微血管周細(xì)胞在缺血性腦損傷中的作用

陳繼興 錢加強(qiáng)

周細(xì)胞包繞著內(nèi)皮細(xì)胞并與內(nèi)皮細(xì)胞共同構(gòu)成微血管的基本結(jié)構(gòu)，其分布廣泛，幾乎所有的組織、器官的血管壁均有周細(xì)胞覆蓋。長久以來，這類細(xì)胞一直被認(rèn)為是微血管的支持結(jié)構(gòu)，類似于動(dòng)靜脈的平滑肌細(xì)胞。然而，現(xiàn)代免疫細(xì)胞化學(xué)和生物化學(xué)研究揭示了周細(xì)胞在體內(nèi)可調(diào)節(jié)多種重要的生物學(xué)功能[1]。由于周細(xì)胞在腦組織中的分布密度最高[2]，因而提示這些細(xì)胞在腦組織中也必然起著不可忽視的作用。

作為神經(jīng)血管單元的重要組成部分，已有大量的研究發(fā)現(xiàn)，周細(xì)胞對維持毛細(xì)血管及血腦屏障的穩(wěn)定和成熟起著重要的作用[2-4]。近幾年的研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，體外培養(yǎng)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)周細(xì)胞在某些細(xì)胞外有害刺激(如酸中毒、高糖、活性氧自由基等)的作用下異?；钴S，并表現(xiàn)出數(shù)量、結(jié)構(gòu)和功能的改變[5-7]。研究還發(fā)現(xiàn)，這些細(xì)胞同時(shí)具有多向分化潛能[8-9]。因此，當(dāng)腦梗死發(fā)生后，外周血或局部微環(huán)境中的周細(xì)胞大量募集繼而遷移至缺血壞死組織周圍，這極有可能與其參與梗死后腦組織的修復(fù)及血管重建有關(guān)[4，10]。然而也有許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)，在梗死的急性期，這些細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的改變是加重局部腦缺血損傷的重要因素[11]。本文就目前中樞神經(jīng)系統(tǒng)周細(xì)胞在腦缺血期及缺血后期的作用作一綜述。

1 周細(xì)胞與腦缺血后微循環(huán)障礙

在大腦中，周細(xì)胞表達(dá)大量的α-actin收縮蛋白使其具有與平滑肌細(xì)胞相類似的收縮功能，這在缺乏平滑肌細(xì)胞的腦微動(dòng)脈及毛細(xì)血管中尤為重要。正常生理情況下，周細(xì)胞通過動(dòng)態(tài)的收縮和松弛作用精確調(diào)控微血流的變化并以此應(yīng)對復(fù)雜的神經(jīng)活動(dòng)[12]。然而在病理情況下，周細(xì)胞對細(xì)胞外刺激信號非常敏感，這些刺激信號如低氧、酸中毒、氧自由基等均可導(dǎo)致周細(xì)胞功能紊亂而發(fā)生過度收縮，這種過度收縮引起紅細(xì)胞通過障礙繼而導(dǎo)致微循環(huán)障礙。在人腦周細(xì)胞體外培養(yǎng)中，已證實(shí)活性氧自由基持續(xù)性刺激引起細(xì)胞內(nèi)鈣離子超載是引起周細(xì)胞過度收縮的重要原因[5，7]。在腦缺血大鼠模型中，缺血后的氧化物-亞硝基脅迫作用可引起周細(xì)胞持續(xù)收縮并導(dǎo)致微循環(huán)血流障礙[11]。Dalkara等[13]對局灶性腦缺血大鼠模型研究發(fā)現(xiàn)，周細(xì)胞的收縮發(fā)生在腦中動(dòng)脈閉塞期間，而且這種現(xiàn)象持續(xù)存在，甚至當(dāng)閉塞動(dòng)脈恢復(fù)血流后這種收縮效應(yīng)仍然存在。由此可見，腦缺血后活性氧自由基引起的周細(xì)胞過度而持續(xù)收縮可能是導(dǎo)致局部微循環(huán)障礙，這也可能是腦缺血后再灌注損傷發(fā)生的重要病理機(jī)制。

2 周細(xì)胞與腦缺血后血管新生

血管新生(angiogenesis)是指新生毛細(xì)血管自成體血管出芽形成的復(fù)雜過程，包括內(nèi)皮細(xì)胞的活化、遷移和增生，管狀結(jié)構(gòu)和基底膜的重建，內(nèi)皮細(xì)胞對周細(xì)胞的募集，從而形成有周細(xì)胞包繞的穩(wěn)定的血管。較大血管的形成還需要合適的信號以完成血管平滑肌細(xì)胞的募集。其中周細(xì)胞在調(diào)節(jié)血管形成、穩(wěn)定和功能中均起著關(guān)鍵的作用。

2.1 周細(xì)胞參與缺血后血管新生及成熟 研究證實(shí)，在人類或嚙齒類動(dòng)物缺血腦組織中，血管生成相關(guān)基因及血管原性生長因子明顯增加[14]。應(yīng)用基因研究及組織化學(xué)方法，研究者發(fā)現(xiàn)，在大鼠或小鼠短暫或持續(xù)性腦缺血模型中，調(diào)節(jié)血管新生的某些因子及受體如血管內(nèi)皮生長因子及其受體(VEGF/VEGFR)，血管生成素及其受體(Angiopoietin/Tie)，血小板衍生的生長因子及其受體(BPDGF-β/PDGFR-β)，轉(zhuǎn)化生長因子(TGF-β)以及纖維母細(xì)胞生長因子(FGF)等表達(dá)明顯改變[15-16]。由于這些血管原性因子與周細(xì)胞的功能關(guān)系密切，也就意味著周細(xì)胞極有可能通過調(diào)節(jié)新生血管的形成和成熟而參與腦缺血后血管的新生和重建[4，17-18]。

當(dāng)腦缺血發(fā)生后，缺血灶邊緣血管內(nèi)皮細(xì)胞活化，活化后的內(nèi)皮細(xì)胞可降解細(xì)胞外基質(zhì)并遷移至梗死周圍組織，這些細(xì)胞繼而擴(kuò)增并自成體血管以出芽的方式形成不成熟的管腔(或稱為未成熟毛細(xì)血管)[16，19]。隨后，活化的內(nèi)皮細(xì)胞及局部缺氧產(chǎn)生的自由基等可誘導(dǎo)周細(xì)胞募集并迅速遷移至缺血周圍腦組織[4]。周細(xì)胞募集后遷移至血管周圍，并覆蓋新形成的管腔，以促進(jìn)毛細(xì)血管的成熟和穩(wěn)定。在此過程中，許多血管生成相關(guān)基因及血管原性生長因子參與其中。PDGF-β/PDGFR-β通路在周細(xì)胞的募集中起著關(guān)鍵作用，Renner等[20]研究小鼠腦中動(dòng)脈缺血損傷模型發(fā)現(xiàn)，PDGF-β及其受體PDGFR-β表達(dá)均明顯升高，其中新生的內(nèi)皮細(xì)胞分泌PDGF-β，而周細(xì)胞表達(dá)PDGFR-β，兩者結(jié)合促進(jìn)周細(xì)胞的增殖和遷移。Angiopoietin-1/Tie是另一組重要的生長因子，AP-1由成熟血管中的周細(xì)胞產(chǎn)生，AP-1與內(nèi)皮細(xì)胞上的受體Tie2結(jié)合，促進(jìn)受體的自身磷酸化(活化)，表達(dá)活化Tie2的內(nèi)皮細(xì)胞吸引平滑肌細(xì)胞、周細(xì)胞等血管周圍細(xì)胞包圍、支持內(nèi)皮細(xì)胞形成完整的血管壁，促進(jìn)血管重塑、成熟、維持血管的完整性和調(diào)節(jié)血管功能[17]。

2.2 周細(xì)胞參與缺血后血管微生態(tài)的構(gòu)建 腦缺血可刺激內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞以促進(jìn)神經(jīng)再生[21]。大體解剖學(xué)及微觀的信號通路研究均證實(shí)，血管再生是神經(jīng)再生過程的重要階段。血管細(xì)胞的生成及管狀結(jié)構(gòu)的構(gòu)建可為神經(jīng)元的募集提供條件，也為神經(jīng)干細(xì)胞發(fā)育和分化提供血管微生態(tài)(niche)[22]，后者又稱作“干細(xì)胞niche”，這一定義更形象描述干細(xì)胞與新生血管的依存關(guān)系。雖然目前尚未完全明確神經(jīng)前體細(xì)胞主要是以血管為介質(zhì)遷移至缺血組織，或者這些細(xì)胞直接產(chǎn)生于niche中。但大量的研究表明，niche成分的改變及niche中信號通路的改變都會(huì)對干細(xì)胞的數(shù)量及功能產(chǎn)生影響[23]。在鼠腦梗塞模型中，許多血管原性因子既可誘導(dǎo)血管生成也可促進(jìn)神經(jīng)生成[24-25]。如血管再生過程中產(chǎn)生的血管生成素-1(AP-1)和基質(zhì)細(xì)胞衍生因子-1(SDF1)同樣可促進(jìn)神經(jīng)再生[22，26]。在腦組織中，AP-1主要由周細(xì)胞分泌，細(xì)胞培養(yǎng)同樣證實(shí)SDF1表達(dá)于周細(xì)胞，而不表達(dá)于內(nèi)皮細(xì)胞[27]。已知SDF1與其特異受體CXCR4在骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)的動(dòng)員和歸巢、內(nèi)皮細(xì)胞的遷移以及在成人血管的發(fā)生、神經(jīng)的發(fā)生和神經(jīng)元的遷移中起重要作用[28]。因此，周細(xì)胞作為niche重要的細(xì)胞成分，可能通過分泌與歸巢相關(guān)的因子參與神經(jīng)再生。

Piao等[29]應(yīng)用干細(xì)胞因子和粒細(xì)胞集落刺激因子聯(lián)合(SCF+G-CSF)治療慢性缺血性卒中發(fā)現(xiàn)，二者可通過動(dòng)員骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)促進(jìn)大腦修復(fù)。他們還發(fā)現(xiàn)，在組織修復(fù)過程中，骨髓源性內(nèi)皮細(xì)胞增加的同時(shí)，骨髓源性周細(xì)胞數(shù)量減少?？傊芗?xì)胞的動(dòng)員有助于神經(jīng)組織的修復(fù)，這種修復(fù)作用可能通過與血管內(nèi)皮細(xì)胞相互作用并形成血管微生態(tài)發(fā)揮作用。在此過程中，周細(xì)胞的增殖具有自身調(diào)節(jié)作用，當(dāng)周細(xì)胞數(shù)量較少時(shí)促進(jìn)血管的再生，而當(dāng)數(shù)量較多時(shí)促進(jìn)血管的成熟。

3 在腦組織中具有間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)功能

間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells，MSCs)是一類有多向分化潛能的干細(xì)胞，具有低免疫原性和獨(dú)特的免疫調(diào)節(jié)作用，能逃避免疫識別、抑制免疫應(yīng)答?；谏鲜錾飳W(xué)特性使其有望用于組織修復(fù)、抑制免疫排斥反應(yīng)的發(fā)生和代謝性疾病的細(xì)胞治療。近幾年來，隨著干細(xì)胞移植技術(shù)的發(fā)展，MSCs在缺血性腦損傷動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭芯@示出了一定的治療效果[30-31]。Bang等[32]研究發(fā)現(xiàn)，對嚴(yán)重腦梗死患者給予靜脈輸注自體MSCs后，在梗死后期神經(jīng)功能確有明顯改善。

近年來，大量動(dòng)物實(shí)驗(yàn)及臨床研究表明，腦微血管周細(xì)胞與間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)具有相同或相似的特征及表面標(biāo)志。Bexell等[33]應(yīng)用MSCs瘤內(nèi)植入治療腦膠質(zhì)瘤動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭邪l(fā)現(xiàn)，植入的MSCs主要定位在惡性膠質(zhì)瘤血管外周，并且表達(dá)周細(xì)胞的細(xì)胞表面標(biāo)記。在人類神經(jīng)膠質(zhì)瘤中，Pisati等[34]同樣發(fā)現(xiàn)，移植的皮膚來源干細(xì)胞在血管生成過程中可分化為周細(xì)胞。Chen等[35]對中動(dòng)脈閉塞大鼠模型應(yīng)用人MSCs靜脈注射研究發(fā)現(xiàn)，NG2陽性細(xì)胞(周細(xì)胞)的數(shù)量及密度在新出芽的血管中明顯增加。Shen等[36]在中動(dòng)脈閉塞大鼠模型中發(fā)現(xiàn)，移植的MSCs能增加NG2陽性細(xì)胞的數(shù)量及密度，并且能促進(jìn)軸索的再生和再髓鞘化過程。Fujita等[37]在雙側(cè)頸總動(dòng)脈狹窄小鼠模型中發(fā)現(xiàn)，移植的骨髓單核細(xì)胞(BMMNCs)能改善腦白質(zhì)損傷，且供體細(xì)胞BMMNCs定位于微血管周圍并具有與周細(xì)胞相同的形態(tài)學(xué)特征，提示這些細(xì)胞可能分化為周細(xì)胞。腦微血管周細(xì)胞與MSCs的相似性提示二者可能起源于相同的祖細(xì)胞。Kokovay等[38]應(yīng)用綠色熒光蛋白標(biāo)記嵌合體大鼠腦缺血模型BMSCs發(fā)現(xiàn)，動(dòng)物體內(nèi)可觀測到兩類BMSCs，分別定位于腦實(shí)質(zhì)及脈管系統(tǒng)血管周圍，后者具有與周細(xì)胞相同的特征。近年來大量的研究資料更進(jìn)一步表明，二者可能來源于血管周圍細(xì)胞，在許多組織器官中，血管壁被認(rèn)為是其祖細(xì)胞的儲(chǔ)存庫[39]。

鑒于MSCs與周細(xì)胞的相似性提示周細(xì)胞在功能上也具有與MSCs相類似的功能。這些功能包括：(1)免疫及吞噬功能：研究發(fā)現(xiàn)，腦微血管周細(xì)胞可表達(dá)某些粘附分子(如細(xì)胞間粘附分子-1、血管細(xì)胞粘附分子-1)，正常生理情況下這些分子呈低水平基礎(chǔ)表達(dá)。在炎性因子刺激下，其表達(dá)增加使得周細(xì)胞可作為呈遞細(xì)胞將抗原呈遞給T淋巴細(xì)胞[40]。此外，胞漿溶酶體內(nèi)大量酸性磷酸酶使其具有吞噬及調(diào)理作用[41]。這些功能可能與周細(xì)胞的在腦缺血修復(fù)過程中清除壞死組織、減少半暗帶區(qū)內(nèi)血管滲出物有關(guān)。(2)遷移功能：腦缺血發(fā)生后周細(xì)胞向內(nèi)皮細(xì)胞遷移是血管新生及組織修復(fù)的必要條件。較早的研究已證實(shí)體外細(xì)胞培養(yǎng)中的周細(xì)胞具有向內(nèi)皮細(xì)胞移動(dòng)的特性[42]。在外傷性腦損傷模型中，研究者發(fā)現(xiàn)，約40%的腦微血管周細(xì)胞由外周微血管移動(dòng)至新生血管周邊。在血管發(fā)育過程中，周細(xì)胞的遷移受其自身表達(dá)的PDGFR-β及內(nèi)皮細(xì)胞表達(dá)的PDGF-β調(diào)節(jié)[43]。(3)多分化潛能：Jung等[44]對急性腦缺血患者研究發(fā)現(xiàn)，隨著神經(jīng)功能的改善，循環(huán)中PDGFR-β陽性細(xì)胞明顯增加，將這些細(xì)胞分離并作體外細(xì)胞培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)其表達(dá)間充質(zhì)干細(xì)胞表面標(biāo)志，并在不同培養(yǎng)基內(nèi)表現(xiàn)出多向分化潛能。腦血管周細(xì)胞體外與成纖維細(xì)胞生長因子共培養(yǎng)下可表達(dá)出神經(jīng)元及神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞表面標(biāo)志，表明中樞神經(jīng)系統(tǒng)周細(xì)胞可能具有成為神經(jīng)干細(xì)胞的潛能[9]。

4 參與調(diào)節(jié)血腦屏障功能

腦微血管周細(xì)胞與血管內(nèi)皮細(xì)胞通過緊密連接維持著血腦屏障的完整性，而其自身的收縮與舒張功能對血腦屏障的滲透性起著調(diào)節(jié)作用，因此當(dāng)缺氧及缺氧/再復(fù)氧導(dǎo)致的血腦屏障滲透性增加或細(xì)胞間緊密連接破壞發(fā)生后，周細(xì)胞無疑將發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用。在內(nèi)皮細(xì)胞、周細(xì)胞及星形膠質(zhì)細(xì)胞體外混合培養(yǎng)的血腦屏障模型中，研究者發(fā)現(xiàn)，由于缺氧導(dǎo)致的單層內(nèi)皮細(xì)胞滲透性增加，可因周細(xì)胞的存在而明顯減弱。同樣，當(dāng)與周細(xì)胞共培養(yǎng)時(shí)，內(nèi)皮細(xì)胞對缺氧的敏感性明顯降低[45]。

近幾年的研究發(fā)現(xiàn)，周細(xì)胞對缺氧所致的內(nèi)皮完整性損害的影響取決于缺氧的時(shí)限及嚴(yán)重程度。輕度缺氧時(shí)，在混合細(xì)胞培養(yǎng)的血腦屏障模型中，周細(xì)胞在短期內(nèi)加劇屏障功能的損傷[46]。Duz等[47]對中動(dòng)脈閉塞大鼠模型超微結(jié)構(gòu)研究也發(fā)現(xiàn)，在缺血發(fā)生早期，微血管基底膜結(jié)構(gòu)紊亂，周細(xì)胞從血管壁分離，這種超微結(jié)構(gòu)的改變可能是腦缺血后血管通透性增高發(fā)生的早期階段，也是周細(xì)胞在缺血早期加劇屏障功能的損傷的可能原因之一。而當(dāng)持續(xù)暴露于低氧時(shí)，周細(xì)胞則表現(xiàn)出保護(hù)作用。研究發(fā)現(xiàn)，周細(xì)胞的保護(hù)作用與其表達(dá)的TGF-β1和AP-1以及分泌的Ⅳ型膠原蛋白、層粘連蛋白、透明質(zhì)酸密切相關(guān)，前者參與維持血腦屏障的緊密連接，后者參與基底膜的形成[48]。此外，腦微量出血患者腦組織應(yīng)用電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，血管壁周細(xì)胞胞漿內(nèi)可見鐵離子及血漿成分，因此當(dāng)血腦屏障緊密結(jié)合受到破壞周細(xì)胞可能通過噬細(xì)胞作用充當(dāng)“網(wǎng)閘”角色以起補(bǔ)救作用[49]。

5 周細(xì)胞與缺血后腦白質(zhì)損傷

CADASIL病，又稱為遺傳性多發(fā)梗死癡呆病，伴有皮質(zhì)下梗死和白質(zhì)腦病的常染色體顯性遺傳腦動(dòng)脈病，是近幾年來發(fā)現(xiàn)的一種特殊類型的腦血管病或血管性癡呆病。大量的研究已證實(shí)，CADASIL病由Notch3基因突變所致。對人類Notch3基因研究表明，其主要表達(dá)于動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞及周細(xì)胞上[50]。應(yīng)用電子顯微鏡對CADASIL病患者腦微血管觀察發(fā)現(xiàn)，血管壁周細(xì)胞胞核腫脹，細(xì)胞呈變性改變并伴基底膜增厚[51]。免疫電鏡顯示顆粒狀嗜鋨物質(zhì)大量的沉積在周細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞之間的基底膜上[52]。雖然目前對于Notch3基因突變引起的腦白質(zhì)損傷的確切機(jī)制尚不清楚，但大量證據(jù)表明，在CADASIL等白質(zhì)損傷疾病中腦血管反應(yīng)性明顯受損，Notch3蛋白在周細(xì)胞上突變可能是導(dǎo)致這類疾病毛細(xì)血管血流調(diào)節(jié)異常病理機(jī)制的基礎(chǔ)[53]。

周細(xì)胞可能參與高血壓病性腦微血管病變過程。對自發(fā)性高血壓大鼠研究發(fā)現(xiàn)，盡管富含周細(xì)胞的毛細(xì)血管比率較正常血壓組大鼠明顯增高，但顆粒狀及絲狀周細(xì)胞在有卒中傾向的自發(fā)性高血壓大鼠腦組織中卻有明顯的差別，盡管顆粒狀細(xì)胞始終呈增長趨勢，但成熟和有功能的絲狀周細(xì)胞卻隨著高血壓病的進(jìn)展呈退化趨勢[54]。這種變化將導(dǎo)致內(nèi)皮滲透性增加，滲透性增加引起的大分子物質(zhì)如蛋白酶類、免疫球蛋白類等溢出加劇了腦白質(zhì)的損傷過程。Bell等[55]對PDGFR-β缺陷大鼠研究發(fā)現(xiàn)，腦周細(xì)胞在神經(jīng)血管功能中起重要作用，并認(rèn)為周細(xì)胞的缺失可能通過兩種途徑造成神經(jīng)損傷，一是通過減少腦微循環(huán)的數(shù)量從而造成慢性灌注不足和缺氧；二是由于血腦屏障完整性的破壞及滲透性增加導(dǎo)致的血漿蛋白及血管和(或)神經(jīng)毒性物質(zhì)的大量堆積。總之，周細(xì)胞功能性的缺失在成人腦缺血后白質(zhì)損傷病理過程中發(fā)揮著重要的作用，關(guān)于二者之間的聯(lián)系仍需要更多的研究以加以闡明。

周細(xì)胞在腦缺血損傷病理過程中發(fā)揮著重要作用。在腦缺血急性期及后期，周細(xì)胞募集并可能通過調(diào)節(jié)血管新生、神經(jīng)再生及血腦屏障功能而參與受損神經(jīng)組織的修復(fù)，同時(shí)在缺血早期，周細(xì)胞可能因過度收縮加劇腦缺血再灌注損傷過程。周細(xì)胞活化的結(jié)果對神經(jīng)元有益或有害與具體的神經(jīng)組織微環(huán)境有關(guān)，可能因激活程度，刺激類型和存在的局部因子的不同而不同。目前，對于周細(xì)胞在缺血腦組織中的功能僅局限于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)或臨床試驗(yàn)，進(jìn)一步的研究有待從基因調(diào)控的角度來闡述周細(xì)胞在體內(nèi)發(fā)揮作用的分子機(jī)制。而且，目前對于腦缺血再灌注損傷及缺血后神經(jīng)元再生仍缺乏有效的治療措施，因此對周細(xì)胞生物學(xué)的深入研究將為腦缺血損傷提供重大的突破。

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