运动对小胶质细胞的调控作用研究进展

李朋大 王楠 罗丽

苏州大学体育学院（苏州215021）

小胶质细胞是中枢神经系统的固有免疫效应细胞，在正常的发育过程中通过促进神经元的存活或启动程序性细胞死亡对中枢神经系统内神经元的数量进行调控。当损伤或疾病发生时，小胶质细胞通过介导内源性免疫反应发挥神经保护或神经毒性作用。小胶质细胞参与一系列神经退行性疾病，如帕金森病（Parkinson's disease，PD）、阿尔茨海默病（Alzheimer's disease，AD）、亨廷顿病（Huntington's disease，HD）等的发生发展。近些年来的研究表明，运动在预防和干预神经退行性疾病方面具有重要的潜在价值，这一效应可能与运动对小胶质细胞的调控有关。本文以“运动”、“训练”、“小胶质细胞”、“神经退行性疾病”等为中文关键 词，以“exercise”、“training”、“microglia”、“neurodegenerative diseases”等为英文关键词，通过CNKI、万方、Pubmed、Web of Science 等数据库检索相关文献，总结近些年来国内外运动调控小胶质细胞的作用与机制研究进展，旨在深入理解运动的神经保护作用，为通过科学运动促进脑健康提供新的视角。

1 小胶质细胞、神经炎症与神经退行性疾病

小胶质细胞是中枢神经系统固有的免疫细胞，起源于胚胎卵黄囊中的早期髓系祖细胞，在胚胎发育早期迁移到神经管中并留居下来进一步分化形成[1]。在发育过程中，小胶质细胞通过调节突触传递和可塑性来塑造神经网络。当中枢神经系统发生损伤时，小胶质细胞被激活，吞噬和清除病原微生物、死亡细胞和蛋白质聚集体，以及其他可能危害中枢神经系统的可溶性抗原等。此外，小胶质细胞还分泌许多可溶性因子，如趋化因子、细胞因子和神经营养因子等，参与中枢神经系统的免疫反应和组织修复[2]。

在生理情况下，神经元通过分泌与小胶质细胞膜受体结合的因子来维持小胶质细胞处于静息状态，包括分化簇200（The cluster of differentiation 200，CD200）和一些神经递质，如γ-氨基丁酸、乙酰胆碱和去甲肾上腺素。处于静息状态的小胶质细胞有许多细长的分支突起和较小的胞体，不断游动监视周围环境的变化发挥“免疫监视”作用。在病理条件下，细胞损伤因子如β-淀粉样蛋白（amyloid β，Aβ）、基质金属蛋白酶3（matrix metalloproteinase -3，MMP-3）、α-突触核蛋白（α-synuclein）等可通过髓系细胞触发受体2（triggering receptor expressed on myeloid cells- 2，TREM2）介导的信号通路激活小胶质细胞，此时其胞体变大，突起回缩，细胞形态呈圆形或阿米巴状，并大量分泌促炎细胞因子和趋化因子，诱导神经炎症[3]。此外，在氧化应激状态下，活性氧（reactive oxygen species，ROS）和活性氮（reactive nitrogen species，RNS）水平升高也是引起小胶质细胞活化的关键因素，可导致促炎细胞因子和其他炎症介质的进一步产生，促进神经元凋亡。

以小胶质细胞过度激活为特征的神经炎症是神经退行性疾病重要的病理特征之一。在疾病发生的初始阶段，小胶质细胞被迅速激活为替代激活型（M2 型），通过发生短暂的氧化和硝化应激，增强吞噬功能，从而加快对坏死组织清除；同时也释放神经营养因子及细胞因子，这有助于中枢神经系统中受损组织的修复。但如果应激的持续时间延长，ROS、病原体相关分子模式（pathogen-associated molecular patterns，PAMPs）和组织损伤相关分子模式（damage associated molecular patterns，DAMPs）等可通过与小胶质细胞表面的多种模式识别受体（pattern-recognition receptors，PRRs）结合，刺激小胶质细胞转变为经典激活型（M1 型），此时M1型小胶质细胞进入过度激活状态，促炎细胞因子和细胞毒性物质分泌释放增多，对神经元造成非特异性的损伤。在神经退行性疾病中，异常聚积的Aβ、tau 蛋白和α-突触核蛋白等蛋白质可导致小胶质细胞发生慢性激活，引起白介素-1β（Interleukin-1β，IL-1β）、肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）等促炎细胞因子释放增多，加剧神经炎症[4]；还会导致氧化应激水平上升，加重神经损伤。由此可见，小胶质细胞在神经退行性疾病的发病中扮演着重要角色。因此，抑制小胶质细胞异常激活是干预神经退行性疾病的一个重要策略。

2 运动通过调节细胞因子及其受体表达抑制小胶质细胞过度激活

运动锻炼能够提高包括神经系统在内的多个系统的生理功能。当神经系统遇到损伤及相关应激，机体可通过改变基因表达，启动保护修复机制，具体包括诱导突触重塑、提高代谢效率、增强抗氧化能力等[5]；此外，通过调节细胞因子及其受体表达改善小胶质细胞功能，也是运动发挥神经保护作用的重要途径。

2.1 抗炎细胞因子

骨骼肌收缩会释放出许多细胞因子。IL-6是最早发现的肌源性细胞因子，具有抗炎和促炎双面效应。当IL-6 与其可溶性受体结合时发挥促炎作用，相反当IL-6 与质膜α受体结合时产生抗炎作用。IL-6 也可以上调另一抗炎细胞因子IL-10的表达水平。在包括AD和PD 等许多神经退行性疾病中，IL-6表达上调抑制了小胶质细胞的活化水平[6]。

除了IL-6 外，运动也可以促进其他一些具有抗炎作用的肌源性细胞因子的释放。长期体育锻炼可以增加骨骼肌中IL-10 的产生和分泌。IL-10 与小胶质细胞质膜上的受体结合，可增强细胞因子信号转导抑制分子（suppressor of cytokine signaling，SOCS）的作用，从而抑制小胶质细胞的激活。在周围神经损伤小鼠模型中，2 周的低强度运动上调IL-4 的表达，抑制周围和中枢神经系统的炎症反应[7]。此外，运动还能促进白介素-1受体拮抗剂（interleukin-1 receptor antagonist，IL-1Ra）在中枢神经系统中表达。IL-1Ra对IL-1R的亲和力要高于IL-1β，可阻断由IL-1β介导的级联反应[8]。Schizas 报道，过表达IL-1Ra 能抑制小胶质细胞激活，延长神经元的寿命，证实了IL-1Ra 降低神经炎症的效应[9]。因此，运动可能通过促进IL-1Ra 在中枢的表达，抑制小胶质细胞激活，促进神经元存活。

2.2 促炎细胞因子

IL-1β、IL-18 和TNF-α是中枢神经系统主要的促炎细胞因子。IL-1β、IL-18能够促进炎症小体的产生，加剧炎症反应。在多种神经退行性疾病，如肌萎缩性脊髓侧索硬化症（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）、PD 和AD 中，含有NACHT、LRR 和PYD 结构域的蛋白质3（NACHT、LRR and PYD domains-containing protein 3，NLRP3）和含有NLR 家族CARD 结构域的蛋白质4（NLR family CARD domain-containing protein 4，NLRC4）炎症小体均被证明在小胶质细胞激活中起关键作用[10]。研究发现，在APP/PS1双转基因AD小鼠中，IL-1β能促进小胶质细胞NLRP3 炎症小体的产生，但在特异性敲除NLRP3基因小鼠脑中小胶质细胞激活被抑制且Aβ沉积减少，因此IL-1β激活小胶质细胞与该模型中NLRP3 炎症信号通路激活密切相关[11]。在APP / PS1 双转基因AD 小鼠中，12 周的跑步运动可显著降低IL-1β和TNF-α等促炎细胞因子并增加抗炎细胞因子在海马中的表达，同时提高海马区超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）活性，减轻氧化应激；同时诱导小胶质细胞从M1 型转变为M2 型，抑制神经炎症[12]。IL-1β和IL-18的蛋白表达水平以及NLRP3炎症小体的激活是引起去势小鼠海马神经炎症的关键。长期运动干预能够改善去势后小鼠神经炎症，降低海马内IL-1β和IL-18 水平降低，以及去势后小鼠NLRP3的水平[13]。

2.3 CD200及其受体

CD200 是中枢神经系统中神经元表达的免疫调节因子，对脑内免疫稳态调节具有深远影响。CD200 通过与小胶质细胞质膜上的CD200 受体（cluster of differentiation 200 receptor，CD200R）结合抑制小胶质细胞的活化。当CD200与CD200R相互作用时，会招募下游的酪氨酸激酶1/2，引起酪氨酸结合域蛋白磷酸化反应。磷酸化的酪氨酸结合域蛋白与含有RasGAP 和SRC-2 的肌醇磷酸酶结合，进而抑制下游Ras/ERKMAPK 炎症信号通路。此外，CD200/CD200R 也能抑制p38 丝裂原活化蛋白激酶（p38 mitogen-activated protein kinases，p38MAPK）信号通路，从而抑制促炎细胞因子的分泌。研究证明，小鼠在经过长期的自主转轮运动后，脑中的CD200 和CD200R 表达水平升高，并伴随着p38MAPK 表达下降[14]，提示运动可能通过激活CD200/CD200R，抑制p38MAPK 信号通路，调节小胶质细胞功能。

2.4 TREM2

TREM2是由小胶质细胞产生的一类免疫球蛋白超家族受体，在小胶质细胞吞噬和细胞骨架重排中起关键作用。来源于小胶质细胞表面的可溶性TREM2 能提高小胶质细胞的存活和吞噬能力。当TREM2 与DNAX 相 关蛋 白12（ DNAX-associated protein 12，DAP12）相互作用时，可通过Src 家族激酶磷酸化DAP12，激活PI3K/Akt信号通路，阻断MAPK，从而抑制TLR4 介导的小胶质细胞炎症反应。研究表明，提高TREM2 的水平是延缓AD 发病的有效途径，TREM2 突变会增加患AD 的风险[15]。运动锻炼可能通过TREM2调控神经退行性疾病的炎症反应。16周中等至高强度体育锻炼可增加AD 患者脑脊液中TREM2 的表达水平，减轻AD患者神经炎症反应[16]。

2.5 Toll样受体（Toll like receptors，TLRs）

TLRs 是一类模式识别受体，在包括激活小胶质细胞在内的先天免疫反应中起关键作用。在PD 小鼠模型中，可溶性α-突触核蛋白与小胶质细胞表面的TLR2、TLR4 和分化簇11b（Cluster of Differentiation 11b，CD11b）受体结合时，会间接导致氧化应激从而引起神经炎症[17]。有趣的是，长期运动干预降低了PD 小鼠黑质致密部和纹状体α-突触核蛋白的产生，同时下调了TLR2/MyD88/NF-κB 信号通路分子和NADPH 氧化酶（Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase，NOX）表达，减轻了脑内神经炎症反应，这提示运动可能抑制了α-突触核蛋白/TLR2 介导的小胶质细胞激活[18]。另一项研究发现，长期跑步可以降低高脂饮食小鼠海马TNF-α、IL-1β水平以及TLR-4及其下游信号分子的表达；有证据表明TNF-α、IL-1β和TLR-4 通路激活是高脂饮食诱导海马神经炎症的关键，因此这一结果说明运动可能通过调节TLR-4抑制海马神经炎症[19]。

2.6 沉默信息调节因子1（Silent Information Regulator-1，SIRT1）

SIRT1 是一种高度保守的NAD+依赖去乙酰化酶，可与多种转录因子和信号分子相互作用，在细胞分化、凋亡、衰老以及炎症反应中发挥着重要的作用。SIRT1通过调节转录因子的去乙酰化，在炎症和细胞存活中发挥关键作用。过表达SIRT1可使核因子活化B细胞κ轻链增强子（Nuclear factor kappa light chain enhancer of activated B cells，NF-κB）亚基p65 去乙酰化，从而抑制其活性，降低促炎细胞因子水平。此外，SIRT1还可以上调核呼吸因子2（Nuclear factor erythroid-2 related factor 2，Nrf2）的表达，促进抗氧化酶，包括谷胱甘肽过氧化物酶和血红素氧合酶-1 的释放，从而增强抗氧化功能。更重要的是，SIRT1可以直接刺激过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子1α（Peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator 1α，PGC-1α），后者抑制NF-κB 介导的小胶质细胞活化，同时通过信号转导与转录活化因子3（Signal transducer and activator of transcription 3，STAT3）和信号转导与转录活化因子6（Signal transducer and activator of transcription 6，STAT6）途径增强小胶质细胞的吞噬活性[20]。研究者对6-羟基多巴胺（6-Hydroxydopamine，6-OHDA）诱导的PD 模型小鼠分别进行8 周的力量训练和跑步训练，结果发现两组小鼠海马中均表现出SIRT1水平的升高及NF-κB、TNF-α、IFN-γ等促炎细胞因子水平下降，神经炎症减轻[21]。高脂饮食诱导的认知障碍小鼠在经过5 次/周，共12 周的跑步训练后，认知功能得到改善，脑组织中SIRT1 与脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）显著提高，同时促炎细胞因子TNF-α的表达下降[22]。以上研究表明，运动可调节脑组织SIRT1 水平，这可能是运动对神经退行性疾病发挥保护作用的机制之一。

2.7 BDNF

BDNF是研究最多的一类神经营养因子，主要由星形胶质细胞和小胶质细胞产生，具有调节神经发生和炎症反应等多种作用。运动能通过多个途径提高中枢神经系统BDNF 的表达水平。骨骼肌收缩诱导的PGC-1α正反馈调控促使纤连蛋白Ⅲ型结构域的蛋白5（fibronectin type III domain- containing protein 5，FNDC5）水解，释放鸢尾素[23]。鸢尾素通过循环系统进入中枢神经系统，调节脑内BDNF 的表达。此外，运动后肝脏释放的β-羟基丁酸酯也可促进脑内BDNF 的表达。对AD 小鼠脑组织中非Aβ斑块周围小胶质细胞的mRNA 进行分析，发现BDNF 和IGF-1 高度表达且活化小胶质细胞向M2 表型转化[24]。研究发现，22月龄老年小鼠经过9周的主动转轮运动，脑内BDNF 表达上调且BDNF 与小胶质细胞共定位增加，逆转了脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）诱导的神经炎症水平增加以及神经发生减少[25]。

BDNF可能通过以下途径影响小胶质细胞的激活：（1）BDNF 通过与其受体酪氨酸激酶B（tropomyosin receptor kinase B，TrkB）结合，诱导ERK 激活和环磷腺苷效应元件结合蛋白（cAMP-response element binding protein，CREB）磷酸化，从而抑制NF-κB的活性，并促进某些抗炎基因的转录[26]。（2）BDNF激活蛋白激酶B（protein kinase B，PKB）信号途径，从而抑制糖原合酶激酶3（glycogen synthase kinase3，GSK3）的活性，导致NF-κB活性降低和CREB激活增加[27]。（3）BDNF也可以上调节丝裂原活化蛋白激酶磷酸酶1（mitogen-activated protein kinase phosphatase- 1，MKP- 1），导 致p38MAPK和JNK磷酸化水平降低[28]。

不少动物实验研究揭示，运动可通过调节细胞因子及其受体表达来维持脑的内环境平衡，预防过小胶质细胞过度激活，减轻神经炎症，从而预防AD、PD、ALS 等神经退行性疾病。研究证实了运动对小胶质细胞的调控作用，但目前大多停留在现象观察层面，亟待更深入的研究以揭示其内在机制。此外，研究中也应考虑运动的强度、频率和持续时间等因素的影响。

3 运动通过减轻氧化应激抑制小胶质细胞过度激活

氧化应激（oxidative stress，OS）是生物体内ROS 或RNS 等活性物质与抗氧化系统失去平衡而导致的一种状态[29]。ROS/RNS 可通过上调TNF-α、NF-κB、p53 和过氧化物酶体增殖物受体-γ（Peroxisome proliferatoractivated receptor-γ，PPAR-γ）水平，直接或间接诱导促炎细胞因子及DAMPs，激活小胶质细胞，造成神经炎症，进一步诱发神经元损伤[30]。OS 与神经退行性疾病的发病密切相关。如家族性（遗传性）ALS 的发病与SOD1 基因突变导致抗氧化防御失调，造成氧化应激有关[31]。在AD 发病过程中，ROS 水平升高并通过激活MAPK 介导小胶质细胞激活，加剧炎症反应和神经元死亡。此外，在PD 脑中OS 造成黑质小胶质细胞NO 和促炎细胞因子分泌增加，加速了病情发展。

长期运动可诱导机体内源性抗氧化剂的产生，诱导适应性反应。谷胱甘肽（glutathione，GSH）是重要的内源性抗氧化物质，在维持小胶质细胞氧化还原平衡方面起着至关重要的作用。研究者对高脂饮食诱导的小鼠海马神经炎症模型进行23 周有氧运动干预，发现海马GSH 水平显著升高，TNF-α和IL-6 水平显著下降，并伴随着小胶质细胞中MAPK-JNK 炎症通路磷酸化抑制；提示运动可能通过诱导GSH 抑制MAPK-JNK炎症通路，调控小胶质细胞功能[32]。Zhang 等对APP/PS1 双转基因AD 小鼠进行12 周有氧跑台训练干预发现，有氧运动显著提高了海马SOD1及SOD2的活性，诱导小胶质细胞向M2 型转变，改善了AD 小鼠认知功能[33]。

此外，运动也能降低机体内源性氧化酶活性，减轻氧化应激，从而抑制小胶质细胞激活。NADPH 氧化酶（NOX）是体内氧化还原的关键酶，也是体内ROS 的主要来源之一。Jang 等发现12 周转轮运动显著下调了2型糖尿病相关认知障碍小鼠海马中NOX 蛋白表达水平，抑制了TLR2 介导的小胶质细胞激活，减轻了神经炎症反应，改善了认知功能[34]。Goes 等采用6-羟基多巴胺（6-OHDA）诱导PD 小鼠模型，进行4 周的游泳运动干预，结果显示小鼠纹状体中诱导型一氧化氮合酶（Inducible Nitric Oxide Synthase，iNOS）和促炎细胞因子IL-1β水平下降，小胶质细胞激活水平降低，提示运动可能降低了iNOS 介导的氧化应激从而降低促炎细胞因子的产生和小胶质细胞的激活，改善PD 小鼠认知和运动能力下降[35]。

氧化应激与AD、PD、ALS 等神经炎症相关疾病的发病密切相关。一些研究发现长期运动锻炼能增强脑组织抗氧化能力，减轻氧化损伤，降低小胶质细胞激活水平，但其具体机制仍未阐明。此外，也需要亚临床、临床研究，明确运动对人体神经退行性疾病脑组织氧化应激水平、小胶质细胞激活状态的影响。

4 运动通过调节线粒体质量控制抑制小胶质细胞过度激活

线粒体是多功能的细胞器，在代谢稳态、氧化还原信号调节、细胞核-线粒体通讯以及细胞死亡中发挥关键作用[36]。线粒体质量控制是保证机体线粒体网络稳定的重要机制，主要包括线粒体自噬、线粒体生物发生和线粒体融合分裂等动态协调过程。研究证实，AD、PD 等神经退行性疾病大多存在脑组织能量代谢紊乱和神经炎症，这与线粒体功能异常和小胶质细胞过度激活关系密切[37-39]，而线粒体功能障碍也是导致小胶质细胞过度激活的重要因素之一[40，41]。因此，维持小胶质细胞线粒体质量控制可能是预防神经退行性疾病的潜在策略。

线粒体自噬是线粒体实现质量控制的主要机制之一。神经退行性疾病常存在线粒体自噬功能障碍。有报道，APP/PS1 双转基因AD 小鼠海马中线粒体自噬功能障碍，受损线粒体增加，导致小胶质细胞吞噬能力下降，Aβ斑块含量增加[42]。8 周运动干预能够增加AD 小鼠海马线粒体自噬相关蛋白PINK1、Parkin 水平，同时抑制了NLRP3/Caspase-1通路的激活，提高了小胶质细胞的吞噬效率，降低了海马中的Aβ斑块沉积[43]。

线粒体融合分裂是另一重要的线粒体质量控制机制。Park 等[44]发现，小胶质细胞被LPS 诱导激活后，调控线粒体分裂的基因Drp1 表达上调，同时炎症相关的信号通路激活（MAPK 和NF-κB 表达增加且促炎细胞因子和ROS 大量释放）；选择性敲除Drp1 可逆转这一现象，这表明线粒体分裂与小胶质细胞激活之间存在着紧密联系。有研究报道运动能抑制APP/PS1 小鼠海马组织中的线粒体过度分裂[45]，其机制有待于深入研究。

线粒体功能障碍是AD、PD 等神经退行性疾病发病的重要因素。初步研究发现运动可调节AD、神经炎症动物模型等脑组织的线粒体质量控制，但目前尚未明确运动是否能直接调节神经退行性疾病中小胶质细胞的线粒体质量控制，抑制其过度激活。

5 小结与展望

小胶质细胞对维持中枢神经系统正常功能至关重要。错误折叠蛋白、组织损伤和神经毒素等应激可引起小胶质细胞过度激活，引起炎症介质持续释放、氧化还原失衡、异常蛋白质聚积、线粒体功能障碍、代谢紊乱，通过多个途径参与神经退行性疾病的发生发展。运动可能通过多种机制调节小胶质细胞功能：（1）上调抗炎细胞因子/神经营养因子及其受体，包括IL-6、IL-4、IL-10、CD200/CD200R、TREM2、SIRT1、BDNF 等表达，同时抑制促炎细胞因子/趋化因子及其受体，包括IL-1β、IL-18、TNF-α、CXCL10、CCL2、TLRs 等表达；（2）抑制ROS/RNS 产生，增强抗氧化能力，降低氧化应激水平；（3）调节线粒体自噬和线粒体分裂，维持线粒体质量控制，从而抑制小胶质细胞过度激活，减轻神经炎症。目前的研究观察到以上这些现象，但其背后的关联却远未阐明。运动对细胞因子及其受体、氧化应激和线粒体质量控制的调节是同步还是先后发生的？因果关系如何？在不同的生理和病理条件下也可能存在不同的应答反应。

在这一领域，仍有许多问题值得进一步探究，例如：（1）运动对小胶质细胞的调控作用在不同的脑区是否具有差异？如果有，其机制如何？（2）线粒体质量控制对维持小胶质细胞功能至关重要。那么，运动改善小胶质细胞功能的线粒体机制如何？（3）炎症反应既能诱发或加剧神经退行性病变，但在某些特定的条件下，又能促进损伤修复。运动是如何在神经退行性疾病发展的不同阶段调控小胶质细胞功能的？进一步探究运动调控小胶质细胞的功能及机制，有助于深入理解运动的神经保护作用，进而为神经退行性疾病的预防与治疗提供新的思路。