的與年齡相關的改變使其不能對損傷或炎癥做出正常反應,限制了小膠質細胞應對病原體或神經變性的能力,發生保護功能下降和神經毒性增加。

2 衰老中小膠質細胞在認知功能減退中的作用

衰老是認知功能減退和神經退行性疾病的風險因素之一,與年齡相關的小膠質細胞可能通過不同的機制參與認知功能減退的發生、發展,因此了解衰老對小膠質細胞表型的影響以及小膠質細胞是否可以調節與衰老相關的功能障礙,對于理解其在認知減退的作用至關重要。

2.1 CX3CL1-CX3CR1和TREM2-DAP12信號在衰老中對小膠質細胞功能的調控作用 CX3CL1-CX3CR1信號是神經元-小膠質細胞的重要通訊系統,參與小膠質細胞對突觸的消除并維持正常的突觸功能[19-20]。而CX3CR1缺乏會導致小膠質細胞對突觸的修剪延遲,從而產生過剩和不成熟的突觸,進一步加劇認知障礙[21]。對50～75歲的人群進行血清樣本檢測發現,CX3CL1與癡呆癥發病率密切相關[22];腹腔注射CX3CL1后,老齡小鼠海馬區域BDNF的表達明顯增加,并且年齡相關的記憶損害得到改善[23]。

TREM2/DAP12介導的信號可通過加強小膠質細胞的運動性并增加小膠質細胞突起與樹突之間的接觸頻率,促進突觸的形成[24]。然而老年小鼠小膠質細胞TREM2的表達減少,TREM2基因敲除的老年小鼠海馬區域表現出年齡相關的神經元丟失,小膠質細胞數量減少以及氧化爆發,可能與衰老過程中的認知障礙相關[15]。然而在另一項研究[25]中,TREM2基因敲除的老年小鼠卻有更好的認知表現,但海馬區域長時程增強(LTP)顯著增強,樹突棘密度和突觸標志物增加。因此,TREM2在年齡相關的突觸功能和認知功能減退的作用仍需進一步明確。

2.2 小膠質細胞產生炎性分子參與認知功能減退 在衰老過程中,處于慢性無菌性炎癥環境中的小膠質細胞會進一步導致促炎型細胞因子和其他細胞毒性介質的過度產生,從而對神經元產生有害影響,可能與年齡相關的認知功能改變相關。研究[7]發現,老年小鼠在發作性全身炎癥后表現出明顯的探索活動和情節、空間記憶缺陷;腦內還原型輔酶Ⅱ氧化酶2(NOX2)和氧化蛋白的表達水平更高,抗氧化防御能力更低,這表明調節炎癥反應和氧化應激可能是阻止正常衰老期間認知功能下降的潛在方法。

組織蛋白酶B(CatB)是一種典型的半胱氨酸溶酶體蛋白水解酶,通過產生IL-1β參與小膠質細胞介導的炎癥反應[26]。在衰老過程中,小膠質細胞中CatB的表達增加并從溶酶體滲漏,在小膠質細胞中發生核轉位,導致氧化型輔酶Ⅰ依賴性組蛋白去乙酰化酶(Sirt)1、Sirt6、Sirt7在細胞核內的表達減少以及促炎因子的表達增加,從而引發衰老過程中認知功能的下降[27]。CatB的遺傳消融能夠顯著減少老年小鼠體內ROS的產生和神經炎癥,并且改善衰老過程中的認知障礙[26]。CatB也與IL-1β的產生和分泌相關,IL-1β作為一種強有力的促炎型細胞因子,在腦老化、Alzheimer’s病、帕金森病、卒中和持續性疼痛等多種神經系統疾病的發病機制中發揮關鍵作用,激活的小膠質細胞是腦內IL-1β的主要細胞來源。研究[28]發現,衰老時IL-1β水平增加會導致海馬CA1突觸的LTP、突觸可塑性以及空間記憶受損。

衰老過程中小膠質細胞的表型與環境中的干擾素(IFN)密切相關,老年小鼠腦內IFN-I的表達增加并下調肌細胞增強因子-2(MEF2C)。MEF2C作為小膠質細胞的“關閉”因子能夠抑制小膠質細胞對免疫刺激的反應,而IFN-I的表達增加則會導致小膠質細胞反應的夸大,引起認知能力下降[29]。選擇性阻斷IFNR可減少小膠質細胞增生和突觸丟失,改善認知障礙[30],為衰老中認知功能減退的預防和治療提供新的線索。

衰老過程中能量代謝產生損傷是加劇炎癥反應的重要因素。衰老時的小膠質細胞中前列腺素E2(PGE2)信號通過其前列腺素E2受體(EP2)促進葡萄糖轉化為糖原,減少葡萄糖的利用和線粒體呼吸。由于小膠質細胞將葡萄糖作為主要能量來源,這種能量缺乏的狀態將驅動并進一步加劇促炎反應。在老年小鼠中抑制小膠質細胞的EP2信號可恢復細胞的主要能量、海馬區突觸可塑性和空間記憶[31]。因此,衰老中的認知功能減退并非處于靜態或不可挽回的狀態,也可以通過重新編程小膠質細胞的葡萄糖代謝來逆轉。

2.3 小膠質細胞相關離子通道變化參與認知功能減退 小膠質細胞內鈣信號與其功能實現相關,與靜息態的小膠質細胞相比,激活的小膠質細胞內自發性鈣信號增加并產生促炎型細胞因子和ROS,導致神經毒性效應并引起持續的神經元損傷或神經元丟失。在衰老小鼠中小膠質細胞內自發的鈣信號明顯增強,導致小膠質細胞過度活躍并對輕微細胞或組織損傷反應過度,從而參與認知障礙的發生[18,32]。瞬時受體電位M2型(TRPM2)是一種在免疫細胞中大量表達的鈣離子通道,TRPM2介導的小膠質細胞激活及炎癥反應在認知障礙方面發揮了關鍵作用。研究[33]發現,與野生型老年小鼠相比,TRPM2缺失的老年小鼠腦內激活的小膠質細胞及促炎型細胞因子減少,海馬區域的損傷及空間記憶障礙均得到改善。由此可見在衰老過程中,TRPM2在加劇炎癥反應和認知功能下降方面發揮著關鍵作用。在老年小鼠中證實了小膠質細胞中特異表達的Hvcn1編碼的電壓門控質子通道(Hv1/VSOP)對氧化應激、小膠質細胞形態和基因表達譜有年齡依賴性影響,且通過行為學檢測發現Hvcn1缺失的老年小鼠表現出焦慮樣行為[34],表明衰老時Hv1/VSOP在小膠質細胞功能及情緒改變方面有重要作用。

2.4 小膠質細胞通過補體系統參與認知功能減退 補體是先天免疫系統的重要組分,在發育過程中小膠質細胞可通過補體C1q和C3標記未使用的突觸。C3裂解為C3a和C3b,C3b的裂解產物iC3b與CR3結合后起到清除軸突的作用,而C3a與C3aR結合并介導突觸可塑性和小膠質細胞吞噬[35];同時可通過整合素相關蛋白CD47-信號調節蛋白a(SIRPa)信號防止突觸修剪過程中小膠質細胞過度吞噬以實現更有效的突觸重構[36]。小膠質細胞通過補體介導的突觸修剪對健康大腦中的突觸重塑、疾病相關性突觸消除與年齡相關的認知障礙的發病機制緊密相關。小膠質細胞是衰老時C1q和C3的主要來源,補體成分主要沉積在海馬區域的突觸并引起認知障礙[35,37]。背外側前額葉皮質(dlPFC)參與高級認知功能,也是精神分裂癥、衰老和Alzheimer’s病的病理靶點[38]。衰老時dlPFC中C1q的表達水平明顯升高且以小膠質細胞為主要來源,并且增加的C1q信號主要定位于突觸[39]。因此,針對補體級聯途徑的處理可能為衰老中認知減退的預防和治療提供新的線索。

2.5 小膠質細胞調控神經發生參與認知功能減退 衰老中的小膠質細胞也能夠通過調控神經發生影響認知過程,同時神經發生也直接參與對神經可塑性的調節[40]。新生神經元的產生與正常的學習和遺忘過程密切相關[41],而小膠質細胞能夠通過調節神經前體細胞的存活來控制神經元的數量,促進神經前體細胞的增殖和分化[42]。衰老小鼠的神經發生明顯減少,且隨著小膠質細胞的消除,神經發生以及認知、突觸功能可以恢復[43]。由此可見,小膠質細胞對神經發生的調控可能在衰老中的認知功能減退中發揮重要作用。

3 結語與展望

老年人數量正以驚人的速度不斷增長,隨之而來的認知功能減退也給醫療體系帶來巨大壓力。衰老中認知功能減退的發生發展機制以及可能的預防及治療靶標仍需深入研究。目前,大量研究[44-48]表明小膠質細胞作為CNS的主要常駐免疫細胞,在認知功能減退中發揮著至關重要的作用。小膠質細胞能夠通過感知環境、維持生理動態平衡以及保護自身免受自身修飾和外源性的傷害維持CNS穩態。然而,隨著年齡的增長,小膠質細胞容易受到衰老的不利影響并且轉變為衰老或營養不良的狀態,此時的小膠質細胞中促炎型細胞因子表達增加,而抗炎型細胞因子的表達明顯下調,從而影響小膠質細胞的基本功能。衰老中的小膠質細胞可以通過特異性受體、炎性分子、離子通道、補體以及神經發生等機制參與衰老過程中認知功能的退化。然而,還需要更多研究深入地了解小膠質細胞在疾病進展中的作用以及衰老過程中認知變化的神經生物學基礎,并開發出更有效的干預策略以減輕或預防衰老中認知功能減退的發生、發展。

作者貢獻說明葉蕾提出選題、撰寫、修改文章;舒姝、徐運指導文章修改;柏峰指導選題、指導起草、修改文章