中枢神经系统中小胶质细胞的起源

中枢神经系统中小胶质细胞的起源

小型胶原细胞是广泛分布于中枢神经系统各部分的重要细胞成分。该数量占中枢神经系统总细胞总数的5%20%。关于小胶质细胞的发育,特别是起源,存在争议。Cajal将神经胶质细胞分为三类,前两类相当于星形胶质细胞,第三类称“第三成分”,大概包括少突胶质细胞和小胶质细胞。直到Hortega(1919,1923)创立了碳酸银法时,才将小胶质细胞和少突胶质细胞区别开来,并认为是中枢神经系统内的巨噬细胞,故小胶质细胞又名Hortega细胞。1免疫组化检测动物细胞关于小胶质细胞的起源,目前仍有争议。少数人认为,与其他胶质细胞一样,小胶质细胞也起源于外胚层。Hortega的经典见解认为,此种细胞来源于中胚层,是胚胎发育后期开始形成血管时侵入脑内的。他观察到,在胚胎的脑膜和脑组织的交界面先出现一些类似淋巴细胞的小细胞,起初局限于脑内软膜下某些区域,以后扩散到脑室周围和室管膜下层,渐至脑组织深部,并呈现为“静止性”小胶质细胞状态。细胞浸润中枢神经的全过程约为数日,细胞的来源是血管外膜的结缔组织。许多研究表明,小胶质细胞是起源于单核细胞的。最具有说服力的实验是骨髓移植。首先给予受体动物致死剂量的放射线照射,完全破坏其造血功能,然后移植入其他动物的骨髓,重建造血功能。根据其抗原特性,用免疫组化的方法可以检测受体动物体内的供体细胞。Hickey等(1988,1992)用这种技术发现,骨髓来源的细胞能进入动物脉络膜、脑膜以及脑组织内,其特征说明它们是小胶质细胞。供体动物细胞所占的比列与受体动物接受移植的年龄阶段有关。其中脑膜与室管膜上的巨噬细胞更新速度相对比脑组织内的小胶质细胞快,数月内就有大部分细胞属于供体细胞。脑组织内小胶质细胞的更新速度慢的原因可能是,脑内微环境抑制了小胶质细胞那些作为供体标志的抗原的表达,影响了实验结果。后来人们用转基因动物重复这一实验,发现新生或3个月龄小鼠重建骨髓22个月后,白质内小胶质细胞只有10%来源于供体,而灰质内没有。由这些结果推测,胚胎发育期进入中枢神经系统内的小胶质细胞寿命可能很长或能分裂产生新的细胞。组织化学与免疫组化技术证明,小胶质细胞来源于单核细胞。对小胶质细胞发育与分化序列的研究清楚显示,其起源是单核细胞。用染料标记发育过程中单核细胞,在成熟的小胶质细胞中检测到阳性细胞。小胶质细胞也是神经组织内唯一能表达白细胞特异性抗原的细胞,更说明它们起源于白细胞。Ling等的实验研究表明,血液中的单核细胞在生后早期侵入脑再转变成阿米巴小胶质细胞,然后分化成成熟分支状小胶质细胞,这种分化发生在生后第2周与第3周之间。也有人认为,小胶质细胞来源于骨髓造血干细胞,这是基于两种假设,一是单核细胞进入中枢神经系统没有选择性,是随机的,当它们到达中枢神经系统以后,受到周围环境的影响,才改变了自身的形态与特性。另外一种假设是存在一群拥有进入中枢神经系统能力的特定单核细胞。外周组织的巨噬细胞具有外向K+通道,体外培养的小胶质细胞则拥有内向K+通道,新生动物脑切片上的幼稚小胶质细胞也具有这种特异的K+通道。Banati等发现,骨髓内某些单核细胞能表达这种内向K+通道,表明骨髓内确实存在一类将来能发育成小胶质细胞的单核细胞系。Sievers等发现,把从血液或脾脏分离的单核细胞与星形胶质细胞共同培养,能诱导单核细胞表达内向K+通道,形态也表现出小胶质细胞的特征,这说明周围微环境也十分重要。可能的情况是,骨髓内某类拥有进入中枢神经系统特权的细胞,进入中枢神经系统后与周围环境相互作用,发育成成熟小胶质细胞。2脑室迁移进入实质小胶质细胞的前体细胞可以通过以下几种途径迁移进入脑内:第一种途径是通过脑膜,穿过软膜的表面进入脑实质中;第二种途径是通过衬在脑室内的神经上皮细胞通过脑室进入脑实质;第三种途径是血中的小胶质细胞前体细胞通过血管壁内皮细胞进入脑实质。在胚胎发育期小胶质细胞的前体多数是通过脑膜和脑室迁移进入脑实质,而在发育成熟的动物主要是通过血行进入脑实质的。迁移方式是先经过“切线式迁移”,再经过“辐射状迁移”,从而到达定居地点。啮齿类动物的迁移过程大致是从胚胎晚期到出生后3周内完成。3小胶质细胞fc中枢神经系统发育过程中,人们对小胶质细胞的命运存在着争论。免疫细胞化学方法证明,发育过程中脑内的巨噬细胞,以后会分化成定居在脑内的小胶质细胞。巨噬细胞广泛分布在胚胎或新生小鼠大脑内,这些圆形或星形细胞能表达巨噬细胞特异性抗原F4/80,Fc受体及补体3受体。位置不固定,多成团分布于白质血管周围。动物成年以后,这些细胞发育成形态复杂的小胶质细胞。在大鼠脑内能鉴别出从圆形细胞向成熟小胶质细胞转化的过渡型细胞,其他动物包括人类胎儿也有类似的过渡细胞。大脑发育过程中,小胶质细胞的形态分化约经过三个阶段,第一阶段为阿米巴样小胶质细胞,圆形或有短粗突起的细胞;第二阶段为初级分枝状小胶质细胞,胞体较大,染色深,突起多较粗长;最后阶段变为成熟分枝状小胶质细胞,胞体小,多呈三角形或扁椭圆形,染色浅,突起长而纤细。目前人们对小胶质细胞的分化过程了解仍然较少。4小胶质细胞激活的机制小胶质细胞活化是中枢神经系统在许多病理条件下,有时甚至是非常微弱刺激作用下的常见反应,表现为小胶质细胞在局部不同程度的增生与聚集,同时常伴有细胞形态、免疫表型与功能等一系列的变化。细胞形态上,活化小胶质细胞常表现为突起回缩、胞体相对增大乃至呈巨噬细胞样,免疫学表型的改变多为一些免疫分子如主要组织相容性抗原等的表达或表达增强;在功能变化方面,活化小胶质细胞可释放多种类型介质,包括细胞毒性物质如一氧化氮、氧自由基、蛋白水解酶等,炎性因子如白介素1、肿瘤坏死因子α与γ干扰素等。这是小胶质细胞最重要的细胞特性,它构成了中枢神经系统抵御感染性疾病、炎症、创伤、缺血及神经退行性变的关键环节。在发育期小胶质细胞的作用为清除死亡的细胞和轴突碎片;诱导某些神经元和血管内皮细胞的凋亡;产生营养因子,支持神经元和胶质细胞的正常功能;参与发育中枢神经系统神经突的引导;促进星型胶质细胞的增生;增加髓鞘的形成;刺激中枢神经系统血管形成等。Wu等的实验发现,电压门控K+通道1.1在新生鼠阿米巴样小胶质细胞表达,从生后1d(postnatalday1,P1)至生后10d(postnatalday10,P10)随年龄增加逐渐减少,在生后14d(postnatalday14,P14)和生后21d(postnatalday21,P21)成熟分支状小胶质细胞中几乎检测不到。Kaur等的实验观察了P0至P7大鼠小胶质细胞内胰岛素样生长因子Ⅰ和Ⅱ(insulin-likegrowthfactorsIandII)的表达,胰岛素样生长因子Ⅰ从P0至P7在阿米巴细胞内都有表达,而胰岛素样生长因子Ⅱ只在P1至P3中检测到,表明一些细胞因子和蛋白在小胶质细胞的表达与时间和功能相关。Li等发现,新生鼠缺血处理后大脑胼胝体内血管紧张素Ⅱ(angiotensinⅡ)释放减少,阿米巴小胶质细胞中血管紧张素Ⅱ-1型受体(angiotensinⅡreceptortype1,AT1)mRNA及其蛋白表达下调,而AT2mRNA及其蛋白表达上调,结果提示AT1与血管舒张调节有关,而AT2能抑制炎症反应和清除自由基,表明发育期小胶质细胞参与缺血后脑组织的保护机制。Wu等的实验发现,内皮缩血管肽类(endothelins,ETs)特别是ET-1和ET-3短暂存在于生后早期脑胼胝体阿米巴小胶质细胞内,RT-PCR显示在P1含量最高,随年龄增加逐渐减少,至P14测量不到,提示小胶质细胞是ET一个新的细胞来源,可能在调节血管收缩中发挥多重作用。小胶质细胞激活引起的病理生理作用到目前还存在争议,在神经系统病变时其可能发挥损伤或修复双重作用。一方面,活化的小胶质细胞可以通过抗氧化酶、抗兴奋毒、释放神经生长因子及免疫、机械吞噬作用从而发挥神经保护作用。李爱萍等的实验发现,脊髓腹角小胶质细胞的激活可能在大鼠周围神经损伤后的再生中发挥重要的保护作用。转化生长因子β1(TGF-β1)属于TGF-β蛋白家族,对各种细胞的生长和分化有多重影响,Li等观察到对出生后的大鼠进行缺氧处理,在大脑的胼胝体阿米巴小胶质细胞出现强烈的免疫反应,TGF-β1及其受体(TβRI和TβRII)在细胞内表达上调,提示在脑发育过程中阿米巴样的小胶质细胞可抵抗缺氧引起的脑损伤。动物面神经切割术后被割断的运动神经大部分可以成功再生,而且这种再生在强烈的小胶质细胞胶质化之时或者之后,提示激活的小胶质细胞能够促进神经再生。有些研究表明小胶质细胞的激活实际上是对有害因素做出的反应,激活的小胶质细胞产生的神经营养因子促进神经系统和免疫系统之间直接的、相互的信息交流,具有神经保护作用。激活的小胶质细胞形成胞突包绕神经元末端,造成小胶质细胞与受损神经元的密切接触。这种接触对于小胶质细胞和受损神经元的相互作用是非常有利的,它非常有利于小胶质细胞源性的营养因子向受损神经元的分配。小胶质细胞激活在运动神经元再生前开始出现并且持续发生,运动神经元成功再生后小胶质细胞反应也随之下降。移植纯化的小胶质细胞或巨噬细胞到中枢神经系统可加强轴突的生长和神经功能的恢复。有关阿尔茨海墨病的研究也显示小胶质细胞功能丧失伴随某些神经保护特性的丧失。在发生急性损伤如外伤和中风时,小胶质细胞激活能发挥神经保护作用。小胶质细胞释放的神经生长因子能营养神经,促进轴突再生,有利于提高神经元的存活能力,神经生长因子在纹状体可诱导帕金森病鼠受损害的多巴胺能神经纤维芽生。小胶质细胞具有谷氨酸受体,谷氨酸是中枢神经系统的兴奋性递质,小胶质细胞能摄取细胞外的谷氨酸,减缓谷氨酸对多种神经元的兴奋毒作用。另一方面,激活的小胶质细胞可发挥细胞毒性效应,主要通过两条途径:一是通过与神经细胞直接接触,发挥脑内吞噬细胞的毒性作用,即当死亡时,小胶质细胞转变成巨噬细胞吞噬神经元,对神经元产生有害作用。在脑缺血损伤早期,神经细胞膜上的磷脂酰丝氨酸残基外在化,诱导小胶质细胞吞噬作用,从而造成神经细胞损伤。我们的前期工作证实缺氧缺血性脑损伤后损伤侧皮质、海马和纹状体等部位可见程度不同的活化的OX-42阳性小胶质细胞浸润,表现为数量增加和形态改变。Simvastatin干预可以减轻由缺氧缺血性损伤引起的体重增长缓慢及患侧的神经元破坏;并可能通过抑制小胶质细胞的激活,减缓缺氧缺血后髓鞘损害,促进髓鞘形成,减缓脑白质损伤,有利于损伤神经再生和修复,对发育期缺氧缺血性脑损伤起保护和治疗作用。二是通过释放和(或)分泌一系列潜在的神经毒性物质和炎性因子如氧自由基、NO、超氧化物、蛋白酶、谷氨酸、IL-1β和TNF-α等导致继发性脑损害。如TNF-α为多效性作用的促炎性细胞因子,在脑内由星形细胞和小胶质细胞合成,外周血TNF-α也可通过血脑屏障进入脑组织。TNF-α能通过促凝血、增加内皮细胞通透性及诱导黏附分子或其他炎性介质表达,从而加重缺血性脑损伤。IL-1β是触发免疫和炎症反应的重要介质,可加重缺血性脑损伤,使脑梗死体积扩大。激活后的小胶质细胞通过释放自由基可以引起运动神经元的损伤,这一过程主要是通过提高运动神经元AMPA/红藻氨酸盐受体对谷氨酸的敏感性来实现的。激活后的小胶质细胞参与多种神经系统疾病的病理过程。帕金森病(Parkinsondisease,PD)是一种以患者中脑黑质多巴胺能神经元变性坏死为主要特征的神经退行性疾病,在PD患者和PD动物模型中除了黑质致密部大量多巴胺能神经元坏死外还有大量的小胶质细胞的增殖。这些激活的小胶质细胞可以产生大量的超氧自由基,超氧自由基被认为是造成PD患者脑中多巴胺能神经元坏死的氧化应激的主要原因,显示了小胶质细胞在多巴胺能神经元坏死中的作用。因此,在PD时小胶质细胞的激活可能主动参与了多巴胺神经元变性过程。Sun等在大鼠的黑质内注射趋化因子Fractalkine激活小胶质细胞,导致多巴胺能神经元变性坏死,大鼠出现PD样的运动功能障碍,如预先注射米诺环素(小胶质细胞特异性抑制剂),Fractalkine既不能激活小胶质细胞,大鼠的运动功能正常,提示Fractalkine通过激活小胶质细胞在PD的发病机制中发挥作用。在阿尔茨海默病(Alzheimerdisease,AD)患者大脑的老年斑周围有大量激活的小胶质细胞,这些小胶质细胞通过释放细胞因子可以诱导神经元和星形胶质细胞表达淀粉样前体蛋白(amyloidprecursorprotein,APP),APP的大量沉积是造成AD重要原因。Huang等在体外培养的BV-2小胶质细胞能促进AD纤维状β淀粉样蛋白(Aβ)的聚集,扩大老年斑的范围。但Majumdal等的实验发现,激活状态的小胶质细胞具有降解Aβ的能力。激活的小胶质细胞释放的TN