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脑缺血病理进展中小胶质细胞的作用分析

2020-08-27 1582 上传者：管理员

摘要：小胶质细胞作为中枢神经系统免疫防御反应的第一道防线,脑损伤后迅速激活,激活的小胶质细胞在释放破坏性因子加重损伤的同时也可发挥神经保护和修复功能,这个“角色选择”取决于病变微环境中的多种分子信号,干预这些分子开关及通路可以使小胶质细胞的极化趋向于神经保护,达到治疗脑卒中、帕金森病、老年痴呆症等脑病,改善神经功能的效果。鉴于小胶质细胞是一个治疗脑卒中很有前景的靶标,本文就小胶质细胞在卒中发生时的动态变化、调节极化的分子机制以及作用于小胶质细胞的治疗脑卒中的药物作一综述。

关键词：
卒中
小胶质细胞
极化
治疗
脑血管血栓
血管破裂
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脑卒中是一种由脑血管血栓形成或血管破裂引起的常见突发性疾病[1]。《中国脑卒中防治报告2018》显示:我国40～74岁居民首次脑卒中标化发病率平均每年增长8.3%[2]。而重组组织型纤溶酶原激活剂(rt-PA)作为美国食品药品管理局(FDA)批准的唯一治疗急性缺血性卒中的溶栓药物治疗窗极窄[3]。小胶质细胞对缺血性脑卒中起到关键调节作用[4]。脑缺血发生时小胶质细胞的动态变化、极化的调节对于以小胶质细胞为靶标的脑缺血的治疗至关重要。

1、小胶质细胞的“静息”态功能

生理状况下小胶质细胞处于“静息”状态,但并非“静止”状态,作为中枢神经系统(CNS)的免疫细胞,小胶质细胞参与控制发育中的大脑突触数目和重塑,并具有防止残渣在健康细胞中积聚的作用。它不断伸长和缩短形状多变的突起以监视周围环境的微妙变化,不断改变表型和功能准备应对微环境的各种刺激、清除积聚的(低扩散的)代谢产物和变质的组织成分,并识别经历程序性死亡的细胞,对死亡细胞进行清除[5]。在健康的大脑中,小胶质细胞表达大量的抑制蛋白如脊髓背角趋化因子(C-X3-C基元)受体1(CX3CR1)[6],并与神经元以一种旁分泌的形式相互作用,形成对炎症的“制动器”[7]。

2、小胶质细胞在缺血性卒中中的“激活态”

脑缺血发生时,神经元与小胶质细胞相互作用的“制动器”遭到破坏而诱发炎症反应,此时,小胶质细胞快速激活从周边区域向病变部位募集[8],募集迁移的同时,小胶质细胞也发生了显著地形态学改变、表型变化以及各种相关信号通路的转变。

2.1小胶质细胞形态的动态变化

在由大脑中动脉闭塞(MCAO)模型诱导的缺血性病变中,缺血性核心区小胶质细胞数目增加、细胞胞体大小和总分支长度减少,历经从“分支状”向“灌木样”再向“阿米巴样”的转变[9],呈现CD11b+分枝(激活态)的变形虫体样形态。半影区域(死亡和活组织的边界区域)的小胶质细胞,早期显示CD11b+高度分枝的细胞形态(静息态)[6]。以上说明,发生脑缺血时,缺血核心区的小胶质细胞发生一系列显著的形态学改变,而外周区域的小胶质细胞处于静息状态。

2.2小胶质细胞表型的动态变化

小胶质细胞一旦激活,不仅经历了显著的形态变化,而且分泌多种因子发挥炎症调节作用,其中诱导型一氧化氮合酶(iNOS)、一氧化氮(NO)以及肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白介素-1β(IL-1β)、干扰素-γ(IFN-γ)等加重炎症反应,扩大脑梗死灶体积[10],将释放破坏性促炎介质的小胶质细胞定义为M1型(促炎型)[11]。白细胞介素-4(IL-4)、白细胞介素-10(IL-10)、白细胞介素-13(IL-13)、转化生长因子-β(TGF-β)和胰岛素样生长因子-1(IGF-1)等促进损伤脑组织的修复。具有神经保护作用的小胶质细胞称为M2型(抗炎型)[11]。

越来越多的证据表明小胶质细胞在缺血性脑损伤中随着时间的推移表现不同表型,发挥不同功能。有研究显示:通过CD11b+与一些表型标志物对激活小胶质细胞的共定位作用,揭示脑缺血发生后小胶质细胞的表型动态变化。缺血24h,CD11b+CD68+阳性细胞主要分布在边缘区,CD11b+CD206+阳性细胞仅存在于缺血核心区;缺血第3天,与假手术组相比,远端大脑中动脉闭塞(dMCAO)组TNF-α水平升高4倍以上,CD16和iNOS升高将近2倍,CD32升高4倍以上,CD206略有升高,血管形成素-1(Ang-1)升高十几倍,几丁质酶3样蛋白(YM1/2)升高3倍左右;缺血第7天[11],与缺血第3天相比,dMCAO组CD206水平明显降低,CD68水平持续升高。以上结果说明发生缺血性脑卒中后,随着缺血时间的推移小胶质细胞M1表型从半暗带向缺血核心区延伸且持续增加,M2表型损伤后1～3天在缺血核心区短暂增加后开始降低,第7天后开始消除,在第14天M2恢复到伤前水平。

2.3小胶质细胞极化的分子调节机制

小胶质细胞于损伤环境中处于动态平衡,它是否分化为加剧组织损伤或促进CNS修复的细胞取决于信号病变微环境,这个表型转换的过程由多种体内外的分子触发和调节。诸如来自缺血神经元的条件培养基、IFN-γ、TNF-α、白介素-2(IL-2)、脂多糖(LPS)等促使小胶质细胞极化为M1型,硫酸软骨素蛋白多糖(CSPG)、IL-4等促使小胶质细胞极化为M2型。例如IL-4在小胶质细胞和巨噬细胞中是M2极化的最具特征的启动子[12],IL-4作为内源性分子,在脑缺血发生后1天内白细胞介素4受体抗体(IL-4Rα)的表达显着升高,另外神经元衍生的代偿性增加的IL-4诱导小胶质细胞极化为M2型[13]。

以上可导致小胶质细胞极化的配体和相应受体结合干预缺血性脑卒中发生时涉及的多条通路得以调节,诸如Toll样受体4(TLR4)/核转录因子-κB(NF-κB)/TNF-α、非受体型酪氨酸激酶JAK/信号转导和转录激活因子(STAT)、丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)、c-Jun氨基末端激酶(JNK)/细胞外调节蛋白激酶(ERK)等。TLR4可触发先天免疫反应[14],LPS/IFN-γ与TLR4结合激活NF-κB使小胶质细胞产生TNF-α、IL-1β、白介素-6(IL-6)、NO等炎症因子极化为M1型[15]。STAT家族因其在细胞因子作用和免疫调节中的作用而闻名。通常,STATs由(JAK)激活,并被称为细胞因子信号转导抑制剂(SOCS)的反馈抑制剂抑制。STAT家族中的STAT1、STAT3、STAT6参与小胶质细胞的极化,IFN-γ可通过STAT1/STAT3通路诱导小胶质细胞极化成M1型,并释放相对于正常细胞更高水平的iNOS/NO等炎症因子[16];IL-4、IL-10可通过STAT6介导小胶质细胞向M2表型极化[16],改善短暂性大脑中动脉阻塞(tMCAO)模型小鼠的感觉运动缺陷和认知功能受损的长期恢复,且减少中风急性期(第5天)的神经组织丢失[11]。有研究显示,一些内源性的长非编码RNA(lncRNA)和MicroRNA可以调节小胶质细胞的极化,如:(lncRNA)H19[17]通过JAK/STAT3介导小胶质细胞的M1型激活;microRNA-1906[18]通过TLR4/NF-κB介导小胶质细胞的M1型激活;microRNA-124[19]介导小胶质细胞的M2型激活。

3、可调节小胶质细胞极化的治疗药物

鉴于小胶质细胞是大脑损伤后的第一道防线以及其介导的炎症反应在脑缺血中的重要地位,发掘与小胶质细胞有关的脑缺血治疗药物很有前景。通过干预小胶质细胞的激活和极化降低梗死体积、减少神经组织丢失、抑制炎症等改善脑卒中的预后。以下为近年来研究所得疗效显著的几种药物:

3.1米诺环素

米诺环素是一种四环素类抗菌药,有研究显示:米诺环素借助于其自身良好的亲脂性,顺利穿过血脑屏障(BBB)[20],显著抑制了小胶质细胞活化降低炎症,同时降低了梗死周围区小胶质细胞中TNF-α和IL-1β的表达,并显着增加了TGF-β和IL-10的表达,表明米诺环素可能具有促进小胶质细胞M2极化同时抑制M1极化的作用。另外,米诺环素可减轻脑梗死,抑制外周中性粒细胞浸润,减少缺血性脑卒中后神经功能缺损[21]。

3.2姜黄素

来源于姜黄的姜黄素具有抗炎和抗氧化作用[22],有研究得出,姜黄素以剂量依赖的方式显着减弱NO和其他促炎细胞因子的释放,以及LPS激活的小胶质细胞中的iNOS表达,从而阻止磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)磷酸化以及NF-κB激活[23],达到抑制炎症的作用。此外,姜黄素的炎症抑制作用也可由SOCS-1上调以及抑制JAK2/STAT-3的磷酸化介导。姜黄素剂量依赖性的显著增加LPS刺激的BV-2小胶质细胞IL-4、IL-10的释放量,有效降低M1/M2的比率[24]。由此可见,姜黄素可通过抑制多条通路抑制中风后的炎症反应,也可调节小胶质细胞的极化达到神经保护作用。

4、讨论

小胶质细胞参与了CNS生理病理过程,通过抑制小胶质细胞引起的脑损伤后的炎症反应被认为是一种可行的神经保护途径。已有多种药物被证明通过抑制小胶质细胞的激活、促使小胶质细胞向M2表型极化等起到神经保护作用,但仍有很多问题需要解决,诸如药物的生物利用度、能否透过BBB、如何增加其神经保护作用的同时减弱神经损伤作用等,还需进一步优化给药和治疗方案,期望找到以小胶质细胞为靶点的、更理想的治疗脑卒中的药物。

参考文献：

[1]彭英,马飞,许婷婷,等.缺血性卒中药物临床前研究的挑战及其对策[J].药学学报,2017,52(3):339-346.

[2]王陇德,刘建民,杨弋,等.我国脑卒中防治仍面临巨大挑战——《中国脑卒中防治报告2018》概要[J].中国循环杂志,2019,34(2):105-119.

[10]陶霞,廖红.脑缺血后小胶质细胞对神经发生影响的研究进展[J].临床合理用药杂志,2017,10(19):171-173.

张可,胡利民,王少峡.小胶质细胞在脑缺血病理进展中的作用[J].中国临床药理学杂志,2020,36(16):2517-2520.

基金:国家自然科学基金资助项目(81573644);“十三五”期间天津市高等学校“创新团队培养计划”基金资助项目(TD13-5050)