CX3CR1及小胶质细胞在视网膜退行性疾病中的研究进展

祁玉麟，贾茜钰，叶河江

0引言

视网膜退行性疾病如视网膜色素变性(retinal pigmentosa，RP)、年龄相关性黄斑变性(age-related macular degeneration，ARMD)、糖尿病视网膜病变(diabetic retinopathy，DR)等是一类致盲性眼病，虽然发病机制和临床特点各不相同，但感光细胞进行性凋亡和视网膜色素上皮细胞的功能障碍及损失是其共有的病理改变，最终导致患者失明。有研究表明CX3CR1及其配体CX3CL1参与此类疾病的病理生理过程，而趋化因子受体CX3CR1在视网膜中由小胶质细胞特异性表达，在调节小胶质细胞活化及神经元存活中发挥重要作用[1]。由于CX3CR1信号多种功能和作用机制复杂，其在不同病理情况下发挥神经保护和神经毒性作用的关系尚不清楚。本文就趋化因子受体CX3CR1的结构、功能及其与小胶质细胞在视网膜退行性疾病的作用研究做如下综述。

1 CX3CR1结构与生理功能

趋化因子的功能行使主要由趋化因子受体介导，参与细胞的黏附与迁移[2]。CX3CR1是由1 065个核苷酸编码、355个氨基酸组成的功能蛋白[3]，受CX3CR1基因编码的G蛋白偶联受体，含有7个跨膜区的结构形态。人类CX3CR1的编码基因在染色体上位于3p21，具有2个单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphisms，SNP)即V249I(rs3732379，缬氨酸替换为异亮氨酸)和T280M(rs3732378，苏氨酸替换为甲硫氨酸)[4-5]。G蛋白能与CX3CR1胞内区的相应结构产生结合，可引发相关的磷酸化反应，参与相应的信号转导[6-7]。全身的单核细胞、树突细胞和自然杀伤细胞可普遍表达CX3CR1[8-9]，但这些细胞在正常情况下很少能够通过血脑屏障进入健康大脑中，因此认为CX3CR1表达的唯一来源是小胶质细胞。

CX3CR1是趋化因子CX3CL1的特异性、高亲和力受体[10-11]，视网膜作为中枢神经系统的延伸，研究发现CX3CR1受体在虹膜、睫状体、视网膜色素上皮、视网膜小胶质细胞以及Müller细胞上有表达[12]。CX3CR1通过与CX3CL1的结合介导细胞的迁移和黏附，对流动的单核细胞、T细胞、NK细胞的黏附作用强[13-14]。研究发现在多种疾病中CX3CL1-CX3CR1与小胶质细胞关系密切，提供了视网膜神经元和小胶质细胞之间的细胞间信号传导方式，已成为多种疾病新的治疗介入点。

2 CX3CR1与小胶质细胞

CX3CR1作为趋化因子受体在机体的神经组织、淋巴组织及髓细胞系等系统均有表达[15-16]，而在中枢神经系统及视网膜中则由小胶质细胞特异性表达。小胶质细胞是在中枢神经系统(central nervous system,CNS)和视网膜中的一类胶质细胞，作为免疫监控及免疫效应细胞，同时在视网膜发育阶段对维持视网膜的生长及神经发生稳定具有关键作用[17]。在正常情况下，小胶质细胞呈现静息状态，通过宿主监测、组织修复以维持自身平衡稳定。当出现代谢异常、损伤、炎症时小胶质细胞被激活，活化的小胶质细胞发生显著形态改变为“阿米巴样”[18]，进而发挥作用。

CX3CR1在小胶质细胞表面高度表达，CX3CL1则表达于健康视网膜神经元及细胞。有研究表明，小胶质细胞可通过CX3CL1-CX3CR1信号通路影响光感受器细胞形成，缺失CX3CR1信号通路可导致纤毛蛋白分布的改变和外节段无法延伸，最终致视锥细胞受损[19]。

CX3CL1-CX3CR1对小胶质细胞的作用表现出疾病及器官特异性，在不同的疾病模型或致病机制中，表现出不同作用甚至相反。一方面，在外伤、炎症等急性损伤性疾病中，CX3CL1-CX3CR1诱导小胶质细胞激活，促使其迁移到受损部位，发挥吞噬细胞的毒性作用，引起分泌多种炎症因子包括NO、TNF-α、IL-1β等造成神经元损伤[20]；另一方面，在某些退行性疾病中CX3CL1-CX3CR1表现出可抑制小胶质细胞而发挥对神经元的保护作用[21]。随着对趋化因子及其受体的发现及功能研究，发现CX3CL1-CX3CR1与小胶质细胞的活化之间存在着十分密切的关系，可作为抑制小胶质细胞活化的一个环节或靶点。在许多视网膜疾病模型中，维持适当水平的信号可能具有重要的致病性，如CX3CR1信号降低与疾病转归恶化和小胶质细胞活化增加有关。因此，CX3CL1-CX3CR1与小胶质细胞的功能要在具体的疾病模型中进行具体分析。

3 CX3CR1与小胶质细胞在视网膜退行性疾病中的作用

3.1视网膜色素变性RP是人类严重的视力障碍最常见的原因之一，致病基因突变、细胞应激、炎症反应和视网膜重塑等与RP的发病机制有关，其结果是感光细胞的丢失凋亡，导致视力丧失和夜盲[22]。在RP眼中小胶质细胞受凋亡光感受器的吸引，从视网膜内层移行至外层，吞噬变性的光感受器胞质成分，并且激活的小胶质细胞也释放一些毒性物质，损害周围正常神经元[23]。

有研究发现视网膜小胶质细胞活化导致RP视网膜严重受损[24]，其证实CX3CR1缺陷导致外核层(outer nuclear layer，ONL)中活化小胶质细胞的积累增多并且光感受器脆弱性增加。rd10小鼠视网膜的小胶质细胞激活发生在神经退行性变之前，表现为CX3CR1，Aif1，Irf8等小胶质细胞特异性基因表达上调[25]。在CX3CR1敲除rd10小鼠中观察到ONL变薄，表明CX3CR1缺乏导致额外的视杆细胞损失，也加剧了视锥细胞的形态变化和功能丧失。CX3CR1敲除的rd10小鼠视网膜中小胶质细胞向感光细胞层的浸润显著增加，并加速感光细胞凋亡和萎缩；缺乏CX3CR1的小胶质细胞显示吞噬作用增强，增加炎症细胞因子和小胶质细胞激活标志物的表达；当外源性CX3CL1给药则可增加rd10视网膜中CX3CL1-CX3CR1的信号传导，有效减少小胶质细胞浸润、吞噬作用和激活，改善光感受器变性的结构和功能特征[26]。CX3CL1-CX3CR1可抑制rd10视网膜中的小胶质细胞活化，并且CX3CR1缺陷导致额外的小胶质细胞活化对光感受器存活发挥额外的神经毒性作用。有研究者采用孕酮类似物诺孕酮(Norgestrel)治疗可上调CX3CL1-CX3CR1信号RNA水平，进而调节视网膜小胶质细胞的活化和迁移来保护神经元[27]。而采用RP的视网膜光损伤模型鼠，研究指出其光感受器细胞CX3CL1的表达明显上调，小胶质细胞的活化、CX3CL1的上调程度与视网膜神经细胞的损伤程度呈正相关性[28]。视网膜光损伤模型大鼠中视网膜CX3CR1和CX3CL1蛋白IOD值、蛋白相对表达量均明显高于对照组，表明在视网膜损伤过程中有一定作用[29]。视网膜光损伤过程中CX3CL1与CX3CR1对小胶质细胞发挥诱导活化的作用，趋化后者生成TNF-α、IL-1β等炎症因子，诱导过度炎症反应，造成神经损伤，进而加重光感受器细胞凋亡。

最近有研究表明，通过CX3CL1-CX3CR1信号通路小胶质细胞还可影响光感受器的形成，CX3CR1信号通路的缺失可导致纤毛蛋白分布的改变和外节段延伸的失败并最终导致视锥细胞的受损[30]。而CX3CL1是维持小胶质细胞稳态的调节器，在没有损伤的情况下防止小胶质细胞的过度活化，同时在炎症发作期间促进小胶质细胞和星形胶质细胞的活化[31-32]。小胶质细胞的激活与光感受器的损伤有着直接联系，通过CX3CL1-CX3CR1信号通路调控小胶质细胞活性可能成为阻止神经元细胞损伤和提高存活的一种治疗方式。

3.2糖尿病视网膜病变作为世界范围内的严重致盲眼病，DR的发病率日趋增长。DR在临床上可分为两种阶段：(1)早期非增生性阶段(non-proliferative diabetic retinopathy，NPDR)，其特征是血管渗透性增加，视网膜微血管系统变性，基底膜增厚以及视网膜毛细血管中的周细胞丧失；(2)晚期增生性阶段(PDR)则涉及病理性新生血管形成、玻璃体出血以及视网膜脱离[33]。研究指出在DR出现微血管障碍前神经元细胞就已经出现病理改变[34]，表现为视网膜神经节细胞凋亡增加、神经胶质细胞反应性增高和小胶质细胞活化等[35]。研究显示在早期DR的NPDR阶段视网膜活化的小胶质细胞可在尚未出现微血管病变及神经元坏死之前检测出来，进而表明小胶质细胞在DR早期已经能够产生相应作用[32]。

在早期DR中CX3CR1调控小胶质细胞功能形态变化。研究使用CX3CR1基因敲除Ins2糖尿病小鼠发现视网膜中小胶质细胞网状结构的紊乱，表现出无规则排列，呈现典型活化形态，而视网膜中还未出现微血管病变和神经元的坏死；小胶质细胞的活化时间明显缩短，显著加重网状结构破坏，同时CX3CR1基因敲除后小鼠视网膜不断堆积数量众多的巨噬细胞，为小胶质细胞活化迁移的重要标识[36]。Ins2AkitaCX3CR1敲除小鼠在20周龄时即表现视网膜神经节细胞(retinal ganglion cell，RGC)层神经元细胞数量减少，小胶质细胞数量增加和星形胶质细胞反应降低[37]。CX3CR1缺失的情况下小胶质细胞反应失调导致了DR神经元的炎症介导性损伤。CX3CR1缺失的DR小鼠中全身炎症导致纤维蛋白原外渗区域中增殖的小胶质细胞呈现强烈血管周围聚集，并诱导小胶质细胞和星形胶质细胞中炎症因子IL-1β表达[38-40]。

CX3CR1缺失加速DR视网膜血管的病理改变，增加视网膜细胞的凋亡，同时激活局部小胶质细胞或巨噬细胞浸润[40]。CX3CR1在DR模型中高度表达发挥对神经元保护，其抑制小胶质细胞活化的效应也被证实。有研究指出增生性DR组患者玻璃体腔的CX3CL1表达水平较对照组显著上升，伴随血管内皮细胞出现自身显著加强的趋化性，表明在增生性DR中视网膜新生血管的形成有CX3CL1-CX3CR1参与[41]。DR中丧失CX3CL1-CX3CR1信号可引起小胶质细胞活化失调，进而破坏全身炎症过程中视网膜的血管完整性，因此调节CX3CR1信号传导可能是减轻糖尿病视网膜组织病理变化的相关替代方法。

3.3年龄相关性黄斑变性ARMD是一种致盲性的眼底疾病并已成为发达国家老年人失明的主要原因[42]。人类CX3CR1的编码基因在染色体上位于3p21，具有2个SNP为V249I和T280M[5]。有研究对ARMD患者CX3CR1两个SNP的等位基因的关联程度进行检测分析发现其可能与ARMD的易感性相关[43-44]。对827例ARMD患者进行基因分型发现ARMD的风险增加与CX3CR1两个等位基因的多态性显著相关[45]。在携带M280等位基因的ARMD患者眼中，黄斑区CX3CR1水平比周围视网膜低，但在健康人眼中未检测到类似差异[46]，证实CX3CR1的多态性可能是ARMD发病的危险因素之一。

在ARMD患者眼底视网膜变性及CNV发生部位可发现大量小胶质细胞的聚集，积聚的小胶质细胞则表达CX3CR1阳性，并在玻璃膜疣中发现CX3CR1沉积物，故CX3CR1阳性小胶质细胞的积聚可能与ARMD玻璃膜疣形成、光感受器变性及新生血管形成有关[47]。新生血管性ARMD患者视网膜中CD8+T细胞上CX3CR1的表达显著降低[48]。采用ARMD的经典动物模型CX3CR1基因敲除小鼠模型进行研究，有研究观察发现活化后的小胶质细胞形态出现肿胀变性，导致在其病变部位呈现出玻璃膜疣样改变，光感受器外节盘膜出现脱落[49]。通过将视网膜中表达CX3CR1的小胶质细胞募集至病变部位，并与外层视网膜细胞的相互作用对视网膜变性起到调节作用[50]。在CX3CR1基因敲除鼠视网膜中检测到数量众多的活化小胶质细胞，小胶质细胞CX3CR1依赖性的堆积在视网膜内发挥作用与实验性CNV的恶化相关，疾病发展也因此进一步加重。随着CX3CR1基因敲除鼠年龄增长，其视网膜中可见局灶性的视网膜色素上皮(RPE)及光感受器的萎缩，与ARMD的改变类似[51]。也有研究指出[52]敲除CX3CR1基因的小鼠表现出视网膜退行性改变如萎缩的光感受器细胞，而湿性、进行性ARMD的典型改变尚未被发现。当CX3CR1基因敲除鼠暴露在光损伤的环境中，发现视网膜更容易在慢性光损伤的刺激下呈现ARMD病变，TNF-α等炎症因子的含量也因此上升[53]。缺乏CX3CR1可能引发视网膜RPE及光感受器的萎缩，病变情况可在光损伤等外界因素的影响下呈现进一步加重的趋势。在ARMD动物模型中，CX3CR1具有抑制小胶质细胞活化，保护神经元作用。故对CX3CR1与小胶质细胞展开大量深入研究，已成为ARMD治疗的重要靶点。

3.4青光眼青光眼是一类导致不可逆性失明的神经退行性疾病，患者视力逐渐丧失终致失明[54]，其病理特征在于视网膜神经节细胞及其轴突逐渐消亡，视网膜神经纤维层变薄和视盘凹陷[55],具体病因和发病机制尚不清楚。尽管眼内压升高是其发病主要因素之一，但与免疫机制有关的因素在青光眼发病机制中也起着关键作用[56]。小胶质细胞作为中枢神经系统及视网膜中的免疫细胞，在青光眼的人类和动物模型的研究中均显示出小胶质细胞是青光眼中神经炎症过程持久化的重要因素[57]，其长期过度活化导致神经元细胞变性，尤其是RGC的丧失[58]。神经胶质细胞的活化在疾病早期引起青光眼损害的发展[59]，在青光眼动物模型中仅在眼压升高后2h小胶质细胞表达明显增加并早于RGC死亡[60]。

在慢性青光眼和高眼压的动物模型中早期小胶质细胞即在视网膜、视神经、视路中激活并重新分布[61-62]。在短暂性眼内压(IOP)升高的青光眼模型小鼠中，CX3CR1缺失会增强小胶质细胞的神经毒性作用，进而引起更为广泛的RGC丢失，提示CX3CR1可在IOP升高下抑制小胶质细胞的激活[63]。在慢性青光眼模型DBA/2J小鼠中，CX3CR1基因敲除后发现视神经头早期的小胶质细胞增生与神经病理的晚期严重程度显著相关[64]。研究表明CX3CR1缺失可增加RGC数量的早期下降并加剧RGC轴突功能障碍，同时CX3CL1信号丧失促进营养不良的RGC产生，加剧轴突运输功能障碍。缺乏CX3CR1可导致DBA/2J小鼠视网膜髓样细胞中一氧化氮合酶2(NOS-2)的表达增加，引起Ccr2+单核细胞/巨噬细胞浸润的增强并选择性地加剧轴突运输功能障碍[65]。因此研究CX3CR1对青光眼RGC的作用机制可成为疾病新的治疗介入点。

4结语

综上，CX3CR1及其配体CX3CL1引导的信号通路对小胶质细胞进行调控以发挥对神经元及视网膜细胞组织的效应作用。CX3CL1-CX3CR1的作用机制复杂多样，在不同疾病、不同作用途径中其效应作用不同甚至相反。不断深入研究CX3CR1功能和其对视网膜小胶质细胞的调控和功能重建，有助于干预小胶质细胞活化后的促炎、自身免疫、自噬等效应作用，保留免疫监视和保护视网膜的有益功能。对于CX3CR1及其配体CX3CL1的多角度不断探索研究为视网膜退行性病变提供重要的研究方向与思路，也为防治视网膜退行性疾病提供了新的治疗研究靶点。