视网膜小胶质细胞与神经炎症在阿尔茨海默病中的研究

石中永，梅馨纯，郑海林，胡靖霄，刘起东，申远

阿尔茨海默病(Alzheimer's disease，AD)是一种与年龄有关的神经退行性疾病，临床主要表现为进行性认知功能障碍和记忆损害并伴有精神行为异常。AD主要神经病理特征包括：大脑皮质和海马区神经元外大量β淀粉样蛋白(Amyloid β，Aβ)异常沉积并形成老年斑(senile plaques，SPs)，神经元胞体内微管相关蛋白过度磷酸化(phosphorylated tau，pTau)及神经纤维缠结(neurofibrillar tangles，NFTs)形成；协同诱发了神经胶质炎性反应、突触功能异常和神经细胞凋亡[1]。

炎症是机体自身的一个防御过程，可使机体对抗外界因素的侵袭保持组织的完好性。然而，不受控制并且长期持续存在的炎症反应则对机体有害，甚至会引起神经细胞损伤[2]。神经炎症，即发生于中枢神经系统的炎性反应。中枢神经系统的胶质细胞主要包括小胶质细胞、星形胶质细胞和少突胶质细胞，其中小胶质细胞参与一系列神经退行性疾病的发生，小胶质细胞活化和神经炎症是神经病理学的主要特征[3]。活化的小胶质细胞会释放大量的炎性介质，例如细胞因子、活性氧自由基(reactive oxygen species，ROS)、一氧化氮(nitric oxide，NO)、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)，这将促发一种慢性炎症状态继而产生神经毒性作用[4]。

视网膜是中枢神经系统的延续，具有类似于颅内的免疫系统，如血-视网膜屏障、免疫调节系统等，用以防御过度炎性反应所致的组织损伤[5]。视网膜被认为是“大脑的窗口”，AD等神经退行性疾病颅内的神经炎症及其相关的病理特征在视网膜也有所呈现，而眼科常用的光学相干断层扫描仪(optical coherence tomography，OCT)可以观察到视网膜炎症并提供视网膜和视神经病理变化的解剖学特征[6]。因此，基于OCT的视网膜参数在AD研究领域已广泛应用。以上证据强调了视网膜炎症反应的重要性，尤其是由小胶质细胞介导的神经炎症在AD病程进展中起到关键作用。本文主要就视网膜小胶质细胞和神经炎症在AD发病机制中的作用进行阐述。

1 小胶质细胞与神经炎症

小胶质细胞是中枢神经系统的常驻免疫细胞，不仅在神经发生、神经元可塑性和再生过程起重要作用，也是应对脑损伤第一道最主要的免疫防线。小胶质细胞对外界刺激的反应非常敏感，任何神经系统紊乱通常可引起小胶质细胞激活和炎性反应；同时，小胶质细胞数量增加，表型发生改变，这种现象被称为“反应性胶质增生”[7]。当发生急性神经退行性病变，如颅内感染、脑外伤或中风时，小胶质细胞迅速被激活，并释放炎症介质。当小胶质细胞被长时程激活至过度活化后，会持续释放一系列炎性介质，导致氧化应激反应。小胶质细胞介导的慢性炎症反应则对机体是有害的，会造成神经组织损伤，加快神经退行性疾病的进展[8]。

小胶质细胞激活主要有两种表型：M1型和M2型。小胶质细胞M1型具有明显的神经毒性作用，主要发挥促炎功能，促进白细胞介素-1β(interleukin-1β，IL-1β)、白细胞介素-6(interleukin-6，IL-6)、白细胞介素-12(interleukin-12，IL-12)、TNF-α等炎性介质，以及谷氨酸和诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS)的合成，启动炎症反应[9]。一般情况下，神经炎症有助于神经轴突修复，以及中枢神经系统毒性物质和细胞残骸的清除；但当M1型小胶质细胞持续被激活，机体将处于一种失控的慢性炎症状态，导致神经元凋亡[10]。小胶质细胞M2型具有神经保护作用，主要发挥抗炎作用，促进组织修复，为神经元提供一种支持性的微环境。这些细胞能够分泌大量抗炎介质，包括IL-4、IL-13、IL-10和神经营养因子(neurotrophic factors，NTFs)等，缓解炎症反应过程，保护神经元的功能[11]。

小胶质细胞活化和神经炎症是神经退行性疾病的核心特征。小胶质细胞M1型和M2型之间可以动态转换。在神经退行性疾病中，小胶质细胞的激活状态多由具有神经保护作用的M2型转化为有神经毒性作用的M1型，产生神经炎症反应，引起神经元损伤。

2 AD与小胶质细胞介导的神经炎症

神经炎症对中枢神经系统的保护抑或损害作用一直以来备受争议，但其在神经退行性疾病中扮演着至关重要的角色[12]。在过去十年，有充分的证据显示在多种神经系统疾病及神经退行性疾病中，神经退行性病变的发生与神经炎症有关。例如，相对于认知正常者，AD患者脑内和血清中促炎因子TNF-α、IL-6的水平均较高[13-14]。此外，也有一部分证据发现AD患者大脑皮质内的Aβ斑块被小胶质细胞包绕、T细胞内有Aβ斑块沉积、脑内有激活的小胶质细胞和星形胶质细胞等[15]。由此认为，除促炎因子直接的神经毒性作用，活化的小胶质细胞也可能促进Aβ斑块的沉积。

一般急性炎症反应之后，脑内胶质细胞开始反应并修复受损的组织。如果外界刺激持续存在，机体会逐渐进入慢性炎症反应阶段，导致神经元功能障碍、损害和缺失[16]。而AD脑内沉积的Aβ斑块可以诱发小胶质细胞活化，处于活化状态的小胶质细胞释放促炎因子或抗炎因子，引起组织产生慢性炎症反应；同时也可以通过负反馈机制削弱Aβ斑块的清除过程，从而造成更多的斑块沉积[17]。以上初步研究表明了小胶质细胞与Aβ斑块相互作用的分子机制。

正常情况下，小胶质细胞对于维系中枢神经系统神经元的正常功能具有重要作用。神经发育过程中，小胶质细胞参与突触的修剪，并且可以为神经元提供营养支持，调节突触功能。老化或AD会使脑内小胶质细胞异常激活，产生神经炎症，并导致海马及相关脑区突触丢失、神经元凋亡以及认知功能恶化。小胶质细胞的形态学改变反映了小胶质细胞的活化状态，而小胶质细胞的活化程度与中枢神经炎症的严重程度密切相关。鉴于小胶质细胞及其介导的神经炎症在AD中的核心作用，活体监测小胶质细胞活化或可作为反映病情进展的重要手段。正电子发射断层扫描(positron emission tomography，PET)是目前广泛认可的一种活体监测脑内小胶质细胞活化的方法[18]。老年斑内或周围活化的小胶质细胞和星形胶质细胞会过度表达线粒体转运蛋白(mitochondrial translocator protein，TSPO)，因此，TSPO-PET成像被认为是观察脑内神经炎症的潜在生物标记[19]。此外，磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)也逐渐被应用于神经炎症研究领域，如锰离子增强MRI(manganese-enhanced MRI，ME-MRI)[20]。

3 AD与视网膜

传统观念认为，AD神经病理改变仅局限于脑内。然而，在过去几十年已经发现AD患者常常主诉视觉障碍，如空间对比敏感度下降、运动知觉损害等[21-22]。视网膜神经节细胞(retinal ganglion cell,RGC)丢失、视神经轴突数量减少，及其所致的视神经乳头萎缩、视神经纤维层(retinal nerve fiber layer,RNFL)变薄、黄斑变性、视网膜微循环系统异常等，均被认为是视觉功能减退的重要原因[23-24]。其中，视神经节细胞层(ganglion cell layer,GCL)退化和视空间记忆减退是相对早期的表现[25]。尸检研究显示，AD患者RGC和视黑素视网膜神经节细胞(melanopsin retinal ganglion cells，mRGCs)丢失。值得注意的是，mRGCs主要受Aβ病理影响，mRGC丢失会引起AD患者出现昼夜节律紊乱，临床表现为精神行为异常在夜晚的表现比白天严重[26]。AD患者视网膜也存在Aβ沉积，从外核层到视神经纤维层均有分布，其中视网膜上象限Aβ沉积最多，恰好与研究所发现的上象限神经元退化最严重相一致[27]。

一系列动物实验研究也发现AD转基因小鼠视网膜存在类似的AD样神经病理改变[28-29]。例如，淀粉样前体蛋白(Amyloid precursor protein，APP)和纤维化Aβ水平在AD转基因小鼠6层神经视网膜中均有一定程度的变化[30]。有研究采用免疫疗法清除AD小鼠颅内Aβ淀粉样斑块，发现视网膜内Aβ沉积也相应减少[31]。以上研究结果提示，动态监测视网膜Aβ沉积，或可建立一种无创的评估体系用以评价AD病程进展。Koronyo-Hamaoui等[32-33]开展了较为全面的系列研究，对AD患者进行尸检证实视网膜存在Aβ沉积，同时也建立了AD转基因动物模型进行验证：采用姜黄素标记AD小鼠眼底Aβ斑块并采用活体成像手段定量分析，发现Aβ在视网膜神经节细胞的沉积要明显早于颅内。鉴于姜黄素表现出不同的神经保护机制，如抑制Aβ聚集、缓解神经炎症等，目前已被广泛应用于AD的治疗领域[34]。

除Aβ斑块外，AD患者视网膜从外核层到神经节细胞层也存在Tau蛋白磷酸化(pTau)；类似结果在AD动物模型中也被证实。P301S tau转基因AD小鼠模型在疾病早期，视网膜Tau蛋白过度磷酸化并在视神经纤维层沉积，引起视神经节细胞变性[35-36]。5月龄AD转基因小鼠模型，受损的视神经轴突中能够检测到pTau、神经纤维丝(neurofilaments，NFL)、APP和泛素聚集、无序的微丝以及退化的线粒体和细胞器[37]。上述研究表明，pTau异常聚集可能干扰轴突的转运功能，并且其发生早于神经元丢失[38]。上述研究均支持视网膜与中枢神经系统在胚胎发育和组织生理上的同源性，为“以眼观脑”的设想提供理论依据；最关键的是，视网膜参数的异常退化可能占据了“早”这一时间上的优势[39]。

小胶质细胞在神经退行性疾病中扮演重要了角色，同时也在神经-视网膜微环境的稳态维持中起关键作用。AD转基因鼠视网膜炎症水平明显上调，主要表现为小胶质细胞和星形胶质细胞激活[40]。Ning等[41]研究观察到，APPswe/PS11E9双转基因AD鼠视网膜Aβ呈年龄依赖性增加，同时并伴有炎性因子如单核细胞趋化蛋白1(monocyte chemoattractant protein-1，MCP-1)、小胶质细胞标记F4/80水平升高，以及视神经节细胞TUNNEL阳性细胞数目增加。在同样的AD动物模型中，Perez等[29]研究也发现视网膜小胶质细胞明显激活。视网膜小胶质细胞激活常发生于疾病的早期阶段，并参与Aβ斑块的清除。此外，视网膜胶质细胞激活进一步触发神经炎症反应，导致视网膜功能紊乱，可以借助视网膜电流图(electroretinogram，ERG)进行评价[42]。该炎症反应也与Aβ斑块及pTau密切相关，并且可以观察到视网膜小胶质细胞标记物离子化钙结合适体分子1(ionized calcium-binding adaptor molecule-1，Iba-1)阳性细胞数目增加，星形胶质细胞标记物胶质纤维酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein，GFAP)荧光活性增强；给这些AD小鼠模型接种Aβ寡聚体抗原疫苗，能够减少视网膜Aβ沉积。

4 结论

综上所述，神经炎症在AD病理机制中起着至关重要的作用，小胶质细胞介导中枢神经系统损伤和神经系统退行性疾病的内源性免疫反应，调节神经炎症，发挥神经毒性作用或神经保护作用。当神经炎症被异常积聚的Aβ斑块和pTau等触发，外周免疫细胞即开始渗入中枢神经系统，促使更多的小胶质细胞过度激活，发生炎症级联反应。未来研究可以从控制胶质细胞活化及神经炎症的角度考虑，开发新的AD治疗策略。视网膜是中枢神经系统的投射，有助于洞察颅内神经病理改变。活体评估视网膜小胶质细胞活化及其介导的神经炎症能够为神经退行性疾病的早期诊断和病程监测提供丰富线索。