小膠質細胞的“非免疫”功能#

游奕菲 齊建國

（1.四川大學生命學院，成都 610065；2.四川大學華西基礎醫學與法醫學院，成都 610041）

一百年前，小膠質細胞在爭議中被發現[1]，此后七十年一直處于湮沒無聞的狀態，近年來，小膠質細胞的生物學特性與功能，小膠質細胞在神經免疫領域的作用引起廣泛重視。

小膠質細胞（Microglia）屬于組織定居巨噬細胞，占成人神經膠質細胞總數的5%～10%，主要依賴局部的自我更新，較少依靠循環系統單核細胞的補給[2]。關于小膠質細胞的來源，是饒有興趣的研究課題。小膠質細胞最初被認為是來源于神經外胚層，后來普遍接受它產生于中胚層，與巨噬細胞一樣由骨髓造血細胞分化而來。2010年Ginhoux等[3]應用細胞譜系分析揭示小膠質細胞來自于卵黃囊巨噬細胞，在發育的特定時期（小鼠E7.5天）進入中胚層。最新的研究表明小膠質細胞并非單一來源，不同譜系的細胞系在發育的 不同階段循相應的路徑，進入大腦的特定區域， 有的源于原始巨噬細胞（primitive macrophage），有的源于骨髓紅細胞系祖細胞（erythromyeloid progenitor）。小膠質細胞通常被視為單一細胞群體，近來研究表明小膠質細胞在來源、分布、發育階段，以及在生理功能和疾病發生等方面都具有顯著的異質性[4]。

小膠質細胞來源和分布的多樣性，是與其功能相一致的。小膠質細胞既具有發生學的內在特征，同時又隨所處的環境做出適應性改變，以更好地匹配其功能需要，其生物學屬性是由其來源與所處的環境（Nature vs Nurture）共同決定。小膠質細胞不僅發揮吞噬作用和介導炎癥反應，清除病理性物質，并可對神經發生、突觸修剪等進行精細的調節，與神經回路的形成密切相關，深深地介入學習與記憶、認知與行為[5]。小膠質細胞在中樞不只是一個被動的防御者，更是大腦高級活動的主動參與者，本文就小膠質細胞多樣的“非免疫”功能進行綜述。

1 小膠質細胞與其它神經細胞的相互作用

小膠質細胞在中樞動態地與其它細胞相互聯系。靜息狀態小膠質細胞的胞體具有高度的能動性，在不移動胞體的情況下，通過突起的伸縮連續和快速監測其它神經細胞[6]。小膠質細胞伸出的突起主要與活動神經元相接觸，而較少關注非活動神經元，當小膠質細胞接觸活動神經元時，通過防止神經元過度活躍或過度興奮，從而維持神經元的正常活動[7]。不僅小膠質細胞可以調節其它神經細胞的功能，其表型和生理活動也受到其它神經細胞的影響。

小膠質細胞的吞噬活性，不但可以識別和清除進入中樞的病原物，也通過吞噬凋亡細胞、未成熟神經元、損傷的細胞和突觸碎片，不正常折疊的蛋白質如Aβ等病理產物。小膠質細胞借助吞噬作用清理微環境對于維護神經元正常生理功能是至關重要的[8]。

小膠質細胞是中樞細胞因子的重要來源。在生理調節下，小膠質細胞分泌少量細胞因子以維持與神經元的正常對話；在病理刺激下，小膠質細胞可大量產生細胞因子以發揮免疫防御作用[9]。因誘導條件不同，小膠質細胞可呈現M1或M2表型，也分別稱為經典激活或替代激活表型，相應地釋放促炎癥或抗炎癥細胞因子，導致不同的中樞效應[10]。

除通過清理環境、釋放介質的間接方式外，小膠質細胞還可通過直接接觸與神經元相互作用，CX3CL1/CX3CR、CD200/CD200R、CD47/CD172a是介導神經元與小膠質細胞的相互作用的主要信號分子，由膜分子介導的小膠質細胞與神經元的直接接觸，保障細胞之間更準確、有效和及時的通訊[11]，這種作用方式在遞質傳遞、能量代謝、突觸修剪、對凋亡細胞的吞噬以及神經發生等方面發揮重要的作用。如CX3CL1是CX3C亞家族中的唯一成員，在中樞僅在部分神經元以及神經前體細胞表達，CX3CR1是7次跨膜的G蛋白偶聯受體，在中樞只由小膠質細胞表達。CX3CR1是CX3CL1的獨一受體，而CX3CL1也是CX3CR1的獨一配體，這種“一對一”的對應在進化上賦予神經元（前體細胞）與小膠質細胞的特殊聯系，也提供了精準的調節靶點。CD200是表達在神經元膜表面的免疫球蛋白成員，可與小膠質細胞的CD200R相互作用，神經元通過該途徑抑制小膠質細胞的炎癥激活，CD200/CD200R對話機制具有神經保護和促神經發生的作用[12]。

小膠質細胞和神經元之間存在胞外囊泡介導的通訊方式，一方面神經元以微泡或外泌體的形式誘導小膠質細胞的神經保護表型[13]，另一方面小膠質細胞也可通過囊泡（外泌體）影響神經元的功能[14]。最近研究揭示小膠質細胞與神經元胞體之間還可能形成間隙連接（gap junction），囊泡運輸或胞體鏈接可實現胞內物質交換[15]。總之，小膠質細胞與其它神經細胞之間的多種作用可方式服務于中樞復雜的功能需要。

2 小膠質細胞的“非免疫”功能

小膠質細胞來自于胚胎中的卵黃囊巨噬細胞，并非由骨髓源造血細胞產生，在發生學上早于外周免疫細胞的分化，提示小膠質細胞在功能上不只是扮演“免疫細胞的角色”[16]。小膠質細胞不僅寓居于中樞的防御者，它更是大腦發育和功能實施的建設者和參與者，介入神經發生、血管形成、突觸修剪，保障神經環路建立和信息傳輸，是維持正常腦功能的基礎[8,17]。

2.1 吞噬清除

小膠質細胞能表達多種模式識別受體（包括Toll-like受體、“清道夫”受體等），當病原微生物進入、遭受傷害性刺激，以及炎癥或神經退行性改變，病原相關模式分子和損傷相關模式分子誘導靜息態的小膠質細胞活化，胞體由細小高度分枝的“蟹狀”，轉變為胞體肥大、突起縮短、圓形或桿狀的“阿米巴狀”。活化的小膠質細胞具有吞噬功能并分泌炎癥細胞因子，啟動免疫應答并恢復中樞穩態[18]。若小膠質細胞持續過度活化，大量的炎癥物質可引起神經毒性作用或退行性改變。

2.2 突觸修剪

神經元通過突觸相互連接并形成功能性神經網絡，是信息傳遞的關鍵組件，小膠質細胞在雕塑神經環路和調節神經突觸可塑性方面扮演著重要角色。資料顯示C1q/CR3、CX3CL1/CX3CR1、CD47/SIRPα等在神經突觸方面發揮重要作用，C1q、CX3CL1、CD47定位并標記突觸，小膠質細胞通過CR3、CX3CR1、SIRPα識別相應配體，修剪或免于修剪突觸，介導神經突觸的重塑[17]。在大腦發育過程中，小膠質細胞會主動清除不必要的神經網絡，有助于塑造大腦有效工作的神經環路，這是學習和記憶的基礎[19]。在病理條件下，小膠質細胞的過度激活和異常的吞噬活性，不利于正常神經環路的形成，可對行為產生負面影響[20]。同時，小膠質細胞通過突起動態監測突觸的變化并調節神經遞質的釋放和傳送，影響興奮性或抑制性信息的傳遞，于是有學者提出“突觸四聯體（quad-partite synapse）”的概念[21]。

2.3 神經發生

在發育的早期小膠質細胞進入中胚層，是胚腦發育的基礎，神經發生、血管形成、突觸發生和髓鞘形成都有賴于小膠質細胞的協助[22]。出生后神經是否再生曾經是備受爭論的話題，通過深入研究和充分討論，成年神經發生在哺乳動物及人類存在的論點得到學術界的認同[23]。神經發生是大腦功能和行為的重要物質基礎，盡管年動物新生神經元數量很少，但它對于神經回路的形成是至關重要的。哺乳動物成年神經發生主要存在于兩個區域，海馬齒狀回顆粒下區和側腦室下區，神經發生區域的小膠質細胞具有區別其它區域的小膠質細胞的激活標志、細胞周期和功能活性，它們可能是一類特殊的細胞亞群[4]。在此區域小膠質細胞與神經前體細胞存在廣泛的對話機制，小膠質細胞是神經前體細胞微環境的主要調節者，小膠質細胞是處于激活而非被抑制的狀態，活躍的小膠質細胞輔助神經前體細胞的增殖、分化、存活和遷移[24]；另一方面，神經前體細胞也調控小膠質細胞的表型和生物學活性[25]。小膠質細胞因其表型不同可對神經發生產生損傷或促進的雙重作用，根據小膠質細胞表型的可塑性，采用IL-4誘導Arg1+小膠質細胞，具有促進神經發生功能，可增強小鼠的應激彈性，緩解動物抑郁樣癥狀[26]。

2.4 學習記憶功能

通常認為，小膠質細胞激活有損于大腦的學習記憶功能。然而，如上所述，小膠質細胞對于維護大腦高級功能是必需的，視覺經驗相關的神經突觸和環路的形成小膠質細胞與神經元的密切合作[27]。清除小膠質細胞可損傷個體的學習記憶能力，而增加海馬小膠質細胞數量有利于受損的記憶功能的恢復，其機制可能與小膠質細胞釋放腦源性神經營養因子促進神經可塑性相關[28]。記憶的編碼和存儲有賴于突觸回路綴合的神經元來執行，浙江大學谷巖實驗室的研究揭示，小膠質細胞通過清除神經突觸而引起記憶遺忘，并認為小膠質細胞選擇性決定記憶鞏固或遺忘的關鍵[19]。

3 小膠質細胞非免疫功能與疾病的相關性

小膠質細胞憑籍多種方式與其它神經細胞建立緊密聯系，在中樞扮演多重角色，與學習和認知、情緒和行為等高級腦功能密切相關。在生理條件下，主動參與學習記憶過程；在病理條件下，廣泛介入神經精神疾病的發生發展。小膠質細胞在中樞疾病中的作用已引起越來越多的關注，在此，以抑郁癥和阿爾茨海默病為例，分別簡述小膠質細胞在精神疾病和神經退行性疾病中的病理機制。

3.1 情感障礙：抑郁癥

臨床觀察發現持續低級別的神經炎癥反應是多種精神疾病一個中心病理環節[29]。抑郁癥是一種常見的情感類精神障礙，臨床上以顯著而持久的心境低落、興趣缺失、思維運動遲緩為主要特征，嚴重者會喪失生活工作能力，甚至出現自殺觀念和行為。世界衛生組織估計全球約有抑郁癥患者3.5億，每年因抑郁而自殺的人數超過100萬，在中國每年大約有4500萬抑郁癥患者[30]。

應激性事件是人類抑郁癥的重要促發因素，小膠質細胞的過度激活在情感障礙中發揮重要作用，有學者提出某些抑郁癥是小膠質細胞介導的疾病[31]。小膠質細胞介導的神經炎癥，可引起代謝途徑的改變，神經遞質合成減少和毒性積聚，導致神經元功能障礙和抑郁行為的產生[32]。同時，持續的神經炎癥反應引起的神經發生減少也是抑郁癥的重要病理基礎，靶向調控小膠質細胞的促神經發生功能，可以緩解動物的抑郁樣癥狀[26]。

3.2 神經退行性疾病：阿爾茨海默病

神經退行性疾病是一類以神經元退行性病變或凋亡，從而導致個體行為異常為主要特征的疾病，包括阿爾茨海默癥、帕金森病、亨廷頓舞蹈癥、肌萎縮側索硬化癥等。阿爾茨海默病是一種進行性的記憶缺失和認知障礙的神經退行性疾病，病理表現為細胞外β淀粉樣蛋白沉積、細胞內過度磷酸化tau蛋白纖維纏結，以及神經炎癥和新生神經元減少。全基因組測序表明阿爾茨海默病風險基因如TREM2、APOE、CD33和ABCA7高表達或唯一表達在小膠質細胞[33,34]。小膠質細胞參與阿爾茨海默病的發生，并不局限于炎癥反應途徑。

TREM2（triggering receptor expressed on myeloid cells-2，髓系細胞觸發受體2）屬于免疫球蛋白超家族成員，特異性表達于小膠質細胞表面，是一種跨膜受體，可與多種組織損傷標志物相結合。TREM2促進小膠質細胞存活，可誘導細胞表型和功能變化。單細胞測序揭示一種TREM2+的“疾病相關的小膠質細胞”，具有強吞噬功能和高脂質代謝活性，可在病理性β-淀粉樣蛋白斑塊的周圍形成物理屏障來限制斑塊發展[35,36]。這種疾病相關的小膠質細胞在清除Aβ的同時，也會釋放促炎癥介質，因此具有“保護”和“損傷”雙刃作用，如何其平衡仍有待進一步研究。

小膠質細胞的生理功能和病理作用不僅僅依賴于炎癥途徑，它可以通過吞噬凋亡細胞、釋放可溶性介質，或細胞-細胞接觸，發揮監測、防御、清理等功能，介入神經發育、神經環路和免疫防御等過程，與學習記憶等高級腦功能以及神經精神疾病的各個環節相關聯。采用抑制炎癥的措施同時損傷正常生理功能，不利于疾病的治療。因來源、區域、時序、事件和疾病的不同，小膠質細胞具有顯著的異質性和可塑性，根據小膠質細胞的表型，精準的調控小膠質細胞的靶點，可望為神經精神疾病提供更佳的治療方案。