中樞神經系統中小膠質細胞的起源

小型膠原細胞是廣泛分布于中樞神經系統各部分的重要細胞成分。該數量占中樞神經系統總細胞總數的5%20%。關于小膠質細胞的發育,特別是起源,存在爭議。Cajal將神經膠質細胞分為三類,前兩類相當于星形膠質細胞,第三類稱“第三成分”,大概包括少突膠質細胞和小膠質細胞。直到Hortega(1919,1923)創立了碳酸銀法時,才將小膠質細胞和少突膠質細胞區別開來,并認為是中樞神經系統內的巨噬細胞,故小膠質細胞又名Hortega細胞。1免疫組化檢測動物細胞關于小膠質細胞的起源,目前仍有爭議。少數人認為,與其他膠質細胞一樣,小膠質細胞也起源于外胚層。Hortega的經典見解認為,此種細胞來源于中胚層,是胚胎發育后期開始形成血管時侵入腦內的。他觀察到,在胚胎的腦膜和腦組織的交界面先出現一些類似淋巴細胞的小細胞,起初局限于腦內軟膜下某些區域,以后擴散到腦室周圍和室管膜下層,漸至腦組織深部,并呈現為“靜止性”小膠質細胞狀態。細胞浸潤中樞神經的全過程約為數日,細胞的來源是血管外膜的結締組織。許多研究表明,小膠質細胞是起源于單核細胞的。最具有說服力的實驗是骨髓移植。首先給予受體動物致死劑量的放射線照射,完全破壞其造血功能,然后移植入其他動物的骨髓,重建造血功能。根據其抗原特性,用免疫組化的方法可以檢測受體動物體內的供體細胞。Hickey等(1988,1992)用這種技術發現,骨髓來源的細胞能進入動物脈絡膜、腦膜以及腦組織內,其特征說明它們是小膠質細胞。供體動物細胞所占的比列與受體動物接受移植的年齡階段有關。其中腦膜與室管膜上的巨噬細胞更新速度相對比腦組織內的小膠質細胞快,數月內就有大部分細胞屬于供體細胞。腦組織內小膠質細胞的更新速度慢的原因可能是,腦內微環境抑制了小膠質細胞那些作為供體標志的抗原的表達,影響了實驗結果。后來人們用轉基因動物重復這一實驗,發現新生或3個月齡小鼠重建骨髓22個月后,白質內小膠質細胞只有10%來源于供體,而灰質內沒有。由這些結果推測,胚胎發育期進入中樞神經系統內的小膠質細胞壽命可能很長或能分裂產生新的細胞。組織化學與免疫組化技術證明,小膠質細胞來源于單核細胞。對小膠質細胞發育與分化序列的研究清楚顯示,其起源是單核細胞。用染料標記發育過程中單核細胞,在成熟的小膠質細胞中檢測到陽性細胞。小膠質細胞也是神經組織內唯一能表達白細胞特異性抗原的細胞,更說明它們起源于白細胞。Ling等的實驗研究表明,血液中的單核細胞在生后早期侵入腦再轉變成阿米巴小膠質細胞,然后分化成成熟分支狀小膠質細胞,這種分化發生在生后第2周與第3周之間。也有人認為,小膠質細胞來源于骨髓造血干細胞,這是基于兩種假設,一是單核細胞進入中樞神經系統沒有選擇性,是隨機的,當它們到達中樞神經系統以后,受到周圍環境的影響,才改變了自身的形態與特性。另外一種假設是存在一群擁有進入中樞神經系統能力的特定單核細胞。外周組織的巨噬細胞具有外向K+通道,體外培養的小膠質細胞則擁有內向K+通道,新生動物腦切片上的幼稚小膠質細胞也具有這種特異的K+通道。Banati等發現,骨髓內某些單核細胞能表達這種內向K+通道,表明骨髓內確實存在一類將來能發育成小膠質細胞的單核細胞系。Sievers等發現,把從血液或脾臟分離的單核細胞與星形膠質細胞共同培養,能誘導單核細胞表達內向K+通道,形態也表現出小膠質細胞的特征,這說明周圍微環境也十分重要。可能的情況是,骨髓內某類擁有進入中樞神經系統特權的細胞,進入中樞神經系統后與周圍環境相互作用,發育成成熟小膠質細胞。2腦室遷移進入實質小膠質細胞的前體細胞可以通過以下幾種途徑遷移進入腦內:第一種途徑是通過腦膜,穿過軟膜的表面進入腦實質中;第二種途徑是通過襯在腦室內的神經上皮細胞通過腦室進入腦實質;第三種途徑是血中的小膠質細胞前體細胞通過血管壁內皮細胞進入腦實質。在胚胎發育期小膠質細胞的前體多數是通過腦膜和腦室遷移進入腦實質,而在發育成熟的動物主要是通過血行進入腦實質的。遷移方式是先經過“切線式遷移”,再經過“輻射狀遷移”,從而到達定居地點。嚙齒類動物的遷移過程大致是從胚胎晚期到出生后3周內完成。3小膠質細胞fc中樞神經系統發育過程中,人們對小膠質細胞的命運存在著爭論。免疫細胞化學方法證明,發育過程中腦內的巨噬細胞,以后會分化成定居在腦內的小膠質細胞。巨噬細胞廣泛分布在胚胎或新生小鼠大腦內,這些圓形或星形細胞能表達巨噬細胞特異性抗原F4/80,Fc受體及補體3受體。位置不固定,多成團分布于白質血管周圍。動物成年以后,這些細胞發育成形態復雜的小膠質細胞。在大鼠腦內能鑒別出從圓形細胞向成熟小膠質細胞轉化的過渡型細胞,其他動物包括人類胎兒也有類似的過渡細胞。大腦發育過程中,小膠質細胞的形態分化約經過三個階段,第一階段為阿米巴樣小膠質細胞,圓形或有短粗突起的細胞;第二階段為初級分枝狀小膠質細胞,胞體較大,染色深,突起多較粗長;最后階段變為成熟分枝狀小膠質細胞,胞體小,多呈三角形或扁橢圓形,染色淺,突起長而纖細。目前人們對小膠質細胞的分化過程了解仍然較少。4小膠質細胞激活的機制小膠質細胞活化是中樞神經系統在許多病理條件下,有時甚至是非常微弱刺激作用下的常見反應,表現為小膠質細胞在局部不同程度的增生與聚集,同時常伴有細胞形態、免疫表型與功能等一系列的變化。細胞形態上,活化小膠質細胞常表現為突起回縮、胞體相對增大乃至呈巨噬細胞樣,免疫學表型的改變多為一些免疫分子如主要組織相容性抗原等的表達或表達增強;在功能變化方面,活化小膠質細胞可釋放多種類型介質,包括細胞毒性物質如一氧化氮、氧自由基、蛋白水解酶等,炎性因子如白介素1、腫瘤壞死因子α與γ干擾素等。這是小膠質細胞最重要的細胞特性,它構成了中樞神經系統抵御感染性疾病、炎癥、創傷、缺血及神經退行性變的關鍵環節。在發育期小膠質細胞的作用為清除死亡的細胞和軸突碎片;誘導某些神經元和血管內皮細胞的凋亡;產生營養因子,支持神經元和膠質細胞的正常功能;參與發育中樞神經系統神經突的引導;促進星型膠質細胞的增生;增加髓鞘的形成;刺激中樞神經系統血管形成等。Wu等的實驗發現,電壓門控K+通道1.1在新生鼠阿米巴樣小膠質細胞表達,從生后1d(postnatalday1,P1)至生后10d(postnatalday10,P10)隨年齡增加逐漸減少,在生后14d(postnatalday14,P14)和生后21d(postnatalday21,P21)成熟分支狀小膠質細胞中幾乎檢測不到。Kaur等的實驗觀察了P0至P7大鼠小膠質細胞內胰島素樣生長因子Ⅰ和Ⅱ(insulin-likegrowthfactorsIandII)的表達,胰島素樣生長因子Ⅰ從P0至P7在阿米巴細胞內都有表達,而胰島素樣生長因子Ⅱ只在P1至P3中檢測到,表明一些細胞因子和蛋白在小膠質細胞的表達與時間和功能相關。Li等發現,新生鼠缺血處理后大腦胼胝體內血管緊張素Ⅱ(angiotensinⅡ)釋放減少,阿米巴小膠質細胞中血管緊張素Ⅱ-1型受體(angiotensinⅡreceptortype1,AT1)mRNA及其蛋白表達下調,而AT2mRNA及其蛋白表達上調,結果提示AT1與血管舒張調節有關,而AT2能抑制炎癥反應和清除自由基,表明發育期小膠質細胞參與缺血后腦組織的保護機制。Wu等的實驗發現,內皮縮血管肽類(endothelins,ETs)特別是ET-1和ET-3短暫存在于生后早期腦胼胝體阿米巴小膠質細胞內,RT-PCR顯示在P1含量最高,隨年齡增加逐漸減少,至P14測量不到,提示小膠質細胞是ET一個新的細胞來源,可能在調節血管收縮中發揮多重作用。小膠質細胞激活引起的病理生理作用到目前還存在爭議,在神經系統病變時其可能發揮損傷或修復雙重作用。一方面,活化的小膠質細胞可以通過抗氧化酶、抗興奮毒、釋放神經生長因子及免疫、機械吞噬作用從而發揮神經保護作用。李愛萍等的實驗發現,脊髓腹角小膠質細胞的激活可能在大鼠周圍神經損傷后的再生中發揮重要的保護作用。轉化生長因子β1(TGF-β1)屬于TGF-β蛋白家族,對各種細胞的生長和分化有多重影響,Li等觀察到對出生后的大鼠進行缺氧處理,在大腦的胼胝體阿米巴小膠質細胞出現強烈的免疫反應,TGF-β1及其受體(TβRI和TβRII)在細胞內表達上調,提示在腦發育過程中阿米巴樣的小膠質細胞可抵抗缺氧引起的腦損傷。動物面神經切割術后被割斷的運動神經大部分可以成功再生,而且這種再生在強烈的小膠質細胞膠質化之時或者之后,提示激活的小膠質細胞能夠促進神經再生。有些研究表明小膠質細胞的激活實際上是對有害因素做出的反應,激活的小膠質細胞產生的神經營養因子促進神經系統和免疫系統之間直接的、相互的信息交流,具有神經保護作用。激活的小膠質細胞形成胞突包繞神經元末端,造成小膠質細胞與受損神經元的密切接觸。這種接觸對于小膠質細胞和受損神經元的相互作用是非常有利的,它非常有利于小膠質細胞源性的營養因子向受損神經元的分配。小膠質細胞激活在運動神經元再生前開始出現并且持續發生,運動神經元成功再生后小膠質細胞反應也隨之下降。移植純化的小膠質細胞或巨噬細胞到中樞神經系統可加強軸突的生長和神經功能的恢復。有關阿爾茨海墨病的研究也顯示小膠質細胞功能喪失伴隨某些神經保護特性的喪失。在發生急性損傷如外傷和中風時,小膠質細胞激活能發揮神經保護作用。小膠質細胞釋放的神經生長因子能營養神經,促進軸突再生,有利于提高神經元的存活能力,神經生長因子在紋狀體可誘導帕金森病鼠受損害的多巴胺能神經纖維芽生。小膠質細胞具有谷氨酸受體,谷氨酸是中樞神經系統的興奮性遞質,小膠質細胞能攝取細胞外的谷氨酸,減緩谷氨酸對多種神經元的興奮毒作用。另一方面,激活的小膠質細胞可發揮細胞毒性效應,主要通過兩條途徑:一是通過與神經細胞直接接觸,發揮腦內吞噬細胞的毒性作用,即當死亡時,小膠質細胞轉變成巨噬細胞吞噬神經元,對神經元產生有害作用。在腦缺血損傷早期,神經細胞膜上的磷脂酰絲氨酸殘基外在化,誘導小膠質細胞吞噬作用,從而造成神經細胞損傷。我們的前期工作證實缺氧缺血性腦損傷后損傷側皮質、海馬和紋狀體等部位可見程度不同的活化的OX-42陽性小膠質細胞浸潤,表現為數量增加和形態改變。Simvastatin干預可以減輕由缺氧缺血性損傷引起的體重增長緩慢及患側的神經元破壞;并可能通過抑制小膠質細胞的激活,減緩缺氧缺血后髓鞘損害,促進髓鞘形成,減緩腦白質損傷,有利于損傷神經再生和修復,對發育期缺氧缺血性腦損傷起保護和治療作用。二是通過釋放和(或)分泌一系列潛在的神經毒性物質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等導致繼發性腦損害。如TNF-α為多效性作用的促炎性細胞因子,在腦內由星形細胞和小膠質細胞合成,外周血TNF-α也可通過血腦屏障進入腦組織。TNF-α能通過促凝血、增加內皮細胞通透性及誘導黏附分子或其他炎性介質表達,從而加重缺血性腦損傷。IL-1β是觸發免疫和炎癥反應的重要介質,可加重缺血性腦損傷,使腦梗死體積擴大。激活后的小膠質細胞通過釋放自由基可以引起運動神經元的損傷,這一過程主要是通過提高運動神經元AMPA/紅藻氨酸鹽受體對谷氨酸的敏感性來實現的。激活后的小膠質細胞參與多種神經系統疾病的病理過程。帕金森病(Parkinsondisease,PD)是一種以患者中腦黑質多巴胺能神經元變性壞死為主要特征的神經退行性疾病,在PD患者和PD動物模型中除了黑質致密部大量多巴胺能神經元壞死外還有大量的小膠質細胞的增殖。這些激活的小膠質細胞可以產生大量的超氧自由基,超氧自由基被認為是造成PD患者腦中多巴胺能神經元壞死的氧化應激的主要原因,顯示了小膠質細胞在多巴胺能神經元壞死中的作用。因此,在PD時小膠質細胞的激活可能主動參與了多巴胺神經元變性過程。Sun等在大鼠的黑質內注射趨化因子Fractalkine激活小膠質細胞,導致多巴胺能神經元變性壞死,大鼠出現PD樣的運動功能障礙,如預先注射米諾環素(小膠質細胞特異性抑制劑),Fractalkine既不能激活小膠質細胞,大鼠的運動功能正常,提示Fractalkine通過激活小膠質細胞在PD的發病機制中發揮作用。在阿爾茨海默病(Alzheimerdisease,AD)患者大腦的老年斑周圍有大量激活的小膠質細胞,這些小膠質細胞通過釋放細胞因子可以誘導神經元和星形膠質細胞表達淀粉樣前體蛋白(amyloidprecursorprotein,APP),APP的大量沉積是造成AD重要原因。Huang等在體外培養的BV-2小膠質細胞能促進AD纖維狀β淀粉樣蛋白(Aβ)的聚集,擴大老年斑的范圍。但Majumdal等的實驗發現,激活狀態的小膠質細胞具有降解Aβ的能力。激活的小膠質細胞釋放的TN