反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的作用

王若儒，李媛媛，黃韋華，孫旭，黎佳思

(海軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院 a.神經(jīng)內(nèi)科，b.輸血科，上海 200433)

星形膠質(zhì)細(xì)胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nerve system，CNS)中最豐富的細(xì)胞之一[1]。研究發(fā)現(xiàn)，星形膠質(zhì)細(xì)胞的功能是動態(tài)的，其可根據(jù)不同的時間點(diǎn)、觸發(fā)因素或反應(yīng)途徑改變自身功能，從而產(chǎn)生截然不同的生物學(xué)效應(yīng)；在CNS損傷刺激下，某些星形膠質(zhì)細(xì)胞的基因表達(dá)會發(fā)生改變，因基因表達(dá)改變而失去原有功能或獲得其他功能的星形膠質(zhì)細(xì)胞被稱為反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞(reactive astrocytes，RAS)[2]。在CNS損傷、感染性疾病、腫瘤、腦血管病、癲癇、神經(jīng)退行性疾病以及炎性脫髓鞘疾病中，RAS表達(dá)均顯著上調(diào)并參與疾病的發(fā)生發(fā)展過程[3-5]。動物實(shí)驗(yàn)表明，RAS至少存在兩個亞型，即由炎癥刺激(脂多糖)誘導(dǎo)的A1型RAS(經(jīng)典表型)和由缺血(大腦中動脈閉塞)刺激誘導(dǎo)的A2型RAS(替代表型)；A1型RAS通過分泌細(xì)胞毒性物質(zhì)誘導(dǎo)神經(jīng)元和少突膠質(zhì)細(xì)胞死亡，起到損傷作用；A2型RAS通過釋放神經(jīng)營養(yǎng)因子和其他保護(hù)因子促進(jìn)神經(jīng)元存活，具有修復(fù)功能[2]。現(xiàn)就RAS在CNS疾病中的作用予以綜述。

1 RAS概述

20世紀(jì)70年代，人類首次從部分星形膠質(zhì)細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)膠質(zhì)纖維酸性蛋白，并首次提出RAS[6]。人們普遍認(rèn)為，RAS由星形膠質(zhì)細(xì)胞受到刺激后增殖產(chǎn)生，其可在損傷組織周圍形成瘢痕組織，從而在CNS疾病急性期發(fā)揮保護(hù)作用，在慢性期發(fā)揮損害作用[7]。Zamanian等[8]通過分析純化小鼠RAS基因圖譜發(fā)現(xiàn)，不同刺激可誘導(dǎo)形成兩類具有不同功能的RAS。因此，將RAS定義為對不同類型損傷刺激產(chǎn)生具有高度異質(zhì)性反應(yīng)的星形膠質(zhì)細(xì)胞[2]。抑制A1型RAS的產(chǎn)生可減少其細(xì)胞毒性作用、促進(jìn)A2型RAS的產(chǎn)生，放大其保護(hù)性作用，已成為目前CNS疾病治療的新方向。

1.1RAS的功能 在CNS受到損傷刺激后，星形膠質(zhì)細(xì)胞在分子以及細(xì)胞層面發(fā)生相應(yīng)改變形成RAS，并非僅僅外形改變。RAS的功能隨著損傷種類和嚴(yán)重程度的不同而變化，RAS被激活的過程由細(xì)胞間和細(xì)胞內(nèi)信號分子以及機(jī)體內(nèi)環(huán)境共同誘導(dǎo)。

1.1.1RAS的保護(hù)作用 RAS的保護(hù)作用主要包括：①通過谷胱甘肽合成酶調(diào)節(jié)谷胱甘肽的產(chǎn)生，抑制神經(jīng)元的氧化損傷[9]；②通過表達(dá)縫隙連接蛋白43等促進(jìn)腺苷釋放，保護(hù)神經(jīng)[10]；③降低氨離子的毒性作用[11]；④通過降解β淀粉樣蛋白保護(hù)神經(jīng)[12]；⑤維護(hù)血腦屏障功能并促進(jìn)血腦屏障修復(fù)[13]；⑥分泌轉(zhuǎn)化生長因子-β，促進(jìn)神經(jīng)元存活和軸突再生[14]；⑦抑制炎癥細(xì)胞或炎癥反應(yīng)由損傷區(qū)域向健康CNS實(shí)質(zhì)擴(kuò)散[15]等。

1.1.2RAS的損傷作用 RAS的損傷作用主要包括：①通過產(chǎn)生白細(xì)胞介素(interleukin，IL)-1α、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、IL-6、誘導(dǎo)型一氧化氮合酶等炎癥因子加劇炎癥反應(yīng)[2]；②產(chǎn)生血管內(nèi)皮生長因子等細(xì)胞因子，損害血腦屏障功能[16]；③過度激活水通道蛋白4，引起細(xì)胞毒性水腫[17]；④影響興奮性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1釋放潛在的興奮性毒性谷氨酸[18]；⑤通過CXC趨化因子配體12/CXC趨化因子受體4介導(dǎo)炎癥性疼痛[19]等。

1.2RAS的分型 研究發(fā)現(xiàn)，RAS在CNS疾病早期主要發(fā)揮保護(hù)作用，在疾病晚期主要發(fā)揮損傷作用[13]。但有研究顯示，RAS在急性炎癥早期具有損傷作用，而在帕金森病(Parkinson′s disease，PD)等慢性疾病中具有保護(hù)作用[20]。Han等[21]通過顱內(nèi)注射提取自大腸埃希菌O55：B55的脂多糖誘導(dǎo)RAS產(chǎn)生。隨后，Zamanian等[8]通過閉塞成年雄性小鼠大腦中動脈誘導(dǎo)短暫缺血的方式誘導(dǎo)RAS產(chǎn)生?；驒z測顯示，A1型RAS與A2型RAS的基因表達(dá)差異明顯，在脂多糖誘導(dǎo)的RAS中有57個基因表達(dá)上調(diào)，但這些基因并未在大腦中動脈閉塞誘導(dǎo)的RAS中過表達(dá)；在大腦中動脈閉塞誘導(dǎo)的RAS中有150個基因表達(dá)上調(diào)，在脂多糖誘導(dǎo)的RAS中則未見這些基因過表達(dá)[1,8]。Liddelow等[3]參照巨噬細(xì)胞命名方法，將神經(jīng)炎癥誘導(dǎo)的RAS命名為A1型(經(jīng)典表型)，將缺血誘導(dǎo)的RAS命名為A2型(替代表型)，并根據(jù)其基因表達(dá)水平將C3d和S100A10分別作為A1型和A2型RAS的標(biāo)志物。兩種RAS表型參與的具體信號通路見表1。

表1 RAS分子表達(dá)的變化

續(xù)表1

1.2.1A1型RAS A1型RAS的特點(diǎn)主要包括：①星形膠質(zhì)細(xì)胞在活化為A1型RAS的過程中自身突觸減少，提示其促突觸功能可能喪失或已產(chǎn)生突觸毒性[2]；②A1型RAS可上調(diào)補(bǔ)體級聯(lián)基因的表達(dá)，同時還可分泌可溶性毒素或上調(diào)人脂質(zhì)運(yùn)載蛋白2、IL-1α、補(bǔ)體1q、TNF-α、γ干擾素、前列腺素D2等的表達(dá)[13,28]，提示其具有神經(jīng)毒性；③A1型RAS清除髓鞘碎片的能力存在缺陷，影響體內(nèi)突觸修剪的效率[22]。研究表明，在中樞神經(jīng)損傷后，A1型RAS主要由IL-1α、TNF-α和補(bǔ)體1q誘導(dǎo)產(chǎn)生，且IL-1α、TNF-α和補(bǔ)體1q水平均與小膠質(zhì)細(xì)胞的激活呈正相關(guān)；將IL-1α、TNF-α和補(bǔ)體1q的中和抗體聯(lián)合注射入視神經(jīng)受擠壓小鼠的玻璃體，以抑制A1型RAS的形成，結(jié)果發(fā)現(xiàn)視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞死亡顯著減少[3,15]。另有研究表明，核因子κB可激活A(yù)1型RAS并釋放補(bǔ)體C3[22]，從而進(jìn)一步激活轉(zhuǎn)化生長因子-β信號通路[37]、Notch-少突膠質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子2信號通路以及Rac-谷光氨肽S-轉(zhuǎn)移酶Pi信號通路，調(diào)節(jié)A1型RAS的增殖[38]。目前對A1型RAS的研究多側(cè)重于其功能，而其極化過程以及在CNS疾病中的作用仍需進(jìn)一步探究。

1.2.2A2型RAS 目前關(guān)于A2型RAS的研究相對較少?；赗AS由小膠質(zhì)細(xì)胞激活的理論推測，激活M2型小膠質(zhì)細(xì)胞的IL-4、IL-10等細(xì)胞因子或免疫復(fù)合物+脂多糖也可激活A(yù)2型RAS[2]。實(shí)驗(yàn)證明，IL-4、IL-10或免疫復(fù)合物+脂多糖可誘導(dǎo)具有保護(hù)作用的RAS形成，這種RAS可分泌神經(jīng)營養(yǎng)因子、血管內(nèi)皮生長因子、堿性成纖維細(xì)胞生長因子等，保護(hù)神經(jīng)元[23,39]。還有研究顯示，縫隙連接蛋白30可調(diào)節(jié)A2型RAS的形成[40]。目前關(guān)于A2型RAS誘導(dǎo)過程尚不明確，且標(biāo)志物S100A10特異性較低，因此無法有效純化、提取A2型RAS。因此，關(guān)于A2型RAS的產(chǎn)生以及其保護(hù)性功能的維持仍需進(jìn)一步研究。具體的RAS分型見圖1。

注：LPS為脂多糖，RAS為反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞，NF-κB為核因子κB，STAT3為信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子3，IFN-γ為γ干擾素，PGD2為前列腺素D2，C1q為補(bǔ)體1q，TNF-α為腫瘤壞死因子-α，IL-1α為白細(xì)胞介素-1α，BDNF為腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子，VEGF為血管內(nèi)皮生長因子，bFGF為堿性成纖維細(xì)胞生長因子圖1 RAS分型

2 RAS在CNS疾病中的作用

研究表明，RAS在神經(jīng)創(chuàng)傷、局灶性腦缺血/腦出血[41]、癲癇[42]、原發(fā)性或繼發(fā)性中樞神經(jīng)腫瘤[43]、阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)[44]、PD[45]、多發(fā)性硬化(mutiple sclerosis，MS)[46]、肌萎縮側(cè)索硬化癥(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)[37]等疾病中均具有重要作用。

2.1腦卒中 腦卒中具有高發(fā)病率、高致殘率、高復(fù)發(fā)率、高病死率等特點(diǎn)，給社會和家庭帶來沉重的經(jīng)濟(jì)和精神負(fù)擔(dān)。腦缺血后，損傷組織釋放TNF-α、IL-1β等促炎細(xì)胞因子，激活RAS[47]。RAS可在腦卒中早期清除壞死組織碎片、分泌膠質(zhì)源性神經(jīng)營養(yǎng)因子，促進(jìn)神經(jīng)再生[48]。大量RAS通過以下途徑抑制腦卒中后神經(jīng)修復(fù)①激活核因子κB通路促進(jìn)神經(jīng)元凋亡；②分泌硫酸軟骨素蛋白多糖抑制神經(jīng)元再生；③減少谷氨酸攝取促進(jìn)神經(jīng)元死亡；④形成膠質(zhì)瘢痕限制神經(jīng)修復(fù)[26,49]等。而前角蛋白、排斥導(dǎo)向分子A、轉(zhuǎn)化生長因子-β等信號通路可逆轉(zhuǎn)RAS對缺血性腦卒中預(yù)后的不利影響[50]。蛛網(wǎng)膜下腔出血小鼠腦中RAS數(shù)量與出血的嚴(yán)重程度呈正相關(guān)[22]。腦出血后，RAS可通過下調(diào)谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體1表達(dá)、過表達(dá)內(nèi)皮素1，影響損傷腦區(qū)的神經(jīng)血管偶合，導(dǎo)致遲發(fā)性腦缺血的發(fā)生或預(yù)后不良[51]。研究還發(fā)現(xiàn)，在腦出血后第3天RAS即可分泌骨橋蛋白，對血腦屏障起到保護(hù)作用[41]。腦卒中可影響大腦的神經(jīng)元、膠質(zhì)細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和室管膜細(xì)胞等，但大多數(shù)臨床試驗(yàn)側(cè)重于對神經(jīng)元的保護(hù)治療，且未能在臨床上形成有效治療，而RAS與神經(jīng)元和血管系統(tǒng)均密切相關(guān)，其功能改變對腦卒中后血供恢復(fù)和功能修復(fù)均具有重要意義。因此，進(jìn)一步深入研究RAS在腦卒中后的作用機(jī)制，抑制其有害作用、促進(jìn)其保護(hù)作用，可能為腦卒中的治療提供新途徑[15]。

2.2AD AD以記憶喪失和認(rèn)知功能障礙為特征，臨床表現(xiàn)為神經(jīng)精神癥狀和行為障礙[46]。AD的病理特征包括老年斑、神經(jīng)元纖維纏結(jié)和廣泛的神經(jīng)元缺失。研究表明，RAS是神經(jīng)斑塊的重要組成部分，其數(shù)量增加程度與認(rèn)知功能降低相關(guān)[45]。正常情況下，星形膠質(zhì)細(xì)胞是大腦炎癥反應(yīng)的主要調(diào)節(jié)者，但在病理?xiàng)l件下，RAS在產(chǎn)生炎癥因子和活性氧類時可能會形成神經(jīng)毒性[52]。實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，AD小鼠海馬RAS中的S100β、谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體1水平均降低，導(dǎo)致組織促炎細(xì)胞因子水平升高，進(jìn)而導(dǎo)致腦內(nèi)炎癥損傷[52-53]。以上研究表明，通過阻斷AD小鼠大腦RAS的能量代謝和氧化應(yīng)激，可減少小鼠炎癥反應(yīng)和β淀粉樣蛋白斑塊沉積，從而改善小鼠記憶并延緩疾病進(jìn)展。另一項(xiàng)關(guān)于AD患者腦和腦脊液蛋白質(zhì)組學(xué)分析顯示，AD患者存在星形膠質(zhì)細(xì)胞代謝異常[54]，而星形膠質(zhì)細(xì)胞是腦內(nèi)基礎(chǔ)代謝的主要組成部分[55]，因此未來深入研究RAS的異質(zhì)性可以為AD的治療提供新思路。

2.3PD PD是一種由基底節(jié)多巴胺能神經(jīng)傳遞中斷和黑質(zhì)神經(jīng)元死亡引起的進(jìn)展性神經(jīng)退行性疾病，其病理特征為神經(jīng)細(xì)胞胞質(zhì)中存在α-突觸核蛋白沉積和蛋白質(zhì)包涵體。研究發(fā)現(xiàn)，PD患者黑質(zhì)致密部及病變組織周圍的膠質(zhì)纖維酸性蛋白水平升高，表明RAS參與了PD的起病及進(jìn)展過程[56]。另有研究表明，在PD小鼠模型中，多巴胺能神經(jīng)元通過分泌高水平的趨化性細(xì)胞因子，誘導(dǎo)星形膠質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)化為有益的A2型RAS，并遷移至受損的神經(jīng)元，通過線粒體吞噬、分泌神經(jīng)營養(yǎng)因子、清除游離谷氨酸等作用保護(hù)神經(jīng)元[57]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，A2型RAS的誘導(dǎo)與縫隙連接蛋白30有關(guān)[40]?？傊c腦梗死等其他CNS疾病相比，PD不伴有明顯的組織損傷和炎癥激活，因此研究主要針對A2型RAS在PD中的保護(hù)作用，對于A1型RAS在PD中的作用研究較少。未來可以通過調(diào)控星形膠質(zhì)細(xì)胞的功能發(fā)揮其神經(jīng)保護(hù)作用，從而治療PD。

2.4MS MS是一種炎癥性疾病，可導(dǎo)致CNS脫髓鞘和軸突損傷，其特征為彌散于整個CNS的炎性脫髓鞘局灶性病變。通過研究實(shí)驗(yàn)性自身免疫性腦脊髓炎模型小鼠發(fā)現(xiàn)，小鼠血腦屏障中的RAS增殖伴隨小血管周圍終足喪失，進(jìn)而導(dǎo)致CNS炎癥和血管周圍水腫[58]。檢測人體病理組織標(biāo)本發(fā)現(xiàn)，急性MS患者病變區(qū)域存在RAS[45]。MS患者腦內(nèi)RAS釋放的炎癥因子(IL-10、IL-17A、IL-22和CC趨化因子配體3等)可導(dǎo)致T細(xì)胞活化，并在病灶區(qū)域引起髓鞘和軸突損傷[59]。以上研究表明，RAS在MS疾病進(jìn)展過程中發(fā)揮重要作用，是MS治療的重要靶點(diǎn)。還有研究發(fā)現(xiàn)，αB-晶狀體蛋白可誘導(dǎo)局部RAS增生，加重MS的早期進(jìn)展；轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶6可通過激活RAS產(chǎn)生神經(jīng)毒性[56]?？傊?，RAS通過激活炎癥反應(yīng)等途徑在MS進(jìn)展中發(fā)揮作用；同時，RAS還可促進(jìn)脫髓鞘病變后壞死組織清除、支持髓鞘再生，但RAS在MS患者疾病恢復(fù)期的修復(fù)作用還有待研究。

2.5ALS ALS是一種不可逆的進(jìn)行性運(yùn)動神經(jīng)元疾病，其特征為CNS運(yùn)動神經(jīng)元變性，導(dǎo)致肌肉萎縮、呼吸衰竭甚至死亡[45]。RAS存在于ALS小鼠易損區(qū)，其數(shù)量與ALS患者的神經(jīng)退變程度相關(guān)[60]。有研究表明，RAS可直接導(dǎo)致ALS運(yùn)動神經(jīng)元死亡，并伴有信號通路異常，如神經(jīng)元α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異唑丙酸受體GluR2亞基表達(dá)改變、谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體1表達(dá)下調(diào)、胞內(nèi)鈣離子超載[25]以及乳酸轉(zhuǎn)運(yùn)受損、運(yùn)動神經(jīng)元p75受體信號激活[61]和反式激活應(yīng)答DNA結(jié)合蛋白43缺失[62]。體內(nèi)RAS活化和免疫激活以及炎癥標(biāo)志物表達(dá)增加均可加劇ALS的病理進(jìn)程，而γ干擾素誘導(dǎo)的RAS可通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子3依賴的信號通路產(chǎn)生神經(jīng)毒性，進(jìn)一步誘導(dǎo)RAS募集，損傷運(yùn)動神經(jīng)元[2]。ALS中RAS的募集和神經(jīng)毒性均可被信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子3抑制劑抑制[37]。目前關(guān)于ALS的病因尚不明確，且臨床也缺乏有效的治療方法和可靠的治療藥物，但ALS患者病變區(qū)域存在RAS，且其數(shù)量與患者的神經(jīng)變性水平相關(guān)[45]，因此RAS可能參與了ALS患者神經(jīng)元死亡。

2.6腦腫瘤 RAS在原發(fā)膠質(zhì)母細(xì)胞瘤、轉(zhuǎn)移性肺癌、乳腺癌和黑色素瘤等腦部常見原發(fā)或繼發(fā)性腫瘤的轉(zhuǎn)移中發(fā)揮重要作用[63]。多形性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤是成人最常見的原發(fā)性惡性腦腫瘤，由于其特殊的微環(huán)境和抗炎特性，無法獲得抗腫瘤免疫[64]。研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用Janus激酶抑制劑抑制RAS，可減緩多形性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的生長、增加免疫細(xì)胞在腫瘤處的募集[13]。此外，RAS還可與多形性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤細(xì)胞建立協(xié)同關(guān)系，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞鋅指E盒結(jié)合蛋白1基因表達(dá)，刺激腫瘤發(fā)生上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化和腫瘤細(xì)胞浸潤[65]。RAS也可通過影響離子通道和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)改變氫離子、鉀離子和鈣離子水平，導(dǎo)致細(xì)胞體積變化，從而增加腫瘤細(xì)胞的遷移和侵襲力[66]。

RAS在腫瘤轉(zhuǎn)移中的作用隨著疾病的進(jìn)展不斷發(fā)生變化，初次接觸腫瘤細(xì)胞時，RAS可產(chǎn)生纖溶酶原激活物殺死腫瘤細(xì)胞，抑制其轉(zhuǎn)移[67]；在黑色素瘤、乳腺癌、肺癌等轉(zhuǎn)移性腫瘤進(jìn)展過程中，RAS可通過分泌CC趨化因子配體7[67]、Jagged 1蛋白[68]、IL-23[69]等細(xì)胞因子促進(jìn)腫瘤轉(zhuǎn)移和侵襲?？梢姡琑AS在原發(fā)或繼發(fā)性顱腦腫瘤中具有調(diào)控作用，深入了解其復(fù)雜性和異質(zhì)性對治療腦腫瘤具有重要意義。

3 小 結(jié)

近年來，RAS在CNS疾病病理過程中的作用逐漸成為研究熱點(diǎn)。RAS對CNS損傷的影響是多方面的，但目前關(guān)于RAS的研究仍存在局限：①目前關(guān)于RAS的研究多限于動物模型或體外細(xì)胞，因此RAS在人體疾病中的具體病理生理機(jī)制尚不明確，同時對于RAS在不同CNS疾病中的作用也存在爭議；②目前RAS的常用生物標(biāo)志物膠質(zhì)纖維酸性蛋白特異性不高，因此尋找新的RAS生物標(biāo)志物迫在眉睫。相信隨著基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)等技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于RAS的調(diào)控靶點(diǎn)及其相關(guān)通路的研究會取得新的進(jìn)展，從而為CNS疾病的診治提供新方向。