小胶质细胞活化介导的神经元损伤与抑郁症的研究进展

何 璎,邹蔓姝,3,韩远山,王宇红,3

(湖南中医药大学1. 科技创新中心,湖南 长沙 410208;2. 第一附属医院,湖南 长沙 410000;3.抑郁类疾病中医药防治湖南省重点实验室,湖南 长沙 410208)

抑郁症是一种常见的精神情感障碍,其特征是情绪低落、失去兴趣、言语活动减少、无法享受生活,甚至有自杀念头。根据世界卫生组织统计,抑郁症影响着全球约3亿人。抑郁症的发病受心理、激素、遗传等多种因素的影响,其发病机制复杂,主要包括单胺类神经递质假说,受体假说,下丘脑-垂体-肾上腺轴假说,细胞因子、兴奋性氨基酸及内分泌激素假说[1]。近年来,免疫反应、神经炎症和神经损伤和抑郁症的生物学关联受到了学者们的广泛关注。

小胶质细胞(microglia,MG)作为中枢神经系统(central nervous system,CNS)中的常驻免疫细胞,其参与协调免疫反应并与神经保护息息相关,其激活有两种模式:M1模式,MG活化后会分泌超氧自由基和促炎性因子(如白细胞介素-6((interleukin-6,IL-6)、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白细胞介素-1β(interleukin-1β,L-1β)),损伤神经元;M2模式,MG活化后能分泌抗炎因子(如白细胞介素-10(interleukin-10,IL-10)、白细胞介素-4(interleukin-4,IL-4)、转化生长因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)),有利于神经元损伤的修复[2]。小胶质细胞功能障碍及特异性基因突变与许多中枢神经系统疾病有关。其中,神经炎症是引发包括抑郁症在内的中枢神经疾病的重要病理因素,因此,抑制中枢神经炎症是有效缓解抑郁症发生、发展的关键途径[3]。研究指出[3],MG活化在中枢炎症信号传递与放大中扮演了重要角色。研究胶质细胞对神经元的保护与攻击作用已成为神经疾病研究的重要方向,但活化的MG引起神经元损伤机制,以及在抑郁症发生中扮演的角色,该类研究目前较少。

1 炎症与神经元损伤

神经元损伤是介导认知功能障碍和抑郁样行为的重要病因。有报道指出炎症可诱发神经元凋亡,突触可塑性损害及兴奋性降低等损伤。促炎因子白细胞介素-21(interleukin-21,IL-21)能通过蛋白酪氨酸激酶2(Janus kinase,JAK)/转录活化因子(signal transducers and activators of transcription,STAT)途径诱发神经元凋亡[4],相反地,抑制炎症因子的分泌或增加抗炎因子的产生则有助于维持神经元细胞的活性。此外,炎症因子可损害神经元突触可塑性,进而引起神经元正常功能异常,如IL-6可降低神经元突触可塑性而助推抑郁的发生[5]。研究发现[6],典型的促炎因子TNF-α、干扰素-γ(interferon-γ,IFN-γ)和IL-1β在调节神经元之间的突触传递中发挥着重要的作用,由此可见,炎症广泛参与了神经元损伤。

在抑郁动物模型的血清、脑脊液和海马中促炎因子TNF-α、IL-6和IL-1β表达升高,抑炎因子IL-10表达降低,慢性不可预知刺激(chronic unpredictable mild stress,CUMS)破坏大鼠机体的自我免疫调节功能,从而诱导神经炎症,进而导致神经元损伤[7]。在重度抑郁症(major depressive disorder,MDD)患者中,免疫细胞调节稳态失衡,其中,MG细胞负责免疫力的中心部分,MDD患者被观察到血液炎症标志物的改变和大脑中MG的激活,炎症标志物IL-1β、IL-6和TNF-α基因表达增加,而炎症的负调控因子SOCSs的mRNA表达水平下降[8]。不仅如此,炎症还可引起海马神经元细胞凋亡,树突棘密度下降等损伤[9]。由此可见,神经元损伤与抑郁症的发生发展紧密相关,从炎症反应着手研究抑郁症神经元损伤机制,对揭示抑郁症的发病机制具有重要意义。

2 与MG活化相关的神经元损伤相关通路

MG活化可通过多种方式影响抑郁症的发生,其中,炎症因子破坏血脑屏障后大量入脑,通过炎症瀑布效应导致神经元损伤是抑郁症发生、发展的关键环节,而MG活化在炎症信号的传递和放大过程中扮演了重要角色。

2.1 MG 活化介导的NLRP3信号诱发神经元损伤NLRP3炎症小体是由含pyrin结构域NOD样受体家族3(NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3,NLRP3)、凋亡相关微粒蛋白ASC及含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-1(cysteinyl aspartate specific proteinase-1,caspase-1)组成的多蛋白复合物,主要表达于巨噬细胞、MG等免疫细胞。研究发现[10],在CUMS大鼠中NLRP3和MG标志蛋白Iba1共表达增多,提示抑郁模型大鼠中MG细胞内NLRP3活化可介导神经元损伤。Herman等[10]指出NLRP3炎症小体活化触发炎性瀑布效应,进而影响神经元突触可塑性和形态,导致海马受损和认知功能损害。炎性因子可结合神经元细胞膜上面的受体而发挥作用(其中IL-1β及TNF-ɑ受体的作用非常关键),其可通过降低突触后致密蛋白、谷氨酸受体2以及N-甲基D-天冬氨酸-2B受体蛋白表达而损害神经元突触可塑性[11];相反地,抑制NLRP3活化可减少IL-1β分泌则可以缓解MG活化引起的神经元毒性。岳凌峰等[12]发现可通过阻止NLRP3炎症小体招募并活化caspase-1,促进炎症因子IL-1β和IL-18成熟来减轻CUMS模型小鼠的炎症反应,保护其海马神经元,减轻小鼠抑郁样行为。综上所述,MG活化介导的NLRP3信号,是海马神经元损伤的重要途径。

2.2 MG 活化介导COX/PGs通路诱发神经元损伤环氧合酶(cyclo-oxygenase,COX)是一种双功能酶(有COX-1和COX-2两种亚型),具有环氧化酶和过氧化氢酶活性,其可催化花生四烯酸(arachidonic acid,AA)转化为前列腺素(prostaglandin,PGs)。MG细胞是COX的重要来源,最新研究显示MG的活化促进了COX合成更多的PGs,后者可以充当MG细胞和神经元细胞之间的直接信使因子[13]。这些PGs由MG分泌至胞外,并进一步结合神经元细胞膜上的前列腺素受体(EPR),进而使得神经元兴奋性下降并引发抑郁症[13-14]。Fritz等[14]研究发现,PGs/EPR通路的活化可增加神经元峰电位间距,降低膜电阻力及后超极化(fAHP)[13],同时也抑制了γ-氨基丁酸GABA及多巴胺(dopamine,DA)信号通路,进而抑制DA递质的生成和传递,从而引发负面情绪及抑郁。因此,MG活化介导COX/PGs通路降低海马神经元兴奋性可能是引发抑郁一重要机制。

COX和神经炎症相关并且被认为可通过介导PGs的合成而引起神经元兴奋性降低[15]。诱发炎症的病原体LPS可激活MG细胞以调节CNS中的神经炎症反应。尼罗替尼可抑制小鼠海马和皮质中MG活化,通过调节AKT/P38/STAT3信号传导抑制LPS介导的促炎细胞因子COX-2、IL-1β、IL-6表达水平,增加树突棘密度,保护海马神经元[16]。有研究试图通过调控COX-2水平,干预PGE2的产生来发挥抗神经炎症的作用,新型GPR55受体拮抗剂KIT10可通过抑制COX-2/PGE2降低小胶质细胞的神经炎症[15]。综上,MG活化诱发神经炎症,进而调控COX/PGs通路影响神经元,可能是引发抑郁的又一重要机制。

2.3 MG 活化介导犬尿氨酸途径诱发神经元损伤犬尿氨酸途径(kynurenine pathway,KP)是色氨酸(tryptophan,Trp)代谢的主要途径,促炎细胞因子促进Trp沿KP的代谢,KP代谢物紊乱会导致神经损伤[17]。KP可以生成二种神经活性代谢物,分别为3-羟基犬尿氨酸(3-hydroxy-kynurenine,3-HK)(主要在小胶质细胞中)和犬尿酸(kynurenic acid,KYNA)(主要在星形胶质细胞中)。促炎细胞因子,如IL-1β、IL-6、TNF-α和干扰素-γ,增加KP中的降解-限制酶吲哚胺2,3-双加氧酶1(indoleamine 2,3-dioxygenase,IDO1)和色氨酸双加氧酶2(tryptophan 2,3-dioxygenase,TDO2)。IDO1和TDO2将Trp分解代谢为N-甲酰基犬尿氨酸,然后进一步代谢为L-犬尿氨酸(kynurenine, KYN),最终转换为KYNA或3-HK,前者具有神经保护作用,后者具有神经毒性,其比例失衡可导致抑郁症的发生,另一方面,慢性压力和感染会激活肝外酶吲哚胺2和3-双加氧酶(IDO)并促进可用Trp向KYN途径的转移,从而减少大脑中血清素(5-hydroxy tryptamine,5-HT)的合成[17]。因此,IDO作为炎症和抑郁之间的交叉点起着重要作用,IDO激活可诱导动物产生抑郁样行为,IDO抑制剂的应用可减轻小鼠的抑郁状态。由此可知,色氨酸-犬尿氨酸(TKP)通路在调节免疫反应中起关键作用,促炎因子可激活中枢神经神经系统的免疫反应,改变KYN通路的神经保护/神经毒性平衡,增加神经毒性代谢物和兴奋性毒性,导致谷氨酸能系统、营养支持和突触功能的长期变化[18],从而介导抑郁症的发生。有研究表明[19],MG活化后,触发TKP通路,导致犬尿氨酸2,3单加氧酶和QUIN的表达增加,前者可由炎症介质(如IL-1β)诱导,后者具有神经毒性,增加其转录,并促进神经系统疾病的发病机制,通过MG活化介导的KP通路可调节炎症介质和神经元损伤,恢复神经系统的稳定性。Zhang等[20]使用大鼠建立了CUMS抑郁样模型,给予苍艾挥发油(CAVO),结果发现CAVO具有一定的抗抑郁效果,其抗抑郁作用主要归因于抑制MG活化和下调IDO表达,从而抑制犬尿氨酸途径,逆转对5-HT系统的作用,并且能抑制神经元炎症引起的大脑神经内分泌和神经化学变化。综上所述,神经炎症可使MG活化,进一步使大脑中Trp代谢途径偏向于KP途径产生神经毒性代谢物而不是5-HT,在这些条件下,诱发抑郁行为。

2.4 MG 活化介导HPA轴诱发神经元损伤研究证明[21],MG活化和下丘脑-垂体-肾上腺轴(the hypothalamic-pituitary adrenal,HPA)轴息息相关,HPA轴进一步参与抑郁症的病理生理过程。HPA轴是机体重要的神经内分泌轴,参与控制应激反应,其特征是调节下丘脑分泌促肾上腺皮质激素释放激素(corticotropin releasing hormone,CRH)作用于腺垂体,调控腺垂体促肾上腺皮质激素(adrenocorticotropic hormone,ACTH)的分泌,ACTH又可作用于肾上腺皮质,影响HPA分泌糖皮质激素(glucocorticoid receptor,GC)[灵长类为皮质醇,啮齿类为皮质酮(corticosterone,CORT)]的分泌。皮质醇的增加通过糖皮质激素受体(glucocorticoid receptor,GR)发挥负反馈作用,抑制HPA轴的活性以恢复皮质醇水平[21]。HPA轴亢进容易引发抑郁症。啮齿动物模型压力暴露会增加其大脑中海马、下丘脑和额叶皮质中的促炎细胞因子水平,这些细胞因子激活MG并诱导更多细胞因子的产生,形成一个正反馈循环。大脑中,细胞因子和小胶质细胞就通过改变细胞信号传导和基因表达来影响神经元突触可塑进而导致抑郁症的发生[22]。向小鼠慢性输注血管紧张素Ⅱ可诱发脑部炎症,炎症增加了海马中的MG活化,活化的MG进一步分泌炎性因子降低GR水平,使HPA轴过度活化,HPA轴亢奋导致GC长期升高,其降低海马GR和MG中GR的缺失促使MG活化,导致神经元死亡,从而诱导抑郁症的发病[23]。张欣等[24]成功构建围经期抑郁大鼠模型,观察到模型组大鼠海马神经元萎缩且数目减少、形态及排列不规则、分层不清、胞膜部分断裂、尼氏体数量减少以及神经元细胞存活率降低,但是CRH、ACTH、CORT含量显著增加,由此得知,HPA轴过度亢进,并且损伤海马神经元,是围经期抑郁大鼠的发病机制。研究证明通过调节HPA轴可以改善MG过度活化的情况,从而抵抗暴露在压力中所造成的影响。Zhang等[25]发现CUMS通过刺激HPA轴释放CORT,导致CORT潴留,可损伤HPA轴反馈系统。CORT通过结合其在MG上表达的受体来控制大脑的神经炎症过程。除了通过CORT对小胶质细胞的作用外,CUMS也可以直接激活小胶质细胞产生促炎介质和氧化剂,这两种物质都可能损害星形胶质细胞的功能,星形胶质细胞作为共存的脑胶质细胞,在维持神经元可塑性、存活和活动方面发挥重要作用,甲胺四环素治疗抑郁样症状,与降低海马TNF-α和IL-1β的表达,从而改善炎症,抑制MG激活和HPA轴亢进有关。

3 总结与展望

神经炎症在抑郁症的发生发展中起到至关重要的作用,神经炎症中炎症因子表达水平发生改变。炎症因子可分为促炎炎症因子和抗炎炎症因子,在抑郁症患者中,促炎炎症因子水平升高,抗炎炎症因子水平降低。通过改善神经炎症治疗抑郁症的药物常常具有抑制促炎炎症因子分泌和增强抗炎炎症因子产生的作用,如COX抑制剂(阿司匹林、塞莱希布等)。炎症因子分泌增多,诱导BBB通透性增加而进入脑内,导致MG活化,MG活化之后,一方面可致使NLRP3炎症小体活化,触发炎性瀑布效应,引起神经元凋亡并损害突触可塑性;一方面可通过COX/PGs途径介导神经元兴奋性降低、递质失衡;MG活化还能促进色氨酸向犬尿氨酸途径进行,使其代谢物紊乱后导致神经损伤;另一方面,MG活化还能通过影响HPA轴,造成其功能紊乱,影响神经元可塑性和神经元数量诱发抑郁症。炎症、MG和抑郁症三者密切相关,然而,对于这三者的关系目前并没有系统全面的研究,这仍然需要大量的实验去挖掘。研究小胶质细胞活化介导的神经元损伤在抑郁症发生发展中的作用,有助于抑郁症临床研究的发展,为抗抑郁药物的开发提供新的且可靠的依据。