M2型小胶质细胞极化促进少突胶质祖细胞的分化——促进多发性硬化症髓鞘再生的有效途径

刘 丽,李 琦,杜欣珂,冉庆森,孙立东,杨 庆,李玉洁,陈 颖,王娅杰,翁小刚,蔡维艳,朱晓新

(中国中医科学院 中药研究所,北京 100700)

多发性硬化症(multiple sclerosis,MS)是以中枢神经系统(central nervous system,CNS)炎性脱髓鞘病变为主要特点的自身免疫性疾病,全世界共有200多万患者[1-3]。目前临床使用药物只能对症治疗,不能从根本上完全阻止或逆转这种神经系统的退行性病变,长期的炎性损伤和髓鞘脱失,导致神经元的变性和死亡,表现为运动、认知和感觉功能的障碍。

MS在病理上表现为CNS病灶内大量炎性细胞浸润及少突胶质细胞(oligodendrocyte,OLs)死亡导致的髓鞘脱失[4]。更值得注意的是,这两大病理特征并不是孤立的,而是相互诱导可以形成统一的功能单元。炎症浸润具体表现为小胶质细胞(microglia,MG)介导的炎症反应失衡导致的病理损伤,而髓鞘再生障碍主要表现为少突胶质祖细胞(oligodendrocyte precursor cells,OPCs)分化受阻。

在药物的研发和应用中,通过药物干预调控MG向M2的方向极化,重塑其极化的平衡,来促进OPCs的分化,本质上实现对炎性细胞浸润和髓鞘脱失的双重影响,有望实现神经系统损伤组织的再修复。损伤修复障碍不仅是中枢神经系统MS的病理表现,在帕金森、阿尔兹海默症等其他神经退行性疾病患者和动物模型中也发现损伤组织的修复障碍[5-6]。基于这一共同病理表现,促进损伤组织的新生对神经退行性疾病治疗也具有极大的启发意义。

1 MS中炎性损伤导致髓鞘修复障碍

根据临床表现的不同,MS可分为复发-缓解型MS(RRMS),继发-进展型MS(SPMS),原发-进展型MS(PPMS)和进展-复发型MS(PRMS)4种类型。大部分患者为复发-缓解型MS[3],但随着病情反复发作,多数患者在10～20年内最终转化为SPMS,SPMS患者由于髓鞘再生障碍导致病情无法逆转,而留下终身残疾[2],促进髓鞘的再生成为治疗MS的有效策略之一。

髓鞘是由成熟的OLs形成致密绝缘的髓磷脂蛋白膜包裹着轴突形成,起到加快神经冲动传导和营养支持神经轴等作用。OLs在CNS中主要由OPCs分化而来,从OPCs到成熟的OLs的发育过程主要涉及4个阶段,表达不同的标志物:前O2A祖细胞,主要表达标志物A2B5、NG2;O2A祖细胞,主要表达A2B5、NG2和O4;未成熟OLs,主要表达O4和O1,成熟OLs,高表达MBP(myelin basic protein,MBP)和CC1[7]。当髓鞘损伤时,OPCs感受到组织稳态的失衡而被激活,开始大量增殖、迁移、分化,形成成熟的OLs[8-9]。尽管具有这种再生能力,但MS患者仍然存在髓鞘再生的修复障碍。在MS患者脱髓鞘病灶处发现大量未成熟的OLs和OPCs,提示OLs的存活不是髓鞘再生的限制性因素,而多数OPCs停留在从未成熟到成熟的阶段,OPCs的分化受阻才是髓鞘再生失败的关键因素[10]。

MS的另一个病理特征是大量炎性细胞浸润,在新形成的脱髓鞘病灶内,发现大量MG的激活和浸润,而少见淋巴细胞的浸润[11]。病理学研究表明炎症在MS的各个阶段都会导致组织损伤。局灶性炎症浸润在脑膜和血管周围间隙,产生可溶性因子,直接或间接的通过MG激活诱发脱髓鞘和神经退行性病变。如何基于MG的炎症调控来促进OPCs分化成为解决MS患者髓鞘修复障碍问题的关键。

2 小胶质细胞极化对MS髓鞘再生的作用及机制研究

2.1 小胶质细胞极化对髓鞘再生的作用

MG属于CNS中固有巨噬细胞,也是CNS炎症反应的主要执行细胞,维持CNS微环境稳定,在MS的发生、发展中扮演着重要角色[12],其表型和功能随微环境的改变而动态变化,见图1。

图1 小胶质细胞M2极化促进OPCs分化和髓鞘再生Figure1 Polarized M2microglia promotes OPCs differentiation and remyelination

2.1.1 小胶质细胞极化平衡促进MS髓鞘再生

MG根据其活化状态,可分为经典活化态(M1型)和可替代活化态(M2型),M2型MG又可分为M2a,M2b和M2c亚型。M1和M2细胞比例的失衡可能是造成MS疾病进展髓鞘再生障碍的关键因素[13]。在MS患者的病灶中可以观察到M1和M2型MG的比例严重失衡,且M2型MG分布的部位髓鞘再生程度明显增强[14]。在MS的典型动物模型-实验性变态反应性脑脊髓炎(EAE)中,M1/M2比例升高会抑制脊髓损伤后的轴突再生,当加入外源性的M2型MG后,M1和M2的比例达到平衡状态,可明显促进OPCs的分化和髓鞘的新生,改善EAE的疾病症状[15]。并且有研究表明,M2b亚型可以转化为M1和M2a/b的过渡态[16],提示M1型MG和M2型MG之间可以相互转化,在M1/M2型MG失衡的MS等CNS退行性疾病中,促进M1型MG向M2型的转化,维持M1和M2的相对平衡,是一个潜在的药物作用干预靶点。

2.1.2 M2型小胶质细胞促进OPCs分化

MG不同的极化状态对OPCs的影响不同。MS单细胞测序结果表明,在EAE动物模型CNS内,MG多数呈现出M1炎症表型[17]。在脂多糖(lipopolysaccharides,LPS)诱 导 的M1型MG与OPCs或神经前体细胞的共培养模型中,神经前体细胞和OPCs的分化明显受到抑制。而在白介素-4(interleukin-4,IL-4)诱导的M2型MG与OPCs或神经前体细胞的共培养模型中,神经前体细胞和OPCs的分化能力也明显增强[18]。同样的情况,把M1型MG培养液作为OPCs的条件培养基时,OPCs的分化明显减缓,而把M2型MG的培养液作为OPCs的条件培养基时,OPCs的分化增加。在体内模型中,M2型MG功能受损后,其OPCs的分化受阻,并且髓鞘再生过程受到抑制[19],提示M2型MG具有促进OPCs分化和髓鞘再生的作用。靶向MG极化失衡,促进MG向M2型转化,可促进髓鞘再生,并且对以髓鞘再生障碍为共同病理特征的其他神经退行性疾病的治疗具有提示性意义。

2.1.3 M2型小胶质细胞促进MS髓鞘再生的机制

M1型MG可通过活性氧(氮)、炎症因子、趋化因子的释放,与T细胞相互作用形成炎症级联反应等方式,导致OLs的凋亡,形成大面积的髓鞘脱失。与M1型MG功能相反的是,M2型MG一方面是通过分泌抗炎因子,抑制炎症反应,调节炎症反应平衡,为髓鞘的再生提供稳定的内环境,从而促进OPCs的募集、增殖和分化。另一方面,M2型MG可通过分泌神经营养因子,促进OPCs的分化,实现髓鞘的再生[20]。

研究表明,在EAE脱髓鞘期间,M1型胶质细胞占主导,在EAE的高峰期及缓解期,血液结合素(Hpx)可启动M1型MG向M2型MG的转化[21],病灶中的M2型MG逐渐增多,髓鞘再生明显增多。M2型MG分泌IL-4、IL-10、IL-13、TGF-β等,通过STAT-6通路,分别与其MG表面受体结合,释放抗炎型细胞因子[22],抑制CNS内炎症应答,减少炎症对髓鞘的攻击。除了对CNS内环境的调节外,M2型MG通过释放IL-4、激活素A等促进OPCs的增殖和分化。如在IL-4诱导的M2型胶质细胞的上清液中,可检测到炎症因子TNF-α的减少,并且OPCs数量明显增多[17];M2分泌的激活素A与OPCs上该因子的受体结合、IL-4可通过IL-4R/PPARγ通路促进OPCs的分化和髓鞘再生[19,23-24]。药理学研究表明,具有炎症调节功能的丙酮酸乙酯能够增多M2型小胶质细胞,促进OPCs的分化来促进髓鞘再生过程[25]。

除上述机制外,M2型MG还可通过其他机制促进髓鞘再生,如通过神经营养因子的释放和髓鞘碎片的及时清除。Zhang等[26]报道,M1和M2型MG,尤其是Arg1+M2型MG产生的神经营养因子3(neurotrophin3,NT3)可促 进OPCs的分化。

2.2 OPCs对小胶质细胞的作用

当髓鞘损伤时,病灶部位的OPCs会改变其形态,并且其基因表达谱会迅速变成“激活”状态,启动髓鞘再生过程。研究发现,在CNS中,不仅MG对OPCs有抑制或促进其增殖、迁移、分化的作用,“激活”的OPCs自身也会通过产生细胞因子对MG产生作用。如单核细胞趋化因子-1(monocyte chemoattractant protein-1,MCP-1),在MS脱髓鞘病区,激活的OPCs的MCP-1表达明显上升[8]。在MS髓鞘损伤时,OPCs释放的MCP-1在可促进MG的激活和迁移[27]。形成一个整合单元共同促进MS的髓鞘再生。

3 MS的治疗及药物研发现状

3.1 MS临床治疗现状

目前在MS的治疗上,对于MS急性期的药物治疗主要采用糖皮质激素,以减轻急性期症状、缩短病程、改善残疾程度和防治并发症,其虽对部分患者的病情有较好的控制作用,但由于个体差异,仍有一部分患者对糖皮质激素不敏感,疗效不理想,并且长期使用糖皮质激素不利于恢复神经功能,且存在一系列的不良反应的风险,如电解质紊乱、糖尿病、消化道出血,无菌性股骨头坏死等[28]。在MS患者缓解期的治疗上,主要使用疾病修饰疗法(DMT),目前,截至2017年12月,经美国食品药品监督局(FDA)批准15种DMT药物[29],都存在不同程度的脏器毒性及免疫反应,且能够同时对RRMS和SPMS具有缓解作用的药物只有少数,如阿仑单抗、奥瑞珠单抗、米托蒽醌、特力氟胺,其他药物只对RRMS的临床症状有缓解作用,而对SPMS患者的疗效甚微,甚至没有任何疗效[4]。所以对于MS的治疗,尤其是针对SPMS,国内外仍缺乏安全有效经济的药物。

3.2 基于“小胶质细胞和OPCs”的药物研发现状

基于MG和OPCs在MS的重要作用及可塑性,促进M1型MG向M2型转化,促进OPCs的分化,是一个潜在的药物作用干预靶点。目前通过影响MG和OPCs的功能来治疗MS的多种中西药物/天然产物正在进行临床前研究[30]。

3.2.1 西药研发现状

目前治疗MS的DMT药物大多是免疫调节剂,但经研究发现,特立氟胺不仅具有免疫调节作用,也能促进OPCs的分化从而促进EAE模型小鼠的髓鞘再生。特立氟胺是FDA批准的治疗RRMS的临床一线药物,主要通过抑制新生嘧啶的合成发挥作用,对增殖的B细胞和T细胞具有抑制作用。近年来的基础研究表明特立氟胺可能对髓鞘再生障碍的SPMS也具有一定的治疗价值。其可能通过Mssh1/Ascl1通路、髓鞘调节因子Myrf、转录因子Nkx2.2和Tap7等的参与促进原代大鼠OPCs的分化[31],这对髓鞘再生具有很强的提示性意义。另外,有多种能够调节M1型MG向M2型极化的药物在MS的治疗上也取得了良好的效果。如新型免疫调节剂来那度胺[32]可促进M2型巨噬细胞标记基因(Arg-1、Ym-1、Mrc1、Ccl17、Ccl22)的表达,并且在EAE模型小鼠中验证了来那度胺药效,通过IL-10/P38/STAT3信号通路促进巨噬细胞向M2方向极化,抑制了EAE小鼠CNS中的炎症反应,髓鞘的完整程度明显上升。除此之外,还有多种靶向MG极化的西药正在进行临床前研究,如丙酮酸乙酯[33]、亚精胺[34]、毛喉素[35];生物疫苗PADRE-Kv1.3[36]等。以期能够寻找到高效的治疗MS的临床药物。上述候选药物主要以抑制MG的激活或者促进促炎型M1型MG向抗炎型M2型MG的转化,抑制炎症或通过与T细胞的相互作用发挥免疫调节,来改善EAE小鼠的临床症状。

3.2.2 中药研发现状

(1)靶向MG极化和OPCs分化来缓解EAE症状

在中药治疗EAE的研究中,有多种中药取得了很好的治疗效果,如补肾中药淫羊藿有效成分淫羊藿黄酮、山茱萸提取物山茱萸环烯醚萜、巴戟天甲素等都能明显降低EAE的神经功能评分,改善其行为学障碍[37]。基于MG和OPCs的分化促进髓鞘再生的研究中,研究表明植物提取物薯蓣皂苷元对EAE小鼠具有明显的治疗作用,薯蓣皂苷元一方面通过抑制MG的激活,减少炎症细胞浸润;减少CD4+T细胞的增殖,抑制Th1/Th17细胞的分化,发挥着抑制炎症,保护髓鞘免受损伤的作用[38-39]。另一方面,其对髓鞘再生也同样具有明显的作用,在研究髓鞘再生公认的酮腙模型中发现,薯蓣皂苷元干预后,模型小鼠的成熟的OLs数量和髓鞘再生程度明显增加,但OPCs的数量没有明显变化。同时,在体外原代提取的大鼠OPCs中证明,薯蓣皂苷元对OPCs的增殖和迁移没有明显的作用,但对OPCs的分化具有明显的作用,说明薯蓣皂苷元促进髓鞘再生依赖于OPCs的分化作用[40]。薯蓣皂苷元治疗MS兼顾保护髓鞘免受损伤和促进髓质再生的作用,相对于西药的单一靶点治疗,其发挥了天然药物靶点多样,综合治疗的特点。

(2)其他

有多种中成药及天然产物如片仔癀[41]、苦参素[42]等直接调节MG的极化平衡,降低EAE动物模型中过高的M1型MG,增加偏低的M2型MG的数量,使M1和M2的极化水平恢复平衡,来控制EAE病灶部位过高的炎症反应,降低其对髓鞘的损伤作用。另外研究显示,多种治疗自身免疫病药物可有效改善EAE的疾病症状[43-44],如双氢青蒿素,在自身免疫病系统性红斑狼疮、光敏性皮炎、炎症性肠病等中都具有很好的疗效,在MS的治疗中,研究显示,双氢青蒿素可通过增强共抑制信号[45]、调节mTOR信号通路调节Th和Treg细胞之间的比例等方式来缓解EAE的临床症状[46],但双氢青蒿素是否可以促进OPCs的分化和髓鞘再生仍需进一步的研究。

4 结语

目前对于MS的治疗多数用单纯的抗炎或免疫调节来抑制疾病的进展,无法从根本上阻止或治疗MS。如何促进OPCs的分化,解决MS的髓鞘再生障碍是未来药物研发的瓶颈。在此方面,中药及其有效成分发挥了靶点多样,综合疗效显著的特点,是未来治疗MS的一个宝贵的资源库。另外,在阿尔茨海默症、帕金森等其他神经退行性疾病模型中也发现存在组织修复障碍的问题,基于这一共同病理环节,靶向修复障碍是神经退行性疾病的共同环节和枢纽,起到了核心的治疗价值。