小胶质细胞与缺血缺氧性脑损伤关系的研究进展

刘波 王嘉麟 陈师林 石静纹 雷彬 王一帆 李红培

[摘要] 小胶质细胞是中枢神经系统的主要免疫细胞，其介导的炎性反应在缺血缺氧性脑损伤中起着重要的作用。缺血性卒中是脑血管病的常见类型，现有的治疗手段不能获得满意的临床疗效，因此研究小胶质细胞的作用机制对缺血性卒中的治疗具有重要意义。本文就近年来国内外关于小胶质细胞活化及其对缺血缺氧性脑损伤的作用、相关药物治疗等研究展开综述，为缺血性卒中的治疗提供新思路。

[关键词] 小胶质细胞;缺血缺氧性脑损伤;炎性反应;药物治疗

[中图分类号] R743          [文献标识码] A          [文章编号] 1673-7210（2019）03（c）-0038-05

[Abstract] Microglia cells is the main immune cells in the central nervous system， which induced inflammatory response plays an important role in ischemic-hypoxic brain injury. Ischemic stroke is a common type of cerebrovascular disease， and the existing treatment methods cannot achieve satisfactory clinical efficacy. Therefore， the study on the mechanism of action of microglia cells is of great significance for the treatment of ischemic stroke. In this paper， recent studies on microglia activation and its effect on ischemic and hypoxic brain injury and related drug therapy at home and abroad were reviewed， providing new ideas for the treatment of ischemic stroke.

[Key words] Microglial cells; Hypoxic-ischemic brain damage; Inflammatory response; Pharmaceutical drug

缺血性卒中是脑血管病最主要的类型，具有高发病率、高致残率、高死亡率的特点，已在我国造成严重的公共卫生问题。炎性反应在缺血缺氧性脑损伤中起着重要的作用，而抑制炎性反应可改善神经功能结局。小胶质细胞是中枢神经系统中的主要免疫细胞，在中枢神经系统发育、维护和修复中起着至关重要的作用。其数量较少，占神经胶质细胞总数的5%～20%，但分布广泛。生理情况下，小胶质细胞一般处于静息状态，被激活后可转变为M1型和M2型。M1型属于经典激活型，M2型为选择激活型。M1型和M2型产生的病理生理作用不同，M1型小胶质细胞抑制神经新生，并加重神经损伤;M2型在大脑恢复过程中起促进作用，包括神经发生、轴突再生、血管生成、少突胶质细胞前体细胞生成和髓鞘再生等[1]。

1 小胶质细胞的活化

1.1 小胶质细胞的活化及调控

生理状态下，小胶质细胞处于静止状态;在组织损伤或病原体入侵时，小胶质细胞活化为阿米巴样，细胞体积增大，具有很强的吞噬功能;当损伤痊愈后又恢复为静息状态。但在正常环境中，未成熟的小胶质细胞能表达诱导型一氧化氮合酶（iNOS），表明其存在一定程度的激活。脂多糖（LPS）和γ干扰素（IFN-γ）诱导M1型小胶质细胞产生促炎性细胞因子，白细胞介素-4（IL-4）和/或IL-13诱导M2型产生抗炎性细胞因子[1-2]。

Th1细胞分泌的IFN-γ在M1型分化中起着重要的作用。通过JAK1/JAK2信号通路，IFN-γ激活信号转导和转录激活因子-1（STAT-1），增加促炎性细胞因子如肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、IL-1β、IL-12、IL-23、趋化因子、活性氧和NO等的产生[3]。激活M1的另一条途径由LPS或通过Toll-样受体4（TLR4）激活的损伤相关分子模式（DAMP）介导，随后形成“激活复合物”。这些复合物反过来调节M1细胞分泌炎症介质和细胞表面标志物（MHC-Ⅱ、CD86等）[3]。Th2细胞分泌的细胞因子如IL-4、IL-13通过激活STAT-6促进M2型小胶质细胞表达。另外，激活的PI3K/Akt/mTOR信號通路也会导致静止状态的小胶质细胞向M2型转化[4]。

MAPK信号通路在小胶质细胞激活中起着重要的作用，通过这个信号通路，4-酮戊二酸抑制谷氨酸的释放和神经毒性的兴奋刺激，也可抑制脑缺血灶中M1型小胶质细胞激活[5]。Notch信号通路通过TLR4/Myd88/TRAF6/NF-κB信号通路激活小胶质细胞，加重脑组织损伤[6]。高渗盐水通过阻断Notch信号通路减少活化的小胶质细胞中NF-κB的生成，进而抑制促炎性细胞因子的释放。

1.2 小胶质细胞活化的时间顺序

小胶质细胞与缺血缺氧性脑损伤炎性反应密切相关，在脑缺血缺氧炎性反应中小胶质细胞被激活，但小胶质细胞激活表型有一定的时间特性。小胶质细胞和招募的巨噬细胞在脑梗死早期主要表现为M2型，随后逐渐转变为M1型，这在缺血半暗带尤为明显[7]。这种极化与脑组织损伤时间、缺血损伤程度、发生在灰质还是白质有关[1，7]。

2 小胶质细胞对缺血缺氧性脑损伤的促进作用

小胶质细胞是中枢神经系统常驻免疫细胞，来源于胚胎卵黄囊，并在胚胎发育早期进入脑实质[8]。正常情况下，小胶质细胞起着免疫监视作用，可通过高速运功过程不断对周围环境进行扫描[3]，也被认为是大脑病理改变的立即感应器，能迅速对大脑中的病理刺激作出响应。

炎性反应是脑梗死导致脑损伤的重要过程，炎性指标升高常与患者预后不良相关。大脑炎性反应常由小胶质细胞介导引起。在血脑屏障保护作用下，小胶质细胞通过清除细胞碎片、修剪突触和分泌生长修复因子来维持正常的大脑功能。在中枢神经系统受到各种损伤性刺激时，小胶质细胞被迅速激活产生应答反应。

2.1 小胶质细胞介导的炎性反应对脑损伤的影响

2.1.1 细胞因子  活化的小胶质细胞通过TLR2-Sphk1通路，引起IL-1β、IL-17、IL-23和TNF-α释放，从而参与脑缺血再灌注损伤[9]。IL-1β可趋化白细胞在炎症局部聚集和活化，加重脑组织损伤，还可激活小胶质细胞，释放细胞因子进一步加重脑损伤。TNF可加剧或减轻炎性反应，这与其信号转导途徑有关。TNF有跨膜型和可溶型两种，通过膜受体TNF-RⅠ（TNF-p55R）和TNF-RⅡ（TNF-p75R）进行信号转导。卒中实验发现，TNF和抗体具有神经保护作用，尽管实验证实TNF具有细胞毒性作用，但TNF可通过TNF-RⅠ途径产生细胞保护作用[10]。IFN-γ可通过JAK1/JAK2信号通路，诱导M1型小胶质细胞激化，促进促炎性细胞因子大量表达[3]。

通过TLR4受体，LPS、DAMP也能触发小胶质细胞向M1型转化。动物实验[11]发现，雌激素能显著较少缺血半暗带区TNF-α、IL-1β和IL-6的释放，减小脑梗死体积，减轻神经元损伤，改善神经功能，这是通过激活G蛋白耦联受体30进而抑制TLR4介导的小胶质细胞炎性反应实现的。LPS、锰等通过激活小胶质细胞中的MAPK信号通路，上调IL-6、TNF-α、COX-2水平，加重中枢神经系统炎性反应。

2.1.2 基质金属蛋白酶  活化的小胶质细胞也能释放基质金属蛋白酶（MMPs），主要有MMP-3、MMP-8和MMP-9三种。MMPs是锌依赖的内肽酶，不仅在正常的脑发育过程中表达，也在各种神经病理状态如阿尔茨海默病、帕金森病、卒中和多发性硬化等中表达。在大脑中，基质金属蛋白酶参与损伤后组织形成、神经网络重塑、血管生成、髓鞘形成等生理过程，并能维持血脑屏障完整性[12]。

MMPs在病理状态下异常表达，导致血脑屏障破坏、炎性细胞浸润、脱髓鞘和神经元死亡。MMP-8在激活的小胶质细胞中表达明显上调，对神经炎性反应具有促进作用。临床研究[13]显示，MMP-8与卒中严重程度存在相关性。MMP-9 能分解大多数细胞外基质，尤其是Ⅳ型和Ⅴ型胶原蛋白。它还能激活多种促炎性细胞因子和趋化因子，如CXCL-8、IL-1和TNF-α[14]。通过消化Occludins和Claudins，MMP-9在血脑屏障的破坏中发挥了重要作用。此外，由于Ⅳ型胶原分解破坏，促进了白细胞向血管内皮细胞迁移。最后，细胞核内MMP-9水平升高降低二磷酸核糖聚合酶-1和X线的交叉互补因子-1的水平，导致破坏的DNA在神经元中蓄积[14]。然而，由于蛋白酶在神经血管方面的修复作用[15]，卒中后长时间抑制MMPs可能对神经功能的恢复产生不利影响。

2.2 小胶质细胞迁移对脑损伤的影响

小胶质细胞在局部炎症刺激下，不仅发生表型改变，也会引起迁移能力改变;小胶质细胞受刺激向炎症病灶迁移浸润。小胶质细胞表面的G蛋白耦联受体在激活小胶质细胞不同组分中起着重要的作用，不同的受体对小胶质细胞迁移产生不同的效应。甲酰基肽受体1的激活可促进小胶质细胞迁移[16]，而μ受体、σ受体抑制小胶质细胞迁移[17]，P2Y12受体调控着小胶质细胞活动[18]。

对小胶质细胞的研究发现，暴露于LPS使得小胶质细胞的迁移能力下降[19]。尽管其作用机制尚未阐明，已有证据显示LPS可通过下调P2Y12受体来削弱小胶质细胞的迁移能力，而P2Y12通过应答ATP的释放而提高小胶质细胞迁移能力[20]。此外，LPS能诱导小胶质细胞过度激活，导致NF-κB表达上调[21]。激活的小胶质细胞迁移到损伤处，不仅释放炎性细胞因子，还可释放趋化因子，如MCP-1/CCL2、MIP-1α/CCL3，进而招募白细胞浸润[22]。浸润的白细胞释放炎症细胞毒素，如氧自由基和蛋白酶，破坏缺血性脑组织。

3 小胶质细胞对缺血缺氧性脑损伤的神经保护作用

小胶质细胞作为中枢神经系统第一道防线，在维持中枢神经系统微环境稳态中起着重要的作用。小胶质细胞具有明显的异质性，不同亚群的小胶质细胞对脑损伤产生不同的作用。耗竭实验大鼠小胶质细胞使其卒中后脑损伤加重[23]，而注射外源性小胶质细胞可减轻实验沙鼠缺血性脑损伤[24]。由于caspase-3介导的细胞凋亡，小胶质细胞未能完全吞噬凋亡神经元，从而增加兴奋性毒性损伤，并进一步加重由缺血再灌注引起的细胞因子和趋化因子的释放[23]。兴奋性毒性被认为是神经元死亡的主要机制，它由各种细胞死亡信号通路介导的细胞内钙超载引起。缺乏小胶质细胞会加重兴奋性毒性损伤，这是因为小胶质细胞缺乏会引起神经元钙反应失调、钙超载和增加神经元死亡[25]。

兴奋性毒性损伤的神经元可发出包括细胞因子、趋化因子和生长因子等在内的多种“求救”信号，诱导M2型小胶质细胞表达，进而释放神经营养因子促进神经元恢复[26]。M2型小胶质细胞可产生多种神经营养因子，刺激神经发生和改善神经可塑性。一项动物实验研究[27]证实，在短暂性大脑中动脉栓塞后，小胶质细胞表达的IL-33明显升高;IL-33通过IL-33/ST2 信号通路增加M2小胶质细胞表达IL-10，提供神经保护作用;而将IL-33注入已敲除IL-10的小鼠脑室内，不能对脑梗死小鼠提供神经保护作用。脑缺血动物实验[28]显示，缺血半暗带神经元优先表达IL-4。IL-4一方面上调小胶质细胞IL-4R，对小胶质细胞产生“前反馈”调节作用;另一方面通过PPARγ途径诱导M2小胶质细胞表达，提高其清除凋亡神经元的能力，并增加营养因子的表达，发挥神经保护作用。此外，在中枢神经系统重塑过程中，M2型小胶质细胞可分化为少突胶质细胞，这有助于促进神经系统的恢复。

4 小胶质细胞在缺血性卒中治疗中的作用

4.1 西药对缺血性卒中的神经保护作用

一项系统评价[29]报道，起病前已服用他汀类的卒中患者脑缺血再灌注损伤更轻，且其神经功能可获得更好的改善。体外实验[30]显示，因对小胶质细胞在炎性反应中产生积极影响，瑞舒伐他汀可用于炎性相关神经疾病的预防。Zhou等[31]发现，AMPK激活剂二甲双胍，能促进小胶质细胞激活转变为M2型，并显著增加了大脑中动脉闭塞大鼠缺血脑组织血管生成和神經新生。依达拉奉通过抑制局部梗死区小胶质细胞活化和小胶质细胞释放TNF-α、IL-1β和iNOS，发挥神经保护作用[32]。丁基苯酞发挥脑保护作用与促进M1型小胶质细胞向M2型极化有关[33]。丁酸钠通过IL-10/SATA3信号通路调控小胶质细胞在缺血性中风的炎性过程，发挥神经保护作用[34]。

4.2 中药提取物对缺血性脑卒中的神经保护作用

黄芩苷能抑制局部梗死区小胶质细胞活化和小胶质细胞释放TNF-α、IL-1β和iNOS，发挥神经保护作用，其抗炎作用似乎强于依达拉奉;两者合用时减轻脑梗死作用更明显，这可能与抑制TLR2受体上调有关[33]。体内外实验证实，银杏苦内酯B衍生物XQ-1H可通过调节PPARγ通路，实现小胶质细胞在促炎/抗炎中维持平衡，减轻缺血性卒中的炎性反应，改善神经功能和结局[35]。红景天苷通过抑制小胶质细胞向M1型活化，增加M2型小胶质细胞从而发挥神经保护作用[36]。红景天苷也可通过增加M2型小胶质细胞分化为少突胶质细胞，促进损伤神经再髓鞘化[36]。经丹参酮ⅡA预处理的脑梗死大鼠，其脑梗死体积、脑水肿、神经功能缺损程度明显低于无预处理组;其海马和皮层表达的IL-6、TNF-α、C反应蛋白水平明显下调;另外，丹参酮ⅡA也能显著下调Bax的表达，上调Bcl-2的表达，减少神经元凋亡，提示丹参酮ⅡA治疗脑梗死可能与抑制炎性反应和细胞凋亡密切相关[37]。

5 总结

综上所述，小胶质细胞过度激活导致促炎性细胞因子大量释放，加重神经损伤，在疾病进展中起着重要的作用。M1型小胶质细胞释放促炎性细胞因子，导致局部炎性细胞浸润、血脑屏障破坏、神经元死亡;M2型促进抗炎性细胞因子、神经营养因子表达，增加少突胶质细胞数量，在神经组织抗损伤和损伤后修复中起着重要作用。某些药物或信号通路通过调节小胶质细胞极化方向、影响小胶质细胞的迁移而发挥神经保护作用，这为治疗脑缺血性损伤提供新策略。因此，对小胶质细胞进行调控，维持小胶质细胞在缺血性脑损伤过程中达到促炎与抗炎平衡，有助于为临床实践提供新思路。但是小胶质细胞在神经损伤或保护中的作用机制极为复杂，需要大量的研究阐述其作用机制。

[参考文献]

[1]  Hu X，Leak RK，Shi Y，et al. Microglial and macrophage polarization-new prospects for brain repair [J]. Nat Rev Neurol，2015，11（1）：56-64.

[2]  Xiong XY，Liu L，Yang QW. Functions and mechanisms of microglia/macrophages in neuroinflammation and neurogenesis after stroke [J]. Prog Neurobiol，2016，142：23-44.

[3]  Zhao S，Ma L，Chu Z，et al. Regulation of microglial activation in stroke [J]. Acta Pharmacol Sin，2017，38（4）：445-458.

[4]  Lim JE，Chung E，Son Y. A neuropeptide，Substance-P，directly induces tissue-repairing M2 like macrophages by activating the PI3K/Akt/mTOR pathway even in the presence of IFNγ [J]. Sci Rep，2017，7（1）：9417.

[5]  Han Q，Liu S，Li Z，et al. DCPIB，a potent volume-regulated anion channel antagonist，attenuates microglia-mediated inflammatory response and neuronal injury following focal cerebral ischemia [J]. Brain Res，2014，1542（2）：176-185.

[6]  Cai Z，Zhao B，Deng Y，et al. Notch signaling in cerebrovascular diseases （Review） [J]. Mol Med Rep，2016，14（4）：2883-2898.

[7]  Hu X，Li P，Guo Y，et al. Microglia/macrophage polarization dynamics reveal novel mechanism of injury expansion after focal cerebral ischemia [J]. Stroke，2012，43（11）：3063-3070.

[8]  Orihuela R，McPherson CA，Harry GJ. Microglial M1/M2 polarization and metabolic states [J]. Br J Pharmacol，2016， 173（4）：649-665.

[9]  Sun W，Ding Z，Xu S，et al. Crosstalk between TLR2 and Sphk1 in microglia in the cerebral ischemia/reperfusion-induced inflammatory response [J]. Int J Mol Med，2017， 40（6）：1750-1758.

[10]  Lambertsen KL，Biber K，Finsen B. Inflammatory cytokines in experimental and human stroke [J]. J Cereb Blood Flow Metab，2012，32（9）：1677-1698.

[11]  Zhang Z，Qin P，Deng Y，et al. The novel estrogenic receptor GPR30 alleviates ischemic injury by inhibiting TLR4-mediated microglial inflammation [J]. J Neuroinflammation，2018，15（1）：206.

[12]  Rempe RG，Hartz AM，Bauer B. Matrix metalloproteinases in the brain and blood-brain barrier：Versatile breakers and makers [J]. J Cereb Blood Flow Metab，2016，36（9）：1481-1507.

[13]  Misra S，Talwar P，Kumar A，et al. Association between matrix metalloproteinase family gene polymorphisms and risk of ischemic stroke：A systematic review and meta-analysis of 29 studies [J]. Gene，2018，672：180-194.

[14]  Chang JJ，Ansley S，Tayebeh P. The Role of Matrix Metalloproteinase Polymorphisms in Ischemic Stroke [J]. Int J Mol Sci，2016，17（8）：1323.

[15]  Ma F，Martínez-San Segundo P，Barceló V，et al. Matrix metalloproteinase-13 participates in neuroprotection and neurorepair after cerebral ischemia in mice [J]. Neurobiol Dis，2016，91：236-246.

[16]  薛鑫，陳星星，王冠，等.甲酰基肽受体1对BV-2细胞迁移的影响及机制的体外研究[J].第三军医大学学报，2016，38（1）：44-49.

[17]  Fung S，Cherry AE，Xu C，et al. Alkylindole-sensitive receptors modulate microglial cell migration and proliferation [J]. Glia，2015，63（10）：1797-1808.

[18]  Sipe GO，Lowery RL，Tremblay Mè，et al. Microglial P2Y12 is necessary for synaptic plasticity in mouse visual cortex [J]. Nat Commun，2016，7：10905.

[19]  Zhang F，Nance E，Alnasser Y，et al. Microglial migration and interactions with dendrimer nanoparticles are altered in the presence of neuroinflammation [J]. J Neuroinflammation，2016，13（1）：1-11.

[20]  Charolidi N，Schilling T，Eder C. Microglial Kv1.3 Channels and P2Y12 Receptors Differentially Regulate Cytokine and Chemokine Release from Brain Slices of Young Adult and Aged Mice [J]. PLoS One，2015，10（5）：e0128463.

[21]  Fu Y，Xin Z，Liu B，et al. Platycodin D Inhibits Inflammatory Response in LPS-Stimulated Primary Rat Microglia Cells through Activating LXRα-ABCA1 Signaling Pathway [J]. Front Immunol，2018，8：1929.

[22]  Khan A，Ju F，Xie W，et al. Transcriptomic analysis reveals differential activation of microglial genes after ischemic strokein mice [J]. Neuroscience，2017，348：212-227.

[23]  Fernández-López D，Faustino J，Klibanov AL，et al. Microglial Cells Prevent Hemorrhage in Neonatal Focal Arterial Stroke [J]. J Neurosci，2016，36（10）：2881-2893.

[24]  Imai F，Suzuki H，Oda J，et al. Neuroprotective effect of exogenous microglia in global brain ischemia [J]. J Cereb Blood Flow Metab，2007，27（3）：488-500.

[25]  Szalay G，Martinecz B，Lénárt N，et al. Microglia protect against brain injury and their selective elimination dysregulates neuronal network activity after stroke [J]. Nat Commun，2016，7：11499.

[26]  Puig B，Brenna S，Magnus T. Molecular Communication of a Dying Neuron in Stroke [J]. Int J Mol Sci，2018，19（9）.pii：E2834.

[27]  Yang Y，Liu H，Zhang H，et al. ST2/IL-33-Dependent Microglial Response Limits Acute Ischemic Brain Injury [J]. J Neurosci，2017，37（18）：4692-4704.

[28]  Zhao X，Wang H，Sun G，et al. Neuronal Interleukin-4 as a Modulator of Microglial Pathways and Ischemic Brain Damage [J]. J Neurosci，2015，35（32）：11281-11291.

[29]  Hong KS，Lee JS. Statins in Acute Ischemic Stroke：A Systematic Review [J]. J Stroke，2015，17（3）：282-301.

[30]  Kata D，F？觟ldesi I，Feher LZ. Rosuvastatin enhances anti-inflammatory and inhibits pro-inflammatory functions in cultured microglial cells [J]. Neuroscience，2016，314：47-63.

[31]  Zhou X，Cao Y，Ao G，et al. CaMKKβ-dependent activation of AMP-activated protein kinase is critical to suppressive effects of hydrogen sulfide on neuroinflammation [J]. Antioxid Redox Signal，2014，21（12）：1741-1758.

[32]  Yuan Y，Zha H，Rangarajan P，et al. Anti-inflammatory effects of Edaravone and Scutellarin in activated microglia in experimentally induced ischemia injury in rats and in BV-2 microglia [J]. BMC Neurosci，2014，15（1）：1-21.

[33]  Li F，Ma Q，Zhao H. L-3-n-Butylphthalide reduces ischemic stroke injury and increases M2 microglial polarization [J]. Metab Brain Dis，2018，33（6）：1995-2003.

[34]  Patnala R，Arumugam TV，Gupta N，et al. HDAC Inhibitor Sodium Butyrate-Mediated Epigenetic Regulation Enhances Neuroprotective Function of Microglia During Ischemic Stroke [J]. Mol Neurobiol，2017，54（8）：6391-6411.

[35]  Liu R，Diao J，He S，et al. XQ-1H protects against ischemic stroke by regulating microglia polarization through PPARγ pathway in mice [J]. Int Immunopharmacol，2018， 57：72-81.

[36]  Liu X，Wen S，Yan F，et al. Salidroside provides neuroprotection by modulating microglial polarization after cerebral ischemia [J]. J Neuroinflammation，2018，15（1）：39.

[37]  Zhou L，Zhang J，Wang C，et al. Tanshinone inhibits neuronal cell apoptosis and inflammatory response in cerebral infarction rat model [J]. Int J Immunopathol Pharmacol，2017，30（2）：123-129.

（收稿日期：2018-09-14  本文編辑：封   华）