发育脑内的小胶质细胞及其突触修剪功能*

闵颖俊， 李 凡

(昆明医科大学基础医学院病理学与病理生理学系，云南 昆明 650500)

·综 述·

发育脑内的小胶质细胞及其突触修剪功能*

闵颖俊， 李 凡△

(昆明医科大学基础医学院病理学与病理生理学系，云南 昆明 650500)

小胶质细胞(microglia，MC)是脑内最重要的免疫细胞，在中枢神经系统(central nervous system，CNS)的免疫反应中起着重要作用。大量研究证实MC在生理和病理情况下可呈现出不同形态，拥有不同形态的MC其功能也存在一定的差异。生理情况下, MC的突触修剪功能可清除发育脑内较少接受信号刺激的突触，即“较弱”的突触，而保留经常接受信号刺激的突触，即“较强”的突触，在发育期CNS神经环路的形成过程中发挥关键作用，而病理情况下其突触修剪功能则可清除死亡的细胞及髓鞘碎片，同时也可促进少突胶质细胞成熟，后者可以包绕裸露的轴突形成髓鞘，在脑损伤修复过程中促进突触和髓鞘再生。就此，本文将介绍MC在生理和病理情况下的不同功能，并将着重阐述其在生理和病理情况下的突触修剪功能及其可能的调控机制。

1 小胶质细胞的来源

近年的研究认为发育脑内MC的起源不同于来自卵黄囊外胚层的神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞，而是来源于卵黄囊中胚层[1],在胚胎发育早期(embryo 8.5，E8.5)，MC由卵黄囊中胚层的原始巨噬细胞产生，E9.5时，伴随血管形成进入CNS，当胚胎发育至E10.5时进入脑实质[2]，随后在脑实质中以阿米巴样的形态逐渐完成增殖和分化。2010年Ginhoux等[3]利用流式细胞术也证实脑内MC主要来源于卵黄囊的原始巨噬细胞，而非骨髓系造血细胞，并且在发育早期来源于外周血单核细胞的MC最终未能形成有突起的、成熟的MC。2012年Schulz等[4]的研究发现，敲除转录因子Myb基因的小鼠，其骨髓系巨噬细胞的数量明显减少，但脑内MC的数量却保持正常，Myb作为造血干细胞生长发育的重要转录因子，在调控造血细胞的生成方面发挥着重要作用，说明MC的发生可能独立于髓系细胞，且不依赖于Myb的调控。以上实验均表明发育早期脑内MC主要来源于卵黄囊中胚层原始巨噬细胞，而非外周血单核细胞，其进入脑实质后，以阿米巴样的形态逐渐成熟并迁移至CNS的各个区域发挥着不同功能。

2 生理情况下小胶质细胞的功能

2.1 发育脑内小胶质细胞的功能 生理情况下，处于静息状态的MC可通过其细胞突起探索周围环境，监视和维持大脑内环境稳定，同时MC也参与血脑屏障的形成。此外，MC也可吞噬细胞碎片,清除脑内凋亡细胞，在出生后早期神经系统的发育过程中，细胞程序性死亡发挥着关键的作用，MC既可作为应答者清除已死亡的细胞碎片，又可作为调节者主动分泌细胞因子促进细胞凋亡。与此同时，MC还可促进神经元前体细胞增殖及神经元成熟、调控突触数量、功能及突触成熟，由此可见，MC在大脑发育期对促进神经细胞成熟、维持神经系统内环境稳定以及神经环路的形成过程中发挥着至关重要的作用。

2.2 成熟脑内小胶质细胞的功能 生理情况下成熟脑内的MC处于静息状态，监视和维持脑内环境的稳定，是CNS常驻的重要免疫细胞，可产生神经营养因子，支持神经元和胶质细胞的正常功能及发挥抗原提呈作用等。一旦CNS内环境发生轻微改变，MC被激活，迅速产生免疫级联反应。

总之，成熟脑内的MC其主要功能是维持CNS内环境稳定并对内环境的改变迅速作出免疫应答，而发育期的MC还可以促进神经元成熟、调节突触数量和功能，在发育早期神经环路的形成过程中发挥重要作用(图1)。

Figure 1.The physiological function of microglia in the maturational and developmental brain. Microglia produces neurotrophic factors and presents antigen in mature brain. Microglia accelerates the maturation of neuron, improves phagocyte debris, mediates apoptosis and elevates synaptic pruning in developmental brain. Microglia also plays a critical role in immune surveillance and constitutes the blood-brain barrier.

图1 小胶质细胞在发育脑及成熟脑内的生理功能

3 突触修剪

3.1 突触与突触修剪的概念 大脑内的神经元，随着出生后时间的推移，迅速伸展其轴突及树突，并在神经元与神经元之间形成细胞连接即突触，后者可在发育脑内进行广泛交流。出生后早期，脑内突触形成的数量远超过其成年后的数量，但仅有少量突触能在发育过程中保留下来并发挥相应功能，该过程被称为“突触修剪”。

3.2 发育脑内突触修剪的意义 生理情况下，幼儿脑内的突触数量急剧增加，远远超过了其成年时期脑内的突触数量。只有修剪掉部分功能“较弱”的突触后，其余突触才能持续接受更多的信息刺激，其功能也将变得更强大，也只有经历了修剪重构过程，脑内才能形成更为精确的突触连接[5]。目前，越来越多的研究证实清除脑内功能“较弱”的突触是发育过程中必不可少的[6],只有经历这个“优胜劣汰”的过程，保留的突触才能更好地适应脑内环境、更好地接受、整合、处理信息，使个体更快适应周围环境的变化。

髓鞘包绕在神经元轴突外发挥着支持和保护轴突并加快动作电位传递的作用，最为重要的是在轴突受损的情况下可以引导轴突再生。病理情况下，由于缺氧、外伤等各种原因导致脑组织损伤后，脑内神经元死亡，神经元与神经元之间的连接遭到破坏，轴突和髓鞘受损，因此，通过突触修剪迅速地清除上述受损的细胞、轴突及髓鞘，将有利于诱导后续有效的髓鞘再生过程[7]。

4 发育脑内小胶质细胞与突触修剪之间的关系

4.1 生理情况下小胶质细胞的突触修剪功能及意义 吞噬作用是MC生理功能的重要体现，对于维持CNS内环境稳定发挥着重要的作用。近年的研究发现MC的吞噬功能在脑组织重塑方面发挥着重要作用，主要体现为对突触、轴突、髓鞘碎片以及Aβ样蛋白[8]的清除。在CNS的发育过程中，利用丰富环境刺激，有研究[9]发现不管是对照组还是实验组其脑内突触的数量均出现减少，但丰富环境刺激组其脑内成熟树突棘的密度出现明显增加，这说明突触修剪是脑发育过程中的必经之路，而突触的成熟很有可能受到环境刺激的影响。进一步通过剪去2月龄小鼠嘴部一侧胡须，发现其脑内同侧树突棘的密度也出现明显下降，这也证实了突触修剪过程受到周围环境的刺激以及机体感官的影响。而MC在体内可以与神经元突触发生紧密联系，提示MC可能参与生理情况下突触修饰和功能调节。有研究[10]利用免疫组织化学染色也发现，背外侧膝状体核表达的补体蛋白CR3在野生小鼠出生后5 d呈现高表达，在出生后9 d出现明显下降，由于出生后5 d被认为是突触修剪的第一个高峰时期，而出生后9 d被认为是其突触修剪大部分完成的时间[11]，同时CR3在脑内显著表达于MC，这提示MC参与了发育早期脑内突触修剪过程。该研究同时利用CX3CR1+/GFP小鼠，分别给予河豚毒素及毛喉素阻断或加强神经元活动，在出生后5 d，通过共聚焦显微镜观察到MC可根据神经元的活动，调节其对神经元的吞噬过程，清除相对“较弱”的神经元，保留相对“较强”的神经元。进一步利用CR3基因敲除的小鼠发现，敲除CR3基因后，MC的突触修剪能力呈现持续下降，这提示MC很有可能通过补体系统调控了其对神经元的突触修剪。上述研究均证明生理情况下，MC在突触形成和成熟过程中发挥重要作用。

4.2 新生儿缺血缺氧性脑损伤中小胶质细胞的突触修剪功能及意义 在新生儿缺血缺氧性脑损伤中，缺氧可导致脑内MC活化、细胞外ATP浓度增高，细胞外高浓度的ATP也可引起脑内炎症因子及谷氨酸释放增多，增多的谷氨酸可诱发多种兴奋性毒性反应，最终导致神经元变性、坏死[12]。有研究报道，缺氧后阿米巴样MC的活化及其炎症反应影响了轴突及少突胶质细胞的存活，影响脑内存活突触的数量[13]，而少突胶质细胞的损伤，也将导致脑髓鞘化低下，是患儿远期行为异常的机制之一[14]。同时也有研究发现，病理情况下，损伤后的髓鞘可激活脑内的星形胶质细胞和MC，同时也将释放与之结合的铁[15]，后者有着强大的促氧化作用，可损伤周围细胞，但同时也是少突胶质细胞前体细胞分化和增殖的必需物质。被激活的MC可通过吞噬作用清除因髓鞘损伤而产生和释放的铁及髓鞘碎片，并将铁转移至少突胶质细胞前体细胞内，促进其增殖分化为成熟的少突胶质细胞[16]，后者可包绕裸露的轴突，形成髓鞘，促进髓鞘再生。上述研究提示病理情况下，MC在髓鞘再生过程中发挥着重要作用。

由此可见，发育脑内MC的突触修剪功能在生理情况下可调节发育脑内突触数量、功能及成熟，在脑内神经环路的形成过程中发挥重要作用；病理情况下则可清除死亡的细胞、轴突及髓鞘碎片，影响脑内突触数量，同时也可促进少突胶质细胞成熟，诱导髓鞘再生，在脑组织损伤和修复过程中发挥着重要作用。

5 其他疾病中小胶质细胞的突触修剪功能及意义

MC作为脑内最重要的免疫细胞，在神经退行性疾病中也发挥着重要作用。阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)是一种严重的神经退行性疾病，常表现为进行性记忆丧失和认知障碍，而突触丢失是AD患者重要的组织学改变之一，其突触丢失程度与AD患者痴呆程度相关联。目前的研究发现，AD患者脑内介导突触丢失的启动环节可能是可溶性Aβ聚合物[17]。可溶性Aβ的聚积可激活脑内的MC，后者释放NO、肿瘤坏死因子α、白细胞介素6等促炎因子介导神经细胞的炎症损伤[18]。此外，近年的研究发现AD患者脑内补体蛋白也呈现出高表达的状态，尤其是补体蛋白C1q、C3、C4等，而Aβ也被证实可以与这些补体蛋白结合并调节其表达[19]。在正常的生理过程中补体系统就参与调控MC的突触修剪过程[20]。这表明补体系统很有可能在AD患者脑内突触丢失过程中发挥着关键作用。通过给野生型小鼠及C1q基因敲除小鼠侧脑室注射可溶性的Aβ聚合物，Hong等[21]证实野生型小鼠脑内出现明显的突触丢失，而C1q基因敲除小鼠不会出现这种现象，同样使用C1q特异性抗体抑制C1q则可减少可溶性的Aβ聚合物引起的突触丢失，而缺乏CR3，可溶性的Aβ聚合物也不能引起MC突触吞噬能力增强，这均表明C1q及CR3在病理情况下参与了AD患者脑内突触丢失过程。而在帕金森病(Parkinson’s disease，PD)中，其病理基础为中脑黑质区域多巴胺神经元进行性变性死亡，并引起纹状体多巴胺含量的下降。有研究发现PD患者脑内过度激活的MC可以释放大量活性氧及NO，杀死病原体的同时也将会介导多巴胺神经元变性死亡，包括海马及皮层神经元，而死亡的神经元碎片又将持续刺激MC，这种恶性循环将导致PD病人病情进一步恶化[22]。

6 小胶质细胞进行突触修剪的可能机制

大量实验证实突触的正常功能依赖于多种细胞因子和信号刺激的共同作用，而其主要来源于MC。

三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)是机体生命活动所需能量的直接来源，参与机体的各种生理和病理活动。早在上世纪50年代，就有研究发现ATP参与了突触传递过程。近年有研究证实，活化后的MC可以释放ATP，而ATP可与星形胶质细胞表面的P2Y1受体结合，激活星形胶质细胞，导致其释放大量ATP并积聚在细胞间隙内，进而引起突触后膜释放大量谷氨酸[23]，后者作为调控神经活动的重要因子，在突触的传导过程中发挥着重要作用。同时该研究还发现，在体外培养的实验中，MC的激活将导致短暂性突触后电位的增加，从而影响兴奋性神经传导过程[23]。也有文献报道，活化后的MC可以调控谷氨酸受体的表达及脑内突触的数量，二者同时调控了突触的活动[24]。

2013年有研究报道MC可通过释放脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor, BDNF)，调节神经递质的释放和突触小泡的形成，进而影响运动皮层突触结构形成[25]；BDNF是突触重塑的重要因子，广泛表达于大脑皮层及海马，可与其特异性受体原肌球蛋白相关激酶受体B(tropomyosin-related kinase B，TrkB)结合，后者可显著激活酪氨酸激酶受体，引起细胞内磷酸化及激活细胞内信号级联反应，参与神经元生长、发育过程，引起突触传递及可塑性增强，在学习和记忆过程中发挥着重要作用[26]。敲除BDNF基因将导致TrkB的磷酸化作用减弱，突触形成发生障碍，进一步阻碍突触重构。

DNAX激活蛋白12(DNAX-activating protein 12，DAP12)是一个跨膜受体蛋白，在CNS内仅表达于MC表面，在信号传递过程中发挥着重要作用。有研究发现MC可以调控DAP12的表达，一旦缺乏DAP12，将导致突触TrkB表达减少，后者可以识别脑内BDNF，进而导致突触功能及其可塑性降低。此外，DAP12还可与细胞膜上的髓系细胞触发受体2(triggering receptor expressed on myeloid cells 2，TREM2)相结合，从而调控MC的非炎症性吞噬作用[27]，在清除凋亡的神经元和诱导细胞重建方面发挥着重要的作用。

与此同时，免疫机制在调节突触功能和突触可塑性方面也发挥着重要的作用。趋化因子受体CX3CR1已被证实显著表达于MC的细胞膜上，可与神经元分泌的趋化因子CX3CL1结合，在神经元和MC之间形成精确的联系，调节神经元活动。有研究发现，成年小鼠脑内，CX3CR1的功能受损将引起短暂的突触修剪功能减弱、微小兴奋性突触后电位的幅度和频率增高，成熟的突触数量减少，神经环路处于不成熟的状态[6]；同时，也有研究发现，敲除CX3CR1后，脑内白细胞介素1β(interleukin-1β，IL-1β)的表达显著增加，突触长时程增强效应则明显降低，进而出现学习和记忆功能障碍，给予IL-1β的拮抗剂后可逆转此现象[28]。进一步的研究指出，在CX3CR1基因敲除小鼠的脑内，MC数量明显减少，突触传递功能减弱，突触修剪能力存在缺陷[29]。以上研究均提示突触的活动可能受到了MC表面趋化因子信号通路的调节。

补体系统是机体先天性免疫反应的重要组成部分，在清除外来的病原体和凋亡细胞中发挥着重要作用。近年研究发现在CNS发育过程中，补体系统可促进MC的突触修剪作用，神经元的突触可以表达补体蛋白C1q，进而激活CR3，由于MC是脑内唯一可表达CR3的细胞，因此，突触补体信号的激活可引起MC对突触的识别，进一步对突触进行吞噬和修剪。而缺乏C1q被证实有可能导致CNS突触修剪功能障碍，从而保留了过多未被修剪的突触[11]，进而影响CNS的正常发育。此外，敲除MC胞膜上的CR3也将引起其突触修剪能力降低，导致脑内过多的突触未被清除[10]，进而引起突触数量和突触连接存在持续的缺陷[11]。上述研究表明，MC在生理及病理情况下很有可能通过补体系统影响突触数量、调节突触功能进而影响脑内神经环路的形成(图2)。

Figure 2.The potential mechanisms involved in microglial synaptic pruning function. There are 4 main ways that are involved in the microglial synaptic pruning regulation. (1) ATP accumulation. ATP accumulation elevates the glutamate level. On the one hand, it causes the excitatory toxicity. On the other hand, it decreases the number of synapses in the abnormal condition. (2) Cytokine modulation. BDNF and DAP12 have a very close relationship with synaptic pruning. They induce phosphory-lation abatement of TrkB, which will reduce synapse number. (3) Immunoreaction. Complement protein C1q via CR3 activation elevates synapse number. (4) Chemokine receptors. Low CX3CR1 expression accelerates postsynaptic potential and decreases synapse number. It also results in IL-1β expression modulation and consequent inhibition of long-term potentiation, which may cause learning and memory dysfunction.

图2 小胶质细胞进行突触修剪的可能机制

7 展望

MC作为脑内最重要的免疫细胞，几乎在所有CNS的疾病过程中都发挥着一定的作用，对其功能的研究一直是神经生物学领域关注的热点。近年来，随着科学技术的进步，对MC功能的研究有所突破，主要包括MC对神经元细胞的吞噬及其对突触形成的影响，然而，MC的功能复杂多变，正常生理情况下，其突触修剪功能在形成精确的神经环路及维持CNS内环境稳定中执行着重要的功能；病理情况下，则可促进髓鞘再生、脑组织重塑。可见，若能阐明MC进行突触修剪的机制，探索更多MC在生理和病理情况下的功能，将为与MC有关的CNS相关疾病带来新的视角和治疗的新方向。

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(责任编辑： 卢 萍， 罗 森)

Microglia and synaptic pruning in developmental brain

MIN Ying-jun, LI Fan

(DepartmentofPathologyandPathophysiology,BasicMedicalSchool,KunmingMedicalUniversity,
Kunming650500,China.E-mail:leefan623@sina.com)

Microglia, the main innate immune cells in the central nervous system, takes part in lots of physiological and pathological processes in the brain. It not only maintains brain homeostasis but also participates in the process of brain injury and repair under pathological conditions. In developmental brain, microglial synaptic pruning may eliminate “weaker” synapses and retain “stronger” synapses. Synaptic pruning also plays a vital role in mediating the formation of neural circuit under physiological condition, contributes to cell and myelin debris clearance, promotes maturation of oligodendrocytes, which surround the bare axon to form myelin sheath, and helps the regeneration of neurons and synapses. Recently, increasing number of studies on microglial synaptic pruning has advanced our understanding of the underlying mechanism for synaptic pruning and its relevant physiological functions. Here, we reviewed microglial synaptic pruning function and its potential regulatory mechanisms in brain under physiological and pathological conditions.

小胶质细胞； 突触修剪； 发育脑

Microglia; Synaptic pruning; Developmental brain

1000- 4718(2017)04- 0758- 06

2016- 08- 30

2017- 01- 26

国家自然科学基金资助项目(No. 81200939; No. 31260242)

R363

A

10.3969/j.issn.1000- 4718.2017.04.031

△通讯作者 Tel: 0871-65922858; E-mail: leefan623@sina.com