星形膠質(zhì)細(xì)胞在腦缺血中的變化和作用

牛 非，胡金鳳，苑玉和，韓 寧，陳乃宏

(1.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院藥物研究所，天然藥物活性物質(zhì)與功能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100050;2.天津中醫(yī)藥大學(xué)，天津 300193)

腦缺血是以腦循環(huán)血流量減少為特征的腦血管疾病，發(fā)病率占腦卒中70% ～80%，并且具有高致殘、高致死的特點(diǎn)。因此，探討腦缺血損傷的機(jī)制，對減輕腦缺血損傷和提高人類的生存質(zhì)量極其重要。以往關(guān)于缺血性腦損傷多圍繞神經(jīng)元，然而研究證實(shí)，星形膠質(zhì)細(xì)胞(astrocyte，AS)比神經(jīng)元更加耐受缺血損傷，同時(shí)它作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)的主要支持成分，在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中起著損傷和保護(hù)雙重作用。因此，體內(nèi)外研究缺血、缺氧條件下AS的反應(yīng)可為腦缺血的治療研究提供關(guān)鍵依據(jù)。下面對AS在腦缺血中的變化和作用做一綜述。

1 星形膠質(zhì)細(xì)胞的生理功能

經(jīng)典的金屬浸鍍技術(shù)(銀染色)顯示，AS形態(tài)呈星形，從胞體發(fā)出許多長而分支的突起，伸展充填在神經(jīng)細(xì)胞的胞體及其突起之間，起支持和分隔神經(jīng)細(xì)胞的作用。

而根據(jù)膠質(zhì)絲的含量以及胞突的形狀可將AS分為兩種:纖維性星形膠質(zhì)細(xì)胞(fibrous astrocyte)，多分布在腦脊髓的皮質(zhì)，突起細(xì)長，分支較少，胞質(zhì)中含大量膠質(zhì)絲，又稱蜘蛛細(xì)胞(spider cell);原漿性星形膠質(zhì)細(xì)胞(protoplasmic astrocyte)，多分布在灰質(zhì)，細(xì)胞突起粗短，分支多，胞質(zhì)內(nèi)膠質(zhì)絲較少，又稱苔狀細(xì)胞(mossycell)。

在正常生理?xiàng)l件下，AS可以整合神經(jīng)信號、抑制Ca2+興奮、處理信息，橋接神經(jīng)元和血管內(nèi)皮細(xì)胞等［1］;其胞膜和胞質(zhì)具有多種離子通道、受體、神經(jīng)活性氨基酸高親和載體、酶類以維持內(nèi)環(huán)境的平衡;AS亦能產(chǎn)生各種調(diào)節(jié)信號、合成神經(jīng)營養(yǎng)介質(zhì)、重?cái)z和代謝谷氨酸，從而保護(hù)神經(jīng)元［2］。同時(shí)，AS比腦內(nèi)其他任何類型的細(xì)胞具有更廣泛的縫隙連接，加強(qiáng)相鄰細(xì)胞的連接。另外，AS也是腦內(nèi)的抗原呈遞細(xì)胞(antigen-presenting)，具有免疫細(xì)胞功能。

因此，AS具有的這些不可忽視的重要功能使其在CNS正常和異常情況下都扮演了至關(guān)重要的角色。

2 星形膠質(zhì)細(xì)胞在腦缺血中的變化和作用

2.1 星形膠質(zhì)細(xì)胞在腦缺血中的變化 大量離體和在體實(shí)驗(yàn)顯示，腦缺血短時(shí)間內(nèi)，AS數(shù)量逐漸減少，且呈空泡狀;隨著缺血的連續(xù)刺激，AS胞體肥大、腫脹、突起增多、延長［2－3］，并在梗死灶及周圍，以及遠(yuǎn)隔腦區(qū)出現(xiàn)大量反應(yīng)性AS［4］。同時(shí)，AS的特異性標(biāo)記物，膠原纖維酸性蛋白(GFAP)和波形蛋白表達(dá)增加。出現(xiàn)反應(yīng)性AS后，會發(fā)生明顯的細(xì)胞死亡，而且垂死的AS會殺死鄰近的神經(jīng)元。腦缺血后AS的存活影響神經(jīng)元的存活和突觸的重塑，因此，AS存活對最終腦缺血損傷的加重或抑制具有至關(guān)重要的作用。

2.2 星形膠質(zhì)細(xì)胞對神經(jīng)元存活的保護(hù)作用及其機(jī)制

2.2.1 星形膠質(zhì)細(xì)胞通過合成、釋放谷胱甘肽(GSH)發(fā)揮抗氧化作用 眾所周知，GSH是腦內(nèi)主要的抗氧化物質(zhì)。AS含有的GSH及其合成代謝相關(guān)的酶遠(yuǎn)大于神經(jīng)元。由AS合成和產(chǎn)生的GSH在保護(hù)神經(jīng)元免受活性氧族(ROS)損傷的過程中發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用［5］。ROS伴隨缺血缺氧而產(chǎn)生，其對細(xì)胞造成的損傷很大程度上依賴于AS是否喪失對ROS的抵抗能力。AS可能通過直接供給神經(jīng)元內(nèi)源性的GSH［6］，從而提供ROS選擇性的作用靶點(diǎn)以減輕神經(jīng)元的應(yīng)激損傷;亦有可能是AS釋放的GSH直接充當(dāng)細(xì)胞外清除劑進(jìn)而減輕神經(jīng)元的損傷［7］，但神經(jīng)元似乎并非直接利用AS提供的GSH，Wang等［8］研究發(fā)現(xiàn)，AS源性的 GSH常被用于還原胱氨酸為半胱氨酸，神經(jīng)元再利用半胱氨酸合成GSH。因此，神經(jīng)元可能是通過AS合成或釋放GSH而維持其存活。

2.2.2 星形膠質(zhì)細(xì)胞釋放神經(jīng)營養(yǎng)因子 一般將神經(jīng)營養(yǎng)物質(zhì)和對神經(jīng)細(xì)胞存活具有調(diào)節(jié)作用的生長因子統(tǒng)稱為神經(jīng)營養(yǎng)因子(neurotrophic factors，NTFs)。在腦缺血初期，AS可釋放一些NTFs保護(hù)神經(jīng)元免受損傷。這些NTFs主要有:神經(jīng)營養(yǎng)因子類的BDNF(brain-derived neurotrophic factor)、NT-3(neurotrophin-3)、NGF(nerve growth factor);細(xì)胞因子類CNTF(cilary neurotrophic factor)、HGF(hepatocyte growth factor)、GDNF(glial-derived neurotrophic factor)以及激素類IGF-1(insulin like growth factor)等［9］。這些 NTFs可激活兩種不同類型的受體—酪氨酸激酶的Trk家族和腫瘤壞死因子受體超家族中的p75NTR。NTFs依賴的神經(jīng)元存活主要是經(jīng)過啟動其多個(gè)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，主要包括PI3K/PKB和MEK/MAPK。其中，Ras/PI3K/PKB是神經(jīng)元存活的主要信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。PKB通過直接抑制Fork-head或Bad而阻止凋亡，或通過阻斷神經(jīng)元凋亡途徑(如JNK-p53-Bax途徑)來抑制凋亡。而MEK/MAPK通過刺激抗凋亡蛋白的表達(dá)而發(fā)揮作用，該信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑在神經(jīng)元內(nèi)具有多種作用，包括增強(qiáng)突觸可塑性、維持存活。目前研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)p75NTR與NTFs結(jié)合形成p75NTR同源二聚體后，可連接多種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白，包括 TRAF2/4、TRAF6、NRAGE、SC-Ⅰ、NRIF 和 RhoA，進(jìn)而調(diào)節(jié)細(xì)胞周期、軸突生長及細(xì)胞存活;p75NTR也能增加神經(jīng)酰胺水平及激活JNK-p53-Bax細(xì)胞死亡通路。故p75NTR的主要生物學(xué)效應(yīng)包括:對神經(jīng)元生長的調(diào)節(jié);促進(jìn)神經(jīng)元存活;誘導(dǎo)神經(jīng)元凋亡。p75NTR常與Trk受體共表達(dá)，因此p75NTR以協(xié)同或拮抗兩種方式與Trk介導(dǎo)的生存途徑作用;考慮到NTFs在體內(nèi)含量甚微，而且促NTFs與Trk受體的親和力微弱，因此可能是促NTFs與p75NTR結(jié)合進(jìn)而介導(dǎo)細(xì)胞的凋亡［10］。

2.2.3 星形膠質(zhì)細(xì)胞對水通道蛋白的影響 水通道蛋白(aquaporin，AQP)是一種水的分子通道，由于其存在，細(xì)胞才可以快速調(diào)節(jié)自身體積和內(nèi)部滲透壓，因此，AQP對于生命活動至關(guān)重要。Tsukaguchi等［11］根據(jù)AQPs的通透性將其分為三類:Ⅰ類為選擇性水通道，如 AQP1、2、4、5;Ⅱ類是對某些中性溶質(zhì)(尿素、甘油)具一定的選擇通透性，如AQP3、7等;Ⅲ類具廣泛的通透性(尿素、多元醇、乳酸鹽、羧基丁酸、嘌呤、嘧啶等)。最近的研究表明［12］，AS在腦內(nèi)的水鹽代謝中也發(fā)揮著重要作用，其中AQP4是一種存在于腦薄壁組織和AS終足突起、神經(jīng)膠質(zhì)界膜與室管膜及室管膜下的AS連接處的水通道蛋白。研究表明，給與褪黑激素、Edaravone［13］或是 AQP4 抑制劑 TGN-020［14］均可使 AQP4 表達(dá)降低、減輕缺血后水腫的發(fā)生、改善神經(jīng)功能損傷評分，推測在腦缺血/再灌注損傷中AQP4水平的迅速下降可能是機(jī)體對腦損傷做出的一種保護(hù)性反應(yīng)。對血管源性腦水腫研究發(fā)現(xiàn)［15］，水分子進(jìn)入腦實(shí)質(zhì)不依賴AQP4，而從腦實(shí)質(zhì)中出去依賴AQP4的轉(zhuǎn)運(yùn)，因此推測高滲生理鹽水可促使水分子通過AQP4排出腦實(shí)質(zhì)。

2.2.4 星形膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生促紅細(xì)胞生成素 早期，促紅細(xì)胞生成素(erythropoietin，EPO)被認(rèn)為是前體紅細(xì)胞成熟和增殖的體液調(diào)控因素，而最近有研究顯示，EPO也具有神經(jīng)保護(hù)作用。在 CNS中，EPO主要由 AS產(chǎn)生［16］。Ruscher等［17］于2002年體外研究發(fā)現(xiàn)，海馬腦片給予EPO能明顯保護(hù)神經(jīng)元免受缺糖缺氧(OGD)誘導(dǎo)的損傷，將OGD刺激AS的上清液置于OGD損傷的神經(jīng)元中，AS上清液內(nèi)源產(chǎn)生的EPO能有效的保護(hù)神經(jīng)元免受損傷;而注射EPOR抗體可減小EPO的神經(jīng)保護(hù)作用。同時(shí)，Belayev等［18］體內(nèi)研究表明，EPO可減少短暫性MCAO模型嚙齒類動物的腦梗死面積。與EPOR結(jié)合后，EPO可誘導(dǎo)JAK-2的磷酸化，進(jìn)而激活 PI3K-Akt、NF-κB、STAT5 以及 Raf-1 信號通路，這可能是其保護(hù)神經(jīng)元存活的信號途徑。

2.3 星形膠質(zhì)細(xì)胞對腦缺血的二級損傷作用及其機(jī)制

2.3.1 星形膠質(zhì)細(xì)胞釋放谷氨酸加重腦缺血損傷 谷氨酸(Glu)是一種興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，作用于皮質(zhì)神經(jīng)元和骨髓運(yùn)動神經(jīng)元，可引起突觸后膜出現(xiàn)類似興奮性突觸后電位，并導(dǎo)致神經(jīng)元放電。不論在神經(jīng)退行性疾病還是急性腦損傷中，Glu的興奮性毒性作用都是重要的損傷因素。Glu的釋放進(jìn)一步激活突觸后相應(yīng)的受體(AMPA、NMDA受體)，誘導(dǎo)鈉、鈣離子內(nèi)流及質(zhì)膜的去極化［19］。鈣內(nèi)流將進(jìn)一步誘導(dǎo)胞質(zhì)鈣超載和激酶的激活，并促使自由基的產(chǎn)生，氧化應(yīng)激和線粒體代謝損傷，最終導(dǎo)致神經(jīng)元死亡。

AS可通過對鈉離子依賴的谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體(GLT1)調(diào)節(jié)谷氨酸再攝取，通過調(diào)節(jié)GABA、Glycine和D-Serine間接影響神經(jīng)元上的Glu受體功能，以及通過調(diào)節(jié)胞外鉀離子的濃度從而影響微環(huán)境等等。而當(dāng)細(xì)胞缺血缺氧發(fā)生時(shí)，將會影響Na+/Ca2+交換體和Na+/K+ATP酶的活性，從而導(dǎo)致離子梯度的破壞，同時(shí)由于GLT1的活動是一個(gè)強(qiáng)烈耗能的過程，不難想象細(xì)胞外AS釋放Glu濃度劇增，神經(jīng)元及膠質(zhì)細(xì)胞的能量將耗竭［20］。同時(shí)，AS上谷氨酸受體的激活導(dǎo)致L-絲氨酸消旋酶的活化進(jìn)而使AS釋放D-絲氨酸，由于甘氨酸和D-絲氨酸是NMDA型谷氨酸受體信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的陽性調(diào)節(jié)子，這一過程進(jìn)一步導(dǎo)致興奮性神經(jīng)元死亡。

2.3.2 星形膠質(zhì)細(xì)胞釋放炎性因子 不容忽視的是，腦組織中除小膠質(zhì)細(xì)胞外，AS也是一種免疫細(xì)胞。和小膠質(zhì)細(xì)胞相同，星形膠質(zhì)細(xì)胞也能產(chǎn)生iNOS、TNF-α和白介素等炎癥因子，對周圍環(huán)境造成影響。腦缺血發(fā)生后，反應(yīng)性AS增多并進(jìn)一步釋放NO、TNF-α和白介素等炎癥因子。有文獻(xiàn)報(bào)道［21］，腦缺血幾小時(shí)后即可檢測到iNOS的表達(dá)，并在2～3 d達(dá)到峰值。NO是一種通過增強(qiáng)谷氨酸興奮性毒性或其他途徑引起神經(jīng)細(xì)胞死亡的活性氧。目前調(diào)控炎癥過程較為公認(rèn)的調(diào)節(jié)子是PARP-1［poly(ADP-ribose)polymerase-1］。PARP-1表達(dá)下調(diào)引起腦缺血后梗死面積的減少，并具有DNA的修復(fù)功能，同時(shí)也是NF-κB的輔助激活因子［22］。PARP-1與NF-κB形成復(fù)合物可增強(qiáng)NF-κB的DNA結(jié)合以及調(diào)控因子的轉(zhuǎn)錄。因此，在腦缺血中，AS可激活PARP-1、NF-κB等信號通路，促進(jìn)炎性因子的釋放。

2.3.3 星形膠質(zhì)細(xì)胞的縫隙連接和半通道 在正常腦組織中，AS和神經(jīng)元存在縫隙連接蛋白，這些蛋白可以形成縫隙連接以及半通道［23］?？p隙連接使得神經(jīng)元或AS形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，起到調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)外的離子平衡、神經(jīng)保護(hù)、傳遞細(xì)胞間鈣波等重要的作用。盡管二者都能表達(dá)連接蛋白，但AS的縫隙連接網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更常見且更廣泛。經(jīng)驗(yàn)研究表明，局灶性腦缺血發(fā)生時(shí)，AS和神經(jīng)元的半通道處于開放狀態(tài)，而AS的縫隙連接偶聯(lián)程度下降、半通道開放，使得缺血病灶中心區(qū)源于AS的毒性分子(Na+、Ca2+、Glu等)彌散到半陰影區(qū)正常的細(xì)胞，從而進(jìn)一步加重對神經(jīng)元和AS的毒性作用［24］?？p隙連接的破壞使半陰影區(qū)由AS釋放的營養(yǎng)因子等有益分子滲透到缺血區(qū)瀕死的細(xì)胞;同時(shí)有害分子由病源區(qū)滲透到半陰影區(qū)，這對病灶部位的細(xì)胞是有利的，但是卻連累了周邊健康的細(xì)胞，傳播的信號在半陰影區(qū)可能產(chǎn)生短暫性、擴(kuò)張性的損傷作用，從而使缺血面積擴(kuò)大化。因此，研究特異性的拮抗劑，進(jìn)行選擇性的處理縫隙連接和半通道是進(jìn)一步研究二者作用的關(guān)鍵。

綜上所述，在腦缺血中，AS不僅通過產(chǎn)生抗氧化物質(zhì)、釋放神經(jīng)營養(yǎng)因子、降低水通道蛋白、促進(jìn)紅細(xì)胞生成素保護(hù)神經(jīng)元免受損傷;而另一方面，它也通過釋放Glu造成興奮性氨基酸毒性、釋放炎性因子及降低縫隙連接等，進(jìn)而加重神經(jīng)細(xì)胞的損傷。但是AS在腦缺血過程中發(fā)揮保護(hù)或損傷作用的時(shí)間及深入機(jī)制還不完全清楚，如何有效利用AS對神經(jīng)元的保護(hù)作用還有待于進(jìn)一步研究，這對于腦缺血疾病的治療具有重要指導(dǎo)意義。

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