小膠質細胞在神經炎癥與神經退行性疾病關系中的作用

凌心，程媛，余配全，谷景雪*

(1. 徐州市腫瘤醫院藥劑科，江蘇 徐州；2. 徐州醫科大學藥學院，江蘇 徐州)

1 小膠質細胞的起源和活化

小膠質細胞(Microglia)是中樞神經系統(CNS)中的常駐巨噬細胞，來源于胚胎卵黃囊中的祖細胞，是中樞神經系統的第一道也是最主要的免疫防線[1]。小膠質細胞除了具備典型的免疫細胞作用外，還可以通過吞噬功能清除腦內特有的物質如鞘磷脂碎片和異常聚集的蛋白等，并提供營養來保護大腦，從而保持腦穩態并支持組織修復[2]。干擾或破壞CNS內穩態可引發靜息的小膠質細胞向活化表型的快速轉化[3]。小膠質細胞的激活能夠被各種環境因素引發，這個過程關聯到形狀變化和細胞中的分子以及表面的抗原譜的上調[4]。另外，小膠質細胞可以被病毒和細菌或疾病有關的蛋白(β-淀粉樣蛋白(Aβ)和α-突觸核蛋白)和死亡后的神經元所釋放出的少部分可溶性的分子激活[5]。

活化的小膠質細胞是神經退行性疾病的典型病理生理特征[3]。大腦中主要存在兩種類型的小膠質細胞：“靜息態”和“激活態”小膠質細胞。文獻表明中樞神經系統中小膠質細胞的激活有高度異質性，可將其分為兩種相反的激活表型：M1和M2型[3,6]。根據激活的表型，小膠質細胞具備細胞毒性或神經保護作用[6]。M1或“促炎”表型(經典激活)使促炎癥細胞因子和一氧化氮增加，神經營養因子減少，從而加劇炎癥和細胞毒性[3]。相比之下，M2或“抗炎”表型(選擇性激活)能夠增加抗炎細胞因子，神經營養因子的表達以及其他一些參與炎癥反應的信號分子的下調，從而表現出神經保護或修復作用[3]。初步研究結果表明，激活的M1/M2功能狀態的表型轉化可以根據疾病的發展階段和嚴重程度來確定[7]。相關臨床前模型中證實，當M2型小膠質細胞炎癥的消退和修復過程減弱時，M1型小膠質細胞就會在損傷部位、疾病晚期占優勢[6]。

M1/M2模式是一個簡化的模型來解釋炎癥反應的兩個極點，它類似于自然界的“陰陽”原則。人們廣泛研究M1和M2型巨噬細胞對炎癥誘導的人類疾病的不同影響。但是目前尚不清楚這兩種表型之間是否存在形態差異或是否可以共存。然而，這兩種表型能夠在不同的環境中相互轉化，這可能有助于神經退行性疾病發病機制的研究。

2 小膠質細胞與神經炎癥

小膠質細胞是腦炎癥和炎癥性神經退行性疾病的關鍵細胞[9]。神經炎癥的第一個癥狀是小膠質細胞的激活。當病原體、組織損傷、異常刺激、神經毒素、感染或損傷出現時，小膠質細胞被激活。在這種情況下，小膠質細胞開始聚集，增殖，遷移，吞噬細胞，將抗原呈遞給T細胞，釋放各種氧化劑并激活各種基因和蛋白質，包括促炎細胞因子，如白介素1β(IL-1β)、腫瘤壞死因子α(TNF-α)、COX-1、COX-2、活性氧(ROS)以及可能引起神經元功能障礙和細胞死亡的神經毒性化合物[10]。

圖1 M1/M2型小膠質細胞[8]

2.1 神經炎癥的發生與發展

炎癥反應是由于機體的免疫細胞激活炎癥級聯來防止組織損傷或抗原的浸潤而引起的[11]。炎癥反應可以在機體各組織和器官部位發生。炎癥反應是成功抵抗疾病和在損傷后重建體內平衡的基礎，而急性炎癥能夠轉變成慢性炎癥，當炎癥途徑被錯誤地調節時，病情會惡化[12]。雖然大腦中的炎癥可能會對受傷后的恢復過程產生負面影響，但炎癥部分作用似乎是有益且必不可少的。了解炎癥有時具有保護作用、有時具有破壞性行為的原因對于大腦相關損傷的研究至關重要。而通常所說的“神經炎癥”是指中樞神經系統中繼發于神經元損傷的炎癥反應。

神經炎癥被定義為大腦或脊髓內的炎癥反應。在CNS損傷后，白細胞可流入損傷的部位并激活CNS中的內源性小膠質細胞，這些現象統一被稱為神經炎癥。這種炎癥是由細胞因子、趨化因子、活性氧和次級信使的產生介導的。神經炎癥涉及一個動態的多階段生理反應，伴有一系列復雜的促炎因子級聯，這些促炎因子修飾了中樞神經微環境[11]。此外，神經炎癥的程度取決于主要刺激或損傷的環境、持續時間和過程。例如，炎癥可導致免疫細胞的聚集、水腫、組織損傷和潛在的細胞死亡。且文獻表明神經炎癥可以損傷以及破壞相關的軸突和髓鞘部分，從而導致CNS中神經元以及少突膠質細胞的喪失[13]，這種不利的影響極易引發多種相關神經疾病，如：AD、PD、MS等。

2.2 小膠質細胞與神經炎癥的關系

小膠質細胞是任何神經炎癥討論的焦點。這是因為這些先天免疫細胞執行主要的免疫監視和中樞神經系統的巨噬細胞樣活動，包含細胞因子和趨化因子的產生。事實上，許多先天免疫能力的中樞神經系統是由小神經膠質介導的。正常情況下，小膠質細胞表達一組基因，這些基因使它們能夠感知和篩選周圍的炎癥信號，促進神經元存活，促進活動依賴的突觸重塑，吞噬受損細胞[14]。此外，活躍的小膠質細胞也會進行細胞骨架重組，改變細胞表面受體表達的模式。小膠質細胞可以殺滅入侵的病原體，去除受損神經元釋放的毒性物質[15]，從而控制大腦內部發生的感染和損傷的擴散。然而過度激活的炎癥細胞極具有破壞力，對神經系統造成嚴重的危害和損傷[6]。

在中樞神經系統中，源自先天和后天免疫系統以及神經膠質細胞(特別是小膠質細胞)的炎癥效應因子可作為干擾腦組織動態平衡的傳感器，并在神經元細胞損傷或異物進入大腦后局部積累。根據外部發生的刺激或是活化因子的種類以及持續時間的長短，小膠質細胞發生的激活可能是急性也有可能是慢性的[16]，小膠質細胞的急性活化在CNS中常常起著神經保護的作用，然而慢性活化常被認為是相關神經退行性疾病的一種潛在的機制。小膠質細胞的差異激活是調節神經炎癥的中心點[17]。由于活化的小膠質細胞還可以產生抗炎介質和神經營養因子，如胰島素樣生長因子-1，神經膠質細胞源性神經營養因子，腦源性神經營養因子等，因此必須進行更多的研究才能從小膠質細胞的多功能性中獲益。總之，小膠質細胞活化和細胞因子表達的增加是為了保護中樞神經系統，使宿主受益。盡管如此，慢性小膠質細胞激活可能導致強大的病理變化和神經行為并發癥[18]。

3 小膠質細胞在神經退行性疾病發生發展中的作用

神經退行性病變是指大腦和脊髓中神經元的慢性和進行性喪失。具體地說AD是β淀粉樣蛋白(Aβ)的沉積和tau蛋白胞內異常積累形成的神經原纖維纏結(NFTs)導致的記憶喪失和認知減退[19]，而PD的特點是中腦黑質致密部多巴胺神經元的選擇性死亡[19]。肌萎縮性側索硬化癥(ALS)是由運動神經元的退化引起的[20]。

眾所周知，小膠質細胞在這些疾病中被激活，并表達大量的免疫介質，比如IL-1β，TNF-α，ROS和NO，這一點已經得到了很好的證明[8,21]。在基礎水平上，這些免疫介質可以作為清道夫來處理神經元的正常更替，并幫助清除壞死神經元的碎片，但在神經退行性疾病中，慢性激活的小膠質細胞可能會釋放過多的這些細胞毒性因子，從而加劇病情的發展。例如，在AD中，未被小膠質細胞有效清除的Aβ沉積可以觸發小膠質細胞分泌促炎癥細胞因子，進一步損害神經元。因此，小膠質細胞的慢性激活已成為治療神經退行性疾病和藥物開發的一個主要焦點[21]。

3.1 小膠質細胞與AD

大多數神經退行性疾病影響著老年人口，由于醫學的進步延長了壽命，老年人口正以指數級的速度增長，例如，AD預計在未來幾十年僅在美國就會影響1380萬65歲以上的老年人[22]。AD的兩個主要特點，沉積的Aβ在皮膚表面形成老年斑和神經纖維纏結(Tau的高磷酸化聚集物)的積累形成，這些病理變化直接或間接地導致突觸功能喪失、線粒體損傷、小膠質細胞活化和神經元細胞死亡[23]。在AD患者和動物模型中，小膠質細胞聚集在老年斑的四周，其密度是正常薄壁組織的2-5倍。它們控制細胞內Aβ，表現出促炎性形態變化，例如體細胞腫脹，并伴有促炎性標志物的增加，包括主要的組織相容性復合物II，CD36，IL-1，IL-6等[21]。

值得注意的是，膠質細胞-Aβ相互作用會導致早期突觸喪失、神經毒性活性氧和氮物質(ROS和RNS)產生、NLRP3炎性小體的活化以及促炎性細胞因子的產生。在多種因素長期作用下，Aβ大量沉積于細胞外形成老年斑，刺激小膠質細胞活化與增殖，大量的炎性細胞因子被分泌釋放，常常引發局部或普遍CNS的相關損傷，最終導致神經毒性的產生引起相關神經元退行性病變[24]。基于這些發現，小膠質細胞與Aβ的相互作用是一把雙刃劍。即在疾病進展期間的某個時間點，小膠質細胞起著有用的作用，然后發展為功能異常的細胞。在監視大腦環境時，小膠質細胞對Aβ肽的感應會導致Aβ及傷害性物質的清除。然而，Aβ的持續產生及其與小膠質細胞的長期相互作用進一步推動了淀粉樣蛋白的沉積，最終導致疾病惡化。

此外，tau的跨突觸傳播是通過解剖學上相連的突觸發生的。然而，小膠質細胞也通過非突觸傳遞途徑-胞吞作用(通過吞噬作用)和胞吐作用(通過外來體)傳播tau聚集體。小膠質細胞的耗竭抑制了tau的增值[25]，這表明小膠質細胞在AD發病機理中積極參與了tau的病理過程。此外，小膠質細胞可能通過調節鄰近的星形膠質細胞間接促成神經元死亡。小膠質細胞衍生的免疫因子可誘導A1星形膠質細胞表型，通過營養支持減少、清除能力受損和毒素釋放而導致神經元死亡[26]。因此，小膠質細胞及其相關的炎癥反應對于揭示AD發病機制以及為AD的預防治療提供理論依據都具有重要的意義。

3.2 小膠質細胞與PD

PD在最常見神經退行性疾病中位于第二，影響65歲以上的1.2%的個體。大多數病例是散發性的，有5%-10%的遺傳性。臨床表現為靜息性震顫、運動遲緩、體位不穩、伴有認知障礙、自主神經功能障礙等非運動性癥狀[27]。在大腦內部，PD的發展過程中出現了一系列的神經病理變化，最終導致了診斷的標志：名為路易體(LBs)和路易神經元(LNs)的細胞內包裹體的聚集和致密部黑質(SNpc)多巴胺能(DA)神經元的丟失。越來越多的證據表明，神經炎癥不僅是PD的一個后果，而且是其發展和進程中的一個重要因素。特別是小膠質細胞，可能有助于PD炎癥的誘導和調節。

研究發現，PD患者黑質紋狀體中的神經元細胞死亡伴隨著顯著的小膠質細胞活化，如，全基因組關聯(GWAS)研究已將在小膠質細胞中特異性表達的人類白細胞抗原基因(HLADRA)鑒定為遲發性PD的遺傳危險因素[28]。反應性小膠質細胞也在轉基因小鼠PD模型中被發現。注射革蘭氏陰性細菌內毒素脂多糖(LPS)，一種特別誘導小膠質細胞增生的毒素，顯示黑質DA神經元丟失的跡象[29]。活化的小膠質細胞產生多種炎性介質，如TNF-α、IL-6、NOS2、COX2和活性氧，從而導致促炎癥因子的過度積累和持續DA神經元的死亡通過正電子發射斷層掃描(PET)分析，觀察到存活PD患者的黑質紋狀體中激活的小膠質細胞和DA神經元的顯著死亡[30]。此外，反應性小膠質細胞也存在于黑質紋狀體以外的腦區，如腦橋和基底神經節。這些發現表明小膠質細胞激活與PD進展相關，并誘導DA神經元毒性和死亡。因此研發抑制小膠質細胞激活的藥物將為PD的治療提供新的思路。

3.3 小膠質細胞與ALS

ALS是成年人中最嚴重和最常見的運動神經元退化性疾病之一[29]。它以運動皮層、腦干和脊髓為目標，涉及控制橫紋肌的上下運動神經元的死亡。這會導致一些癥狀，如肌肉僵硬和抽搐，由于肌肉逐漸變小而導致的肢體無力，吞咽或說話困難。此外，多達一半的患者出現額顳葉癡呆(FTD)，其特征是額葉和顳葉的進行性退化、行為和人格變化以及語言和執行功能下降[31]。大多數情況下，在疾病的晚期，患者會因膈肌和肋間肌的衰弱導致呼吸衰竭從而死亡。肌萎縮性側索硬化癥是一種發病年齡和進展速度不一的疾病，從診斷開始，生存時間為3至5年[20]。

研究發現，在ALS小鼠模型和人類ALS患者的中樞神經系統中觀察到激活的小膠質細胞數量增加。此外，對人類患者死后組織和ALS小鼠模型的研究表明，在神經元缺失的大腦區域，激活的小膠質細胞水平升高[32]。因此，關于ALS患者如何發生小膠質細胞活化有幾種假說。假說一，慢性炎癥相關的系統信號分子(即小膠質細胞“啟動”)可以加劇小膠質細胞對第二種局部刺激的反應，如神經退行性疾病特有的蛋白質聚集的存在，增加了組織的損傷[33]。假說二，激活免疫系統的亞臨床感染有可能把小膠質細胞給激活，導致ALS患者出現的炎癥。還有假說稱小膠質細胞可能的激活途徑是通過腸道菌群的變化，因為據報道這些變化可以控制小膠質細胞的成熟和功能[34]。然而，將ALS與患者和小鼠模型腸道微生物群的改變聯系起來的研究是有限的[35]。因而，全面了解小膠質細胞在ALS病理學中的作用及其治療潛力至關重要，對ALS的病理生理機制的了解的進展鼓勵了新的治療方法可能被發現的現實希望。

4 展望

在過去的十幾年里，小膠質細胞的相關研究數量呈指數增長。同時研究者也開始了解小膠質細胞在神經退行性疾病中的作用，并探索其對損傷反應的調節途徑，包括使小膠質炎性反應保持在控制狀態的神經保護性免疫檢查點途徑和促進清除有害刺激物的途徑。小膠質細胞的活化及其過度產生的各種炎癥介質對于神經退行性疾病治療的機制摸索起到至關重要的作用，對于神經退行性疾病的研究工作具有深遠意義。