小胶质细胞的发育及在中枢神经系统的功能研究进展

李忠秋，焦建伟

（中国科学院动物研究所，北京 100101）

小胶质细胞是广泛分布于中枢神经系统（central nervous system，CNS）的一类巨噬细胞，属于神经胶质细胞的一种，占整个CNS胶质细胞数量的5%～20%，是CNS极为重要的常驻免疫细胞。小胶质细胞在异常激活状态以及“静止”状态，对CNS的功能均发挥着重要作用。

1 小胶质细胞的起源

关于小胶质细胞的起源目前尚存在着一定的争议，但主流观点认为其主要来源于胚胎发育中胚层。最早在19世纪末由Franz Nissl和F.Robertson首次通过免疫组化实验发现小胶质细胞；直到20世纪20年代，Hortega发明了碳酸银染色法才将小胶质细胞与少突胶质细胞区分开来，并命名了小胶质细胞。Hortega的经典见解认为小胶质细胞来源于中胚层，在胚胎发育后期形成血管时进入脑内所形成的［1］。

有些人认为小胶质细胞来自于单核巨噬细胞系统。20世纪90年代，Hickey等［2］利用射线破坏动物造血系统，然后利用骨髓移植技术重建造血功能，发现骨髓来源的具有巨噬细胞特性的小胶质细胞出现在动物的软脑膜、脉络膜和脑组织中。免疫组织化学显示，小胶质细胞是脑内唯一具有单核巨噬细胞特性的细胞，更说明小胶质细胞来源于单核巨噬细胞系统。他们观察到巨噬细胞在软脑膜与室管膜中的更新速度很快，但脑实质内的骨髓来源巨噬细胞更新较慢。后续有人通过转基因技术重建动物骨髓造血系统同样脑内来自供体的小胶质细胞比例很少［3］，说明在胚胎发育期进入脑内的小胶质细胞寿命较长或具有自我更新能力。

由于小胶质细胞属于CNS的巨噬细胞，因此有人认为小胶质细胞来源于骨髓源祖细胞，在胚胎发育早期进入CNS发育为小胶质细胞。McKercher等［4］发现，在缺乏转录因子 PU.1（Pu.1-/-小鼠）的小鼠髓系细胞不能分化为巨噬细胞与中性粒细胞，且在小鼠CNS中未检测到小胶质细胞。至少说明小胶质细胞发育经过髓系巨噬细胞系发育过程。但是最新的研究表明，小胶质细胞并非来源于骨髓源髓系祖细胞，而是来源于原始髓系祖细胞，原始髓系祖细胞产生于E8之前的卵黄囊中。在原始造血过程中，原始髓系祖细胞首先迁移到发育的神经管，然后在E9当血管生成后进入胚胎，然后分化为小胶质细胞［5-7］。

2 小胶质细胞的功能状态

小胶质细胞从形态学上可分为分枝样和变形虫样2种。而根据其功能状态分为静息状态与活化状态。不同形态的小胶质细胞分别对应着不同的功能状态。传统分类上一般将分支样小胶质细胞归为静息状态，而变形虫样小胶质细胞归为活化状态。静息状态下的小胶质细胞在某些条件刺激下可从分枝样转变为活化状态的变形虫阿米巴样小胶质细胞，且该过程可逆。

3 静息状态小胶质细胞的功能

小胶质细胞作为CNS最重要的免疫细胞，具有高度的敏感性，中枢神经受到轻微的刺激或损伤即可激活小胶质细胞［8］。因此，通过一般实验手段观察静息状态下的小胶质细胞异常困难。双光子显微镜技术的发明使得观察到静息状态的小胶质细胞成为可能。

3.1 对神经元的监视与调控

Nimmerjahn等［9］通过该技术观察绿色荧光蛋白（green fluorescent protein，GFP）标记的趋化因子 CX3C 受 体 1（CX3C chemokine receptor 1，CX3CR1），发现活体小鼠（CX3CR1GFP/+）脑内静息状态下的小胶质细胞并非处于“静息”状态，而是在脑部处于一种非常活跃的状态，小胶质细胞随胞外ATP浓度的变化而发生迁移与伸展。并且在非病理条件下，既可与神经元突触进行接触，还与星形胶质细胞发生接触。Sudo等［10］发现，位于神经元轴突附近的小胶质细胞的细胞膜有类似连接的结构，通过丛状伸展的突起神经元轴突发生联系。Wake等［11-12］发现，小胶质细胞与突触接触的频率与神经元活动呈正相关，当体温下降或给对双侧视网膜注射河豚毒素后，小胶质细胞与突触的接触频率降低。且有报道，小胶质细胞与神经元混合培养过程中，与神经元邻近或接触的小胶质细胞的激活程度远大于远隔的小胶质细胞。Koshinaga等［13］证实了小胶质细胞的激活是脑内机制，并不需要依赖血液免疫细胞或相关成分。说明小胶质细胞是通过与神经元的直接或间接联系激活。因此，“静息”状态下的小胶质细胞时刻对CNS起到“监视”作用，一旦发生异常，即可激活小胶质细胞发挥相应功能。

3.2 对神经发育及突触的调控

近年来研究发现，静息状态的小胶质细胞不仅对神经元突触具有监视作用，还在维持神经系统微环境的动态平衡中发挥重要作用。在脑部海马区发育早期，神经祖细胞向神经母细胞发育过程中存在大量细胞凋亡，小胶质细胞在清除凋亡细胞方面发挥了主要作用［14］。与突触形成处于同一时期的小胶质细胞在胚胎发育早期由卵黄囊产生并进入CNS，通过分泌生长因子来促进早期神经元突触的形成［15］。随后的神经发育过程中，小胶质细胞通过吞噬突触前端膜方式而在突触修剪中发挥重要作用。Paolicelli等［16］发现，抑制小胶质细胞的功能后，脑部突触修剪发生延迟，造成突触发育迟缓，树突棘异常增多，从而影响了脑部神经电生理活动。特异性敲除小鼠小胶质细胞特异性受体CX3CR1后，出现明显的突触修剪，且海马区观察到异常兴奋性突触后电位，且白细胞介素1β（interleukin 1β，IL-1β）表达增加，导致突触长时程增强作用降低［17-18］。研究表明，小胶质细胞的功能缺失可导致突触功能异常。小胶质细胞还可通过分泌肿瘤坏死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）及ATP影响突触的可塑性以及兴奋性后电位的释放。Parkhurst等［19］发现，小胶质细胞可通过分泌脑源性神经营养因子来影响突触的可塑性，进而影响学习与记忆。以上研究结果表明，静息状态下的小胶质细胞对神经发育及突触可塑性方面发挥了重要作用。

4 活化状态小胶质细胞的功能

正常生理状态下，静息状态小胶质细胞与神经元之间存在着内稳态关系，许多由神经元产生的抑制因子抑制了小胶质细胞的活化。但当CNS发生病理性改变或受到非常微弱的刺激时都会导致小胶质细胞的活化。如当CNS遭到损伤时，小胶质细胞通过感受胞外信号的变化，如胞外钙离子浓度升高以及邻近损伤细胞ATP的释放都会激活小胶质细胞迁移至损伤区域清理吞噬受损细胞及碎片［20-21］。小胶质细胞的活化表现为在局部不同程度的增生与聚集。在细胞形态方面表现为由分枝状转变为凸起回缩、胞体相对增大的阿米巴样巨噬细胞形态。在免疫表型方面表现为一些免疫分子如主要组织相容性复合物Ⅱ（major histocompatibility complexⅡ，MHCⅡ），CD86和CD80等表达增强，增强细胞吞噬功能。功能方面表现为分泌多种类型介质，包括细胞毒性分子一氧化氮（nitric oxide，NO）和氧自由基等；炎症因子如IL-1β，IL-6，TNF-α和INF-γ等；抗炎症因子如IL-10、转化生长因子β和神经生长因子（nerve growth factor，NGF）等［22-23］。

4.1 活化小胶质细胞的分型

目前根据表型及功能将活化小胶质细胞分为M1型与M2型。M1型小胶质细胞高表达MHCⅡ，CD86，CD80，CD11b，CD16和CD32等。而M2型小胶质细胞则高表达YM1，Arg1，CD206，HO-1和胰岛素样生长因子1（insulin like growth factor 1，IGF-1）等，其中CD206主要涉及抗原呈递与处理，YM1和Arg1参与修复与再生［24］。小胶质细胞的活化状态由许多因素所决定，如内环境细胞因子水平的改变、侵染病原体的类型、刺激的强度与时间等。不同的活化状态发挥着不同的生理功能。如在炎症因子IFN-γ、LPS、损伤细胞及微生物碎片的影响及作用下活化为M1型小胶质细胞，而在TGF-β，IL-4和IL-10等细胞因子的作用下，极化为M2型。M1型小胶质细胞通过分泌TNF-α，IL-12和IL-23以及多种趋化因子和炎症因子，来清除病原体、损伤和肿瘤细胞来发挥免疫效应，但过多的释放炎症介质如NO、氧自由基等也会引起神经毒性，损伤正常神经细胞，加重神经损伤［25］。M2型小胶质细胞则可通过分泌多种抗炎因子如TGF-β、IL-10、糖皮质激素等抑制炎症进程［26］，同时通过分泌一些神经营养因子如NGF及胶质细胞源性神经营养因子（glial cell derived neurotrophic factor，GDNF）等促进损伤神经的修复与再生。

4.2 活化小胶质细胞的表面受体

当小胶质细胞活化后，其表达的表面受体主要有清道夫受体（scavenger receptor，SR）、Toll样受体（Toll-like receptor，TLR）、髓样细胞表达的激发受体2（triggering receptor expressed on myeloid cells-2，TREM-2）、CD200受体（CD200R）、CX3CR1、巨噬细胞抗原复合物1（macrophage-1 antigen，MAC1）、甲酰肽受体（formyl peptide receptor，FPR）和补体受体（complement receptor，CR）等。

4.2.1 清道夫受体

SR主要功能为吞噬细胞表面的异质性分子，参与细胞间的黏附与细胞碎片等相关配体的内吞。小胶质细胞表面表达SRA-A，SRB-B，CD36和CD68等SR。当神经元损伤时释放ATP吸引小胶质细胞迁移至损伤位点，SR与外翻的磷脂酰丝氨酸结合，将细胞碎片吞噬。SRA-A能与β-淀粉样蛋白（amyloid β-protein，Aβ）结合并被激活后，可以促进小胶质细胞以及星形胶质细胞对于Aβ低聚物的吞噬。CD36可通过抑制前列腺素E2通路介导对Aβ的吞噬过程［27］。

4.2.2 Toll样受体

TLR是非特异性免疫反应中一种重要的模式受体，可识别病原相关模式分子。目前，已发现的12种TLR在小胶质细胞上可表达TLR1～TLR9［28］。研究发现，TLR4敲除后可减缓由高氧引起的小胶质细胞TNF-α及ROS的增加对于神经元的凋亡及认知功能的影响。且在TLR2基因缺失的小鼠中伴随着Aβ的加速形成。检测阿尔茨海默病（Alzheimer disease，AD）患者及AD相关动物模型发现TLR2和TLR4表达增加，与Aβ关联的小胶质细胞的TLR2，4，5，7和9 mRNA水平上升［29］，说明TLR与Aβ清除密切相关。

4.2.3 髓样细胞表达的激发受体

TREM-2不仅在降低炎症反应过程中发挥重要作用，同时在吞噬作用中也发挥重要作用。TREM-2活性增加一般伴随着吞噬活性增加、炎症作用降低，促进神经元的修复［30］。

4.2.4 CD200受体

CD200R属于Ⅰ型膜糖蛋白，限制性地表达于髓系细胞系。而CD200R通过与主要表达于神经元与内皮细胞的CD200配体结合保持静息状态。当敲除CD200后，小鼠小胶质细胞异常激活。在AD患者脑中，CD200表达降低，促进其表达的抗炎因子IL-4表达也出现降低，进一步导致了小胶质细胞的活化［31］。

4.2.5 趋化因子CX3C受体1

CX3CR1是唯一表达于CNS中小胶质细胞上的趋化因子受体。与CD200R和CD200相似，CX3CR1通过与神经元分泌的趋化因子CX3CL1结合保持静息状态，敲除CX3CR1可导致小胶质细胞异常激活。

4.2.6 巨噬细胞抗原复合物1

MAC1受体介导细胞吞噬的免疫过程。MAC1受体通过与炎性小胶质细胞或退化神经元释放的高迁移率族1结合，使P47膜转位产生超氧化物损伤神经元，敲除MAC1后可阻断由此造成的神经退行性病变［32］。

4.2.7 甲酰肽受体

FPR属于G蛋白偶联家族，主要参与宿主防御病原体过程。小鼠的FPR1在参与Aβ诱导胶质细胞信号转导过程中发挥了关键性作用。且FPRL1和FPRL2均参与对Aβ42吞噬的调节，表明FPR在AD过程中发挥重要作用。

4.2.8 补体受体

小胶质细胞表达CR可加快Aβ的清除并减缓神经退行性病变的进程。研究发现，小胶质细胞激活后CR1的表达明显增加，抗体封闭CR1后对于Aβ的吞噬减少，说明CR参与了Aβ的清除过程。

4.3 小胶质细胞活化与神经系统疾病

小胶质细胞作为CNS唯一常驻的免疫细胞，在CNS疾病发病过程中发挥着重要的作用。近年来报道，小胶质细胞在慢性神经退行性疾病如AD、帕金森病（Parkinson disease，PD）以及脱髓鞘等相关疾病，如多发性硬化（multiple sclerosis，MS）方面都起着重要作用［33］。小胶质细胞在神经系统相关疾病机制与功能见表1。

表1 小胶质细胞与神经系统疾病

AD的发病率随人类预期寿命的增加呈逐年上升趋势［34］。AD患者病理特征主要为大脑皮质及海马区Aβ沉积形成老年斑［35］；tau蛋白过度磷酸化形成的神经元纤维缠结；神经元突触功能异常以及胆碱能神经元的丢失。Aβ作为AD疾病重要的病理特征是激活小胶质细胞的主要原因。AD患者脑病理检查发现，老年斑周围有活化的小胶质细胞聚集及浸润［36］。斑块的刺激使小胶质细胞活化释放炎症因子同时细胞表面相关受体如SR等表达发生改变［37］。小胶质细胞相关受体通过与Aβ结合从而发挥清除作用。另一方面，由于小胶质细胞在Aβ不断地刺激下释放炎症因子，其产生的神经毒性作用进一步加剧了AD的进程。

PD主要临床表现为运动迟缓、肌肉强直、静止性震颤和认知神经功能障碍等，病理表现为中脑和脑黑质神经末梢的多巴胺能神经元变性坏死。且残余的多巴胺能神经元内出现一种名为路易小体的嗜酸性包涵体，导致多巴胺合成分泌的大量减少而出现神经功能异常。研究发现，路易小体中的α-突触核蛋白可激活小胶质细胞，当小胶质细胞吞噬的α-突触核蛋白超过其消化能力时就会使小胶质细胞异常激活［38］。另外，PD患者脑中的C反应蛋白也出现表达上调，其作为经典补体通路的蛋白同样可激活小胶质细胞。同时受损的多巴胺能神经元会释放大量炎症因子同样可激活小胶质细胞。激活的小胶质细胞可释放大量的炎症介质如TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-12、IL-18、IL-23、前列腺素、iNOS、COX-2、NO和NADPH氧化酶等［39］。研究表明，激活后小胶质细胞不仅通过炎症细胞因子激活炎症信号通路对神经元产生损伤，还通过氧化应激反应释放氮基团与活性氧自由基对神经元起到强烈的神经毒性作用［40］。上述证据表明，激活的小胶质细胞参与了PD多巴胺能神经元变性坏死的过程。

CNS脱髓鞘疾病是由于少突胶质细胞受损或发育障碍或其他因素造成的髓鞘损伤引发的疾病。而MS是常见的中枢系统炎性脱髓鞘疾病，是体液免疫与细胞免疫共同介导的脑和脊髓损伤为主的自身免疫性疾病。主要病理特点为髓鞘缺失、神经胶质细胞增生，轴突病变进行性神经功能障碍与病程的反复性。研究表明，在MS患者CNS内被激活的小胶质细胞通过炎症反应释放大量的活性氧簇作用于髓鞘，破坏其线粒体呼吸链导致能量代谢异常最后造成组织损伤引发脱髓鞘。同时活化的小胶质细胞还通过产生NOS生成大量NO破坏血脑屏障，引起轴突脱髓鞘从而加重病情［41-42］。

5 展望

小胶质细胞作为CNS常驻的免疫细胞，在CNS的发育、正常生理功能的维持以及CNS相关疾病发展中均发挥着重要作用。而目前对于小胶质细胞的起源、分化、迁移和激活机制以及相关功能等尚未明了。尤其是活化后的小胶质细胞在不同的病理及生理状态下功能机制亟待发现，对于开发治疗CNS损伤疾病的靶向过度激活后小胶质细胞的药物将会有极大助益。

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