星形膠質(zhì)細(xì)胞線粒體作為缺血性腦卒中治療靶點(diǎn)的探討

蘇曉梅 張丹參

摘 要：缺血性腦卒中是中老年常見(jiàn)的急性腦血管病，是當(dāng)今世界主要的致死性疾病之一?，F(xiàn)有治療方案有限，僅適用于一小部分中風(fēng)患者。因此，開(kāi)發(fā)有效的治療方法以減少腦損傷至關(guān)重要。星形膠質(zhì)細(xì)胞（astrocyte，AS）是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的核心組成部分，其線粒體功能障礙是缺血性腦卒中的初始事件，在神經(jīng)元存活和神經(jīng)功能改善過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。以AS細(xì)胞線粒體在缺血性腦卒中發(fā)病中的作用機(jī)制為切入點(diǎn)，分析討論了缺血性腦卒中發(fā)生時(shí)AS細(xì)胞線粒體的生物能量與動(dòng)力學(xué)變化、細(xì)胞之間線粒體的轉(zhuǎn)移以及AS細(xì)胞線粒體對(duì)腦血流的調(diào)節(jié)作用，提出將AS細(xì)胞線粒體作為治療缺血性腦卒中的靶點(diǎn)之一，以更好地了解AS細(xì)胞線粒體在缺血誘導(dǎo)的神經(jīng)元死亡過(guò)程中的重要作用，為缺血性腦卒中的新型治療方案提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：神經(jīng)生物化學(xué);星形膠質(zhì)細(xì)胞;線粒體;缺血性腦卒中;腦損傷

中圖分類號(hào)：TQ464.51;R963?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.7535/hbkd.2021yx04010

收稿日期：2021-04-13;修回日期：2021-05-21;責(zé)任編輯：王淑霞

基金項(xiàng)目：河北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（20372509D）;河北省自然科學(xué)基金（H2020208032）;河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（ZD2020117）;河北省中醫(yī)藥管理局中醫(yī)藥科研計(jì)劃項(xiàng)目（2020268）;中央財(cái)政公共衛(wèi)生專項(xiàng)“中藥資源普查項(xiàng)目”（Z135080000022）

第一作者簡(jiǎn)介：蘇曉梅（1991—），女，河北石家莊人，博士研究生，主要從事神經(jīng)藥理學(xué)方面的研究。

通訊作者：張丹參教授。E-mail：zhangds2011@126.com

蘇曉梅，張丹參.星形膠質(zhì)細(xì)胞線粒體作為缺血性腦卒中治療靶點(diǎn)的探討[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2021，42（4）：400-409.SU Xiaomei，ZHANG Danshen.Discussion of astrocytic mitochondria as a therapeutic target for ischemic stroke[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2021，42（4）：400-409.

Discussion of astrocytic mitochondria as a therapeutic target for ischemic stroke

SU Xiaomei1，ZHANG Danshen1，2

（1.Pharmacological Division of Basic Medcical College，Hebei Medical University，Shijiazhuang，Hebei 050017，China;2.School of Chemical and Pharmaceutical Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China）

Abstract：Ischemic stroke is a common acute cerebrovascular disease in the middle-aged and elderly，and one of the most fatal diseases in the world.There are limited treatment options that currently exist and only apply to a small proportion of stroke patients，so developing effective treatments to reduce brain damage is critical.Astrocytes are the core components of the central nervous system.Mitochondrial dysfunction is the initial event of ischemic stroke and plays an important role in neuronal survival and neurological function improvement.In this paper，based on the role of astrocytic mitochondria in the pathogenesis of ischemic stroke，the changes of the biological energy and dynamics of astrocytic mitochondria，the functional transfer to neurons and the regulation of astrocytic mitochondria on cerebral blood flow by astrocytic mitochondrice were discussed.Emphasized that astrocytic mitochondria can be used as one of the targets for the treatment of ischemic stroke，so as to better understand the role of astrocytic mitochondria in the process of ischemia-induced neuronal death，and to provide a theoretical basis for the new treatment of ischemic stroke.

Keywords：

neurobiochemistry;astrocyte;mitochondria;ischemic stroke;brain damage

人類大腦由2類細(xì)胞組成，一類是神經(jīng)元，另一類是神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞。神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的數(shù)量約為神經(jīng)元的10倍，神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞在神經(jīng)元之間充當(dāng)填充物，同時(shí)為神經(jīng)元提供營(yíng)養(yǎng)。神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的主要成員是星形膠質(zhì)細(xì)胞（astrocyte，AS），AS細(xì)胞是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的支持基質(zhì)，作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能的核心組成部分，具有緩沖細(xì)胞外離子、清除氨基酸神經(jīng)遞質(zhì)、限制興奮性毒性、釋放神經(jīng)遞質(zhì)、促進(jìn)突觸發(fā)育等作用，對(duì)血腦屏障的完整性和控制神經(jīng)活動(dòng)至關(guān)重要。線粒體是細(xì)胞能量來(lái)源，其作用包括參與整合細(xì)胞功能，調(diào)節(jié)Ca2+信號(hào)，協(xié)調(diào)局部新陳代謝，整合生存、死亡線索等。AS細(xì)胞線粒體對(duì)缺血性腦卒中（ischemic stroke，IS）有著獨(dú)特作用，使AS細(xì)胞對(duì)缺氧環(huán)境具有彈性和適應(yīng)性，并且在IS后神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)中發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用。本文分析了缺血期間AS細(xì)胞線粒體的生物能量與動(dòng)力學(xué)變化、細(xì)胞之間線粒體的轉(zhuǎn)移以及AS細(xì)胞線粒體對(duì)腦血流的調(diào)節(jié)作用，提出可以通過(guò)調(diào)節(jié)AS細(xì)胞線粒體以對(duì)抗缺血性腦卒中，將AS細(xì)胞線粒體作為治療缺血性腦卒中損傷的重要靶點(diǎn)。

1 發(fā)病機(jī)制概述

腦卒中是由急性發(fā)生的血管或血液異常導(dǎo)致腦部血液循環(huán)障礙而發(fā)生的神經(jīng)功能缺損綜合征，具有高患病率、高復(fù)發(fā)率、高致殘率和高死亡率的特點(diǎn)。腦卒中是全球造成死亡和長(zhǎng)期致殘的主要原因之一[1]，是中國(guó)人死亡的第三大因素，僅次于惡性腫瘤和心臟病[2]，2018年157萬(wàn)人因腦卒中死亡，占全部死亡人數(shù)的22.33%。臨床上將腦卒中分為缺血性腦卒中、出血性腦卒中和短暫性腦缺血，其中缺血性腦卒中占比高達(dá)87%，是腦卒中的主要類型，主要由大腦動(dòng)脈栓塞引起[3]。大腦血液供應(yīng)不足會(huì)使腦細(xì)胞失去必要的葡萄糖和氧氣，擾亂細(xì)胞內(nèi)環(huán)境平衡，從而觸發(fā)病理生理過(guò)程，包括興奮性氨基酸毒性、氧化應(yīng)激、炎癥、細(xì)胞凋亡和細(xì)胞死亡等[4]，并且各種病理機(jī)制之間相互關(guān)聯(lián)，構(gòu)成復(fù)雜的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，最終導(dǎo)致級(jí)聯(lián)性腦損傷。短時(shí)間缺血時(shí)，腦組織血液快速恢復(fù)，可以減輕神經(jīng)元損傷，使其功能得到一定程度的恢復(fù);若缺血時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，神經(jīng)元?jiǎng)t出現(xiàn)不可逆損傷，即使血液再灌注也不能促進(jìn)組織恢復(fù)，反而引起繼發(fā)性損傷，因此缺血的有效治療方法是盡快恢復(fù)缺血組織的血流量[5]。例如，缺血性腦卒中的標(biāo)準(zhǔn)護(hù)理是利用重組組織型纖溶酶原激活劑（re-combinant tissue plasminogen activator，t-PA）溶栓或通過(guò)血管造影進(jìn)行血管重建，清除腦動(dòng)脈阻塞。但t-PA治療窗較窄，需要在腦卒中后3 h內(nèi)靜脈注射（某些符合條件的患者可延長(zhǎng)至4.5 h，且患者必須符合多項(xiàng)選擇標(biāo)準(zhǔn)，臨床上大約只有8%的腦卒中患者接受了t-PA溶栓治療[6]。為了解決目前腦卒中治療方法的不足，開(kāi)發(fā)新的治療靶點(diǎn)至關(guān)重要。

缺血性腦卒中通常是由動(dòng)脈栓塞或血栓性阻塞造成的腦血流量減少引起的。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中常用動(dòng)物的腦缺血再灌注損傷模型模擬缺血性腦卒中，其損傷機(jī)制從時(shí)間上可分為3個(gè)階段：急性缺血帶來(lái)的氧分壓降低及能量剝奪、恢復(fù)供血后Ca2+超載誘導(dǎo)神經(jīng)炎癥、再灌注后期神經(jīng)細(xì)胞死亡[7]。線粒體作為能量代謝的重要細(xì)胞器，富含大量酶類，這些酶不僅參與細(xì)胞氧化磷酸化和ATP合成，還調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)Ca2+與活性氧（reactive oxygen species，ROS），維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)。當(dāng)缺血性腦卒中發(fā)生時(shí)，線粒體維持的動(dòng)態(tài)平衡被打破，相關(guān)信號(hào)通路被激活，最終誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞級(jí)聯(lián)性損傷。具體損傷過(guò)程如下：腦缺血過(guò)程中，神經(jīng)細(xì)胞的生物能量減少，使得Na+/K+-ATP酶活性降低，離子穩(wěn)態(tài)失衡，細(xì)胞膜去極化，大量Ca2+內(nèi)流，Ca2+超載則引發(fā)神經(jīng)遞質(zhì)Glu過(guò)量釋放，產(chǎn)生興奮性氨基酸毒性;而Glu可以與Glu受體結(jié)合進(jìn)一步促進(jìn)大量的Ca2+內(nèi)流，造成線粒體功能障礙，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡;同時(shí)在腦梗死過(guò)程中，激活巨噬細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞，釋放血管活性介質(zhì)和促炎性細(xì)胞因子，促進(jìn)更多白細(xì)胞的浸潤(rùn)而引發(fā)神經(jīng)炎癥。炎癥細(xì)胞也能產(chǎn)生ROS和活性氮，反過(guò)來(lái)激活炎癥細(xì)胞，導(dǎo)致惡性循環(huán);此外，再灌注過(guò)程中，恢復(fù)血流和氧氣，ROS大量增加引發(fā)氧化應(yīng)激反應(yīng)，加重炎癥反應(yīng)，損傷血腦屏障，導(dǎo)致不可逆的腦組織損傷[8]?？梢?jiàn)，線粒體功能障礙是缺血性卒中后的初始事件，并與缺血性腦卒中緊密聯(lián)系，靶向線粒體能減輕缺血性腦卒中的破壞性結(jié)果，可作為治療缺血性腦卒中的新方法。綜上所述，線粒體在缺血性腦卒中的不同階段都發(fā)揮重要作用，從ATP的合成障礙到氧自由基的生成與釋放，再到細(xì)胞死亡，線粒體的形態(tài)與功能都與腦損傷息息相關(guān)。

2 AS細(xì)胞線粒體在缺血性腦卒中發(fā)病機(jī)制中的重要作用

AS細(xì)胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中含量最豐富的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，約占腦總體積的50%，其數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了神經(jīng)元[9]，主要分布于中樞神經(jīng)白質(zhì)和灰質(zhì)中。AS細(xì)胞與神經(jīng)元之間存在廣泛而復(fù)雜的信息傳遞，以直接相互作用的方式與神經(jīng)元發(fā)生聯(lián)系，在神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育、突觸傳遞、調(diào)控信息處理與信號(hào)傳遞、離子平衡、調(diào)節(jié)神經(jīng)和突觸的可塑性等方面都發(fā)揮重要作用[10]。在生理情況下，AS細(xì)胞對(duì)神經(jīng)元起營(yíng)養(yǎng)支持作用，在神經(jīng)損傷后，可參與糖、脂肪和體液代謝，具有神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)功能[11];在腦缺血情況下，AS細(xì)胞可以儲(chǔ)備糖原，為病理期葡萄糖短缺的神經(jīng)元提供能量，釋放神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子，促進(jìn)神經(jīng)元再生和修復(fù)，維持腦缺血后神經(jīng)功能的完整性和可塑性[12]。

線粒體最早在1890年被描述為“原生體”，隨后人們?cè)?898年發(fā)現(xiàn)了線粒體的各種形態(tài)，有時(shí)是球形，有時(shí)是細(xì)長(zhǎng)形，由此產(chǎn)生了線粒體這個(gè)名字，線粒體由希臘語(yǔ)單詞“mitos”（線）和“chondrion”（顆粒）2個(gè)詞組成[13]。線粒體作為細(xì)胞的動(dòng)力源，在細(xì)胞能量穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，廣泛存在于除哺乳動(dòng)物成熟紅細(xì)胞以外的所有真核細(xì)胞中[14]。線粒體的主要作用是通過(guò)線粒體電子傳遞鏈（electron transport chain，ETC）氧化磷酸化，以三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）的形式產(chǎn)生細(xì)胞能量，在氧化應(yīng)激、鈣平衡、細(xì)胞周期與發(fā)育、脂質(zhì)代謝、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞凋亡等活動(dòng)中發(fā)揮重要作用。與其他腦細(xì)胞相比，神經(jīng)元有更高的能量需求，但由于能量?jī)?chǔ)備不足，其更容易受到缺血環(huán)境的影響。AS細(xì)胞中的線粒體定位于突觸附近，隨著神經(jīng)元的活動(dòng)而移動(dòng)。初步研究證明，線粒體使AS細(xì)胞面對(duì)缺氧環(huán)境時(shí)具有彈性和適應(yīng)性。在面臨缺血狀態(tài)時(shí)，AS細(xì)胞線粒體可以發(fā)生生物能量變化和動(dòng)力學(xué)變化，并且可以向神經(jīng)元發(fā)生轉(zhuǎn)移，調(diào)節(jié)腦血流，對(duì)缺血后的神經(jīng)細(xì)胞發(fā)揮保護(hù)作用。因此，靶向AS細(xì)胞線粒體可能是一種新的干預(yù)方法，可以減輕缺血性腦卒中損傷和改善臨床治療效果。

2.1 缺血時(shí)AS細(xì)胞線粒體生物能量的變化

線粒體作為細(xì)胞的動(dòng)力源，在細(xì)胞能量穩(wěn)態(tài)中起關(guān)鍵作用。當(dāng)缺血性腦卒中發(fā)生時(shí)，大量Na+流入細(xì)胞，刺激Na+/Ca2+交換器的反向作用，產(chǎn)生電化學(xué)梯度，通過(guò)電壓依賴性陰離子通道和線粒體Ca2+單項(xiàng)轉(zhuǎn)運(yùn)體，驅(qū)動(dòng)Ca2+在線粒體中大量積累，線粒體通透性轉(zhuǎn)變孔（mitochondrial permeability transition pore，MPTP）開(kāi)放[15]。MPTP開(kāi)放后允許小分子物質(zhì)任意通過(guò)，破壞離子梯度，線粒體膜電位（Δψm）喪失，嵴出現(xiàn)滲透壓性腫脹，釋放細(xì)胞色素c和NADH到AS細(xì)胞胞漿中，從而引發(fā)級(jí)聯(lián)反應(yīng)導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。同時(shí)，線粒體Ca2+升高激活三羧酸循環(huán)（tricarboxylic acid cycle，TCA）脫氫酶，產(chǎn)生大量ROS，導(dǎo)致抗氧化通路失效[16]。反過(guò)來(lái)，ROS的產(chǎn)生和線粒體膜電位的丟失也可以刺激MPTP開(kāi)放和線粒體損傷，擾亂ATP合成，能量平衡受到破壞[17]。在再灌注過(guò)程中，神經(jīng)元釋放大量的谷氨酸（glutamate，Glu），AS細(xì)胞線粒體固定在Glu轉(zhuǎn)運(yùn)體和神經(jīng)元突觸附近[18]，促進(jìn)Glu代謝和ATP的產(chǎn)生，以滿足能量需求，如圖1所示。

雖然普遍認(rèn)為線粒體膜電位的崩潰可以導(dǎo)致AS細(xì)胞不可逆的死亡[19]，但最近研究表明，即使AS細(xì)胞經(jīng)歷了嚴(yán)重的線粒體去極化和氧化代謝損傷，其仍具有彈性。VOLOBOUEVA等[20]用AS細(xì)胞選擇性線粒體呼吸抑制劑氟檸檬酸鹽（fluorocitrate，F(xiàn)C）處理AS細(xì)胞2 h，線粒體膜電位在3 h后才出現(xiàn)下降。將神經(jīng)元和AS細(xì)胞共培養(yǎng)時(shí)，F(xiàn)C的作用更快、更強(qiáng)。然而，線粒體膜電位的嚴(yán)重喪失并沒(méi)有伴隨著AS細(xì)胞的死亡。將AS細(xì)胞與神經(jīng)元分別單獨(dú)培養(yǎng)，隨后進(jìn)行氧糖剝奪（oxygen glucose deprivation，OGD）60～70 min，AS細(xì)胞表現(xiàn)出更強(qiáng)的抗缺血能力，100%的神經(jīng)元受到不可逆的損傷，隨后細(xì)胞死亡，而OGD進(jìn)行4 h后AS細(xì)胞才出現(xiàn)死亡[21]。但當(dāng)AS細(xì)胞與神經(jīng)元共同培養(yǎng)，隨后進(jìn)行OGD時(shí)，AS細(xì)胞線粒體去極化速度加快，細(xì)胞死亡增加。一種假設(shè)是，AS細(xì)胞線粒體在OGD過(guò)程中經(jīng)歷了早期去極化，從有氧代謝轉(zhuǎn)為糖酵解，為能量受損的神經(jīng)元提供乳酸鹽，從而防止神經(jīng)元死亡，增加自身死亡。然而，這一過(guò)程依賴于AS細(xì)胞的糖原儲(chǔ)存過(guò)程。因此，需要快速恢復(fù)呼吸功能，防止不可逆的中樞神經(jīng)損傷。值得注意的是，體外培養(yǎng)的AS細(xì)胞與體內(nèi)的AS細(xì)胞有很大不同，體外培養(yǎng)的AS細(xì)胞具有單層形態(tài)，缺乏細(xì)胞間的突觸和血管接觸[22]，這種形態(tài)學(xué)差別是否影響AS細(xì)胞線粒體功能，以及一些基于體外培養(yǎng)的細(xì)胞是否會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生不同影響，仍需要在體內(nèi)系統(tǒng)中進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2 缺血時(shí)AS細(xì)胞線粒體的動(dòng)力學(xué)變化

線粒體是一種高度動(dòng)態(tài)的細(xì)胞器，能夠根據(jù)代謝的需要改變其結(jié)構(gòu)，從形態(tài)各異的單一小結(jié)構(gòu)跨越到多個(gè)星狀細(xì)胞過(guò)程的復(fù)雜互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)[23]。不同條件下，線粒體通過(guò)分裂和融合2個(gè)相反的過(guò)程維持其形態(tài)，并進(jìn)行成分交換，包括線粒體DNA（mtDNA）、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)等。分裂過(guò)程包括收縮和裂開(kāi)，可以增加線粒體的數(shù)量和分布，有助于線粒體的更新和再分配[24]。調(diào)節(jié)線粒體分裂的蛋白主要有：發(fā)動(dòng)蛋白相關(guān)蛋白1（dynamin-related protein 1，Drpl）和線粒體分裂蛋白1（mitochondrial fission protein 1，F(xiàn)is1）。其中Drpl是分裂的關(guān)鍵調(diào)控因子，通過(guò)幾種受體蛋白從胞質(zhì)被募集到線粒體外膜，這些受體蛋白包括線粒體動(dòng)力學(xué)蛋白質(zhì)49，51 kDa（mitochondrial dynamics proteins of 49 and 51 kDa，Mid49和Mid51），F(xiàn)is1/2、線粒體分裂因子（mitochondrial fission factor，Mff）等[25]（見(jiàn)圖2）。融合過(guò)程是2個(gè)相鄰線粒體的束縛和連接，伴隨線粒體內(nèi)膜和線粒體外膜的合并。受損線粒體可以得到健康線粒體的遺傳物質(zhì)及維持功能所必須的蛋白質(zhì)[26];正常情況下，線粒體融合可以通過(guò)成分分布和共享管狀網(wǎng)絡(luò)增加線粒體的完整性，還可以促進(jìn)各類細(xì)胞內(nèi)信號(hào)的傳遞、膜電位的傳導(dǎo)及線粒體脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）的互補(bǔ)修復(fù)[27]。調(diào)節(jié)線粒體融合的蛋白質(zhì)主要有：線粒體融合蛋白1和線粒體融合蛋白2（mitofusins 1 and 2，Mfn1/2）、視神經(jīng)萎縮相關(guān)蛋白1（optic atrophy 1，Opa1）等[28]（見(jiàn)圖2）。

分裂與融合具有既互補(bǔ)又獨(dú)立的特性，分裂和融合的相對(duì)比率決定了細(xì)胞的形狀、分布和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。正常情況下，分裂和融合同時(shí)進(jìn)行且速度基本相同，從而保持穩(wěn)定的細(xì)胞形態(tài)和功能。線粒體動(dòng)力學(xué)對(duì)細(xì)胞存活和死亡的調(diào)節(jié)非常重要，線粒體分裂是腦缺血后神經(jīng)元死亡的早期上游事件[29]。研究報(bào)道，線粒體在細(xì)胞凋亡前，分解成多個(gè)小單位，阻礙線粒體分裂，阻止細(xì)胞色素c的釋放和延緩細(xì)胞死亡。已有研究表明，Drp1在缺血性腦卒中發(fā)揮重要作用，線粒體氧化應(yīng)激過(guò)程中，Drp1表達(dá)上調(diào)，導(dǎo)致線粒體分裂和融合失衡，線粒體功能障礙和解體，最終細(xì)胞死亡[30]。使用抗氧化劑如維生素E或MitoQ可降低Drp1的表達(dá)，減少線粒體分裂[31]。相反，敲低Drp1基因使得線粒體產(chǎn)生的ROS減少[32]。此外，下調(diào)Drp1蛋白水平還可以減小梗死體積[33]。體外研究表明，對(duì)于Drp1突變細(xì)胞系，其線粒體分裂和凋亡細(xì)胞死亡顯著減少[34]。因此，Drp1不僅對(duì)線粒體分裂至關(guān)重要，對(duì)細(xì)胞命運(yùn)也至關(guān)重要。然而在缺血性腦卒中過(guò)程中，關(guān)于線粒體融合蛋白的研究較少，在缺氧模型中發(fā)現(xiàn)，Mfn2的表達(dá)減少，并且Mfn2可能通過(guò)恢復(fù)線粒體功能發(fā)揮抗凋亡作用[35]。有報(bào)道稱，在腦缺血損傷中，運(yùn)動(dòng)可增加Opa1的表達(dá)，從而減輕腦水腫[36]。線粒體融合的潛在益處，尤其是增強(qiáng)Mfn2的表達(dá)，在腦缺血中的作用仍有待闡明。線粒體在腦缺血疾病中發(fā)揮重要作用，可以通過(guò)調(diào)節(jié)線粒體分裂和融合過(guò)程中的相關(guān)蛋白，改善缺血性腦卒中造成的神經(jīng)元損傷。

線粒體分布于AS細(xì)胞整個(gè)細(xì)胞體最細(xì)的分支和末梢，細(xì)長(zhǎng)的線粒體通常見(jiàn)于胞體和主要的分支內(nèi)，而長(zhǎng)度在0.2～6.0 μm之間的細(xì)短線粒體主要分布于外圍，包括外周神經(jīng)突起[37]。OWENS等[38]利用熒光標(biāo)記線粒體的轉(zhuǎn)基因小鼠作為模型，考察雙側(cè)頸總動(dòng)脈阻塞和低血壓引起的短暫性腦缺血過(guò)程中AS細(xì)胞和神經(jīng)元的線粒體形態(tài)學(xué)變化。結(jié)果表明，在缺血早期，神經(jīng)元的線粒體變小，形狀接近球形，管狀線粒體開(kāi)始減少，表明分裂增加;隨后，部分球狀線粒體出現(xiàn)腫脹，發(fā)生不可逆的膜破裂，幾天后可見(jiàn)熒光染料滲漏到細(xì)胞質(zhì)中。相似地，AS細(xì)胞線粒體的球形亞群增加，在恢復(fù)氧氣和葡萄糖2 h后，相應(yīng)的管狀線粒體明顯減少，表明分裂增加;然而，與神經(jīng)元不同的是，在復(fù)氧4 h后，AS細(xì)胞中的管狀線粒體增加，表明融合增強(qiáng)。此外，在持續(xù)缺血24 h情況下，AS細(xì)胞線粒體仍然形態(tài)正常，沒(méi)有明顯分裂，與對(duì)照組相比，桿狀及管狀正常線粒體所占比例無(wú)顯著差異。研究顯示，當(dāng)線粒體受到氧化損傷時(shí)，其形態(tài)會(huì)從桿狀或管狀變?yōu)榍驙罨颦h(huán)狀，破壞線粒體表面積和體積比，改變線粒體基質(zhì)蛋白或DNA的正常分布，以及線粒體呼吸鏈復(fù)合體的正常分布，最終影響線粒體的呼吸功能[39-40]。實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組AS細(xì)胞正常線粒體所占比例相同，表明與神經(jīng)元相比，AS細(xì)胞線粒體動(dòng)態(tài)修復(fù)能力更強(qiáng)，可以從缺血應(yīng)激中恢復(fù)，防止細(xì)胞死亡。這是由于AS細(xì)胞內(nèi)在的線粒體特性，還是由于AS細(xì)胞與神經(jīng)元對(duì)缺血的負(fù)荷不同，目前尚不清楚。

然而，缺血時(shí)線粒體網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)重構(gòu)可能提供了一種適應(yīng)性機(jī)制來(lái)維持線粒體和細(xì)胞功能。Glu可能在這一過(guò)程中起關(guān)鍵作用，激活A(yù)S細(xì)胞Glu轉(zhuǎn)運(yùn)體可以導(dǎo)致AS細(xì)胞過(guò)程中的線粒體阻滯[41]。因此，在缺血損傷時(shí)神經(jīng)元釋放的Glu可能是AS細(xì)胞線粒體網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)的主要調(diào)控因子，其能促進(jìn)AS細(xì)胞存活，對(duì)鄰近神經(jīng)元發(fā)揮保護(hù)和修復(fù)作用，降低不可逆的損傷程度。

2.3 缺血時(shí)AS細(xì)胞線粒體的轉(zhuǎn)移

與神經(jīng)元不同的是，AS細(xì)胞可以通過(guò)糖酵解產(chǎn)生ATP，使AS細(xì)胞在面對(duì)低氧血癥和低血糖時(shí)具有彈性[42]。使用線粒體呼吸鏈功能必需的Cox10基因誘導(dǎo)小鼠AS細(xì)胞線粒體功能障礙，結(jié)果表明有呼吸缺陷的AS細(xì)胞可以長(zhǎng)期存活，且表型和功能正常[43]，但不能維持正常的局部組織和功能[44]。與正常AS細(xì)胞相比，基因靶向的AS細(xì)胞盡管呼吸鏈功能丟失，但線粒體數(shù)量和形態(tài)未發(fā)生改變，且腦內(nèi)乳酸增加，證明AS細(xì)胞單靠延長(zhǎng)糖酵解時(shí)間可以存活，且缺氧后，AS細(xì)胞可以為鄰近神經(jīng)元提供能量底物（即乳酸）。

AS細(xì)胞除了通過(guò)乳酸穿梭為神經(jīng)元提供能量基質(zhì)外，還可以直接為神經(jīng)元提供功能性的線粒體，將神經(jīng)元從缺血性損傷中拯救出來(lái)。線粒體轉(zhuǎn)移是一種保護(hù)機(jī)制，針對(duì)應(yīng)激級(jí)聯(lián)反應(yīng)，拯救線粒體功能障礙的受損細(xì)胞。細(xì)胞間囊泡和細(xì)胞器可以通過(guò)隧道納米管或細(xì)胞外囊泡進(jìn)行交換[45-46]，從相鄰的健康線粒體轉(zhuǎn)移到含有受損線粒體的細(xì)胞。HAYAKAWA等[47]報(bào)道了在小鼠局灶性腦卒中模型和體外培養(yǎng)的AS細(xì)胞OGD處理后，AS細(xì)胞可以通過(guò)CD38依賴機(jī)制將功能性線粒體轉(zhuǎn)移到神經(jīng)元中，該過(guò)程中細(xì)胞外線粒體的生成涉及原代皮質(zhì)AS細(xì)胞產(chǎn)生的囊泡或顆粒。在體外實(shí)驗(yàn)中，將培養(yǎng)的皮質(zhì)神經(jīng)元經(jīng)OGD處理后，加入AS細(xì)胞培養(yǎng)液（astrocyte-conditioned medium，ACM），受損神經(jīng)元的ATP水平得以恢復(fù)，細(xì)胞活性增強(qiáng)。用膜電位依賴性熒光染料MitoTracker Red CMXRos熒光標(biāo)記ACM中囊泡內(nèi)的線粒體，將含線粒體的ACM加入到OGD損傷后的神經(jīng)元中，發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元內(nèi)可以檢測(cè)到AS細(xì)胞線粒體，如果從ACM中去除細(xì)胞外線粒體，則該神經(jīng)保護(hù)作用消失。同樣，在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，將從ACM收集的熒光標(biāo)記的細(xì)胞外線粒體顆粒注射到小鼠梗死周圍皮質(zhì)，24 h后觀察到相鄰神經(jīng)元內(nèi)存在熒光標(biāo)記的AS細(xì)胞線粒體，并且神經(jīng)元細(xì)胞存活相關(guān)信號(hào)普遍上調(diào)，線粒體標(biāo)志物增加。

在此過(guò)程中，將功能性的AS細(xì)胞線粒體轉(zhuǎn)移到神經(jīng)元中的關(guān)鍵是CD38基因，CD38缺陷小鼠在腦損傷后表現(xiàn)出功能恢復(fù)受損，并且CD38突變也是行為功能障礙的危險(xiǎn)因素[48]。用siRNA-介導(dǎo)敲低CD38，體外培養(yǎng)的神經(jīng)元中AS細(xì)胞線粒體的熒光強(qiáng)度顯著降低，神經(jīng)元內(nèi)線粒體密度降低，表明AS細(xì)胞線粒體向受損神經(jīng)元的轉(zhuǎn)移減少。在體敲除CD38基因并沒(méi)有改變總的梗死面積，但使得神經(jīng)元線粒體數(shù)量減少，表明AS細(xì)胞-神經(jīng)元轉(zhuǎn)移可能受損，該結(jié)果在小鼠體內(nèi)局灶性腦缺血模型中也得到驗(yàn)證，表明CD38活性對(duì)AS細(xì)胞支持神經(jīng)元的功能非常重要。然而，當(dāng)使用高濃度熒光染料時(shí)，有破壞線粒體網(wǎng)絡(luò)的可能，并從標(biāo)記細(xì)胞中泄漏出來(lái)，在懸液中形成熒光微粒，未來(lái)對(duì)小鼠的研究使用基因方法跟蹤和確認(rèn)線粒體轉(zhuǎn)移，應(yīng)繞過(guò)線粒體染料的毒性問(wèn)題。

轉(zhuǎn)移過(guò)程中，引導(dǎo)線粒體從AS細(xì)胞釋放并進(jìn)入神經(jīng)元的特定細(xì)胞信號(hào)通路，以及細(xì)胞外囊泡的傳導(dǎo)機(jī)制，仍有待進(jìn)一步闡明。目前，沒(méi)有證據(jù)可以表明含有線粒體的囊泡可以直接將線粒體釋放到相鄰細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中，如果含有線粒體的微粒通過(guò)神經(jīng)元進(jìn)行常規(guī)內(nèi)吞作用，則可能會(huì)激活破壞囊泡的內(nèi)吞途徑，因此不太可能釋放功能性線粒體。故有一種假設(shè)，包含線粒體的ACM囊泡，僅與神經(jīng)元連接，而不存在于細(xì)胞內(nèi)。如果ACM中的微粒附著于表面，而沒(méi)有直接將線粒體轉(zhuǎn)移到神經(jīng)元中，那么ACM中的微粒利用自身代謝活性，將釋放或轉(zhuǎn)移小分子物質(zhì)[49]。其具體過(guò)程為：AS細(xì)胞與神經(jīng)元之間的縫隙連接介導(dǎo)線粒體微粒與質(zhì)膜連接，從而導(dǎo)致通道形成，小分子物質(zhì)可以通過(guò)AS細(xì)胞線粒體微粒和神經(jīng)元質(zhì)膜上存在的縫隙連接蛋白-43（connexin-43，Cx43）半通道，擴(kuò)散進(jìn)入受損神經(jīng)元（見(jiàn)圖3 B）。在MCAO大鼠模型中，注射外源性線粒體被神經(jīng)元、AS細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞攝取，改善了線粒體功能，提高了大鼠的運(yùn)動(dòng)能力[50]。通過(guò)線粒體轉(zhuǎn)移恢復(fù)失衡的線粒體動(dòng)力學(xué)，可能是一種減輕由腦卒中引起神經(jīng)元死亡的潛在方法。

此外，受損細(xì)胞的線粒體也能向健康細(xì)胞轉(zhuǎn)移，研究報(bào)道野生小鼠的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞軸突在視神經(jīng)頭（optic nerve head，ONH）脫落線粒體，轉(zhuǎn)移至相鄰的AS細(xì)胞進(jìn)行內(nèi)吞和降解，這一過(guò)程被稱為轉(zhuǎn)移線粒體自噬（見(jiàn)圖3 A），該現(xiàn)象也可能發(fā)生在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的其他位置，因?yàn)樵诖竽X皮層的表層中神經(jīng)軸突周圍積累了結(jié)構(gòu)相似的降解線粒體[51]，打破了神經(jīng)元或其他細(xì)胞必須自身降解線粒體的假設(shè)。短暫缺血狀態(tài)下，神經(jīng)元將損傷的線粒體轉(zhuǎn)移至AS細(xì)胞進(jìn)行降解，可以對(duì)神經(jīng)元發(fā)揮一定程度的保護(hù)作用;相反，不受控制的自噬可能導(dǎo)致神經(jīng)元線粒體無(wú)限降解和死亡。因此，嚴(yán)格控制線粒體轉(zhuǎn)移自噬機(jī)制對(duì)于維持健康的線粒體網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。

2.4 缺血時(shí)AS細(xì)胞線粒體對(duì)腦血流的調(diào)節(jié)作用

AS細(xì)胞是腦內(nèi)最豐富的膠質(zhì)細(xì)胞，AS細(xì)胞粗大突起末端膨大成終足，貼附于毛細(xì)血管外周形成膠質(zhì)膜，包繞了毛細(xì)血管85%的表面[52]，從而加強(qiáng)了對(duì)血腦屏障的調(diào)節(jié)作用并在腦血液循環(huán)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用。AS細(xì)胞在中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)起結(jié)構(gòu)支持作用，中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)神經(jīng)元及其突起間的空隙幾乎全部由AS細(xì)胞充填，這樣有益于膠質(zhì)分離、維持血管、神經(jīng)元胞體、軸突及突觸之間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，AS細(xì)胞在維持腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞的特異性功能、神經(jīng)元的正常功能、促進(jìn)蛋白聚糖合成和維持血腦屏障的完整性等方面起到重要作用[53]。AS細(xì)胞以終足與中樞神經(jīng)系統(tǒng)中其他類型細(xì)胞相接觸，包括微動(dòng)脈、毛細(xì)血管，組成神經(jīng)血管單元，構(gòu)成神經(jīng)膠質(zhì)-血管系統(tǒng)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[54]，成為神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和血管網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁，發(fā)出各種調(diào)節(jié)信號(hào)，聯(lián)系神經(jīng)元和血管系統(tǒng)[55]。

AS細(xì)胞可以通過(guò)影響血管直徑調(diào)節(jié)血流，具體過(guò)程如圖4所示。神經(jīng)元釋放神經(jīng)遞質(zhì)Glu，AS細(xì)胞受體激活，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)運(yùn)體攝取，啟動(dòng)細(xì)胞內(nèi)Ca2+信號(hào)，傳遞到AS細(xì)胞終足。終足上的Ca2+信號(hào)刺激血管活性因子（包括一氧化氮、前列腺素、花生四烯酸代謝物、腺苷等）釋放到大腦血管上[56]，引起血管擴(kuò)張，從而增加血流量，滿足神經(jīng)元代謝需求。研究表明，刺激誘發(fā)AS細(xì)胞和血管終足的Ca2+信號(hào)，可以引起體內(nèi)血管直徑的變化[57]。Ca2+信號(hào)的強(qiáng)度也是血管反應(yīng)極性的決定因素，其中AS細(xì)胞Ca2+的中度升高可引起血管舒張，而大量升高則可引起血管收縮[58]。此外，在體外試驗(yàn)中，氧氣含量也可以調(diào)節(jié)血管收縮或擴(kuò)張，高氧含量（95% O2，5% CO2）導(dǎo)致海馬和新生皮層的AS細(xì)胞內(nèi)Ca2+釋放，引起血管收縮;而低氧含量（20% O2，5% CO2）則使管徑改變變?yōu)閿U(kuò)張。血氧含量的調(diào)節(jié)是通過(guò)細(xì)胞外乳酸濃度來(lái)改變特定的AA代謝物水平?？傊?，AS細(xì)胞終足可以通過(guò)形成Ca2+瞬變和釋放血管活性脂質(zhì)，引起周圍小動(dòng)脈直徑的擴(kuò)張或收縮。

另一種調(diào)節(jié)血管直徑的方法是通過(guò)AS細(xì)胞線粒體調(diào)節(jié)Ca2+信號(hào)。有證據(jù)表明AS細(xì)胞線粒體通過(guò)神經(jīng)血管耦合發(fā)揮作用，用氟代檸檬酸選擇性抑制AS細(xì)胞線粒體烏頭酸酶，引起大鼠視網(wǎng)膜小動(dòng)脈張力的喪失[59]。線粒體既是Ca2+的來(lái)源，也是Ca2+緩沖器，此外還調(diào)節(jié)Ca2+瞬變的空間限制和動(dòng)力學(xué)。當(dāng)OGD后AS細(xì)胞過(guò)程中線粒體丟失時(shí)，AS細(xì)胞遠(yuǎn)端的自發(fā)Ca2+信號(hào)顯著增加[60]。這些數(shù)據(jù)表明線粒體在AS細(xì)胞中促進(jìn)Ca2+信號(hào)的形成。Ca2+瞬變也由線粒體產(chǎn)生，提示線粒體是Ca2+增加的潛在來(lái)源。此外，抑制MPTP藥物開(kāi)放可以引起Ca2+瞬變減少35%，應(yīng)用神經(jīng)元激活劑可以增加其數(shù)量和頻率。在電鏡研究中，通過(guò)使用基因編碼的線粒體定位熒光蛋白對(duì)AS細(xì)胞線粒體進(jìn)行標(biāo)記，結(jié)果表明AS細(xì)胞線粒體富集于終足包圍的血管中[61]，即AS細(xì)胞-血管界面位點(diǎn)，可以調(diào)節(jié)對(duì)神經(jīng)血管耦合至關(guān)重要的Ca2+信號(hào)，但AS細(xì)胞線粒體在反應(yīng)中的作用機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。

此外，TAKANO等[62]指出，AS細(xì)胞控制大腦血液局部微循環(huán)，控制著突觸傳遞和神經(jīng)血管系統(tǒng)的偶聯(lián)[63]，一個(gè)AS細(xì)胞的突起能與數(shù)萬(wàn)個(gè)突觸相接觸，而且還有其他突起的末梢停留在毛細(xì)血管和小動(dòng)脈上。AS細(xì)胞突起末梢中Ca2+的變化能引起小動(dòng)脈擴(kuò)張或收縮，從而控制大腦微循環(huán)。除了對(duì)血管系統(tǒng)的作用外，AS細(xì)胞能調(diào)節(jié)神經(jīng)元的整合作用，并與神經(jīng)元的功能相協(xié)調(diào)。大腦的正常功能依賴于氧和葡萄糖的供應(yīng)，而各種神經(jīng)血管控制機(jī)制保證腦部足夠的血液供應(yīng)。所以，AS細(xì)胞能感知神經(jīng)元的活動(dòng)，也可以說(shuō)，神經(jīng)元活動(dòng)能控制腦中微循環(huán)是依靠AS細(xì)胞作為中介完成的。

許多早期的線粒體研究主要集中在生物能量作用上。然而，近幾十年來(lái)，由于動(dòng)物模型、成像技術(shù)方法的進(jìn)步，人們對(duì)線粒體功能的認(rèn)識(shí)發(fā)生了變化，意識(shí)到細(xì)胞器在細(xì)胞功能和信號(hào)事件中的重要性，包括與腦血管疾病相關(guān)的功能，如凋亡信號(hào)、線粒體生物發(fā)生、線粒體動(dòng)力學(xué)、線粒體自噬和質(zhì)量控制，以及在免疫中的新作用。由于神經(jīng)元突觸和樹(shù)突中需要大量線粒體，干細(xì)胞可以作為外源性健康線粒體的供體，因此干細(xì)胞治療成為缺血性腦卒中靶向線粒體的一種替代方法。一些報(bào)告顯示，利用干細(xì)胞作為疾病的治療劑，在線粒體功能障礙中可發(fā)揮重要作用。干細(xì)胞可以通過(guò)隧道納米管、細(xì)胞外囊泡或簡(jiǎn)單的細(xì)胞融合將線粒體轉(zhuǎn)移到損傷細(xì)胞，細(xì)胞間線粒體轉(zhuǎn)移可恢復(fù)線粒體功能，放大細(xì)胞存活信號(hào)，重組分化細(xì)胞，有助于恢復(fù)受體細(xì)胞的細(xì)胞活力。近年來(lái)，在心肌缺血損傷的患者中，線粒體移植已獲得成功，研究人員應(yīng)將重點(diǎn)放在利用干細(xì)胞治療缺血性腦卒中上。然而，線粒體轉(zhuǎn)移的臨床實(shí)施仍面臨挑戰(zhàn)，未來(lái)仍需要進(jìn)一步研究。

3 結(jié) 語(yǔ)

缺血性腦卒中是中老年常見(jiàn)的急性腦血管病，無(wú)論是在發(fā)達(dá)國(guó)家還是在發(fā)展中國(guó)家，腦卒中都是當(dāng)今世界主要的致死性疾病之一。腦卒中在中國(guó)具有“高發(fā)病率、高死亡率、高致殘率、高復(fù)發(fā)率、高經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)”5大特點(diǎn)。目前的溶栓治療方案僅適用于一小部分中風(fēng)患者，因此，開(kāi)發(fā)有效的治療方法減少腦損傷至關(guān)重要。AS細(xì)胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中數(shù)量最多的細(xì)胞類型，具有營(yíng)養(yǎng)、支持和調(diào)節(jié)神經(jīng)元活動(dòng)的作用。其中，AS細(xì)胞線粒體在缺血性腦卒中病理過(guò)程中發(fā)揮著獨(dú)特作用。缺血時(shí)，AS細(xì)胞線粒體的生物能量和動(dòng)力學(xué)會(huì)發(fā)生變化，功能性線粒體向神經(jīng)元發(fā)生轉(zhuǎn)移，并對(duì)腦血流進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而修復(fù)受損的神經(jīng)元。AS細(xì)胞線粒體的保護(hù)機(jī)制，為缺血性腦卒中治療藥物的開(kāi)發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。

目前對(duì)AS細(xì)胞線粒體的理解是初步的，未來(lái)的研究方向主要包括以下幾個(gè)方面：

1）比較大腦不同區(qū)域的周圍半暗區(qū)和梗死核心區(qū)，在缺血情況下線粒體的動(dòng)力學(xué)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征。

2）深入探究供體細(xì)胞釋放線粒體和受體細(xì)胞識(shí)別線粒體的主要機(jī)制。

3）AS細(xì)胞作為逆轉(zhuǎn)缺血性腦卒中損傷的關(guān)鍵，需要明確相關(guān)的治療靶點(diǎn)。在線粒體動(dòng)力學(xué)變化過(guò)程中，調(diào)節(jié)線粒體分裂和融合的相關(guān)蛋白、線粒體運(yùn)輸過(guò)程中的肌動(dòng)蛋白重鏈（KHC）以及作為馬達(dá)適配器的Miro和milton，均可以作為AS細(xì)胞線粒體的治療靶點(diǎn)。

4）以探討AS細(xì)胞線粒體在缺血時(shí)對(duì)神經(jīng)元的保護(hù)作用為切入點(diǎn)，全方位評(píng)價(jià)AS細(xì)胞線粒體在缺血性腦卒中的作用，以期為缺血性腦卒中的治療提供思路和理論基礎(chǔ)。

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