小膠質細胞在神經系統內的作用機制
小膠質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，小膠質細胞約占腦細胞總數的 10-15%，形態多樣，呈致密圓形或分支狀。
阿爾茲海默癥 (Alzheimer's disease; AD) 的發展主要與 Aβ 蛋白的積累和 Tau 蛋白的過度纏結相關(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) 結果顯示：小膠質細胞活化并遷移至淀粉樣蛋白沉積區域，那么，小膠質細胞在 AD 中究竟扮演怎樣的角色？
■ 關于小膠質細胞清除的體內研究模型
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、發育和趨化的關鍵調節劑，表達于全身的單核髓系細胞。
目前小膠質細胞耗竭模型主要包括：CSF1R 缺陷小鼠模型；CD11b-HSVTK 轉基因小鼠模型，人類白喉毒素受體 (DTR) 轉基因小鼠 (CX3CR1creER xDTRff) 模型，以及 CSF1R 抑制劑給藥導致的小鼠膠質細胞消融。
白喉毒素受體 (DTR) 轉基因小鼠模型依賴于白喉毒素的給藥，不僅會誘發細胞因子風暴，且小膠質清除維持時間較短。CD11b-HSVTK 模型需要更昔洛韋的腦室內注射，以產生大量的小膠質細胞耗竭，但易導致 BBB 損傷和骨髓毒性。CSF1R 抑制是目前僅能夠實現持續長期小膠質細胞消除的可用方法。
■CSF1R 抑制劑 PLX5622 治療消除小膠質細胞
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細胞，并在 6 個月持續治療時間內保持了小膠質細胞的缺失。
隨著小膠質細胞的消除，作者團隊發現了這些細胞在 AD 進程中，影響斑塊形成和生長，并調節海馬神經元基因表達以響應 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細胞 (IBA1+作為標記物) 數量顯著增加，并且在整個大腦中可見大量增大的斑塊相關細胞 (圖 2C, 綠色熒光)。小鼠在 1.5 個月大時開始用 PLX5622 (1200 ppm) 或對照飲食連續治療 10-24 周。PLX5622 治療幾乎完全消除小膠質細胞 (減少 97-100%；圖 2B 量化)。
并且野生型小鼠中，24 周的小膠質細胞清除并沒有對動物行為產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。
A. PLX5622 的給藥周期設定 B. PLX5622 清除小膠質細胞的量化圖注 C. 小鼠腦切片的小膠質細胞染色和 AD進程的 Aβ 聚集斑塊染色
■消除小膠質細胞損害斑塊形成
接下來作者團隊開始確定小膠質細胞消除對 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 周均可消除了皮質中 >99% 的小膠質細胞（圖 3A)，但一小部分細胞保留在丘腦中 (圖 3C-E)。在沒有小膠質細胞的情況下，皮質區域內明顯缺乏致密核心斑塊，但在存在小膠質細胞的丘腦區域，致密核心斑塊表達明顯上調，這表明小膠質細胞有助于 5xFAD 小鼠大腦中的斑塊生長。
圖 3. 小膠質細胞的清除伴隨 5xFAD 小鼠的致密斑塊的消失[3]
A-B. 喂食 10 周 或者24 周后，皮質層丘腦區域的小膠質細胞數目于致密斑塊數目的變化 C-D. AB 圖丘腦區域細胞數目變化的放大圖
以上結果表明小膠質細胞的增殖是 AD 疾病進展的主要因素。使用 CSF1R 抑制劑 PLX5622 抑制小膠質細胞增殖，改善淀粉樣蛋白積累。
■疾病相關小膠質細胞 (DAM) 與 AD 發展
今年 2021 年發表于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，早期持續性的小膠質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細胞經歷了未知機制會轉化為疾病相關小膠質細胞 (disease-associated microglia; DAM)，這種細胞是存在于多種腦部疾病中的關鍵小膠質細胞亞群。
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+ 細胞的數量從 4 個月時的開始增加，到 12 個月大時發生明顯變化。DAM 的出現也是一個早期事件 (CLEC7A+, CD11C+ 和 MHCII+為 DAM 標志物)，且與 Aβ 斑塊 (Congo Red 染色) 積累密切相關 (4C)。
圖 4. APP/PS1 模型小鼠的 DAM 的變化[4]
A. 不同年齡的 APP/PS1 模型小鼠小膠質細胞數目的變化 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目的增多
■抑制早期小膠質細胞增殖可防止小膠質細胞衰老并改善淀粉樣蛋白相關病理
上圖表明 DAM 與 AD 發展的病理學相關。為研究是否可以通過從一開始就限制小膠質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，抑制小膠質細胞增殖阻止了小膠質細胞衰老的發生，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 還阻止小膠質細胞增殖轉化為 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 的產生 D. GW2580 降低了致密斑塊數目
AD 是一種進行性神經退行性疾病，小膠質細胞對 Aβ 的初始積累、tau 病理學開始的神經變性模型具有非常快速的增殖反應。
CSF1R 抑制劑 PLX5622 可作為長期小膠質細胞消除的有效工具。PLX5622 對小膠質細胞的具有高度選擇性，與其他方法相比，它誘導的小膠質細胞消除采取了非侵入性給藥途徑，且獨立于藥理學驅動因素，如更昔洛韋等，避免了炎癥反應。
在 AD 進程中，減少早期小膠質細胞增殖可減弱細胞衰老和疾病相關小膠質細胞 (DAM) 的發展，并損害 Aβ 的積累，以及減少相關的神經炎和突觸損傷。通過對小膠質細胞的研究，有助于發現 AD 疾病發展的新機制，為 AD 治療提供更多的可能性。
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參考文獻
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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.
