Ann Rev Neurosci综述：小胶质细胞和神经发育障碍

作者：王韵壹、李英、熊慧卿

　　1. 神经发育障碍及相关神经免疫功能紊乱

　　1.1 神经发育障碍的定义

　　神经发育障碍(NDDs)是在儿童时期就会逐步展现并涉及某种形式的大脑发育障碍的一系列复杂疾病统称。鉴于NDDs在生命早期的神经功能障碍的发生率以及潜在的长期护理需求，这会给社会带来了严重的经济和医疗负担。广义上的NDDs包括各种疾病和状况，如自闭症谱系障碍(ASD)、精神分裂症、注意力缺陷多动障碍(ADHD)、智力缺陷障碍、Rett综合征、唐氏综合征、脑瘫、胎儿酒精综合症、儿童癫痫以及许多其它影响发育的罕见遗传性疾病（如SLC6A1疾病等）。虽然NDDs的种类繁多，但是在本篇综述中作者主要基于小胶质细胞在自闭症谱系障碍(ASD)中的广泛研究重点对这一NDD进行了阐述。

　　ASD是一系列表现有社会交流功能障碍和重复行为异常的发育障碍性疾病，是目前最常见的NDD（大约每54人中就有1人患有此病）。而ASD的这种高发病的情况也使人们能够更好的在实验室中运用多种遗传和环境应激源的啮齿动物模型来研究类似ASD的畸变。

　　1.2. 神经发育障碍与神经免疫和小胶质细胞功能障碍的关系

　　ASD发病有很强的遗传因素影响，但是单纯的遗传因素并不能解释所有ASD的病因。而且严格意义上的遗传因素改变并没有很好地转化为有效的治疗方法。除了遗传因素外环境因素也与ASD有关。例如，免疫系统失调（包括微生物群的改变）也是人类患者和小鼠模型的常见合并症。

　　与ASD不同的是Rett综合征是一种由X染色体上的甲基CpG结合蛋白2(MECP2)单基因突变触发的疾病。MECP2是一种转录调节因子，其突变会导致运动、社交和沟通障碍。这种疾病的发生率约为万di分之一。尽管Rett综合征的主要特征是中枢神经系统(CNS)疾病，但由于MECP2的普遍表达也会相应的对外周免疫系统产生影响。事实上，在Rett综合征患者和小鼠模型中都有证据表明其免疫系统受到了干扰。这些观察结果表明尽管ASD和Rett综合征等NDDs主要是神经系统的功能障碍，但是改善这些疾病的方法可能需要针对免疫系统，特别是神经免疫系统。

　　人们对小胶质细胞的研究已有一百多年的历史。在细胞发育上小胶质细胞起源于卵黄囊髓系前体细胞，并在发育早期迁移到大脑中。小胶质细胞一旦进入大脑就会成熟，在没有外部来源贡献的情况下就可以自我维持长期存活并在形态上表现出动态活性。而且脑内驻留的小胶质细胞采用了一种与外周骨髓细胞完全不同的独特的转录特征。即使将在发育过程中或成年后的外周骨髓细胞移植到大脑中，小胶质细胞和浸润性骨髓细胞之间的转录差异仍然存在。

　　小胶质细胞在NDDs中经常发生改变。人们在ASD患者中观察到了小胶质细胞数量增加，并且这些小胶质细胞显示出紊乱的分子状态。在Rett综合征的小鼠模型中，小胶质细胞在形态上被激活并随着疾病的进展而逐渐丢失(可能是通过细胞凋亡)。Rett综合征小鼠的小胶质细胞也显示出具有更多激活状态的转录表型的改变。这些结果表明NDDs的小胶质细胞表型发生了改变，了解小胶质细胞的这些变化可以为NDDs的早期诊断后治疗干预提供一个独特的途径。

　　在这篇综述中，作者主要从ASD方面对小胶质细胞在神经回路发育中的相关性以及与微生物群的相互作用进行了讨论。通过对小胶质细胞在这些过程功能的了解，可以为NDDs的早期干预和治疗提供参考。

　　2. 小胶质细胞在神经回路完善和神经发育障碍中的作用

　　2.1.小胶质细胞在神经发育过程中诱导神经细胞死亡

　　众所周知，大脑发育初期的一个重要特征是神经元的过度产生，而随着早期大脑的发育这些过度产生的神经元会系统性的减少并促进正常神经元的连接。大脑这种有计划的减少多余神经元的过程被称为程序性细胞死亡(PCD)。在1998年首次报道了鸡视网膜上的小胶质细胞能够通过神经营养生长因子(NGF)诱导PCD的发生。同样，人们也在对小鼠脊髓的研究中发现小胶质细胞能在小鼠胚胎发育期间通过释放TNF-α促进运动神经元的死亡。此外，有证据表明在出生后的小鼠小脑中，巨噬细胞能够通过释放超氧离子诱导小脑Purk-inje神经元死亡。总之多种强有力的证据都表明小胶质细胞能够通过释放不同种类的分泌分子来诱导PCD的发生。

　　2.2.小胶质细胞在神经发育过程中促进神经细胞存活

　　小胶质细胞也能在发育过程中促进神经元的存活。Ueno等发现在小鼠出生后的早期发育过程中使用米诺环素对小胶质细胞进行药物失活能够增加了皮质神经元细胞的死亡。随后Arnoux等人的研究也证实了米诺环素治疗会造成神经细胞大规模广泛死亡这一现象。而小胶质细胞这种维持神经元细胞存活的机制可能与C-X3-C motif趋化因子受体1(CX3CR1)调节的胰岛素生长因子1的释放有关。因此，小胶质细胞在发育过程中既调节神经元死亡又促进神经元存活。

　　2.3.小胶质细胞在神经发育过程中清除神经细胞

　　小胶质细胞也参与了发育过程中整个神经元细胞及其碎片的清除。近年来越来越多的证据表明小胶质细胞不仅可以清除已经死亡的神经元(次级清除或吞噬)，还可以清除有活力的神经元(初级清除或吞噬)。人们在对发育中的大鼠和猕猴皮质的研究发现，小胶质细胞能够清除神经前体细胞。并且小胶质细胞这一独特清除过程所涉及机制可能与TYRO3、AXL和MERTK(TAM)家族的酪氨酸激酶有关。在小鼠小脑中小胶质细胞也被发现能够吞噬神经元并促使其死亡。同样，有证据表明12 kDa的DNAX激活蛋白(DAP12)和补体依赖的机制能够调节小胶质细胞超氧离子产生从而促进海马神经元的死亡和清除。因此，小胶质细胞在发育过程中通过对神经元和神经前体的吞噬调节了神经元回路的形成。

　　最近的证据还表明小胶质细胞还能清除其它神经细胞元件。例如，小胶质细胞通过一种吞噬作用机制来调节发育中的小鼠视网膜的星形胶质细胞数量。小胶质细胞以CX3CR1依赖的方式在选择性清除少突胶质前体细胞及清除髓鞘中也起着重要作用。此外，有证据表明神经元细胞能促使小胶质细胞清除海马区的细胞外基质(ECM)，从而调节树突棘和恐惧记忆。这一细胞外基质的清除机制主要是由神经元来源的IL-33信号通过传递至小胶质细胞IL-33受体IL1RL1完成的。同样，小胶质细胞对神经元周围网络(PNN)的调节（PNN是ECM成分）可以促进突触的稳定。由于星形胶质细胞、髓鞘和细胞外基质是突触和神经元回路发育的关键调节因子，因此小胶质细胞对这些神经元件的控制构成了其协调神经元回路正常发育的间接调节过程。

　　2.4.小胶质细胞在神经发育过程中调节突触消除和突触形成

　　小胶质细胞参与突触数量的调节过程。大脑中很早就形成了过量的突触（与神经细胞类似），并在发育过程中被小胶质细胞逐渐修剪到合适的数量。小胶质细胞首次被报道以CX3CR1依赖的方式吞噬小鼠海马区的突触物质，然后以补体依赖的方式吞噬视觉系统的外侧膝状体。在发育中的听觉脑干中小胶质细胞也调节了突触的消除。随后的研究发现在发育的突触消除中（尤其是在海马区），TREM2介导的信号通路可能在其中发挥了重要的功能。突触消除的机制调节已被证明涉及“吃我”信号（如磷脂酰丝氨酸等）和“不吃我”信号（如CD47等）。在年轻的小鼠中，小胶质细胞特异性嘌呤酶P2RY12的缺失会造成感觉剥夺反应相关的突触消除受损。在CX3CR1、补体及TREM2缺陷的小鼠中，突触消除受损伴随着兴奋性神经传递的增强，并被证明会导致持续到成熟期的大脑连接缺陷。此外，与星形胶质细胞衍生因子（如IL-33）的相互作用也会调节小胶质细胞突触的消除。

　　尽管有这些发现，但小胶质细胞在突触消除中的具体性质仍有待阐明。所有提出小胶质细胞在突触消除中作用的研究都只提供了固定组织的证据。在这些组织的小胶质细胞中可以清楚地看到突触成分。然而小胶质细胞是否在这种突触消除中起主要作用还是在替代性消除突触中起次要作用仍有待确定。小胶质细胞在突触消除中的实时成像证据仍然缺乏，也许可以通过使用斑马鱼等可以在体内进行实时成像的发育系统来解决这一问题。此外，目前的证据也无法区分小胶质细胞在突触吞噬和全细胞清除中的差别。最后，当人们使用相关的光学和电子显微镜试图可视化发育中的海马区的突触消除时，没有找到完全突触消除的明确证据。而仅观察到的突触部分消除或吞噬作用的证据也表明突触消除模型可能需要进一步精炼。

　　虽然突触的消除被很多研究学者所关注，但有新的证据表明小胶质细胞在发育中的大脑中也有助于突触的形成。最初的研究证据是在年轻小鼠中使用了小胶质细胞特异的药物遗传学方法，并显示消除小胶质细胞会损害运动学习任务中的突触的消除和突触的形成。这一作用的机制与小胶质细胞特异性释放脑源性神经营养因子(BDNF)有关。几年后，人们在发育皮质中获得的实时体内成像证据进一步支持了小胶质细胞的这种作用。该证据表明在狭窄的发育窗口中，小胶质细胞与相应的树突轴接触后会影响树突棘的出现和稳定。此外，在成人大脑的神经源性位点的纵向体内成像显示小胶质细胞可能在CX3CR1控制下对突触形成具有贡献。

　　最后，尽管基于小胶质细胞在体外培养时会下调其稳态特征使人们对其生理学的体外研究有所担忧，但是分离培养的证据也支持了小胶质细胞可以独立于其它脑细胞的贡献来调节突触的形成和消除。小胶质细胞-神经元共培养的数据表明，小胶质细胞可以通过释放IL-10来诱导棘突的形成或者通过未知的机制在细胞培养中消除现有的突触。

　　2.5.小胶质细胞与神经回路发育障碍

　　大量证据表明小胶质细胞在突触、细胞和细胞外水平的神经回路发育中具有细致的微调作用（图1）。不适当的神经回路发育本身就是NDDs的一个重要特征。人类中的研究报告发现ASD患者棘突密度增加，但精神分裂症患者的棘突密度下降。这一结果表明突触消除和/或形成的变化可能是这些疾病的重要基础。但是小胶质细胞的功能障碍是否导致了这些变化目前还没有被充分的研究。有证据表明调节突触消除的补体蛋白和补体信号在自闭症患者中增加了。由于补体信号促进突触消除，注意到补体分子增加与自闭症有关可能是反直觉的。然而，在这种情况下增加的信号可能会淹没系统，并作为一个显性的负面输出导致突触消除受损，但这一假设需要在实验中加以检验。