脂联素受体1调控小胶质细胞参与阿尔兹海默病发病机制的研究进展

2023-06-01 11:27胡春念祝佩林周春妮
中国体视学与图像分析 2023年3期
关键词:胶质活化神经元

李 静, 胡春念, 蒋 林, 张 蕾, 黎 悦,祝佩林, 唐 勇, 周春妮

(1.重庆医科大学 基础医学院组织学与胚胎学教研室, 重庆 400016;2.重庆医科大学 干细胞与组织工程研究室, 重庆 400016; 3.重庆医科大学 实验教学管理中心, 重庆 400016)

0 引言

阿尔茨海默病(Alzheimer Disease,AD)是一种常见的神经退行性疾病,影响大脑皮层和海马体等区域[1]。在神经病理学上,大脑中的β淀粉样变性(细胞外沉积的Aβ)和神经原纤维缠结(神经元内过度磷酸化tau)构成了AD的两个典型特征[2-3]。AD与遗传和环境因素有关,但最突出的危险因素是年龄,因此在老年人群中最为普遍,预计到2050年将有超过1亿人患有AD[4]。目前,AD在病理生理学和潜在治疗方面的复杂性使得其在生物医学和临床研究领域都面临巨大的挑战。虽然,有大量的针对AD发病机制和治疗方法的研究报道,但仍然无法确切了解其发病机制,也没有明显的治愈方法。因此,深入探究 AD 的发病机制,找到AD 有效的治疗靶点仍迫在眉睫。

近年来,AD大脑中小胶质细胞的变化逐渐成为研究热点。以往研究表明,在中枢神经系统(central nervous system,CNS)中,小胶质细胞作为大脑内主要组织驻留吞噬细胞,参与动态环境检测,在中枢神经系统组织维持、调节损伤反应和病原体防御中起着至关重要的作用[5]。除了免疫功能外,小胶质细胞还通过吞噬和去除不需要的神经元和突触参与大脑发育、调节学习和记忆[5]。近年来,研究报道小胶质细胞的稳态失衡、异常活跃的吞噬功能以及由它介导的炎症反应在AD的病理生理过程中发挥重要作用[6],但介导小胶质细胞参与AD发病的具体机制仍不完全清楚。脂联素(adiponectin,APN)被发现可以作为中枢神经系统疾病新的潜在治疗靶点,在脑血管疾病/卒中[7]、轻度认知障碍(mild cognitive impairment,MCI)和AD[8]、焦虑和抑郁[9]等疾病中发挥积极作用。在CNS中,脂联素受体1(adiponectin receptor 1,AdipoR1)作为APN主要的受体之一,与认知功能改变密切相关[10-11]。有研究发现,AdipoR1在小胶质细胞上有较高表达,可参与调节小胶质细胞的功能[8]。因此,本文旨在对Adiponectin、AdipoR1和小胶质细胞在治疗AD中的作用以及AdipoR1参与调控小胶质细胞功能的研究进展进行综述。

1 脂联素与脂联素受体在中枢神经系统中的功能

APN是一种血浆蛋白,属于补体1q家族,主要由脂肪细胞分泌[12]。APN是一种30kDa的单体糖蛋白,经翻译后修饰为不同的多聚体[12]。在血液中,APN以全长三聚体、六聚体、高分子量多聚体和球状APN的形式存在[12]。在外周,APN的主要生理功能除了增加胰岛素敏感性[13]外,还有抗炎[14-16]、抗动脉粥样硬化[17-18]、抗凋亡和促血管生成[19]等。除了在外周发挥作用,多项证据表明APN可以通过循环进入大脑,在CNS发挥重要功能[20]。APN的三聚体和六聚体形式可见于人类和动物的脑脊液(cerebrospinal fluid,CSF)中[21-23]。此外,静脉注射全长APN后,可以在APN缺陷小鼠的脑脊液中检测到APN,表明APN可以穿过血脑屏障[23]。目前认为,APN穿过血脑屏障进入大脑,与大脑内脂联素受体(adiponectin receptors,AdipoRs)结合激活相关信号通路发挥相应作用[23]。在大脑中,APN似乎不仅在能量稳态中发挥作用,而且在各种疾病状态下也发挥神经保护作用[9,20]。有研究报道,成年雄性小鼠齿状回(dentate gyrus,DG)水平的APN浓度降低导致神经元新生减少,而侧脑室注射外源性APN后增加海马区神经元新生[24]。这种作用是由p38-丝裂原活化蛋白激酶的激活和通过糖原合成酶激酶3β丝氨酸389位点磷酸化所致失活有关[24]。近年来,APN在中枢神经系统疾病中的作用越来越受到重视,而其作用的具体机制以及作用靶点还有待进一步研究。

在CNS,APN通过与其受体AdipoR1和脂联素受体 2 (adiponectin receptor 2,AdipoR2)结合发挥相应的作用[25]。AdipoR1和AdipoR2在结构上彼此相关,在蛋白质水平上具有67%的同源性[26]。此外,AdipoR1和AdipoR2具有不同的分布模式,并以不同的亲和力与各种形式的APN结合[26]。AdipoR1以高亲和力与球状APN结合,而AdipoR2与球状APN和全长APN都只有中等亲和力[25]。基础研究表明,AdipoR1/AdipoR2双敲除小鼠表现出葡萄糖不耐受和高胰岛素血症,表明AdipoR1和AdipoR2参与调节外周组织中的代谢作用[27]。在CNS中,AdipoR1和AdipoR2在大脑的各个区域表达,包括下丘脑、脑干、海马和皮层[12,28]。在下丘脑和脑干中,APN被认为通过AdipoR1介导的AMP活化蛋白激酶(AMPK)信号调节食物摄入和能量消耗从而参与能量代谢[29]。也有研究认为,在海马中,APN通过与AdipoR1结合促进海马神经新生从而参与神经保护作用[30],通过与AdipoR2结合影响神经元内在兴奋性直接影响突触功能[31]。但是文献同样也显示,敲除小鼠体内AdipoR1可导致AD样认知功能障碍和病理改变。例如,异常蛋白质聚集、神经炎症,神经元丢失增多,而抑制海马AdipoR2与调节恐惧情绪更相关[11,31]。综上所述,尽管越来越多的证据表明APN具有神经保护特性,但APN受体的潜在作用尚未得到阐明。虽然,AdipoR1和AdipoR2在中枢神经系统均发挥不同的神经保护作用,但是,AdipoR1在学习和记忆的作用日益受到重视。AdipoR1的激活可以通过减轻炎症反应、抑制氧化应激和促进神经元的分化、生长和突触形成对中枢神经系统的健康和功能产生积极影响[32-36]。而AdipoR1在大脑内的异常表达和功能改变也与疾病的发展和病理过程有关,例如AD等神经退行性疾病[10-11]。

尽管AdipoR1在中枢神经系统的研究尚处于早期阶段,但这些研究进展表明AdipoR1在神经保护、神经发育和神经系统疾病中可能发挥更为重要的作用。进一步的研究有助于深入了解AdipoR1的功能和机制,并为相关神经系统疾病的治疗提供新的靶点和策略。

2 AD中脂联素受体1的改变

既往研究已证实,APN可参与AD的发病机制和治疗机制,并且AD患者和AD小鼠大脑内和脑脊液中APN表达水平降低。研究也发现,即使在不改变APN表达的同时,给与脂联素受体激动剂AdipoRon也可显著改善AD小鼠的认知功能障碍,同时降低AD小鼠大脑中的斑块数量和Aβ水平[8]。研究发现,AD患者、APP/PS1小鼠和Adipo-/-小鼠学习和记忆功能受损的同时,均伴有脑组织AdipoR1表达水平降低[37]。Song等使用免疫组织化学和蛋白质印迹技术在5XFAD小鼠大脑内同样也观察到AdipoR1表达降低,但与同窝野生型小鼠相比,AdipoR2表达没有显著差异[38]。通过有氧运动延缓APP/PS1小鼠的认知障碍的同时,也上调其脑组织中AdipoR1表达水平[39]。这提示AdipoR1的表达下调可能与AD的发病机制密切相关。动物模型发现,全身敲除AdipoR1表达的C57小鼠出现了空间学习和记忆障碍以及AD样病理改变[10-11]。有证据表明,激活AdipoR1可以改善LPS诱导的小鼠记忆障碍[40]。此外,激活 AdipoR1能够通过促进自噬抑制改善APP/PS1小鼠的认知功能,减少脑内神经元的丢失以及Aβ的沉积[41]。体外实验表明,过表达AdipoR1可以通过促进自噬相关蛋白LC3-II表达上调和N2a/APPswe细胞中Aβ水平下调[41]。以上结果提示,激活或者上调AdipoR1可能改善AD模型动物的认知功能。尽管AdipoR1在AD中的研究仍处于起步阶段,但这些发现表明,AdipoR1可能在AD的发病机制和病理过程中发挥重要作用。进一步深入了解AdipoR1的功能、调控机制以及明确其在AD的治疗中的潜在作用具有重要意义。

3 AD中小胶质细胞的改变

小胶质细胞是CNS的先天免疫细胞,起源于胚胎卵黄囊中的红髓系祖细胞,并在小鼠胚胎第10.5天左右迁移到大脑中,之后它们在整个脑实质中繁殖、扩散和分支[42]。大量研究表明,小胶质细胞介导的神经炎症以及异常的免疫反应参与AD的发病机制[43-44]。研究也表明,AD大脑内,小胶质细胞的改变主要包括反应性小胶质细胞增殖和小胶质细胞的异常活化[45],而增殖和活化的小胶质细胞表现出数量、形态、密度和表型等变化[45]。此外,人类遗传学证据指出AD的大多数风险基因在大脑中的小胶质细胞上高度表达[46-47]。小胶质细胞显著的病理改变与 AD 风险增加密切相关[48]。

3.1 AD中小胶质细胞数量和形态学改变

反应性增殖和异常活化小胶质细胞是几种神经退行性疾病(包括AD)的常见病理特征。小胶质细胞活化诱导几种动态变化,包括形态改变、表型和分泌介质的变化[49]。研究发现,早期的AD大脑中Aβ斑块附近的小胶质细胞既已出现反应性增生,从而抑制神经炎损伤[50-51]。临床研究发现,在早期AD患者的大脑颞叶皮层中小胶质细胞的增殖增加[52]。动物研究也观察到,在AD小鼠模型中大脑皮层新生小胶质细胞增多从而导致数量的增加[53]。值得注意的是,在小鼠大脑皮层中大约50%的增殖小胶质细胞在Aβ斑块附近发现[53],晚期增殖的小胶质细胞促进炎症的发生。Zhang等运用无偏体视学方法精确定量15月龄APP/PS1模型小鼠海马小胶质细胞数量,发现APP/PS1模型小鼠海马亚区小胶质细胞数量显著增加,而新生小胶质细胞没有改变[54]。以上结果提示,AD大脑中小胶质细胞数量增多,这可能与小胶质细胞的新生增多或存活增加有关。

在应激过程中,小胶质细胞表现出不同的形态和表型应对损伤[55],包括静息小胶质细胞和活化小胶质细胞[56-57]。静息的小胶质细胞通常具有椭圆形细胞体及长而多的分支,在被病原体和异常沉积的蛋白质(如AD中的Aβ)激活后,小胶质细胞将采用小的圆形体细胞形态,其分支比其静止状态更短、更钝,并伴随着特定抗原的上调[56-57]。此后,在危险相关分子模式(DAMPs)或病原体相关分子模式(PAMPs)的引导下,小胶质细胞迁移到病变区域并表现出变形虫样形态[58-59]。研究表明,AD炎症反应的证据包括小胶质细胞形态从分支(静息)到变形虫样(活化)的变化[60]。此外,有报道发现,APP/PS1模型小鼠海马内小胶质细胞存在分支长度缩短和分支端点数量显著降低[54]。也有研究报道,APP/PS1模型小鼠脑部斑块周围增殖的小胶质细胞出现球状水肿、串珠样改变和阶段性碎裂等改变[43]。以上结果提示,AD脑内存在小胶质细胞形态的改变。

综上所述,AD脑内的小胶质细胞的数量和形态发生了显著变化,而这种变化与AD认知功能的关系目前仍不清楚,因此探索调控小胶质细胞数量和形态的方法可能为AD的治疗提供新的策略。

3.2 AD中小胶质细胞免疫功能改变

CNS中的小胶质细胞可以是有害的或有益的,这取决于它们的激活状态。在AD发病机制中,小胶质细胞活化可能起双重作用。一方面,急性小胶质细胞活化通过增加吞噬作用或清除率延缓Aβ积累。另一方面,小胶质细胞的慢性激活通过触发促炎级联反应导致神经毒性和突触神经元丢失,从而加重AD病理改变[61]。研究发现,在MCI患者中,观察到小胶质细胞激活减少。相比之下,AD患者表现出小胶质细胞激活增加[62],因此,有研究认为在AD的早期,小胶质细胞表现为急性激活状态,抑制Aβ和炎症所导致的神经元与突触的损伤,随着AD疾病的进展,小胶质细胞表现为慢性激活状态,从神经保护型变为促炎激活表型,促发脑内炎症反应,从而加重神经元与突触的丢失[43,61]。同时,研究人员发现,与未进展为AD的对照组相比,进展为AD的MCI患者的脑脊液中肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor alpha,TNF-α)水平更高[63]。AD进展期激活小胶质细胞释放过量的促炎细胞因子,如白细胞介素-1β(interleukin 1β,IL-1β)和TNF-α会对神经元造成损害[43],表明小胶质细胞的过度激活会释放过多的促炎因子来损害神经元及突触。研究发现,在AD动物模型中,传统的抗炎药物米诺环素能够改善AD认知功能,抑制了小胶质细胞的激活,减少了IL-1β、TNF-α和白细胞介素-10(interleukin 10,IL-10)等炎性细胞因子的产生[64]。以上研究均证实,改善小胶质细胞的炎症反应可能是治疗AD的潜在靶点。

3.3 AD中小胶质细胞吞噬功能改变

除了经典的免疫功能外,小胶质细胞还通过促进吞噬、清除和提供营养支持来确保组织修复和维持大脑稳态,从而充当大脑的守护者[61]。体内PET影像学证据表明,小胶质细胞活化出现在AD发生之前[65]。小胶质细胞可起到预防作用,包括清除Aβ、抑制Tau过度磷酸化和产生神经营养因子,从而延缓AD症状的发作[66-68]。然而,随着疾病进展,持续刺激小胶质细胞会导致神经变性[62]。小胶质细胞通过降解和清除致病性Aβ预防斑块形成在AD中发挥神经保护作用[66]。小胶质细胞胞膜上不同受体(包括TREM2、TLR和CD36等)与Aβ作用介导小胶质细胞对Aβ的吞噬作用/内吞作用[69]。TREM2作为小胶质细胞上介导吞噬功能的关键受体,参与吞噬脑内各种损害因子,包括凋亡神经元、细菌、LDL和其他脂蛋白以及Aβ[70-72]。体外研究发现,TREM2缺陷的小胶质细胞显示出Aβ-脂蛋白复合物的摄取减少,吞噬功能减弱[72]。与体外研究结果一致,TREM2敲除AD小鼠表现出小胶质细胞功能失调及Aβ斑块积累增加[73]。临床研究发现,用于治疗哮喘患者的色甘酸钠促进小胶质细胞对Aβ42的摄取,能够减少Aβ沉积,延缓AD认知功能改变[74]。综上所述,改善小胶质细胞的Aβ清除功能有可能是治疗AD的潜在靶点之一。

小胶质细胞维持大脑稳态除了体现在对Aβ和细胞碎片的吞噬和清除以外,小胶质细胞还可以通过吞噬和清除受损伤的突触参与神经回路的发育[75-76]。越来越多的证据表明,在正常的大脑发育过程中,小胶质细胞通过补体的作用吞噬异常的突触和通过分泌生长因子促进早期突触的形成。补体是先天免疫系统的一个组成部分,在CNS中,小胶质细胞和星形胶质细胞是补体蛋白的主要来源,小胶质细胞表达高水平的C1q和CR3,其中CR3在发育过程中对突触修剪至关重要[77-78]。然而,随着疾病的进程,研究发现轻度到重度AD患者尸检结果显示,在AD大脑中均发现了补体的激活(C3和C4等)逐渐增多,并且小胶质细胞稳态功能改变,异常活化的小胶质细胞的数量逐渐上涨[79]。异常活化的小胶质细胞和活跃的补体系统促使小胶质细胞进一步吞噬正常突触,从而导致AD模型小鼠出现认知功能改变。对APP/PS1小鼠模型的研究表明,抑制小胶质细胞的过度活化和阻断补体途径可以减少神经元和突触丢失,从而发挥对AD有益的作用[80]。用CSF1R抑制剂抑制小胶质细胞的数量与活化可以改善AD模型小鼠的认知功能障碍并且减少海马突触丢失[81-82]。以上研究提示,AD脑内小胶质细胞出现稳态功能的改变,针对小胶质细胞的吞噬功能有可能是治疗AD的潜在靶点。

4 脂联素受体1参与调控小胶质细胞的功能

4.1 脂联素受体1在小胶质细胞上的表达

在CNS中,AdipoR1在多个脑区表达,包括大脑皮层、下丘脑、垂体、脑干和海马[9,26,83]。而在成熟神经源性区域,如齿状回和侧脑室的室下区也观察到AdipoRs的表达[84-85]。此外,有研究发现,AdipoR1在海马体中强烈表达,而 AdipoR2在海马体中的表达较少[86]。最近的报道也表明,AdipoRs在皮层和海马的小胶质细胞和神经元中均有表达[8]。小鼠大脑皮层内不同细胞类型的原位杂交和RNA测序获得的数据也表明,在神经元、未成熟和成熟的少突胶质细胞、小胶质细胞、星形胶质细胞和内皮细胞中均检测到AdipoR1和AdipoR2转录本[84,87]。体内研究发现,AdipoR1和AdipoR2在小鼠大脑皮层小胶质细胞和体外BV2细胞中均有较高表达[32]。研究也发现,相较于AdipoR2,激活小胶质细胞上AdipoR1才能激活AMPK,从而抑制小胶质细胞的活化[32]。尽管,AdipoR1和AdipoR2在CNS分布区域和细胞类型仍有很多研究的空间,但是以上研究进一步表明,小胶质细胞AdipoR1可能对大脑功能可能产生多种影响。

4.2 脂联素受体1参与小胶质细胞功能的调节

AdipoR1作为APN的受体蛋白,在小胶质细胞中参与调节其免疫功能抑制炎症反应,维持中枢神经系统的内环境稳态。研究表明,APN激活AdipoR1 / APPL2 / AMPK / PPARγ信号通路抑制小胶质细胞过度活化来改善大鼠脑出血引起的脑内炎症性损伤[88]。脂联素同系物渗透素激活AdipoR1抑制下游相关信号通路减轻脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)诱导的神经炎症和记忆障碍,并抑制LPS诱导的小胶质细胞数量的增加[40]。此外,体外研究发现,在淀粉样蛋白-β低聚物(AβO)诱导AD细胞模型中,APN通过AdipoR1信号通路(而不是AdipoR2信号通路)抑制的小胶质细胞促炎细胞因子释放,从而减少炎症因子的产生[32]。Nicolas等报道,体内和体外研究均发现球状APN主要与AdipoR1结合并抑制NF-κB活化,降低LPS诱导的小胶质细胞促炎细胞因子的表达从而抑制神经炎症,而AdipoR2不介导APN对小胶质细胞的影响[89]。以上研究提示,在中枢神经系统,APN主要是通过AdipoR1作用于小胶质细胞调节其炎症反应。

目前,已经开发了非特异性APN受体的激动剂,如AdipoRon[90-91]。AdipoRon具有穿过血脑屏障的能力[8]。在阿尔茨海默病小鼠模型中,AdipoRon可以改善认知障碍和神经系统并发症[8]。Zheng等发现,AdipoRon可以通过AdipoR1/AMPK/Sirt3途径减轻脑出血小鼠模型脑内的神经炎症[33]。Zhao等观察到,给予AdipoRs非特异性激动剂CTRP9可减轻小鼠脑出血后的神经炎症[7]。Zhang等发现,AdipoRs的过表达促进血管内皮细胞的抗炎反应[92]。除了调节小胶质细胞炎症反应外,AdipoR1对小胶质细胞的抗氧化和吞噬功能也具有一定的调节作用。AdipoRon可以通过激活AdipoR1介导小胶质细胞极化,并通过促进M2小胶质细胞极化直接减少神经元ROS积累来改善ICH诱导的脑损伤[33]。体外研究表明,AdipoRon通过增加小胶质细胞溶酶体活性促进对Aβ 清除,表明AdipoRon可能促进小胶质细胞对Aβ吞噬和降解[41]。以上研究提示,AdipoR1在小胶质细胞的免疫功能调节中具有重要作用。

5 小胶质细胞AdipoR1在AD 中的作用

AD被认为是一种炎症相关疾病,小胶质细胞在AD中的炎症反应起着重要作用。研究表明,小胶质细胞中AdipoR1的表达与炎症调节相关。APN对AβO诱导的小胶质细胞炎症反应的保护作用是由AdipoR1介导的,而不是AdipoR2介导的[32]。敲低BV2细胞中的AdipoR1可以逆转APN抑制AβO诱导的促炎细胞因子释放的能力[32]。另一项体外研究发现,AdipoR1敲低的BV2小胶质细胞表现出M1极化表型,诱导其释放促炎因子[40]。体内研究表明,AdipoR1敲低的小鼠表现出记忆功能障碍以及AD样病理,包括神经元氧化应激、胰岛素抵抗和神经炎症反应[11]。Badshah等发现,APN同系物渗透素与 BV2 小胶质细胞中的AdipoR1 结合并抑制下游 TLR4 信号传导,显著抑制LPS诱导的炎症介质的表达,并减弱LPS诱导的AD标志物(如Aβ、APP、BACE-1和p-Tau)表达的增加[40]。以上研究表明,小胶质细胞AdipoR1的改变可能参与AD的病理过程。因此,小胶质细胞AdipoR1在AD认知功能改变中发挥着重要的作用,其相应的分子机制和后续效应值得进一步探讨。

6 存在问题及展望

以往研究发现,AD脑内小胶质细胞的数量、形态和功能发生显著改变,AdipoR1参与AD发病及治疗机制,且AdipoR1参与调节小胶质细胞的炎症反应、抗氧化及吞噬功能,但AdipoR1参与AD的发病机制是否与其调控小胶质细胞的数量、形态和功能有关,目前仅有少量报道且多聚焦于其炎症反应,然而其详细机制仍不清楚。因此,探讨APN/AdipoR1信号,尤其是基于小胶质细胞研究AdipoR1在AD发病和治疗中的作用非常必要,对其具体分子机制的进一步深入研究有望为预防和治疗AD提供新的靶点和依据。

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