大腦星形膠質(zhì)細胞TRPV4通道在神經(jīng)血管耦合中的作用研究進展

黃興 胡揚

1北京體育大學（北京 100084）

2首都體育學院（北京 100191）

大腦的正常生理功能依賴于神經(jīng)活動與血流動力學之間的緊密配合，這種機制稱為神經(jīng)血管耦合，其對于神經(jīng)元興奮所致的大腦局部血流的分配具有重要意義。神經(jīng)血管耦合的構(gòu)成包括神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細胞和血管，神經(jīng)活動釋放的神經(jīng)遞質(zhì)與星形膠質(zhì)細胞上的受體結(jié)合，激活鈣信號并傳遞至終足附近的血管上，激活相應(yīng)信號通路并釋放血管活性物質(zhì)引起血管反應(yīng)。近年來，多項研究表明，星形膠質(zhì)細胞終足上的瞬時感受器電位離子通道家族香草素受體亞家族Ⅳ型（transient receptor potential vanilloid 4，TRPV4）通道對于細胞內(nèi)鈣離子的調(diào)控起重要作用[1，2]，因而星形膠質(zhì)細胞TRPV4通道對神經(jīng)血管耦合的作用日益引起相關(guān)學者的關(guān)注。

1 神經(jīng)血管耦合

神經(jīng)血管單位（neurovascular unit，NVU）的概念，強調(diào)了內(nèi)皮細胞、星形膠質(zhì)細胞、周細胞、基膜、小膠質(zhì)細胞、神經(jīng)元以及細胞外基質(zhì)之間的動態(tài)相互作用[3]。中樞神經(jīng)系統(tǒng)對信息的處理是一個精細的過程，有賴于神經(jīng)元與神經(jīng)膠質(zhì)細胞之間的功能聯(lián)系，也依賴于腦細胞與大腦微環(huán)境之間的動態(tài)作用[4]。神經(jīng)元與血管間的相互協(xié)調(diào)作用對于維持大腦活性具有重要意義，大腦局部神經(jīng)活動增加，會導致該區(qū)域攝氧量的增加，此時大腦的代償機制是通過局部小動脈的擴張來增加局部能源物質(zhì)以滿足代謝所需。這種神經(jīng)與血管之間的動態(tài)信息交流機制被稱為神經(jīng)血管耦合。

神經(jīng)血管耦合并非是簡單的神經(jīng)活動導致血管活性物質(zhì)的釋放最終引起小動脈擴張，星形膠質(zhì)細胞在該機制的調(diào)節(jié)過程中起到重要作用[5]。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，星形膠質(zhì)細胞是感覺和管理的樞紐，它在大腦自平衡的過程中扮演著重要角色，包括匹配局部大腦的血流到神經(jīng)元的新陳代謝（神經(jīng)血管耦合）。這些細胞控制了一個多分枝的網(wǎng)絡(luò)進程，這個過程從體細胞伸出到神經(jīng)元的突觸，到小動脈和毛細血管，以包裹在血管周圍的終足結(jié)尾[1]。星形膠質(zhì)細胞包繞著神經(jīng)元突觸，并表達多種神經(jīng)遞質(zhì)的功能性受體，以配體與受體結(jié)合的方式感受神經(jīng)活動的改變。同類星形膠質(zhì)細胞的終足是可相互接觸的，它們無限地接近微血管系統(tǒng)并緊緊地包繞于血管壁周圍，這為星形膠質(zhì)細胞與血管的物質(zhì)交換提供了有效的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；同時，這種空間結(jié)構(gòu)也決定了神經(jīng)血管耦合是由突起傳遞至終足的鈣信號調(diào)控的，當神經(jīng)遞質(zhì)與星形膠質(zhì)細胞突起上的受體結(jié)合即可激活神經(jīng)血管耦合[6]。

星形膠質(zhì)細胞內(nèi)鈣離子濃度的增加發(fā)生在大腦小動脈舒張之前，這進一步證實鈣信號參與調(diào)節(jié)小動脈的血管緊張度[7]。鈣信號主要由位于星形膠質(zhì)細胞上的代謝型谷氨酸受體與相應(yīng)的神經(jīng)遞質(zhì)結(jié)合所激活，引起細胞內(nèi)鈣離子濃度增加[6]。其他神經(jīng)遞質(zhì)如三磷酸腺苷、乙酰膽堿、γ-氨基丁酸或神經(jīng)肽類也能與其相應(yīng)受體結(jié)合產(chǎn)生鈣信號，星形膠質(zhì)細胞在神經(jīng)血管耦合機制中的主要功能是鈣信號的激活[8]。鈣信號是通過鈣離子波的方式沿突觸向周圍的星形膠質(zhì)細胞終足上傳遞。星形膠質(zhì)細胞中鈣離子信號產(chǎn)生機制是神經(jīng)遞質(zhì)激活了磷脂酶C（ phospholipase C，PLC）信號通路，使質(zhì)膜上的二磷酸酯酰肌醇水解生成三磷酸肌醇（1，4，5-triphosphate，IP3）和甘油二酯（diacylglycerol，DAG），IP3與位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的IP3受體（ IP3 recep?tor，IP3R）結(jié)合使鈣離子庫釋放鈣離子，繼而細胞內(nèi)游離鈣離子濃度增加[9]。這一現(xiàn)象又可被環(huán)匹阿尼酸（cyclopiazonic acid，CPA）顯著抑制，CPA是一種肌漿網(wǎng)/內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上Ca2+-ATP酶抑制劑，可耗竭鈣離子庫的貯存鈣[10]。終足鈣離子濃度有限的增加（IP3/Ca2+閃光光解）可改變實質(zhì)小動脈的直徑，因此終足鈣離子信號可控制小動脈管腔和局部灌注[9,11,12]。終足鈣離子過多會引起血管收縮[11]。Dunn等[1]研究發(fā)現(xiàn)，TPPV4通道激活時觀察到的10個最高振幅的終足鈣離子振動，瞬時擴大了實質(zhì)小動脈平均直徑11%，觀察到的最高振幅的振動，接近于血管從擴張到收縮時終足鈣離子濃度的臨界值。這些研究都進一步證實了星形膠質(zhì)細胞終足鈣離子濃度改變在神經(jīng)血管耦合中的重要調(diào)控作用。

另有研究發(fā)現(xiàn)，在小鼠大腦皮層上給予TRPV4激動劑GSK1016790A，可增加星形膠質(zhì)細胞上鈣信號的振幅及頻率;給予TRPV4抑制劑HC-067047導致終足內(nèi)鈣離子濃度的下降;然而在TRPV4基因敲除鼠上使用TRPV4激動劑或抑制劑均未出現(xiàn)以上現(xiàn)象。同時發(fā)現(xiàn)TRPV4抑制劑并不能改變靜息狀態(tài)下大腦血管功能[1]。由此可見，TRPV4通道與鈣信號的增強有關(guān)。并且，TRPV4通道的直接激活，增加了IP3R依賴的鈣離子信號。通過TRPV4通道的鈣離子進入，引起了IP3Rs的激活，同時放大了局部鈣離子信號并啟動鈣離子波。但研究發(fā)現(xiàn)，這些振動的快速終止可能反映了局部鈣離子的高幅度增加導致IP3R和TRPV4通道的抑制[1]。

2 TRPV4通道

TRP通道最早發(fā)現(xiàn)于果蠅的視覺系統(tǒng)，突變體果蠅對持續(xù)的光刺激只產(chǎn)生瞬時而非持續(xù)的鋒電位，因此而得名。TRP基因編碼的蛋白質(zhì)廣泛分布于哺乳動物中，包括人類。研究發(fā)現(xiàn)，TRP通道超家族成員廣泛分布于多種組織（主要在腦組織，除此之外還分布于血管、腎臟、心臟、睪丸、肝臟、肺臟、脾臟、腸、卵巢、前列腺、胎盤和子宮等）和細胞（例如膠質(zhì)細胞、血管內(nèi)皮細胞、上皮細胞、平滑肌細胞、感覺神經(jīng)元、初級傳入神經(jīng)元等）[13，14]。

作為一種非選擇性陽離子通道，TRP通道主要通透Ca2+，Na+和 Mg2+。TRPV4通道的 Ca2+與 Na+通透性比約為10/1。當通道開放時，細胞膜電位由-70 mV去極化到0 mV左右，胞內(nèi)鈣或者鈉離子濃度升高[15]。TRP通道超家族成員對以下刺激相對敏感，如滲透壓的改變、pH、溫度變化、機械刺激、神經(jīng)遞質(zhì)釋放等，在離子通道領(lǐng)域的研究中已成為熱點。研究發(fā)現(xiàn)，腦缺血缺氧過程中伴隨著多種TRP通道蛋白表達水平和活性的變化[16]。

TRPV通道家族起初在中樞神經(jīng)對痛覺反應(yīng)的蛋白質(zhì)表達中被發(fā)現(xiàn)。這類通道可以被化學性刺激、熱刺激、細胞腫脹、胞內(nèi)鈣離子濃度降低、內(nèi)源性或合成的配體等多種信號激活[17]。目前發(fā)現(xiàn)，TRPV1，TRPV3和TRPV4通道與腦缺血缺氧相關(guān)[18]。

TRPV4通道最早是于2000年由Liedtke等人提出[17,19-21]。人類的TRPV4基因存在于12q23-q24染色體上，表達于第15號外顯子上[22]。目前己確定TRPV4的5種亞型，分別是TRPV4-A-E。細胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中蛋白質(zhì)儲留、低聚反應(yīng)缺失和通道失活的現(xiàn)象可由亞型B，C和E在N-末端錨蛋白重復結(jié)構(gòu)域（ANK）的缺失所導致[23,24]。

結(jié)構(gòu)上，TRPV4通道蛋白由871個氨基酸組成，氨基端和羧基端均位于胞質(zhì)側(cè)，其具有6個跨膜區(qū)（S1-6），在S5與S6區(qū)之間有一個發(fā)卡通道結(jié)構(gòu)，形成孔通道環(huán)，該孔通道環(huán)允許鈣離子等陽離子通過[25，26]。TRPV4通道蛋白約30%體積位于胞膜上，約70%暴露于細胞內(nèi)或細胞外，該結(jié)構(gòu)特點為其與細胞內(nèi)外的蛋白相互作用從而調(diào)節(jié)通道的功能提供了極大便利[27]。

起初，人們發(fā)現(xiàn)TRPV4通道是一種能被因低滲引起的細胞腫脹而激活的離子通道[28-32,16]。后續(xù)研究表明，TRPV4通道還可被溫熱、機械、花生四烯酸及其代謝物等多種刺激所激活[33，34]。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，TRPV4通道主要分布于大腦皮層、海馬、丘腦、小腦等部位[35-42]。

3 星形膠質(zhì)細胞中TRPV4通道與IP3R的協(xié)同作用對鈣離子的影響

被細胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)薄膜中IP3Rs通道調(diào)節(jié)的細胞內(nèi)鈣離子濃度的瞬時增加使得化學傳遞物質(zhì)如谷氨酸，ATP和D-絲氨酸釋放，從而調(diào)節(jié)了突觸的傳遞和神經(jīng)元的興奮[43]。星形膠質(zhì)細胞中IP3R依賴的鈣離子信號對神經(jīng)血管耦合也非常重要，這是一個通過局部腦血流與神經(jīng)元代謝相匹配的過程。隨著神經(jīng)活動的增加，聯(lián)合釋放了谷氨酸結(jié)合代謝性谷氨酸受體（mGluRs）在突觸周的星形膠質(zhì)細胞突起上，刺激磷脂酶-C依賴的IP3從膜磷脂釋放出來。釋放的IP3啟動了IP3R依賴的鈣信號，這個鈣信號像波一樣從膜磷脂經(jīng)過星形膠質(zhì)細胞到血管周圍的終足[44]。當IP3R-依賴的鈣離子波到達終足時，鈣離子濃度的升高激活鈣離子敏感通道來釋放作用于血管的物質(zhì)，這導致臨近的小動脈舒張[18，45]。所以終足鈣離子濃度耦合于血管的直徑和局部的灌注，但是對這種關(guān)聯(lián)存在兩面性：在終足鈣離子濃度變緩的增長擴張了薄壁組織的小動脈，然而高終足鈣離子濃度使它們收縮[46]。這種雙向作用的血管反應(yīng)意味著終足鈣離子必須被很好地管控來保證充足的灌注和保持大腦的內(nèi)穩(wěn)態(tài)。

研究發(fā)現(xiàn)，11,12-EET（1μM），內(nèi)源性的TRPV4激動劑，誘發(fā)快速的、高振幅的鈣離子振動，增加振幅52% ±13%，鈣離子濃度從0.75±0.13ΔF/Fo到1.66± 0.22ΔF/Fo（n=4 slices from three animals）。同時，11,12-EET對終足鈣離子的影響被TRPV4阻滯劑HC-067047所阻止，11,12-EET沒有顯著增加鈣離子的振動頻率,提示了TRPV4通道的中介作用。這些結(jié)果共同支持了功能TRPV4通道在血管周圍星形膠質(zhì)細胞終足的存在，TRPV4通道的直接激活，增加了IP3R依賴的鈣離子信號。通過TRPV4通道的鈣離子進入，引起了IP3Rs的激活，同時放大了局部鈣離子信號并啟動鈣離子波。但這些振動的快速終止可能反映了局部鈣離子的高幅度增加導致IP3R和TRPV4通道的抑制[1]。

4 大腦缺血缺氧對TRPV4通道的影響

大腦缺血缺氧時，主要通過以下兩方面激活TRPV4通道：一方面，大腦缺血缺氧造成細胞水腫，因而通過改變細胞膜機械張力激活TRPV4通道；另一方面，大腦缺血缺氧造成能量代謝障礙，產(chǎn)生的大量花生四烯酸（AA）通過其代謝產(chǎn)物5,6-環(huán)氧二十碳三烯甘油酸（5,6-EET）等也能激活TRPV4通道[32]。

TRPV4通道激活后，會引起Ca2+內(nèi)流[34,36,37]。研究表明，當初級感覺神經(jīng)元上的TRPV4通道被激活后，影響其下游的信號通路，如PKA、PKC、PKG、CaM-CaM?KII，進而調(diào)節(jié)細胞膜上的 Na+、K+、Ca2+通道[35-38]以及TRPV1通道的功能[34]，因而提高神經(jīng)元的興奮性[30]。因此，TRPV4通道被激活后，除了直接引起鈣離子內(nèi)流外，可能還通過調(diào)節(jié)細胞膜上的離子通道，延長細胞去極化過程，進一步增加Ca2+內(nèi)流，導致胞內(nèi)Ca2+超載。另一方面，研究表明，當TRPV4通道被激活時，增加了海馬神經(jīng)元之間微小突觸后電流的頻率[43]，且滲透壓改變的刺激，或者TRPV4通道激動劑，都能使海馬興奮性突觸后電位增強，并降低其雙脈沖易化。這表明，激活TRPV4通道，能使突觸前釋放的谷氨酸增加，并易化谷氨酸的興奮性毒性作用。高滲刺激可抑制突觸前鈣離子通道開放，減少神經(jīng)遞質(zhì)的釋放，進而抑制海馬神經(jīng)元的突觸傳遞[47，48]。

研究發(fā)現(xiàn)，在肺泡巨噬細胞、膀胱上皮細胞和冠狀動脈血管內(nèi)皮細胞上，當激活TRPV4通道時，鈣離子濃度會升高，進而促進過氧化氫、超氧陰離子和NO的產(chǎn)生[49]。鈣離子升高后激活一氧化氮合成酶（NOS），產(chǎn)生大量一氧化氮（NO），NO通過多種機制在腦缺血時發(fā)揮神經(jīng)毒作用，并能與活性氧自由基（reactive oxygen species，ROS）相互轉(zhuǎn)化。這也是大腦缺血缺氧后神經(jīng)細胞發(fā)生興奮性抑制的重要因素之一。大腦缺血缺氧導致TRPV4通道激活后，也可能通過這條途徑，引起神經(jīng)元的興奮性抑制[48]。

5 大腦星形膠質(zhì)細胞TRPV4通道在運動科學領(lǐng)域應(yīng)用展望

5.1 運動性缺氧所致的中樞疲勞

運動性疲勞的生物學機制和運動后的恢復手段一直以來都是體育科學領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。中樞是運動性疲勞的重要發(fā)生部位。研究發(fā)現(xiàn)，一次性力竭運動過程中記錄大鼠皮層腦電，在大鼠力竭運動過程中，皮層運動區(qū)神經(jīng)元電活動隨著運動疲勞的發(fā)生，興奮性降低，呈現(xiàn)廣泛的抑制現(xiàn)象[50]。無論是神經(jīng)-肌肉疲勞鏈，亦或神經(jīng)-激素、免疫系統(tǒng)和代謝調(diào)節(jié)疲勞鏈，腦部在疲勞鏈中居首位，也是最易發(fā)生疲勞的組織之一[51]。

Ca2+代謝學說一直以來都是大腦缺氧導致中樞疲勞和腦細胞損傷的重要機理學說。Ca2+代謝學說指出，當發(fā)生運動性腦缺氧時，腦細胞線粒體的氧化磷酸化過程會受到影響，造成NADH堆積，Ca2+內(nèi)流。而長時間劇烈運動后，Pi濃度上升可促進大量Ca2+進入線粒體，造成線粒體腫脹，Ca2+過度負荷使得線粒體機能紊亂，氧化磷酸化過程進一步受到影響，從而對細胞的正常功能產(chǎn)生影響，造成中樞疲勞[51]。大腦缺血缺氧時，一方面引起細胞水腫能夠通過改變細胞膜機械張力激活TRPV4通道，另一方面能量代謝障礙產(chǎn)生的大量花生四烯酸（AA）通過其代謝產(chǎn)物5,6-環(huán)氧二十碳三烯甘油酸（5,6-EET）等也能激活TRPV4通道[32]。因此，運動缺氧情況下TRPV4的激活情況，及其對鈣離子內(nèi)流的影響等方面的研究可能可以更深層次解釋運動所導致中樞疲勞的生物學機制。

5.2 高原訓練中運動能力下降

高原缺氧造成的最大攝氧量降低，運動員難以保持與平原相同物理負荷強度進行訓練，一直是教練員和體育科研工作者關(guān)注的問題。本文作者實驗室運動人體實驗研究發(fā)現(xiàn)，在急性低氧遞增負荷運動中，環(huán)境氧濃度越低，腦部前額葉皮質(zhì)的氧合血紅蛋白下降的拐點越提前（待發(fā)表），提示缺氧所導致的腦部血流動力學變化可能是低氧環(huán)境中人體運動達不到平原最大運動強度和運動提前終止的重要原因。而腦部星形膠質(zhì)細胞TRPV4通道在神經(jīng)血管耦合中起到重要作用，是調(diào)節(jié)腦部血流分配的重要通道。因此，從腦部星形膠質(zhì)細胞TRPV4通道著手探索高原訓練中中樞神經(jīng)機能變化具有重要意義。

綜上所述，神經(jīng)活動釋放的神經(jīng)遞質(zhì)與星形膠質(zhì)細胞突起上的受體（主要是代謝型谷氨酸受體）結(jié)合激活I(lǐng)P3R產(chǎn)生鈣信號，通過TRPV4介導的鈣內(nèi)流增強鈣信號并傳遞至終足，隨后在終足和血管區(qū)域內(nèi)將鈣信號轉(zhuǎn)換為血管反應(yīng)。當鈣離子濃度達到一定高度，各通道關(guān)閉，血管收縮，局部血流降低。當腦缺血缺氧時，會引起細胞水腫和能量代謝障礙，激活TRPV4通道，導致細胞內(nèi)鈣離子大量內(nèi)流。在運動科學領(lǐng)域，運動所致的腦缺氧，以及高原訓練中低氧環(huán)境和運動雙重刺激所致的腦缺氧，導致運動的提前終止，可能可以從大腦星形膠質(zhì)細胞中TRPV4通道的研究中尋找其生物學機制。