间充质干细胞对小胶质细胞的免疫调节作用及其机制

2020-12-23胡洋唐洲平

神经损伤与功能重建 2020年8期

胡洋，唐洲平

1 间充质干细胞（mesenchymal stem cells，MSCs）

MSCs是来源于中胚层前体细胞的有着自我更新和多向分化潜能的非造血干细胞，表达CD105、CD90、CD73、CD29和CD44等分子标志物，不表达CD45、CD34和CD14等表面标志物[1,2]。在特定培养条件的诱导下，MSCs既能分化成同胚层细胞，如脂肪、软骨和骨骼肌细胞等；也能分化为内胚层细胞，如心肌或神经细胞等[3,4]。它在机体内含量极其丰富，可来源于多种组织，包括皮肤、心脏、大脑、牙髓、绒毛、脐血、胎盘和脂肪等。MSCs对多种疾病模型都有较好的治疗效应，其作用机制主要包括：分泌多种生长因子和细胞因子对过度活化的炎症反应进行调节；促进损伤组织再生和分泌包含具有调节功能的microRNA及线粒体微囊泡等[5]。

2 小胶质细胞

小胶质细胞是中枢神经系统的巨噬细胞，胚胎发育过程中由卵黄囊衍生而来，定居在发育的大脑中[6]。近年来研究表明，仅仅在大脑中生长繁殖的小胶质细胞就足够维持数目的恒定性，不需要从血液系统募集巨噬细胞。小胶质细胞并非均一分配在整个中枢神经系统，是机体固有免疫应答的主要媒介。在生理环境中，小胶质细胞主要起免疫监视和维持稳态的作用[7]。在炎症环境或被炎症介质刺激后会迅速激活，扮演着神经保护和神经毒性的双重角色。发挥神经保护作用的小胶质细胞属于M2型，分泌抗炎因子和神经保护因子，拮抗氧化应激和促炎神经递质的损伤。具有神经毒性的小胶质细胞属于M1型，释放促炎神经递质，损伤神经元功能，促使细胞死亡[8]。

神经系统疾病如卒中、神经变性疾病（包括阿尔茨海默症、肌萎缩侧索硬化症等）和神经系统损伤等疾病模型中，静止的小胶质细胞会激活，释放大量炎症因子，如肿瘤坏死因子-α（tumor necrosisfactor-a，TNF-α）、白介素-1（interleukin-1，IL-1）、白介素-6（interleukin-6，IL-6）等[9]，损伤局部神经元。激活的小胶质细胞在进一步的免疫应答过程中可改变其表面分子标志物的表达，造成更严重的级联放大反应[10,11]。在中枢神经系统损伤及变性疾病中，更需要严密调控小胶质细胞，防止其过度活化，或将促炎的M1型尽可能转变成抗炎的M2型[12]。

3 MSCs与小胶质细胞

MSCs对炎症反应的多个环节都能发挥调控作用[13]。它能与多种参与固有免疫应答的细胞相互作用，包括树突细胞（dendritic cells，DC），外周血巨噬细胞和中枢神经系统的小胶质细胞等[14,15]。Prockop等[16]总结了炎症反应早期MSCs对巨噬细胞发挥免疫调控作用的2条重要负反馈环路。一是前列腺素E2（prostaglandin E2，PGE2）环路，活化的巨噬细胞分泌炎症介质激活MSCs，使其上调花生四烯酸信号通路的表达，PGE2释放量增加，可以将促炎型的M1型巨噬细胞转变成抗炎的M2型；二是肿瘤坏死因子α相关蛋白-6（tumor necrosis factor alpha stimu-lated gene-6，TSG-6）环路，是激活的MSCs所分泌的一种抗炎蛋白，可作用于巨噬细胞表面的CD44分子，抑制toll样受体2（toll like receptor 2，TLR2）介导的核转录因子-κB（nuclear factor-kappa B，NF-κB）信号通路的表达，最终降低巨噬细胞促炎因子的分泌。研究还表明激活的MSCs能分泌斯钙素1（stanniocalcin-1），抑制巨噬细胞炎症小体的激活，降低氧化应激过程中有毒活性物质的产生[17]。

和巨噬细胞相似，MSCs也能让M1型小胶质细胞转变成M2型，这种所谓的“镇静”效应可能与趋化因子轴（CX3C chemokine receptor 1/ligand1，CX3CR1/CX3CL1）轴有关，激活的MSC释放CX3CL1上调CX3CR1/CX3CL1轴的表达，抑制小胶质细胞的激活或将活化的细胞转为静止状态[18]。Liu等[19]发现TNFα激活的MSCs能够抑制脂多糖激活的小胶质细胞的炎症反应，其分泌的TSG-6蛋白与BV2细胞表面CD44结合后干扰下游NFκb通路表达，减少炎症因子释放，而敲除BV2细胞表面的CD44分子后，抑制炎症的效应大大减弱。TSG-6还能诱导细胞表面CD44分子的表达。

因此，MSCs已被用于各类神经系统疾病模型的治疗。此外，MSCs还能作为载体传输外源性基因，如过表达胶质细胞源性神经营养因子（glial cell-derived neurotrophic factor，GDNF）或脑源性神经营养因子（brain derived neurotrophic factor，BDNF），促进组织损伤的修复。

4 MSCs、小胶质细胞与神经系统疾病

4.1 缺血性脑卒中

缺血性脑卒中后脑组织局部区域的炎症反应会促使神经细胞发生凋亡或坏死。MSCs能够改善卒中动物模型的神经功能，抑制局部区域小胶质细胞的活化。

MSCs通过分泌各种蛋白和因子来调节新生缺血性卒中小鼠的小胶质细胞的炎症反应。实验模型处于脑损伤急性期时，在缺血半暗带区域的小胶质细胞会过度分泌一系列细胞因子，包括TNF-α、IL-1和IL-6等[20]，产生神经毒性。MSC疗法的作用机制包括促进血管生成和神经再生（分泌营养因子），免疫调节和抗炎作用[21]。经静脉直接移植的MSCs迁移到损伤区域后，激活NF-κB通路，促使IL-6表达增加，适度激活静止的小胶质细胞，增强神经保护作用。同时，MSCs还可以通过分泌PGE2、TSG-6等蛋白来抑制小胶质细胞的过度活化，延缓神经元的死亡。MSC疗法还可以减少脂多糖激活的小胶质细胞的炎症因子分泌，下调水通道蛋白4的表达水平，减少星形胶质细胞的凋亡[22]。

4.2 脊髓损伤

中枢神经系统创伤性损伤时会发生神经元死亡和血脑屏障的破坏，局部小胶质细胞过度激活和外周单核细胞迁移，MSCs疗法已被证实能改善创伤模型的预后，可能的机制之一是MSCs能调节小胶质细胞及巨噬细胞的免疫活化水平。

Yoshihara等[23]用MSCs治疗实验性脊髓损伤大鼠时，发现大鼠脑脊液内的TNF-α炎症因子水平降低。Nakajima等[24]用MSCs治疗脊髓损伤大鼠模型，并在治疗早期（3 d）对病灶内的巨噬细胞进行检测，发现在损伤后1周，治疗大鼠的抗炎M2型巨噬细胞增加，而对照大鼠的巨噬细胞主要为促炎M1型。研究还发现，脊髓损伤后立即静脉注射MSCs，在损伤后24 h、72 h和7 d检测比较2组的炎症因子水平，前者促炎性细胞因子IL-4和TNF-α的分泌显著低于后者[25]。此外，用基因修饰技术使MSCs过表达脑多巴胺神经营养因子，移植到脊髓损伤病灶部位，能减少大鼠脊髓损伤后的局部炎症反应，降低前列腺素E2，IL-1β、TNF-α的表达[26]。

4.3 多发性硬化（multiple sclerosis，MS）

MS是中枢神经系统的慢性炎性疾病，由神经系统异常的自身免疫应答，主要是适应性免疫应答所致。在MS中胶质细胞的活化与神经元损伤有关[27]，且在进展性MS中，这种发生率可能会增加[28]。随着MS病理学特异性的“小胶质细胞结节”被发现，在MS病灶区域和看似正常的脑白质中都能检测到激活的小胶质细胞和巨噬细胞，这与轴突变性密切相关，还可能演变成脱髓鞘病变[29-31]。在MS中，巨噬细胞表现为促炎表型，与疾病的恶化相一致。小胶质细胞和单核细胞可能通过不同的方式触发MS。Yamasaki等[32]发现，在发病初期，来自外周血的单核巨噬细胞会介导脱髓鞘反应，而小胶质细胞保持非活化状态，能够清除髓鞘磷脂碎片。研究证实，MSCs不仅可以调节体外小胶质细胞的活化，还可以影响体内的小胶质细胞/巨噬细胞[33]。MSC可分泌各种各样的可溶性因子，Bai等[34]研究表明，MSCs分泌的肝细胞生长因子（hepatic growth factor，HGF），有助于改善MS疾病模型的预后，这种保护作用是由cMet介导，HGF通过阻断免疫细胞和小胶质细胞上的cMet受体，发挥对MS的保护作用。

4.4 阿尔茨海默病（Alzheimer disease，AD）

AD是一种老年慢性神经退行性疾病，其病理学特征为神经外膜沉积的淀粉样蛋白β蛋白（Aβ）（老年斑）和神经元内tau蛋白相缠结。最近研究表明，AD模型中由于免疫调节失衡可导致小胶质细胞的异常活化[35]。通过刺激核受体激动剂诱导小胶质细胞和中枢神经系统巨噬细胞的吞噬作用来增强对Aβ的清除，能够改善实验AD模型的预后[36]。

MSC已用于AD实验模型的治疗。经双侧大脑移植人脐带血来源的MSCs（hUCB-MSC）能促进小胶质细胞降解Aβ酶（如中性溶酶1）的表达，并减少模型动物Aβ斑块的数量；hUCB-MSCs释放可溶性细胞间粘附分子-1（sICAM-1），通过sICAM-1/LFA-1信号通路诱导小胶质细胞表达中性溶酶1，来减少Aβ斑块[37]。在相同的动物模型中，向海马两侧重复给予hUCB-MSCs却不会诱导小胶质细胞表达Aβ降解酶（如neprysi-lin），但作者发现小胶质细胞具有更活化的表型，且促炎细胞因子如IL-1β和TNF-α表达降低，说明MSC疗法可通过调节小胶质细胞的免疫活性来发挥对AD模型的神经保护作用[38]。