《眼科新进展》 2018年4期
389-392
出版日期：2018-04-05
ISSN:1003-5141
CN:41-1105/R
神经元-胶质细胞共生体系对神经营养因子活性影响的研究现状
视网膜色素变性（retinitis pigmentosa，RP）是一组以感光细胞和视网膜色素上皮细胞（retinal pigment epithelium，RPE）结构和功能进行性丧失为特征的致盲性视网膜病变。感光细胞死亡是此类致盲性眼病的结局。研究发现，感光细胞受到脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）、睫状神经营养因子（ciliary neurotrophic factor，CNTF）和胶质细胞源性神经营养因子（glial cell line-derived neurotrophic factor，GDNF）等的保护，但感光细胞并不含有高丰量的神经营养因子受体［1］。近年来，胶质细胞参与神经保护的作用受到关注，Müller细胞介导的间接保护作用对感光细胞活性影响更为有效，这种作用称为神经元-胶质细胞共生体系［2］。该体系对神经营养因子活性影响尤为明显。本文就该共生体系对神经营养因子活性的影响作一综述。
1 BDNF活性及神经元-胶质细胞共生体系对其活性和应用的影响
1.1 BDNF结构及分布 BDNF由德国神经生物学家Barde从猪的大脑提取液中分离纯化得到。它是一种单体，含119个氨基酸残基，相对分子质量为123 000的碱性蛋白质。BDNF是神经营养素家族成员，该家族还包括神经生长因子、神经营养素-3、神经营养素-4/5［3］。在视觉系统中，BDNF主要来源于感光细胞、视网膜神经节细胞（retinal ganglion cell，RGC）、Müller细胞和无长突细胞。BDNF通过与高亲和力受体TrkB结合调节神经细胞存活及轴突外生［4］；与低亲和力受体p75NTR结合导致细胞程序化死亡。这2种受体均可表达于Müller细胞［5］，参与神经元-胶质细胞共生体系对BDNF活性的影响。最新研究发现，构建细胞穿透肽与BDNF融合蛋白，可实现BDNF跨膜运输［6］，这将为BDNF透过血-视网膜屏障提供解决方法。
1.2 BDNF对感光细胞活性影响的直接和间接保护作用 研究发现，BDNF可保护先天性或光诱导视网膜变性的感光细胞免受损伤［7］，促进轴突再生［8］，抑制成年小鼠RGC的树突状萎缩［9］，抑制大鼠视网膜Müller细胞和双极细胞的渗透性肿胀［10-11］。
1.2.1 BDNF对感光细胞的直接保护作用 研究发现，BDNF对光诱导大鼠感光细胞变性具有显著直接保护作用。Ortín-Martínez等［12］通过在体SD-OCT检测由LED诱导的成年白化大鼠视网膜感光细胞变性时发现，视网膜损伤限于直径约1.8 mm的圆形区域内，厚度从照射后12 h［（183.4±5.0）mm］至7 d［（114.6±6.0）mm］逐渐减少。他们认为视网膜变薄与外核层和外节段层厚度变薄有关。在LED照射后玻璃体内注射BDNF 5 μg，第7天时观察到LED局部光毒性损伤所致的视锥细胞变性受到显著抑制。这与Cerri等［13］发现的BDNF局部眼部治疗对LED所致的感光细胞变性具有神经保护作用相一致。研究发现，视紫红质突变或氧化损伤引起的感光细胞损伤在过表达BDNF的转基因小鼠中可得到延迟。BDNF不仅具有直接保护视网膜神经元的功能，还可促进光损伤视网膜的恢复。
1.2.2 胶质细胞介导的BDNF对感光细胞活性的间接保护作用 BDNF虽对感光细胞具有显著的直接保护作用，但其与Müller细胞相互作用，可释放直接作用于感光细胞的二次因子，进而间接发挥保护活性。通过在大鼠眼内注射腺病毒介导的BDNF后，将其暴露于恒定光照中发现，在外核层中观察到受感染的Müller细胞阳性免疫反应性。在小鼠中，从Müller细胞释放的BDNF产生前馈循环，增加内源性BDNF、CNTF、GDNF的mRNA表达水平，BDNF似乎通过旁分泌机制保护感光细胞，而来源的主要贡献者是Müller细胞，主要旁分泌靶标是感光细胞［7］。这种由Müller细胞介导的BDNF对感光细胞活性影响作用更为重要。此外，表达于Müller细胞中的BDNF的2种受体也参与对感光细胞的间接保护作用。研究发现，Müller细胞中的TrkB消除会影响营养因子的转录。Harada等［14］将小鼠Müller细胞中的TrkB敲除形成TrkBGFAP模型发现，在TrkBGFAP小鼠中，BDNF不能刺激Müller细胞增殖及营养因子的产生。Saito等［15］认为Müller细胞是负责TrkB表达的细胞之一，其中TrkB-T1（TrkB同种型之一）在BDNF介导的保护感光细胞免受光毒性损伤中发挥重要作用。Shen等［16］发现，抑制P75NTR信号的促凋亡作用及调控Müller细胞和小胶质细胞之间的相互作用，将有利于感光细胞的保护。
1.3 胶质细胞介导的BDNF治疗相关眼病的应用 研究发现，玻璃体内注射BDNF及转基因操作均可治疗退行性视网膜病变，但BDNF不能透过血-视网膜屏障，在血液中极不稳定，半衰期短，无法控制精确用量，从而受到限制。近年来发现，Müller细胞是腺病毒载体递送神经营养因子的理想靶点。通过腺病毒将BDNF转染至Müller细胞比单次玻璃体内推注人重组BDNF蛋白提供更持久的BDNF来源，发挥更好的感光细胞保护作用［17］。此外，因CNTF的来源特性，BDNF+CNTF的组合方式可比单一应用BDNF更好地减少感光细胞凋亡［18］。
2 CNTF活性及神经元-胶质细胞共生体系对其活性和应用的影响
2.1 CNTF结构及分布 CNTF最初从鸡胚提取物中分离，促进睫状神经元存活，此活性的三分之一来自于眼睛［19］。它是一个由200个氨基酸残基组成的相对分子质量为227 000的酸性蛋白。CNTF是IL-6细胞因子家族的成员，该家族还包括IL-6、IL-11、白血病抑制因子、抑癌蛋白M。在视觉系统中，CNTF主要来源于Müller细胞，也可由迁移至视网膜的小胶质细胞产生［20］。CNTF通过与CNTFRα、白血病抑制因子受体和糖蛋白130（gp130）组成的受体复合物结合发挥作用。CNTFRα为CNTF特异性受体，在视觉系统中可表达于Müller细胞。参与介导信号通路的白血病抑制因子受体和gp130为IL-6细胞因子家族所共用［21］，参与调节Müller细胞增生，保护光诱导感光细胞免于凋亡。
2.2 CNTF对感光细胞活性影响的直接和间接保护作用 CNTF对由强光、神经毒素或抗体诱导的感光细胞变性及RPE表达的基因突变等原因导致的视网膜变性均发挥作用。此外，CNTF还可促进RGC存活和轴突再生［22］及控制视网膜祖细胞集群的增殖和分化。
2.2.1 CNTF对感光细胞的直接保护作用 CNTF对视锥细胞和视杆细胞均具有显著的直接保护作用。此外，CNTF也可促进视锥细胞外节再生。Li等［23］选用携带有视紫红质S334ter突变的S334ter-3转基因小鼠进行实验，发现视锥细胞外节丧失集中在视网膜的许多小区域，并且随着年龄增长而逐渐增加。持续输送CNTF可阻止视锥细胞变性，并帮助其维持视锥细胞外节和光感应功能。因此，CNTF可用于防止晚期RP患者中心视力丧失。
2.2.2 胶质细胞介导的CNTF对感光细胞活性的间接保护作用 研究发现，感光细胞不直接对CNTF产生应答，而是通过与Müller细胞相互作用间接发挥保护活性［1］。Müller细胞是CNTF、bFGF、NT3的主要来源，是CNTF的应答细胞，介导CNTF对感光细胞的作用。Coorey等［24］发现成年小鼠视网膜Müller细胞消融会影响IL-6/gp130细胞因子家族成员和Jak-STAT信号差异性表达，进而导致感光细胞凋亡。Li等［25］将分泌型人CNTF递送到rds/P216L小鼠中发现，Müller细胞中gp130基因的破坏会减少CNTF依赖性感光细胞的存活，并阻止Müller细胞和视网膜其余部分STAT3磷酸化。这表明，CNTF介导的感光细胞保护作用需首先激活Müller细胞中的gp130受体，随后触发神经保护信号的产生。此外，CNTF参与调节视杆细胞光转导机制，单次玻璃体内注射CNTF导致感光细胞外节短暂而可逆地缩短，并干扰光转导基因。这种由CNTF诱导的视杆细胞改变是通过Müller细胞间接介导的。由此提出一种假设：CNTF发挥感光细胞保护作用需先激活Müller细胞，然后将神经保护信号传递至感光细胞发挥作用。这种间接介导作用对感光细胞活性影响更为重要。
2.3 胶质细胞介导的CNTF治疗相关眼病的应用 CNTF的短半衰期和反复眼内注射的侵入性质使传统给药方式受到限制。应用病毒载体方式无法根据疾病情况调整CNTF分泌量。因此，美国Neurotech公司开发了一种可向视网膜缓慢持续释放CNTF的装置，即细胞包囊技术（encapsulated cell technology，ECT）［26］。这种持续递送低剂量CNTF比高剂量CNTF推注能提供更好的治疗效果［21］。CNTF的眼内给药仅特异激活Müller细胞。在Müller细胞中，BDNF处理可增加CNTF表达，二者组合方式比单一应用可更为有效地降低感光细胞死亡［18］。这表明通过诱导Müller细胞中CNTF的分泌和表达间接保护感光细胞可能成为治疗RP的一种有效方式。
3 GDNF活性及神经元-胶质细胞共生体系对其活性和应用的影响
3.1 GDNF结构及分布 GDNF起初从大鼠神经胶质瘤细胞系的上清液中分离提取而来。GDNF含有134个氨基酸，是胶质源性神经营养因子家族的成员，该家族还包括神经秩蛋白、artemin蛋白、persephin蛋白［3］。GDNF广泛分布于神经系统，在视网膜中表达于RGC和感光细胞。Hauck等［27］在猪视网膜中研究了GDNF受体组分的表达，即跨膜酪氨酸激酶Ret和糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白结合成多重受体复合物GFRa，GDNF与受体结合后促进神经元存活和神经突生长［28］。有研究发现在啮齿类动物和鸡中补充的GDNF受体组分仅在Müller细胞中表达，而在感光细胞中不表达［29］。这表明胶质细胞介导的GDNF对感光细胞活性影响尤为重要。
3.2 GDNF对感光细胞活性影响的直接和间接保护作用 GDNF可促进感光细胞发育和存活［30］，增强视锥细胞密度；促进大鼠视神经横断后的RGC存活和突触发生［8］，促进神经元分化和增殖［31］。
3.2.1 GDNF对感光细胞的直接保护作用 研究发现，GDNF是防止感光细胞变性最有效的神经营养因子之一［32］，其对光诱导或基因突变及氧化损伤等原因所致的感光细胞变性均发挥直接保护作用。在光诱导大鼠视网膜变性动物模型中，GDNF可分布于整个感光细胞层并显著上调，进而抑制感光细胞凋亡。通过腺病毒载体将GDNF递送至大鼠视网膜可显著增加转基因视紫红质突变大鼠视杆细胞存活，改善Lewis大鼠由视网膜脱离诱导的感光细胞变性。研究发现，GDNF可刺激鸡视网膜的视杆细胞［33］。实验将来源于胚胎第6天的视网膜培养在50 μg·L-1 GDNF中，与对照组相比，GDNF处理组可加速视紫红质mRNA表达。Lipinski等［34］在10周龄的小鼠视网膜外植体的RP离体模型中发现，200 μg·L-1 GDNF显著增加感光细胞存活。
3.2.2 胶质细胞介导的GDNF对感光细胞活性的间接保护作用 GDNF可激活Müller细胞及表达于Müller细胞中的受体，通过释放支持感光细胞存活的二次神经营养因子间接传递保护活性，此活性比直接保护作用更为重要［35］。GDNF及其受体可增加Müller细胞中BDNF、bFGF和GDNF表达，参与胶质细胞中神经营养因子产生的调节。在光诱导感光细胞变性中，GFRα-1和GFRα-2 mRNA及GFRα-2蛋白表达在Müller细胞中上调，GDNF与表达上调的受体结合促进感光细胞存活。Del Río等［36］发现Müller细胞衍生的GDNF诱导转录物骨桥蛋白可将部分GDNF诱导的Müller细胞的神经保护活性传递给感光细胞，减少视网膜外植体中感光细胞的凋亡数量，促进原代感光细胞的存活。Müller细胞通过改变受体表达模式及神经细胞上的促凋亡和抗凋亡力量之间的平衡来控制神经元细胞的存活，神经元-胶质细胞共生体系可以利用GDNF家族在视网膜变性过程中保护神经细胞。
3.3 胶质细胞介导的GDNF治疗相关眼病的应用 GDNF治疗退行性眼底病的传统方式因价格昂贵、对GDNF的表达水平和靶向递送到视网膜内特定位置的控制不足而受到限制。研究发现，Müller细胞是分泌神经营养因子的绝佳靶标。使用Müller细胞诱导的GDNF分泌，比先前报道的使用GDNF减慢视网膜变性进展效果更好［37］。Dalkara等［38］通过玻璃体内注射技术设计出能够特异性地从玻璃体转导Müller细胞，介导其过表达GDNF的腺病毒突变体（ShH10）。这表明在玻璃体内载体给药后从胶质细胞中分泌GDNF来减缓大鼠RP模型的视网膜变性进展是一种有效手段。
综上所述，BDNF、CNTF、GDNF可以通过直接方式或胶质细胞介导的间接方式对感光细胞发挥保护作用。胶质细胞介导的间接保护活性为干预RP的治疗提供了新思路。但神经元-胶质细胞共生体系在体内发挥保护作用的机制尚不清楚，这对于理解神经营养因子治疗RP等退行性视网膜病变有重要作用，这也是未来研究的重要方向。