視網膜小膠質細胞與神經炎癥在阿爾茨海默病中的研究

石中永，梅馨純，鄭海林，胡靖霄，劉起東，申遠

阿爾茨海默病(Alzheimer's disease，AD)是一種與年齡有關的神經退行性疾病，臨床主要表現為進行性認知功能障礙和記憶損害并伴有精神行為異常。AD主要神經病理特征包括：大腦皮質和海馬區神經元外大量β淀粉樣蛋白(Amyloid β，Aβ)異常沉積并形成老年斑(senile plaques，SPs)，神經元胞體內微管相關蛋白過度磷酸化(phosphorylated tau，pTau)及神經纖維纏結(neurofibrillar tangles，NFTs)形成；協同誘發了神經膠質炎性反應、突觸功能異常和神經細胞凋亡[1]。

炎癥是機體自身的一個防御過程，可使機體對抗外界因素的侵襲保持組織的完好性。然而，不受控制并且長期持續存在的炎癥反應則對機體有害，甚至會引起神經細胞損傷[2]。神經炎癥，即發生于中樞神經系統的炎性反應。中樞神經系統的膠質細胞主要包括小膠質細胞、星形膠質細胞和少突膠質細胞，其中小膠質細胞參與一系列神經退行性疾病的發生，小膠質細胞活化和神經炎癥是神經病理學的主要特征[3]。活化的小膠質細胞會釋放大量的炎性介質，例如細胞因子、活性氧自由基(reactive oxygen species，ROS)、一氧化氮(nitric oxide，NO)、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)，這將促發一種慢性炎癥狀態繼而產生神經毒性作用[4]。

視網膜是中樞神經系統的延續，具有類似于顱內的免疫系統，如血-視網膜屏障、免疫調節系統等，用以防御過度炎性反應所致的組織損傷[5]。視網膜被認為是“大腦的窗口”，AD等神經退行性疾病顱內的神經炎癥及其相關的病理特征在視網膜也有所呈現，而眼科常用的光學相干斷層掃描儀(optical coherence tomography，OCT)可以觀察到視網膜炎癥并提供視網膜和視神經病理變化的解剖學特征[6]。因此，基于OCT的視網膜參數在AD研究領域已廣泛應用。以上證據強調了視網膜炎癥反應的重要性，尤其是由小膠質細胞介導的神經炎癥在AD病程進展中起到關鍵作用。本文主要就視網膜小膠質細胞和神經炎癥在AD發病機制中的作用進行闡述。

1 小膠質細胞與神經炎癥

小膠質細胞是中樞神經系統的常駐免疫細胞，不僅在神經發生、神經元可塑性和再生過程起重要作用，也是應對腦損傷第一道最主要的免疫防線。小膠質細胞對外界刺激的反應非常敏感，任何神經系統紊亂通常可引起小膠質細胞激活和炎性反應；同時，小膠質細胞數量增加，表型發生改變，這種現象被稱為“反應性膠質增生”[7]。當發生急性神經退行性病變，如顱內感染、腦外傷或中風時，小膠質細胞迅速被激活，并釋放炎癥介質。當小膠質細胞被長時程激活至過度活化后，會持續釋放一系列炎性介質，導致氧化應激反應。小膠質細胞介導的慢性炎癥反應則對機體是有害的，會造成神經組織損傷，加快神經退行性疾病的進展[8]。

小膠質細胞激活主要有兩種表型：M1型和M2型。小膠質細胞M1型具有明顯的神經毒性作用，主要發揮促炎功能，促進白細胞介素-1β(interleukin-1β，IL-1β)、白細胞介素-6(interleukin-6，IL-6)、白細胞介素-12(interleukin-12，IL-12)、TNF-α等炎性介質，以及谷氨酸和誘導型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS)的合成，啟動炎癥反應[9]。一般情況下，神經炎癥有助于神經軸突修復，以及中樞神經系統毒性物質和細胞殘骸的清除；但當M1型小膠質細胞持續被激活，機體將處于一種失控的慢性炎癥狀態，導致神經元凋亡[10]。小膠質細胞M2型具有神經保護作用，主要發揮抗炎作用，促進組織修復，為神經元提供一種支持性的微環境。這些細胞能夠分泌大量抗炎介質，包括IL-4、IL-13、IL-10和神經營養因子(neurotrophic factors，NTFs)等，緩解炎癥反應過程，保護神經元的功能[11]。

小膠質細胞活化和神經炎癥是神經退行性疾病的核心特征。小膠質細胞M1型和M2型之間可以動態轉換。在神經退行性疾病中，小膠質細胞的激活狀態多由具有神經保護作用的M2型轉化為有神經毒性作用的M1型，產生神經炎癥反應，引起神經元損傷。

2 AD與小膠質細胞介導的神經炎癥

神經炎癥對中樞神經系統的保護抑或損害作用一直以來備受爭議，但其在神經退行性疾病中扮演著至關重要的角色[12]。在過去十年，有充分的證據顯示在多種神經系統疾病及神經退行性疾病中，神經退行性病變的發生與神經炎癥有關。例如，相對于認知正常者，AD患者腦內和血清中促炎因子TNF-α、IL-6的水平均較高[13-14]。此外，也有一部分證據發現AD患者大腦皮質內的Aβ斑塊被小膠質細胞包繞、T細胞內有Aβ斑塊沉積、腦內有激活的小膠質細胞和星形膠質細胞等[15]。由此認為，除促炎因子直接的神經毒性作用，活化的小膠質細胞也可能促進Aβ斑塊的沉積。

一般急性炎癥反應之后，腦內膠質細胞開始反應并修復受損的組織。如果外界刺激持續存在，機體會逐漸進入慢性炎癥反應階段，導致神經元功能障礙、損害和缺失[16]。而AD腦內沉積的Aβ斑塊可以誘發小膠質細胞活化，處于活化狀態的小膠質細胞釋放促炎因子或抗炎因子，引起組織產生慢性炎癥反應；同時也可以通過負反饋機制削弱Aβ斑塊的清除過程，從而造成更多的斑塊沉積[17]。以上初步研究表明了小膠質細胞與Aβ斑塊相互作用的分子機制。

正常情況下，小膠質細胞對于維系中樞神經系統神經元的正常功能具有重要作用。神經發育過程中，小膠質細胞參與突觸的修剪，并且可以為神經元提供營養支持，調節突觸功能。老化或AD會使腦內小膠質細胞異常激活，產生神經炎癥，并導致海馬及相關腦區突觸丟失、神經元凋亡以及認知功能惡化。小膠質細胞的形態學改變反映了小膠質細胞的活化狀態，而小膠質細胞的活化程度與中樞神經炎癥的嚴重程度密切相關。鑒于小膠質細胞及其介導的神經炎癥在AD中的核心作用，活體監測小膠質細胞活化或可作為反映病情進展的重要手段。正電子發射斷層掃描(positron emission tomography，PET)是目前廣泛認可的一種活體監測腦內小膠質細胞活化的方法[18]。老年斑內或周圍活化的小膠質細胞和星形膠質細胞會過度表達線粒體轉運蛋白(mitochondrial translocator protein，TSPO)，因此，TSPO-PET成像被認為是觀察腦內神經炎癥的潛在生物標記[19]。此外，磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)也逐漸被應用于神經炎癥研究領域，如錳離子增強MRI(manganese-enhanced MRI，ME-MRI)[20]。

3 AD與視網膜

傳統觀念認為，AD神經病理改變僅局限于腦內。然而，在過去幾十年已經發現AD患者常常主訴視覺障礙，如空間對比敏感度下降、運動知覺損害等[21-22]。視網膜神經節細胞(retinal ganglion cell,RGC)丟失、視神經軸突數量減少，及其所致的視神經乳頭萎縮、視神經纖維層(retinal nerve fiber layer,RNFL)變薄、黃斑變性、視網膜微循環系統異常等，均被認為是視覺功能減退的重要原因[23-24]。其中，視神經節細胞層(ganglion cell layer,GCL)退化和視空間記憶減退是相對早期的表現[25]。尸檢研究顯示，AD患者RGC和視黑素視網膜神經節細胞(melanopsin retinal ganglion cells，mRGCs)丟失。值得注意的是，mRGCs主要受Aβ病理影響，mRGC丟失會引起AD患者出現晝夜節律紊亂，臨床表現為精神行為異常在夜晚的表現比白天嚴重[26]。AD患者視網膜也存在Aβ沉積，從外核層到視神經纖維層均有分布，其中視網膜上象限Aβ沉積最多，恰好與研究所發現的上象限神經元退化最嚴重相一致[27]。

一系列動物實驗研究也發現AD轉基因小鼠視網膜存在類似的AD樣神經病理改變[28-29]。例如，淀粉樣前體蛋白(Amyloid precursor protein，APP)和纖維化Aβ水平在AD轉基因小鼠6層神經視網膜中均有一定程度的變化[30]。有研究采用免疫療法清除AD小鼠顱內Aβ淀粉樣斑塊，發現視網膜內Aβ沉積也相應減少[31]。以上研究結果提示，動態監測視網膜Aβ沉積，或可建立一種無創的評估體系用以評價AD病程進展。Koronyo-Hamaoui等[32-33]開展了較為全面的系列研究，對AD患者進行尸檢證實視網膜存在Aβ沉積，同時也建立了AD轉基因動物模型進行驗證：采用姜黃素標記AD小鼠眼底Aβ斑塊并采用活體成像手段定量分析，發現Aβ在視網膜神經節細胞的沉積要明顯早于顱內。鑒于姜黃素表現出不同的神經保護機制，如抑制Aβ聚集、緩解神經炎癥等，目前已被廣泛應用于AD的治療領域[34]。

除Aβ斑塊外，AD患者視網膜從外核層到神經節細胞層也存在Tau蛋白磷酸化(pTau)；類似結果在AD動物模型中也被證實。P301S tau轉基因AD小鼠模型在疾病早期，視網膜Tau蛋白過度磷酸化并在視神經纖維層沉積，引起視神經節細胞變性[35-36]。5月齡AD轉基因小鼠模型，受損的視神經軸突中能夠檢測到pTau、神經纖維絲(neurofilaments，NFL)、APP和泛素聚集、無序的微絲以及退化的線粒體和細胞器[37]。上述研究表明，pTau異常聚集可能干擾軸突的轉運功能，并且其發生早于神經元丟失[38]。上述研究均支持視網膜與中樞神經系統在胚胎發育和組織生理上的同源性，為“以眼觀腦”的設想提供理論依據；最關鍵的是，視網膜參數的異常退化可能占據了“早”這一時間上的優勢[39]。

小膠質細胞在神經退行性疾病中扮演重要了角色，同時也在神經-視網膜微環境的穩態維持中起關鍵作用。AD轉基因鼠視網膜炎癥水平明顯上調，主要表現為小膠質細胞和星形膠質細胞激活[40]。Ning等[41]研究觀察到，APPswe/PS11E9雙轉基因AD鼠視網膜Aβ呈年齡依賴性增加，同時并伴有炎性因子如單核細胞趨化蛋白1(monocyte chemoattractant protein-1，MCP-1)、小膠質細胞標記F4/80水平升高，以及視神經節細胞TUNNEL陽性細胞數目增加。在同樣的AD動物模型中，Perez等[29]研究也發現視網膜小膠質細胞明顯激活。視網膜小膠質細胞激活常發生于疾病的早期階段，并參與Aβ斑塊的清除。此外，視網膜膠質細胞激活進一步觸發神經炎癥反應，導致視網膜功能紊亂，可以借助視網膜電流圖(electroretinogram，ERG)進行評價[42]。該炎癥反應也與Aβ斑塊及pTau密切相關，并且可以觀察到視網膜小膠質細胞標記物離子化鈣結合適體分子1(ionized calcium-binding adaptor molecule-1，Iba-1)陽性細胞數目增加，星形膠質細胞標記物膠質纖維酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein，GFAP)熒光活性增強；給這些AD小鼠模型接種Aβ寡聚體抗原疫苗，能夠減少視網膜Aβ沉積。

4 結論

綜上所述，神經炎癥在AD病理機制中起著至關重要的作用，小膠質細胞介導中樞神經系統損傷和神經系統退行性疾病的內源性免疫反應，調節神經炎癥，發揮神經毒性作用或神經保護作用。當神經炎癥被異常積聚的Aβ斑塊和pTau等觸發，外周免疫細胞即開始滲入中樞神經系統，促使更多的小膠質細胞過度激活，發生炎癥級聯反應。未來研究可以從控制膠質細胞活化及神經炎癥的角度考慮，開發新的AD治療策略。視網膜是中樞神經系統的投射，有助于洞察顱內神經病理改變。活體評估視網膜小膠質細胞活化及其介導的神經炎癥能夠為神經退行性疾病的早期診斷和病程監測提供豐富線索。