小胶质细胞在阿尔茨海默病中的作用及潜在的应用价值*
2023-11-02杨梦艳周小涛张继川陈艳梅
杨梦艳, 周小涛, 张继川, 陈艳梅
(昆明理工大学医学院,云南 昆明 650550)
阿尔茨海默病(Alzheimer disease, AD)是神经退行性疾病的一种。全世界的痴呆症患者数约为5 000 万,每年新增的痴呆症人数约为1 000 万,AD是痴呆症中患病率最高的疾病,AD 患者占痴呆症患者的60%~80%[1]。AD 的发病机制目前尚不明确,其病理特征主要为脑内β-淀粉样蛋白(amyloid β-protein, Aβ)聚集成的淀粉样斑块沉积和τ 蛋白(tau protein)过度磷酸化产生的神经纤维缠结(neurofibrillary tangles, NFTs),由此导致神经元损伤和胶质细胞聚集[2]。通常AD 前期发展缓慢,若不加以控制会随时间推移而逐步恶化,其临床表现为记忆力逐渐下降,认知功能衰退等。AD 根据发病形式分为家族性和散发性(迟发性)两种,散发性AD 是占绝大多数,载脂蛋白E4(apolipoprotein E4, ApoE4)是散发性AD 的风险蛋白[3]。目前AD 的治疗方案主要以缓解症状为主,而且针对性的候选药物没通过后期临床试验。
小胶质细胞诱导的神经炎症可能是AD 治疗失败的原因之一。在大脑发育的早期阶段,小胶质细胞主要负责调控中枢神经系统(central nervous system, CNS)内神经元细胞的数量。在正常生理状态下,小胶质细胞是稳态表型,调控和监测着周围微环境的稳定。小胶质细胞具有功能可塑性,当脑内出现感染、损伤等时,小胶质细胞被激活,迅速转移至损伤部位并负责清除有害物质包括入侵微生物、细胞碎片、有毒的蛋白质聚集体等[4]。适度的神经炎症在CNS 发育和损伤后起修复和保护的作用,但小胶质细胞过度激活(慢性持续激活)引发的神经炎症是有害的,可造成认知功能下降,最终导致AD 的发展[5]。因此小胶质细胞是否具有保护功能尚存在争议。本文介绍了小胶质细胞的免疫应答反应及其参与AD 发病的机制,并综述了靶向小胶质细胞治疗AD的可能方案。
1 AD的主要发病机制
AD 发病因素包括氧化应激,内质网应激,Aβ 的产生和 τ 蛋白的过度磷酸化,以及后续诱发的神经炎症[6]。氧化应激被认为是AD 发病机制中的关键角色之一。AD 患者脑内过量的活性氧(reactive oxygen species, ROS)生成会通过控制诱导型一氧化氮合成酶(inducible nitric oxide synthase, iNOS)转录而导致DNA 损伤,调节过氧亚硝酸盐(ONOO)生成等。ONOO、iNOS 和ROS 水平的升高导致活性氮(reactive nitrogen species, RNS)的产生[7],RNS 和ROS 水平的升高诱导β-和γ-分泌酶的催化作用而导致Aβ生成,并阻止Aβ进入体循环排泄,因此增加了Aβ 的沉积和生成[8]。
Aβ 的毒性主要是由寡聚体或者小的聚合物所介导。τ 蛋白主要调节微管的动态稳定,但τ 蛋白过度磷酸化造成微管结构破坏,导致神经元缠结。在AD中,Aβ的出现先于τ蛋白的病理学改变[9]。Aβ寡聚物与τ 蛋白相互作用。细胞内Aβ/τ 蛋白复合物可以加速τ 蛋白过度磷酸化和Aβ 聚集,并且Aβ 聚集形式(即斑块、低聚物)可能提供促进τ蛋白聚集和传播,促进疾病进展[10]。在Aβ 引起的突触功能障碍中也可以观察到τ 蛋白的身影,说明Aβ 和τ 蛋白在AD发病机制中联合发挥作用[11]。
脑中Aβ沉积是AD 的起始事件这一假说一直在学术界流行多年,现在越来越多的证据表明AD 发病机制是多方面的。AD 患者中炎症标志物水平升高以及AD 风险基因的检测表明,神经炎症在AD 的发病机制中具有显著作用。Aβ 引起神经胶质细胞的激活,进而启动Toll 样受体4(Tool-like receptor 4,TLR4)/p38 丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)/核因子κB(nuclear factor-κB,NF-κB)神经炎症信号通路,又通过Nrf2/JNK/Wnt/GSK-3β 途径产生NFTs 和Aβ 斑块[12]。神经炎症主要特征是CNS 中小胶质细胞产生促炎因子,包括IL-1β、IL-6、IL-18 和肿瘤坏死因子(tumour necrosis factor, TNF),趋化因子等,它们的释放可导致突触功能损伤、神经元死亡和神经发生抑制[13]。
谷氨酸是主要的大脑的兴奋性神经递质。细胞内谷氨酸稳态是重要的大脑功能。谷氨酸的代谢失稳导致神经元兴奋性毒性[14]。兴奋性毒性最初被认为是神经退行性疾病的晚期阶段的副作用。有文献提出τ 蛋白和Aβ 参与介导AD 的兴奋毒性,后者在AD 早期可能出现,并促进神经变性过程[15]。在AD中,可溶性Aβ 二聚体阻碍谷氨酸被突触前膜和星形胶质细胞膜上的兴奋性氨基酸转运体(excitatory amino acid transporters, EAAT)摄取,同时突触间隙不存在谷氨酸代谢酶,谷氨酸在突触间隙中积聚[16],而且淀粉样前体蛋白(amyloid precursor protein,APP)和τ 蛋白可以阻碍胶质细胞胞外谷氨酸的进入,最终导致胞外谷氨酸浓度升高,从而对神经元产生兴奋性毒性作用[17]。
2 小胶质细胞在AD发病中作用
2.1 小胶质细胞激活的不同表型作用及转化 神经系统中小胶质细胞是胚胎发生早期迁移大脑的巨噬细胞,具有特定的形态。小胶质细胞主要分为静息M0 型和活化M1/M2 型[18]。小胶质细胞膜受体通过与神经元分泌的神经递质相互作用维持静息M0型,维持着神经系统的稳定[19],释放各种神经营养因子以支持神经元回路的形成并促进其存活,促进未成熟或缺陷神经元的程序性细胞死亡,并通过吞噬作用清除细胞碎片。小胶质细胞处于静息M0 时胞体较小,有树枝状分支,呈梭状;激活后,其胞体变大,突起及分支消失,呈变形虫样,有利于移动。
CNS 病变时会导致胶质细胞表型改变,主要有经典活化状态M1 型或选择活化状态M2 型。M1 型小胶质细胞产生促炎因子、细胞趋化因子和多种神经毒性物质,(如IL-1β、IL-6、IL-12、IL-18、IL-23 和TNF-α),诱导产生有害炎症反应。M2型小胶质细胞主要分泌抗炎因子(如IL-4、IL-10、ARG1 和TGF-β等),抑制炎症反应,同时还通过分泌脑源性神经营养因子、神经生长因子等发挥神经元保护作用[20]。
在脑出血后的急性期,M1 型小胶质细胞激活促炎并加重颅脑损伤,随后M2型小胶质细胞激活增加,发挥抑制炎症反应、损伤修复等作用[21]。而在AD 这种慢性疾病中,发病早期小胶质细胞因Aβ 而激活,M1 和M2 型小胶质细胞都增加,主要是M2 型小胶质细胞、吞噬和消化Aβ 从而发挥神经保护作用;而在AD的后期,M1亚型持续增加,M2型小胶质细胞通过髓细胞上表达的触发受体1(triggering receptor expressed on myeloid cells 1, TREM1)信号通路逐渐转换为M1型小胶质细胞,同时,Aβ清除能力降低,且释放前炎性因子和神经毒性物质损伤神经元[22-24]。M1型小胶质细胞的过度极化和M2型小胶质细胞的缺乏可能是神经炎症和神经退行性变的重要机制。
2.2 小胶质细胞被激活并吞噬Aβ 促进τ 蛋白传播 Aβ 斑块内出现小胶质细胞的浸润,小胶质细胞可以吞噬Aβ、α-突触核蛋白(α-synuclein)等神经退行性疾病中的有毒物质,同时小胶质细胞清除Aβ 是有一定的阈值和容量的。在AD 早期,小胶质细胞能有效地清除Aβ,而AD 晚期大脑出现了超量的Aβ,所以小胶质细胞的Aβ清除功能缺陷可能影响AD 的进程[25]。此外,单细胞RNA 分析技术检测到具有独特转录和功能特征的小胶质细胞亚群——疾病相关小胶质细胞(disease-associated microglia, DAM)[26]。Aβ1-42可以触发小胶质细胞变形为DAM 型[27]。研究认为DAM 只存在于Aβ 周围,吞噬淀粉样斑块,且不会引发神经炎症。但是在AD 患者和AD 动物模型中,在Aβ 斑块附近的小胶质细胞从稳态表型转变为DAM 型,表现出错位的LC3+自噬体聚集[28],丧失了Aβ 的清除能力。小胶质细胞还表达趋化因子受体,如CX3CR1 和CXCR4,以 及 整 合 素,如CD11b 和CD11c,可以控制小胶质细胞在CNS 中的迁移和定位,并增强它们结合并吞噬和消除靶细胞的能力[4]。此外,神经退行性小胶质细胞(neurodegenerative microglia, MGnD)响应Aβ 斑块激活,以分泌外泌囊泡方式加速τ蛋白传播[9]。
2.3 小胶质细胞参与神经炎症反应加重AD Aβ增加时,过度激活的小胶质细胞诱发持续的炎症,神经炎症反应是AD 病理过程中关键的角色,被普遍认为是AD中的第三个标志性里程碑事件。
小胶质细胞可以通过膜表面受体如TLR2/4、RAGE 等与可溶性Aβ 寡聚体和纤维结合,激活NADPH 氧化酶2,然后产生大量的ROS,ROS 又作为第二信使启动NF-κB 依赖的信号通路或MAPK 信号通路,产生低程度的炎症和神经毒性[29-30]。AD 病理进程中,RNS 和ROS 水平升高可引起小胶质细胞活化并伴随着核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3(nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 3, NLRP3)炎症小体激活。DAM 型小胶质细胞被激活同时NLRP3 炎症小体也被激活,促进caspase-1活化,并加工IL-1β 和IL-18的前体,促进核内含caspase 募集结构域的凋亡相关斑点样蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing a caspase recruitment domain, ASC)的形成并释放到胞外,而释放的ASC 斑点可以进入临近小胶质细胞并功能性加入NLRP3 炎症小体,触发随后的免疫反应[31];所以,Aβ 聚集体激活炎症小体,反之,炎症小体的激活也会加剧体内Aβ 和τ 蛋白病理变化。Aβ1-42在释放后可以快速地和ASC 斑点形成复合物,加速Aβ 的聚集[32]。小胶质细胞的持续激活和周边的炎症化又会增加Aβ 的产生[31]。这样小胶质细胞的炎症反应导致的ASC-Aβ 复合物的增加在相邻的神经元和小胶质细胞之间循环(图1)。小胶质细胞的异常激活参与慢性神经炎症的产生,因此,小胶质细胞在AD发生发展中的作用不容忽视。
Figure 1.Aβ plaques stimulate the release of pro-inflammatory factors in microglia.Aβ plaques interact with microglia surface receptors and then promote the production of inflammatory mediators by activating MAPK/NF-κB signaling pathway or inflammasome.图1 Aβ斑块激活的小胶质细胞释放促炎介质,并促进慢性神经炎症
2.4 小胶质细胞在吞噬病理蛋白的同时造成突触丢失 在病理情况下小胶质细胞参与了含τ 蛋白突触的消除[9]。在突触部位,小胶质细胞表达补体受体CR3识别Aβ 激活的补体系统,触发小胶质细胞吞噬突触。最近的研究显示小胶质细胞中的TREM2及其受体DAP12 通过介导小胶质细胞存活和Aβ 清除发挥神经保护作用[33]。然而TREM2 是可促进小胶质细胞的吞噬作用,但容易造成突触丢失,是AD的关键因素,海马中的TREM2敲除可防止神经元丢失[34]。所以小胶质细胞吞噬作用也可能是神经退行性变的双刃剑。一方面,它可以促进AD 中病理性蛋白质的清除;另一方面,如果蛋白质消化受损,它可能会促进致病种子的传播,或者如果修剪过多的突触,则会导致突触丢失。
3 靶向小胶质细胞治疗AD的研究进展
3.1 AD 的药物治疗现状 目前,AD 的临床治疗药物种类少。治疗方法主要是通过恢复大脑内参与认知和突触传递的乙酰胆碱的水平。FDA 批准的药物包括多奈哌齐、利斯的明、加兰他敏和美金刚,其中前三种药物是乙酰胆碱酯酶抑制剂,美金刚则是靶向N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartatic acid,NMDA)受体的抑制剂[35]。这些药物也只能在有限时间抑制病情。因此,迫切需要寻找更有效的药物。现有一些旧药新用的研究。雷帕霉素治疗通过减少APP 生成减少老年性斑块沉帕霉素还通过促进自噬增加Aβ清除率,还可降低τ蛋白过度磷酸化[36];京尼平可以改善AD 鼠的认知能力[37]。黄酮类化合物通过mTOR/自噬信号通路促进Aβ 肽的清除,抑制氧化应激诱导的神经元凋亡和Aβ 产生的关键酶,抑制τ 蛋白磷酸化,具有减缓AD 的潜力[38]。这些生化制剂还需要进一步研究证实在临床上的作用。
3.2 靶向小胶质细胞吞噬作用治疗AD 在AD 患者大脑中,Aβ 的聚集状态不同,可溶性的Aβ 低聚物是认知功能障碍的关键。靶向抑制Aβ 的产生和寡聚(如抗体治疗、抑制β-和γ-分泌酶来减少Aβ 的生成[39])是AD 治疗的主流方法。但以Aβ 为目标的药物开发的成功的很少,可能因为沉积的Aβ 斑块是AD 的主要特征之一,而不是最终原因[39]。所以利用小胶质细胞的吞噬作用也许是一种可行的治疗方案。如ApoEε4 是AD 的风险基因,ApoEε2能增强小胶质细胞吞噬Aβ 聚集体,同时调节其炎症反应[3]。口服类视黄醇X 受体激动剂贝沙罗汀可以提高AD小鼠ApoE 表达水平,可促进可溶性Aβ 的快速清除[40]。而利用基因编辑技术来表达ApoE2并提高ApoE4携带者中的ApoE2表达水平也有一定可能性。通过阻断吞噬作用的负调节因子唾液酸结合免疫球蛋白样凝集素2(sialic acid binding immunoglobulinlike lectin 2, Siglec-2)如CD33 可增加碎片和毒性聚集体的吞噬,并恢复衰老小鼠的认知功能障碍[12]。TREM2的各种激动性抗体也可以通过提高小胶质细胞对Aβ 的吞噬并通过改善Aβ 病理发挥神经保护特性。此外,TAM 受体酪氨酸激酶介导的小胶质细胞对Aβ 物质的吞噬作用反而促进致密核心斑块的形成[41],所以未来研究也应致力于抑制小胶质细胞对弥散斑块的摄取并配合消除致密性斑块产生。
然而通过减少Aβ 沉积和清除Aβ 寡聚体没有产生令人满意的效果,原因可能是Aβ 不是AD 过程中唯一的致病蛋白。含有过度磷酸化τ 蛋白的神经元纤维缠结也是AD 病理学的标志。MGnD 不仅由Aβ斑块激活,似乎也可响应AAV-P301L-tau 注射而被激活[9]。靶向Aβ 或τ 蛋白神经毒性的研究并未显示出治疗AD 的显着疗效。而且上文提到MGnD 会促进τ 蛋白的传播,因此,仅关注Aβ 或τ 蛋白在AD 病变中的作用而忽略两者之间的相互作用可能并不完全正确。未来也许可以把目光放在Aβ和τ蛋白之间交叉相互作用来抑制Aβ/τ 蛋白共聚集体的形成[10],以及小胶质细胞在τ蛋白传播上的作用上。
鉴于补体在突触丢失中的作用,因此靶向C1q/CR3 通路可能是治疗AD 的有价值的选择。小胶质细胞异常激活还能吞噬活的神经元造成神经元死亡或丢失[42],所以促进小胶质细胞有利的吞噬作用很有必要。
3.3 靶向小胶质细胞诱导神经炎症的治疗 AD 中抗炎药物如非甾体抗炎药、低剂量阿司匹林,在临床试验中的结果却没达到预期效果。抗炎药物临床试验失败的原因尚不清楚,但并不意味着抗炎治疗没有意义。在AD模型中,抑制NLRP3炎症小体可以降低小胶质细胞的炎症反应。米诺环素可以抑制NLRP3炎症小体,但米诺环素靶向炎症反应并不能延缓AD患者认知缺陷的进展。嘌呤能P2X受体7(purinergic P2X receptor 7, P2X7R)参 与NLRP3 炎 症 小 体激活[43],因此,拮抗P2X7R 也可能减轻小胶质细胞炎症反应。在AD患者的神经元中发现内源性大麻素系统失衡[44],调整和维持内源性大麻素系统可减少前炎症性小胶质细胞毒性,例如,AD鼠给予大麻素受体2激动剂β-石竹烯可减少前炎症细胞因子的释放[45]。
小胶质细胞的两种活化表型可以互相转变从而调节AD 的炎症病理进程,发挥神经毒性或神经保护作用[46]。研究显示,原儿茶酸可促进M1 到M2 表型转换[47];虾青素通过下调miR-31-5p抑制小胶质细胞M1 活化[48]。IL-4 和IL-10 可增强M2 小胶质细胞表型[49]。维生素D 将M1 转变为M2 极化状态[50]。一些非编码RNA 可以调节小胶质细胞介导的神经炎症,miR-367可以促进M2极化减轻小胶质细胞的炎性损伤[51]。TREM2 的可溶性片段sTREM2 可作为M2/M1型转换触发炎症反应的生物标志物[52]。sTREM2 水平随Aβ沉积一起增加,降低AD患者脑中的sTREM2浓度似乎也是降低AD 风险的一种有希望的方法。抗炎因子胰岛素样生长因子1(insulin-like growth factor 1, IGF-1)在AD 早期显著上调,但在AD 后期下调,sTREM2 拮抗剂加IGF-1 激动剂的组合在研究中治疗效果显著[33]。结合小胶质细胞在诱导神经炎症中的作用,可认为通过抑制小胶质细胞而缓解大脑的炎症,有望治疗人类AD[53]。
3.4 靶向小胶质细胞导致的神经元兴奋性损伤来治疗AD 小胶质细胞激活会分泌过多神经递质谷氨酸,过量产生导致神经元损伤。而小胶质细胞分泌的TNF-α 会促进谷氨酸的神经元之间传递,证明小胶质细胞导致神经元功能障碍;目前已克隆出表达于细胞膜上的高亲和力的EAAT1-5,如谷氨酸-天冬 氨 酸 转 运 体(glutamate-aspartate transporter,GLAST/EAAT1)、谷氨酸转运体1(glutamate transporter-1, GLT-1/EAAT2)[54-55]等,利用这些受体的靶向表达(如胶质细胞),可以清除突触间隙中积聚的谷氨酸。还可以通过干预谷氨酸释放来抑制神经元的这种过度兴奋,进而起到预防或早治疗AD 的作用[16]。未来的研究将集中证明这种AD 发病早期机制的非Aβ依赖性途径,拓宽AD的治疗策略。
3.5 通过小胶质细胞更新、移植治疗AD 有研究在病理τ蛋白和Aβ的周围检测到衰老小胶质细胞。衰老的小胶质细胞清除毒性蛋白聚集的能力降低反而会加速疾病发展。因此,衰老小胶质细胞的再生可能是神经系统疾病中有希望的治疗策略。小胶质细胞的寿命可以达到15 个月以上[56],研究观察到IL-6 依赖的重新填充的小胶质细胞促进损伤部位的修复[57],所以通过消融衰老小胶质细胞然后增殖更新或外部单核细胞移植而重新繁殖年轻健康小胶质细胞[58]。然而,人为消融衰老小胶质细胞可能是有害的,所以这种治疗策略的研究还需要考虑AD病理状态。
体外生成的人类小胶质细胞样细胞也已成功移植到小鼠大脑中,多项体内研究证实了移植干细胞的神经保护特性[12]。骨髓间充质干细胞可以通过血小板源性生长因子AA(platelet-derived growth factor-AA, PDGF-AA)/中脑星形胶质细胞源性神经营养因子(mesencephalic astrocyte-derived neurotrophic factor , MANF)途径诱导小胶质细胞极化至M2 表型。静脉内移植人脐带间充质干细胞可以促进小胶质细胞转变为抗炎M2表型[59]。
4 小结与展望
小胶质细胞是CNS 中的免疫细胞,在大脑中分布较为均匀,其数量约占脑内神经胶质细胞的5%~20%,在神经退行性疾病发病过程中扮演重要角色。长期以来,小胶质细胞由于其吞噬过度磷酸化τ蛋白和Aβ聚集体的能力而被认为对AD 有贡献。小胶质细胞通过吞噬碎片并释放细胞因子以维持神经系统稳态,促进神经发生和消除病理性蛋白质。然而损伤信号与表面的TLR 结合又可以介导神经炎症。小胶质细胞激活会分泌过多神经递质谷氨酸并且释放的TNF-α 促进谷氨酸传递,产生神经元兴奋性毒性。目前认为小胶质细胞的异常激活最终会导致神经元功能障碍和促进AD的发展。
现阶段AD的治疗药物还是以延缓病情为主要目的。研究主要集中于旧药新用、药物联用等。靶向小胶质细胞的疗法,主要是促进其吞噬磷酸化τ蛋白和Aβ 聚集体,抑制吞噬突触及抗炎等。尽管越来越多的实验证据证明,靶向小胶质细胞是AD 诊断和治疗的一种有前途的方法,但临床进展缓慢,所以还要更加重视临床上的应用研究。活化的小胶质细胞是AD进展中重要的细胞参与者,未来如何促进小胶质细胞的神经保护功能,抑制其损害作用值得关注,研究人员将深入探索,对未来AD的治疗提供更多方案。