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小胶质细胞与神经元相互作用与神经退行性疾病

对小胶质细胞与神经元之间直接相互作用的简要综述,以及这些细胞间相互作用在神经退行性疾病中可能受到的影响。

最后更新: 2025年6月18日
作者: Laurent Potvin-Trottier, Ph.D., Alexa Brown, Ph.D., and Barry J. Bedell, M.D., Ph.D.

为什么研究小胶质细胞与神经元之间的直接相互作用?

小胶质细胞是中枢神经系统的主要免疫细胞,在维持脑健康和应对疾病方面发挥着关键作用。在神经退行性疾病中,小胶质细胞表现出复杂的双重功能,对疾病进展既有积极影响也有消极影响(Gao, 2023 )。它们有助于清除异常折叠的蛋白质,但同时也可能无意中促进这些蛋白质的扩散,加剧病理变化。小胶质细胞在疾病早期提供营养支持并促进抗炎环境。然而,在持续活化后,它们可能释放神经毒性炎症因子。

为了更好地理解和区分小胶质细胞在神经退行性疾病中的复杂作用,以及潜在治疗药物可能如何影响小胶质细胞,测量小胶质细胞表型及其与其他细胞的相互作用至关重要。尽管小胶质细胞与脑内大多数细胞类型均存在直接或间接相互作用,本资源将重点关注可通过多色免疫荧光技术直接测量的微胶质细胞与神经元之间的直接相互作用,以及这些相互作用在神经退行性疾病中的潜在变化。

小胶质细胞与神经元之间的直接相互作用在神经元上发生在何处?

突触
小胶质细胞与神经元在突触处的直接相互作用已得到充分证实。在发育过程中,小胶质细胞通过补体信号通路参与突触修剪(Paolicelli, 2011 ;Schafer, 2012 ;Weinhard, 2018 )和突触发育(Paolicelli, 2011 ;Hoshiko, 2012 ;Zhan, 2014 )以及碎形素(CXCL3-CXCR1)信号通路(Schafer, 2012 )。成年后,它们参与突触的清除(Trapp, 2007 ;Yamada, 2008 ;Tremblay, 2010 )及活动依赖性棘突重塑(Parkhurst, 2013 )。此外,小胶质细胞调节局部网络同步性、突触后电流、突触缩放及可塑性(Rogers,2011 Pfeiffer,2016 Akiyoshi,2018 Wang,2020 )。凋亡突触可表达磷脂酰丝氨酸(PS),即“吃我”信号分子,通过乳脂球-表皮生长因子8(MFG-E8)或TAM受体诱导小胶质细胞清除(Nonaka, 2019 )。突触可通过C1q标记以实现靶向清除,该分子被小胶质细胞的CR3(补体信号通路)识别(Stevens, 2007 ;Schafer, 2012 )。

小胶质细胞与神经元相互作用

小胶质细胞与神经元突触、细胞体及轴突之间直接相互作用的示意图,以及涉及的分子通路。改编自Cserép等( Cserép, 2021 在Creative Commons Attribution License许可下

索马
小胶质细胞突起与神经元胞体的相互作用正受到越来越多的研究关注(Cserép, 2021 )。研究表明,小胶质细胞可在神经退行性疾病、急性脑损伤及感染过程中吞噬神经元(Sierra, 2010 ;Fekete, 2018 ;Janda, 2018 )。有趣的是,小胶质细胞和星形胶质细胞吞噬死神经元不同部位。具体而言,小胶质细胞迁移并吞噬细胞体和顶部树突,而星形胶质细胞吞噬小树突凋亡小体(Damisah, 2020 )。

小胶质细胞吞噬垂死神经元的定时摄影成像

小鼠体内小胶质细胞吞噬垂死神经元的定时成像。小胶质细胞以绿色(Cx3cr1-GFP)显示,细胞核以紫色(DAPI)显示。垂死神经元的细胞核由蓝色箭头指示。图改编自Damisah等Damisah, 2020 ),根据知识共享署名许可协议Creative Commons Attribution License)转载。

为了特异性吞噬受损神经元,小胶质细胞必须能够感知神经元健康状态。 Cserép等研究者提出了一个评估神经元健康状态的特殊位点,该位点位于大多数神经元中的一种特殊突触结构中,即小胶质细胞突起与神经元胞体之间的连接处,被称为胞体嘌呤能突触(Cserép, 2020 ,2021)。在小胶质细胞一侧,这些连接处富含嘌呤能受体P2Y12R,该受体对连接的形成至关重要。而在神经元侧,这些连接富含Kv2.1蛋白质复合体,已知其在胞吐作用中发挥作用,并与线粒体、线粒体相关膜(MAM)、溶酶体相关膜蛋白1(LAMP1)及囊泡核苷酸转运蛋白(vNUT)相关。这些接触的长度是突起-神经突接触的三倍。这些突触与神经元线粒体活性及神经元活性均相关。在急性脑损伤模型中,研究显示此类相互作用的频率显著增加。此外,当通过阻断P2Y12R消除这些相互作用时,病理情况恶化,暗示这些相互作用具有神经保护作用。此外,这些体细胞连接在发育中的大脑中也存在,其中P2Y12R敲除导致皮层细胞结构紊乱(Cserép, 2022 )。

神经元线粒体,凭借其多样化的功能,不仅可作为细胞状态的潜在指标,还为小胶质细胞影响关键神经元功能提供了机会。这些功能包括 放电阈值、增殖、钙稳态、细胞命运决定及代谢 (Hall, 2012 ;Rugarli, 2012 ;Chandel, 2014 ;Kasahara, 2014 ;Tepikin, 2018 ;Styr, 2019 )。尽管体细胞连接在神经退行性疾病中的作用尚待阐明,但线粒体功能在许多神经退行性疾病中已知会发生改变,这表明这些连接在这些疾病中可能也会发生改变。

轴突
小胶质细胞还与神经元在轴突和轴突初始段(AIS)处相互作用。尽管分泌因子的梯度是轴突导向的主要驱动因素,但小胶质细胞在此过程中也发挥作用,例如作为导向标(Squarzoni, 2014 )。在成年期,小胶质细胞向活跃的神经元轴突迁移,促进膜复极化(Kato, 2016 )。小胶质细胞介导的退化轴突清除支持神经元再生(Bechmann, 2001 ;Neumann, 2009 ),且小胶质细胞在髓鞘再生过程中发挥促再生作用(Lloyd, 2019 )。小胶质细胞与AIS的相互作用在发育早期就开始,贯穿整个生命周期,并在不同物种中具有保守性(Baalman, 2015 )。此外,微胶质细胞在创伤性脑损伤后广泛参与损伤轴突的清除(Lafrenaye,2015 ),且其与AIS的相互作用与实验性自身免疫性脑脊髓炎中AIS完整性受损相关(Clark,2016 )。

神经退行性疾病中直接小胶质细胞-神经元相互作用如何改变?

阿尔茨海默病(AD)
在AD中,小胶质细胞通过补体信号通路(C1q、C3)介导的突触吞噬和吞噬作用参与神经退行性变(Hong, 2016 ;Shi, 2017 ;Rajendran, 2018 ;Vogels, 2019 ) 以及髓系细胞表达的触发受体2(TREM2)信号通路(Fracassi, 2023 )。有趣的是,这些直接的微胶质细胞-神经元相互作用似乎由微胶质细胞-星形胶质细胞相互作用介导。去除星形胶质细胞的APOE4可减少小胶质细胞对突触和tau诱导的突触丧失的吞噬作用(Wang, 2021 )。索科洛娃等人Sokolova,2024 )发现了一种具有独特形态的星形胶质细胞亚型,称为“球形”星形胶质细胞,其分泌吞噬调节因子MFG-E8,该因子在局部环境中对小胶质细胞吞噬突触具有必要且充分的作用。在两种不同的阿尔茨海默病小鼠模型中,特异性敲除星形胶质细胞中的Mfge8可减少突触丧失和小胶质细胞对突触的吞噬作用。

小胶质细胞在球状星形胶质细胞附近的突触吞噬作用

小胶质细胞在球状星形胶质细胞附近的突触吞噬。兴奋性突触后Homer1(白色)、CD68溶酶体(红色)、星形胶质细胞(紫色)和小胶质细胞P2Y12(绿色)的图像。图改编自Sokolova等Sokolova, 2024 ),根据知识共享署名许可协议Creative Commons Attribution License)转载。

周神经元网(PNNs)是一种特殊的细胞外基质(ECM),包裹着某些神经元的细胞体和突起,主要存在于表达副肌球蛋白(PV+)的抑制性中间神经元中,这些神经元在认知过程中发挥着关键作用(Reichelt, 2019 )。PNNs在突触可塑性中发挥着重要作用,通过在发育过程中突触可塑性高度活跃的阶段后稳定突触。此外,PNNs被认为通过作为物理屏障保护其包围的神经元。Crapser等Crapser, 2020 )发现,PNNs在阿尔茨海默病(AD)小鼠模型及人类AD脑组织中均呈现减少趋势。PNNs的减少伴随PV+中间神经元的丧失。小胶质细胞吞噬PNNs物质,而小胶质细胞耗竭可阻止PNNs的丧失。由于PNNs已被报道可保护神经元免受tau和淀粉样蛋白聚集物的损害(Brückner, 1999 ;Miyata, 2007 ;Suttkus, 2016 ;Reichelt, 2019 ),小胶质细胞与神经元的相互作用可能构成神经退行性变的另一条轴线。

vonSaucken等von Saucken, 2020 )发现,在斑块积累之前,小胶质细胞显示出形态学变化,并且它们优先与含有β淀粉样蛋白的神经元相互作用。这些直接的小胶质细胞-神经元接触可从突触到细胞体、细胞体到细胞体以及突触到神经突触进行测量。小胶质细胞对神经突的吞噬作用在淀粉样β负荷较高的区域更高。虽然TREM2对形态学变化是必要的,但它并非小胶质细胞优先与含淀粉样β神经元相互作用或神经突吞噬作用差异的必要条件。有趣的是,在MPTP小鼠帕金森病(PD)模型中,神经元胞体间接触增加先于小胶质细胞吞噬神经元(Barcia, 2012 ),这表明该过程可能属于淀粉样β模型的一部分。

Puigdellívol等在淀粉样β注射和小鼠P301S tau模型中均发现小胶质细胞吞噬神经元的作用(Puigdellívol, 2021 )。敲除小胶质细胞的P2Y6受体(P2Y6R,该受体对小胶质细胞吞噬神经元至关重要)可防止神经元损失和记忆力减退。

tau病
类似地,在tau-P301S转基因AD小鼠模型中,小胶质细胞吞噬突触导致突触密度下降(Dejanovic, 2018 )。C1q标记与突触后密度(PSD)中磷酸化tau的积累相关,而阻断C1q的抗体可减少小胶质细胞对突触的吞噬并增加突触密度。

除细胞外tau外,小胶质细胞还吞噬含有tau聚集物的活神经元(Brelstaff, 2018 )。小胶质细胞分泌的MFG-E8对细胞共培养中吞噬聚集物携带神经元至关重要,但在tau病小鼠模型中,MFG-E8对小胶质细胞定位至这些神经元并非必要。此外,在FTDP-17和Pick氏额颞叶痴呆(FTD)患者的人脑提取物中,MFG-E8水平升高,但在C9orf72 FTD患者中未见升高。

含tau聚集体的神经元被吞噬

小胶质细胞(Iba-1,红色)吞噬含有tau聚集体的神经元(pFTAA,绿色)的现象,见于5月龄P301S小鼠,其中人类(HT7)P301S-tau以白色显示,细胞核(DAPI,蓝色)。共聚焦z堆栈显示小胶质细胞完全吞噬神经元(白色箭头所示)。图改编自Brelstaff等Brelstaff, 2018 ),根据知识共享署名许可协议Creative Commons Attribution License)转载。

神经元膜结合型CX3CL1与小胶质细胞CX3CR1之间的直接相互作用被认为能抑制炎症并维持小胶质细胞的监视状态(Szepesi, 2018 )。相应地,CX3CL1基因敲除小鼠(Lee, 2014 Bemiller, 2018 )或CX3CR1基因敲除小鼠(Bhaskar, 2010 )在小鼠模型中均表现出tau磷酸化和神经炎症增强。裂解后的可溶性配体CX3CL1无法挽救敲除小鼠(Lee, 2014 ;Bemiller, 2018 ),表明这些相互作用以旁分泌方式发生。目前尚不清楚这些相互作用发生在哪个或哪些细胞器中。然而,体细胞嘌呤能突触可能是一个有趣的位点,因为这些相互作用的持续时间已被证明比在神经突触上长三倍以上,这将为信号传导提供更多机会。

肌萎缩侧索硬化症(ALS)与额颞叶痴呆(FTD)
TDP-43聚集体是ALS的标志性病理特征,约半数FTD患者存在TDP-43聚集体。在ALS中,小胶质细胞的基因表达变化先于神经元发生(Maniatis, 2019 )。小胶质细胞也变得活跃,小胶质细胞增生与患者上运动神经元临床评分相关Brettschneider, 2012 )。利用可诱导的TDP-43ΔNLS小鼠模型 ,Xie等Xie, 2024 )发现疾病早期皮层神经元活动增强。这种皮层活动增强随后伴随 杆状小胶质细胞,在停用多西环素后3周达到峰值并随后下降。杆状小胶质细胞与树突紧密相互作用,尤其与锥体神经元的顶部树突对齐,并沿其轴向排列,广泛吞噬兴奋性突触。敲除TREM2可减少非分支型(包括杆状)小胶质细胞的比例,增加神经元活动异常和运动缺陷,并降低存活率。

家族性FTD和ALS模型也揭示了小胶质细胞与神经元之间的相互作用。GRN基因突变导致的progranulin缺乏是遗传性FTD的主要原因之一。Grn-/-小鼠表现出年龄依赖性TDP-43蛋白病变以及小胶质细胞反应性(Lui, 2016 ;Zhang, 2020 )。该模型还发生小胶质细胞依赖性突触修剪和神经退行性变,这些病理过程可被C1q和/或C3缺失所逆转(Lui, 2016 ;Zhang, 2020 )。

C9orf72基因的重复扩增是FTD和ALS的遗传原因。小鼠中C9orf72缺失会使小胶质细胞从稳态静止状态转向炎症状态(Lall, 2021 )。C9orf72-/-小鼠表现出年龄依赖性皮层突触修剪及学习记忆行为缺陷。通过在小胶质细胞中特异性敲除C9orf72可重现增强的突触修剪。此外,C9orf72缺失的AD小鼠模型(5XFAD/C9orf72-/-)也显示出增强的突触修剪,但斑块负荷减少。

我们的团队很乐意回答关于小胶质细胞与神经元相互作用及神经退行性疾病的任何问题,或提供我们用于治疗有效性研究的神经退行性疾病模型相关具体信息。

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常见问题解答

在神经退行性疾病背景下,是否观察到小胶质细胞与神经元胞体相互作用的定量变化?


能否通过多色免疫荧光技术直接测量小胶质细胞与神经元之间的相互作用?


小胶质细胞与神经元胞体之间的相互作用是如何量化的?


Biospective 在其动物模型中观察到小胶质细胞与神经元之间的相互作用吗?


参考文献


关键词


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