小膠質細胞-星形膠質細胞的交互作用及其介導的神經炎癥在阿爾茨海默病中的研究進展

胡 鑫汪 蒨張晨曦鄭慧慧李鵬洋趙紅曄鄧鳳春

(齊齊哈爾醫學院基礎醫學院,黑龍江 齊齊哈爾 161006)

神經膠質細胞,尤其是相互獨立而又緊密聯系的小膠質細胞和星形膠質細胞維護著大腦的先天免疫系統和微環境的穩態。 研究表明,活化的小膠質細胞和星形膠質細胞在誘導神經炎癥反應通路中扮演著重要角色[1-3]。 不僅如此,小膠質細胞和星形膠質細胞還可通過細胞因子、趨化因子、三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)、補體蛋白和生長因子等可溶性因子來調控彼此的功能[4],而失衡的交互作用是神經退行性疾病發生的基礎[4]。 阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)是一種進行性認知功能障礙和記憶障礙的神經退行性疾病,常伴有情緒冷漠、焦慮和抑郁[5]。 研究證明,神經炎癥在推動AD 進展的β-淀粉樣蛋白(amyloid-β protein,Aβ)積累、神經元損傷和認知缺陷等致病事件中起內在作用[6-7]。

在AD 早期,小膠質細胞和星形膠質細胞發揮神經保護作用,但小膠質細胞和星形膠質細胞的過度激活產生的大量促炎因子則會導致神經炎癥和神經毒性反應。 值得注意的是,在AD 患者的老年斑附近發現了大量活化的小膠質細胞和星形膠質細胞,進一步證實它們在AD 發病機制中起著至關重要的作用[8]。

1 小膠質細胞-星形膠質細胞的生理功能及其交互作用

1.1 小膠質細胞

小膠質細胞不僅是大腦主要的先天免疫細胞,也是大腦病理損傷的第一反應者。 在正常條件下,小膠質細胞以靜止狀態存在,在中樞神經系統損傷和病原體防御等反應中發揮著“免疫監視” 功能[9-10]。 在病理狀態下,腦內微環境受到不同干擾時,小膠質細胞被迅速激活為M1 促炎表型或M2 抗炎表型。 M1 表型小膠質細胞通過釋放促炎因子和毒性物質來殺滅病原體,而M2 表型小膠質細胞則可以促進神經元的存活和神經系統的發育來實現對中樞神經系統的保護作用[11]。 此外,小膠質細胞還通過吞噬和清除細胞碎片參與突觸修剪和神經回路的發育[12]。 在AD 早期,活化的小膠質細胞能夠通過增強其自身吞噬作用來清除和降解Aβ 的聚集。 而過度活化的小膠質細胞則能夠釋放腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor alpha,TNF-α)、白介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)、IL-6 和一氧化氮(nitric oxide,NO)等促炎因子激活核因子-κB(nuclear factor-κB,NF-κB),NF-κB 又是活化M1 表型小膠質細胞相關的關鍵轉錄因子,該途徑的啟動會促進一系列毒性細胞因子的釋放,并最終導致AD 的持久慢性神經炎癥環境[13-14]。

1.2 星形膠質細胞

星形膠質細胞是大腦中最常見的神經膠質細胞,最初被認作是支持細胞。 研究表明,星形膠質細胞在維持神經元代謝、特定轉運蛋白對谷氨酸和γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)的攝取以及腦穩態中發揮重要作用[15-18]。 星形膠質細胞還可通過促進膠質遞質的釋放來參與突觸發生和神經元回路的發育,這表明星形膠質細胞與神經元的相互作用在突觸形成和生長過程中起首要作用[19]。在APP/PS1 AD 小鼠模型中,膠質纖維酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein,GFAP)的消耗減弱了星形膠質細胞對Aβ 的吞噬作用,從而加重Aβ 負荷[20];而星形膠質細胞吞噬作用的提高則可改善神經損傷、炎癥反應和Aβ 介導的病理反應[21]。 此外,星形膠質細胞的損傷會影響其對谷氨酸水平升高的感知能力,破壞神經元周圍的微環境,導致N-甲基D-天冬氨酸(N-Methyl-D-aspartic acid,NMDA)受體被過度刺激,繼而引發谷氨酸的過度激活,最終導致神經元受到興奮性毒性損傷[22]。 現已證明,星形膠質細胞可由Janus 激酶(Janus kinases,JAK)/轉錄激活因子3(signal transducer and activator of transcription,STAT3)、鈣調神經磷酸酶(calcineurin,CN)/活化T 細胞核因子(nuclear factor of activated T-cells,NFAT)、NF-κB 和絲裂原激活的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)四種信號通路激活[23]。 與被激活的小膠質細胞相似,星形膠質細胞的激活會促進IL-1β、IL-6 和TNF-α 等促炎因子的產生,從而引發有害的級聯反應,最終導致神經元功能受損[24]。

1.3 小膠質細胞-星形膠質細胞的交互作用

小膠質細胞和星形膠質細胞是CNS 的關鍵細胞,兩者之間的交互作用不僅共同完成中樞神經系統的調節功能,而且對于腦穩態的維持和神經元的生存也是必要的。 在腦內微環境遭受干擾時,兩者獨立而又協同的作用也是保障中樞神經系統健康的重要特征。 研究表明,在大腦發育過程中星形膠質細胞產生的IL-33 可增強小膠質細胞的吞噬能力、促進神經回路的發育和突觸重塑[25]。 小膠質細胞還可通過釋放IL-1β、TNF-α 和IL-6 等細胞因子來促進星形膠質細胞的神經保護反應[26]。 小膠質細胞可決定星形膠質細胞的神經保護或神經毒性功能,而星形膠質細胞則可通過其分泌的各種分子調節小膠質細胞的表型和功能。 因此,小膠質細胞與星形膠質細胞的交互作用對于維持腦內微環境的穩態是至關重要的。

2 神經炎癥中小膠質細胞與星形膠質細胞的交互作用

2.1 小膠質細胞對星形膠質細胞的調節作用

在神經炎癥前期,小膠質細胞分泌的IL-10 驅動星形膠質細胞產生轉化生長因子(transforming growth factor beta,TGF-β),以此對抗神經炎癥的繼續發展。 然而,當炎癥持續存在,則會刺激小膠質細胞過度激活,進而釋放C1q、TNF-α 和IL-1β 誘導星形膠質細胞產生更多的促炎因子,進一步加重神經炎癥的發展[27-28]。 研究表明,由腸道菌群產生的色氨酸代謝物作用于小膠質細胞產生的血管內皮生長因子-β(vascular endothelial growth factor-β,VEGF-β)和TGF-α,在神經退行性疾病和神經炎癥過程中影響星形膠質細胞促炎因子的表達[29]。 此外,在ATP 刺激下,小膠質細胞釋放的細胞外囊泡可以上調星形膠質細胞中IL-6 與IL-10 的表達水平,以減少促炎因子的釋放,進而改善神經炎癥的發展[30]。 星形膠質細胞還通過小膠質細胞依賴的toll 樣受體參與CNS 中免疫反應的調節,表明小膠質細胞在星形膠質細胞的激活中起著重要作用。

2.2 星形膠質細胞對小膠質細胞的調節作用

CN/NFAT 不僅是M1 表型小膠質細胞的主要調節因子,而且可以激活星形膠質細胞[31]。 在APP/PS1 AD 小鼠模型中,抑制星形膠質細胞中的CN/NFAT 信號通路可以調節小膠質細胞的激活。炎癥條件下,星形膠質細胞釋放的纖溶酶原激活物抑制劑-1(plasminogen activator inhibitor-1,PAI-1)可以通過低密度脂蛋白受體相關蛋白(low density lipoprotein receptor-related protein, LRP )-1/JAK/STAT1 軸調節小膠質細胞遷移和吞噬作用[32]。 同樣,PAI-1 也依賴于玻連蛋白(vitronectin)和toll 樣受體的方式調節小膠質細胞的吞噬活性[33]。 鈣穩定調節蛋白Calhm2 在[Ca2+]o(細胞外鈣離子濃度)升高時被激活,調節星形膠質細胞中ATP 的釋放,進而與小膠質細胞表面的P2Y12 和P2Y6 相結合,促進小膠質細胞的吞噬作用和促炎因子的產生,從而進一步加重神經炎癥的發展[34-36]。 研究證明,在星形膠質細胞中,誘導型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide sythase,iNOS)、內皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase,eNOS)和神經元型一氧化氮合酶(neuronsal nitric oxide synthase,nNOS) 誘導NO 的產生, 從而使蘭尼堿受體(ryanodine receptor,RyR)介導的Ca2+進一步在細胞/亞細胞區室中釋放[37-40]。 [Ca2+]i(細胞內鈣離子濃度)升高可促進星形膠質細胞釋放心房鈉尿肽(atrialnatriureticpeptide,ANP),ANP 又可促進小膠質細胞產生環磷酸鳥苷( cyclic guanosine monophosphate,cGMP),使小膠質細胞產生抗炎或促炎的作用[37-40]。

3 不同途徑調控小膠質細胞-星形膠質細胞失衡的交互作用與AD

作為大腦中最主要的神經膠質細胞,小膠質細胞和星形膠質細胞在調節大腦神經炎癥方面發揮著重要作用。 兩者之間失調的交互作用在AD 和帕金森等神經退行性疾病的發生發展中表現出密切的關系(圖1)。

注:ATP:三磷酸腺苷;C3R:補體C3 受體;C3:補體C3;PD-L1:抑制程序性死亡受體-配體1;PD-1:程序性死亡受體1;IFN-γ:γ 干擾素;VEGF-A:血管內皮生長因子;IL-1:白細胞介素-1;IL-6:白細胞介素-6;TNF-α:腫瘤壞死因子α;CXCL10:C-X-C 基序 趨化因子10;CCL2:趨化因子配體2;CCL5:趨化因子配體5;IL-17:白細胞介素-17;IL-17R:白細胞介素-17 受體;PAI-1:纖溶酶原激活物抑制劑-1;NF-κB:核因子κB;JAK-STAT:Janus 激酶細胞信號轉導及轉錄活化因子;CN/NFAT:鈣調神經磷酸酶/活化T 細胞核因子;Aβ:β-淀粉樣蛋白。圖1 小膠質細胞與星形膠質細胞異常的交互作用Note.ATP, Adenosine triphosphate.C3R, Complement C3 receptor.C3, Complement C3.PD-L1, Inhibition of programmed death receptor-ligand 1.PD-1, Programmed death receptor 1.IFN-γ, Interferon-γ.VEGF-A, Vascular endothelial growth factor.IL-1, Interleukin-1.IL-6, Interleukin-6.TNF-α, Tumor necrosis factor α.CXCL10, C-X-C motif chemokine 10.CCL2, Chemokine ligand 2.CCL5, Chemokine ligand 5.IL-17,Interleukin-17.IL-17R, Interleukin-17 receptor.PAI-1, Plasminogen activator inhibitor-1.NF-κB, Nuclear factor-κB.JAK-STAT, Janus kinase cell signal transduction and transcriptional activation factor.CN/NFAT, Calcineurin/activated T cell factor.Aβ, amyloid-β protein.Figure 1 Abnormal interaction of microglia with astrocyte

3.1 鐵離子調控小膠質細胞-星形膠質細胞異常的交互作用與AD

鐵調節蛋白(iron regulatory protein,IRP)/鐵反應元件(iron responsive element,IRE)是機體鐵穩態的重要調控系統,IRP 與IRE 的結合可以調節淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein,APP)的加工。 體外研究表明,APP 的消減會明顯誘導細胞中的鐵潴留,而APP 過表達則會促進鐵的清除[41]。在APP mRNA 的5’-UTR 擁有一個功能性的IRE干環,位于IL-1β 反應盒域的上游[42]。 當鐵水平降低時,游離鐵與IRP1 解離,允許IRP1 與APP 5’-UTR IRE 結合并抑制APP 的翻譯。 IL-1 可通過炎癥級聯間接參與鐵穩態。 IL-1 可通過增加IRP 的募集,從而增加與APP 5’-UTR IRE 的結合,進而減少APP 的表達[43]。 如前所述,神經炎癥中IL-1 的過度釋放可能會使鐵發生積蓄,從而導致鐵負荷。處于鐵負荷時,鐵可能通過NF-κB 介導促炎因子的釋放而激活小膠質細胞,使其表達更多的鐵蛋白以清除細胞外的鐵,導致細胞內鐵滯留和TNF-α 表達增加,并最終被Aβ 斑塊浸潤。 Aβ 的形成可誘導小膠質細胞和星形膠質細胞在高鐵環境中表達更多的促炎因子,正反饋加劇腦部鐵積累和神經炎癥作用。 此外,星形膠質細胞分泌的鐵調素可以調節腦微血管內皮細胞(brain microvascular endothelial cells,BMVECs)上的膜鐵轉運蛋白(ferroportin 1,FPN1),誘導FPN1 的內化和降解,從而調控鐵的轉運[44]。 IL-6 是激活JAK/STAT3 途徑表達鐵調素mRNA 的最強正向調節因子之一。 活化的小膠質細胞釋放的IL-6 通過啟動細胞間級聯反應,刺激星形膠質細胞釋放鐵調素,再經過鐵調素-FPN1 軸向神經元發出信號,以防止鐵的釋放。 因此,腦內鐵負荷將通過鐵轉運蛋白-鐵調素復合物的內化而增強[45]。 另外,用攜帶鐵調素基因的重組腺病毒治療可減少大腦中的鐵潴留和氧化應激[46]。 這些研究證明了鐵調素在治療AD 中的出色作用,但鐵調素是否可以作為治療AD 的潛在靶點需要更深入的研究。 而運用鐵螯合則是減少大腦對鐵吸收的最直接方法,這在一定程度上可以改善因鐵積蓄而引起的AD 癥狀,但也會對人體產生過敏反應、肝腎衰竭等毒性作用[47-48]。 如何聯合其他方法以降低鐵螯合的毒性作用來治療AD 是一個值得研究的方向。

3.2 外周免疫細胞調控小膠質細胞-星形膠質細胞異常的交互作用

在神經炎癥的背景下,星形膠質細胞衍生的VEGF-A 與內皮細胞的相互作用增加了血腦屏障(blood brain barrier,BBB)的通透性,并允許外周免疫細胞浸潤[49];而VEGF-A 的產生會隨著被激活的小膠質細胞分泌的IL-1β 而表達上調[50]。 遷移到AD 大腦的T 細胞所產生IL-17 和IFN-γ,可加劇中樞神經系統的炎癥反應[51-52]。 一方面,IL-17 可與星形膠質細胞表達的IL-17 受體相結合,從而激活JAK2-STAT1/3 信號傳導,進而誘導星形膠質細胞的增殖、VEGF 表達上調和促炎轉錄程序的激活[53]。另一方面,IFN-γ 可以刺激小膠質細胞中主要組織相容性復合體(major histocompatibility complex type 2,MHC Ⅱ)類分子、CD40、CD86 的表達和誘導趨化因子CXCL10、CCL2 和CCL5 的分泌,進而增強T 細胞的活化和募集[54-55]。 而CCL2 的水平升高可加速AD 的臨床惡化,特別是在癡呆前階段[56]。 此外,IFN- γ 可增強小膠質細胞的運動性和吞噬活性,以此對抗神經炎癥的發展[57]。 研究表明,星形膠質細胞在受到IFN-γ 刺激后,可以上調MHC Ⅱ類分子的表達,使其成為非特異性抗原提呈細胞,進而刺激T細胞的活化[58]。 因此,T 細胞可通過與小膠質細胞和星形膠質細胞的交互作用而驅動AD 的發展,從而使慢性炎癥持續存在。 在AD 動物模型中,IL-17的消耗被證明可以預防認知障礙、突觸功能障礙和挽救神經炎癥[59-60]。 不僅如此,在AD 早期,B 細胞的減少也會改善記憶缺失,減輕Aβ 負荷以延緩AD的發展[61]。 因此,有必要對外周免疫細胞進行靶向治療,通過免疫療法或聯合其他策略來治療和防治AD。 同時,維持BBB 的完整性以防止T 細胞遷移或阻斷IL-17 的釋放可能是治療AD 的重要途徑。

3.3 miRNA 調控小膠質細胞-星形膠質細胞失調的交互作用與AD

值得注意的是,miRNA 參與多種神經退行性疾病的發生。 在AD 中,miRNA 通過調節各類途徑的表達,特別是神經炎癥機制,在AD 的發病機制中起關鍵作用。 研究表明,Aβ 會降低雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOP)活性以此抑制Argonaute(Ago2)蛋白磷酸化從而降低miRNA 活性,而Ago2 磷酸化的抑制會使星形膠質細胞中積聚無活性的微核糖核蛋白( miRNA-containing ribonucleic protein,miRNP),進而限制與靶mRNA 的結合,增加促炎因子的產生,最終加重神經炎癥的發展。 而mTORC1 的重新表達會激活miR-146 以此減少炎癥因子的產生,但miR-146a 表達升高會增加小膠質細胞對Aβ 耐受性,導致Aβ 清除降低[62-63]。 因此,如何平衡兩者之間關系,以達到最大化的治療效果是值得深思的問題。 此外,星形膠質細胞分泌的miR-873a-5p 通過抑制細胞外調節蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases,ERK)和NF-κB 信號通路的磷酸化來調控M2 表型小膠質細胞的轉化以及減少促炎因子的產生[64]。 隨著納米技術的快速發展,我們是否可以以納米材料為載體靶向運輸miRNA 來改善疾病進展是未來開發新靶向藥物治療AD 的研究方向之一。

3.4 其他途徑調控小膠質細胞-星形膠質細胞失調的交互作用與AD

作為小膠質細胞和星形膠質細胞交互作用的關鍵介質,IL-3 是AD 治療干預的一個關鍵節點。Aβ 刺激星形膠質細胞釋放的IL-3 與小膠質細胞上的IL-3 受體結合,可增強小膠質細胞吞噬Aβ 的能力[65]。 從而降低Aβ 對小膠質細胞和星形膠質細胞中NF-κB 的激活,減少促炎因子的釋放,進而改善AD 的病理學特征[65]。 病理狀態下,神經元過度產生的Aβ 會刺激星形膠質細胞中NF-κB 的激活與補體C3 的釋放,從而與小膠質細胞和神經元上的C3a 受體相結合,以此誘導小膠質細胞中IL-1α 的分泌,進而正反饋活化星形膠質細胞,并加重Aβ 的沉積[66]。 在AD 的炎癥環境中,小膠質細胞、星形膠質細胞與神經元之間的交互作用形成正反饋作用,最終導致神經系統紊亂和自我放大的炎癥反應。 研究表明,抑制程序性死亡受體-配體1(programmed death ligand 1,PD-L1)/程序性死亡受體1(programmed cell death 1,PD-1)也可以改善小膠質細胞的炎癥反應[67]。 在APP/PS1 AD 小鼠中,星形膠質細胞表達PD-L1 而小膠質細胞表達PD-1,星形膠質細胞PD-L1 和小膠質細胞PD-1 的協同作用對于去除APP/PS1 AD 小鼠中Aβ 負荷至關重要,其中PD-1 調節AD 中由IL-1β 介導的炎癥反應以及補體的釋放。 因此,預防PD-L1 的分泌以及應用PD-1 阻斷抗體可以作為一種有效的治療策略[68]。 炎癥條件下,星形膠質細胞分泌的氨基肽酶N(aminopeptidases,ANPEP) 誘導血管緊張素Ⅳ(angiotensin type 4,Ang Ⅳ)生成增加,從而與小膠質細胞上的血管緊張素Ⅰ型受體(angiotensin type 1 receptor,AT1R)相互作用而加劇神經炎癥[69]。 而目前針對ANPEP 改善AD 的研究在國內外鮮見,因此,ANPEP 有著可作為治療AD 神經炎癥靶點的潛力。

4 展望

神經炎癥在AD 的發生發展中發揮著重要作用,目前已有證據表明小膠質細胞和星形膠質細胞的交互作用是相互依存的,但小膠質細胞與星形膠質細胞過度活化所表現的交互作用可能會導致神經炎癥。 因此,解析小膠質細胞與星形膠質細胞的交互作用對于理解AD 發生發展至關重要。 目前國內對于小膠質細胞與星形膠質細胞交互作用的研究鮮見,是一個值得探入探討治療神經退行性疾病的潛在方向。 針對AD 的神經病理學特征和調節神經炎癥的聯合治療策略可能是顯著改善AD 進展的一種方法。 因此,需要更多的研究來證實AD 中神經炎癥信號及其分子基礎。 同時,中藥藥理作用廣泛、資源豐富,在治療和改善AD 的研究中也發揮著重要的作用[70-72]。 目前,神經炎癥的改善大多通過小膠質細胞表型的轉換而實現,但靶向小膠質細胞的治療方法是否能夠以有益的方式改變星形膠質細胞表型是值得深思的問題。