代谢因素影响小胶质细胞极化在阿尔茨海默病中的作用及机制

吴艺舸 宋丽娟 丁智斌 郭敏芳 尉杰忠 马存根 （.山西中医药大学国家中医药管理局多发性硬化益气活血重点研究室/神经生物学研究中心，太原 0004； .山西医科大学生理学系/山西白求恩医院神经科，000 太原； .山西大同大学脑科学研究所，07009 大同）

随着老龄化加速，临床上常见的以神经元丢失和痴呆为特征的阿尔茨海默病（Alzheimer's disease，AD）、以静止震颤为主要表现的帕金森病（Parkinson's disease，PD）等中枢神经系统（central nervous system，CNS）变性疾病愈来愈受到关注［1-2］。小胶质细胞作为CNS中固有的免疫细胞，可通过不同途径的激活诱导炎症信号通路，参与神经变性的发生、发展，从而影响疾病预后［3］。根据激活的小胶质细胞特性，一般将小胶质细胞分为M1和M2两大群［4］。然而，表型标记与功能之间的不连续性导致靶向M1/M2开发针对神经炎症、免疫调节疗法欠精准［5］。

1 M1极化与M2极化

小胶质细胞通过其特有的异质性和可塑性发生极化，演变为表型与功能差异巨大的两个亚群，分别具有促炎或抗炎作用。将其描述为经典激活的M1型和替代激活的M2型，前者又称为细胞毒性M1型，后者又称为细胞保护性M2型［6］。M1型的标志性分子为MHCⅡ、COX-2、诱导型一氧化氮合成酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）、分化群（如CD3、CD6、CD32），可经干扰素γ（interferon-γ，INF-γ）、脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）等诱导激活，产生肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、IL-1β、IL-6、IL-12、一氧化氮（nitric oxide，NO）和活性氧（reactive oxygen species，ROS）等神经毒素物质，促发炎症反应，加重神经损害［7］。M2型表型的标志性分子为CD206、胰岛素样生长因子1（insulinlike growth factor-1，IGF-1）、精氨酸-1（arginase-1，Arg-1）、P2X4R、FIZZ1、CD206等，可分泌IL-4、IL-10、转化生长因子β（transforming growth factor-β，TGF-β）、血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）、脑源性神经营养因子（brainderived neurotrophic factor，BDNF）等细胞因子，通过抑制NF-κB信号通路、阻断NO产生、上调Arg-1等抑制炎症表达，起到抗炎症反应、吞噬损伤的神经细胞碎片、修复神经的作用［8-10］。

2 M1极化和M2极化分类的缺陷

上述分类对小胶质细胞研究的开展起到重要作用。但随着研究的深入，其缺陷也逐渐显露出来，因为它们仅代表小胶质细胞广谱分化连续体中的两个极端状态，这样的分类导致了表型标记与功能之间的不连续性［11］。RNA单细胞测序表明，小胶质细胞可同时显示M1型与M2型激活的特征性基因，提示两者间存在相互转化的可能［12］。近年研究也发现，M2型小胶质细胞可进一步分为M2a、M2b、M2c和M2d 4个亚型［13］。与此同时，目前对于小胶质细胞极化的大部分认知都来源于啮齿动物细胞建立的模型，其是否真正适用于人类尚需进一步探究。而且，体内小胶质细胞的分化情况较体外复杂得多，其极化的变化更类似于一个连续的整体，M1与M2此消彼长，功能调节呈现倾斜方向（图1）［5］。

图1 激活后的小胶质细胞的极化方向Fig.1 Polarization of activated microglia

鉴于此，从免疫代谢影响小胶质细胞极化方向和功能调节的角度探讨，则可弥补M1/M2分类产生的缺陷，可能有助于阐明其在神经变性疾病中的作用，并为探讨新的治疗策略提供思路。

3 代谢促进小胶质细胞的炎性极化

三大能量代谢中的一些代谢产物直接或间接地影响小胶质细胞的表型转化。其中谷氨酸等氨基酸代谢产物、糖酵解代谢、饱和脂肪酸代谢均能促进小胶质细胞的炎性极化。

3.1 谷氨酸等氨基酸的代谢产物和病理产物促进小胶质细胞的炎性极化 从谷氨酸在神经细胞中代谢的角度来看，谷氨酰胺可通过三羧酸循环导致琥珀酸积累。琥珀酸盐的过量累积会诱导活性氧化物促进低氧诱导因子-1α（hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α）的稳定，使小胶质细胞从抗炎性向促炎性表达转化［14-15］。又如在AD和PD中，细胞毒性小胶质细胞释放大量谷氨酸，并与受体N-D-天冬氨酸甲酯（Methyl N-D-Aspartate，NMDA）结合，产生神经毒素，损害神经细胞的线粒体呼吸链，最终造成细胞凋亡，加重神经变性疾病［16］。同时，AD中通过β分泌酶和γ分泌酶的蛋白水解作用产生的淀粉样蛋白β（amyloid β，Aβ）沉积，可导致神经递质含量降低，引起突触损伤和神经元死亡［17］。在2型髓系细胞触发受体（triggering receptor expressed on myeloid cells 2，TREM2）等介导下，Aβ代谢所形成的氨基酸产物被小胶质细胞吞噬，在小胶质细胞内形成吞噬体，但同时加剧细胞炎症反应，增加IL-6、IL-1β、TNF-α等的过量表达，促使小胶质细胞的促炎极化［18］。

3.2 糖酵解促进小胶质细胞的炎性极化 小胶质细胞从“静息”状态向促炎性状态极化时，其代谢状态会由氧化磷酸化转变为糖酵解。在离体实验中，与对照组相比，处在细胞外高葡萄糖浓度的小胶质细胞中的表型标志性分子，如iNOS、IL-6、TNF-α等水平均呈上升趋势，使小胶质细胞产生促炎性极化［19］。另外，在促炎因子刺激下，小胶质细胞的葡萄糖摄取量及糖酵解水平又会随着葡萄糖转运体1（glucose transporter 1，GLUT1）和4（GLUT4）的表达增加而增多，形成恶性循环［20］。有学者指出糖酵解增强可能是小胶质细胞促炎性的先决条件，其具体作用途径是经小胶质细胞NF-κB通路促使IL-6、TNF-α等促炎因子产生，进而激活小胶质细胞抗炎性表型表达，增强免疫应答和吞噬活性［21］。但实际上，这种情况下的小胶质细胞往往过度激活，从原先的抗炎性极化迅速转化为促炎性极化，并释放高浓度的促炎因子及神经毒素，这种小胶质细胞的连续性表达导致其促炎性不受控制，造成神经细胞的进一步损害，通过炎症反应加重AD等疾病［22］。同时，促炎性极化产生的促炎因子在Aβ斑块的形成中也起到决定性作用，而Aβ大量沉积又会反作用于小胶质细胞，诱导炎性极化方向，释放细胞毒性因子和炎性介质，造成神经元损伤，如此循环往复过程中，促炎性极化所需的能量通过糖酵解增强提供，导致AD的进行性发展［23］。

3.3 饱和脂肪酸促进小胶质细胞的炎性极化 作为CNS中免疫细胞代谢的重要介质和丰富能量来源的脂肪酸，大部分来源于血液，通过被动扩散或协助转运方式透过血脑屏障（blood brain barrier，BBB）。研究发现，高脂肪饮食能增加血液中的脂肪酸浓度，大量透过BBB，并作用于下丘脑，特异性地激活小胶质细胞，产生促炎性反应［24-25］。尽管有学者提出治疗AD时可通过摄取适量膳食脂肪酸以减少小胶质细胞的炎症反应，但研究表明过量的饱和脂肪酸摄入往往会适得其反，因为其会增加小胶质细胞的促炎表型［26-27］。另有实验研究表明，大量摄入诸如棕榈酸、硬脂酸等饱和脂肪酸会激活TLR-4受体，通过激活NF-κB通路释放IFN-γ和TNF-α等促炎性因子，使小胶质细胞向促炎性状态极化，诱发或加重AD等神经变性疾病的发生与进展［28］。

4 代谢因素促进小胶质细胞的抗炎性极化

4.1 有效的线粒体功能与氧化磷酸化代谢促进小胶质细胞的抗炎性极化 与小胶质细胞促炎性极化时糖酵解途径增强不同的是，“静息”状态和向抗炎性极化小胶质细胞的激活需要氧化磷酸化（oxidative phosphorylation，OXPHOS）代谢的支持。有效的线粒体功能需要OXPHOS产生三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）以满足其行使功能，参与各类细胞稳态的维持和损伤细胞的修复［29］。当小胶质细胞受LPS等炎性刺激后，容易出现分裂、呼吸链电子传导障碍、OXPHOS受阻等系列损害，使线粒体功能缺失［30］。AD患者体内常存在基因突变、关键蛋白表达异常等，导致氧化磷酸化代谢失常，线粒体损害，迫使细胞代谢途径发生转变，依赖糖酵解供应能量［31］。糖酵解增强会加重小胶质细胞的促炎性极化，释放炎症因子和神经毒性物质加重病情。线粒体分裂抑制剂（mitochondrial division inhibitor 1，Mdivi-1）可阻止LPS所引起的线粒体断裂，恢复耗氧率（oxygen consumption rate，OCR）和细胞外酸化率（extracellular acidification rate，ECAR），使iNOS和COX-2蛋白表达受抑制，最终达到降低促炎因子释放的目的，对阻断小胶质细胞的促炎性表达具有重要意义［32］。相反，通过调节线粒体上的解偶联蛋白2（uncoupling protein 2，UCP2）抑制线粒体功能可使小胶质细胞炎性反应增强，如NO、IL-6等炎症因子释放增多，并抑制抗炎基因的诱导和抗炎功能［33］。

4.2 不饱和脂肪酸促进小胶质细胞的抗炎性极化 与饱和脂肪酸相反，氧化后所形成的不饱和脂肪酸往往与抗炎性极化相关。不饱和脂肪酸可与小胶质细胞膜上的G蛋白偶联受体120结合，激活其抗炎表型，参与抗炎效应［34］。且由于其自身为双键碳链结构，能以长链脂肪酸形式插入小胶质细胞的细胞膜，影响细胞膜的曲率，改变膜上受体信号，增加吞噬作用［35］。多项研究证实，不饱和脂肪酸处理后的小胶质细胞抗炎因子，如IL-10、TGF-β等表达明显升高，IL-10常介导AD中的神经元损伤后修复，具有维持免疫稳态作用，TGF亚群则可以防止Aβ1-42诱发AD，抗炎性小胶质细胞的表型标志性分子CD206、Arg-1的表达也随之上调［36］。以二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid，DHA）为例，其作为一种典型的omega-3脂肪酸，与小胶质细胞的吞噬作用息息相关，有人将其称之为消炎脂肪酸，其通过影响载脂蛋白E（apolipoprotein E，ApoE）表达，保护神经细胞，降低散发性AD的风险［37-38］。因此，不饱和脂肪酸能抑制炎症信号，促进小胶质细胞的抗炎性极化［39］。

4.3 精氨酸等氨基酸代谢促进小胶质细胞的抗炎性极化 氨基酸代谢对小胶质细胞的影响往往呈双向调控作用。以精氨酸为例，一方面可以通过诱导iNOS因子释放，促使NO生成，调控小胶质细胞向促炎性极化；另一方面，精氨酸也能通过抑制HIF-1α通路而向促炎性极化［40］。此外，重组Arg-1可以将精氨酸分解为鸟氨酸，直接起到对iNOS的抑制作用［41］。iNOS在CNS炎症过程中发挥重要作用，抑制其功能可降低NO表达，与NO含量呈正比例关系的Aβ也随之受到抑制，可有效减缓AD的进展［42］。作为大脑中高浓度存在的代谢来源，谷氨酸与谷氨酰胺构成了一个循环体系，即使在葡萄糖充足的情况下，小胶质细胞亦会利用谷氨酰胺进行氧化磷酸化，维持线粒体的功能，从而使小胶质细胞向抗炎性极化，减轻炎症反应，这些正是AD患者治疗所需的必要条件［43］。

5 代谢因素影响小胶质细胞极化的相关信号通路

信号通路在小胶质细胞的极化方向中扮演极为关键的角色，TLR4/NF-κB信号通路、p38 MAPK信号通路等能使小胶质细胞促炎性极化；TREM2等信号通路能使小胶质细胞抗炎性极化；HIF-1α信号通路则具有双向调节作用。通过代谢变化影响不同的信号通路可调控小胶质细胞的极化方向。

5.1 TLR4/NF-κB信号通路 Toll样受体（Toll-like receptor，TLR）主要分布于免疫细胞，其中的TLR4具有特异性识别病原体相关分子的功能，且在CNS中分布广泛，在小胶质细胞中表达最多，故小胶质细胞成为最主要的特异性识别LPS的受体。NF-κB是一种具有多向调节作用的核转录因子，是TLR4最重要的下游信号之一。TLR4通过MyD88依赖途径和MyD88非依赖途径激活NF-κB信号通路，调控一系列炎症因子如IL-2、IL-1β、TNF-α等的表达，使小胶质细胞向促炎性极化，而极化后的小胶质细胞又能反过来产生作用，增加炎症因子的释放［44-45］。NF-κB作为Aβ沉积、神经炎症和神经退行性变的主要驱动因素，其过度增加可加重AD患者症状，对其进行抑制是AD治疗的重要方向［46］。在免疫代谢中，糖酵解增强、饱和脂肪酸的摄入增加均能激活TLR4/NF-κB信号通路，产生一系列促炎因子，促使小胶质细胞的炎性极化，对AD治疗产生不利影响。

5.2 p38 MAPK信号通路 丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）可以响应各种细胞外刺激，并调节小胶质细胞特性，而其中的p38 MAPK在促炎信号网络的调节和生物因子的合成中发挥较大作用［47］。多种炎症因子、ROS、紫外线、渗透压变化等均能激活p38 MAPK通路，继而激活NF-κB、STAT等转录因子，通过典型的3级酶促级联反应，进而表达TNF-α、IL-1β等炎症因子，加重炎症反应。高葡萄糖含量能通过调控MAPK信号通路增加糖代谢水平和糖酵解能力，使得小胶质细胞向促炎性极化。

5.3 TREM2信号通路 TREM2是一种1型跨膜受体蛋白，在CNS中主要由小胶质细胞表达，可调节吞噬作用和抑制炎症反应［48］。TREM2可与LPS、Aβ寡聚体、ApoE等结合而激活，不同配体可以激活TREM2下游的不同信号通路，调节小胶质细胞表型［49］。如通过TREM2-DAP12信号通路激活磷脂酰肌醇3-激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B，AKT）通路，上调小胶质细胞中CCAAT-增强子结合蛋白α（CCAAT-enhancer binding protein α，C/EBPα）表达，进而大量转录表达CD36，促进小胶质细胞增殖，吞噬损伤的神经细胞碎片等，发挥细胞保护作用［50］。在AD患者中，小胶质细胞常表现为TREM2的缺陷，线粒体构型受到破坏，数量减少，自噬增加，小胶质细胞出现功能障碍，加重了疾病进展［51］。

5.4 HIF-1α信号通路 HIF-1是一种可与低氧反应元件结合，导致下游靶基因转录的一种转录因子，在缺氧条件下特异性稳定的亚基α对HIF-1的活性具有决定性作用［52］。HIF-1α直接参与VEGF基因表达。缺氧状态下，HIF-1α进入细胞核中与缺氧反应元件（hypoxia response element，HRE）结合，激活产生大量VEGF，转录后在糖酵解代谢途径的介入下参与血管生成［53］。HIF-1α是糖酵解代谢的主要驱动因素之一，对维持小胶质细胞的炎性极化必不可少。但同时，通过不同氨基酸代谢途径的介入，HIF-1α的作用亦能被限制，从而激活小胶质细胞的抗炎性表达［54］。对于AD患者而言，抑制促炎性表达，转向抗炎性无疑是一种期待的治疗途径。

上述几条信号通路相互联系，相互作用。受细胞代谢调控，在TNF、IL-1、IL-18等作用下，往往能激活NF-κB和p38 MAPK信号通路，经过基因表达产生一系列的炎性物质加重AD损害。LPS在激活NF-κB信号通路产生炎症因子的同时，亦能在TREM2信号通路发挥作用，参与CD36诱导损伤的修复，发挥保护作用。而在糖代谢供能的情况下，低氧环境常常激活HIF-1α信号通路，与HRE相结合，释放VEGF、NOS等因子，介导AD的炎症反应（图2）。

图2 HIF-α、MAPK、NF-κB、TREM2信号通路间的联系Fig.2 Connections among signaling pathways of HIF-α，MAPK， NF-κB， TREM2

6 靶向代谢因素影响小胶质细胞极化的物质

如上所述，通过影响小胶质细胞的三大代谢方式，均能起到干预小胶质细胞极化方向的作用。而针对AD等神经炎性变性疾病，促进小胶质细胞的抗炎性极化，使其产生抗炎、细胞保护的效果很可能是一种有效的治疗思路。

在抑制糖酵解代谢途径方面，磷酸腺苷活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）可通过抑制雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）通路的磷酸化水平抑制糖酵解代谢，促使小胶质细胞抗炎性极化，减轻AD患者的CNS炎症反应［55］。在维持有效的线粒体功能和氧化磷酸化代谢方面，从姜黄中提取的姜黄素具有调控多种信号通路的功能，可抑制LPS诱导的神经炎症，使小胶质细胞偏向抗炎性表达［56］。通过加工成纳米颗粒形式的姜黄素可透过BBB到达神经元线粒体，可减轻氧化应激反应来保护细胞，降低神经元死亡，缓解AD症状［57］。Rho激酶抑制剂盐酸法舒地尔可以起到保护线粒体功能作用，同时维持小胶质细胞的氧化磷酸化代谢，抑制NF-κB信号通路，降低炎症因子表达，促使小胶质细胞向抗炎性极化，发挥抗炎、吞噬神经细胞碎片、保护神经等作用［58］。与此相似，作为内源性类固醇的孕酮同样在CNS中起到维持线粒体功能完整的作用，这对于小胶质细胞的抗炎性极化尤为关键，提示通过干预代谢途径可以起到神经保护作用［59-60］。与脂代谢相关的是，降糖药物维格列汀可有效对抗高脂高糖引起的AD，通过调节代谢水平，恢复正常代谢，可降低AD大鼠的炎症反应，防止小胶质细胞促炎性极化，起到一定的神经保护与抗凋亡功能［61］。同样，作为降糖药物的利拉鲁肽，在轻度AD患者的治疗过程中展现了一定的疗效，通过调控CNS中细胞糖代谢的异常，降低了小胶质细胞的极化水平，脑内Aβ水平减少［62］。

7 小结与展望

随着基础和临床研究的不断深入，小胶质细胞等免疫细胞在神经变性疾病中的作用日益受到重视［63］。然而，传统意义上的M1/M2极化分类由于过于简化和极端已远不能解释目前的研究结果。由于免疫代谢在小胶质细胞的促炎或抗炎极化中的关键作用，从代谢角度研究小胶质细胞的极化很可能是一种可行的思路。糖酵解增强、饱和脂肪酸含量增多、氨基酸的特定代谢等途径都能特异性地激活小胶质细胞的促炎性表达。相反，氧化磷酸化支持下的有效线粒体功能、不饱和脂肪酸等都能支持小胶质细胞的抗炎性表达。因此通过靶向代谢调控细胞因子与信号通路调控小胶质细胞的极化方向，对治疗AD等神经炎性变性疾病可能具有重要的理论价值与实践意义。