衰老中小胶质细胞对认知功能减退调控的研究进展

叶蕾,舒姝,徐运,柏峰

我国的人口老龄化问题日益严峻,2020年第七次全国人口普查数据[1]显示,我国60岁及以上老年人口占比已达到18.73%。衰老相关的健康问题严重影响老年人的生活质量,并给家庭和社会带来沉重的经济负担和挑战。衰老过程中神经认知功能减退是最常见的生理变化之一,随着人口老龄化的不断发展,痴呆症的发病率和流行率也大幅增加,目前我国是痴呆症患者人数最多的国家,约占全球痴呆症总人口的25%[2]。因此,寻找衰老过程中认知功能减退的具体机制,防止或减缓其发生发展刻不容缓。在衰老的过程中,免疫系统的完整性往往会随着年龄的增长而恶化,导致对感染、心血管疾病以及神经退行性疾病的易感性增加,使机体处于慢性轻度促炎环境中。越来越多的研究[3]表明,神经炎症是年龄相关性认知损害的病理生理机制之一。小胶质细胞是CNS的主要常驻免疫细胞,具有吞噬和清除碎片、参与组织修复、调节突触重塑等重要功能[4],其功能也受年龄的影响而发生改变。在衰老过程中,小胶质细胞随着年龄的增长逐渐激活并表现出严重的功能异常,如促炎型细胞因子、活性氧(ROS)的产生增加[5-6],而衰老时功能异常的小胶质细胞可能在认知功能减退中具有重要作用。本文将就衰老中小胶质细胞在认知功能减退中的作用和潜在机制展开综述。

1 衰老状态下的小胶质细胞

慢性无菌炎症是衰老的重要特征,当它发生在CNS时被称为神经炎症,主要表现为促炎型细胞因子、ROS表达增加,以及抗炎基因表达下调[5-7],衰老过程中的神经炎症不可避免地会影响小胶质细胞的功能特性,小胶质细胞功能改变也是大脑老化的重要标志。

生理条件下的小胶质细胞发挥感知环境、维持生理动态平衡以及保护自身免受自身修饰和外源性的伤害的功能,参与内稳态、宿主防御病原体和CNS疾病的发生、发展[4]。随着年龄的增长,小胶质细胞转变为衰老或营养不良的状态,形态上主要表现为突起长度缩短,分支及分支面积减少[8]。衰老过程中小胶质细胞产生的变化显示出空间异质性,在老化大脑的白质区域更为明显[9]。大脑白质与学习和信息处理密切相关,而白质中的神经炎症可能与衰老过程中认知能力下降有关[10]。

神经炎症以及氧化应激的增加也会影响小胶质细胞的基本功能,其中趋化因子(C-X3-C基元)配体1(CX3CL1)/趋化因子(C-X3-C基元)受体1(CX3CR1)和髓样细胞触发受体2(TREM2)/DNAX激活蛋白12(DAP12)信号对小胶质细胞发挥其生理功能至关重要。CX3CL1是由神经元分泌的趋化因子,能够与小胶质细胞表面的CX3CR1相互作用,参与引导小胶质细胞在大脑中的发育定植及功能成熟[11]。研究[12]发现,老年小鼠由神经元分泌的CX3CL1的表达减少,成年小鼠的小胶质细胞在内毒素治疗24 h后可恢复其表面CX3CR1水平,而老年小鼠的小胶质细胞未出现这种功能恢复。TREM2-DAP12信号能够影响小胶质细胞的吞噬功能、促进细胞存活以及具有抗炎作用[13-14]。在老年小鼠中,小胶质细胞TREM2的表达也减少,当老年小鼠TREM2基因敲除后表现出年龄相关的小胶质细胞变化、氧化爆发和神经元丢失[15]。TREM2/DAP12介导的信号还能够增加神经元脑源性神经营养因子(BDNF)的表达。BDNF既能够促进突触的形成,也能防止小胶质细胞吞噬海马区域的苔藓纤维突触[16]。而BDNF及酪氨酸激酶受体B(TrkB)水平随着年龄增长而降低,与衰老过程中小胶质细胞的激活状态呈负相关[17]。另外通过活体双光子成像技术研究不同年龄小鼠大脑皮质小胶质细胞的细胞内钙信号和突起伸展水平发现,自发性钙瞬变的细胞比例随着年龄的增长而逐渐增加,小胶质细胞可能通过这种钙信号改变对微环境中发生的轻微细胞或组织损伤反应过度,也就是小胶质细胞过度激活[18]。总体而言,小胶质细胞所产生的与年龄相关的改变使其不能对损伤或炎症做出正常反应,限制了小胶质细胞应对病原体或神经变性的能力,发生保护功能下降和神经毒性增加。

2 衰老中小胶质细胞在认知功能减退中的作用

衰老是认知功能减退和神经退行性疾病的风险因素之一,与年龄相关的小胶质细胞可能通过不同的机制参与认知功能减退的发生、发展,因此了解衰老对小胶质细胞表型的影响以及小胶质细胞是否可以调节与衰老相关的功能障碍,对于理解其在认知减退的作用至关重要。

2.1 CX3CL1-CX3CR1和TREM2-DAP12信号在衰老中对小胶质细胞功能的调控作用 CX3CL1-CX3CR1信号是神经元-小胶质细胞的重要通讯系统,参与小胶质细胞对突触的消除并维持正常的突触功能[19-20]。而CX3CR1缺乏会导致小胶质细胞对突触的修剪延迟,从而产生过剩和不成熟的突触,进一步加剧认知障碍[21]。对50～75岁的人群进行血清样本检测发现,CX3CL1与痴呆症发病率密切相关[22];腹腔注射CX3CL1后,老龄小鼠海马区域BDNF的表达明显增加,并且年龄相关的记忆损害得到改善[23]。

TREM2/DAP12介导的信号可通过加强小胶质细胞的运动性并增加小胶质细胞突起与树突之间的接触频率,促进突触的形成[24]。然而老年小鼠小胶质细胞TREM2的表达减少,TREM2基因敲除的老年小鼠海马区域表现出年龄相关的神经元丢失,小胶质细胞数量减少以及氧化爆发,可能与衰老过程中的认知障碍相关[15]。然而在另一项研究[25]中,TREM2基因敲除的老年小鼠却有更好的认知表现,但海马区域长时程增强(LTP)显著增强,树突棘密度和突触标志物增加。因此,TREM2在年龄相关的突触功能和认知功能减退的作用仍需进一步明确。

2.2 小胶质细胞产生炎性分子参与认知功能减退 在衰老过程中,处于慢性无菌性炎症环境中的小胶质细胞会进一步导致促炎型细胞因子和其他细胞毒性介质的过度产生,从而对神经元产生有害影响,可能与年龄相关的认知功能改变相关。研究[7]发现,老年小鼠在发作性全身炎症后表现出明显的探索活动和情节、空间记忆缺陷;脑内还原型辅酶Ⅱ氧化酶2(NOX2)和氧化蛋白的表达水平更高,抗氧化防御能力更低,这表明调节炎症反应和氧化应激可能是阻止正常衰老期间认知功能下降的潜在方法。

组织蛋白酶B(CatB)是一种典型的半胱氨酸溶酶体蛋白水解酶,通过产生IL-1β参与小胶质细胞介导的炎症反应[26]。在衰老过程中,小胶质细胞中CatB的表达增加并从溶酶体渗漏,在小胶质细胞中发生核转位,导致氧化型辅酶Ⅰ依赖性组蛋白去乙酰化酶(Sirt)1、Sirt6、Sirt7在细胞核内的表达减少以及促炎因子的表达增加,从而引发衰老过程中认知功能的下降[27]。CatB的遗传消融能够显著减少老年小鼠体内ROS的产生和神经炎症,并且改善衰老过程中的认知障碍[26]。CatB也与IL-1β的产生和分泌相关,IL-1β作为一种强有力的促炎型细胞因子,在脑老化、Alzheimer’s病、帕金森病、卒中和持续性疼痛等多种神经系统疾病的发病机制中发挥关键作用,激活的小胶质细胞是脑内IL-1β的主要细胞来源。研究[28]发现,衰老时IL-1β水平增加会导致海马CA1突触的LTP、突触可塑性以及空间记忆受损。

衰老过程中小胶质细胞的表型与环境中的干扰素(IFN)密切相关,老年小鼠脑内IFN-I的表达增加并下调肌细胞增强因子-2(MEF2C)。MEF2C作为小胶质细胞的“关闭”因子能够抑制小胶质细胞对免疫刺激的反应,而IFN-I的表达增加则会导致小胶质细胞反应的夸大,引起认知能力下降[29]。选择性阻断IFNR可减少小胶质细胞增生和突触丢失,改善认知障碍[30],为衰老中认知功能减退的预防和治疗提供新的线索。

衰老过程中能量代谢产生损伤是加剧炎症反应的重要因素。衰老时的小胶质细胞中前列腺素E2(PGE2)信号通过其前列腺素E2受体(EP2)促进葡萄糖转化为糖原,减少葡萄糖的利用和线粒体呼吸。由于小胶质细胞将葡萄糖作为主要能量来源,这种能量缺乏的状态将驱动并进一步加剧促炎反应。在老年小鼠中抑制小胶质细胞的EP2信号可恢复细胞的主要能量、海马区突触可塑性和空间记忆[31]。因此,衰老中的认知功能减退并非处于静态或不可挽回的状态,也可以通过重新编程小胶质细胞的葡萄糖代谢来逆转。

2.3 小胶质细胞相关离子通道变化参与认知功能减退 小胶质细胞内钙信号与其功能实现相关,与静息态的小胶质细胞相比,激活的小胶质细胞内自发性钙信号增加并产生促炎型细胞因子和ROS,导致神经毒性效应并引起持续的神经元损伤或神经元丢失。在衰老小鼠中小胶质细胞内自发的钙信号明显增强,导致小胶质细胞过度活跃并对轻微细胞或组织损伤反应过度,从而参与认知障碍的发生[18,32]。瞬时受体电位M2型(TRPM2)是一种在免疫细胞中大量表达的钙离子通道,TRPM2介导的小胶质细胞激活及炎症反应在认知障碍方面发挥了关键作用。研究[33]发现,与野生型老年小鼠相比,TRPM2缺失的老年小鼠脑内激活的小胶质细胞及促炎型细胞因子减少,海马区域的损伤及空间记忆障碍均得到改善。由此可见在衰老过程中,TRPM2在加剧炎症反应和认知功能下降方面发挥着关键作用。在老年小鼠中证实了小胶质细胞中特异表达的Hvcn1编码的电压门控质子通道(Hv1/VSOP)对氧化应激、小胶质细胞形态和基因表达谱有年龄依赖性影响,且通过行为学检测发现Hvcn1缺失的老年小鼠表现出焦虑样行为[34],表明衰老时Hv1/VSOP在小胶质细胞功能及情绪改变方面有重要作用。

2.4 小胶质细胞通过补体系统参与认知功能减退 补体是先天免疫系统的重要组分,在发育过程中小胶质细胞可通过补体C1q和C3标记未使用的突触。C3裂解为C3a和C3b,C3b的裂解产物iC3b与CR3结合后起到清除轴突的作用,而C3a与C3aR结合并介导突触可塑性和小胶质细胞吞噬[35];同时可通过整合素相关蛋白CD47-信号调节蛋白a(SIRPa)信号防止突触修剪过程中小胶质细胞过度吞噬以实现更有效的突触重构[36]。小胶质细胞通过补体介导的突触修剪对健康大脑中的突触重塑、疾病相关性突触消除与年龄相关的认知障碍的发病机制紧密相关。小胶质细胞是衰老时C1q和C3的主要来源,补体成分主要沉积在海马区域的突触并引起认知障碍[35,37]。背外侧前额叶皮质(dlPFC)参与高级认知功能,也是精神分裂症、衰老和Alzheimer’s病的病理靶点[38]。衰老时dlPFC中C1q的表达水平明显升高且以小胶质细胞为主要来源,并且增加的C1q信号主要定位于突触[39]。因此,针对补体级联途径的处理可能为衰老中认知减退的预防和治疗提供新的线索。

2.5 小胶质细胞调控神经发生参与认知功能减退 衰老中的小胶质细胞也能够通过调控神经发生影响认知过程,同时神经发生也直接参与对神经可塑性的调节[40]。新生神经元的产生与正常的学习和遗忘过程密切相关[41],而小胶质细胞能够通过调节神经前体细胞的存活来控制神经元的数量,促进神经前体细胞的增殖和分化[42]。衰老小鼠的神经发生明显减少,且随着小胶质细胞的消除,神经发生以及认知、突触功能可以恢复[43]。由此可见,小胶质细胞对神经发生的调控可能在衰老中的认知功能减退中发挥重要作用。

3 结语与展望

老年人数量正以惊人的速度不断增长,随之而来的认知功能减退也给医疗体系带来巨大压力。衰老中认知功能减退的发生发展机制以及可能的预防及治疗靶标仍需深入研究。目前,大量研究[44-48]表明小胶质细胞作为CNS的主要常驻免疫细胞,在认知功能减退中发挥着至关重要的作用。小胶质细胞能够通过感知环境、维持生理动态平衡以及保护自身免受自身修饰和外源性的伤害维持CNS稳态。然而,随着年龄的增长,小胶质细胞容易受到衰老的不利影响并且转变为衰老或营养不良的状态,此时的小胶质细胞中促炎型细胞因子表达增加,而抗炎型细胞因子的表达明显下调,从而影响小胶质细胞的基本功能。衰老中的小胶质细胞可以通过特异性受体、炎性分子、离子通道、补体以及神经发生等机制参与衰老过程中认知功能的退化。然而,还需要更多研究深入地了解小胶质细胞在疾病进展中的作用以及衰老过程中认知变化的神经生物学基础,并开发出更有效的干预策略以减轻或预防衰老中认知功能减退的发生、发展。

作者贡献说明叶蕾提出选题、撰写、修改文章;舒姝、徐运指导文章修改;柏峰指导选题、指导起草、修改文章