第3回 探索大脑吞噬细胞的奥秘
小胶质细胞研究的前沿 —从基础到临床—
东京大学 大学院药学系研究科 药品作用学教室
河野 玲奈、池谷 裕二、小山 隆太
◆前言
吞噬作用是免疫系统中的重要过程。不仅是从体外入侵的病毒和病原菌，体内产生的死细胞、异常凝集蛋白等所有废弃物，皆为吞噬 “专业”的吞噬细胞的作用对象。
在大脑中有时也被称为组织驻留巨噬细胞（请注意该名称具有争议性）的小胶质细胞，被认为是主要的免疫细胞和吞噬细胞，围绕其吞噬能力已有大量的研究。但是近年来的研究显示，不仅是小胶质细胞，星形胶质细胞也具有吞噬能力1）。
星形胶质细胞是胶质细胞的一种，具有摄取神经递质、给神经细胞提供包括营养因子在内的物质、以及形成血脑屏障等多种功能，而与这些功能并存的吞噬作用，与小胶质细胞的吞噬作用在各个方面都具有不同的特征。因此，本文在比较星形胶质细胞和小胶质细胞各自的吞噬特点与作用的同时，对大脑中的吞噬作用进行了探究。
◆凋亡细胞的吞噬
Damisah等人比较了星形胶质细胞和小胶质细胞对单个凋亡细胞的吞噬作用的差异2）。其通过使用荧光染料和激光照射单细胞水平的凋亡诱导技术来诱导一个神经细胞死亡，并用双光子成像在体内观察周围小胶质细胞的应答。其结果显示，小胶质细胞吞噬了细胞体及细胞体附近的树突，而星形胶质细胞则吞噬了远处的细小突起。基于这个结果，Damisah等人提出了凋亡细胞在细胞体周围和远处的突起发出的“eat me”信号可能是不同的。另外，也有报告称在经药理性去除小胶质细胞的小鼠大脑中，星形胶质细胞会代替其完成吞噬、去除细胞体的任务，但存在时间上的差异，小胶质细胞的去除在诱导凋亡后约20小时后执行，而星形胶质细胞的去除在诱导凋亡后约50小时后执行。
Lööv等人使用培养细胞，分别比较了星形胶质细胞与小胶质细胞的吞噬作用3，4）。向原代培养脾脏巨噬细胞或星形胶质细胞中添加经pH敏感性染料（酸性条件下会发出荧光）标记的神经细胞碎片，观察其吞噬状态，发现在巨噬细胞中，5小时后可以确认到摄入至酸性囊泡的荧光；3天后由于死细胞凝集的细胞核消失，可以其确认分解。相比之下，在星形胶质细胞中，12天后才终于确认到死细胞核的消失。而且在此期间，几乎没有确认到显示酸性条件的荧光。从观察的结果可以看出，与巨噬细胞相比，星形胶质细胞在分解吞噬物质时需要更多的时间，而且溶酶体内的pH更高。Lööv等认为由于pH值高的缘故，分解吞噬物质时需要更多的时间，为了验证这一点，用可以引起溶酶体酸化的微小颗粒处理星形胶质细胞，结果证实5天后促进了分解。与巨噬细胞相比，星形胶质细胞的维持溶酶体维持高pH值的机理尚不清楚，但这可能是导致了分解吞噬物质在时间上的差异。
小胶质细胞与星形胶质细胞不仅限于在功能正常时下相互分担工作。根据小西等人最近发表的报告显示，如果利用遗传学的方法诱导小胶质细胞死亡，星形胶质细胞会在约4天内吞噬、去除小胶质细胞的残骸5）。此外，当小胶质细胞的吞噬功能降低时，星形胶质细胞会代替其吞噬神经细胞等的死细胞碎片。换言之，当小胶质细胞的吞噬功能不足时，星形胶质细胞会作为替补发挥小胶质细胞的功能。
◆病理过程中的吞噬
在森泽等人进行的大脑中动脉闭塞（MCAO）引起的脑缺血模型研究中，直接比较了关于患病时星形胶质细胞与小胶质细胞吞噬的区别6）。小胶质细胞存在于缺血核心区和半影区（血流量低但可避免细胞死亡的区域），吞噬大小各异的细胞碎片；而星形胶质细胞则在半影区中吞噬尺寸较小（小于10 μm2）的细胞碎片。
此外，比较吞噬标记Galectin-3（与吞噬功能相关的凝集素）和溶酶体标记的表达后，发现小胶质细胞从MCAO 开始3天后出现峰值，14天后恢复至对照水平；而星形胶质细胞在7天后达到峰值，14天后表达持续亢奋。另外，作为其分子机制，我们着眼于缺血时星形胶质细胞特异性表达升高的ATP-binding cassette transporter A1（ABCA1，脂质转运蛋白），发现ABCA1的敲除抑制了星形胶质细胞的吞噬作用。另外，由于在小胶质细胞中未观察到ABCA1的升高，可以推测小胶质细胞中有不同的运输途径。
◆突触的吞噬
在发育期，接受视神经投射的外侧膝状体（dLDN）中会对过量的突触进行突触修剪。有两个团队的报告显示，小胶质细胞和星形胶质细胞两者都参与了这种突触修剪7，8）。报告称，两种细胞都有相关的受体，星形胶质细胞中是Mer tyrosine kinase（MERTK）和Multiple EGF-likedomains 10（MEGF10），而小胶质细胞中是补体途径的C3-CR3信号，如此通过互不相同的途径的突触吞噬机制。
但是，两者在神经活动依赖性地抑制吞噬作用这一点上是相同的。另外也有报告称，与小胶质细胞相关的除了C3-CR3之外，还有CD47-Signal Regulatory Protein α（SIRPα）信号发出“don't eat me”信号，以及Sushi repeat protein X-linked 2（SRPX2）这一内源性蛋白可抑制VGLUT2阳性突触的特异性吞噬9，10）。
根据以上的见解，我们认为小胶质细胞的突触吞噬作用会通过多种信号途径精确地区分需要被去除的突触，但对于星形胶质细胞目前尚未进行详细的相关验证。
◆考察吞噬作用中的角色划分
在一般情况下和病理状态下，星形胶质细胞与小胶质细胞相比，更倾向于吞噬尺寸较小的细胞碎片2，6）。另外还提出了，在摄取与分解方面与小胶质细胞相比，星形胶质细胞需要花费更多的时间，推测与溶酶体的pH有关3，4）。另外，星形胶质细胞与神经细胞等其他脑细胞相同，都来源于外胚层，而小胶质细胞来源于中胚层，来源的不同造成的基本细胞特性的差异，也是在研究星形胶质细胞与小胶质细胞区别时的重点。
星形胶质细胞是维持大脑物理结构的重要支持细胞，在大脑不同区域中都有存在11）。此外，考虑到星形胶质细胞具有辅助神经细胞功能的各种作用，在不引起大幅度结构变化的范围内进行吞噬，这样的行为更合理。
另一方面，小胶质细胞会持续不断地移动分支的突起，是非常活跃的细胞，在可迅速感知大脑中细胞死亡、病毒感染等的受体中大量表达，具有高游离性。而且由于在吞噬时可以变成使突起退缩的变形虫状形态，适合吞噬大型结构物质。像这样从细胞原始的功能和形态来分析，本文中介绍的吞噬作用的角色划分，可以说是发挥了每个细胞的特点。
另一方面，当小胶质细胞不存在或小胶质细胞的吞噬功能不足时，星形胶质细胞会吞噬平时不吞噬的尺寸和数量的死细胞碎片。虽然增强星形胶质细胞吞噬作用的机制尚不明确，但有推测在正常情况下小胶质细胞可能会抑制星形胶质细胞的吞噬2，5）。无论如何，星形胶质细胞作为小胶质细胞吞噬功能候补的这一点对于生物来说至关重要。
另外，关于时间范围上的差异，有推测提出当小胶质细胞吞噬量达上限时，作为候补的星形胶质细胞的吞噬功能会提高12）。然而Damisah等人的实验表明，即使小胶质细胞不存在，星形胶质细胞也可能会对细胞体大小的尺寸进行吞噬（但需要时间）。结合这些见解综合考虑，认为星形胶质细胞吞噬物质的缓慢分解是由于诱导吞噬的分子机制不同造成的（而不是依赖于小胶质细胞的机制），但这种差异是否利用了生物学的优势还尚未清楚。
Lööv等人主张星形胶质细胞是为了进行抗原呈递才维持溶酶体的高pH，以抑制抗原分解的假说3）。但实际上目前的报告中仍没有说明星形胶质细胞具有抗原呈递功能，另外包括小胶质细胞会进行抗原呈递的可能性，这些都是今后的尚待验证的课题。为了详细阐明星形胶质细胞和小胶质细胞在吞噬作用中的角色划分，需要清楚以及直接比较两种细胞的受体活化、摄取、溶酶体形成、分解等吞噬各个过程中的分子机制。
关于突触吞噬，每个突触的兴奋性和抑制性等性质特点，可能决定了是被星形胶质细胞还是被小胶质细胞吞噬。如先前所述，近年显示小胶质细胞通过多种因素严格控制突触吞噬。在此背景下，如今我们认为小胶质细胞是突触吞噬作用的主要负责方，关于星形胶质细胞更详细的突触吞噬控制尚待求证。因此，有必要同时确立星形胶质细胞和小胶质细胞的突触吞噬的成像系统。
◆结语
虽然从星形胶质细胞和小胶质细胞吞噬角色划分的观点出发进行了比较，但同时在相同条件下比较两种细胞的见解依然很少。除了本文介绍的突触和凋亡细胞外，还有报告称淀粉样蛋白β和髓磷脂等也会被星形胶质细胞和小胶质细胞两者吞噬13，16）。关于这些吞噬作用的对象，通过进行细胞类型特异性基因操作同时比较星形胶质细胞和小胶质细胞，阐明详细的分子机制，从而使星形胶质细胞和小胶质细胞之间的角色划分更明确。
【参考文献】
1）Cahoy, J. D. et al. : J. Neurosci., 28（1）, 264（2008）.
2）Damisah, E. C. et al . : Sci. Adv., 6（26）, eaba3239（2020）.
3）Lööv, C. et al. : Glia, 63（11）, 1997（2015）.
4）Lööv, C. et al. : PLoS One., 7（3）, e33090（2012）.
5）Konishi, H. et al. : EMBO J., e104464（2020）.
6）Morizawa, Y. M. et al. : Nat. Commun., 8（1）, 28（2017）.
7）Schafer, D. P. et al. : Neuron, 74（4）, 691（2012）.
8）Chung, W. S. et al. : Nature, 504（7480）, 394 （2013）.
9）Lehrman, E. K. et al. : Neuron, 100（1）, 120（2018）.
10）Cong, Q. et al. : Nat. Neurosci., 23（9）, 1067（2020）.
11）Halassa, M. M. et al. : J. Neurosci., 27（24）, 6473（2007）.
12）Magnus, T. et al . : J. Neuropathol. Exp. Neurol., 61（9）, 760（2002）.
13）Wyss-Coray, T. et al. : Nat. Med., 9（4）, 453（2003）.
14）Mills, E. A. et al . : Proc. Natl. Acad. Sci. USA., 112（33）, 10509（2015）.
15）Heckmann, B. L. et al. : Cell, 178（3）, 536（2019）.
16）Hughes, A. N. et al. : Nat. Neurosci., 23（9）, 1055（2020）.
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小胶质细胞标记物
|
产品编号 |
产品名称 |
规格 |
来源 |
应用 |
交叉物种 |
|
019-19741 |
Anti Iba1, Rabbit (for Immunocytochemistry) |
50 μg |
兔 |
ICC, IHC |
人， |
|
016-26721 |
Anti Iba1, Monoclonal Antibody(NCNP24) |
50 μL |
小鼠 |
IHC |
狨猴， |
|
011-27991 |
Anti Iba1, Goat |
100 μL |
山羊 |
WB, |
大鼠，小鼠 |
胶质细胞标记物
|
产品编号 |
产品名称 |
规格 |
来源 |
应用 |
交叉物种 |
|
018-27283 |
Anti GFAP, Monoclonal Antibody(MO389) |
50 μL |
小鼠 |
WB, ICC |
人 |
吞噬标记物
|
产品编号 |
产品名称 |
规格 |
来源 |
应用 |
交叉物种 |
|
ALX-804-284-C100 |
Galectin-3 monoclonal antibody (A3A12) |
100 µg |
小鼠 |
ELISA, FC, |
人， |