小胶质细胞及其相关炎性信号通路①

凌真真 张雪竹

(天津中医药大学，天津300000)

1 小胶质细胞的生物学特性

1.1来源和形态、行为学特征 19世纪，德国精神病学家Nissl首次描述了小胶质细胞。多年来，人们对小胶质细胞的起源进行了大量的研究，但仍存在争议。大多数的研究者认为，中枢神经系统中的小胶质细胞主要起源于中胚层的骨髓造血干细胞，它们首先分化为单核细胞，再以该形式通过血液循环系统进入大脑[1]。

小胶质细胞属于单核巨噬细胞系的细胞，具有很强的形态可塑性，在脑内不同微环境下，其形态可发生明显改变[2]。在正常大脑中，小胶质细胞呈高度分支状，它们不吞噬细胞或组织，却以非常高的频率不断伸缩细胞突起。小胶质细胞的这种行为特性为大脑提供了一个高度动态和高效的检测系统，并通过调控大脑功能、神经环路的重塑以及吞噬清除细胞碎片和有害物质，维持CNS稳态[3]。当脑内发生感染、炎症、创伤或其他神经系统疾病时，小胶质细胞迅速被激活。被激活的小胶质细胞胞体增大、突起变短或消失、细胞呈圆形或阿米巴状，吞噬功能及迁移作用随之增强[4]。

1.2生物学功能

1.2.1与神经元间相互关系 小胶质细胞在中枢神经系统神经元突触的删除和重建过程中起着相当重要的作用[5]。有研究表明，小胶质细胞可能通过其补体蛋白C3将无用的突触清除；缺失补体蛋白C1q或其下游的补体蛋白C3的小鼠，中枢神经系统内的突触发生清除缺陷[6]。小胶质细胞不仅参与突触的删减，小胶质细胞还可以通过释放血小板反应素促进神经突触的形成[7]。

另外，Li等[8]利用在体双光子实时成像技术，在斑马鱼中发现，神经元活动增强会吸引小胶质细胞突起向其延伸，并对其进行负反馈调节作用。因此小胶质细胞对于维持神经元正常生理功能具有非常重要的意义。

1.2.2参与血脑屏障形成 通过对大脑血管的电镜观察发现，小胶质细胞突起可以与血管外星形胶质细胞以及血管内皮细胞共同参与血管屏障的形成，从而提示小胶质细胞还具有维持和检测血脑屏障完整性的功能[9]。

1.3脑卒中与小胶质细胞

1.3.1小胶质细胞极化 小胶质细胞在正常情况下主要起免疫监视的功能，但当脑缺血缺氧损伤时，小胶质细胞可被迅速激活。根据活化后小胶质细胞作用的不同，将其分为:M1型和M2型。M1型为经典激活型，在降低细胞吞噬作用的同时，产生大量的细胞毒性物质，如分泌白介素-1β(IL-1β)、γ-干扰素(TNF-γ)、IL-6、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)等促炎因子，促进一氧化氮以及活性氧的合成，从而对神经元及其他胶质细胞产生毒性作用。M2型被称为替代激活型，特点为吞噬细胞碎片或坏死的神经元，同时释放IL-4、IL-10、IL-13、TNF-β等抗炎因子，减少炎症的发生，促进神经元的存活，进而起到神经保护作用[10]。

1.3.2小胶质细胞极性的时间动态变化 近来研究发现，在脑缺血损伤中，脑内小胶质细胞的极性随着时间的变化而变化。在缺血后1～3 d，M2型的各种标志物及细胞因子如Arg1、Ym1/2等大量分泌，小胶质细胞的M2型逐渐增多，第3天左右达到最大值。而M1表型的小胶质细胞则与M2表型正好相反：在缺血后初期1～3 d表型较少，在缺血后7 d左右开始大量表达，M1型的各种标志物及细胞因子如iNOS、CD86等大量表达[11]。因此可以看出小胶质细胞随脑缺血损伤的表型变化：在损伤初期，M2型小胶质细胞表达较多，主要发挥组织修复和免疫抑制作用，随着时间推移，由于脑内受损的各种细胞释放的各种炎症因子的堆积，M1型小胶质细胞分化增多，以对中枢炎症更多做出反应。

1.3.3脑卒中后小胶质细胞与神经元之间的关系 脑卒中后复杂的炎症反应对神经元产生一系列影响，其中小胶质细胞在其中所起的作用是不可忽视的。Hoehn等发现给予脑缺血后的大鼠非甾体抗炎药物——吲哚美辛，其小胶质细胞激活被抑制，同时，其纹状体神经干细胞的数量及神经前体细胞(NPCs)的存活增加[12]。Jin等[13]发现脑缺血后长期给予二甲双胍可以促进小胶质细胞向M2型转化，并激活小胶质细胞的AMPK信号，从而促进神经发生，提高脑缺血后的功能恢复。另外 ，小胶质细胞参与脑缺血后神经干细胞的迁移。如脑缺血后皮层和纹状体激活的小胶质细胞MCP-1表达上调，同时其受体CCR2在新生神经干细胞上表达也上调，MCP-1或CCR2基因敲除的小鼠脑缺血后神经干细胞向纹状体募集显著减少[14]。小胶质细胞还与神经元的发生有关，如小胶质细胞CX3CR1信号敲除的小鼠，其海马神经发生降低并且认知功能障碍[15]。

2 小胶质细胞相关炎症信号通路

2.1Notch信号通路 Notch信号通路是通过与邻近细胞的相互作用控制细胞命运的一种重要的信号转导通路。哺乳动物中有4种Notch受体(Notch1-4)和5种Notch配体(Delta-like1/3/4、Jagged1和Jagged2)。

Notch信号通路的激活需要经过3部酶切过程：首先，Notch受体在高尔基体内被furin分子切割为2个片段，转运到细胞膜上形成异二聚体；当配体结合到胞外区，Notch蛋白发生2次酶切，酶切后释放出具有核定位信号的胞内区(NICD)进入细胞核与CSL结合，形成NICD/CSL转录激活复合体，从而调节下游基因的表达。

在中枢神经系统内，静息态和活化态小胶质细胞都表达Notch通路相关分子，且活化的小胶质细胞使Notch1及其配体Jagged1表达上调[16]。同时，激活Notch通路会加快小胶质细胞的活化及炎性细胞的浸润。有研究发现，用LPS刺激小胶质细胞后Notch1表达增高；阻断Notch1通路，IL-1β、IL-6及iNOS等促炎因子的表达降低[17]。另外，Grandbarbe等[18]发现，Notch通过其配体Jagged1激活小胶质细胞，并导致促炎细胞因子的分泌。

2.2Toll样信号通路 Toll样受体(Toll-like receptors，TLR)是一种Ⅰ型跨膜蛋白，有3个部分组成：能够识别细胞外病原体及组织损伤信号的胞外区、跨膜区、参与下游信号传导含有Toll/IL-1受体同源区(Toll/IL-1 receptor homologous region，TIR)胞内区[19]。TLR是一个受体家族，在人中已发现了10个成员，分别为TLR1-10，每种TLR能够识别不同的刺激物。如TLR4可识别革兰氏阴性菌细胞壁的成分LPS，TLR3能够识别病毒复制产生的双链RNA[20]。

TLR胞内区能够与包含TIR结构域的接头分子结合，进而激活信号通路。目前被发现的接头分子有4种，即MyD88、TIRAP、TRIF和TRAM。其中MyD88和TIRAP介导MyD88依赖性通路，而TRIF和TRAM介导MyD88非依赖性通路[19]。TLR受体中除了TLR3其他均能利用MyD88依赖性通路，而MyD88非依赖性通路可被TLR3和TLR4利用。MyD88依赖性通路以TLR4为例，TLR4激活后，通过TIR-TIR相互作用来招募MyD88和TIRAP，MyD88通过其死亡结构域与IL-1 受体相关激酶4(IRAK-4)相互作用。反过来IRAK-4激活IRAK家族其他成员IRAK-1，这个过程导致TRAF6的激活，然后TRAF6与E2泛素蛋白连接酶一起激活包含TGF-β激活激酶1(TAK1)、TAK1集合蛋白1(TAB1)、TAB2、TAB3的复合体，该复合体可激活触发MAPK和NF-κB通路[21]。另外，其中被激活的IRAK-1能够降解I-κB(NF-κB的抑制剂)启动炎性细胞因子如TNF、IL-6的转录。此外，TLR3与TLR4通过募集TRIF激活MyD88非依赖性通路，具体来讲，TRIF能够激活肿瘤坏死因子受体相关因子3(TRAF3)，活化的TRAF3可使干扰素调节因子3(IRF3)磷酸化，后者进入细胞核进而诱导抗病毒Ⅰ型干扰素相关分子α(IFN-α)、IFN-β的表达。并且TRIF能够通过TRAF6和受体相互作用蛋白1的活化激活NF-κB[22，23]。

TLR4是小胶质细胞活化并发挥功能的重要受体之一，有研究显示，健康人大脑白质的小胶质细胞广泛表达TLR2、TLR3、TLR4，而TLR4的表达最为丰富[24]。在CNS中，小胶质细胞表达的TLR4参与了生理、病理情况下的各种免疫反应。应用氧、糖剥夺法体外培养小鼠小胶质细胞模拟脑缺血再灌注模型，结果TLR4和NF-κB的mRNA表达上调、下游炎性细胞因子分泌增加[25]。Caso等[26]发现TLR4基因缺失小鼠脑缺血再灌注后不仅炎性细胞因子表达显著低于野生型小鼠，而且梗死范围更小、神经功能和行为学评分更优。缺血性脑损伤后小胶质细胞活化，TLR4表达上调及TLR4信号途径的激活，继而引起脑的炎性损伤。相反，TLR4功能的缺失可以起到神经保护效应。

2.3AMPK信号通路 单磷酸腺苷(AMP)激活的蛋白激酶(AMPK)是由催化亚基α、调节亚基β和γ组成的一个异源三聚体。α亚基为催化亚基，其第172位丝氨酸磷酸化位点可被AMPK上游激酶磷酸化。γ亚基含有 AMP 的结合位点，其与 AMP 结合后不仅能抑制蛋白磷酸化对α亚基的去磷酸化作用，以维持 AMPK 的活性，而且可使α亚基易被上游激酶激活。β亚基主要起连接作用。AMPK的上游激酶有三个：肝脏激酶B1(LKB)、Ca2+/钙调节蛋白依赖性蛋白激酶(Ca2+/CaMkkβ)和转化生长因子β活化激酶(TAK1)，其中卒中诱导的AMPK磷酸化被LKB1或CaMKKβ所引起[27]。

AMPK是细胞能量以及应激的主要感受器，在应激、缺氧缺血、剧烈运动、胞内AMP水平升高、ATP降低或AMP/ATP比例升高时都会引起AMPK的磷酸化，促进AMPK 的活化[28,29]。大量研究表明，AMPK与炎性信号通路密切相关[30,31]，且存在于啮齿类、人类的包括神经细胞、胶质细胞在内的所有脑组织细胞中[32]。

激活AMPK可通过多途径抑制炎性信号的关键转录因子NF-κB的活化，进而抑制炎性因子的表达。如AMPK可以激活依赖于烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的组蛋白脱乙酰酶(SIRT1)[31]、叉头蛋白O3(FOXO3)[33]抑制NF-κB信号通路，也可以通过氧化应激[34]进而抑制NF-κB信号通路[30]。由于AMPK在代谢及炎性通路中是一种核心的调控分子，其下游影响的信号通路较多且存在广泛串化，因此，AMPK通过抑制NF-κB信号通路进而抑制炎症反应的过程也是多途径的，具体细节通路需要进一步的研究。

2.4NF-κB信号通路 NF-κB是一种多效性的转录因子，几乎存在于所有类型的细胞中。在哺乳动物中，NF-κB/Rel家族包括五名成员：Rel(cRel)、p65(RelA/NF-κB3)、RelB、p50(NF-κB1)、p52(NF-κB2)，其共同特点是都拥有一个由300个氨基酸组成的高度保守的Rel同源结构域，该区为与DNA结合、二聚体化、IκB相互作用及核定位信号区域(NLS)。NF-κB/Rel家族成员间可以形成同源或异源二聚体，最常见的是与p65或p50组成的异二聚体。

KB抑制蛋白(IκB)是NF-κB抑制蛋白，由多种成员构成，其中IκBα通过结合NF-κB，屏蔽NF-κB的NLS，阻止NF-κB由细胞浆进入核中，使NF-κB无法与目的基因启动子区域特定序列结合，抑制其调节基因转录的功能；IκBβ通过屏蔽NLS和核输出信号(NES)抑制NF-κB活性[34]。

正常情况下，在未受刺激的细胞浆内IκB与NF-κB形成稳定的复合物，但当膜上非特异免疫受体或细胞因子受体受到刺激时，IκB激酶(IKK)复合体被激活，从而导致IκB磷酸化，接着又在泛素连接酶的作用下，IκB被26s的蛋白酶体水解。IκB被降解后，p65-p50异二聚体进入细胞核与DNA上特定位点结合，导致相关炎症因子的表达。

NF-κB作为炎症反应的关键信号转导因子，在炎症细胞因子介导的炎症反应中起中心作用[35]。Heyen等发现小胶质细胞用IL-10预处理之后再用LPS刺激能减少IL-6的数量，最终证明IL-10能够促使NF-κB的核易位从而减少NF-κB对IL-6的转录起始作用，进而减弱炎症反应[36]。另外NF-κB在扩大炎症反应中也起着重要的调节作用。NF-κB可以高效诱导炎症细胞因子(TNF-α、IL-1、IL-6等)、趋化因子、黏附分子(ICAM-1、VCAM-1)等的基因表达，使炎性反应级联放大[37]。

3 小结与展望

综上所述，小胶质细胞是中枢神经系统中最重要的免疫细胞之一，在中枢神经系统内大脑正常发育和炎症反应方面发挥着重要作用。小胶质细胞受到刺激后，通过一系列信号转导途径，介导相关炎性因子的表达，进而调节炎症反应。

另外，这些小胶质细胞参与的信号转导途径并不是孤立存在，而是一个相互级联、交叉利用，共同调节炎症反应的信号转导网络。例如，当TLR信号通路在接受刺激后，信号向下传递，在信号节点处，一部分信号经由MAPK信号转导途径转递，而另一部分信号经由NF-κB信号转导途径，引起NF-κB释放入核，从而导致炎症反应。

目前，小胶质细胞相关的炎症信号通路受到了广泛的关注，由于其在炎症反应中的重要作用，导致很多节点可以成为一些抗炎药物的靶点，为临床干预提供了可能。