小胶质细胞活化在视网膜色素变性中的调控机制研究进展△

周 维 梁丽娜

视网膜色素变性(RP)是一种遗传性视网膜退行性疾病。在疾病早期阶段,表现为视杆细胞丧失导致周边视野受限和夜视能力下降。随着病情的发展,视锥细胞也会受到影响,出现白天视力下降[1]。这种与光感受器细胞相关的功能障碍可引发日常生活损害,并最终导致RP患者失明。关于RP的发病机制,目前有许多认识,如基因突变触发RP,以及视网膜变性相关的微环境变化,如氧化[2-3]、炎症[4-5]和代谢改变等[6]调节疾病的进展。虽然国内外眼科学者对RP的发病机制已进行深入研究,但尚无确切的治疗方法。基于多项RP动物模型研究发现,视网膜变性早期发现小胶质细胞(MG)的活化反应,MG调控的视网膜神经炎症反应以及慢性促炎环境在视网膜退行性疾病中发挥关键作用。近年来,MG介导的免疫调节在RP研究中得到广泛关注。本文就MG在RP的调控机制作一综述。

1 MG

1.1 MG的生理功能

MG是中枢神经系统内的一种常驻巨噬细胞,占据中枢神经系统细胞总数的5%～10%。MG起源于胚胎卵黄囊祖细胞,是大脑和视网膜中最突出的髓系细胞[7]。视网膜MG起源于中胚层,主要经睫状体扁平部和视神经盘进驻视网膜,生理条件下,视网膜MG处于静息状态,呈分支状,核呈圆形或卵圆形,胞质较少,胞突不明显,分布于神经纤维层、神经节细胞层和丛状层[8]。作为免疫细胞,MG在体内参与先天性免疫系统第一道防线的形成,监测神经元微环境,抑制外来病原体或异常蛋白、核酸和细胞碎片的侵入,在视网膜组织早期发育和神经轴突修剪等方面发挥重要作用[9]。MG可通过改变自身的状态和形态,影响中枢神经系统的生理功能和病理过程。

1.2 MG活化的“双刃剑”作用

MG活化介导的炎症反应是各种视网膜退行性疾病的共同特点,如糖尿病视网膜病变、青光眼、RP和年龄相关性黄斑变性等。研究表明,MG激活是各种炎症性疾病的共同标志,其介导的炎症常导致神经元损伤[10]。当神经元损伤或受到炎性刺激时,静息状态的MG可活化,转化为阿米巴样形态,胞体肿胀,突起缩短,其吞噬活性增强,迁移到受损区域,吞噬来自损伤部位的细胞碎片并释放炎症介质进入细胞外空间,以维系中枢神经系统微环境的平衡。激活的MG对外界刺激表现出不同的反应,并充当一把“双刃剑”,急性激活的MG通过清除入侵的病原体和细胞碎片促进组织修复;而持续激活的MG会诱发慢性神经炎症,促进疾病恶化进展。

依赖于特定的微环境及产生的刺激,MG可活化为促炎表型(M1型)和抗炎表型(M2型)。2种不同表型的MG具有相反特性,表现出致病或保护作用。M1型MG参与炎症反应,与促炎细胞因子和趋化因子的表达有关,这些因子促进慢性神经炎症、氧化应激反应和神经退行性病变[11]。而M2型MG可减轻炎症反应、吞噬老化损伤的细胞器和代谢废物,降解神经毒性蛋白,增强营养因子表达,促进神经元存活和神经突起外生长。

2 MG活化与RP的关系

视网膜是中枢神经系统的延续,是“通往大脑的窗口”,MG是构筑健康大脑和视网膜中的第一道防线,因此,视网膜MG同样在视网膜生理病理过程中发挥重要的作用。研究证明,MG对RP具有保护感光细胞和促进感光细胞凋亡的双重功能。

2.1 MG活化对RP的保护作用

Arroba等[12]发现MG可介导神经保护作用,当用氯膦酸二钠脂质体清除RP小鼠rd10模型视网膜MG,MG被耗尽后视网膜光感受器细胞数量减少,而在小鼠注射胰岛素样生长因子-1后,视网膜外核层 (ONL)和神经节细胞层的MG数量增加,同时视网膜光感受器细胞和神经节细胞的细胞凋亡数量减少,因此,推测胰岛素样生长因子-1发挥的神经保护作用在很大程度上与MG介导有关。MG的存在不仅有助于维持光感受器存活和视网膜结构,而且还可在早期突触的形成中发挥支持作用。在大脑皮层中,MG和发育中的锥体神经元树突之间的动态接触可诱导丝状伪足和突触的形成,当MG被基因消除时,这种接触明显减少[13]。基于He等[14]的研究发现,MG持续损耗导致英国皇家外科学院(RCS)大鼠视网膜对光反应功能出现渐进性退化,并且代谢型谷氨酸受体6在外丛状层突触后积累,增加了杆状双极细胞中异位树突的数量和长度。综上所述,MG对视网膜发挥的保护作用,一方面是视网膜MG通过营养支持来调节神经元的存活,主要与MG分泌生长因子和细胞外基质分子刺激神经元生长有关[15-17]。另一方面,MG的保护作用可能与其吞噬功能有关,活化的MG通过吞噬作用消除异常神经元,维持微环境稳态[18]。

2.2 MG活化对RP的神经毒性作用

在血-视网膜屏障损伤引起的视网膜疾病中,外周血的免疫细胞进入视网膜,MG到达神经细胞损伤部位,吞噬、消化和分解凋亡的神经细胞核碎片,在病变微环境刺激下MG增生、活化并产生大量的促炎细胞因子和趋化因子,启动一系列的炎症反应过程[19-20]。MG在RP过程中产生的神经毒性作用,可能是活化的MG接收到受损感光细胞发出的信号后,迁移到损伤部位,释放细胞毒性因子进一步加重感光细胞变性死亡。在这一过程中,变性凋亡的感光细胞与活化迁移到ONL的MG释放趋化因子,吸引更多的MG到病变部位加剧损害。视网膜中驻留的MG和外周来源的巨噬细胞是神经炎症的主要参与者,它们的激活显著加速了rd10小鼠的视网膜变性[21]。

3 MG活化的调控机制

3.1 CC趋化因子配体2/趋化因子受体2轴

CC趋化因子配体2(CCL2)及其趋化因子受体2(CCR2)的表达改变已被发现是多种神经退行性病变的病理机制。CCL2也被称做单核细胞趋化蛋白1,由巨噬细胞、成纤维细胞和内皮细胞产生。研究表明,CCL2通过趋化作用参与单核细胞和T细胞募集、星形胶质细胞活化、MG迁移/增殖和血-脑屏障功能障碍病变过程[22],它将募集的免疫细胞趋化到损伤部位,启动炎症反应的发生和维持[23]。CCL2表达与MG激活相关,与老年性黄斑变性等视网膜变性疾病有密切的关系。CCR2通过与其高亲和配体结合后引起靶细胞效应,可诱导单核细胞、巨噬细胞和其他炎症细胞的趋化,参与机体的多种生理和病变过程[24]。Guo等[25]采用CCR2基因敲除RP小鼠(CCR2-/-rd10)研究CCL2/CCR2对rd10小鼠视网膜形态学和视功能的影响,结果发现CCR2-/-rd10小鼠的MG数量显著低于CCR2+/+rd10小鼠,CCR2敲除能增加小鼠感光细胞层厚度以及视紫红质基因的表达,对视网膜功能有更好的保护作用,说明CCL2/CCR2轴在rd小鼠视网膜变性中起作用,感光细胞的存活可能与CCR2敲除后能抑制MG向M1型活化释放炎症细胞因子有关。Funatsu等[26]研究发现,在RP过程中,CCL2/CCR2轴上调能触发MG激活,并促进MG向M1型活化,CCL2/CCR2轴可募集外周单核细胞和巨噬细胞迁移到视网膜中,加剧神经炎症反应,从而导致rd10小鼠的视锥细胞死亡。

3.2 CX3C趋化因子受体1信号通路

CX3C趋化因子受体1(CX3CR1)作为趋化因子受体在机体的神经组织、淋巴组织及髓细胞系等系统均有表达,而在中枢神经系统及视网膜中则由MG特异性表达[27],CX3C趋化因子配体1(CX3CL1)只能特异性结合CX3CR1。在不同疾病中,CX3CL1-CX3CR1信号通路对MG的影响表现出不同甚至相反的作用。MG可通过CX3CL1-CX3CR1信号通路影响光感受器细胞形成。CX3CL1-CX3CR1信号通路与MG活化之间存在着密切的关系,CX3CR1缺乏导致ONL中活化为M1型MG积累增多并且光感受器脆弱性增加。抑制CX3CR1信号通路可导致纤毛蛋白分布改变和外节段延伸失败并最终导致视锥细胞受损[28]。rd10小鼠中敲除CX3CR1观察到视网膜ONL变薄,表明CX3CR1缺乏导致视杆细胞损失,也加剧视锥细胞的形态变化和功能丧失。另一方面,缺乏CX3CR1的MG显示吞噬作用增强,炎症细胞因子和M1型MG激活标志物表达增加。外源性CX3CL1给药可增强rd10视网膜中CX3CL1-CX3CR1信号转导,有效减少M1型MG激活和吞噬作用,改善光感受器变性的结构和功能特征,提示CX3CL1-CX3CR1信号通路可通过负向调节光感受器的MG吞噬和抑制MG向M1型活化而发挥神经保护作用[29]。视网膜光损伤过程中,CX3CL1和CX3CR1对MG发挥诱导活化的作用,趋化MG向M1型活化并分泌肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白细胞介素1β(IL-1β)等炎症因子,诱导过度炎症反应,造成神经损伤,进而加重光感受器细胞凋亡。由此可见,MG激活与光感受器的损伤有着直接联系,通过调控CX3CL1-CX3CR1信号通路影响MG活化可能成为阻止神经元细胞损伤和提高存活的一种治疗方式。

3.3 微小RNA

微小RNA(miRNA)是一类高度保守的非编码小分子RNA,一般由约22个核苷酸构成,通过与靶基因miRNA的3’非翻译区(UTR)互补或部分互补结合,使其降解或抑制其翻译,从而参与细胞增殖、凋亡、分化和代谢等多种生物学过程。研究表明,多种miRNA可以调节免疫反应和炎症反应,并能影响炎症因子的表达。Bian等[30]证明神经祖细胞来源的外泌体(NPC-exos)中包含的miRNA抑制M1型MG活化分泌促炎细胞因子,如TNF-α、IL-1β和环氧化酶-2,延缓RCS大鼠光感受器退化,防止ONL变薄,并减少光感受器细胞凋亡。有研究者将腺相关病毒(AAV)作为载体将miR-204前体递送至显性RP小鼠视网膜,结果显示,AAV-miR-204给药保留RP小鼠的视网膜功能,并且miR-204通过下调MG激活为M1型和抑制光感受器细胞死亡,使转基因视网膜的表达谱向健康视网膜的表达方向转变[31]。结果揭示,miRNA在减弱MG向M1型活化和维持光感受器细胞存活中的作用。Zhang等[32]研究表明,玻璃体内注射间充质干细胞来源细胞外囊泡(MSC-EVs)可改善rd10小鼠视功能,显著增加视网膜ONL厚度,提高光感受器细胞的存活率,延缓rd10小鼠光感受器细胞的死亡,其作用机制可能与MSC-EVs调节miR-146a-Nr4a3轴发挥的保护作用有关。miR-146a-5p以Nr4a3为靶目标负向调节核因子-κB信号通路和抑制炎症反应,miR-146a-5p的过表达下调M1型MG活化释放IL-1β、TNF-α和IL-6等促炎细胞因子,上调M2型MG活化释放抗炎细胞因子,从而保存rd10小鼠的视网膜结构和功能。综上所述,通过作用于miRNA可直接调节MG的活化发挥神经保护作用。

3.4 转化生长因子-β信号通路

转化生长因子β(TGF-β)是一种已知抑制MG的抗炎细胞因子,通过TGF-β1型受体(TGFBR1)和TGF-β2型受体(TGFBR2)发出信号[33],从而触发靶基因的下游表达。有研究表明[34],TGF-β诱导的神经保护通路被抑制后,MG激活为M1型后促进炎症细胞因子分泌进而导致视网膜组织的退行性变化。外源性TGF-β可以抑制M1型MG分泌TNF和IL-6 等炎症细胞因子[35]。Zöller等[36]用Cx3cr1CreERT2小鼠诱导MG中配体结合受体TGFBR2缺失,研究表明,TGF-β信号通路受阻促进MG向M1型活化,CCL2和CXCL10等促炎细胞因子分泌显著增加。在继发性视锥细胞变性的研究中发现,RP小鼠rd1模型经PLX5622处理后,体内的MG被消耗,无法分泌IL-1α、IL-1β和TNF等炎症因子。证明在继发性视锥细胞变性过程中MG活化对诱发视网膜炎症具有促进作用。为了进一步研究TGF-β基因对视网膜变性的影响,治疗组rd1模型小鼠采用AAV介导的绿色荧光蛋白(AAV8-GFP)联合AAV8-TGF-β1,对照组为AAV8-GFP,结果发现,TGF-β1处理小鼠中央视网膜视锥细胞数量是对照组小鼠的2倍,推测原因可能是TGF-β1抑制M1型MG的激活及其由此分泌的炎症因子,延长视锥细胞存活的生命周期,从而有助于挽救RP中视锥细胞的退化[37]。因此,以上研究结果揭示通过调控MG活化和发挥TGF-β受体信号机制可保护退化的视锥细胞和保存视功能。

4 结束语

目前围绕MG的治疗包括药物、干细胞移植和基因治疗等方法。研究表明,米诺环素可显著减少RP动物模型中MG介导的光感受器凋亡[38],并且可以改善RP患者视功能[39]。这些发现为应用米诺环素治疗视网膜病变提供了基础[40]。干细胞移植治疗[41-42]通过抑制MG激活,延缓光感受器退化。作为介导移植干细胞和受体细胞之间通信的外泌体,通过传递功能物质,如miRNA、脂质和各种蛋白质,诱导组织再生和减少炎症[43-44]。

RP可被视为一种神经系统炎症,免疫平衡改变可激活MG和破坏血-视网膜屏障。研究表明,RP病程中,MG不仅具有损伤作用,也有保护作用。明确MG活化在特定环境中的作用机制,充分利用好“双刃剑”,尽可能发挥保护作用,将是今后我们治疗RP的研究热点。通过干预MG异常活化可预防或减轻神经元死亡,并潜在地减缓RP的发生和进展,有望成为治疗RP的新选择。