星形膠質(zhì)細(xì)胞功能異常誘發(fā)癲癇機(jī)制的研究進(jìn)展

雷 慧，李海濤，2

(1.南京中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，江蘇 南京 210046;2.澳門科技大學(xué)中醫(yī)藥學(xué)院，澳門 999078)

癲癇(epilepsy)是由腦神經(jīng)元過(guò)度興奮引起的中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病，其特點(diǎn)是腦部持續(xù)存在誘發(fā)癲癇的病理性改變以及病變部位神經(jīng)元的超同步異常放電。癲癇發(fā)作后缺氧誘發(fā)腦部海馬區(qū)神經(jīng)元變性、壞死，導(dǎo)致海馬硬化(hippocampal sclerosis，HS);HS進(jìn)而加重癲癇病變，其引起的顳葉內(nèi)側(cè)癲癇綜合征為最常見的部分性癲癇發(fā)病。目前普遍認(rèn)為中樞神經(jīng)系統(tǒng)興奮與抑制的失衡是癲癇的主要病因;分子水平研究顯示，離子通道改變、神經(jīng)遞質(zhì)及其受體調(diào)控異常、血腦屏障損傷、炎癥、氧化應(yīng)激損傷等均與癲癇發(fā)作有關(guān)［1］。

中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的星形膠質(zhì)細(xì)胞(astrocytes，ATS)除了維持神經(jīng)元內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)，對(duì)神經(jīng)元起代謝支持作用外，還調(diào)控神經(jīng)元活動(dòng)，共同參與完成一系列精密復(fù)雜的神經(jīng)生理活動(dòng)［2］。近年來(lái)，ATS在癲癇發(fā)病中的作用逐漸受到關(guān)注。在癲癇腦組織中幾乎都發(fā)現(xiàn)ATS形態(tài)與功能的改變，ATS可能對(duì)癲癇發(fā)病中神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的高興奮性起重要調(diào)節(jié)作用［3］。因此，揭示ATS在癲癇發(fā)病中的參與機(jī)制，可以發(fā)現(xiàn)調(diào)控癲癇發(fā)作的新藥物靶點(diǎn)。目前已發(fā)現(xiàn)ATS的多種調(diào)控機(jī)制異常與人或?qū)嶒?yàn)性癲癇的發(fā)病有關(guān)，其研究進(jìn)展綜述如下。

1 內(nèi)向整流鉀通道介導(dǎo)的K+緩沖損傷

鉀離子通道參與調(diào)節(jié)細(xì)胞膜靜息電位以及動(dòng)作電位的復(fù)極化過(guò)程，決定動(dòng)作電位的發(fā)放頻率和幅度，阻斷或下調(diào)鉀通道可增加神經(jīng)元的興奮性。ATS膜上內(nèi)向整流鉀離子(Kir)通道在維持神經(jīng)元內(nèi)環(huán)境K+穩(wěn)態(tài)中具有重要作用。生理情況下，ATS膜上的Kir通道在細(xì)胞外鉀離子濃度［K+］o升高時(shí)開放，K+內(nèi)流，緩沖了細(xì)胞外過(guò)度的鉀負(fù)荷;當(dāng)此平衡作用失調(diào)時(shí)，細(xì)胞外局部［K+］o可從3 mmol·L-1增加到10～12 mmol·L-1，K+緩沖作用受損，如此高的［K+］o足以引起癲癇發(fā)作［4］。

Kivi等［5］應(yīng)用離子敏感微電極和膜片鉗技術(shù)研究顯示，Kir通道的阻斷劑Ba2+對(duì)于海馬硬化顳葉癲癇患者的海馬CA1區(qū)的［K+］o沒(méi)有影響，但可明顯增加非海馬硬化癲癇患者該區(qū)域的［K+］o，由此推測(cè)海馬硬化顳葉癲癇患者的ATS膜上Kir通道的表達(dá)發(fā)生改變，通道功能受損。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)［6］，在顳葉癲癇患者海馬的CA1區(qū)存在Kir電流下調(diào)的現(xiàn)象。在海馬硬化癲癇中，ATS膜上Kir通道的表達(dá)減少喪失了對(duì)細(xì)胞外高濃度K+的緩沖作用，導(dǎo)致癲癇敏感性增加。

ATS膜上主要的Kir通道亞型是Kir4.1通道，該通道基因表達(dá)下調(diào)會(huì)明顯降低ATS攝取細(xì)胞外K+和谷氨酸的能力。Djukic等［7］將小鼠Kir4.1通道基因敲除使得ATS膜上Kir4.1通道缺失，觀察到明顯的癲癇發(fā)作癥狀。Higashi等［8］對(duì)大鼠腦組織進(jìn)行超微結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)ATS膜上表達(dá)的Kir4.1通道與水通道蛋白(aquaporin，AQP)4在空間上有所重疊，認(rèn)為ATS在很大程度上依賴于水的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)來(lái)攝取細(xì)胞外K+，消除由于K+再分布而導(dǎo)致的滲透壓失衡。后續(xù)研究結(jié)果可以支持這個(gè)推測(cè)，如在小鼠癲癇中血管周AQP4表達(dá)降低可導(dǎo)致細(xì)胞外K+清除減少;AQP4基因敲除會(huì)導(dǎo)致K+緩沖受損和癲癇發(fā)作時(shí)程的延長(zhǎng)［9］。APQ4可與ATS膜上Kir通道形成分子復(fù)合物，參與細(xì)胞外高濃度K+消除過(guò)程并維持細(xì)胞內(nèi)外水平衡和電化學(xué)梯度。因此，APQ4功能異常也可引起K+緩沖受損，是癲癇發(fā)病的機(jī)制之一。

血腦屏障的開放可以誘發(fā)病灶性癲癇發(fā)作。人血腦屏障損傷可導(dǎo)致能被神經(jīng)元、ATS和小神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞攝取的血清白蛋白外溢，從而誘發(fā)顳葉癲癇［10］。ATS可通過(guò)轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子(TGF)-β受體介導(dǎo)的機(jī)制攝取白蛋白，這一過(guò)程將引起ATS膜上Kir4.1和Kir2.4通道表達(dá)下調(diào)，細(xì)胞外K+緩沖受損以及N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受體介導(dǎo)的神經(jīng)元高興奮性［11］。因此，ATS膜上的Kir通道也參與了血腦屏障功能損傷誘發(fā)癲癇的過(guò)程。

2 谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)與轉(zhuǎn)化機(jī)制異常

谷氨酸是中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)重要的興奮性遞質(zhì)。在人癲癇病變組織中可觀察到細(xì)胞外谷氨酸大量聚集，引起癲癇反復(fù)發(fā)作和神經(jīng)元死亡。能夠終止突觸傳遞的谷氨酸攝取過(guò)程主要受到ATS膜上谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體的調(diào)節(jié)。

ATS膜上負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)谷氨酸的興奮性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體(EAAT)-1和EAAT-2的表達(dá)改變是顳葉癲癇以及其它腦病的常見特征，如在海馬硬化組織的CA1區(qū)ATS的EAAT-2表達(dá)下調(diào)，并伴有嚴(yán)重的神經(jīng)元死亡現(xiàn)象［12］。新近研究顯示［13］，癲癇中海馬 CA1區(qū)ATS的 EAAT-1和EAAT-2表達(dá)均下調(diào)，但尚不清楚這種改變是癲癇發(fā)作的誘因還是發(fā)作引起的代償反應(yīng)。Yang等［14］在切斷小鼠神經(jīng)纖維或使神經(jīng)元變性之后，發(fā)現(xiàn)ATS膜上EAAT-2介導(dǎo)的谷氨酸攝取顯著減少，且EAAT-2的表達(dá)很大程度上依賴于突觸傳遞的活性，因此認(rèn)為ATS上谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體的表達(dá)下調(diào)可能是癲癇發(fā)作引起的代償反應(yīng)。此外，在大鼠皮質(zhì)發(fā)育不良模型中，用藥物抑制癲癇發(fā)作區(qū)的ATS谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體的活性，可以激活神經(jīng)元NMDA受體，延長(zhǎng)突觸傳遞時(shí)程并降低誘發(fā)癲癇的閾值［15］。這種NMDA受體的激活也可引起Kv2.1通道蛋白的去磷酸化，進(jìn)而影響電壓依賴性鈣離子通道，調(diào)節(jié)神經(jīng)元的興奮性和可塑性［16］。

除了ATS上谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體功能異常外，該細(xì)胞所特有的谷氨酰胺合成酶的缺失也可能是細(xì)胞外谷氨酸聚集和中央顳葉癲癇發(fā)作的分子基礎(chǔ)［17］。ATS谷氨酰胺合成酶通過(guò)消耗ATP將谷氨酸轉(zhuǎn)化為無(wú)遞質(zhì)活性的谷氨酰胺。在實(shí)驗(yàn)性癲癇反復(fù)發(fā)作的慢性階段，ATS谷氨酰胺合成酶表達(dá)下調(diào)，并伴有神經(jīng)膠質(zhì)原纖維酸性蛋白的持續(xù)高表達(dá)［18］。抑制ATS谷氨酰胺合成酶的活性可以減弱抑制性突觸后電位的幅度并減少海馬中間神經(jīng)元的γ-氨基丁酸(GABA)釋放;ATS中的谷氨酸-谷氨酰胺循環(huán)對(duì)突觸GABA的釋放具有重要調(diào)控作用，并能調(diào)節(jié)抑制性突觸傳遞的強(qiáng)度［19］。這些發(fā)現(xiàn)表明ATS谷氨酰胺合成酶缺失是誘發(fā)癲癇的一個(gè)重要因素，增強(qiáng)ATS中谷氨酰胺合成酶的活性和功能是一種有希望的癲癇治療策略。

3 鈣依賴性的谷氨酸和ATP釋放異常

ATS可釋放多種興奮性或抑制性的遞質(zhì)從而與神經(jīng)元之間進(jìn)行信號(hào)交流。神經(jīng)元活動(dòng)引起的細(xì)胞間鈣濃度升高可刺激ATS以鈣依賴性的胞吐作用釋放遞質(zhì)。在正常腦組織中，ATS內(nèi)鈣離子濃度主要受促代謝型受體的調(diào)節(jié)。神經(jīng)元活動(dòng)產(chǎn)生的谷氨酸與ATS膜上促代謝型谷氨酸受體(mGluR)-3和mGluR-5結(jié)合，激活A(yù)TS，并影響cAMP的聚集，導(dǎo)致細(xì)胞間鈣離子增加。鈣離子濃度升高引起的鈣震蕩在ATS細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)中誘發(fā)鈣離子波，激活鈣依賴性離子通道，進(jìn)而誘導(dǎo)ATS釋放谷氨酸［20］。在腦皮質(zhì)發(fā)育不良癲癇患者組織中，ATS的 mGluR-2/3和 mGluR-5表達(dá)水平增高;mGluR-5受體阻斷劑可以抑制ATS間鈣離子濃度增加并阻斷谷氨酸激活的突觸外NMDA受體，從而抑制神經(jīng)膠質(zhì)-神經(jīng)元之間的信號(hào)傳遞［21］。

這些結(jié)果表明，ATS膜上mGluR介導(dǎo)了ATS的鈣依賴性谷氨酸釋放過(guò)程，對(duì)鄰近的神經(jīng)元產(chǎn)生直接興奮作用。這種由ATS衍生的興奮性通路的改變，再加上谷氨酸攝取功能受損，顯著增加了神經(jīng)元-星形膠質(zhì)細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)的興奮性，最終促進(jìn)神經(jīng)元同步放電從而誘發(fā)癲癇。

ATS被激活釋放谷氨酸的同時(shí)也會(huì)釋放ATP，對(duì)癲癇的病理過(guò)程也有潛在影響。生理?xiàng)l件下，ATS釋放的ATP被外核苷酸酶快速降解為腺苷，作用于突觸前α1受體，抑制遞質(zhì)的釋放以及異源性突觸傳遞;而神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的腺苷水平受到ATS腺苷激酶活性的調(diào)控，該酶可以使腺苷磷酸化形成5'-AMP［22］。在實(shí)驗(yàn)性癲癇發(fā)作中，ATS腺苷激酶表達(dá)上調(diào)，組織中腺苷濃度下降;而敲除ATS腺苷激酶的基因則可阻止癲癇發(fā)作［23］。這些發(fā)現(xiàn)為癲癇發(fā)病機(jī)制的ATS腺苷激酶假說(shuō)提供了證據(jù)，該酶有可能成為癲癇的診斷指標(biāo)或藥物治療的潛在分子靶點(diǎn)之一。

4 縫隙連接蛋白表達(dá)與功能異常

縫隙連接是細(xì)胞間直接交換物質(zhì)和信息的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，在細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育、多細(xì)胞器官間的協(xié)調(diào)及機(jī)體自我穩(wěn)定控制方面有重要作用。神經(jīng)系統(tǒng)的ATS之間存在廣泛的縫隙連接，把眾多膠質(zhì)細(xì)胞連接形成合胞體結(jié)構(gòu)，在神經(jīng)元外部K+緩沖和Ca2+傳遞過(guò)程中起重要作用。ATS縫隙連接的主要連接蛋白是Cx30和Cx43，如果沉默小鼠ATS上連接蛋白的表達(dá)將導(dǎo)致自發(fā)性癲癇發(fā)作并降低癲癇觸發(fā)閾值［24］。Cacheaux等［25］發(fā)現(xiàn)在大鼠因血腦屏障破壞引起的白蛋白依賴性癲癇發(fā)作中，ATS間這兩種連接蛋白的轉(zhuǎn)錄物明顯減少。這些結(jié)果表明，ATS的縫隙連接對(duì)于K+的調(diào)節(jié)是必需的，有抑制癲癇發(fā)作的作用。

新近研究顯示，葡萄糖可以通過(guò)ATS的Cx30和Cx43在星形膠質(zhì)細(xì)胞-神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)間傳遞，將血管中的能量代謝物傳遞至神經(jīng)元，維持中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的突觸傳遞過(guò)程［26］;同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，癲癇發(fā)作中釋放的谷氨酸可以增加ATS對(duì)葡萄糖的轉(zhuǎn)運(yùn)，表明通過(guò)ATS細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)的葡萄糖傳遞過(guò)程對(duì)于維持癲癇樣活性也是必需的。因此，ATS間縫隙連接的通透性降低將對(duì)中樞興奮性相繼產(chǎn)生兩個(gè)相反的效應(yīng):首先由于K+緩沖受損，觸發(fā)快速的癲癇樣效應(yīng);但之后由于神經(jīng)元能量供應(yīng)不足從而產(chǎn)生抑制癲癇效應(yīng)。

迄今為止，ATS的縫隙連接在人癲癇發(fā)作中的作用尚不夠明確，很多研究結(jié)果也不盡一致，研究中使用的大多數(shù)阻斷劑對(duì)于神經(jīng)元和ATS的縫隙連接的阻斷作用也缺乏特異性。在耐藥的顳葉癲癇并伴有海馬硬化的病人組織中普遍觀察到ATS中Cx43含量和轉(zhuǎn)錄物水平明顯增高，Cx43表達(dá)上調(diào)可能是癲癇發(fā)作過(guò)程中ATS的一種代償反應(yīng)，用以緩沖增高的K+濃度［27］。ATS的連接蛋白Cx43與癲癇的關(guān)系有可能為癲癇的臨床診斷提供新的理論依據(jù)。

5 展望

中樞神經(jīng)系統(tǒng)ATS參與了癲癇的病理過(guò)程。ATS及其與神經(jīng)元之間信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)控機(jī)制的異常產(chǎn)生了許多癲癇誘發(fā)因素。利用分子基因?qū)W的方法可以選擇性地研究星形膠質(zhì)細(xì)胞-神經(jīng)元之間不同信號(hào)通路的功能，從而能更加深入地揭示ATS在癲癇病理過(guò)程中的作用?？梢灶A(yù)見，ATS將成為癲癇防治的新靶點(diǎn)。目前臨床使用的抗癲癇藥物多為中樞神經(jīng)系統(tǒng)抑制劑，對(duì)大腦的認(rèn)知功能有很大副作用，因此急需開發(fā)針對(duì)癲癇發(fā)病機(jī)制專一性的安全有效抗癲癇藥物。闡明星形膠質(zhì)細(xì)胞參與癲癇發(fā)病的分子機(jī)制將有助于發(fā)現(xiàn)新干預(yù)靶點(diǎn)并開發(fā)新型抗癲癇藥物，也為癲癇病研究提供新的思路和治療策略。

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