小胶质细胞极化在神经病理性疼痛中的作用研究进展*

高龙飞 曹贵君 孟纯阳

(济宁医学院附属医院脊柱外科，济宁 272000)

神经病理性疼痛是由与神经系统相关的组织损伤或炎症引起的异常病理改变导致的慢性疾病，迄今为止仍缺乏有效的治疗措施，其治疗费用使个人、家庭、社会经济负担逐年增加，严重影响人类生活质量、威胁人类健康。目前研究发现，脊髓中活化的小胶质细胞可以通过多种细胞表面受体和促炎因子加强脊髓背角神经元的突出传递进而参与神经病理性疼痛的发生发展[1]，但小胶质细胞活化后又分为M1、M2两种极化状态，这两种类型的小胶质细胞是否都参与以及如何参与介导疼痛的确切机制尚未明确。本文以此为切入点进行探讨，进一步明确神经病理性疼痛的相关机制，进而以小胶质细胞极化为靶点靶向治疗神经病理性疼痛提供理论依据和新思路。

1.小胶质细胞来源

小胶质细胞是中枢神经系统(central nervous system, CNS)固有的免疫成分细胞，属于单核吞噬细胞系统，占所有神经系统胶质细胞数目的10%～15%[2]，构成了CNS抵御感染性疾病、炎症、创伤、缺血及神经退行性变的关键环节，对于维持CNS内环境的稳态起着非常重要的作用[3]。大部分单核吞噬细胞系统细胞来源于骨髓造血干细胞，但CNS小胶质细胞与其他组织的巨噬细胞不同，其并非来源于骨髓，而是从胚胎E8.5-E9.0时来源于卵黄囊的红髓祖细胞[4]，在胚胎发育过程中由外周逐步移入大脑。进入大脑后小胶质细胞分布在CNS的各个区域，构成CNS第一道也是最主要的一道防线。

2.小胶质细胞活化

正常生理状态下，小胶质细胞处于静息状态，细胞胞体较小，呈扁长或多角形，自胞体发出细长且带有分支的突起。它具有很强的能动性，可以通过自身突起不断伸缩以探索周围微环境，起到免疫监视的作用[5]。但当机体受到外界刺激如神经损伤、缺血或感染等情况时，静息状态下的小胶质细胞能有效地感受损伤信号，增殖、迁移至受损的区域并迅速活化，发生一系列形态功能上的变化：胞体变大，突起缩短，从分支状变成变形虫样[6]，并具有细胞吞噬、抗原提呈、产生氧自由基、细胞因子和生长因子等功能[7]，其间伴随着小胶质细胞标记蛋白 (CD11b, MHCⅡ, IBA1) 表达上调[8]。任何对CNS完整性构成威胁的干扰或组织稳态的丧失都能引起小胶质细胞活化。

3.小胶质细胞表型

研究显示，活化的小胶质细胞在生理和病理状态下均起着至关重要的作用，包括促进组织损伤与修复、恢复CNS稳态和促进神经退变性疾病中神经炎性反应。这样不同的功能是由于在损伤组织中的这些细胞的不同亚型引起的。在不同的微环境下，活化的小胶质细胞可出现表型及功能截然相反的两种极化类型，即“经典激活”促炎M1型 和“替代激活”抗炎M2型[9]。

其中脂多糖 (1ipopolvsaccharides, LPS) 或干扰素 -γ (interferon-γ, IFN-γ) 能诱导小胶质细胞活化为M1表型，M1型小胶质细胞具有强烈的吞噬能力，并且能产生大量的促炎因子，包括白细胞介素（interleukin, IL）-4、IL-1β，肿瘤坏死因子-α (tumor necrosis factor-α, TNF-α)，主要组织相容性抗原复合物(major histocompatibility complex, MHC) -II，诱导型一氧化氮合酶 (inducible nitric oxide synthase,iNOS) 和活性氧 (reactive oxidative species, ROS) 等，从而促进炎症反应，并加重神经元的损伤，导致神经功能障碍[10]。相比之下，M2型小胶质细胞在白介素IL-4，IL-10，或IL-13刺激后分泌抗炎介质及神经营养因子如白细胞介素-10 (IL-10)、(TGF)-β和TIMP1，在恢复体内稳态如抑制炎症反应、促进伤口愈合、组织修复和神经再生方面起着至关重要的作用[11]。

值得注意的是，M1和M2仅代表了小胶质细胞一系列的活化状态谱中两个极端，而不是单独的细胞表型。实际体内的小胶质细胞和巨噬细胞的表型更为复杂，同时存在着不同亚型。例如：M2型又分为M2a、M2b、M2c三种亚型，它们有各自的生理特征和不同的生物学功能及活化机制[12]。为了增加我们对损伤进展期间小胶质细胞/巨噬细胞功能状态的了解，以及对新的治疗策略的探索，广泛的M1和M2分类仍然是个有用的概念。

4.神经病理性疼痛

2008年，国际疼痛学会 (International Association for the Study of Pain, IASP) 神经病理性疼痛特别兴趣小组(NeuPSIG)将神经病理性疼痛定义为：“由躯体感觉系统的损害或疾病导致的疼痛”[13]。

神经病理性疼痛发病机制复杂，涉及从外周到中枢神经系统的各个水平。中枢神经病理性疼痛主要由脊髓损伤、创伤、或多发性硬化症导致[14]。周围神经病理性疼痛由机械性创伤、代谢性疾病、神经毒性化学物质、感染或肿瘤浸润引起的周围神经系统(peripheral nervous system, PNS)病变所致，并且涉及PNS和CNS的多种病理和生理学变化[15]。

过去我们对神经病理性疼痛的研究主要围绕以神经元为中心，因此许多临床应用的一些镇痛药物的作用靶点仅局限于神经元，但对NP的治疗效果并不十分明显。这一现象表明可能有非神经元机制参与了神经病理性疼痛。最近有充分的证据表明，由周围神经损伤如神经横断、结扎等引起的痛觉过敏与脊髓背角中活化的胶质细胞及促炎因子 (IL-1β、IL-6和TNF-α) 的改变相关[16]。小胶质细胞活化后发生形态和功能上的转变，同时释放大量的活性因子，通过自分泌和旁分泌机制进一步增强自身活化的同时还作用于邻近未激活的胶质细胞形成“瀑布”效应，引起的病理性疼痛的发生[17]。

5.小胶质细胞极化与神经病理性疼痛的关系

小胶质细胞活化能诱导出两种功能的表型，促炎 (M1）表型和抗炎 (M2) 表型。这两种类型的小胶质细胞能通过它们细胞表面特殊标记物的表达来区分，小胶质细胞标记物包括离子化钙结合分子(Iba1)、 CD11b，M1 标记物包括 CD68、iNOS、IL-1β、IL-6、TNF-α、 8-羟基-2-脱氧鸟苷(8-OH-dG)，M2 标记物包括 CD206、精氨酸酶-1（arginase-1,Arg-1）、IL-4 等[7]。

在人类研究中，小胶质细胞M1/M2极化在维持促炎和抗炎之间平衡方面起着关键作用[18]。根据这一观点，Xu, N等[19]研究发现，在大鼠选择性坐骨神经分支损伤 (spared nerve injnry, SNI) 后第14天，大鼠产生机械性异常疼痛的同时，前额叶皮层中小胶质细胞标记物Iba1、CD11b及M1标记物 CD68, iNOS, IL-1β, TNF-α, 和 8-OH-dG 增 加；而神经损伤的大鼠在连续每天服用米诺环素后大脑中的CD68、iNOS表达下降，并且通过Von Frey 试验检测大鼠痛域时发现大鼠的缩爪域值明显上升，即由神经损伤引起的疼痛显著缓解。Piotrowska 等[20]使用Western blot分析显示，慢性坐骨神经结扎(chronic constriction injury, CCI) 的Wistar大鼠在注射Maraviroc (CCR5抑制剂) 后脊髓中促炎因子IL-1β、IL-18、IL-6、iNOS表达减少，同时von Frey试验、冷板试验、甩尾试验检测均显示大鼠的痛域较没有注药的神经损伤的大鼠显著升高。上述实验表明，小胶质细胞M1极化及其随后产生的促炎因子所介导的神经炎症在参与介导神经病理性疼痛中发挥至关重要作用。

Kigerl等[21]在脊髓损伤模型 (spine cord injury,SCI) 中发现，SCI早期阶段释放大量的促炎因子，如TNF-α、IFN-γ和IL-1β等，使大部分小胶质细胞呈M1型极化，少量的小胶质细胞呈M2型极化。SCI中晚期阶段，由于损伤本身以及M1型小胶质细胞产生炎症因子的积累，使更多的小胶质细胞呈M1型极化，且抑制M2型极化的产生，形成恶性循环。而SCI后期，随着炎症的消退，有利于小胶质细胞向M2型极化，其可以释放大量具有神经保护及促进轴突再生作用的营养因子 (如BDNF、NGF及抗炎因子IL-4、IL-10和TGF-β)，神经损伤逐渐修复。因此，从SCI模型中可以看出，小胶质细胞在不同的微环境中，可产生相应的极化表型，同时表现出截然不同的神经毒性或神经保护作用，进而参与神经病理性疼痛的形成与发展。

Howard等[22]提出如果大鼠神经损伤发生在出生后21天之前，很少产生疼痛症状，直到大鼠发育至青春期时才出现神经病理性疼痛。Gong X等[23]研究发现在成年大鼠选择性神经损伤 (SNI) 后脊髓中小胶质细胞极化为M1型，而在幼鼠神经损伤后，未发现产生痛觉过敏，同时小胶质细胞极化状态为M2型。在神经损伤的幼鼠发育至青春期时，小胶质细胞极化为M1表型，同时伴随着疼痛症状的出现。由此推论，小胶质细胞的极化状态是随着疼痛症状的出现与否而呈动态变化。

Xu F等[24]研究发现，在大鼠坐骨神经结扎(CCI)后第一天，脊髓背角M1和M2小胶质细胞相关基因标记物都增加，但在术后7天和14天时，仅仅M1小胶质细胞相关基因仍处于升高水平。促炎和抗炎因子mRNA的表达结果证实与M1和M2基因标记物表达水平相似。这些结果证实，CCI后一天脊髓背角中M1和M2小胶质细胞都活化，但在术后7天和14天，小胶质细胞转为M1表型。因此，在合适的时间窗内转变M1/M2小胶质细胞表型可以作为缓解神经炎症和神经病理性疼痛潜在的治疗方式。

6.M1、M2小胶质细胞表型转换

小胶质细胞极化状态对病人的预后来说发挥着重要作用，不同的分子和合成药物能使M1和M2之间的不均衡正常化，这对神经性疾病的治疗非常有益。而极化的小胶质细胞并不是锁定在某个特定状态，小胶质细胞或巨噬细胞是一种可变性细胞，它可以随着细胞外环境中细胞因子的改变而细胞类型[25]。在许多急性损伤中，像IFN-γ和TNF-α等细胞因子的持续生产可维持M1极化状态。因此，有人假设改变细胞外环境可以用来治疗损伤。为此，研究人员已经开始利用直接注入M2细胞或间接引起极化的技术应用在一些损伤模型中。在脊髓损伤中，骨髓间充质干细胞移植可提高IL-4/13并降低TNF-α水平，并且这些细胞因子的改变与Arg1+着色增加、炎症反应下调有关，从而能够持续性的诱导获取M2亚型[26]。另外，加入M2激活因子同样能诱导促进小胶质细胞向M2表型转化[27]。例如，TGFβ是具有强力抗炎性质的细胞因子，其能够将小胶质细胞极化为M2c表型。IL-10也可作为小胶质细胞和巨噬细胞向M2型极化以及阻止M2向M1表型转变的分子。

除了应用细胞因子外，另一方法是药物诱导促进小胶质细胞向M2表型转化。Zhang, H等[28]研究表明，BV2细胞和原代小胶质细胞在LPS刺激后呈现M1表型，而加入法舒地尔 (一种Rho激酶抑制剂)后，Arg1+/ CD11b+M2小胶质细胞增加，而iNOS+/CD11b+M1小胶质细胞减少，小胶质细胞从M1转为 M2表型。其特征是NF-κB活性降低，促炎因子IL-1β、 IL-6 、TNF-α减少，同时抗炎因子IL-10增加。同样，刘越等[29]发现，替米沙坦能改善LPS 诱导的小胶质细胞炎症反应，减少促炎细胞因子的释放，其作用机制可能是通过激活PPAR-γ进而促进激活的M1型小胶质细胞向M2型转化。

尽管米诺环素 (一种具有抗炎特性的二代半合成四环素类广谱抗菌药物) 一直被认为是小胶质细胞抑制剂，然而Burke等[30]研究发现，在脊神经结扎(spinal nerve ligation, SNL)的大鼠中，长期注射米诺环素在提升大鼠痛域的同时能减少小胶质细胞标记物CD11b及M1小胶质细胞释放的促炎因子IL-1β的表达，并且 M2小胶质细胞标记物MRC2及抗炎因子IL-10表达增加。由此得知，SNL神经损伤后，应用米诺环素所起的镇痛效应与选择性抑制小胶质细胞极化为促炎状态的M1型，同时促进M2小胶质细胞极化有关。

据研究miR-124 是最早发现可以促进小胶质细胞/巨噬细胞M2极化的miRNA，骨髓来源的巨噬细胞中过表达miR-124 将导致M1 型细胞表面 分 子 CD45、CD11b、F4/80、MHCII 和 CD86的减少，而M2 型标志分子FIZZ-1和Arg-1的增加，这为研究和治疗炎症相关的神经疾病提供了新的靶点。Willemen等[31]发现GRK2 基因缺失(lysm-grk2+/−)小鼠持续性痛觉过敏与脊髓中小胶质细胞M1/M2型标志物的比例升高有关，而鞘内注射50 ng和100 ng miR-124 可以通过恢复M1/M2小胶质细胞的比例来缓解和治疗神经病理性疼痛。

调节小胶质细胞M2极化的方式还有很多，例如：Gong等[23]发现跑步锻炼能够减轻幼鼠神经损伤引起的迟发性神经病理性疼痛，同时脊髓中小胶质细胞极化状态为M2表型。另外，不同浓度的ATP对小胶质细胞极化状态产生了截然不同的影响，低浓度的 ATP 可以增强小胶质细胞向M1型方向极化的能力，从而易化疼痛，而高浓度的 ATP可以直接诱导小胶质细胞向 M2 型方向极化，从而缓解疼痛[32]。所有这些结果表明小胶质细胞M1/M2这一表型转换对神经病理性疼痛问题的解决至关重要。

7.总结和展望

综上所述，小胶质细胞可视为一把“双刃剑”，其在神经病理性疼痛中可呈现出M1、M2两种不同的的极化状态，其中M1型小胶质细胞的促炎作用介导了神经病理性疼痛的形成，而M2型小胶质细胞的抗炎作用则对神经病理性疼痛起到一定的缓解作用，神经病理性疼痛与M1/M2小胶质细胞比例增加有关。因此，未来临床神经病理性疼痛的治疗应从单纯的抑制小胶质细胞活性转变为对它们的表型转换采取适度的调节，即选择性抑制神经毒性的M1型或促进神经保护性M2型小胶质细胞极化可能是个潜在的治疗策略。然而小胶质细胞表型转换的临床应用还面临着许多问题，对于这些细胞表型动态的转换过程及结果尚不完全清楚，还有待于我们进一步探索。

[1]Tsuda M, Masuda T, Tozakisaitoh H,et al.Micro-glial regulation of neuropathic pain.J Pharmacol Sci, 2012,121(2):89～ 94.

[2]Ginhoux F, Greter M, Leboeuf M,et al.Fate mapping analysis reveals that adult microglia derive from primitive macrophages.Science, 2010, 330(6005):841～ 845.

[3]Streit WJ, Conde JR, Fendrick SE,et al.Role of microglia in the central nervous system' s immune response.Neurol Res, 2005, 27(7):685～ 91.

[4]Kierdorf K, Erny D, Goldmann T,et al.Microglia emerge from erythromyeloid precursors via Pu.1-and Irf8-dependent pathways.Nat Neurosci, 2013,16(3):273～ 280.

[5]Michellrobinson M A, Touil H, Healy L M,et al.Roles of microglia in brain development, tissue maintenance and repair.Brain A Journal of Neurology, 2015, 138(Pt 5):1138.

[6]Taylor S E, Morgantikossmann C, Lifshitz J,et al.Rod microglia: a morphological definition.Plos One, 2014,9(5):e97096.

[7]David S, Kroner A.Repertoire of microglial and macrophage responses after spinal cord injury.Nat Rev Neurosci, 2011, 12(7):388～ 399.

[8]Hanisch UK, Kettenmann H.Microglia: active sensor and versatile effector cells in the normal and pathologic brain.Nat Neurosci, 2007, 10(11):1387.

[9]Hu X, Leak RK, Shi Y,et al.Microglial and macrophage polarization-new prospects for brain repair.Nat Rev Neurol, 2015, 11(1):56～ 64.

[10]Xiong XY, Liu L, Yang QW.Functions and mecha-nisms of microglia/macrophages in neuroinflammation and neurogenesis after stroke.Prog Neurobiol,2016, 142:23～ 44.

[11]Cherry JD, Olschowka JA, O' Banion MK.Neuroinf-lammation and M2 microglia: the good, the bad,and the in flamed.J Neuroin flamm, 2014, 11(1):98.

[12]Miron V E, Boyd A, Zhao J W,et al.M2 microglia/macrophages drive oligodendrocyte differentiation during CNS remyelination.Nat Neurosci, 2013,16(9):1211～ 1218.

[13]神经病理性疼痛诊疗专家组.神经病理性疼痛诊疗专家共识.中国疼痛医学杂志, 2013, 19(12):705～710.

[14]Ducreux D, Parker A F, Bouhassira D.Mechanisms of central neuropathic pain: a combined psychophysical and fMRI study in syringomyelia.Brain, 2006,129(4):963～ 976.

[15]Dworkin RH, Backonja M, Rowbotham MC,et al.Advances in neuropathic pain diagnosis, mechanisms,and treatment recommendations.Arch Neurol, 2003,60(11):1524.

[16]Milligan ED, Twining C, Chacur M,et al.Spinal glia and proinflammatory cytokines mediate mirror-image neuropathic pain in rats.Journal of Neuroscience the Of ficial Journal of the Society for Neuroscience, 2003,23(3):1026～ 1040.

[17]杨美蓉, 杜冬萍.小胶质细胞活化与神经病理性疼痛.中国疼痛医学杂志, 2009, 15(2):114～ 116.

[18]Tao Y, Lin L, Bing J,et al.Cannabinoid receptor-2 stimulation suppresses neuroin flammation by regulating microglial M1/M2 polarization through the cAMP/PKA pathway in an experimental GMH rat model.Brain Behav Immun, 2016, 58:118～ 129.

[19]Xu N, Tang XH, Pan W,et al.Spared Nerve Injury Increases the Expression of Microglia M1 Markers in the Prefrontal Cortex of Rats and Provokes Depression-Like Behaviors.Front Neurosci, 2017.

[20]Piotrowska A, Kwiatkowski K, Rojewska E,et al.Maraviroc reduces neuropathic pain through polarization of microglia and astroglia - Evidence from in vivo and in vitro studies.Neuropharmacology, 2016, 108:207～219.

[21]Kigerl KA, Gensel JC, Ankeny DP,et al.Identi fication of two distinct macrophage subsets with divergent effects causing either neurotoxicity or regeneration in the injured mouse spinal cord.Journal of Neuroscience the Of ficial Journal of the Society for Neuroscience, 2009,29(43):13435.

[22]Howard RF, Walker SM, Mota PM,et al.The ontogeny of neuropathic pain: postnatal onset of mechanical allodynia in rat spared nerve injury (SNI) and chronic constriction injury (CCI) models.Pain, 2005, 115(3):382～389.

[23]Gong X, Chen Y, Fu B,et al.Infant nerve injury induc-es delayed microglial polarization to the M1 phenotype,and exercise reduces delayed neuropathic pain by modulating microglial activity.Neuroscience, 2017, 349:76～ 86.

[24]Xu F, Huang J, He Z,et al.Microglial polarization dynamics in dorsal spinal cord in the early stages following chronic sciatic nerve damage.Neuroscience Letters,2016, 617:6.

[25]Davis MJ, Tsang TM, Qiu Y,et al.Macrophage M1/M2 Polarization Dynamically Adapts to Changes in Cytokine Microenvironments inCryptococcus neoformansInfection.Mbio, 2013, 4(3):00264～ 13.

[26]Nakajima H, Uchida K, Guerrero AR,et al.Transplantation of Mesenchymal Stem Cells Promotes an Alternative Pathway of Macrophage Activation and Functional Recovery after Spinal Cord Injury.Journal of Neurotrauma, 2012, 29(8):1614～ 1625.

[27]杨俭, 冉媛媛, 张妍,等.传统观念的转变:极化的小胶质细胞/巨噬细胞在中枢神经系统修复中的双重作用.生命科学仪器, 2015(6):5～ 10.

[28]Zhang H, Li Y, Yu J,et al.Rho kinase inhibitor fasudil regulates microglia polarization and function.Neuroimmunomodulation, 2013, 20(6):313～ 322.

[29]刘越, 王立宽, 孙德佳,等.替米沙坦改善小胶质细胞炎症与其促进激活表型转化有关.国际药学研究杂志, 2014, 41(3):342～ 347.

[30]Burke NN, Kerr DM, Moriarty O,et al.Minocycline modulates neuropathic pain behaviour and cortical M1-M2 microglial gene expression in a rat model of depression.Brain Behavior & Immunity, 2014.42:147～ 156.

[31]Willemen HL, Huo XJ, Maoying QL,et al.MicroRNA-124 as a novel treatment for persistent hyperalgesia.Journal of Neuroin flammation, 2012, 9(1):143.

[32]张昕.ATP调控小胶质细胞极化状态进而参与神经病理性疼痛的研究.上海交通大学, 2015.