巨噬细胞与阿尔茨海默病相关性的研究进展

李铭麟 崔檬 王佳贺

作者单位：110004 辽宁省沈阳市，中国医科大学附属盛京医院全科医学科(李铭麟，王佳贺)；宁养病房(崔檬)

AD是一种慢性神经退行性疾病，是目前最常见的痴呆病因。AD的神经病理学特征是斑块中β-淀粉样蛋白(β-amyloid，Aβ)的积累、过度磷酸化的tau蛋白促进神经原纤维缠结(neurofibrillary tangles，NFTs)形成以及神经炎症，这些因素共同导致神经变性和认知衰退[1]。众多研究提示，神经炎症机制在 AD 的发生以及发展过程中起到重要作用，大脑中的持续免疫反应不仅与神经退行性变有关，还会促进和加重Aβ的积累和NFTs的形成。神经炎症与中枢神经系统(central nervous system, CNS)中大规模的神经网络功能有关，与神经炎症相关的神经网络连接中断引发了AD的认知缺陷[2]。

发生在CNS的感染、创伤或缺血等刺激，可引起急性炎症反应，导致免疫系统的快速激活，其特征是巨噬细胞增多和炎症介质的释放，当这一过程不受调节时，会导致慢性神经炎症，进而导致神经退行性变和AD的发生[3]。参与神经炎症的免疫细胞主要包括小胶质细胞(microglia, MG)、巨噬细胞、肥大细胞以及T细胞等。其中对巨噬细胞所产生的免疫反应的探索是目前AD研究的核心。在稳态条件下，CNS中的巨噬细胞由脑实质巨噬细胞和非脑实质巨噬细胞组成，前者主要是MG，后者主要可分为血管周围巨噬细胞和血源性单核细胞来源的巨噬细胞等[4]。其中MG是CNS中独特的组织驻留巨噬细胞(tissue-resident macrophages, TRMs)，在免疫反应和炎症疾病中起重要作用[5]。巨噬细胞可以吞噬清除Aβ和tau蛋白，Aβ也会激活巨噬细胞，产生大量炎性细胞因子和毒性介质，形成神经炎症，并参与 tau蛋白的聚集和扩散。肥大细胞被 Aβ激活后，释放炎性介质加重AD神经炎症，破坏血脑屏障，招募外周巨噬细胞和 T 细胞进入脑中[6]。

1 AD的发病机制

有关AD的发病机制，目前影响较广的有Aβ瀑布假说，认为Aβ的生成与清除失衡是导致神经元变性和痴呆发生的起始因素。Aβ的积累与神经炎症、突触丢失、神经元功能受损以及最终导致的认知功能下降之间存在很强的相关性，而Aβ的积累主要归因于大脑MG和外周血单核细胞来源的巨噬细胞清除Aβ的减少[7]。Aβ是淀粉样前体蛋白(amyloid precursor protein, APP)被β-和γ-分泌酶自然切割的产物，APP的异常加工导致不溶性Aβ的积累，引起自由基反应和炎症[8]。另外，tau蛋白学说认为过度磷酸化的tau蛋白影响了神经元骨架微管蛋白的稳定性，导致NFTs形成，从而破坏了神经元及突触的正常功能[9]。

研究证明，在临床诊断AD前几十年就已经存在神经炎性病理过程的变化[10]。在AD发病早期，局部的神经炎症一直处于较低水平，但感染、血管缺血、代谢失调或自由基氧化等的反复刺激都会导致急性炎症反应，使大脑的炎性介质到达损伤的血脑屏障，触发外周固有和适应性炎症反应，受炎症介质刺激的外周单核/巨噬细胞在趋化因子受体的引导下，通过受损的血脑屏障并有目的地渗透到大脑中的炎症部位，造成AD的病理过程慢性持续进展[11]。除了Aβ斑块和非功能性脑损伤引起的炎症反应外，AD病人的大脑表现出持续的炎症反应[12]。在身体机能鼎盛时期，先天免疫系统能够在中和攻击后恢复到静止状态，但随着应激源的时间依赖积累，先天免疫细胞甚至在“静止”状态下也变得更加持久地激活，产生局部和全身的炎症反应，激活细胞毒性MG，导致细胞因子的产生失衡，Aβ积聚和不可逆转的脑损伤，最终导致神经元死亡和痴呆的发生[13-14]。

另外，近年来神经血管假说也逐渐被认可，该学说提出脑血管功能的失常导致神经元功能障碍，并且Aβ清除能力下降，从而导致认知功能损害。除此之外，尚有细胞周期调节蛋白障碍、氧化应激[7]、线粒体功能障碍等多种假说[15]。

2 脑实质中巨噬细胞与AD的相关性

2.1 MG的特征 MG是中枢神经系统中独特的TRMs，通过自我更新而持续发挥作用，因此被命名为TRMs。在大脑中，当识别到对中枢神经系统的威胁时，静息状态的MG转化为激活状态，迅速改变分枝形态为变形虫形态，迁移到损伤部位吞噬病原体[12]。MG根据环境的变化而极化，形成M1型MG和M2型MG，两者分泌不同的细胞因子。在受感染的组织中，MG首先极化为M1型，引起促炎反应以帮助宿主对抗病原体，持续的炎症反应介导细胞毒性使吞噬能力受损和神经营养因子释放减少，随后MG极化为M2表型进行抗炎反应并修复受损组织[16-17]。但目前M1/M2表型假说仍有争议，有学者认为炎症过程中组织内的巨噬细胞不应被过度简化的巨噬细胞极化(M1/M2)教条化[18]。近年来有研究发现了疾病相关的MG(disease-associated microglia, DAM)，这是一种新的MG亚型，它在AD的发展过程中发挥着重要的作用，为AD疾病的治疗带来了新的曙光[19]。

2.2 MG在AD中的作用机制 MG在AD的疾病进展过程中具有“双刃剑”的作用。一方面，在AD发病早期，活化的MG通过吞噬作用清除可溶性和寡聚Aβ，可以延缓疾病神经病理学的进展。另一方面，长期的免疫反应导致AD病理恶化，这与前馈反应循环中MG的持续激活有关。反应性MG的增生引起促炎细胞因子持续存在，会降低其结合和吞噬Aβ的效率和Aβ降解酶的活性，导致Aβ的积累而形成Aβ斑块，加剧神经炎症，损伤神经元。随着MG清除Aβ的能力减弱，外周血巨噬细胞被招募到Aβ斑块沉积中来清除Aβ，加剧了炎症的影响，从而进一步加重AD的病理损伤。Tau蛋白本身也可以刺激MG活化，并且Aβ蛋白过度刺激会使MG发生免疫功能障碍，进而导致炎症反应的发生，使MG释放毒性物质，损伤周围正常神经组织，最终诱导产生过度磷酸化的Tau蛋白[12]。上述病理过程恶性循环，使突触结构逐渐受损，突触后膜兴奋性电位幅度减弱，神经元逐渐变性与死亡，造成记忆力下降、运动功能受阻、精神行为异常等现象，最终发展为AD[20]。

如前所述，M1型MG通过释放细胞因子而引起促炎反应。在AD中，IL-1β、IL-6和TNF-α等参与引起神经退行性改变，这些促炎介质表现出不同的活性途径。如IL-1β，是神经炎症的主要调节因子，在正常状态下低水平表达，在局部损伤时被快速诱导表达。其水平升高会增加细胞因子IL-6的产生，而IL-6又会刺激CDK5(一种已知会使tau蛋白过度磷酸化的激酶)的激活[12]。IL-6释放的数量和条件不同，可起到促炎或抗炎的作用，对神经元组织的正常稳态至关重要[21]。一项为期10年的研究显示，中年后期外周血IL-6水平升高可使认知功能下降[22]。 Aβ被MG和外周巨噬细胞吞噬，触发组织蛋白酶B2的释放，促使NLRP3炎症小体组装[23]。IL-1β的产生和释放依赖于NLRP3炎症小体的激活，它是巨噬细胞产生IL-1β的关键，其在激活时聚集在MG内部，导致半胱天冬酶-1和下游IL-1β释放[24]。TNF-α在炎症刺激反应中对细胞因子级联的启动和调节起着至关重要的作用，其增加血管内皮黏附分子，使免疫细胞迁移到受损害的区域。有报道称AD病人的大脑和血浆中TNF-α水平持续升高，轻度认知功能障碍(mild cognitive impairment, MCI)进展为AD病人的脑脊液中亦可检测到高水平的可溶性TNFR1和TNFR2[12]。某动物实验研究表明，IL-1β和TNF-α的过度表达显著增加了转基因AD小鼠的Aβ沉积，并使MG从促炎M1表型向M2抗炎状态转变[21]。M2型MG的特征是分泌具有抗炎活性的细胞因子，如IL-4和IL-13，可以抑制M1表型相关的一些促炎细胞因子的产生，减少一氧化氮(NO)的释放，从而减轻脂多糖诱导的神经元损伤，同时刺激M2表型MG分泌精氨酸酶(Arg) 1、CD200R、IL-10、转化生长因子β(TGF-β)等，通过这种方式，MG可以通过谷氨酸摄取、死亡细胞的清除、异常蛋白的积累或神经营养因子的产生等不同机制起到神经保护和神经支持作用。但亦有研究表明IL-10可以促进神经炎症并导致MG功能障碍，IL-10功能的多态性增加了某些人群患AD的风险[12]。另外，在激活状态下，MG和渗透CNS的单核细胞来源的巨噬细胞会上调主要组织相容性(MHC)Ⅰ类和Ⅱ类复合物分子，同时MG表达和释放趋化因子配体(CCL)系列趋化因子，这使得它们能更有效地将抗原递呈给T细胞，介导神经炎症反应[25]。补体的分泌、缺氧状态等许多因素都会影响MG的极化，即在急性期上调促炎M1表型，而在长期缺氧时诱导向抗炎M2表型极化[26]。

最新的研究证实，髓系细胞2触发受体(TREM2)仅由MG表达，在AD病人大脑中Aβ的沉积使TREM2在MG中上调，TREM2对于稳态MG向DAM状态的转变至关重要。DAM高表达脂代谢和吞噬相关的基因，抑制由脂多糖(LPS)诱导的MG介导的促炎细胞因子的产生，减少Aβ生成，促进对Aβ斑块的吞噬，延缓AD的进展[27]，同时MG表达巨噬细胞集落刺激因子(mCSF)，集落刺激因子-1受体(CSF1R)可以结合mCSF和IL-34两种配体，缩小斑块体积，从而延迟认知功能下降[28]。TREM2的缺失会降低MG增殖、吞噬、细胞因子产生的作用，引起神经退行性变[29]。但在AD后期，由于Aβ活化了炎症小体，而炎症小体的凋亡相关斑点样蛋白(ASC)可以协助Aβ斑块的沉积，DAM 反而会加速病情发展。关于DAM在AD晚期是起一个保护性还是损伤性或中立性的作用，目前还不清楚，需要进一步的探究。

3 脑实质外巨噬细胞与AD的相关性

3.1 脑实质外巨噬细胞的特征 脑实质外巨噬细胞简称巨噬细胞，作为免疫系统的基本组成部分，广泛存在于体内，由血液中的单核细胞穿出血管后分化而成，是哺乳动物大多数组织中最丰富的免疫细胞。巨噬细胞在机体局部损伤时处于抵抗感染的第一线，启动炎症反应以中和入侵的病原体，并通过吞噬作用清除病原体和受损细胞，促进组织修复和重塑，能够有效抵抗病原体的入侵和维持体内的平衡[30-31]。类似地，巨噬细胞可分为参与促炎反应产生神经毒性的M1型和进行抗炎反应并修复受损组织M2型。巨噬细胞作为专门的吞噬细胞，也参与Aβ和 Tau的吞噬及消除以维持组织稳态[32]。研究巨噬细胞与Aβ、Tau以及神经炎症之间的关系，有望为AD的治疗提供策略。

3.2 血源性单核细胞来源的巨噬细胞在AD中的作用 血源性单核细胞来源的巨噬细胞从脉络膜丛、软膜和脑微血管进入大脑。有研究表明，周围组织器官中的巨噬细胞和血液中的单核细胞能高效吞噬Aβ，延缓AD进程[33]，但亦有研究持相反结论[7]。总体来说，在MCI阶段，单核细胞和巨噬细胞处于激活状态。由于慢性神经炎症可能持续存在，这种状态可能会持续数十年，可以观察到病人单核细胞和巨噬细胞的趋化性、自由基产生和细胞因子产生显著增加，外周血单核细胞、巨噬细胞和T细胞浸润中枢神经系统并在病理区域附近聚集。TREM2斑块相关的髓系细胞上也表达着单核细胞来源的巨噬细胞的特征标记。随着病人神经炎症持续时间的延长，MG会变得疲惫或衰老，不能再有效地清除Aβ斑块，此时只能依靠周围单核细胞来源的巨噬细胞超负荷地清除Aβ，并逐渐演变为临床AD[34]。

3.3 脑血管周围巨噬细胞(brain perivascular macrophages, PVM)在AD中的作用 PVM是一种独特的脑巨噬细胞，在大脑血管周围空间紧密贴壁于脑阻力动脉壁，与大脑血管系统密切相关。PVM像MG一样，不被循环单核细胞补充，可能是一个自我更新的细胞群。PVM在脑感染、免疫激活、AD及血管-神经认知功能障碍中的作用机制包括:PVM和大脑内皮细胞之间的串扰;与循环巨噬细胞等免疫细胞的相互作用和活性氧的产生。小鼠AD模型研究表明，PVM的减少显著增加了血管Aβ水平，调节PVM密度可影响脑组织血管中淀粉样蛋白的清除。相反，刺激PVM的转换可降低脑淀粉样血管病变负荷，而不依赖MG的清除，这突出了PVM在AD中的重要性[35]。总的来说，现有证据支持PVM是脑驻留免疫系统的关键组成部分，对AD的发病机制具有积极的保护意义[36]。

4 干预巨噬细胞机制与预防AD的相关性

目前认为，在AD的整个过程均有巨噬细胞参与，靶向干预巨噬细胞机制可能是一种很有前途的AD治疗策略，旨在将细胞表型从神经毒性型转变为神经保护型。动物实验研究表明,骨调素(osteopontin, OPN)可通过加快单核-巨噬细胞聚集到AD小鼠大脑中，促进巨噬细胞极化为抗炎、高吞噬表型，抑制Aβ的产生和聚集，并促进Aβ清除，有利于预防AD的发展[15]。阻断Smad2/3信号通路可有效降低外周器官和循环中的Aβ水平，并增强大脑的Aβ流出，增强外周巨噬细胞对Aβ的清除，从而减轻了大脑中的Aβ沉积、神经炎症和认知缺陷，这可能为AD的治疗提供了新的视角[37]。SPI1/PU.1是大脑和外周巨噬细胞发育的主要调节因子，其水平下调可降低巨噬细胞的吞噬功能，增加凋亡细胞死亡，抑制免疫反应，促进MG的抗炎状态，在AD中可能具有保护作用[38]。研究表明，姜黄素可减轻氧化应激的不良反应，增强AD和MCI病人巨噬细胞对Aβ的吞噬潜能[7]。Nogo蛋白是炎症过程中巨噬细胞募集和激活的关键介质，NgR1是Nogo蛋白的常见受体，在AD相关巨噬细胞中含量丰富，对AD的预防具有指导意义[39]。大量的流行病学数据表明，接受非甾体抗炎药(NSAIDs)治疗的病人发生AD的风险较低，证实了神经炎症在AD中的重要作用[40]。

5 总结与展望

综上所述，与AD相关的巨噬细胞主要包括血源性单核细胞来源的巨噬细胞、MG、PVM，正常生理状态下起着神经保护作用，对Aβ的及时清除能使神经元免受伤害。在AD中巨噬细胞的作用机制是复杂的，在不同的疾病阶段有所不同。当持续受到Aβ和Tau刺激时，不同分型及时期的巨噬细胞共同作用造成慢性不可逆的神经炎症，导致AD的疾病进展。DAM是一种新发现的MG亚型，是一个独特的细胞群体，在AD进展中有着重要的作用。所以巨噬细胞的M1和M2分型是否严谨仍需进一步考究。目前来说，对包括AD在内的许多神经退行性和自身免疫性CNS疾病的预防和治疗研究仍然是进展缓慢的。尽管许多潜在的巨噬细胞靶点已经被确定，如OPN、Smad信号、SPI1/PU.1因子和Nogo蛋白等，然而要将这些研究成果应用于临床还需要更多的努力。继续加强对CNS巨噬细胞的生物学研究，以识别调控CNS稳态和潜在控制CNS疾病病理生理学的关键机制，为未来AD的防治提供更多的方向。

doi:10.1101/2021.08.30.458295.

doi:10.1007/S10571-021-01124-0.