小膠質細胞極化在神經系統疾病中的研究進展*

徐 陶 綜述,黃杜娟,曾俊偉 審校

(遵義醫學院生理學教研室/貴州省麻醉與器官功能保護重點實驗室，貴州遵義 563000)

小膠質細胞極化在神經系統疾病中的研究進展*

徐 陶 綜述,黃杜娟,曾俊偉△審校

(遵義醫學院生理學教研室/貴州省麻醉與器官功能保護重點實驗室，貴州遵義 563000)

小膠質細胞；極化；神經系統疾病

神經炎性反應是許多神經系統病變的重要病理基礎。在病變進程的不同階段，小膠質細胞內的一些炎癥因子、趨化因子和蛋白激酶的表達呈動態變化。病變部位的小膠質細胞往往具有雙重作用，小膠質細胞病態活化可釋放高水平的促炎因子及細胞毒性物質，作用于神經元，促進其凋亡壞死；另一方面，小膠質細胞吞噬清除細胞碎片，并釋放神經生長因子及抗炎因子而減輕神經損傷，促進組織修復。近年的研究表明，在神經系統疾病發展的不同階段，可見小膠質細胞多重活化表型轉換，這可能與局部微環境變化有關。本文對小膠質細胞表型轉化在神經系統疾病發展中的作用方面近年的研究進展進行綜述，為尋找更加有效的神經疾病治療靶點提供理論依據。

1 小膠質細胞表型分類

小膠質細胞作為中樞神經系統的固有免疫細胞，對細胞外環境變化非常敏感，當中樞神經系統受到損傷，例如感染、腦創傷、缺血性損傷時，小膠質細胞從靜息態轉化為阿米巴狀的激活態。活化的小膠質細胞分為經典活化狀態(M1型)和選擇活化狀態(M2型)[1]。M1型小膠質細胞Toll樣受體活化，胞體變大，突起回縮變粗、變短，Toll樣受體4(TLR4) 和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶復合體表達上調，轉錄因子核因子-κB(NF-κB)活化，并產生促炎因子白細胞介素(IL)-1β、IL-6和腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、趨化因子(CCL2、CXCL9和CXCL10等)及氧化代謝產物，對神經元產生毒性作用，促進炎癥和組織損傷。該表型的常見標記物有一氧化氮合酶(iNOS)、環氧化酶-2(COX-2)及一些膜表面分子如CD16、CD32、CD86和MHCⅡ等。小膠質細胞M1表型標記物往往在損傷減輕或病原體清除后下調，但失控或過度的M1活化可以釋放多種神經活性物質，造成神經元損傷，引發神經系統退行性病變。

M2型小膠質細胞分為M2a、M2b和M2c 3類表型。M2a表型由IL-4和IL-13誘導，形態較小，突起變少、變長，可分泌高水平的抗炎因子如IL-4、IL-13及轉化生長因子-β(TGF-β)，并伴有IL-12低表達而IL-10高表達，通過清道夫受體和基質降解酶作用吞噬損傷的神經細胞碎片，抑制過度炎性反應，促進組織修復和神經元的再生，避免繼發炎癥損傷。M2a表型常見標記物包括精氨酸酶-1(agrinase-1)、甘露醇受體(Mrc1)、CD206、Ym1和Fizz1等。當IL-1β與LPS同時作用于小膠質細胞，或暴露于IgA免疫復合體時可以形成具有免疫調節表型的M2b亞型，表型標記物兼具M1(iNOS、IL-1ra、TLR4、CD74、CD86、MHCⅡ、NADPH氧化酶復合體)和M2(Il-4rα、IL-10、Socs3)細胞的特點，同時STAT1、NF-κB1、NF-κB2等表達上調，具有促炎/抗炎的雙重作用。小膠質在吞噬凋亡細胞后，在IL-10誘導下呈現“去活化”的M2c抗炎表型，富含肌動蛋白的吞噬體SLP-76，M2c細胞在炎性反應下調后可幫助組織重塑和基質沉積，其表型標志物包括CD163、CD206、Sphk-1及TGF-β等。

2 小膠質細胞表型變化與神經系統疾病

2.1腦出血(intracerebral hemorrhage，ICH) ICH是指非創傷性腦實質內血管破裂引起的出血，病灶局部水腫和炎癥對周邊腦組織造成進一步損傷。ICH早期血管破裂時，血液成分中的凝血酶、亞鐵血紅素、白細胞及血小板等可刺激小膠質細胞激活，釋放炎癥因子IL-1β、IL-6和TNF-α及趨化因子CXCL2，促進神經元炎癥損傷。ICH的嚴重程度及血腫的大小影響M1和M2極化程度，反復的腦創傷會造成嚴重的皮質病變，M1表型持續可達數月至數年[2]。ICH大鼠小膠質細胞激活最早在出血1 h后即可觀察到。在ICH小鼠M1表型標記物明顯上調，4 h后到達頂峰并維持3 d，7 d后逐漸減少；M2表型標記物表達上升達峰值較M1晚，但也在7 d后表達下降[3]。在蛋白酶活化受體-1(PAR-1)基因敲除的ICH小鼠，M1型小膠質細胞數量及炎癥因子表達同步下降，提示PAR-1參與了ICH誘導的小膠質細胞M1極化。調節性T細胞可以通過IL-10/GSK3β/PTEN axis途徑,促進小膠質細胞從M1型向M2型轉變。在腦出血損傷的最后階段，小膠質細胞M2b表型多見，具有促炎和抗炎的雙重功能。

目前研究表明，藥物治療誘導小膠質細胞表型從M1向M2型轉變對于緩解后續腦實質損傷具有重要意義。去鐵胺抑制小膠質細胞激活，抑制TNF-α表達，明顯改善ICH大鼠神經元損傷。miR-124和青藤堿可以促進ICH小鼠小膠質細胞從M1型向M2型轉變，M2型小膠質細胞增多有助于抑制MMP3/9和 C/EBP-α表達，從而保護損傷神經元功能[4-5]。但5，7-二羥基雙氫黃酮雖然可以降低ICH小鼠病灶周圍M1細胞數量，抑制TLR4激活，炎癥因子表達下降，但并不影響M2型細胞數量及功能。在ICH大鼠腦缺血早期，局部給予IL-4或自由基清除藥依達拉奉明顯促進小膠質細胞M1型向M2型轉換[6]，促進神經功能恢復。

2.2帕金森病(Parkinson′s disease，PD) PD是一種中樞神經系統的慢性退行性疾病，其特征是由遺傳和環境因素引起的多巴胺能神經元的丟失。在PD患者尸檢標本觀察到，α-突觸核蛋白在腦內聚集程度與M1型標記物MHCⅡ表達增加程度密切相關。在PD動物模型，MHCⅡ敲除可以明顯減輕α-突觸核蛋白高表達后的小膠質細胞M1型極化，并減輕多巴胺能神經元壞死。Pisanu等[7]進一步觀察到，在慢性PD小鼠，多巴胺能變性的過程與小膠質細胞M1極化數量逐漸超過M2極化數量相關聯。在正常及PD 小鼠，M1與M2極化表型均存在，但PD小鼠腦內小膠質細胞 M1表型較多而 M2 表型較少。JAK/STAT途徑激活可能是造成M1小膠質細胞活化的機制之一。Chen等[8]研究證明MPP可通過抑制Arg-1、 Fizz1和Ym1的表達從而抑制小膠質細胞M2極化，多奈哌齊預處理后可通過抑制IL-6、IL-1β和TNF-α表達，進而抑制MPP誘導M1極化。Tang等[9]研究發現組蛋白H3K27me3去甲基化酶Jumonji域包含3(JMJD3)能通過修飾組蛋白H3K27me3增強小膠質細胞M2極化，對炎癥后期組織損傷進行修復和重塑。由此可見，小膠質細胞激活及M1/M2表型轉換可能參與了PD的病變過程，干預小膠質細胞M1 型極化有望阻斷或延緩帕金森病的進展。

在PD患者血清中維生素D水平往往較低，補充維生素D可以緩解患者癥狀。在PD小鼠，補充維生素D可以減輕腦小膠質細胞激活，M1 型標記物如iNOS和TLR-4表達下調，而M2型標記物如IL-4、IL-10和TGF-β、CD163、CD206、CD204等上調，同時減輕多巴胺能神經元壞死凋亡[10]。補充硫辛酸也可以減輕多巴胺能神經元損傷，其機制是抑制了M1小膠質細胞NF-κB活化和炎性分子表達。另外，擴血管藥法舒地爾可以通過ROCK/NF-κB/Nrf2信號途徑促進PD小鼠腦小膠質細胞由M1表型向M2型轉換，炎癥因子及氧化應激產物的表達下降同時提高抗氧化因子Nrf2 和Hmox表達[11]。

2.3阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease,AD) AD是老年人群中最常見的神經退行性疾病，神經炎癥引起的β淀粉樣蛋白聚集是AD病變的關鍵因素，β-淀粉樣蛋白(Aβ) 通過PI3K-Akt與NF-κB途徑參與了Aβ刺激小膠質細胞 M1極化的過程。患者腦脊液中miR-9、miR-125b、miR-146a 和 miR-155表達上調，這些miRNA可以促進小膠質細胞M1極化，并抑制M2極化，這提示M1/M2表型極化參與了AD病變進展。在散發病例AD病變早期，腦內小膠質細胞以M1/M2a為主，在AD后期M1,M2a 和M2c數量均有增加；先天愚型患者40歲后往往出現老年性癡呆癥狀，尸檢發現早期(40歲前)大腦M1和M2b細胞數量較多而M2a和M2c細胞數量較少；后期(40歲后)M2b細胞占多數。在APPswe/PS1dE9小鼠，小膠質細胞M1標記物表達增多與TNF-α表達上調同時出現；在離體小膠質細胞也同樣發現Aβ刺激小膠質細胞SOCS3和TNF-α表達上調，而降低SOCS3表達可以抑制IL-6表達，減輕M1極化[12]。

Latta等[13]證實IL-4作用于在體和離體AD模型，造成小膠質細胞M2a表型增多， Aβ沉積物減少，提示調節小膠質細胞表型轉化，有可能是未來AD治療的一個研究方向。絞股藍皂甙和尼古丁可以減輕Aβ誘發的小膠質細胞M1表型iNOS、IL-1β、TNF-α表達和IL-6的釋放，同時促進M2表型Arg-1、IL-10、腦源性神經營養因子(BDNF)和膠質細胞源性神經營養因子(GDNF)釋放，細胞因子信號抑制因子1(SOCS1)是絞股藍皂甙作用于小膠質細胞的下游靶點；尼古丁的效應則通過激活大麻素CB2受體產生[14]。M2巨噬細胞移植后可以顯著逆轉Aβ1-42誘導的AD大鼠腦IRF5/IRF4比例上調，促進M1向M2表型轉化，改善認知功能障礙[15]。TLR2基因沉默也可以通過促進M1向M2表型轉化，進而緩解Aβ造成的神經炎癥。

2.4多發性硬化癥、肌萎縮側索硬化(multiple sclerosis,MS) MS是一種中樞神經系統慢性炎癥性脫髓鞘疾病。在大鼠變態反應性腦脊髓炎模型，M1 極化小膠質細胞比例在疾病發病期和高峰期明顯上調，至恢復期，M1 細胞比例下調，而 M2 細胞比例上調。在趨化因子受體2(CCRL2)基因缺陷小鼠，也可以觀察到神經纖維脫髓鞘病變伴隨有小膠質細胞M1/M2表型平衡被打破[16]。T淋巴細胞和M1/M2表型小膠質細胞彼此接近并相互作用，可能參與了MS病變發展。IL-13可誘導腦小膠質細胞由M1型向M2型轉化，促進MS疾病轉歸[17]。同源異型盒基因Msx3及Neuropilin-1(Nrp1)可能是調節M2極化的重要原因。Msx3過表達可以促進小膠質細胞M2極化并抑制M1極化，降低Msx3表達則加重炎癥誘發的神經元脫髓鞘病變；而降低Nrp1也會導致類似的變化[18]。新近一項研究表明，提取自植物中的黃酮類復合物flavocoxid用于變態反應性腦脊髓炎小鼠的治療，下調環氧合酶COX和5-脂氧合酶(5-LO)活性，明顯降低脊髓MHC Ⅱ及炎癥因子表達，促進M2型極化并合成釋放IL-10，促進MS疾病轉歸，有可能用于MS的治療[19]。

肌萎縮側索硬化(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)是一種成人發病的破壞性神經退行性疾病，因運動神經元死亡導致漸進性肌肉萎縮和癱瘓。在ALS患者的運動皮層、皮層脊髓束及脊髓前角均可見到小膠質細胞長期激活。與普通ALS小鼠相比，過表達超氧化物歧化酶1的ALS小鼠發病早期M2極化標記物Ym1、CD163和BDNF表達較高；在發病后期M1激化標記物Nox2表達較低。鞘內注射AAV9病毒發現scAAV9-VEGF-165可激活PI3K/Akt通路，增加Bcl-2蛋白表達，促進M1型小膠質細胞向M2型轉換，促進運動神經元功能恢復[20]。如選擇性抑制脊髓星形膠質細胞NF-κB不足以減輕運動神經元死亡，但選擇性抑制脊髓小膠質細胞NF-κB可減少M1型小膠質細胞的表達，減輕小膠質細胞介導的運動神經元死亡，由此可見，小膠質細胞病態激活與M1極化促進運動神經元死亡可能是ALS病變機制之一。

2.5疼痛 疼痛是一種令人不快的感覺和情緒上的感受，伴有實質上的或潛在的組織損傷。在諸多疼痛動物模型均觀察到小膠質細胞激活，表型向M1方向發展。在大鼠坐骨神經結扎1 d后，脊髓背角M1/M2小膠質細胞均被激活，但小膠質細胞更傾向于向M1表型轉化。銀膠菊內酯可減輕坐骨神經結扎造成的痛覺過敏，抑制M1極化標記物IL-1β,IL-18和iNOS的表達，促進M2標記物IL-10和TIMP1表達。Piotrowska等[21]觀察到，CCR5拮抗劑MVC(maraviroc)可有效下調CCI大鼠脊髓小膠質細胞p38 MAPK磷酸化水平，ERK1/2和NF-κB蛋白的表達，同時M1活化標記物表達均下降。鞘內注射miR-124或小膠質細胞活性抑制劑米諾環素可以抑制注射角叉菜膠或脊神經結扎的疼痛小鼠脊髓背角小膠質細胞M1極化。在脊髓損傷大鼠的皮層及海馬等部位，小膠質細胞極化均以M1型為主，系統給予細胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑CR8可以下調這些部位的cyclins A1,A2,D1,E2F1及CDK4、PCNA表達，說明小膠質細胞極化往往伴隨有細胞周期蛋白的激活。Ketz等[22]通過對脊神經結扎大鼠的后爪、背根神經節和脊髓區域，分別使用低功率光療，發現光療有可能通過調制小膠質細胞向M2表型轉化，從而有效地減少機械性痛覺過敏。

2.6抑郁 抑郁癥以顯著而持久的心境低落為主要臨床特征。有研究顯示，小膠質細胞激活后，M1極化釋放出的炎性因子和神經毒性物質介導的炎性反應與抑郁的持續發展密切相關。抑郁患者的心境低落的復發與緩解往往與M1/M2極化的失衡處于動態變化有關。在臨床接受促干擾素α(IFN-α)長期治療的患者可出現抑郁樣行為；在BALB/c小鼠給予IFN-α之后部分小鼠出現抑郁樣行為，其小膠質細胞表達大量MHC Ⅱ和CD86，這提示M1極化[23]。氟西汀和氫溴酸西酞普蘭片均是臨床常用的5-羥色胺再攝取抑制劑，二者抗抑郁的機制之一就是抑制小膠質細胞M1極化，促進M2極化[24]。Zhao等[25]研究顯示PPARγ(氧化物酶體增殖物激活受體γ)激動劑吡格列酮可改善慢性輕度應激造成的C57BL/6小鼠的抑郁樣行為，減少小膠質細胞M1標志物表達，增加小膠質細胞M2標志物的表達；體外實驗也證實吡格列酮通過抑制NF-κB活化逆轉M1/M2極化及炎性細胞因子表達失衡。體育鍛煉可以改善抑郁，其機制可能也與糾正M1/M2極化失衡有關，經體育鍛煉后，IL-6、IL-10及巨噬細胞移動抑制因子表達增加，C-反應蛋白減少，M2極化細胞數目增加而M1極化細胞數目減少。

3 展 望

小膠質細胞極化在神經系統疾病的發生和發展過程中扮演著重要的作用。小膠質細胞表型的動態變化，對于神經炎癥的炎性反應的調節具有重要作用。目前，關于M1/M2極化失衡的研究日漸增多。但仍有很多需要進一步研究的問題。如大量不同類型的受體是如何有效干預小膠質細胞活化，其活化機制是怎樣的，M1/M2的最佳平衡狀態如何，最佳平衡狀態的潛在調節機制如何？相信隨著神經系統疾病發生與發展過程中小膠質細胞極化調節機制的不斷闡明，基于調控小膠質細胞極化的策略，設計相關治療靶點，將成為治療神經系統疾病的新的研究方向。

[1]Henkel JS,Beers DR,Zhao WH,et al.Microglia in ALS:the good,the bad,and the resting[J].J Neuroimmune Pharmacol,2009,4(4):389-398.

[2]Zhao H,Garton T,Keep RF,et al.Microglia/macrophage polarization after experimental intracerebral hemorrhage[J].Transl Stroke Res,2015,6(6):407-409.

[3]Wan S,Cheng Y,Jin H,et al.Microglia activation and polarization after intracerebral hemorrhage in mice:the role of protease-activated receptor-1[J].Transl Stroke Res,2016,7(6):478-487.

[4]Yu A,Zhang T,Duan H,et al.MiR-124 contributes to M2 polarization of microglia and confers brain inflammatory protection via the C/EBP-αpathway in intracerebral hemorrhage[J].Immunol Lett,2017(182):1-11.

[5]Shi H,Zheng K,Su ZL,et al.Sinomenine enhances microglia M2 polarization and attenuates inflammatory injury in intracerebral hemorrhage[J].J Neuroimmunol,2016(299):28-34.

[6]Zhang Y,Yang Y,Zhang GZ,et al.Stereotactic administration of edaravone ameliorates collagenase-induced intracerebral hemorrhage in rat[J].CNS Neurosci Ther,2016,22(10):824-835.

[7]Pisanu A,Lecca D,Mulas G,et al.Dynamic changes in pro- and anti-inflammatory cytokines in microglia after PPAR-gamma agonist neuroprotective treatment in the MPTPp mouse model of progressive Parkinson′s disease[J].Neurobiol Dis,2014,71(1):280-291.

[8]Chen T,Hou RH,Xu SJ,et al.Donepezil regulates 1-methyl-4-phenylpyridinium-induced microglial polarization in parkinson′s disease[J].ACS Chem Neurosci,2015,6(10):1708-1714.

[9]Tang Y,Li T,Li J,et al.Jmjd3 is essential for the epigenetic modulation of microglia phenotypes in the immune pathogenesis of Parkinson′s disease[J].Cell Death Differ,2014,21(3):369-380.

[10]Calvello R,Cianciulli A,Nicolardi G,et al.Vitamin D treatment attenuates neuro- inflammation and dopaminergic neurodegeneration in an animal model of Parkinson′s disease,shifting M1 to M2 microglia responses[J].J Neuroimmune Pharmacol,2017,12(2):327-339.

[11]Zhao YF,Zhang Q,Xi JY,et al.Multitarget intervention of fasudil in the neuroprotection of dopaminergic neurons in MPTP-mouse model of Parkinson′s disease[J].J Neurol Sci,2015,353(1/2):28-37.

[12]Iwahara N,Hisahara S,Kawamata J,et al.Role of suppressor of cytokine signaling 3(SOCS3)in altering activated microglia phenotype in APPswe/PS1dE9 mice[J].J Alzheimers Dis,2017,55(3):1235-1247.

[13]Latta CH,Sudduth TL,Weekman EM,et al.Determining the role of IL-4 induced neuroinflammation in microglial activity and amyloid-beta using BV2 microglial cells and APP/PS1 transgenic mice[J].J Neuroinflammation,2015,12(1):1-13.

[14]Jia J,Peng J,Li Z,et al.Cannabinoid CB2 receptor mediates Nicotine-Induced Anti-Inflammation in N9 microglial cells exposed to β amyloid via protein kinase C[J].Mediators Inflamm,2016(8):1-10.

[15]Zhu D,Yang N,Liu YY,et al.M2 macrophage transplantation ameliorates cognitive dysfunction in amyloid-beta-treated rats through regulation of microglial polarization[J].J Alzheimers Dis,2016,52(2):483-495.

[16]Mazzon C,Zanotti L,Wang L,et al.CCRL2 regulates M1/M2 polarization during EAE recovery phase[J].J Leukoc Biol,2016,99(6):1027-1033.

[17]Guglielmetti C,Le Blon D,Santermans EA,et al.Interleukin-13 immune gene therapy prevents CNS inflammation and demyelination via alternative activation of microglia and macrophages[J].Glia,2016,64(12):2181-2200.

[18]Nissen JC,Tsirka SE.Tuftsin-Driven experimental autoimmune encephalomyelitis recovery requires neuropilin-1[J].Glia,2016,64(6):923-936.

[19]Kong WM,Hooper KM,Ganea D.The natural dual cyclooxygenase and 5-lipoxygenase inhibitor flavocoxid is protective in EAE through effects on Th1/Th17 differentiation and macrophage/microglia activation[J].Brain Behav Immun,2016(53):59-71.

[20]Wang Y,Duan WS,Wang W,et al.scAAV9-VEGF prolongs the survival of transgenic ALS mice by promoting activation of M2 microglia and the PI3K/Akt pathway[J].Brain Res,2016(1648):1-10.

[21]Piotrowska A,Kwiatkowski K,Rojewska EA,et al.Maraviroc reduces neuropathic pain through polarization of microglia and astroglia-Evidence from in vivo and in vitro studies[J].Neuropharmacology,2016(108):207-219.

[22]Ketz AK,Byrnes KR,Grunberg NE,et al.Characterization of macrophage/microglial activation and effect of photobiomodulation in the spared nerve injury model of neuropathic pain[J].Pain Med,2017,18(5):932-946.

[23]Wachholz S,Esslinger M,Pluemper JA,et al.Microglia activation is associated with IFN-alpha induced depressive-like behavior[J].Brain Behav Immun,2016,55(1):105-113.

[24]Su F,Yi H,Xu L,et al.Fluoxetine and S-citalopram inhibit M1 activation and promote M2 activation of microglia in vitro[J].Neuroscience,2015(294):60-68.

[25]Zhao QY,Wu XH,Yan S,et al.The antidepressant-like effects of pioglitazone in a chronic mild stress mouse model are associated with PPAR gamma-mediated alteration of microglial activation phenotypes[J].J Neuroinflammation,2016,13(1):259.

10.3969/j.issn.1671-8348.2017.27.040

R741

A

1671-8348(2017)27-3866-04

2016-12-08

2017-04-11)

國家自然科學基金資助項目(81460266)；教育部新世紀優秀人才計劃(NCET-13-1070)；貴州省遵義市科學技術聯合基金(遵市科合社字2016-26號)。

徐陶(1992-)，在讀碩士，助理實驗師，主要從事疼痛的神經化學機制方面的研究。△

，E-mail:junweizeng@sohu.com。