小膠質細胞極化狀態(tài)與腦缺血再灌注損傷關系的研究 進展

李想，蔡樂，王勇,2(通信作者*)

（1.廣西腫瘤免疫與微環(huán)境調控重點實驗室，廣西 桂林 541199；2．桂林醫(yī)學院生理學教研室，廣西 桂林 541199）

0 引言

隨著我國人口老齡化以及人民生活水平提高，腦卒中的患病率顯著上升，其高致死率及致殘率給家庭和社會造成了嚴重負擔，已成為威脅人類生命的最主要疾病之一。當發(fā)生缺血性腦卒中時，首要治療方式就是及時恢復血流，但腦組織發(fā)生一段時間缺血缺氧后，恢復血流再灌注，其功能不但無法恢復，反而會加重其結構和功能的破壞，即發(fā)生了腦缺血再灌注損傷(cerebral ischemia-reperfusion injury，CIRI)，進一步加重神經(jīng)細胞損傷。同時，這些反應也會進一步刺激小膠質細胞產(chǎn)生相關的免疫應答，從而發(fā)揮神經(jīng)保護或神經(jīng)毒性作用。本文主要就小膠質細胞極化狀態(tài)在腦缺血再灌注損傷中發(fā)揮的作用展開綜述。

1 小膠質細胞概述

神經(jīng)系統(tǒng)是人體最為復雜的一個系統(tǒng)，由神經(jīng)細胞、膠質細胞，小膠質細胞、腦膜組成細胞以及血管等所組成。1932年，Hortega用碳酸銀法清楚地識別出中樞神經(jīng)系統(tǒng)內具有吞噬，遷徙功能的細胞，他提出這些細胞這是由中胚層來源，將其描述為中樞神經(jīng)系統(tǒng)的非神經(jīng)元，非星型膠質細胞，且不同于中性粒細胞和少突膠質細胞，并命名為神經(jīng)小膠質細胞[1]。也有其他研究者認為，小膠質細胞由卵黃囊原始的巨噬細胞產(chǎn)生的，并在成年后的中樞神經(jīng)系統(tǒng)(Central Nervous System，CNS)中持續(xù)存在[2]。經(jīng)過學者們多年的研究，小膠質細胞的來源大致被分為幾個觀點：①神經(jīng)外胚層；②外周中胚層/間葉組織；③骨髓內造血干細胞或單核細胞；④卵黃囊。即使小膠質細胞起源還未被完全證實，但學者們廣泛認為小膠質細胞是具有不同發(fā)育起源的CNS常駐巨噬細胞。小膠質細胞位于神經(jīng)結構的附近，其形態(tài)呈高度分枝狀，具有三級和四級分枝結構，且細胞間的分枝很少發(fā)生重疊[3]。作為大腦間質細胞，小膠質細胞可為神經(jīng)細胞提供營養(yǎng)，對神經(jīng)細胞的生長發(fā)育起到支持作用，作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)內固有的免疫效應細胞，小膠質細胞可以敏銳地監(jiān)測大腦內神經(jīng)元的狀態(tài)[4]，可修剪或清除神經(jīng)細胞正常發(fā)育過程中多余或受損突觸，吞噬壞死或凋亡的神經(jīng)細胞，可以說小膠質細胞參與了神經(jīng)細胞從胚胎到成熟再到凋亡的整個過程。小膠質細胞通常處于靜止狀態(tài)，而受到刺激后極化狀態(tài)分為M1表型與M2表型[5]，M1表型主要分泌促炎因子，如白介素IL-1β(Interleukin-1β，IL-1β)、誘導型一氧化氮合成酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS)、腫瘤壞死因子-α(tumor Necrosis Factor-α，TNF-α)等，誘導組織或細胞產(chǎn)生氧化損傷，加重炎癥反應。M2表型主要分泌抗炎因子，如IL-10、轉化生長因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)等，發(fā)揮其抗炎、修復、再生等作用。正常狀態(tài)下，二者處于動態(tài)平衡。不同刺激使小膠質細胞從靜息狀態(tài)向不同表型的極化狀態(tài)激活，發(fā)揮神經(jīng)損傷或者神經(jīng)保護作用。

2 小膠質細胞極化狀態(tài)與CIRI的關系

2.1 小膠質細胞極化狀態(tài)與CIRI炎性反應的關系

炎性反應在CIRI病理生理過程中發(fā)揮著重要作用，而小膠質細胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的先天免疫細胞，介導CIRI的神經(jīng)炎性反應。腦缺血后，可引起包括神經(jīng)元在內的細胞壞死，產(chǎn)生活性氧，釋放細胞因子(如 TNF-α、IL-lβ、IL-6)等炎性介質，將靜息狀態(tài)的小膠質細胞激活成M1型，釋放更多炎癥介質，如基質金屬蛋白酶、iNOS以及活性氧等，引起腦組織水腫，血管通透性增加，促使更多神經(jīng)細胞死亡[6]。因此，抑制小膠質細胞釋放促炎因子，增加抗炎因子釋放，可能是減輕腦缺血再灌注損傷的重要方式。張秀麗[7]等人建立脂多糖誘導的大鼠小膠質細胞 HAPI 細胞炎癥模型，觀察到誘導后的HAPI細胞胞體變大，突觸變粗變短，呈阿米巴型，促炎性因子的表達水平顯著升高；抗炎性因子表達水平顯著降低，給予藥物治療后促炎因子表達水平降低，而抗炎因子表達水平升高，同時細胞胞體脹大部分恢復，突觸變長，且細胞數(shù)量增多。在腦缺血早期抑制小膠質細胞向M1型極化，并刺激其向M2型極化，維持腦內M1與M2型的動態(tài)平衡，進而就可減輕CIRI以及改善腦組織功能恢復。Shadamu等人[8]用大鼠進行體內大腦中動脈閉塞(middle cerebral artery occlusion，MCAO) 體內模擬CIRI，同時用BV2細胞進行氧糖剝奪(oxygenand glucose deprivation，OGD)模型實驗體外模擬CIRI，發(fā)現(xiàn)M1標志物和M2標志物表達顯著增加。此外，給予大鼠注射轉運蛋白(Translocator protein，TSPO)的配體 PK11195 抑制了M1極化標志物，但促進了M2極化標志物的表達，顯著逆轉了大鼠 MCAO 后的神經(jīng)損傷。體外研究表明，敲低TSPO促進了M1極化但抑制了M2極化，伴隨著細胞活力的顯著降低。相反，TSPO過表達抑制了M1極化，促進了M2極化，并顯著提高了細胞活力。這些實驗，進一步證實可通過改變小膠質細胞極化狀態(tài)，發(fā)揮減輕炎性反應，保護神經(jīng)細胞的作用。

2.2 小膠質細胞極化狀態(tài)與CIRI自噬的關系

自噬是一種細胞內平衡機制，消化其自身成分的過程，通過該過程可消除細胞中多余或受損的細胞器，錯誤折疊的蛋白質以及入侵的微生物[9]。研究證明，CIRI發(fā)生與自噬有關[10,11]，適當?shù)淖允煽杀Ｗo神經(jīng)細胞，減輕CIRI引起的組織損傷，然而過度激活自噬引發(fā)自噬性死亡，造成不可逆損傷。小膠質細胞主要介導了細胞炎性反應，自噬本身是細胞內炎性反應的調節(jié)劑，自噬在小膠質細胞促炎或抗炎表型轉化中起著至關重要的作用。Qin等人[12]為了探討自噬是否參與小膠質細胞極化的調節(jié)，使用自噬抑制劑渥曼青霉素抑制了脂多糖(Lipopolysaccharide，LPS)誘導的自噬，同時小膠質細胞中的促炎因子表達水平降低，抗炎因子的表達水平?jīng)]有改變，這些結果表明自噬參與了小膠質細胞促炎狀態(tài)的激活。然而Jin等人[13]實驗發(fā)現(xiàn)，在創(chuàng)傷性腦損傷后大鼠小膠質細胞被激活，炎性因子分泌增加，而在使用自噬抑制劑3-甲基腺嘌呤(3-Methyladenine，3-MA)后，細胞自噬被抑制的同時小膠質細胞炎性極化狀態(tài)增強，神經(jīng)細胞凋亡增多。Bussi等人[14]使用雷帕霉素和海藻糖誘導了BV2小膠質細胞的自噬后，明顯減少了LPS和α-突觸核蛋白刺激BV2細胞所產(chǎn)生的炎性因子以及降低了神經(jīng)元細胞死亡，使用3-MA抑制自噬后，炎性因子反而增加。Fu等人[15]研究發(fā)現(xiàn)，在OGD后通過藥物促進BV2小膠質細胞中的自噬來抑制 NLRP3 炎性小體的活化，并且炎性因子IL-1β表達降低，說明小膠質細胞炎性極化狀態(tài)減輕，起到神經(jīng)保護作用，對CIRI起到改善作用。相反的，Wang等人[16]通過轉染敲除C1q腫瘤壞死因子相關蛋白(Complement C1q Tumor Necrosis Factor-Related Protein 1，CTRP1)顯著增強了 OGD誘導的自噬并增加了促炎因子TNF-α、IL-1β和 IL-6等釋放，而重組CTRP1或CTRP1過表達減弱了BV2小膠質細胞中OGD誘導的自噬和炎癥反應，證明通過調控自噬可使小膠質細胞向促炎或抗炎表型極化，對CIRI起到加重或保護的作用。大量研究證明，小膠質細胞的極化與細胞自噬密切相關，可能通過不同途徑潛在調節(jié)小膠質細胞兩種極化狀態(tài)平衡，或許可以通過合理地調控自噬，進一步調節(jié)小膠質細胞在促炎和抗炎之間平衡，對CIRI起到改善作用。

2.3 小膠質細胞極化狀態(tài)與CIRI內質網(wǎng)應激的關系

內質網(wǎng)是蛋白質合成、運輸和維持細胞內Ca2+穩(wěn)態(tài)的主要細胞器。內質網(wǎng)應激(endoplasmic reticulum stress，ERS)是機體發(fā)生炎癥、缺血、缺氧、氧化應激等因素導致內質網(wǎng)中錯誤折疊和未折疊蛋白的積累，導致細胞生理功能紊亂的狀態(tài)。內質網(wǎng)應激時未折疊蛋白反應(unfolded protein response，UPR)被啟動，UPR調控促炎因子釋放，然而內質網(wǎng)應激與炎癥反應是相互作用的，IL-1β、TNF-α 等炎癥介質的釋放也會加速UPR的活化，釋放更多的炎癥因子，產(chǎn)生炎癥反應的惡性循環(huán)[17]。因此在發(fā)生CIRI時，內質網(wǎng)應激刺激小膠質細胞發(fā)生極化，釋放炎性因子，而釋放的炎性因子進一步加重內質網(wǎng)應激。Mo[18]等人發(fā)現(xiàn)內質網(wǎng)應激相關蛋白IRE1a的過表達，會增加炎性因子的分泌，加重小膠質細胞OGD/R后的炎性反應。Zhu[19]等人實驗證明通過抑制內質網(wǎng)應激，可減少OGD/R后原代小膠質細胞以及BV2細胞的極化，并且減少MCAO模型大鼠的腦梗死面積，起到神經(jīng)保護作用?？梢姡∧z質細胞的極化與內質網(wǎng)應激相互作用，共同影響CIRI，若能靶向調控內質網(wǎng)應激，即可有效減少小膠質細胞極化，更好地起到神經(jīng)保護作用。

2.4 小膠質細胞極化狀態(tài)與CIRI相關信號轉導通路的關系

CIRI發(fā)生機制與自由基生成過多、白細胞大量聚集、興奮性氨基酸毒性以及胞內鈣離子超載等因素有關。研究表明，CIRI的病理生理過程涉及到內質網(wǎng)應激、炎性反應、細胞凋亡與自噬等[20-22]。同樣，有數(shù)個細胞信號通路調控著CIRI病理生理過程。核轉錄因子-κB(Nuclear factor kappa B，NF-κB)是細胞內的一種重要核轉錄因子，通過對一系列基因的表達和調控，參與腦缺血后神經(jīng)元損傷、血腦屏障破壞和炎癥反應等多種病理進程[23]。有多項研究發(fā)現(xiàn)，NF-κB信號通路激活與小膠質細胞極化具有相關性，并且影響著CIRI。體內OGD實驗以及體外MCAO實驗的小膠質細胞被激活后通過TRAF2/NF-κB信號通路加重神經(jīng)元炎性損傷[24]。使用藥物通過下調TLR4/Myd88/TRAF6 信號通路抑制NF-κB磷酸化，可使小膠質細胞從M1表型過渡到M2表型，減輕炎癥反應，減少神經(jīng)元損傷[25]。迷走神經(jīng)刺激可以通過抑制缺血性腦卒中的TLR4/MyD88/NF-kB 通路，促進小膠質細胞M2表型極化并抑制M1表型胞極化以減輕腦損傷[26]。Notch信號通路異常與多種中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)生有關。有研究證明[27,28]，通過藥物可抑制缺血缺氧后的小膠質細胞中Notch信號通路相關蛋白的表達，同時減輕小膠質細胞促炎表型極化，減少炎性因子釋放，起到神經(jīng)保護作用，證明小膠質細胞極化可能與Notch信號通路有關。單腺苷酸活化蛋白激酶(AMP actived protein kinase，AMPK)是內源性防御分子，在CIRI發(fā)病過程中，具有抗炎抗凋亡的作用，減輕神經(jīng)細胞損傷[29,30]。Gan等人[31]使用領苯二甲內酯衍生物CD21激活AMPK后，發(fā)現(xiàn)在MCAO模型小鼠腦組織中以及OGD后BV2細胞中的M1表型標志物減少了，同時M2表型標志物有所增加，這表明通過激活AMPK可誘導小膠質細胞向M2表型極化來減輕缺血后神經(jīng)炎癥。AMPK/mTOR 信號通路是一個凋亡與自噬的重要調控途徑。Xu等人[32]實驗證明可通過激活AMPK/mTOR途徑使小膠質細胞從M1表型向M2表型轉變，從而預防CIRI。上述多項研究證明，這些信號通路可通過調控小膠質細胞的M1與M2極化狀態(tài)從而調控CIRI病理生理過程。

3 小結與展望

CIRI的發(fā)生機制十分復雜，在臨床治療上仍未有顯著突破。小膠質細胞在體內平衡受到身體傷害或其他刺激后變得特別活躍，并且使它們進入極化狀態(tài)，這很大程度上是取決于病變性質和嚴重程度，同時也會影響疾病發(fā)展。但是，目前小膠質細胞激活機制仍未完全明了，小膠質細胞極化狀態(tài)有利有弊，深入了解小膠質細胞激活的機制，調節(jié)好M1型與M2型的平衡關系，可能有助于為CIRI臨床治療提供新思路，成為治療突破的關鍵。