神經元-膠質細胞共生體系對神經營養因子活性影響的研究現狀
本文作者:王蕾,李根林
作者單位:100730 北京市,首都醫科大學附屬北京同仁醫院,北京同仁眼科中心,北京市眼科學與視覺科學重點實驗室
摘要視網膜色素變性的病理特點是感光細胞和視網膜色素上皮細胞結構和功能的進行性喪失。神經營養因子對其保護作用越來越受到關注。腦源性神經營養因子、睫狀神經營養因子和膠質細胞源性神經營養因子可通過直接和間接保護通路影響感光細胞活性。而神經元-膠質細胞共生體系介導的對感光細胞活性的間接保護作用更為重要。膠質細胞介導的神經營養因子治療相關眼病取得了部分進展,這將為延緩視網膜色素變性病情發展提供一種新的有效手段。
視網膜色素變性(retinitis pigmentosa,RP)是一組以感光細胞和視網膜色素上皮細胞(retinal pigment epithelium,RPE)結構和功能進行性喪失為特徵的致盲性視網膜病變。感光細胞死亡是此類致盲性眼病的結局。研究發現,感光細胞受到腦源性神經營養因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)、睫狀神經營養因子(ciliary neurotrophic factor,CNTF)和膠質細胞源性神經營養因子(glial cell line-derived neurotrophic factor,GDNF)等的保護,但感光細胞並不含有高豐量的神經營養因子受體[1]。近年來,膠質細胞參與神經保護的作用受到關注,Müller細胞介導的間接保護作用對感光細胞活性影響更為有效,這種作用稱為神經元-膠質細胞共生體系[2]。該體系對神經營養因子活性影響尤為明顯。本文就該共生體系對神經營養因子活性的影響作一綜述。
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BDNF活性及神經元-膠質細胞共生體系對其活性和應用的影響
1.1 BDNF結構及分布BDNF由德國神經生物學家Barde從豬的大腦提取液中分離純化得到。它是一種單體,含119個氨基酸殘基,相對分子質量為123 000的鹼性蛋白質。BDNF是神經營養素家族成員,該家族還包括神經生長因子、神經營養素-3、神經營養素-4/5[3]。在視覺系統中,BDNF主要來源於感光細胞、視網膜神經節細胞(retinal ganglion cell,RGC)、Müller細胞和無長突細胞。BDNF通過與高親和力受體TrkB結合調節神經細胞存活及軸突外生[4];與低親和力受體p75NTR結合導致細胞程序化死亡。這2種受體均可表達於Müller細胞[5],參與神經元-膠質細胞共生體系對BDNF活性的影響。最新研究發現,構建細胞穿透肽與BDNF融合蛋白,可實現BDNF跨膜運輸[6],這將為BDNF透過血-視網膜屏障提供解決方法。
1.2 BDNF對感光細胞活性影響的直接和間接保護作用研究發現,BDNF可保護先天性或光誘導視網膜變性的感光細胞免受損傷[7],促進軸突再生[8],抑製成年小鼠RGC的樹突狀萎縮[9],抑制大鼠視網膜Müller細胞和雙極細胞的滲透性腫脹[10-11]。
1.2.1 BDNF對感光細胞的直接保護作用 研究發現,BDNF對光誘導大鼠感光細胞變性具有顯著直接保護作用。Ortín-Martínez等[12]通過在體SD-OCT檢測由LED誘導的成年白化大鼠視網膜感光細胞變性時發現,視網膜損傷限於直徑約1.8 mm的圓形區域內,厚度從照射後12 h[(183.4±5.0)mm]至7 d[(114.6±6.0)mm]逐漸減少。他們認為視網膜變薄與外核層和外節段層厚度變薄有關。在LED照射後玻璃體內注射BDNF 5 μg,第7天時觀察到LED局部光毒性損傷所致的視錐細胞變性受到顯著抑制。這與Cerri等[13]發現的BDNF局部眼部治療對LED所致的感光細胞變性具有神經保護作用相一致。研究發現,視紫紅質突變或氧化損傷引起的感光細胞損傷在過表達BDNF的轉基因小鼠中可得到延遲。BDNF不僅具有直接保護視網膜神經元的功能,還可促進光損傷視網膜的恢復。
1.2.2 膠質細胞介導的BDNF對感光細胞活性的間接保護作用 BDNF雖對感光細胞具有顯著的直接保護作用,但其與Müller細胞相互作用,可釋放直接作用於感光細胞的二次因子,進而間接發揮保護活性。通過在大鼠眼內注射腺病毒介導的BDNF後,將其暴露於恆定光照中發現,在外核層中觀察到受感染的Müller細胞陽性免疫反應性。在小鼠中,從Müller細胞釋放的BDNF產生前饋循環,增加內源性BDNF、CNTF、GDNF的mRNA表達水平,BDNF似乎通過旁分泌機制保護感光細胞,而來源的主要貢獻者是Müller細胞,主要旁分泌靶標是感光細胞[7]。這種由Müller細胞介導的BDNF對感光細胞活性影響作用更為重要。此外,表達於Müller細胞中的BDNF的2種受體也參與對感光細胞的間接保護作用。研究發現,Müller細胞中的TrkB消除會影響營養因子的轉錄。Harada等[14]將小鼠Müller細胞中的TrkB敲除形成TrkBGFAP模型發現,在TrkBGFAP小鼠中,BDNF不能刺激Müller細胞增殖及營養因子的產生。Saito等[15]認為Müller細胞是負責TrkB表達的細胞之一,其中TrkB-T1(TrkB同種型之一)在BDNF介導的保護感光細胞免受光毒性損傷中發揮重要作用。Shen等[16]發現,抑制P75NTR信號的促凋亡作用及調控Müller細胞和小膠質細胞之間的相互作用,將有利於感光細胞的保護。
1.3 膠質細胞介導的BDNF治療相關眼病的應用研究發現,玻璃體內注射BDNF及轉基因操作均可治療退行性視網膜病變,但BDNF不能透過血-視網膜屏障,在血液中極不穩定,半衰期短,無法控制精確用量,從而受到限制。近年來發現,Müller細胞是腺病毒載體遞送神經營養因子的理想靶點。通過腺病毒將BDNF轉染至Müller細胞比單次玻璃體內推注人重組BDNF蛋白提供更持久的BDNF來源,發揮更好的感光細胞保護作用[17]。此外,因CNTF的來源特性,BDNF+CNTF的組合方式可比單一應用BDNF更好地減少感光細胞凋亡[18]。
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CNTF活性及神經元-膠質細胞共生體系對其活性和應用的影響
2.1 CNTF結構及分布CNTF最初從雞胚提取物中分離,促進睫狀神經元存活,此活性的三分之一來自於眼睛[19]。它是一個由200個氨基酸殘基組成的相對分子質量為227 000的酸性蛋白。CNTF是IL-6細胞因子家族的成員,該家族還包括IL-6、IL-11、白血病抑制因子、抑癌蛋白M。在視覺系統中,CNTF主要來源於Müller細胞,也可由遷移至視網膜的小膠質細胞產生[20]。CNTF通過與CNTFRα、白血病抑制因子受體和糖蛋白130(gp130)組成的受體複合物結合發揮作用。CNTFRα為CNTF特異性受體,在視覺系統中可表達於Müller細胞。參與介導信號通路的白血病抑制因子受體和gp130為IL-6細胞因子家族所共用[21],參與調節Müller細胞增生,保護光誘導感光細胞免於凋亡。
2.2 CNTF對感光細胞活性影響的直接和間接保護作用CNTF對由強光、神經毒素或抗體誘導的感光細胞變性及RPE表達的基因突變等原因導致的視網膜變性均發揮作用。此外,CNTF還可促進RGC存活和軸突再生[22]及控制視網膜祖細胞集群的增殖和分化。
2.2.1 CNTF對感光細胞的直接保護作用 CNTF對視錐細胞和視桿細胞均具有顯著的直接保護作用。此外,CNTF也可促進視錐細胞外節再生。Li等[23]選用攜帶有視紫紅質S334ter突變的S334ter-3轉基因小鼠進行實驗,發現視錐細胞外節喪失集中在視網膜的許多小區域,並且隨著年齡增長而逐漸增加。持續輸送CNTF可阻止視錐細胞變性,並幫助其維持視錐細胞外節和光感應功能。因此,CNTF可用於防止晚期RP患者中心視力喪失。
2.2.2 膠質細胞介導的CNTF對感光細胞活性的間接保護作用 研究發現,感光細胞不直接對CNTF產生應答,而是通過與Müller細胞相互作用間接發揮保護活性[1]。Müller細胞是CNTF、bFGF、NT3的主要來源,是CNTF的應答細胞,介導CNTF對感光細胞的作用。Coorey等[24]發現成年小鼠視網膜Müller細胞消融會影響IL-6/gp130細胞因子家族成員和Jak-STAT信號差異性表達,進而導致感光細胞凋亡。Li等[25]將分泌型人CNTF遞送到rds/P216L小鼠中發現,Müller細胞中gp130基因的破壞會減少CNTF依賴性感光細胞的存活,並阻止Müller細胞和視網膜其餘部分STAT3磷酸化。這表明,CNTF介導的感光細胞保護作用需首先激活Müller細胞中的gp130受體,隨後觸發神經保護信號的產生。此外,CNTF參與調節視桿細胞光轉導機制,單次玻璃體內注射CNTF導致感光細胞外節短暫而可逆地縮短,並干擾光轉導基因。這種由CNTF誘導的視桿細胞改變是通過Müller細胞間接介導的。由此提出一種假設:CNTF發揮感光細胞保護作用需先激活Müller細胞,然後將神經保護信號傳遞至感光細胞發揮作用。這種間接介導作用對感光細胞活性影響更為重要。
2.3 膠質細胞介導的CNTF治療相關眼病的應用CNTF的短半衰期和反覆眼內注射的侵入性質使傳統給藥方式受到限制。應用病毒載體方式無法根據疾病情況調整CNTF分泌量。因此,美國Neurotech公司開發了一種可向視網膜緩慢持續釋放CNTF的裝置,即細胞包囊技術(encapsulated cell technology,ECT)[26]。這種持續遞送低劑量CNTF比高劑量CNTF推注能提供更好的治療效果[21]。CNTF的眼內給葯僅特異激活Müller細胞。在Müller細胞中,BDNF處理可增加CNTF表達,二者組合方式比單一應用可更為有效地降低感光細胞死亡[18]。這表明通過誘導Müller細胞中CNTF的分泌和表達間接保護感光細胞可能成為治療RP的一種有效方式。
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GDNF活性及神經元-膠質細胞共生體系對其活性和應用的影響
3.1 GDNF結構及分布GDNF起初從大鼠神經膠質瘤細胞系的上清液中分離提取而來。GDNF含有134個氨基酸,是膠質源性神經營養因子家族的成員,該家族還包括神經秩蛋白、artemin蛋白、persephin蛋白[3]。GDNF廣泛分布於神經系統,在視網膜中表達於RGC和感光細胞。Hauck等[27]在豬視網膜中研究了GDNF受體組分的表達,即跨膜酪氨酸激酶Ret和糖基磷脂醯肌醇錨定蛋白結合成多重受體複合物GFRa,GDNF與受體結合後促進神經元存活和神經突生長[28]。有研究發現在嚙齒類動物和雞中補充的GDNF受體組分僅在Müller細胞中表達,而在感光細胞中不表達[29]。這表明膠質細胞介導的GDNF對感光細胞活性影響尤為重要。
3.2 GDNF對感光細胞活性影響的直接和間接保護作用GDNF可促進感光細胞發育和存活[30],增強視錐細胞密度;促進大鼠視神經橫斷後的RGC存活和突觸發生[8],促進神經元分化和增殖[31]。
3.2.1 GDNF對感光細胞的直接保護作用 研究發現,GDNF是防止感光細胞變性最有效的神經營養因子之一[32],其對光誘導或基因突變及氧化損傷等原因所致的感光細胞變性均發揮直接保護作用。在光誘導大鼠視網膜變性動物模型中,GDNF可分布於整個感光細胞層並顯著上調,進而抑制感光細胞凋亡。通過腺病毒載體將GDNF遞送至大鼠視網膜可顯著增加轉基因視紫紅質突變大鼠視桿細胞存活,改善Lewis大鼠由視網膜脫離誘導的感光細胞變性。研究發現,GDNF可刺激雞視網膜的視桿細胞[33]。實驗將來源於胚胎第6天的視網膜培養在50 μg·L-1GDNF中,與對照組相比,GDNF處理組可加速視紫紅質mRNA表達。Lipinski等[34]在10周齡的小鼠視網膜外植體的RP離體模型中發現,200 μg·L-1GDNF顯著增加感光細胞存活。
3.2.2 膠質細胞介導的GDNF對感光細胞活性的間接保護作用 GDNF可激活Müller細胞及表達於Müller細胞中的受體,通過釋放支持感光細胞存活的二次神經營養因子間接傳遞保護活性,此活性比直接保護作用更為重要[35]。GDNF及其受體可增加Müller細胞中BDNF、bFGF和GDNF表達,參與膠質細胞中神經營養因子產生的調節。在光誘導感光細胞變性中,GFRα-1和GFRα-2 mRNA及GFRα-2蛋白表達在Müller細胞中上調,GDNF與表達上調的受體結合促進感光細胞存活。Del Río等[36]發現Müller細胞衍生的GDNF誘導轉錄物骨橋蛋白可將部分GDNF誘導的Müller細胞的神經保護活性傳遞給感光細胞,減少視網膜外植體中感光細胞的凋亡數量,促進原代感光細胞的存活。Müller細胞通過改變受體表達模式及神經細胞上的促凋亡和抗凋亡力量之間的平衡來控制神經元細胞的存活,神經元-膠質細胞共生體系可以利用GDNF家族在視網膜變性過程中保護神經細胞。
3.3 膠質細胞介導的GDNF治療相關眼病的應用GDNF治療退行性眼底病的傳統方式因價格昂貴、對GDNF的表達水平和靶向遞送到視網膜內特定位置的控制不足而受到限制。研究發現,Müller細胞是分泌神經營養因子的絕佳靶標。使用Müller細胞誘導的GDNF分泌,比先前報道的使用GDNF減慢視網膜變性進展效果更好[37]。Dalkara等[38]通過玻璃體內注射技術設計出能夠特異性地從玻璃體轉導Müller細胞,介導其過表達GDNF的腺病毒突變體(ShH10)。這表明在玻璃體內載體給葯後從膠質細胞中分泌GDNF來減緩大鼠RP模型的視網膜變性進展是一種有效手段。
綜上所述,BDNF、CNTF、GDNF可以通過直接方式或膠質細胞介導的間接方式對感光細胞發揮保護作用。膠質細胞介導的間接保護活性為干預RP的治療提供了新思路。但神經元-膠質細胞共生體系在體內發揮保護作用的機制尚不清楚,這對於理解神經營養因子治療RP等退行性視網膜病變有重要作用,這也是未來研究的重要方向。
參考文獻略
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