小胶质细胞对神经干细胞调控机制的研究进展

一、概述

（一）小胶质细胞

小胶质细胞是中枢神经系统（central nervous system，CNS）固有吞噬细胞，占CNS实质内胶质细胞总数的10﹪～15﹪[1-2]。胚胎时期，原始髓样前体起源于卵黄囊中，随着集落刺激因子-1（colony stimulating factor-1，CSF-1）的调节和胚胎发育成熟迁移至大脑之中。在稳定状态下，前体细胞在成人CNS中形成小胶质细胞[3-4]。根据小胶质细胞存在状态不同，可以分为静息、活化、吞噬和衰老小胶质细胞[5]。CNS生理状态下，静息态小胶质细胞在脑发育早期通过调控神经元凋亡和调节突触功能，从而维持大脑环境稳态。在病理因素刺激下，小胶质细胞通过释放趋化因子或细胞因子对病原体产生细胞介导的免疫反应，小胶质细胞也可转变为吞噬细胞，清除细胞碎屑和退化变性髓鞘[6]。CNS的小胶质细胞活化是异质性的，主要有M1和M2 两种表型。M2型在免疫应答早期出现，持续时间短；M1型在免疫应答中晚期出现，此时M2型表达受到抑制，导致M1型在炎症反应中占主导作用[7-8]。

（二）神经干细胞（neural stem cells，NSCs）

NSCs是神经元和胶质细胞的起源，主要存在于哺乳动物的大脑海马齿状回亚颗粒区（subgranular zone，SGZ）和室管膜下区（subventricular zone，SVZ）[9-10]。NSCs 可以调节和控制CNS的发育和人类日常行为活动，这种调节的失败可能导致大脑畸形，学习和记忆受损，肿瘤的发展等。由于NSCs在大脑维护和修复中的重要作用，这些细胞已被研究用于治疗神经退行性疾病、修复神经创伤和延缓衰老等[11]。单个NSCs受内在和外在信号的调节产生神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞等各种CNS 内的细胞[12-13]。其中最有效的外部调节因子是可溶性表皮生长因子（epidermal growth factor，EGF）和成纤维细胞生长因子（fibroblast growth factor，FGF），它们都对NSCs的增殖和自我更新能力有支持作用。当缺乏EGF和FGF时，NSCs 将自发分化为神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞的混合物。NSCs 不仅仅受可溶性因子的调控，Notch信号通路通过转录激活靶基因Hes1和Hes5 也可以调控NSCs[14-15]。

二、小胶质细胞对NSCs的调控机制

NSCs的增殖、分化和迁移受多种信号传导分子及可溶性因子的调控，包括生长转化因子-β（transfoeming growth factor-β，TGF-β）、肿瘤坏死因子-α（tumour necrosis factor-α，TNF-α）、EGF和肌腱蛋白-R（tenascin-R，TN-R）等，例如经TN-R 激活的小胶质细胞能显著促进NSCs的增殖[33]。同时NSCs的调控也与多种通道的表达有关系，如过氧化物酶体增殖物激活受体（peroxisome proliferator-activated receptor，PPARγ）通路等。在SVZ 中的小胶质细胞相对于其他脑区表现出一定程度的活化水平，并且可以释放上述可溶性因子和神经营养因子，这一现象表明NSCs 受小胶质细胞的调控[16-17]。但正如前述，小胶质细胞有不同的极化表型，根据不同的刺激和培养条件，小胶质细胞对NSCs的调控会有所不同，M1型可分泌促进炎症发生的细胞因子如白介素-6（interleukin-6，IL-6）、CC 亚族趋化因子配体2（C-C chemokines ligand，CCL2）等，M2型可释放神经营养因子，两者对于NSCs的增殖分化迁移有着不同的作用，活化的小胶质细胞对NSCs的调控已在研究中得到证实。

（一）M1型小胶质细胞对NSCs的调控机制

目前已有研究表明，M1型小胶质细胞具有促进炎症的作用。在体外培养时，经脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）介导的小胶质细胞可以极化为M1型小胶质细胞[18]。

1.诱导NSCs向星形胶质细胞分化：有研究将小胶质细胞与NSCs 共同培养于24 孔的细胞培养板上，发现小胶质细胞可以促进NSCs向星形胶质细胞分化，但是该研究结果仅仅表明小胶质细胞有促进NSCs向星形胶质细胞分化的能力，具体是M1表型还是M2表型的作用未阐述明确[19]。Osman 等[20]通过对脂多糖培养基（lipopolysaccharide-culture medium，LPS-CM）和IL-4-CM 小胶质细胞进行对比，发现LPS诱导的培养基中的胶质纤维酸性蛋白（glial fibrillary acidic protein，GFAP）阳性细胞数量要多于经IL-4诱导后的培养基中的细胞数量。这一研究结果证实了M1型小胶质细胞主要诱导NSCs向星形胶质细胞分化。

M1型小胶质细胞具体调控NSCs分化的机制有以下3点：（1）骨形成蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）被认为是星形胶质细胞发生的启动子，而促炎型小胶质细胞可以增加BMP-2和BMP-4的水平[21]。BMP 可以通过Smad信号通路促进NSCs向星形胶质细胞的分化，同时抑制向少突胶质细胞的分化[22-23]；（2）M1型小胶质细胞可以通过“DeDelta-Notch-RBP-J-Hes1/Hes5-Mash1”通路来促进NSCs向星形胶质细胞的分化[15,24]。Hes1 由NSCs或神经前体细胞表达，并维持这些细胞的未分化和增殖状态[25]。而M1型小胶质细胞可以抑制该通路，进而下调该通路的靶基因Hes1和Hes 5，从而使NSCs向星形胶质细胞分化；（3）M1型小胶质细胞可以抑制神经限制性沉默因子（neuron-restrictive silencing factor，NRSF），NRSF是一种转录调控因子，通过与特定的DNA 序列（repressor element-1/neuron-restrictive silencing element，RE-1/NRSE）结合，抑制神经前体细胞的一系列神经元分化基因，当NRSF被M1型小胶质细胞抑制后，NSCs分化抑制被解除，趋于向星形胶质细胞分化[26]。

2.促进NSCs迁移：一项研究将小胶质细胞和NSCs加样于生物相容性材料三维石墨烯支架上，发现三维石墨烯架可以通过轻微的炎症反应激活小胶质细胞，研究结果发现第10小时三维石墨烯培养基内的NSCs迁移距离比聚苯乙烯组织培养基和二维石墨烯培养基内的迁移距离大约远250 mm，该研究说明小胶质细胞有促进NSCs迁移的作用[27]。

在脑损伤或者大脑的微环境受到刺激的情况下，损伤区周围的M1型小胶质细胞主要分泌基质细胞衍生因子-1（stromal cell-derived factor-1，SDF-1）、CCL-2和IL-6 等，趋化因子SDF-1的受体是趋化因子受体4（C-X-C chemokine receptor4，CXCR4），SDF-1和多个神经细胞黏附分子在受损脑内移植物神经干/祖细胞的迁移分化及神经网络重建中发挥作用[28]。通过对小胶质细胞标记发现，由M1型小胶质细胞促进分化的星形胶质细胞可以表达CXCR4、CXCR7和这些信号受体的配体趋化因子配体12（chemokine C-X-Cmotif ligand 12，CXCL12），正是由于这些受体和配体的存在，引发了NSCs的归巢作用，促进了NSCs向炎症发生区域的迁移[29-30]。而另一项研究从反面印证了M1型小胶质细胞可以促进NSCs的迁移，在体外趋化实验中加入CXCL12的拮抗剂AMD3100，发现AMD3100的存在使绿色荧光蛋白标记的NSCs迁移减少了75﹪[31]。

综上研究，可以说明M1型小胶质细胞主要通过炎症因子及其配体来促进NSCs的迁移。M1型小胶质细胞本身具有促进NSCs向星形胶质细胞分化的能力。当出现脑损伤时，星形胶质细胞通过SDF-1/CCL-2/IL-6的受体CXCR4/CCLR-2/IL-6R激活CXCL12引发NSCs的归巢作用，促使NSCs向损伤部位的迁移。

3.抑制NSCs增殖：有一项研究采用了5-溴脱氧尿嘧啶核苷（5-Bromo-2-deoxyUridine，Brd U）法研究小胶质细胞条件培养基对NSCs增殖的影响。在对照条件下（未经处理的NSCs 暴露于Brd U 6 h），NSCs的平均增殖率为36﹪。在M1条件培养基上，NSCs的增殖率下降了50﹪以上，此项研究发现M1型小胶质细胞对NSCs的增殖产生抑制作用[18]。如前所述，Hes1 可维持NSCs的未分化和增殖状态。M1型小胶质细胞通过“DeDelta-Notch-RBP-J-Hes1/Hes5-Mash1”通路抑制Hes1的表达，从而抑制NSCs的增殖[25]。由于M1型小胶质细胞主要诱导NSCs分化为星型胶质细胞，星型胶质细胞分泌的可溶性调节因子会抑制NSCs的增殖[32]。

（二）M2型小胶质细胞对NSCs的调控机制

M2型小胶质细胞有抗炎作用。在体外培养时，经IL-4介导的小胶质细胞可以极化为M2型小胶质细胞。

1.诱导NSCs向神经元和少突胶质细胞分化：M2型小胶质细胞可以通过释放脑源性神经营养因子（brain derived neurotrophic factor，BDNF）和TGF-β诱导NSCs向神经元和少突胶质细胞的分化[33]。Yuan 等[34]研究表明PPARγ通路可以促进NSCs向神经元和少突胶质细胞分化。该研究表明M2型小胶质细胞上清液中15 脱氧前列腺素J2（15-Deoxy-Δ12,14-prostaglandin J2,15d-PGJ2）含量增加，而15d-PGJ2是PPARγ的内源性配体，已有报道15d-PGJ2 可以通过PPARγ通路促进NSCs的增殖，当PPARγ被抑制后，NSCs趋于向星形胶质细胞的分化，限制其向神经元和少突胶质细胞的分化[35]。因此，M2 小胶质细胞可以通过15d-PGJ2 激活PPARγ通路，从而使NSCs向神经元和少突胶质细胞分化。

目前最新的研究发现，M2型小胶质细胞可以分泌细胞外因子7a（wingless/integrated 7a，Wnt7a），通过Wnt β-连环蛋白（wingless/integrated β-catenin）通路促进NSCs向神经元和少突胶质细胞方向定向分化[36]。

综上，M2型小胶质细胞促进NSCs向神经元和少突胶质细胞分化主要通过2个通路（PPARγ和Wnt β-连环蛋白通路）和3种因子（BDNF、TGF-β和Wnt7a）来发挥作用。

2.促进NSCs迁移：在体外培养条件下，不论是LPS诱导极化为M1型，还是IL-4诱导极化为M2型，对NSCs的迁移潜能评估结果是，任何微胶质条件的培养基均增加了NSCs的迁移活性[18]。而有研究发现，IL-4-CM 中的NSCs迁移距离要大于LPS-CM，即M2型促进NSCs迁移的能力要高于M1型[20]。有研究认为，小胶质细胞在促进NSCs的迁移过程中，发挥主要作用的是TNF-α，但是具体作用机制有待进一步研究[37]。

3.促进NSCs增殖：当小胶质细胞在体外培养条件下时，在IL-10/IL-13的刺激下，M2 极化的原代小胶质细胞条件培养基对NSCs的增殖具有支持作用[32]。有报道表明，TGF-α可以明显放大SVZ的NSCs增殖反应[38]。在一项关于中风的研究发现TGF-α 含量在M2型小胶质细胞条件培养基中显著增加，表明TGF-α是M2培养基中的一个主要的细胞因子，在缺血性脑卒中时，它促进了NSCs的增殖[39]。而另一项研究则是从未受伤的大脑中分离出NSCs，之后暴露于含有受损大脑小胶质细胞的条件中时，可以促进NSCs的增殖。同时该实验也表明，在脑损伤的情况下，小胶质细胞通过分泌EGF和bFGF 等引起神经球大小和数量的增加[40]（图1）。

三、小胶质细胞对NSCs调控的应用前景

由于小胶质细胞对NSCs的调控作用，为临床治疗某些疾病提供了理论基础与新的思路，细胞移植治疗某些疾病的研究也相继在基础实验与临床研究中展开。一些实验评价了外源性NSCs 移植对缺血性脑卒中的治疗效果和安全性。他们的结果表明，外源性NSCs 能显著改善缺血模型的预后，不仅功能预后得到改善，而且组织梗死体积明显减少，无明显的安全性问题[41-42]。鉴于M1型小胶质细胞对于NSCs调控的负性作用，去除M1型小胶质细胞协同NSCs治疗缺血性脑卒中也许会带来更佳的治疗效果，这值得进一步探讨研究。此外，有研究将核受体相关因子-1（nuclear receptorrelated factor 1，Nurr1）过表达的NSCs和小胶质细胞移植入帕金森大鼠的纹状体内，其结果显示它可以促进NSCs向多巴胺能神经元分化，改善大脑微环境，并且大鼠的行为异常得到明显改善[43]。这为治疗帕金森病提供了新的策略。

在临床研究方面，Elena 等[44]将自体M2型小胶质细胞进行鞘内注射来治疗重症脑瘫患儿，其观察结果表明以M2型小胶质细胞为基础的细胞治疗是安全的，不会引起任何严重的细胞相关反应或长期的副作用，且脑瘫患儿的神经功能得到明显改善。另一项研究通过经鼻给予M2 巨噬细胞来源的可溶性产物来治疗脑血管病，该研究纳入30例患者，经过28～30 d的治疗且随访6个月后发现此项治疗方案不仅是安全的，还可以改善患者的神经心理缺陷[45]。

由于伦理、疗效和安全性等问题，相对于动物实验，临床试验目前还未较大规模开展，相关细胞移植治疗要达到临床应用阶段还有很长的路要走。随着研究的不断深入，通过细胞方式进行神经修复等治疗方式终将为患者带来福祉。

四、总结与展望

综上所述，在对NSCs的迁移调控中，M1型和M2型小胶质细胞都可以促进NSCs的迁移。在NSCs的增殖方面，M1型小胶质细胞具有抑制NSCs增殖而M2型小胶质细胞则具有促进NSCs增殖的作用。在NSCs的分化调控上，M1型小胶质细胞可以促进NSCs分化为具有支持和分隔神经细胞作用的星形胶质细胞，M2型小胶质细胞则可以促进NSCs分化为CNS 中的成髓胶质细胞-少突胶质细胞。目前小胶质细胞对NSCs的调控机制仍尚未阐述清楚。已有的研究结果为新的研究指明了方向，越来越多的调控机制被发现，若能进一步明确具体的机制，这对将来治疗CNS 疾病会有很大的帮助。