A1/A2反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞在缺血性腦卒中的作用

虞子寧，張麗梅，黃志華，李良東,4

(贛南醫(yī)學(xué)院 1.2019級碩士研究生；2.2018級碩士研究生；3.心腦血管疾病防治教育部重點實驗室；4.第一附屬醫(yī)院，江西 贛州 341000)

腦卒中俗稱中風(fēng)，是由多種原因?qū)е履X血管受損，導(dǎo)致腦細(xì)胞核組織損傷，從而引起相應(yīng)的臨床癥狀，甚至致死的疾病。在發(fā)達(dá)國家，腦卒中是最常見的殘疾原因，也是常見的死亡原因[1]。在我國腦卒中是成年人致死、致殘的首位病因，具有發(fā)病率高、致殘率高、死亡率高和復(fù)發(fā)率高的特點[2]。腦卒中可分為缺血性腦卒中和出血性腦卒中，其中缺血性腦卒中更常見。缺血性腦卒中的發(fā)生是由于大腦中動脈突然或逐漸閉塞引起腦血流量(cerebral blood flow, CBF)減少，大腦中的氧氣和葡萄糖不能滿足能量代謝的需求，最終導(dǎo)致神經(jīng)功能的損傷[3]。腦卒中的中心，即CBF嚴(yán)重減少的區(qū)域，被稱為梗死核心區(qū)，而鄰近的區(qū)域被稱為缺血半暗帶，在缺血半暗帶如果CBF恢復(fù)的足夠多，神經(jīng)功能也可能得到恢復(fù)[4]。

缺血性腦卒中是一種異質(zhì)性神經(jīng)疾病，腦缺血激活多種細(xì)胞產(chǎn)生一系列的級聯(lián)反應(yīng)，包括細(xì)胞程序性死亡、鈣超載、活性氧(reactive oxygen species, ROS)過度生成、炎癥反應(yīng)和興奮性氨基酸毒性作用等，所有這些都可嚴(yán)重?fù)p害神經(jīng)元、膠質(zhì)細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞功能，并導(dǎo)致缺血腦中血小板活化、反應(yīng)性膠質(zhì)增生、免疫細(xì)胞活化和神經(jīng)細(xì)胞死亡[5-7]。盡管腦卒中影響大腦中所有細(xì)胞成分，包括神經(jīng)元、膠質(zhì)細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和室管膜細(xì)胞，但大多數(shù)臨床試驗常側(cè)重于對神經(jīng)元的保護(hù)治療，未能在臨床上成為有效的治療方式[8]。僅通過保護(hù)神經(jīng)元可能不足以找到有效的治療方法，因此，有必要考慮利于多種細(xì)胞類型的治療方法。星形膠質(zhì)細(xì)胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system, CNS)中最豐富的膠質(zhì)細(xì)胞類型，參與突觸、縫隙連接、血腦屏障(blood brain barrier, BBB)的形成以及其它生理功能[9]，在大腦中扮演重要角色，可能會成為腦卒中治療的重要靶點。

1 星形膠質(zhì)細(xì)胞的生理作用

星形膠質(zhì)細(xì)胞的名字來自于星形的形狀，這些細(xì)胞是CNS中最豐富的細(xì)胞亞型，其中每個星形膠質(zhì)細(xì)胞占據(jù)一個獨特的區(qū)域[10]。根據(jù)形態(tài)和空間組織，腦星形膠質(zhì)細(xì)胞分為幾種主要類型：腦室周圍的放射狀星形膠質(zhì)細(xì)胞，灰質(zhì)中的原生質(zhì)星形膠質(zhì)細(xì)胞和白質(zhì)中的纖維性星形膠質(zhì)細(xì)胞[11]。作為神經(jīng)元-膠質(zhì)細(xì)胞系統(tǒng)的組成部分，星形膠質(zhì)細(xì)胞在CNS生理過程發(fā)揮著重要作用，包括維持神經(jīng)元結(jié)構(gòu)、組成BBB、協(xié)調(diào)神經(jīng)元代謝、維持細(xì)胞外環(huán)境、調(diào)節(jié)CBF、穩(wěn)定細(xì)胞間通訊、參與神經(jīng)遞質(zhì)合成和防御氧化應(yīng)激[12-13]。

1.1星形膠質(zhì)細(xì)胞和突觸星形膠質(zhì)細(xì)胞突起包裹突觸前和突觸后的神經(jīng)末梢，形成物理屏障限制神經(jīng)遞質(zhì)從突觸擴(kuò)散，稱為“三方突觸”[14]。 “三方突觸”中星形膠質(zhì)細(xì)胞在維持神經(jīng)遞質(zhì)的細(xì)胞外濃度起著重要的作用，星形膠質(zhì)細(xì)胞迅速去除由于神經(jīng)元活動而積累的K+，吸收神經(jīng)傳遞過程中釋放的谷氨酸(glutamate, Glu)，并將Glu轉(zhuǎn)化為谷氨酰胺(glutamine, Gln)釋放至突觸前末梢，由神經(jīng)元末梢吸收并重新合成Glu，此Glu-Gln循環(huán)能夠維持突觸外低濃度的Glu，防止發(fā)生興奮性毒性作用[15]。星形膠質(zhì)細(xì)胞通過調(diào)節(jié)釋放ATP，Glu和D-絲氨酸(D-serine, D-Ser)在內(nèi)的突觸活性分子，在突觸傳遞中與神經(jīng)元發(fā)揮直接和相互作用的作用[16]。此外，由于單個星形膠質(zhì)細(xì)胞可能與數(shù)千個突觸接觸，星形膠質(zhì)細(xì)胞Ca2+濃度升高和隨后的Glu釋放導(dǎo)致神經(jīng)元簇的同步興奮，表明膠質(zhì)傳遞可能有助于神經(jīng)元同步[17]。因此，星形膠質(zhì)細(xì)胞不僅參與對突觸功能的調(diào)節(jié)，而且通過復(fù)雜神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)活動促進(jìn)腦功能輸出。

1.2星形膠質(zhì)細(xì)胞和縫隙連接除了調(diào)節(jié)局部環(huán)境外，星形膠質(zhì)細(xì)胞還可以通過縫隙連接形成功能網(wǎng)絡(luò)，并同時整合來自神經(jīng)元和突觸之外的信息[18]?？p隙連接通道由連接蛋白(connexin, CX)構(gòu)成，其中CX-43和CX-30亞型是星形膠質(zhì)細(xì)胞中的主要形式，縫隙連接是細(xì)胞間進(jìn)行物質(zhì)交換和信號交流的重要通道，允許離子和小分子物質(zhì)跨膜交換[19-20]?？p隙連接可以促進(jìn)去極化電流的擴(kuò)散以及腦損傷產(chǎn)生的有害物質(zhì)在相鄰細(xì)胞之間播散，在缺氧缺血誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡播散中起核心作用[21]。

1.3星形膠質(zhì)細(xì)胞與血腦屏障星形膠質(zhì)細(xì)胞的終足是血-腦屏障的一個重要組成部分。星形膠質(zhì)細(xì)胞從細(xì)胞體延伸出不重疊的星形突起，這些突起在遠(yuǎn)端包裹血管或腦膜相關(guān)的實質(zhì)基板時形成膠質(zhì)細(xì)胞界限，從而維持BBB的完整性，并形成二級屏障進(jìn)一步限制外周免疫細(xì)胞進(jìn)入CNS[22]。在星形膠質(zhì)細(xì)胞膜面軟腦膜表面和周圍血管的終足膜上存在大量的水通道蛋白4(aquaporin, AQP4)[23]，AQP4對調(diào)節(jié)BBB的通透性起非常重要的作用，參與BBB的發(fā)育、功能及完整性[24]。在大腦中，星形膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生并釋放多種分子介質(zhì)，調(diào)節(jié)血管直徑和血流量[25]，如前列腺素(prostaglandin, PG)、一氧化氮(nitric oxide, NO)和花生四烯酸(arachidonic acid)。此外，星形膠質(zhì)細(xì)胞也可以通過檢測突觸中Glu的水平，調(diào)節(jié)其終足中的Ca2+濃度，從而釋放膠質(zhì)遞質(zhì)來調(diào)節(jié)血流量[26]。因此，星形膠質(zhì)細(xì)胞對于調(diào)節(jié)和維持大腦BBB的功能是必不可少的。

2 反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞在缺血性腦卒中的作用

2.1反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞增生當(dāng)缺血性腦卒中時，星形膠質(zhì)細(xì)胞會經(jīng)歷形態(tài)學(xué)的改變，包括增生和肥大。在腦缺血幾分鐘內(nèi)，缺血核心區(qū)和半暗帶的受損神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生的細(xì)胞因子，如腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor, TNF-α)、轉(zhuǎn)化生長因子-α(transforming growth factor, TGF-α)、睫狀神經(jīng)營養(yǎng)因子(ciliary neurotrophic factor, CNTF)、白細(xì)胞介素-1(interleukin, IL-1)、IL-6和激肽釋放酶相關(guān)肽酶6(kallikrein-associated peptidase, KLK6)等，觸發(fā)星形膠質(zhì)細(xì)胞極化[27]。星形膠質(zhì)細(xì)胞的極化稱為反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞增生[28]，表現(xiàn)為細(xì)胞肥大、增殖，中間絲蛋白包括膠質(zhì)纖維酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein, GFAP)、波形蛋白(vimentin)和巢蛋白(nestin)的表達(dá)增加[29]，細(xì)胞結(jié)構(gòu)、基因轉(zhuǎn)錄、能量代謝、胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)運蛋白和膜轉(zhuǎn)運蛋白改變[30]。在腦缺血的幾天內(nèi)，反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞在缺血病變周圍形成膠質(zhì)瘢痕，一方面，膠質(zhì)瘢痕可以隔離損傷部位并防止其擴(kuò)展；另一方面，瘢痕中的星形膠質(zhì)細(xì)胞會廣泛表達(dá)抑制軸突再生的抑制分子，從而導(dǎo)致神經(jīng)元的再生失敗[31-33]。反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞的這些形態(tài)學(xué)特征伴隨著基因表達(dá)的改變，通過釋放促炎或抗炎細(xì)胞因子、趨化因子在內(nèi)的免疫和炎癥介質(zhì)參與神經(jīng)炎癥，這些細(xì)胞因子和趨化因子可能隨后發(fā)揮神經(jīng)毒性或神經(jīng)保護(hù)作用。基于反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞在神經(jīng)炎癥中發(fā)揮的作用不同，可將星形膠質(zhì)細(xì)胞極化表示為與神經(jīng)毒性有關(guān)的促炎表型(A1型)和神經(jīng)保護(hù)有關(guān)的抗炎表型(A2型)。已經(jīng)證實，反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞表型強烈依賴于誘導(dǎo)損傷的類型，脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)誘導(dǎo)A1型星形膠質(zhì)細(xì)胞，缺血誘導(dǎo)A2型星形膠質(zhì)細(xì)胞[34]。

2.2 A1型星形膠質(zhì)細(xì)胞對缺血性腦卒中的神經(jīng)毒性研究表明，神經(jīng)炎癥和腦缺血通過經(jīng)典激活的小膠質(zhì)細(xì)胞(M1型)分泌的IL-1α、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)和補體成分1q(complement, C1q)誘導(dǎo)星形膠質(zhì)細(xì)胞極化為神經(jīng)毒性A1表型[35]。反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞A1表型的標(biāo)記物主要包括組織相容性2(histocompatibility 2, H-2)、C3、D區(qū)位點1(D region locus 1, H2d1)和serpin家族G成員1(serpin family G member 1, Serping1)[36]。反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)化為促炎表型不僅喪失了促進(jìn)神經(jīng)元存活、生長、突觸形成和吞噬的能力[27]，且能釋放多種經(jīng)典的補體級聯(lián)成分，增加突觸變性以及誘導(dǎo)神經(jīng)元和少突膠質(zhì)細(xì)胞死亡[37]。星形膠質(zhì)細(xì)胞在腦缺血期間主要通過激活核因子-κB(nuclear factor kappa B, NF-κB)[38-39]及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子3(signal transducers and activators of transcription 3, STAT3)[40]通路來誘導(dǎo)炎性細(xì)胞因子(IL-1α, IL-1β, IL-6, TNF-α, 干擾素γ等)和神經(jīng)毒性介質(zhì)(NO, ROS等)的釋放，導(dǎo)致神經(jīng)元的損傷和死亡。A1型星形膠質(zhì)細(xì)胞可通過髓樣分化因子88(myeloid differentiation factor, MyD88)募集到IL-1受體的Toll樣受體(toll-like receptors, TLR)結(jié)構(gòu)域，從而導(dǎo)致NF-κB和絲裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinase, MAPK)的激活引起炎癥反應(yīng)[41]。此外，轉(zhuǎn)錄因子STAT1與諸多基因啟動子的干擾素γ激活序列元件結(jié)合，并與NF-κB和MAPK起協(xié)同作用，最大限度地誘導(dǎo)星形膠質(zhì)細(xì)胞中的促炎細(xì)胞因子和神經(jīng)毒性基因表達(dá)，從而進(jìn)一步加重神經(jīng)炎癥反應(yīng)[42]。在大鼠體內(nèi)誘導(dǎo)腦缺血和體外氧糖剝奪(oxygen-glucose deprivation, OGD)原代細(xì)胞培養(yǎng)實驗中，星形膠質(zhì)細(xì)胞過表達(dá)TLR4導(dǎo)致NF-κB的持續(xù)激活和促炎細(xì)胞因子IL-1表達(dá)增加，導(dǎo)致大鼠梗死體積增加以及原代細(xì)胞損傷加重[43]。據(jù)報道，脂質(zhì)運載蛋白2(lipocalin-2, Lcn2)可顯著抑制星形膠質(zhì)細(xì)胞中IL-4誘導(dǎo)的STAT6磷酸化，還抑制Arg-1、Ym-1、Mrc1和Fizz1等抗炎基因的表達(dá)，表明Lcn2阻斷星形膠質(zhì)細(xì)胞向抗炎激活方向的表型變化[44]。綜上，A1型星形膠質(zhì)細(xì)胞在缺血性腦卒中主要通過分泌炎癥細(xì)胞因子和神經(jīng)毒性介質(zhì)誘發(fā)神經(jīng)炎癥，加劇腦組織的損傷。

2.3 A2型星形膠質(zhì)細(xì)胞對缺血性腦卒中的神經(jīng)保護(hù)星形膠質(zhì)細(xì)胞除了在腦缺血早期的毒性作用外，A2反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞在大腦中發(fā)揮保護(hù)作用。與A1型相反，極化為A2表型的星形膠質(zhì)細(xì)胞獲得吞噬能力，并促進(jìn)神經(jīng)突觸形成和神經(jīng)元存活[45]。A2型星形膠質(zhì)細(xì)胞的特征標(biāo)記包括正五聚蛋白(pentraxin 3, Ptx3)、S100鈣結(jié)合蛋白A10(S100 calcium binding protein A10, S100a10)和鞘氨醇-1-磷酸受體3(sphingosine-1-phosphate receptor 3, S1pr3)[36]。在腦缺血時，一方面，A2型星形膠質(zhì)細(xì)胞可以產(chǎn)生多種神經(jīng)營養(yǎng)因子以保護(hù)神經(jīng)元，包括神經(jīng)生長因子(nerve growth factor, NGF)、胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factor-1, IGF-1)、CNTF、堿性成纖維細(xì)胞生長因子(basic fibroblast growth factor，BFGF)、腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor, BDNF)、膠質(zhì)源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(glial-derived neurotrophic factor, GDNF)、血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)和促紅細(xì)胞生成素(hemopoietin, EPO)[46]；另一方面，A2型星形膠質(zhì)細(xì)胞可以激活調(diào)節(jié)因子包括STAT3、ras同源家族成員A(Ras homolog family member A, RhoA)、低氧誘導(dǎo)因子1α亞基(hypoxia inducible factor-1α, HIF-1α)和EPO，參與神經(jīng)抗炎和神經(jīng)修復(fù)[47-49]。體外實驗發(fā)現(xiàn)，活化的星形膠質(zhì)細(xì)胞通過MAPK途徑釋放IL-17A，可增加神經(jīng)干細(xì)胞的神經(jīng)元分化比率，促進(jìn)神經(jīng)干細(xì)胞分化成神經(jīng)元[50]。據(jù)報道，干擾素調(diào)節(jié)因子(interferon regulatory factors, IRF3)在原代人類星形膠質(zhì)細(xì)胞中的過度表達(dá)導(dǎo)致細(xì)胞因子產(chǎn)生譜從促炎表型A1轉(zhuǎn)變?yōu)榭寡妆硇虯2，這與神經(jīng)保護(hù)有關(guān)[51]。在體外原代星形膠質(zhì)細(xì)胞培養(yǎng)和小鼠體內(nèi)實驗發(fā)現(xiàn)，前動力角蛋白(prokineticin2, PK2)的過表達(dá)誘導(dǎo)A2星形膠質(zhì)細(xì)胞表型的關(guān)鍵抗氧化基因和A2反應(yīng)性標(biāo)記物表達(dá)，發(fā)揮抗炎和抗氧化作用[52]。因此，A2型星形膠質(zhì)細(xì)胞在缺血性腦卒中主要是通過神經(jīng)營養(yǎng)因子和調(diào)節(jié)因子，發(fā)揮抗炎、抗氧化和保護(hù)神經(jīng)元的作用。

3 小結(jié)與展望

星形膠質(zhì)細(xì)胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中最豐富的細(xì)胞亞型，是“三方突觸”、血腦屏障和縫隙連接的重要參與者，并與所有類型的腦細(xì)胞進(jìn)行接觸和交流，在結(jié)構(gòu)和功能上參與正常的腦生理和缺血性病理反應(yīng)。缺血性腦卒中的星形膠質(zhì)細(xì)胞極化的過程極其復(fù)雜，A1型星形膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生和釋放炎癥介質(zhì)加重缺血性病變，相反A2型星形膠質(zhì)細(xì)胞通過限制病變延伸，減少毒性介質(zhì)和釋放神經(jīng)營養(yǎng)因子，發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)的作用。因此，以可控的方式誘導(dǎo)不同的星形膠質(zhì)細(xì)胞表型可能對控制有害的神經(jīng)炎癥反應(yīng)和促進(jìn)缺血性腦卒中神經(jīng)元修復(fù)的新療法的開發(fā)至關(guān)重要。這需要進(jìn)一步的研究來闡釋在缺血性腦卒中發(fā)展中星形膠質(zhì)細(xì)胞的極化是如何被調(diào)控的，從而使星形膠質(zhì)細(xì)胞成為藥理學(xué)和基于細(xì)胞學(xué)方法的有希望的治療靶點。