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巨噬细胞和小胶质细胞在斑马鱼再生中的作用

摘要：目前尚无治疗方法可以恢复中枢神经系统(CNS)损伤后的神经功能，周围神经系统的再生能力有限。由于鱼类以其再生能力而闻名，了解这些物种如何调节损伤后的炎症过程对于损伤和疾病后的恢复具有潜在转化的重要性。许多疾病和损伤都涉及先天免疫细胞的激活，以清除受损细胞。中枢神经系统的常驻免疫细胞是小胶质细胞，对感染和损伤作出反应的原代细胞和它们的外周对应细胞——巨噬细胞。这些细胞作为发育和可塑性的关键调节剂，在损伤后结构和功能的修复和再生中具有重要作用。斑马鱼是研究巨噬细胞在损伤后的再生作用和神经退行性疾病(如帕金森病和阿尔茨海默病)中的小胶质细胞的新兴模型。这些鱼与人类在神经解剖学、神经化学和情感/社会行为上有高度的相似性，是许多病理的理想模拟器。这篇综述探讨了巨噬细胞和小胶质细胞参与促进再生的一些文献。了解先天免疫细胞在损伤后的行为可能有助于开发新的方法来治疗创伤和疾病中可见的毒性和慢性炎症过程。

关键词:免疫学;神经再生;鱼;免疫细胞;斑马鱼;小胶质细胞;巨噬细胞

1. 介绍

免疫系统一般分为非特异性先天免疫系统和特异性适应性免疫系统。先天免疫系统是免疫细胞通过非特异性反应抵御外来抗原。适应性免疫系统是抗原特异性的，即二次免疫应答攻击的抗原与初次免疫应答攻击的为同一抗原。本文将重点介绍先天性免疫系统，特别是巨噬细胞和小胶质细胞在组织和鱼神经再生中的作用以及它在神经再生研究中潜在的转化影响。

先天免疫系统是一种非特异性的、进化上保守的防御策略，负责发起反应，消除脊椎动物(包括鱼类)潜在的破坏性和传染性威胁。先天免疫机制包括巨噬细胞和小胶质细胞等免疫细胞的聚集，以促进循环和实质细胞中由于损伤、老化或坏死造成的损伤组织和有毒分子的清除。这种反应的后果可能是有害的，也可能是有益的，会导致进一步的损害或恢复。本文就巨噬细胞和小胶质细胞在斑马鱼再生中的作用作一综述。

1. 巨噬细胞和小胶质细胞的生理功能概述

巨噬细胞是1882年由俄罗斯动物学家和免疫学家Ilya Metchnikoff发现的，被认为是先天免疫中进化保守的防御机制。1968年，范福思提出了巨噬细胞、单核细胞和它们的前体细胞的新分类，作为单核吞噬系统的一部分——现在包括单核细胞、巨噬细胞、树突状细胞和骨髓原细胞——它们起源于血液中的单核细胞。这种观点在随后的几十年里盛行。巨噬细胞有许多不同的亚群，具有不同的功能能力；然而，巨噬细胞主要吞食并破坏病原体，清除死亡细胞和碎片以维持组织的健康。巨噬细胞在发育过程中的维持组织结构、损伤后恢复和消除炎症方面发挥作用，通过监测活性、吞噬作用、细胞因子产生、免疫细胞聚集和抗原呈递，连接先天和适应性免疫系统之间的关系。最近，巨噬细胞的起源被认为是在胚胎发育期间建立的——成年期不依赖于单核细胞的贡献——并在哺乳动物、鸟类和斑马鱼的卵黄囊中分化，这意味着巨噬细胞在早期胚胎中起着重要的作用。

先天免疫系统依赖于物种通过各种生殖系编码的模式识别受体(PRRs)对特定环境条件的适应。这些分子模式包括Toll样受体(TLRs)、外源或病原体相关分子模式(PAMPs)，或由于损伤和感染而导致宿主组织损伤的分子模式，称为损伤相关分子模式(DAMPs)。TLRs是天然免疫细胞中表达的受体，主要通过识别细菌脂多糖、内毒素和病毒RNA等PAMPs，参与抵抗微生物的入侵。DAMPS是从受损细胞中释放出来的分子，会促进炎症。这些蛋白包括高迁移率族蛋白1 (HMGB 1)、S100蛋白和热休克蛋白。PRRs在哺乳动物和鱼类中高度保守，能够改变巨噬细胞代谢中的基因表达，影响随后的炎症活动。PRRs、PAMPs、DAMPs和其他来自邻近细胞的化学上不同的线索允许巨噬细胞以多种方式作出应答，从通过制造配体来支持细胞生存或促进细胞死亡。巨噬细胞也显示出一种组织特异性的异质性，具有不同的基因表达模式和细胞表面受体蛋白。组织异质性是指巨噬细胞在特定组织内的发育特异性存在和运作，并适应特定的环境。

驻留在中枢神经系统(CNS)的巨噬细胞称为小胶质细胞。小胶质细胞是1919年由西班牙神经学家Pio del里约热内卢Hortega等人发现的，之后100年的小胶质细胞研究产生了这样的想法:这些细胞是中枢神经系统的先天免疫细胞。目前，小胶质细胞被认为是巨噬细胞样的先天免疫细胞，具有记忆样功能，存在于中枢神经系统组织中。在生理上，小胶质细胞表现出高度的可塑性，它们能够从静止的感觉细胞迅速转变为活跃的吞噬状态。

越来越多的证据表明，小胶质细胞在神经元发育和可塑性中也起着关键的调节作用，它支持和塑造脑组织。通过与中枢神经系统中许多其他细胞的相互作用，包括神经元、星形胶质细胞和寡树突胶质细胞，这种调节特征使小胶质细胞有别于其他主要在先天免疫中发挥作用的吞噬细胞。测序技术的重大进展表明，小神经胶质细胞也是疾病的决定因素，而不是中枢神经系统病理的旁观者，如阿尔茨海默病、帕金森病、精神分裂症、自闭症和多发性硬化症。因此，小胶质细胞已成为许多脑损伤、疾病和障碍的一种新颖而有前途的治疗靶点。

小胶质细胞被认为是单核巨噬细胞系统的一部分。它们从胚脑持续到成年，不可避免地允许这种细胞类型在其整个生存过程中遭遇非常独特的生理状态和环境变化。在特定的疾病状态或损伤条件下，其他白细胞，如中性粒细胞、淋巴细胞和单核细胞可以到达中枢神经系统，通过血管和脑神经迁移，提供额外的碎片清理。与其他胚胎组织特异性巨噬细胞一样，小胶质细胞被认为起源于卵黄囊，与胎儿期早期缺乏其他胶质细胞的神经元几乎同时建立。它们是建立中枢神经系统神经元结构的关键参与者，控制神经元的命运和数量，吞噬死亡、垂死的细胞以及发育中的脑实质中的多余突触。这种发育过程持续到成年，小胶质细胞也通过清除多余的神经元来塑造神经元回路，并通过协助神经前体细胞和神经元的成熟、增殖和存活来刺激神经发生。小胶质细胞不仅在清除非功能性突触中起作用，而且还通过ATP和嘌呤受体P2Y12的表达参与突触修剪，积极重塑突触回路。

与外周巨噬细胞不同，小胶质细胞被认为是唯一具有早期红髓祖细胞起源(eEMP)的成年巨噬细胞群。eEMPs还包括受血脑屏障保护的成年中枢神经巨噬细胞。这些来自胚脑的eEMPs衍生的小胶质细胞在整个成年期的持续存在需要特定的细胞维护策略，例如依赖于持续刺激它们的CsF1受体:Csfr，MCSF-R,和CD115。

此外，通过IL-1受体信号转导，细胞凋亡和增殖的平衡发生了显著的转变，因

此小胶质细胞具有显著的自我更新潜能。

神经系统和免疫系统之间的相互作用不仅影响一生的发育，也影响受伤和疾病后的恢复。人们认识到，应对损伤和疾病的中枢神经系统小胶质细胞转化是一个连续体。通过涉及基因表达、形态、迁移、代谢、增殖和死亡的改变，小胶质细胞在中枢神经系统病理反应中发生转化。单核细胞、巨噬细胞和小胶质细胞根据环境条件向促炎型(M1)或保护性抗炎型(M2)极化。M1样反应涉及促炎细胞因子的上调，包括诱导型一氧化氮合酶、白细胞介素(IL)-1beta;、IL-6和肿瘤坏死因子(TNF)-alpha;。M2样反应涉及转化生长因子(TGF)-beta;、细胞因子IL-4、IL-10CD206和CD163的上调。脑疾病和损伤涉及激活常驻和外周免疫细胞来清除受损和死亡的神经元，急性损伤后几分钟内小胶质细胞突起会向中枢神经系统损伤部位聚集。在数小时到数天内，小胶质细胞扩展和收缩它们的突起，并转变为活化的、变形虫样的形式，很容易释放炎症介质。

在组织损伤后，先天免疫细胞会快速聚集和迁移，之后便被吞噬。损伤反应的这一阶段能够控制炎症，并为脑组织的组织修复和功能恢复奠定基础。先天免疫细胞的吞噬行为在建立新的轴突连接中具有潜在的重要意义，因为要发生这种事件，退化的连接必须首先被清除。最近的研究发现，如果小鼠损伤后单核细胞源的巨噬细胞不能充分地补充到大脑，就会导致小鼠功能的不完全恢复。目前还不清楚哪些免疫细胞参与了脑损伤后的恢复过程，特别是在嗅觉系统，这是一个持续发展的区域，具有持续的神经发生和轴突替换。了解先天免疫细胞行为的控制可以通过提供一种方法来改善慢性神经炎症过程，使其有助于各种神经退行性疾病中神经元损伤后的功能恢复，例如阿尔茨海默病，帕金森病，中风，或创伤。

提高脑损伤和神经退行性疾病后神经元功能的恢复是当前持续存在的问题。治疗性干预面临常见的挑战，如功能丧失后产生神经元，以及限制包括损伤部位小胶质细胞在内的长期炎症积累引起的继发性组织损伤。而哺乳动物，主要为小鼠模型，被证明是易于处理的动物研究模型，有可能转化为临床使用模型，哺乳动物缺乏其他脊椎动物如斑马鱼的再生能力。与哺乳动物模型相反，斑马鱼对损伤有广泛的再生能力，其特定的机制促进组织结构的丧失和中枢神经系统功能的恢复。此外，如果小胶质细胞的反应和分解与系统的再生能力有关，那么我们可以从这些动物模型中学到很多东西。幸运的是，斑马鱼的主要器官和组织在分子、解剖和生理上都与其他哺乳动物相似，并拥有超过70%的基因与人类相同。

小鼠模型和斑马鱼模型的一个关键区别是，斑马鱼在成年中枢神经系统中具有许多组成性活跃的神经源性龛，特别是在具有多种可塑性机制的嗅觉系统中。斑马鱼的再生特性对于检查由损伤或疾病造成的损伤后的多器官（包括大脑、脊髓、视网膜、鳍和心脏）的再生潜力是有用的。

1. 巨噬细胞和小胶质细胞在鱼类组织再生中的作用

巨噬细胞在稳态条件下和受伤或疾病后是功能多样化和高度可塑性的。因此，巨噬细胞在鱼类再生领域研究很多。损伤后，从组织修复阶段到再生阶段的转变均需要巨噬细胞发挥作用。斑马鱼最初损伤后通过TNF-alpha;表达的促炎巨噬细胞与哺乳动物相似，促炎M1样巨噬细胞表达的TNFbeta;、IL-beta;、IL-6被聚集到损伤部位以清除异物和碎片时最为明显。TNF-alpha;表达的下调是斑马鱼伤口愈合和再生的标志。

巨噬细胞在心脏损伤后的再生过程中起重要作用。一些物种具有再生损伤心脏的能力，可能会形成疤痕或不会。但是斑马鱼可以在不形成永久疤痕的情况下完全再生心脏，而人类则不能再生受伤的心脏。有趣的是，巨噬细胞的减少会导致心脏再生过程的停止，这一点证明了巨噬细胞在恢复损伤中的重要作用。了解斑马鱼心脏再生的机制是一个新兴的研究领域。

斑马鱼的再生能力很强，巨噬细胞也是鳍再生所必需的。尾鳍截肢导致了再生早期阶段由极化的巨噬细胞瞬时表达的TNF-alpha;调节的促炎症巨噬细胞的聚集。这为高效再生提供了组织，并且这出现在M2极化的巨噬细胞之前，表达TGFbeta;-1、趋化因子受体(CCR) 2和cxcr4b，通常被认为与组织修复优先相关。巨噬细胞也可能通过Wnt/beta;-catenin信号通路调控附件再生。Wnt信号通路直接影响巨噬细胞增殖和细胞因子释放，调节附件炎症和再生，调节其他结构损伤后的增殖，比如成年斑马鱼的视觉顶盖。这些发现提示Wnt信号可能在中枢神经系统不同部位的再生中发挥重要作用，包括下丘脑、视网膜和脊髓。

就像它们的周边细胞一样，小胶质细胞是一个重要的细胞群，参与了鱼类大脑的稳态维持。这些细胞表现出不同程度的增殖，在正常情况下，它们以分支的静止形态存在，就像它们在哺乳动物的大脑中一样。同样，斑马鱼的小胶质细胞也在病理条件下转变为一种变形虫样的激活形态。它们作为中枢神经系统的守护者，在突触变性、调节神经元成分、清除凋亡细胞以及中枢神经系统血管生成和血管维持等方面发挥着重要作用。

对鱼类小胶质细胞行为的研究越来越受欢迎(表1)，特别是那些关注小胶质细胞通过吞噬作用对损伤的反应和神经元变性的研究。免疫细胞的吞噬行为对大脑中新连接的建立具有潜在的重要意义，因为在新的连接形成之前，退化的连接必须先被移除。例如，斑马鱼损伤后很快就会出现小胶质炎症反应，其特征是形态学改变和损伤部位的白细胞聚集。室管膜胶质细胞的增殖也增加，产生中间神经祖细胞，帮助替换受损的神经元。一旦sigma-1受体关闭，小胶质细胞就会离开损伤部位，导致斑马鱼端脑的炎症反应迅速消退。sigma-1受体是神经元和胶质细胞内的蛋白质，在神经变性中发挥作用。研究已经开始探索常驻小胶质细胞和外周巨噬细胞在脑损伤中的聚集，以及它们在神经元细胞死亡反应中的不同作用，解决与两个种群的个体贡献有关的问题。

小胶质细胞高度依赖于巨噬细胞集落刺激因子受体(csf - 1r)，该受体由单核细胞广泛表达。配体巨噬细胞集落刺激因子(mCSF)和白细胞介素-34 (IL-34)与CSF1R结合，在先天免疫细胞增殖中发挥作用，特别是单核细胞和巨噬细胞群。在大脑中,CSF1R作用于小胶质细胞的增殖、存活和吞噬。该信号通路参与清除髓鞘碎片和大脑环境中的有毒副产物，发挥神经保护作用。一些研究发现，抑制CSF1R通路在小胶质细胞中的作用并不会损害小胶质细胞的增殖，利用铜酮诱导脱髓鞘的病理背景表明，mCSF受体在这个特定的模型中可能不是增殖所必需的

CSF1R信号通路。此外，CSF1R敲除小鼠表现出明显的小胶质细胞增生，没有损伤反应的迹象。对小胶质细胞再生动力学的进一步探索表明，小胶质细胞再生与小胶质细胞耗竭的程度成正比，小鼠大脑只具备一次完全再生的能力。其他对小鼠的研究使用了一种特定的酪氨酸激酶抑制剂来证明CSF1R在小胶质细胞中的

关键作用，并且再生仅来自急性缺失后残留的小胶质细胞。然而，有人指出，操纵一个分子可能会影响不同的细胞群，而不是特定的小胶质细胞。CSF1R抑制也会导致循环的浸润手术后cx3cr1阳性细胞，其中大多数增殖的小胶质细胞似乎是常驻小鼠Iba1细胞。聚集骨髓源性细胞的方法尚不清楚，一个受体的缺失可能导致另一个受体的过度表达，以弥补小胶质细胞的缺失。此外，研究表明，尽管大脑中存在存活的小胶质细胞，但骨髓细胞仍然可以在大

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