中枢小胶质细胞活化与帕金森病

赵贤婧　冯美江



中枢小胶质细胞活化与帕金森病

赵贤婧冯美江

帕金森病(parkinson’s disease, PD)是一种慢性进行性中枢神经系统退行性疾病,以选择性黑质多巴胺能神经元大量变性丢失为主要病理特征,以静止性震颤、肌强直、运动迟缓及姿势反射障碍为主要临床特征,该病多见于≥60岁的老年人群,且随着年龄的增长发病率增高。目前应用于临床的PD治疗药物仅能暂时性缓解症状,不能延缓或阻断其进行性加重的趋势,可能与其病因及发病机制尚未真正阐明有关。目前研究认为,PD并非由单一因素引起,可能由衰老、遗传、环境、神经炎症、氧化应激等多种因素共同作用所致[1-2]。近年来研究表明,活化的小胶质细胞与PD的发生与发展有关。因此,探讨中枢小胶质细胞活化与PD之间的关系,对于进一步了解PD的病因与发病机制可能有着重要的意义。

1　中枢小胶质细胞的主要功能

小胶质细胞广泛分布于外周和中枢神经系统,以中脑黑质的密度最高。20世纪初,Hortega首先创立了碳酸银法,才第1次将小胶质细胞与少突胶质细胞区分开来[3]。中枢小胶质细胞作为神经系统自身的免疫细胞,不仅在固有免疫反应中扮演关键角色,还可激活适应性免疫系统细胞。其突触向外延伸至周围脑组织,时刻监视脑部内环境变化,并参与清除入侵的微生物及细胞碎片,调节神经细胞凋亡,分泌营养因子,参与信息传递与可塑性调节[4-5]。小胶质细胞可通过趋化因子及相应受体的结合向炎症部位迁移,与来源于血液的单核细胞一起成为神经组织内活化的吞噬细胞[6]。因此小胶质细胞在维持脑内环境稳态中起到非常重要的作用。

在微环境发生改变后,小胶质细胞接受刺激信号,CD45受体及主要组织相容性复合物Ⅱ(major histocompatibility complex class Ⅱ, MHCⅡ)的表达数量增多,并分化为M1型和M2型2种状态,M1型可产生多种促炎因子和活性氧簇加重神经元的损伤,并形成恶性循环。M2型可表达白介素-4(IL-4)、IL-10及一些神经营养因子等起神经保护作用。

2　中枢小胶质细胞活化的主要机制

2.1脑局部肾素-血管紧张素系统与中枢小胶质细胞活化既往认为,肾素-血管紧张素系统(renin-angiotensin system, RAS)主要存在于循环系统中并在血压调节和水钠平衡中发挥重要作用。近年来研究发现,在大脑黑质和纹状体中也有RAS系统存在[7-8]。血管紧张素Ⅱ(Angiotensin Ⅱ, Ang Ⅱ)是其中最重要的组成部分,其主要通过Ang Ⅱ-1型(AT1)和Ang Ⅱ-2型(AT2)2种受体发挥作用。研究表明,多巴胺神经元损伤可上调其自身和小胶质细胞的RAS系统活性[9]。脑局部RAS系统激活后,Ang Ⅱ水平升高,通过AT1受体介导,激活RhoA/Rho激酶(Rho associated kinase, ROCK)通路及尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NADPH)氧化酶复合体,诱发神经炎症和氧化应激,加重多巴胺神经元损伤[10]。研究发现,AT1受体拮抗剂或AT1基因敲除都可以减轻多巴胺神经元的损伤,抑制小胶质细胞的活化可能是AT1受体拮抗剂发挥多巴胺神经元保护作用的机制之一[11]。因此,AT1受体可能在多巴胺神经元损伤中发挥了关键作用。

RhoA/ROCK信号途径是中枢神经系统中普遍存在的一条通路,其不仅是介导抑制性信号阻断中枢神经细胞再生的重要途径,也可调控肌动蛋白细胞骨架,在炎症细胞包括小胶质细胞的迁移中起重要作用[12]。多巴胺神经元损伤后RAS激活,Ang Ⅱ通过AT1受体诱导激活RhoA/ROCK信号通路,可刺激核转录因子-κB(nuclear factor kappa B, NF-κB)形成有活性的二聚体结构,一方面通过前馈机制上调AT1受体在小胶质细胞内的表达,另一方面使小胶质细胞活化,活化的小胶质细胞胞体变大,突起伸长,并可迁移至受损部位,发挥吞噬作用,这一过程可能会造成对多巴胺神经元的过度清除和内环境的紊乱,最终导致PD的发生与发展[12]。研究发现,在缺乏小胶质细胞的培养基中加入ROCK阻滞剂法舒地尔或Y-27632并不能明显改善多巴胺神经元的缺失[13];此外,在缺乏小胶质细胞的培养基中加入1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶(1-methyl-4-phenil-1,2,3,6 tetrahydropyridine, MPTP),也没有发现明显的ROCK活性升高[14],这些都说明小胶质细胞在多巴胺神经元损伤中发挥着重要作用。

除激活ROCK通路外,Ang Ⅱ也可通过AT1受体激活小胶质细胞内的NADPH氧化酶复合物[10]。该酶是小胶质细胞产生活性氧(reactive oxygen species, ROS)的主要酶类,通过刺激NF-κB,调控肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)的基因转录与诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)生成,并最终形成毒性剧烈的过氧亚硝酸盐,增强氧化应激,促进小胶质细胞的免疫炎症反应,最终导致多巴胺神经元的缺失[12]。此外,ROCK通路还可通过P38促分裂原活化蛋白激酶(P38 mitogen-activated protein kinase, P38MAPK)途径参与NADPH氧化酶的激活[15]。

2.2脑内铁离子异常聚积与中枢小胶质细胞活化人体内铁大多以三价铁离子形式与转铁蛋白结合进行转运,与血管内皮细胞表面的转铁蛋白受体结合形成复合体,并被吞噬形成内吞小体,继而完成铁的贮存和利用[16]。铁在健康成人脑组织中分布不均,在基底神经节、黑质、苍白球等部位浓度最高。铁在脑内参与氧的运输、神经递质的合成、髓鞘的形成等生理功能[17]。MRI或经颅超声研究发现,随年龄增长,黑质、壳核、尾状核等脑区总铁含量明显升高[18],PD患者的尸检研究结果也证实了上述发现,提示脑内铁的蓄积在PD的发病机制中起到一定的作用[19]。铁在脑中的过度蓄积会诱发ROS、H2O2等生成;未能与铁蛋白结合的Fe2+通过Fenton反应(Fe2++H2O2→OH·+OH-+Fe3+)产生具有高度细胞毒性的羟自由基OH·,最终造成神经元的损伤。有研究发现,在MPTP诱导的PD模型鼠中给予脑室内注射铁,可以发现凋亡相关基因Bcl-2/Bax的比值减小且Caspase-3活性增强,推测铁的蓄积可能会激活细胞凋亡信号通路,参与PD的发生[20]。但目前研究主要关注铁对神经元的直接损害,对铁通过小胶质细胞发挥的神经毒性作用以及对PD的影响尚未引起高度重视。

此外,一种主要由肝细胞合成、具有氧化铁和铜功能的血浆金属结合蛋白-铜蓝蛋白,也可由脑脉络膜的内皮细胞分泌释放入脑脊液中。研究发现,随着年龄的增长,一方面,铜蓝蛋白自身的表达水平及氧化能力下降[16],另一方面,在PD患者脑脊液中,受氧化应激环境影响,铜蓝蛋白将被氧化并失去氧化铁的能力,二者都会造成脑中有毒性作用的Fe2+含量上升[23]。研究认为,铜蓝蛋白在炎症因子或细胞毒性物质如脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)存在的情况下,可以激活小胶质细胞,在iNOS存在的前提下生成大量NO,并可提高白介素和NADPH氧化酶的含量,其可能是通过与某种未知的受体结合,激活相关的信号通路,从而加剧小胶质细胞内NO的生成和释放,而且这种作用的强弱更依赖于iNOS酶的活性强弱而非其表达水平的高低[24]。生理状态下脑铜蓝蛋白的浓度不足以引起上述改变,但当脑组织损伤或有毒性物质刺激时,血-脑屏障和血-脑脊液屏障的通透性都将增加,血中的白细胞以及高浓度的铜蓝蛋白都会透过屏障进入脑周围,最终加剧神经元损害。

2.3糖皮质激素(glucocorticoid, GC)-糖皮质激素受体(glucocorticoid reccptor, GR)系统与中枢小胶质细胞活化众所周知,GC由肾上腺皮质合成和释放,它是一种应激激素。GR广泛存在于各组织细胞包括小胶质细胞中,它是保守的核受体超家族成员之一,其家族还包括盐皮质激素受体(minerdloeorticoid receptor, MR)、雄激素受体(androgen receptor, AR)等。GC-GR复合体具有抗炎作用。向纹状体中注射LPS再应用GR拮抗剂之后,细胞损害显著增强。但随着年龄的增加,下丘脑-垂体-肾上腺轴发生一系列的变化,尤其在接受外界各种急、慢性应激时,均会导致该轴功能亢进,使GC维持在较高的水平。在年龄和应激的共同作用下,超出生理水平的GC对免疫、神经系统都有损害作用[25]。

目前认为,小胶质细胞中的GR具有显著的抗炎作用。利用重组酶技术建立小胶质细胞GR mRNA缺失的小鼠作为实验模型,研究发现,其缺失可以促进并维持小胶质细胞的活化,同时使促炎基因高表达。TOLL样受体(Toll-like receptor, TLR)是先天性免疫系统中的细胞跨膜受体,在急性炎症反应调节、细胞信号转导和细胞凋亡中起重要作用。小胶质细胞GR的缺失可以上调TLR表达,尤以TLR4和TLR9明显,可激活相应的信号通路并通过正反馈机制放大其效应,在接受MPTP或LPS的毒性刺激后,多巴胺神经元受损较对照组明显增强[25-26]。另外,当小胶质细胞中GR基因缺失时,NF-κB的亚基P65 Ser276位点被磷酸化,进而NF-κB从复合体释放入胞核,与靶基因结合,转录并翻译出各种与炎症反应相关的细胞因子。有学者利用BV2系小胶质细胞研究发现,GR和MR均具有调控NF-κB的功能,且二者紧密协调并维持一种平衡状态,MR与其配体醛固酮结合可以发挥促炎效应,GR与其配体结合可以抑制炎症反应,降低IL-6、TNFR2、TNFα的表达水平[27]。

正常人体内,抗炎和促炎相互平衡和制约。随着衰老及长期反复接受各种应激,下丘脑-垂体-肾上腺轴可能会发生改变,小胶质细胞对外界的刺激也更加敏感。应用小胶质细胞GR mRNA缺失的小鼠研究表明,在其脑室注射LPS造模后,给予慢性轻度不可预见刺激(chronic unpredictable mild stress, CUMS),幼年鼠神经元损害在实验组和对照组之间无明显差异,而老龄鼠给予CUMS刺激后,实验组神经损害明显要强于对照组,因此,在增龄和慢性应激的共同作用下,小胶质细胞逐渐对神经细胞显示出破坏效应[25]。然而,其他类型细胞上的GR是否参与到上述过程目前还不清楚,尚有待进一步的研究。

3　中枢小胶质细胞活化与PD

1988年,McGeer等[28]在PD患者的中脑黑质致密带(substantia nigra pars compacta, SNpc)中首次发现了活化的小胶质细胞。进一步研究发现,在中枢神经系统退行性疾病中几乎都存在小胶质细胞的活化[29]。蛋白质的错误折叠、环境毒素、病原微生物入侵等因素皆可导致中枢小胶质细胞活化。活化的小胶质细胞可发生表型改变,被趋化迁移至特定脑组织,激活NADPH氧化酶、NF-κB,释放大量氧自由基及促炎因子,同时活化的小胶质细胞可发生过度吞噬,加重多巴胺神经元损伤及内环境紊乱[12]。研究发现,胞外异常聚积的α-突触核蛋白可以活化小胶质细胞,黏附分子CD11b结合后可以促进NADPH氧化酶释放H2O2,对小胶质细胞有趋化作用,引导其迁移到特定部位导致神经元损伤[30]。在LPS造模的PD模型鼠中,给予生长抑素进行预处理,可通过抑制小胶质细胞活化来减少ROS、TNF-α、IL-1β、PGE2等释放,从而发挥神经元保护作用[31]。总之,小胶质细胞活化在生理状态下可吞噬清除细胞碎片或入侵的微生物,维持脑部内环境稳态,并可分泌神经营养因子发挥神经保护作用,但小胶质细胞在病理状态下的异常活化,则会诱发炎症反应与氧化应激,加重神经元的损伤,促进PD的发生与发展。因此,小胶质细胞在PD的发病中扮演着双重角色, 了解使其“变坏”的原因,才能帮助我们采取相应的干预策略。目前药物研究主要针对干预炎症通路,抑制小胶质细胞过度活化展开。如抗抑郁药氟西汀可通过抑制NF-κB通路来减少小胶质细胞炎性因子的释放从而保护神经元[32],甘草黄酮及罗格列酮等经研究提示可通过抑制小胶质细胞活性减少炎症反应保护多巴胺能神经元[33-34]。此外,有研究发现,激活的小胶质细胞能大量表达相对分子质量为18000的转位蛋白(translocator protein, TSPO), 利用配体标记后经正电子发射断层扫描显像(positron emission tomography, PET)可在体显示激活的小胶质细胞[35]。这也将有助于PD疾病的诊断和对以小胶质细胞激活为特点的神经炎症进行更深的探索。

4　问题与展望

小胶质细胞目前已被公认为脑内的免疫细胞。近年来,关于中枢小胶质细胞活化与PD之间关系的研究已引起高度重视,这会加深人们对PD发病机制的认识,并可能为PD治疗提供新靶点。但中枢小胶质细胞活化是把双刃剑,如何趋利避害目前还难以调控。此外,其活化所介导的神经损害以及对PD的影响机制也非常复杂,如小胶质细胞活化究竟是PD的始动因素还是病理过程的副产品?PD的病理过程中是否有脑外小胶质细胞的迁移和参与以及脑以外其他系统的病变或自身免疫性疾病是否会激活脑中的小胶质细胞从而诱发PD,这些目前都不甚明了,还有待人们对其进行更深入的研究。

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江苏省“六大人才高峰”项目(2010-WS-030)

210011江苏省南京市,南京医科大学第二附属医院老年医学科

冯美江,Email: mjfeng416@aliyun.com

R 742.5

Adoi:10.3969/j.issn.1003-9198.2016.03.019

2015-04-10)