Ann Rev Neurosci綜述：小膠質細胞和神經發育障礙

1。神經發育障礙及相關神經免疫功能紊亂

1。1

神經發育障礙的定義

神經發育障礙

（NDDs）

是在兒童時期就會逐步展現並涉及某種形式的大腦發育障礙的一系列複雜疾病統稱。鑑於

NDDs

在生命早期的神經功能障礙的發生率以及潛在的長期護理需求，這會給社會帶來了嚴重的經濟和醫療負擔。廣義上的

NDDs

包括各種疾病和狀況，如自閉症譜系障礙

（ASD）

、精神分裂症、注意力缺陷多動障礙

（ADHD）

、智力缺陷障礙、

Rett

綜合徵、唐氏綜合徵、腦癱、胎兒酒精綜合症、兒童癲癇以及許多其它影響發育的罕見遺傳性疾病（如

SLC6A1

疾病等）。雖然

NDDs

的種類繁多，但是在本篇綜述中作者主要基於小膠質細胞在自閉症譜系障礙

（ASD）

中的廣泛研究重點對這一

NDD

進行了闡述。

ASD

是一系列表現有社會交流功能障礙和重複行為異常的發育障礙性疾病，是目前最常見的

NDD

（大約每

人中就有

人患有此病）。而

ASD

的這種高發病的情況也使人們能夠更好的在實驗室中運用多種遺傳和環境應激源的齧齒動物模型來研究類似

ASD

的畸變。

1。2。

神經發育障礙與神經免疫和小膠質細胞功能障礙的關係

ASD

發病有很強的遺傳因素影響，但是單純的遺傳因素並不能解釋所有

ASD

的病因。而且嚴格意義上的遺傳因素改變並沒有很好地轉化為有效的治療方法。除了遺傳因素外環境因素也與

ASD

有關。例如，免疫系統失調（包括微生物群的改變）也是人類患者和小鼠模型的常見合併症。

與

ASD

不同的是

Rett

綜合徵是一種由

染色體上的甲基

CpG

結合蛋白

2（MECP2）

單基因突變觸發的疾病。

MECP2

是一種轉錄調節因子，其突變會導致運動、社交和溝通障礙。這種疾病的發生率約為萬di分之一。儘管

Rett

綜合徵的主要特徵是中樞神經系統

（CNS）

疾病，但由於

MECP2

的普遍表達也會相應的對外周免疫系統產生影響。事實上，在

Rett

綜合徵患者和小鼠模型中都有證據表明其免疫系統受到了干擾。這些觀察結果表明儘管

ASD

和

Rett

綜合徵等

NDDs

主要是神經系統的功能障礙，但是改善這些疾病的方法可能需要針對免疫系統，特別是神經免疫系統。

人們對小膠質細胞的研究已有一百多年的歷史。在細胞發育上小膠質細胞起源於卵黃囊髓系前體細胞，並在發育早期遷移到大腦中。小膠質細胞一旦進入大腦就會成熟，在沒有外部來源貢獻的情況下就可以自我維持長期存活並在形態上表現出動態活性。而且腦內駐留的小膠質細胞採用了一種與外周骨髓細胞完全不同的獨特的轉錄特徵。即使將在發育過程中或成年後的外周骨髓細胞移植到大腦中，小膠質細胞和浸潤性骨髓細胞之間的轉錄差異仍然存在。

小膠質細胞在

NDDs

中經常發生改變。人們在

ASD

患者中觀察到了小膠質細胞數量增加，並且這些小膠質細胞顯示出紊亂的分子狀態。在

Rett

綜合徵的小鼠模型中，小膠質細胞在形態上被啟用並隨著疾病的進展而逐漸丟失

（

可能是透過細胞凋亡

）

。

Rett

綜合徵小鼠的小膠質細胞也顯示出具有更多啟用狀態的轉錄表型的改變。這些結果表明

NDDs

的小膠質細胞表型發生了改變，瞭解小膠質細胞的這些變化可以為

NDDs

的早期診斷後治療干預提供一個獨特的途徑。

在這篇綜述中，作者主要從

ASD

方面對小膠質細胞在神經迴路發育中的相關性以及與微生物群的相互作用進行了討論。透過對小膠質細胞在這些過程功能的瞭解，可以為

NDDs

的早期干預和治療提供參考。

2。小膠質細胞在神經迴路完善和神經發育障礙中的作用

2。1。

小膠質細胞在神經發育過程中誘導神經細胞死亡

眾所周知，大腦發育初期的一個重要特徵是神經元的過度產生，而隨著早期大腦的發育這些過度產生的神經元會系統性的減少並促進正常神經元的連線。大腦這種有計劃的減少多餘神經元的過程被稱為程式性細胞死亡

（PCD）

。在

1998

年首次報道了雞視網膜上的小膠質細胞能夠透過神經營養生長因子

（NGF）

誘導

PCD

的發生。同樣，人們也在對小鼠脊髓的研究中發現小膠質細胞能在小鼠胚胎髮育期間透過釋放

TNF-α

促進運動神經元的死亡。此外，有證據表明在出生後的小鼠小腦中，巨噬細胞能夠透過釋放超氧離子誘導小腦

Purk-inje

神經元死亡。總之多種強有力的證據都表明小膠質細胞能夠透過釋放不同種類的分泌分子來誘導

PCD

的發生。

2。2。

小膠質細胞在神經發育過程中促進神經細胞存活

小膠質細胞也能在發育過程中促進神經元的存活。

Ueno

等發現在小鼠出生後的早期發育過程中使用米諾環素對小膠質細胞進行藥物失活能夠增加了皮質神經元細胞的死亡。隨後

Arnoux

等人的研究也證實了米諾環素治療會造成神經細胞大規模廣泛死亡這一現象。而小膠質細胞這種維持神經元細胞存活的機制可能與

C-X3-C motif

趨化因子受體

1（CX3CR1）

調節的胰島素生長因子

的釋放有關。因此，小膠質細胞在發育過程中既調節神經元死亡又促進神經元存活。

2。3。

小膠質細胞在神經發育過程中清除神經細胞

小膠質細胞也參與了發育過程中整個神經元細胞及其碎片的清除。近年來越來越多的證據表明小膠質細胞不僅可以清除已經死亡的神經元

（

次級清除或吞噬

）

，還可以清除有活力的神經元

（

初級清除或吞噬

）

。人們在對發育中的大鼠和獼猴皮質的研究發現，小膠質細胞能夠清除神經前體細胞。並且小膠質細胞這一獨特清除過程所涉及機制可能與

TYRO3

、

AXL

和

MERTK（TAM）

家族的酪氨酸激酶有關。在小鼠小腦中小膠質細胞也被發現能夠吞噬神經元並促使其死亡。同樣，有證據表明

12 kDa

的

DNAX

啟用蛋白

（DAP12）

和補體依賴的機制能夠調節小膠質細胞超氧離子產生從而促進海馬神經元的死亡和清除。因此，小膠質細胞在發育過程中透過對神經元和神經前體的吞噬調節了神經元迴路的形成。

最近的證據還表明小膠質細胞還能清除其它神經細胞元件。例如，小膠質細胞透過一種吞噬作用機制來調節發育中的小鼠視網膜的星形膠質細胞數量。小膠質細胞以

CX3CR1

依賴的方式在選擇性清除少突膠質前體細胞及清除髓鞘中也起著重要作用。此外，有證據表明神經元細胞能促使小膠質細胞清除海馬區的細胞外基質

（ECM）

，從而調節樹突棘和恐懼記憶。這一細胞外基質的清除機制主要是由神經元來源的

IL-33

訊號透過傳遞至小膠質細胞

IL-33

受體

IL1RL1

完成的。同樣，小膠質細胞對神經元周圍網路

（PNN）

的調節（

PNN

是

ECM

成分）可以促進突觸的穩定。由於星形膠質細胞、髓鞘和細胞外基質是突觸和神經元迴路發育的關鍵調節因子，因此小膠質細胞對這些神經元件的控制構成了其協調神經元迴路正常發育的間接調節過程。

2。4。

小膠質細胞在神經發育過程中調節突觸消除和突觸形成

小膠質細胞參與突觸數量的調節過程。大腦中很早就形成了過量的突觸（與神經細胞類似），並在發育過程中被小膠質細胞逐漸修剪到合適的數量。小膠質細胞首次被報道以

CX3CR1

依賴的方式吞噬小鼠海馬區的突觸物質，然後以補體依賴的方式吞噬視覺系統的外側膝狀體。在發育中的聽覺腦幹中小膠質細胞也調節了突觸的消除。隨後的研究發現在發育的突觸消除中（尤其是在海馬區），

TREM2

介導的訊號通路可能在其中發揮了重要的功能。突觸消除的機制調節已被證明涉及

“

吃我

”

訊號（如磷脂醯絲氨酸等）和

“

不吃我

”

訊號（如

CD47

等）。在年輕的小鼠中，小膠質細胞特異性嘌呤酶

P2RY12

的缺失會造成感覺剝奪反應相關的突觸消除受損。在

CX3CR1

、補體及

TREM2

缺陷的小鼠中，突觸消除受損伴隨著興奮性神經傳遞的增強，並被證明會導致持續到成熟期的大腦連線缺陷。此外，與星形膠質細胞衍生因子（如

IL-33

）的相互作用也會調節小膠質細胞突觸的消除。

儘管有這些發現，但小膠質細胞在突觸消除中的具體性質仍有待闡明。所有提出小膠質細胞在突觸消除中作用的研究都只提供了固定組織的證據。在這些組織的小膠質細胞中可以清楚地看到突觸成分。然而小膠質細胞是否在這種突觸消除中起主要作用還是在替代性消除突觸中起次要作用仍有待確定。小膠質細胞在突觸消除中的實時成像證據仍然缺乏，也許可以透過使用斑馬魚等可以在體內進行實時成像的發育系統來解決這一問題。此外，目前的證據也無法區分小膠質細胞在突觸吞噬和全細胞清除中的差別。最後，當人們使用相關的光學和電子顯微鏡試圖視覺化發育中的海馬區的突觸消除時，沒有找到完全突觸消除的明確證據。而僅觀察到的突觸部分消除或吞噬作用的證據也表明突觸消除模型可能需要進一步精煉。

雖然突觸的消除被很多研究學者所關注，但有新的證據表明小膠質細胞在發育中的大腦中也有助於突觸的形成。最初的研究證據是在年輕小鼠中使用了小膠質細胞特異的藥物遺傳學方法，並顯示消除小膠質細胞會損害運動學習任務中的突觸的消除和突觸的形成。這一作用的機制與小膠質細胞特異性釋放腦源性神經營養因子

（BDNF）

有關。幾年後，人們在發育皮質中獲得的實時體內成像證據進一步支援了小膠質細胞的這種作用。該證據表明在狹窄的發育視窗中，小膠質細胞與相應的樹突軸接觸後會影響樹突棘的出現和穩定。此外，在成人大腦的神經源性位點的縱向體內成像顯示小膠質細胞可能在

CX3CR1

控制下對突觸形成具有貢獻。

最後，儘管基於小膠質細胞在體外培養時會下調其穩態特徵使人們對其生理學的體外研究有所擔憂，但是分離培養的證據也支援了小膠質細胞可以獨立於其它腦細胞的貢獻來調節突觸的形成和消除。小膠質細胞

神經元共培養的資料表明，小膠質細胞可以透過釋放

IL-10

來誘導棘突的形成或者透過未知的機制在細胞培養中消除現有的突觸。

2。5。

小膠質細胞與神經迴路發育障礙

大量證據表明小膠質細胞在突觸、細胞和細胞外水平的神經迴路發育中具有細緻的微調作用（圖

）。不適當的神經迴路發育本身就是

NDDs

的一個重要特徵。人類中的研究報告發現

ASD

患者棘突密度增加，但精神分裂症患者的棘突密度下降。這一結果表明突觸消除和

或形成的變化可能是這些疾病的重要基礎。但是小膠質細胞的功能障礙是否導致了這些變化目前還沒有被充分的研究。有證據表明調節突觸消除的補體蛋白和補體訊號在自閉症患者中增加了。由於補體訊號促進突觸消除，注意到補體分子增加與自閉症有關可能是反直覺的。然而，在這種情況下增加的訊號可能會淹沒系統，並作為一個顯性的負面輸出導致突觸消除受損，但這一假設需要在實驗中加以檢驗。

圖1：小膠質細胞在神經迴路發育障礙中的作用

由於在人體中對

NDDs

機制的研究比較困難，因此

NDDs

的動物臨床前模型就顯得至關重要。在一個主要的自閉症小鼠模型中（可觀察到

ASD

相關行為的母體免疫啟用

（MIA）

模型）可觀察到海馬區樹突棘刺的增加和

CX3CR1

下調。這些觀察結果讓人聯想到

CX3CR1

基因缺陷小鼠突觸消除的減少。此外，小膠質細胞特異性的操作足以引起與

ASD

相關的結構性突觸畸變和相關的行為異常。在精神分裂症患者中突觸密度降低，也表明過度的突觸消除可能在其中發揮影響。事實上來自精神分裂症患者的小膠質細胞確實表現出突觸消除能力的增加。同樣，在

Rett

綜合徵患者和

Rett

綜合徵小鼠模型中突觸數量也發生了變化。而且

Rett

綜合徵模型小鼠的許多核心病症能夠在移植野生型小膠質細胞後得到拯救，這可能與小膠質細胞的吞噬能力的改變有關。

在

NDDs

患者中，對細胞外基質調節失調的研究才剛剛起步。例如，

Reelin

是一種在神經發育中至關重要的

ECM

蛋白，其編碼序列在

ASD

、

ADHD

和精神分裂症中顯示出一些單核苷酸多型。此外，在精神分裂症患者和精神分裂症模型小鼠中均報道了

PNNs

的減少。儘管這些證據都表明小膠質細胞對這些神經元件的正常發育具有調節作用，但是在

NDDs

中這些結構畸變在多大程度上是由小膠質細胞功能障礙造成的仍然有待確定。

3。微生物群、小膠質細胞和神經發育障礙

微生物群是指生活在較高階生物體上和體內的數萬億微生物。這些共生微生物通常與宿主以共生的關係存在，在免疫系統的維持和校準、食物消化、對病原體的屏障保護以及維生素和氨基酸等代謝物的產生方面發揮關鍵作用。免疫、遺傳和環境因素都已被確定為塑造微生物群中微生物組成的因素。根據受到影響的微生物群落的不同，微生物環境的改變可能會導致代謝物生產和免疫系統校準的有益和有害變化。近年來人們對微生物群在調節小膠質細胞生物學和

NDDs

發病機制中作用的研究越來越多。在這一部分，作者重點介紹了將微生物群與自閉症等

NDD

聯絡起來的證據，然後對微生物群如何在機理上塑造小膠質細胞生物學的新興理論進行了討論。

3。1。

腸道微生物群在自閉症譜系障礙中的作用

長期以來，人們一直懷疑腸道微生物

腦軸在自閉症中起到重要作用。這一猜測在很大程度上是因為人們發現有約

23-70%

的自閉症患者存在胃腸道疾病。為了跟進這些觀察許多研究小組已經轉向微生物組成的潛在變化來解釋

ASD

患者較高的胃腸道疾病發病率。目前這些研究工作已經確定了

ASD

與腸道微生物多樣性減少有關，其中類桿菌和雙歧桿菌減少，而梭狀芽胞桿菌和乳酸菌增加。近期的研究也表明一系列微生物群調節療法，如糞便移植、益生菌補充劑和抗生素治療等，可以使一部分

ASD

患者的行為症狀得到改善。

在多個獨立的

ASD

小鼠模型上的研究也表明，微生物群移植可以挽救

NDDs

相關的行為異常和神經病理。例如在

ASD

的

MIA

模型中，

MIA

小鼠在斷奶時口服

Bacteroides fragilis

可以有效地抑制成年小鼠溝通障礙、重複行為和感覺運動缺陷的發展。在母體高脂飲食

NDD

模型中，將

Lactobacillus reuteri

引入受影響的子代能有效的限制行為異常的發展。相反的，用從

ASD

患者身上獲得的糞便微生物群重建無菌小鼠會導致重複行為的發展，交流減少和運動能力的減弱。而用神經正常對照的糞便樣本移植無菌小鼠則沒有導致

ASD

相關症狀。總而言之，這些發現表明在自閉症患者中經常觀察到微生物菌群失調，也預示著針對腸道微生物群的改變可能為自閉症患者提供治療策略。

3。2。

微生物群對小膠質細胞發育和功能的調控

最近的研究表明，微生物群對小膠質細胞的發育和功能都有深遠的影響。其中最有力的證據來自對無菌小鼠體內所有微生物的缺失對小膠質細胞生物學的影響。在這項研究中無菌小鼠的小膠質細胞表現出更高的分支形態，並且與免疫啟用相關的基因（如

IL1a

、

CD68

、

STAT1

和

B2M

等）表達水平較低。並且無菌小鼠的小膠質細胞在中樞神經系統病毒感染或腦內注射細菌配體脂多糖

（LPS）

時表達的促炎因子水平較低。另外的研究還表明，微生物群對小膠質細胞生物學的影響存在明顯的性別差異。具體來說，從雌性無菌小鼠分離的小膠質細胞在成年後表現出最高程度的差異基因表達。相反，在胚胎髮育階段無生殖細胞的雄性小鼠的小膠質細胞表現出最大的轉錄和形態差異。性別除了影響小膠質細胞轉錄差異峰值的時間外，還能影響微生物群調控所涉及的生物途徑的型別。最值得注意的是，翻譯和代謝途徑在雄性無菌小鼠的小膠質細胞中差異最大；而在雌性無菌小鼠的小膠質細胞中，最大的影響與炎症反應和轉錄調節有關。

這些重要發現以及其它系列證據都表明微生物群可以透過調節小膠質細胞影響其它形式神經疾病（如阿爾茨海默氏症和帕金森氏症）的神經炎症和中樞神經系統病理學。然而，人們對這一現象的發生機制的理解還停留在非常初級的表面。目前，人們認為微生物群可以透過三種機制來塑造神經生物學，主要涉及微生物依賴性的

（1）

產生中樞神經系統調節代謝物，

（2）

外周免疫系統的校準，以及

（3）

迷走神經的調諧

（

圖

2）

。

圖2：微生物群對小膠質細胞發育和功能的影響

3。3。

微生物群代謝產物對小膠質細胞的影響

近年來，在確定特定的微生物衍生代謝物方面取得了巨大的進展，這些代謝物能夠在

NDDs

動物模型以及其它神經系統疾病環境中調節行為。例如，用微生物代謝物牛磺酸治療可以挽救

ASD

的

BTBR

小鼠模型的重複行為和社會缺陷。相反，已經發現其它微生物衍生的代謝物會引發與

NDDs

相關的行為異常。如在野生型小鼠中系統施用腸道代謝物

乙基苯硫酸酯會促進焦慮行為的發展。

雖然人們在確定離散的微生物衍生代謝物影響

NDDs

小鼠模型行為異常的發展方面取得了很大進展，但是關於這些特定微生物代謝物對小膠質細胞生物學的影響的研究直到近幾年才展開。最值得注意的是，已有研究表明在無菌小鼠的小膠質細胞中觀察到的許多形態和啟用標誌物缺陷可以透過在其飲用水引入微生物衍生的短鏈脂肪酸

（SCFAs）

來挽救。此外最近研究報道，醋酸鹽是塑造小膠質細胞成熟的主要微生物來源的單鏈脂肪酸。這可能與醋酸鹽調節小膠質細胞代謝的能力有關。其它多項研究也證實與神經正常對照組相比，

ASD

兒童的

SCFA

濃度發生了顯著變化。然而這些短鏈脂肪酸產生的改變是否能夠在任何水平上都對

NDDs

和小膠質細胞造成影響仍然需要進一步的研究。

另一種微生物衍生的代謝物對甲酚也被證明能夠調節小膠質細胞功能，而且在

NDDs

患者中存在差異表達。已經有多個研究小組報道與神經正常對照組相比，自閉症兒童體內芳香氨基酸代謝產物對甲酚的濃度更高。而近年研究也表明暴露於外源性的對甲酚會導致自閉症相關行為異常的發展，並促進小膠質細胞啟用基因

CD68

的表達上調。

3。4。

免疫系統是腸道

腦軸傳遞資訊的中間角色

微生物群塑造小膠質細胞生物學並促進

NDDs

進展的另一種主要方式是利用免疫系統作為中間使者，協調腸道

腦軸上的相互作用。數十年來的主流假說認為大腦是一個免疫特權器官，免疫啟用主要限制在中樞神經系統以限制免疫病理。然而，近年來越來越多的證據表明免疫訊號可以影響基礎神經生物學和行為的許多方面。例如，感染或自身炎症疾病發作後，外周產生的細胞因子如

型干擾素、

IL-6

和

IL-1

，可導致疾病行為和睡眠改變。最近的研究也證明了穩態免疫訊號在調節中樞神經系統動態平衡中的重要性。特別是新出現的證據表明，腦膜中圍繞中樞神經系統的豐富免疫細胞產生的細胞因子能調節神經生物學的多個方面，包括神經元活動、社會行為和認知功能。

雖然細胞因子影響所有中樞神經系統駐留細胞型別的生物學，但小膠質細胞似乎對區域性和外周細胞因子水平的變化特別敏感。小膠質細胞對細胞因子的感知已被證明會明顯地影響它們執行在神經發育中所扮演的絕大多數功能的能力，包括吞噬、生長因子產生和突觸消除。微生物群被認為在校準免疫反應的多個方面起著關鍵作用，包括使細胞產生特定的細胞因子並幫助設定免疫細胞的啟用閾值。眾所周知，微生物群組成的變化會調節免疫系統的先天性和適應性功能。例如，飲食引起的微生物群變化可以調節先天髓樣細胞的

IL-1β

前體表達水平，進而可以對自身炎症疾病的進展產生下游影響。此外，腸道微生物生態的改變可以刺激腸道上皮壁的破裂，並導致微生物衍生因子的系統性釋放。而這些微生物衍生因子可以誘導多種細胞因子（如

IL-1β

、

IL-6

、腫瘤壞死因子和

型干擾素等）的表達，並可以有效地刺激小膠質細胞的啟用。

同樣，腸道完整性受損後釋放的高遷移率組盒蛋白

1（HMGB1）

等炎症報警素也會導致小膠質細胞生物學的改變。最近的研究表明，壞死性小腸結腸炎

（NEC）

導致微生物啟用的上皮細胞釋放

HMGB1

。在新生兒中這種釋放的

HMGB1

可以刺激小膠質細胞啟用並造成腦損傷。進一步的研究表明，用基於奈米治療的抗氧化劑抑制小膠質細胞的啟用可以改善新生小鼠由

NEC

引起的神經功能障礙。另外，腸上皮破裂

（

也稱為腸漏綜合徵

）

也常見於多種

NDDs

中，包括最顯著的

ASD

患者。因此，是否存在這樣一種可能性：即這種對腸道上皮完整性的破壞可能會導致小膠質細胞反應失調，隨後導致

NDDs

的神經功能障礙？然而在其它

NDDs

模型中，腸道完整性的破壞是如何與免疫系統協同作用來擾亂小膠質細胞的生物學和神經功能仍然需要更多的研究。

微生物群也是

CD4

細胞反應的重要調節因素。微生物組成的變化可以驅動

CD4

細胞分化為不同的譜系，產生特定的細胞因子譜。最近研究表明，在

ASD

的

MIA

小鼠模型中

CD4

細胞在小膠質細胞動態平衡的發育中起著至關重要的作用。此前人們認為在發育中的大腦中沒有

細胞。然而最近的一項研究表明，在人類和小鼠的神經發育過程中

CD4

細胞會在大腦中持續存在幾周。

Pasciuto

等人使用缺乏

CD4

細胞的主要組織相容性複合體

（MHC）II

類缺陷小鼠作為研究物件明確了的

CD4

細胞是小膠質細胞轉錄成熟所必需的。他們觀察到發育中的小鼠大腦中缺乏

CD4

細胞會導致突觸修剪缺陷和行為異常的發展，包括焦慮和抑鬱相關行為的增加和認知功能障礙。在這些研究中，無菌小鼠中微生物群的缺乏會嚴重限制了發育中大腦中

CD4

細胞數量的擴張，這表明微生物群對免疫系統的調節可以對小膠質細胞的發育和行為產生下游影響。而發育中的大腦中意外出現了

CD4

細胞這一發現，也為其它血液源性免疫細胞型別可能影響神經發育打開了大門。