小胶质细胞生物学特性及对神经元调控作用

李 杰，周军媚，田绍文

(南华大学 1.药学与生命科学学院； 2.神经科学研究所，湖南 衡阳 421001)

小胶质细胞是中枢神经系统(central nervous system, CNS)内数量最多的单核巨噬细胞。脑发育阶段，小胶质细胞调节突触传递和修剪神经元突触促进神经回路形成。脑损伤时，小胶质细胞发挥吞噬作用，负责清除死亡神经元细胞、蛋白聚集体及其他危险性颗粒或可溶性抗原。此外，小胶质细胞分泌一些可溶性因子，如趋化因子、细胞因子和神经营养因子，调节CNS免疫反应和组织修复。小胶质细胞是否具有神经保护作用仍然备受争议，其扮演的角色可能是环境依赖性的。文中将着重综述小胶质细胞生物学特性及其对神经元的调控作用。

1 小胶质细胞生物学特性

1.1 小胶质细胞的起源与发展

CNS分布着一个弥散且高效的单核吞噬细胞网络，小胶质细胞是该网络中最为丰富的细胞。研究表明小胶质细胞源于卵黄囊中早期骨髓祖细胞，

后迁移至发育的神经管，增殖并占据整个神经管，缓慢分裂并生存于机体整个生命周期中[1]。小胶质细胞的发育和维持依赖于集落刺激因子1受体(colony stimulating factor 1 receptor, CSF1R)的参与，该受体酪氨酸激酶传递胞内信号如激活蛋白激酶B和胞外信号调节激酶(extracellular signal-regulated kinases, ERK)促进小胶质细胞增殖和存活。CSF1R遗传缺陷或药理阻断会大幅度减少小胶质细胞数量[2]。

1.2 小胶质细胞的动态特性

小胶质细胞在生理状态下为分枝状，由胞体延伸出细长且带有球状末端的突起。传统观点认为，正常大脑中分枝状小胶质细胞在功能上也是静息的。而在双光子成像研究中发现生理状态下小胶质细胞也是非常活跃的[3]，其突起处于不断的运动之中，伸缩覆盖较大的范围，监控脑的大部分区域。激光诱导的微损伤刺激邻近区域小胶质细胞，其突起移至损伤位点形成锁链结构进而吞噬损伤组织。较大损伤或炎性反应刺激诱导小胶质细胞形态由分枝状转变为形虫样，胞体变大而突起变短，使其伸缩距离受到限制[4]。小胶质细胞的形态与活动变化反映其对从正常神经元活动到理化、微生物侵染等各种刺激作出的反应。

1.3 小胶质细胞表达免疫受体

小胶质细胞表达多种模式识别受体(pattern-recognition receptors, PRRs)，PRRs监测外源性病原体相关分子模式(pathogen-associated molecular patterns, PAMPs)和内生性组织损伤相关分子模式(tissue damage-associated molecular patterns,DAMPs)即危险信号[5]。小胶质细胞PRRs包括Toll样受体(Toll-like receptors, TLRs)如TLR1/2及其协同受体、NOD样受体(NOD-like receptors, NLRs)和C型凝集素受体。小胶质细胞还表达几种具吞噬或吞饮作用的受体家族，其中包括清道夫受体、LDL受体家族成员和三受体酪氨酸激酶Tyro3、Axl和Mertk (TAM)。通过Fc受体和补体受体，小胶质细胞能捕获和吞饮免疫复合物及补体调节蛋白复合物[6]。此外，小胶质细胞表达的趋化因子受体如CX3CR1、CXCR4和凝集素如CD11b和CD11c，能帮助它在CNS内迁移和定位，增强它与将被吞噬和清除的靶细胞的结合能力。

1.4 小胶质细胞表达神经递质受体

除免疫受体外，小胶质细胞表达大量神经递质受体和神经肽受体，促进神经元-胶质细胞的交流[7]。神经递质受体帮助小胶质细胞监测神经元活动，引导小胶质细胞突起移至神经元突触，影响突触可塑性并修剪树突棘密度。而且，该受体还能侦测并清除损伤神经元，促进神经营养因子分泌有助于神经再生。最后，神经递质受体可调控炎性因子的释放。小胶质细胞表达谷氨酸离子型受体如AMPA和NMDA受体，以及代谢型受体如mGlutR2[8]。小胶质细胞表达多种ATP嘌呤受体如P2Y12和P2X7。P2Y12在小胶质细胞静息状态下有活性并在激活时下调，驱动迁移和吞噬作用。P2X7促进高ATP浓度水平时TNF-α释放。腺苷受体如A2a促进炎性介质释放和吞噬作用。神经肽受体如P物质和缓激肽促使小胶质细胞向炎性状态转变放大炎性反应。

1.5 小胶质细胞功能状态

类比外周巨噬细胞两种激活状态模式，将小胶质细胞激活也分为经典型(M1)和替代型(M2)[9]。M1型激活是促炎并且促神经毒性的功能状态，TLR和IFN-γ信号通路同时触发是诱导M1型激活经典的方式。M1型激活释放促炎因子和趋化因子如TNF-α, IL- 6, IL- 1β和CCL2等。M1型激活表达诱导型一氧化氮合酶促精氨酸酶转化为一氧化氮(nitric oxide, NO)。NO增加谷氨酸毒性进而加强NMDA受体介导的神经毒性。M2型激活被称为抗感染和治疗活动[10]。M2型激活促进抗感染因子释放如IL- 10、IL4和TGF- β，并诱导精氨酸酶1促精氨酸转变为多胺。M2型激活还会分泌生长因子和神经营养因子。越来越多的研究认为M1/M2范式并不能充分描绘其在体内多样性的激活状态，其激活较少呈现出明显地偏向M1或M2型，而是环境依赖的、多变的。

2 小胶质细胞对神经元调控作用

2.1 参与神经发生

小胶质细胞是形成复杂神经网络必不可少的一部分。产前发育阶段，小胶质细胞是首个迁入CNS的胶质细胞；该阶段小胶质细胞位于关键神经迁徙路线和轴突束通路的交叉处，发挥指示细胞作用引导神经元和轴突形成产前回路。小胶质细胞影响胚胎神经发生过程中神经祖细胞数量，限制多巴胺能轴突生长进入前脑并影响中间神经元在皮质层状组织的定位[11]。在成年哺乳动物大脑神经发生是在脑室下区(subventricular zone, SVZ)和齿状回颗粒下层(subgranular zone, SGZ)，SVZ和SGZ产生的神经元分别整合到嗅球和海马，小胶质细胞是SVZ和SGZ不可或缺的组成部分[12]。将小胶质细胞引导至SVZ的信号分子包括 CXCL12，激活小胶质细胞CXCR4。TAM受体介导小胶质细胞吞噬神经发生时产生的凋亡神经干细胞。在衰老阶段，小胶质细胞持续激活并分泌促炎因子营造抗神经源性微环境减少神经干细胞增殖[13]。

2.2 调控突触修剪

产后发育阶段，小胶质细胞参与突触修剪促进突触功能的成熟。小胶质细胞清除未形成功能回路的冗余的神经元，并吞噬无法接受突触连接输入信号的树突棘以重塑神经元突触[14]。小胶质细胞在神经发育阶段主动吞噬突触，该过程通过补体因子3和1b结合活性较低的突触，再由补体受体3(complement receptor 3, CR3)启动小胶质细胞介导吞噬活动。CNS中CR3仅表达于小胶质细胞中，补体蛋白C1q和C3作为识别信号。小胶质细胞通过CR3识别或者通过补体级联直接将冗余的突触溶解。小胶质细胞受体CR3或神经元配体C1q或C3缺乏，减少突触修剪并诱导视网膜膝状体投射分离损伤[15]。此外，缺乏CX3CR1小鼠暂时地降低小胶质细胞数量并延缓突触修剪，导致树突棘过剩[16]。小胶质细胞通过CX3CR1介导突触修剪，CX3CR1与神经元表面的跨膜糖蛋白CX3CL1相互作用。若缺乏CX3CR1-CX3CL1相互作用，会减少PSD95-免疫反应性突触后致密物吞噬，最终损伤小鼠海马突触连接和传入突触输入。

2.3 调节突触可塑性

小胶质细胞通过释放促炎因子、ROS、NO和神经营养因子影响突触强度和可塑性。突触可塑性其中包括长时程增强(long-term potentiation, LTP)和长时程抑制(long-term depression, LTD)，这类可塑性促进了单突触强度的快速调整以应对特定突触活动的时间模式。小胶质细胞增强谷氨酸诱导的LTD[17]。当神经元释放谷氨酸并激活小胶质细胞NMDA受体时，小胶质细胞释放ROS诱导神经元丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶2A(protein phosphatase 2A, PP2A)。PP2A促进AMPA受体内化减弱突触传递。同样，低氧和炎性反应刺激如LPS通过小胶质细胞CR3协同诱导ROS-PP2A-AMPA内吞作用级联从而抑制突触强度[18]。在小胶质细胞中表达白喉毒素受体的小鼠中发现，小胶质细胞对学习相关的突触可塑性具有重要作用。此外，小胶质细胞源细胞因子还会通过星形胶质细胞间接调控突触缩放[19]。尤其是小胶质细胞分泌的TNF-α激活星形胶质细胞TNFRI，随后星形胶质细胞释放ATP和谷氨酸激活神经元突触前代谢型受体且增大突触电流。

2.4 阻止兴奋性毒性

当神经递质释放过多时导致持续去极化、神经毒性和轴突肿胀，引起兴奋性毒性。CNS损伤可引起谷氨酸过度释放，激活NMDA受体并造成神经元兴奋异常。兴奋性毒性也会触发ATP释放。最近在小鼠海马器官型脑片研究中也发现，将清除小胶质细胞的海马切片暴露于NMDA后加剧神经元死亡，说明小胶质细胞在拮抗NMDA诱导毒性方面起关键作用[20]。近期研究显示预处理激活小胶质细胞会降低癫痫发作的阈值。神经元损伤释放ATP激活小胶质细胞P2X7受体，诱导TNF-α分泌从而缓解了NMDA诱导的毒性。嘌呤能和小胶质细胞上谷氨酸受体的接触也能促进小胶质细胞突起伸出、迁移并包裹肿胀的轴突诱导膜复极化阻止兴奋性毒性[21]。

2.5 小胶质细胞-星形胶质细胞的串话作用

星形胶质细胞向小胶质细胞发送多种信号保护神经元功能。激光诱导微损伤中，星形胶质细胞释放ATP激活小胶质细胞P2Y12，引导小胶质细胞突起到达损伤位点。另外，星形胶质细胞释放GABA缩减了小胶质细胞炎性反应即降低小胶质细胞活化[22]。反之，小胶质细胞释放IL- 1β诱导星形胶质细胞表达调节蛋白水解的基质金属蛋白酶1组织抑制剂(tissue inhibitor of matrix metalloproteinases 1, TIMP- 1)[23]。在脱髓鞘小鼠模型中，小胶质细胞产生前列腺素D2作用于星形胶质细胞DP1受体，引起星形胶质细胞增生和脱髓鞘[24]。星形胶质细胞和小胶质细胞协同调节神经元突触修剪。星形胶质细胞产生TGF-β，导致神经元表达C1q，而小胶质细胞可修剪C1q标记的突触。星形胶质细胞和小胶质细胞也可以协作清除凋亡细胞。星形胶质细胞释放的乳脂球状蛋白表皮生长因子8(milk fat globule protein epidermal growth factor 8, MFGE8)将磷脂酰丝氨酸与凋亡细胞结合，并标记为由小胶质吞噬作用来清除[25]。

3 小结

随着分子生物及生物物理等技术的发展，对于小胶质细胞特性和功能的了解已逐步深入。人们发现这类细胞不单是对CNS损伤、感染或病理作出反应。越来越多证据表明其可调控神经元发生，改善神经回路和网络连接，维持大脑微环境稳态。小胶质细胞功能损伤时，CNS将会面临多种急性或慢性病理改变并带来严重后果。基因和功能方面研究将小胶质细胞同神经退行性疾病的发病机制联系到了一起。对小胶质细胞作用于神经元的特性和功能的深入了解，也为治疗神经系统疾病提供了新思路。

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压力作用于脾脏可引发慢性焦虑

据英国《BBC新闻》(BBCNEWS)2016-12-06报道，长期压力下的人大脑和免疫系统之间会产生怎样的联系？美国一项新研究发现，小鼠反复耐受压力后，脾脏中的大量白细胞会给大脑传送信息，导致行为敏感化而引起焦虑。研究人员认为此结论也可用于人类。

主要作者、俄亥俄州立大学研究生丹尼尔·麦金(Daniel McKim)认为，研究发现，心理应激反应后的慢性焦虑可能与脾脏中的免疫细胞有关。研究强调，免疫系统或可成为精神疾病治疗的新靶点。

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实验中发现，小鼠的脾脏与经受长时间压力后的“敏感化”密不可分，这种“敏感化”会导致焦虑、抑郁和其他认知问题。

研究者认为，焦虑对于生存也许是件好事，但当人体这一系统被过度驱动时，就可能会发生问题。

这项研究结果于2016- 11- 13在圣地亚哥举办的神经科学学会年会中发布。