小膠質(zhì)細胞在神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的作用機制

大腦中存在著數(shù)量眾多的神經(jīng)膠質(zhì)細胞，約占人類大腦細胞的 90%；不同類型的膠質(zhì)細胞在起源、組成、形態(tài)和解剖學上都是不同的，而且它們發(fā)揮著不同的功能。

 

 

 

 

小膠質(zhì)細胞是一類來源于卵黃囊的特化的巨噬細胞，可以吞噬并清除死亡細胞。作為大腦中的常駐免疫細胞，小膠質(zhì)細胞約占腦細胞總數(shù)的 10-15%，形態(tài)多樣，呈致密圓形或分支狀。

 

阿爾茲海默癥 (Alzheimer's disease; AD) 的發(fā)展主要與 Aβ 蛋白的積累和 Tau 蛋白的過度纏結(jié)相關(guān)(見推文：阿爾茲海默癥——消逝的世界)，已有阿爾茨海默病小鼠模型的 TPM 分析 (一種實時深層組織成像技術(shù)) 結(jié)果顯示：小膠質(zhì)細胞活化并遷移至淀粉樣蛋白沉積區(qū)域，那么，小膠質(zhì)細胞在 AD 中究竟扮演怎樣的角色？

 

■ 關(guān)于小膠質(zhì)細胞清除的體內(nèi)研究模型

CSF1R 是一種造血細胞的生長因子 (CSF1) 的受體，是單核吞噬細胞存活、分化、發(fā)育和趨化的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑，表達于全身的單核髓系細胞。

 

目前小膠質(zhì)細胞耗竭模型主要包括：CSF1R 缺陷小鼠模型；CD11b-HSVTK 轉(zhuǎn)基因小鼠模型，人類白喉毒素受體 (DTR) 轉(zhuǎn)基因小鼠 (CX3CR1cre^ER xDTR^ff) 模型，以及 CSF1R 抑制劑給藥導致的小鼠膠質(zhì)細胞消融。

 

白喉毒素受體 (DTR) 轉(zhuǎn)基因小鼠模型依賴于白喉毒素的給藥，不僅會誘發(fā)細胞因子風暴，且小膠質(zhì)清除維持時間較短。CD11b-HSVTK 模型需要更昔洛韋的腦室內(nèi)注射，以產(chǎn)生大量的小膠質(zhì)細胞耗竭，但易導致 BBB 損傷和骨髓毒性。CSF1R 抑制是目前僅能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)長期小膠質(zhì)細胞消除的可用方法。

 

■CSF1R 抑制劑 PLX5622 治療消除小膠質(zhì)細胞

在Sustained microglial depletion with CSF1R inhibitor impairs parenchymal plaque development in an Alzheimer’s disease model 一文中，作者團隊基于已有的 CSF1R 抑制劑 PLX3397，合成和優(yōu)化出具有更好口服生物利用度和血腦屏障腦滲透性的 PLX5622，用于消除小鼠腦中的小膠質(zhì)細胞，并在 6 個月持續(xù)治療時間內(nèi)保持了小膠質(zhì)細胞的缺失。

隨著小膠質(zhì)細胞的消除，作者團隊發(fā)現(xiàn)了這些細胞在 AD 進程中，影響斑塊形成和生長，并調(diào)節(jié)海馬神經(jīng)元基因表達以響應 Aβ 病理進程。

 

作者團隊選擇了 5xFAD 小鼠作為 AD 模型，5xFAD 小鼠在 3 個月大時開始表現(xiàn)出斑塊病理，與野生型小鼠相比，4 個月和 7 個月大時小鼠的小膠質(zhì)細胞 (IBA1⁺作為標記物) 數(shù)量顯著增加，并且在整個大腦中可見大量增大的斑塊相關(guān)細胞 (圖 2C, 綠色熒光)。小鼠在 1.5 個月大時開始用 PLX5622 (1200 ppm) 或?qū)φ诊嬍尺B續(xù)治療 10-24 周。PLX5622 治療幾乎完全消除小膠質(zhì)細胞 (減少 97-100%；圖 2B 量化)。

并且野生型小鼠中，24 周的小膠質(zhì)細胞清除并沒有對動物行為產(chǎn)生任何可測量的負面影響，包括焦慮測試 (高架十字迷宮) 和運動性能測試。 

 
■消除小膠質(zhì)細胞損害斑塊形成
接下來作者團隊開始確定小膠質(zhì)細胞消除對 AD 病理學的影響。
無論是野生型還是 5xFAD 小鼠，CSF1R 抑制劑 PLX5622 治療 10 周均可消除了皮質(zhì)中 >99% 的小膠質(zhì)細胞（圖 3A)，但一小部分細胞保留在丘腦中 (圖 3C-E)。在沒有小膠質(zhì)細胞的情況下，皮質(zhì)區(qū)域內(nèi)明顯缺乏致密核心斑塊，但在存在小膠質(zhì)細胞的丘腦區(qū)域，致密核心斑塊表達明顯上調(diào)，這表明小膠質(zhì)細胞有助于 5xFAD 小鼠大腦中的斑塊生長。

圖 3. 小膠質(zhì)細胞的清除伴隨 5xFAD 小鼠的致密斑塊的消失^[3]

A-B. 喂食 10 周 或者24 周后，皮質(zhì)層丘腦區(qū)域的小膠質(zhì)細胞數(shù)目于致密斑塊數(shù)目的變化 C-D. AB 圖丘腦區(qū)域細胞數(shù)目變化的放大圖

 
以上結(jié)果表明小膠質(zhì)細胞的增殖是 AD 疾病進展的主要因素。使用 CSF1R 抑制劑 PLX5622 抑制小膠質(zhì)細胞增殖，改善淀粉樣蛋白積累。

■疾病相關(guān)小膠質(zhì)細胞 (DAM) 與 AD 發(fā)展

今年 2021 年發(fā)表于Cell Report 的 Replicative senescence dictates the emergence of disease-associated microglia and contributes to Aβ pathology 一文表明：AD 模型中，早期持續(xù)性的小膠質(zhì)細胞增殖會促進其復制性衰老，并且，在疾病中進入早期增殖的小膠質(zhì)細胞經(jīng)歷了未知機制會轉(zhuǎn)化為疾病相關(guān)小膠質(zhì)細胞 (disease-associated microglia; DAM)，這種細胞是存在于多種腦部疾病中的關(guān)鍵小膠質(zhì)細胞亞群。 

 

該研究中作者團隊選擇了APP/PS1 模型作為 AD 樣病理模型小鼠，如圖 4A，APP/PS1 小鼠的 IBA1⁺ 細胞的數(shù)量從 4 個月時的開始增加，到 12 個月大時發(fā)生明顯變化。DAM 的出現(xiàn)也是一個早期事件 (CLEC7A⁺, CD11C⁺ 和 MHCII⁺為 DAM 標志物)，且與 Aβ 斑塊 (Congo Red 染色) 積累密切相關(guān) (4C)。 

 

 

圖 4. APP/PS1 模型小鼠的 DAM 的變化^[4]

A. 不同年齡的 APP/PS1 模型小鼠小膠質(zhì)細胞數(shù)目的變化 B. IBA 與 MHCII CD11C 的熒光共定位 C. DAM 的表達增多伴隨致密斑塊數(shù)目的增多

 

 

■抑制早期小膠質(zhì)細胞增殖可防止小膠質(zhì)細胞衰老并改善淀粉樣蛋白相關(guān)病理

上圖表明 DAM 與 AD 發(fā)展的病理學相關(guān)。為研究是否可以通過從一開始就限制小膠質(zhì)細胞增殖來改善不利影響，作者團隊使用 CSF1R 抑制劑 GW2580 進行了實驗。

 

如圖所示，抑制小膠質(zhì)細胞增殖阻止了小膠質(zhì)細胞衰老的發(fā)生，IBA1⁺和 βgal⁺細胞密度和頻率降低圖 5B)。GW2580 還阻止了 DAM 的增加 (CLEC7A⁺、CD11C⁺或 MHCII⁺細胞)(圖 5C)。并且值得注意的是: 在 APP/PS1 模型中，GW2580 還阻止小膠質(zhì)細胞增殖轉(zhuǎn)化為 DAM，顯著降低 Aβ 斑塊密度，顯著預防了淀粉樣蛋白病理。

 

圖5. APP/PS1 模型小鼠中小膠質(zhì)細胞增殖降低后 DAM 的變化^[4]

A-B. GW2580 給藥后， 阻止了模型小鼠小膠質(zhì)細胞的衰老（βgal為活性標記物）與增殖。C. GW2580 給藥，降低了 DAM 的產(chǎn)生 D. GW2580 降低了致密斑塊數(shù)目

 

 

 
 
AD 是一種進行性神經(jīng)退行性疾病，小膠質(zhì)細胞對 Aβ 的初始積累、tau 病理學開始的神經(jīng)變性模型具有非�？焖俚脑鲋撤磻�。
 

CSF1R 抑制劑 PLX5622 可作為長期小膠質(zhì)細胞消除的有效工具。PLX5622 對小膠質(zhì)細胞的具有高度選擇性，與其他方法相比，它誘導的小膠質(zhì)細胞消除采取了非侵入性給藥途徑，且獨立于藥理學驅(qū)動因素，如更昔洛韋等，避免了炎癥反應。

 

在 AD 進程中，減少早期小膠質(zhì)細胞增殖可減弱細胞衰老和疾病相關(guān)小膠質(zhì)細胞 (DAM) 的發(fā)展，并損害 Aβ 的積累，以及減少相關(guān)的神經(jīng)炎和突觸損傷。通過對小膠質(zhì)細胞的研究，有助于發(fā)現(xiàn) AD 疾病發(fā)展的新機制，為 AD 治療提供更多的可能性。

 

相關(guān)產(chǎn)品

PLX5622 PLX5622 是具有口服活性的 CSF1R 抑制劑，可用于特異性消除小膠質(zhì)細胞。

Pexidartinib Pexidartinib (PLX-3397) 是具有口服活性的 CSF1R 和 c-Kit 抑制劑，具有抗腫瘤活性，也可用于特異性消除小膠質(zhì)細胞。

抗阿爾茨海默病化合物庫 收錄了 800+ 種具有抗阿爾茲海默病活性的化合物及靶向阿爾茲海默病主要靶點的化合物。

抗帕金森病化合物庫 收錄了 800+ 種具有抗帕金森病活性的化合物及靶向帕金森病主要靶點的化合物。

神經(jīng)退行性疾病化合物庫 收錄了 1300+ 種具有抗神經(jīng)退行性活性的化合物及靶向神經(jīng)退行性疾病主要靶點的化合物。

MCE 的所有產(chǎn)品僅用作科學研究或藥證申報，我們不為任何個人用途提供產(chǎn)品和服務。

 

 

 

參考文獻

1. He F, Sun YE. Glial cells more than support cells? Int J Biochem Cell Biol. 2007; 39(4):661-5.

2. Sofroniew MV, Vinters HV, et al. Astrocytes: biology and pathology. Acta Neuropathol. 2010 Jan;119(1):7-35.
3. Elizabeth Spangenberg, Paul L Severson, Lindsay A Hohsfield, Joshua Crapser, Kim N. Green, et al. Sustained microglial depletion with CSF1R inhibitor impairs parenchymal plaque development in an Alzheimer's disease model. Nat Commun. 2019 Aug 21; 10(1):3758. 
4. Yanling Hu, Gemma L Fryatt, Mark S Cragg, Diego Gomez-Nicola, et al. Replicative senescence dictates the emergence of disease-associated microglia and contributes to Aβ pathology. Cell Rep. 2021 Jun 8;35(10):109228.