神经外科

小胶质细胞活化对脑出血后继发性脑损伤作用的研究进展

作者:佚名 来源:MedSci梅斯 日期:2021-04-05
导读

         脑出血病死率、致残率均高,但缺乏有效的治疗手段,致使大部分幸存者遗留有不同程度的神经功能缺损。脑出血除了会导致由血肿压迫造成的直接脑损伤外,还有血肿成分及其降解产物引起的继发性脑损伤。 小胶质细胞作为中枢神经系统常驻的固有免疫细胞,在脑出血后被迅速激活并在继发性脑损伤中发挥炎性反应和神经保护的双重作用。因此,了解小胶质细胞的激活机制及其作用有助于发现减轻继发性脑损伤的新策略。 1.小胶质细胞的生

关键字:  小胶质细胞活化 

        脑出血病死率、致残率均高,但缺乏有效的治疗手段,致使大部分幸存者遗留有不同程度的神经功能缺损。脑出血除了会导致由血肿压迫造成的直接脑损伤外,还有血肿成分及其降解产物引起的继发性脑损伤。

        小胶质细胞作为中枢神经系统常驻的固有免疫细胞,在脑出血后被迅速激活并在继发性脑损伤中发挥炎性反应和神经保护的双重作用。因此,了解小胶质细胞的激活机制及其作用有助于发现减轻继发性脑损伤的新策略。

1.小胶质细胞的生物学特点

        小胶质细胞是中枢神经系统中数量最多的单核巨噬细胞,大部分研究者认为小胶质细胞起源于卵黄囊造血祖细胞。小胶质细胞的形态具有较强的可塑性,在脑内不同的微环境下呈现不同的形态。在正常脑组织中,小胶质细胞呈分支状,细胞突起不断伸缩实时监视周围微环境,并通过重塑神经回路、吞噬清除细胞碎片和有害物质来维持中枢神经系统稳态。

        当中枢神经系统发生病理改变时,小胶质细胞可被迅速激活,胞体增大、突起变短或消失,呈阿米巴样,细胞表面表达大量免疫分子和表面受体,并分泌多种细胞因子和神经营养因子,发挥免疫调节、促炎、细胞毒性和修复作用。

2.脑出血后小胶质细胞的双重作用

        脑出血后血肿成分及其降解产物可以强烈激活小胶质细胞。根据分子表型和功能不同可将活化后的小胶质细胞分为M1型和M2型。M1型即经典活化型,是促炎细胞,可分泌炎性因子如肿瘤坏死因子α(TNF-α)、白细胞介素(IL)-6及细胞毒性物质诱导型一氧化氮合酶、活性氧等,细胞表面表达分化簇(clusterofdifferentiation,CD)86、CD32、组织相容性抗原Ⅱ等,对神经细胞造成损伤、破坏血-脑屏障,是脑出血后炎性反应的主要启动者和参与者。

        M2型即替代活化型,是治愈细胞,可分泌一些抗炎因子如IL-10、转化生长因子(transforminggrowthfactorbeta,TGF)-β、胰岛素样生长因子1(insulin-likegrowthfactor,IGF-1)等,细胞表面表达CD206、CD23,发挥免疫炎性反应抑制作用和组织损伤重塑与修复作用。

        2.1损伤作用

        2.1.1炎性反应:炎性反应是脑出血后引起继发性脑损伤的主要原因。脑出血产生的各种刺激促使炎性反应不断发展,血肿成分通过激活小胶质细胞启动炎性反应信号转导,随后释放促炎因子和趋化因子来吸引外周炎性细胞浸润。活化的小胶质细胞分泌大量TNF-α、IL-6等炎性因子,在脑出血后脑损伤过程中发挥主要作用。

        TNF-α是多种促炎因子之一,可以刺激炎性蛋白的分泌、调节血管通透性和诱导星形胶质细胞及内皮细胞表达黏附分子和趋化因子,进而促使白细胞更易透过血-脑屏障浸润到血肿周围脑组织,加重神经系统炎性反应。

        小胶质细胞分泌的TNF-α还可以直接激活小胶质细胞并干扰星形胶质细胞对细胞外谷氨酸的清除作用,加重兴奋性毒性。在中枢神经系统中,IL-6是由小胶质细胞和星形胶质细胞分泌的一种糖蛋白,是一把“双刃剑”,低浓度IL-6对神经生长、分化和修复具有促进作用,高浓度IL-6则可引起神经损伤,如通过激活中性粒细胞和血管内皮细胞进而使内皮细胞黏附分子表达增多,导致白细胞黏附性增强,引发微循环障碍,最终加重血-脑屏障破坏,其还可以激活补体系统、趋化单核巨噬细胞、加重脑水肿。

        脑出血后炎性因子的表达水平越高,炎性反应越强烈,预后越差。此外,脑出血早期小胶质细胞还可以募集周围中性粒细胞、T细胞,加重组织水肿、增加血-脑屏障通透性,导致脑损伤。

        Toll样受体是一大类模式识别受体,在机体固有免疫反应和炎性反应中起关键作用。Toll样受体介导的炎性反应也参与了脑出血后继发性脑损伤。研究表明,激活的小胶质细胞高表达Toll样受体4,并通过髓样分化因子88/TIR结构域衔接蛋白信号通路引起炎性反应,与脑出血后的不良结局有关,而生松素能有效抑制Toll样受体4及其下游靶蛋白TIR结构域衔接蛋白及髓样分化因子88的表达从而抑制炎性反应。在Toll样受体4基因敲除小鼠脑出血模型中,髓样分化因子88和TIR结构域衔接蛋白的表达降低,血肿周围区域浸润性炎性细胞和炎性因子也减少。

        总之,抑制Toll样受体4相关通路可减弱脑出血诱导的炎性损伤。研究显示,脑出血后小胶质细胞释放的大量炎性因子和毒性物质可通过核因子-κB通路激活基质金属蛋白酶(MMP),参与神经炎性反应。MMP是一组普遍存在的锌依赖性蛋白酶,可以降解细胞外基质。

        目前与脑出血相关的研究主要集中于MMP2、MMP3、MMP9、MMP12,研究显示,在胶原酶诱导的脑出血模型中,上述MMP均有增加,MMP2的信使RNA水平在脑出血后7d最高(P<0.01),MMP3则在脑出血后1d最高,4d、7d、14d、28d均较少(P<0.05),MMP9在脑出血后24h和7d表达最高(P<0.05),MMP12在7d达到高峰,免疫组化也显示MMP12水平升高最明显,且多聚集在血肿周围组织中被激活的小胶质细胞中。

        MMP与脑水肿、炎性反应、血-脑屏障破坏高度相关,其表达越显著,血-脑屏障通透性越高,炎性反应越重,进而使脑组织广泛损伤,导致神经功能缺损进一步加重,而米诺环素可抑制MMP12表达,减弱以上效果。

        高迁移率族蛋白B1(high-mobilitygroupproteinbox-1,HMGB1)是一种高度保守的非组蛋白DNA结合蛋白,大脑中许多细胞可表达HMGB1,包括小胶质细胞,其与许多炎性疾病高度相关,一旦从细胞核释放到细胞外空间就发挥重要的促炎因子样活性。此外,还可以促进多种细胞因子的产生,如TNF-α、IL-1β,这些炎性因子的上调可能有助于血肿周围星形胶质细胞增殖和中性粒细胞募集,引起血-脑屏障损伤和脑水肿。

        在体外实验中,TNF-α可刺激培养的小胶质细胞产生大量的HMGB1,小胶质细胞可能是HMGB1介导脑出血后神经炎性反应的重要开关。在大鼠脑出血模型中,与IgG对照组相比,抗HMGB1单克隆抗体组小胶质细胞数量显著减少(P<0.01);免疫荧光染色显示,与IgG对照组相比,抗HMGB1单克隆抗体组促炎因子IL-1β的蛋白表达显著降低(P<0.01);脑出血后3d,与IgG对照组相比,抗HMGB1单克隆抗体组的脑水含量降低(P<0.05)。由此可见,抑制HMGB1有望成为改善脑出血后继发性脑损伤的潜在靶点。

        2.1.2氧化应激:氧化应激在脑出血后继发性脑损伤过程中也起着重要作用。血红蛋白-血红素-铁代谢轴是脑出血后氧化性脑损伤的主要原因。氧化应激是体内氧化-抗氧化系统失衡,导致自由基过量产生。活性氧通过直接氧化细胞蛋白、脂质和DNA或参与细胞死亡信号传导途径导致细胞死亡。脑出血释放的血红蛋白通过Toll样受体激活小胶质细胞,M1型和M2型小胶质细胞表型转化的不平衡除导致促炎因子释放外,还可产生大量的活性氧。

        细胞实验表明,小胶质细胞可以在体外诱导活性氧的产生。血红素加氧酶1是一种诱导型酶,生理条件下很难在脑内检测到,当大脑受损伤时,激活的小胶质细胞大量表达血红素加氧酶1,其是血红素代谢过程中的一种限速酶,能将血红素分解为一氧化碳、二价铁离子、胆绿素,胆绿素进一步转变为胆红素。

        脑出血后,脑内的铁大量堆积导致铁超载,过量的铁可通过芬顿反应产生大量的活性氧,使机体处于氧化应激状态,引起神经细胞的氧化损伤。因此,铁超载在脑出血后继发性脑损伤过程中起关键作用,而应用铁离子螯合剂去铁酮可降低脑出血后脑内铁沉积[实验性大鼠脑出血后,脑组织中的总铁含量自第3天增多,第7天达到高峰,去铁酮干预后脑组织总铁含量明显降低(P<0.05)],抑制小胶质细胞过度活化,减轻脑损伤,改善继发性神经功能障碍。一氧化碳能够抑制细胞氧化呼吸链,限制氧的释放,增加线粒体中的自由基,导致神经毒性。

        2.2保护作用

        尽管抑制小胶质细胞激活可能对脑出血患者有益,但长期抑制可能是有害的,因为小胶质细胞还有潜在的神经保护功能。脑出血后,小胶质细胞活化可以吞噬红细胞和受损细胞碎片,减少有害物质持续堆积造成的继发性脑损伤。此外,小胶质细胞还可以分泌神经营养因子促进神经发生和血管生成,分泌抗炎因子对抗炎性反应等。小胶质细胞的吞噬作用与其细胞表面的清道夫受体密切相关。

        CD36是公认的小胶质细胞/巨噬细胞表面的膜蛋白和Ⅱ类清道夫受体,能够介导吞噬损伤、凋亡和衰老细胞,过氧化物酶体增殖物激活受体γ可以诱导CD36的表达。在小鼠自体血脑出血模型中,应用过氧化物酶体增殖物激活受体γ激动剂可以上调CD36的表达,从而增强小胶质细胞对红细胞的吞噬作用,促进血肿清除和神经功能恢复。这提示我们,促进CD36表达可能是脑出血潜在的治疗选择。

        体内和体外实验均表明,除了吞噬作用,小胶质细胞还可以产生脑源性神经营养因子(brain-derivedneurotrophicfactor,BDNF)、TGF-β、IGF-1等多种神经营养因子,促进神经发生和神经细胞存活,有利于脑功能恢复。BDNF是脑组织中神经营养因子家族的成员之一,是一种主要在脑内合成的蛋白质,广泛存在于中枢神经系统。BDNF既能调节神经细胞的生长与分化、促进轴突形成与修复,还对脑组织内神经细胞存活与维持正常生理功能有重要作用。

        BDNF在脑组织中主要由神经细胞和小胶质细胞合成分泌,脑出血后,BDNF可为受损神经细胞提供营养,进而促进其修复、存活,还可以增加神经细胞对伤害性刺激的耐受性。研究显示,与大鼠脑出血模型组相比,给予米诺环素治疗后,免疫组化显示小胶质细胞形态由变形虫样变为分枝状,并伴随着BNDF表达增多;聚合酶链式反应显示,脑出血12h后,酪氨酸激酶受体B基因表达量降低持续到脑出血后24h,而给予米诺环素后,脑出血后6h酪氨酸激酶受体B基因表达量增多(P<0.05);蛋白免疫印迹显示,脑出血24h后,酪氨酸激酶受体B蛋白表达量显著降低,而给予米诺环素可以逆转酪氨酸激酶受体B的丢失。

        由此可推测,米诺环素可能通过上调酪氨酸激酶受体B-BDNF途径诱导小胶质细胞向M2型极化,并促进脑出血后神经的发生。转化生长因子家族是由多个结构相关的多肽生长因子组成,而TGF-β1是一类具有调节细胞生长、分化的多功能细胞因子。体内大部分细胞均可合成分泌TGF-β1,是一种潜在的生长调节蛋白,参与体内多种病理生理过程,在调节免疫炎性反应、创伤修复及细胞凋亡等方面有重要作用。在中枢神经系统中,神经细胞、小胶质细胞、星形胶质细胞均可以表达TGF-β1,在生理情况下呈低水平表达,而在病理情况下,表达水平会明显升高。

        TGF-β1不仅与血管再生有关,还可以拮抗TNF-α、IL-6、IFN-γ等炎性因子的功能,减少炎性细胞的募集进而抑制炎性反应。体外研究显示,刺激8h后,细胞内细胞因子染色显示,凝血酶和TGF-β1共刺激后,激活的小胶质细胞比单独凝血酶激活的小胶质细胞产生的TNF-α少(P<0.01);细胞培养上清液的酶联免疫吸附测定同样显示了TGF-β1处理后IL-6和TNF-α水平的降低(P<0.01)。

        由此可见,TGF-β1将来可能成为急性脑损伤的潜在治疗靶点。IGF-1是由70个氨基酸组成的单链多肽,是一种重要的神经保护剂,在发育和组织损伤过程中起着重要的营养作用。对人脑组织和细胞的研究发现,小胶质细胞是IGF-1的重要来源。脑损伤后小胶质细胞被激活,IGF-1表达水平明显升高,参与脑出血的病理生理过程,其表达增高可抑制细胞凋亡,改善由细胞凋亡导致的继发性脑损伤,促进损伤脑组织的修复。

        IGF-1还具有诱导小胶质细胞增殖的作用,增殖的小胶质细胞又可以表达IGF-1和IGF结合蛋白,进一步发挥其营养和保护作用。另外,IGF-1还可能调节小胶质细胞表型变化,其表达水平增加会促进小胶质细胞向M2型转变,并且外源性IL-4干预小胶质细胞会增加IGF-1释放量。此外,IGF-1可以抑制活性氧及M1型小胶质细胞标志物TNF-α等的释放,对抗氧化应激及炎性反应。

        IL-10是一种具有多种生物活性的细胞因子,可由淋巴细胞、单核巨噬细胞及中枢神经系统活化的小胶质细胞和星形胶质细胞产生,是M2型小胶质细胞的标志物之一,并且能抑制TNF-α、IL-6的合成,进而抑制脑出血后炎性因子介导的炎性反应和免疫损伤,减轻脑出血后血肿周围炎性反应及脑水肿形成。此外,IL-10还可介导B淋巴细胞瘤-2的表达,阻断天冬氨酸半胱氨酸特异性蛋白酶3的活性,从而抑制神经细胞凋亡。

        总之,IL-10在脑出血后继发性脑损伤中扮演重要角色,具有神经保护作用,但其作用的具体机制仍需进一步研究。综上所述,脑出血后小胶质细胞在不同条件下激活为两种不同的表型,对脑出血后继发性脑损伤至关重要,并通过分泌多种效应分子发挥双重作用,抑制小胶质细胞的有害作用,发挥其保护功能,可能给脑出血患者带来希望。但脑出血后小胶质细胞活化的具体机制还有待于进一步的科学研究,如何利用小胶质细胞的益处而抑制或减少有害作用,是值得研究的问题。

        来源:武翠梅,王改青,要振佳,柏琴琴,刘丽荣.小胶质细胞活化对脑出血后继发性脑损伤作用的研究进展[J].中国脑血管病杂志,2020,17(12):761-765.

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