【综述】小胶质细胞在阿尔茨海默病中的作用研究进展

文章来源：中华神经科杂志, 2022,55(5) : 520-524

作者：肖向荣 李若林 郝延磊

摘要

目前以阿尔茨海默病（AD）主要病理特点——“β-淀粉样蛋白级联假说、tau蛋白异常聚集”为靶点研发的多种药物，疗效都不理想。随着对AD病理机制的研究进展，小胶质细胞及其相关表达基因TREM2、CD₃₃、ABCA7和与其相关的信号传导通路在AD病理机制中的作用越来越被重视，基于小胶质细胞及其相关表达基因的AD生物学标志物和治疗靶点的研究也明显增多。文中将对小胶质细胞的病理生理、小胶质细胞在AD中的作用机制和小胶质细胞相关的生物学标志物、AD药物治疗进行简要综述。

阿尔茨海默病（Alzheimer′s disease，AD）是一种以进行性认知功能障碍为主要表现的最常见中枢神经系统退行性疾病，临床好发于60岁以上中老年人。目前，中国大约有983万AD患者^［1］。随着全球人口老龄化的不断发展，AD的患病人数将不断攀升。预计到2050年，由该病产生的年全球经济总负担将高达9.12万亿美元^［2］。神经元外淀粉样蛋白聚集形成β-淀粉样蛋白（β-amyloid，Aβ）斑块、神经元内tau蛋白磷酸化异常聚集形成“神经原纤维缠结”、神经炎症、以进行性脑神经元/突触丢失和脑萎缩为特征的神经变性、葡萄糖代谢障碍等为AD的常见病理表现^［3］。目前，AD的治疗方法主要基于“Aβ级联假说、tau蛋白异常聚集”，但仍无法有效阻止或延缓AD的疾病进程，因此找到AD有效的治疗靶点仍迫在眉睫。近年来全基因组关联研究（genome-wide association study，GWAS）及测序技术的发展使神经炎症和小胶质细胞（microglia）在AD中的作用得到重视，文中就小胶质细胞的病理生理、小胶质细胞在AD中的作用机制、生物标志物研究和与小胶质细胞相关的AD的药物治疗进展进行综述。

一、小胶质细胞生理

小胶质细胞是CNS的“巨噬细胞”，分布于整个CNS实质中，约占胶质细胞总数的10%。中枢神经系统中其他神经胶质细胞都由神经外胚层发育而来，而小胶质细胞却是由外周的造血组织分化而成，它们在胚胎发育早期迁移到中枢神经系统的神经管，进一步特化成为小胶质细胞^［4］。因此，早期小胶质细胞的起源及迁移过程对于小胶质细胞群体的建立乃至神经发育和神经系统稳态有着至关重要的意义，使其可以作为一种非侵入性的细胞治疗手段，将基因通过小胶质细胞传递到神经系统^［5］。

稳态情况下，小胶质细胞表现为“分支”形态，胞体静止，分支细长且高度动态，与周围神经元、血管和星形胶质细胞不断产生短暂接触，“监视”周围环境，并对异常神经元放电产生神经保护作用。受到刺激后，小胶质细胞形态会发生快速变化，表现为“肥厚样”或“变形虫样”。转录组学分析显示：当小胶质细胞受到炎性刺激时会产生增强反应，“肥厚样”小胶质细胞会表达与神经元成熟、突触传递和抗原呈递相关的基因；而“变形虫样”小胶质细胞则表达与细胞周期进展、迁移和吞噬相关的基因^［6］。此外小胶质细胞形态还可以表现为“衰老”“杆状”等多种形态^［7］。单细胞RNA测序技术的发展，使得人们对小胶质细胞的认识不断加深。2017年，Keren-Shaul等^［8］在5×FAD转基因小鼠模型中发现了一种疾病相关小胶质细胞（disease associated microglia，DAM）。敲除5×FAD小鼠的TREM2基因发现DAM经过两阶段形成：首先稳态小胶质细胞以不依赖髓系细胞触发受体（triggering receptor expressed on myeloid cells，TREM）的方式过渡到中间阶段，该阶段Cx3cr1和P2ry12/P2ry13基因表达下调，TYROBP、载脂蛋白E（ApoE）基因表达上调；然后以TREM依赖的方式激活到第二阶段，上调吞噬和脂质代谢相关基因的表达（如Cst7和Lpl）。DAM位于Aβ斑块附近，高表达脂代谢和吞噬相关基因，可以吞噬Aβ，在AD早期起神经保护作用。

二、小胶质细胞相关的AD病理

AD根据年龄可以分为早发性AD（early-onset AD，EOAD，发病年龄<65岁）和晚发性AD（late-onset AD，LOAD，发病年龄>65岁）。早发性AD已确定与Aβ前体蛋白（Aβ precursor protein，APP）、早老素-1和早老素-2基因突变相关。而占AD大部分的LOAD的最大风险因素是年龄，从65岁到85岁，AD的患病率可以从3%升至32%^［9］。但基因在LOAD中也发挥着重要作用，研究发现LOAD患者中携带ApoE4等位基因的几率明显高于正常人（分别为46.2%和13.2%），每增加1个ApoE4等位基因可以使AD风险增加3倍^［10］。星形胶质细胞生成的ApoE4可显著增强炎性反应、参与调节Aβ的生成、影响星形胶质细胞和神经元对Aβ的清除、导致tau蛋白异常磷酸化，通过上述一系列反应，最终导致神经功能减低、丧失，直至神经元被破坏^{［11, 12］}。

（一）小胶质细胞相关的AD风险基因

GWAS已确定出近30个AD的风险基因^［13］，其中TREM2、CD₃₃、CR1、ABCA7（ATP binding cassette transporter A7）、PTK2B、MS4A和SHIP1等基因被发现在小胶质细胞中高表达，参与了胆固醇代谢、吞噬作用和先天免疫等多种功能途径，表明小胶质细胞在AD病理过程中发挥着重要作用。

1. TREM2：近年来GWAS结果显示，TREM2基因的罕见杂合子突变可使LOAD风险增加约3倍，与ApoE4的风险相当。TREM2在大脑小胶质细胞高度表达，是一种跨膜糖蛋白受体，可与DAP12（DNAX-activating protein of 12 000）结合形成复合物，通过其免疫受体酪氨酸激活基序来募集酪氨酸激酶Syk，完成细胞内的信号传导过程^［14］。TREM2的胞外结构域能够与多种物质（ApoE、Aβ、脂多糖、脂磷壁酸）结合并激活小胶质细胞，与突触小体、ApoE和淀粉样蛋白的吞噬及小胶质细胞的存活相关。TREM2可以介导小胶质细胞的吞噬作用，有研究结果显示在体外培养的小胶质细胞中，降低TREM2的表达可以减少小胶质细胞的吞噬作用^［15］；在TREM2^-/-小鼠建立的大脑缺血/再灌注模型中，缺血区脑组织激活小胶质细胞的数量和细胞的吞噬能力明显下降^［16］。另有研究结果显示，敲除TREM2基因会显著降低小胶质细胞的存活及增殖能力、造成细胞周期停滞于G0/G1期并引发细胞凋亡^［17］。这些分子研究阐述了小胶质细胞的受体和参与的细胞进程可能对AD发生发展有重要影响，针对TREM2及其介导的信号通路进行调控可以成为AD治疗、药物研制的新的分子靶点。

2. CD₃₃：CD₃₃基因表达于脑内小胶质细胞表面，编码唾液酸结合免疫球蛋白样凝集素，含有与AD风险相关的基因变体，参与调节细胞因子的释放、免疫细胞的生长和调节TLR4信号等多种生物过程。CD₃₃是TREM2的上游信号分子^［18］，敲除5×FAD小鼠的CD₃₃基因可以改善AD模型小鼠的认知功能，继续敲除TREM2基因可以使AD模型小鼠的认知功能再次变差；而先敲除5×FAD小鼠的TREM2基因可以导致神经退行性变，再继续敲除CD₃₃基因不能使退行性变消失。另有研究发现，AD患者脑中CD₃₃蛋白水平以及CD₃₃阳性小胶质细胞的数量增加，而有CD₃₃单核苷酸多态性rs3865444保护性（T）等位基因的AD患者脑内CD₃₃表达减少、Aβ₄₂水平降低^［19］。这些研究结果提示CD₃₃可以通过损害小胶质细胞介导的Aβ摄取和清除而促进AD的发病，因此，抑制CD₃₃活性可能是预防和治疗AD的潜在方法。

3. ABCA7基因：ABCA7是一种多次跨膜转运蛋白，广泛表达于小胶质细胞，是ABC（ATP binding cassette）家族的成员之一，与LOAD有强关联的基因位点，其功能丧失的突变将明显增加患病风险。在AD患者的脑组织中，ABCA7基因表达水平明显升高。有研究结果显示，ABCA7可干扰小胶质细胞对Aβ的清除过程，敲除ABCA7基因的AD小鼠脑内海马区Aβ斑块沉积增加^［20］。另有研究结果显示，ABCA7可以干扰小胶质细胞介导的APP处理加工过程，在APP/PS-1模型AD小鼠中，ABCA7缺失使β-分泌酶表达增加，Aβ生成增多^［21］。近年来研究还发现ABCA7相关的单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphisms，SNP）变异体、罕见错义变异体、串联重复、CpG甲基化和选择性剪接都可能与AD的病理过程相关。因此，继续探索ABCA7基因在AD发病中的作用的影响，对寻找AD新的治疗靶点非常重要。

（二）小胶质细胞在AD中的作用

在大脑的发育过程中，小胶质细胞的形成和神经元是同时发生的，小胶质细胞可通过释放胰岛素样生长因子-1等神经营养因子参与神经元的存活、神经环路的形成^［22］；通过TREM2信号介导吞噬参与损伤神经元的非炎性清除^［23］，诱导神经元发生程序性细胞死亡；通过调节突触密度、谷氨酸能受体和树突棘数量来调节突触活动^［24］，通过DAP12信号调节突触可塑性^［25］。因此，小胶质细胞在维持CNS稳态中发挥着重要作用。

在AD的病理机制中，一方面，小胶质细胞可以被Aβ斑激活，通过TREM2-TYROBP信号通路发挥其吞噬作用，清除Aβ和损伤细胞；小胶质细胞也可以通过释放降解Aβ的蛋白酶，如胰岛素降解酶、纤溶酶原等，诱导Aβ的清除^［26］；小胶质细胞还可以形成阻止斑块周围Aβ₄₂热点区形成的屏障^［27］发挥神经保护作用。另一方面，小胶质细胞亦有神经毒性作用。Aβ与小胶质细胞上表达的受体复合物如CD₃₆、Toll样受体4（Toll-like receptor 4，TLR4）和TLR6等相互作用，导致促炎细胞因子、趋化因子和神经毒素的产生，这些物质会下调Aβ吞噬受体和Aβ降解酶相关基因，导致Aβ的吞噬和降解减少，Aβ积累增加；小胶质细胞亦可参与AD病理起始阶段斑块的播散。研究结果显示，在5×FAD小鼠中，激光诱导脑损伤可以激活小胶质细胞迁移到损伤部位，并在两周内诱导新斑块的形成^［28］。

三、小胶质细胞相关的AD生物学标志物

由于近年来药物试验的失败，研究者们迫切需要找到在AD症状出现之前对早期诊断有用的生物标志物，以针对前驱期或临床前阶段人群进行药物靶点研究，从而提高治疗的有效性。脑脊液中的Aβ和tau蛋白以及PET标志物在检测AD相关病理改变方面具有高度的准确性，但高成本和侵入性限制了它们的应用。血液的生物标志物可以为AD的早期检测和诊断提供一种快速、无创和经济有效的方法。

目前已经研究了许多与小胶质细胞相关的候选标志物，其中针对星形胶质细胞和小胶质细胞中表达的糖蛋白YKL-40（又称几丁质酶3样蛋白1，chitinase 3 like protein 1，CHI3L1）和TREM2的可溶性形式（sTREM2）的研究结果显示，AD患者脑脊液中YKL-40和sTREM2的水平升高，并与Aβ阳性个体的脑脊液tau蛋白水平相关^［29］。sTREM2水平在临床轻度认知障碍（mild cognitive impairment，MCI）阶段达到峰值，在临床AD痴呆阶段略有下降^［30］。另外，小胶质细胞在其线粒体外膜上表达转运蛋白（translocator protein）。研究结果显示，80%的Aβ阳性MCI患者脑内转运蛋白配体滞留增多^［31］。针对现有生物学标志物，开发AD新型诊断技术，建立标准化检测方法，开发新的生物学标志物，是AD研究仍需努力的方向。

四、小胶质细胞相关的AD药物研发

AD的药物研发进展缓慢，目前经过批准的药物有：阿杜卡奴单抗、乙酰胆碱酯酶抑制剂（多奈哌齐、卡巴拉汀和加兰他敏）、美金刚胺和甘露寡糖二酸（GV-971）。这些药物只能在一定时期内改善AD患者的认知症状，并不能改变疾病进程。抗Aβ、抗tau蛋白、神经递质修饰、抗神经炎症和神经保护等多种干预措施正在被研究^［32］。抗Aβ试验的失败使得针对Aβ的药物试验数量显著减少，目前在Ⅰ期和Ⅱ期试验中针对抗神经炎症药物试验明显增加。

针对小胶质细胞的药物试验研究多处于早期阶段，研发思路主要包括：第一，通过抑制小胶质细胞的促炎特性来限制小胶质细胞激活的有害影响。但有研究发现使用非甾体类抗炎药抑制神经炎症在针对AD患者的临床试验中无效^［33］。第二，通过调节小胶质细胞表型的改变来支持抗炎特性。过氧化物酶体增殖物激活受体γ（peroxisome proliferator-activated receptor gamma，PPARγ）激动剂吡格列酮和罗格列酮能够将小胶质细胞从促炎症表型转变为吞噬表型，并促进动物模型中淀粉样蛋白的清除；然而，罗格列酮在Ⅲ期临床试验中未能显示出显著的疗效^［34］。第三，调节小胶质细胞的启动。米诺环素可以逆转AD小鼠的IL-1β、IL-10和肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）α水平，抑制小胶质细胞的激活，可以改善AD小鼠Aβ沉积引起的记忆障碍^［35］。但2019年发表的一项临床试验结果显示米诺环素并不能改善轻度AD患者的认知功能^［36］。综上所述，以小胶质细胞为靶标有望成为延缓AD发展的新途径，但是其药物的生物利用度、药物的特异性、药物的安全性等仍需要解决。因此，提高小胶质细胞的特异靶向性将是开发新药的重点。

五、展望

针对AD病理和治疗药物的早期研究主要集中在神经元和Aβ、tau蛋白的关系上。近来越来越多的证据显示小胶质细胞和神经炎性在AD的病理机制中发挥重要作用。但小胶质细胞在AD病理过程中的作用非常复杂，既有神经保护性，也有神经毒性，其作用方式很大程度上取决于TREM2和其他相关基因的调控。TREM2在Aβ和tau病理中对促进小胶质细胞激活至关重要，TREM2-ApoE通路也被证明是AD小胶质细胞功能表型的主要调节因子，可作为恢复小胶质细胞稳态的新靶点。在未来，对小胶质细胞的全面了解将会给人类治疗AD提供越来越多新的干预手段。

参考文献略