星形膠質(zhì)細胞相關(guān)結(jié)構(gòu)和功能在偏頭痛中的研究進展

李志娟 劉 璐 李 彬

首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京中醫(yī)醫(yī)院 針灸神經(jīng)調(diào)控北京市重點實驗室針灸中心，北京 100010

偏頭痛是臨床常見的一種中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙性疾病，其臨床表現(xiàn)為單側(cè)或雙側(cè)搏動樣疼痛，伴有惡心嘔吐、畏光畏聲等。我國偏頭痛的發(fā)病率為9.3%[1]，其中50%以上的患者頭痛發(fā)作時會伴有痛覺超敏現(xiàn)象[2]。痛覺超敏是中樞敏化的一種反應(yīng)，而中樞敏化的機制主要包括膠質(zhì)細胞激活、突觸重塑和基因改變等[3-4]。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，膠質(zhì)細胞不僅起著支持和營養(yǎng)作用，也參與了疼痛的中樞敏化；膠質(zhì)細胞的激活已成為疼痛的研究熱點[5]。星形膠質(zhì)細胞也在疼痛的發(fā)生和發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用[6]，研究發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細胞能夠參與疼痛的產(chǎn)生和級聯(lián)放大，其在疼痛的發(fā)展和持續(xù)階段有很強的活化反應(yīng)[7]，但有關(guān)星形膠質(zhì)細胞參與偏頭痛的病理生理研究較少，本文將總結(jié)星形膠質(zhì)細胞與偏頭痛的相關(guān)研究，探索星形膠質(zhì)細胞參與偏頭痛的機制，也為偏頭痛的機制研究和治療提供新的方向。

1 星形膠質(zhì)細胞的結(jié)構(gòu)及功能

星形膠質(zhì)細胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)主要的膠質(zhì)細胞，其外形呈星形，主要由膠質(zhì)纖維絲酸性蛋白（glial fibrillary acidic protein，GFAP）組成，GFAP 是星形膠質(zhì)細胞活化的標志物。在病理情況下，中樞神經(jīng)系統(tǒng)常會生成反應(yīng)性星形膠質(zhì)細胞，表現(xiàn)為胞體肥大、突起增粗、分支增多等。星形膠質(zhì)細胞通過半通道相互連接，形成細胞間縫隙連接。連接蛋白（connexins，Cx）是縫隙連接的主要組成結(jié)構(gòu)，其中Cx30 和Cx43 在星形膠質(zhì)細胞中特異性表達。

另外，星形膠質(zhì)細胞與神經(jīng)元接觸密切，為神經(jīng)元提供支持和營養(yǎng)；并且星形膠質(zhì)細胞部分包繞著神經(jīng)元的突觸，為突觸提供結(jié)構(gòu)支持和絕緣；通過黏附分子等表達調(diào)控突觸的發(fā)生，調(diào)節(jié)神經(jīng)元的活性。同時，星形膠質(zhì)細胞與腦血管廣泛接觸，在神經(jīng)激活的同時調(diào)節(jié)血流量[8]。

在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，星形膠質(zhì)細胞的功能主要包括提取K+、水及神經(jīng)遞質(zhì)，通過表達谷氨酸轉(zhuǎn)運體，以及對鉀通道和水通道的調(diào)節(jié)，使其有助于維持谷氨酸穩(wěn)態(tài)-鉀穩(wěn)態(tài)和水穩(wěn)態(tài)。

2 星形膠質(zhì)細胞參與偏頭痛疼痛的方式

2.1 相關(guān)基因

在一項對來自三個歐洲頭痛診所的2731 例偏頭痛患者和10 747 名匹配人群的全基因組關(guān)聯(lián)分析（genome-wide association study，GWAS）研究[9]中，發(fā)現(xiàn)染色體8q22.1 上的rs1835740 小等位基因與偏頭痛有關(guān)。而rs1835740 位于MTDH（astrocyte elevated gene-1，AEG-1）和編碼血漿谷氨酸羧肽酶（plasma glutamate carboxypeptidase，PGCP）之間。同樣，另一項研究[10]對4954 例偏頭痛患者和13 390 例對照患者的偏頭痛數(shù)據(jù)進行了基因集分析，研究了在星形膠質(zhì)細胞、小膠質(zhì)細胞和少突膠質(zhì)細胞中主要表達的突觸基因組；發(fā)現(xiàn)與星形膠質(zhì)細胞和少突膠質(zhì)細胞相關(guān)的基因集可能在偏頭痛的易感性中發(fā)揮作用，特別是那些參與蛋白修飾和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的基因。從兩個研究中可以看出與星形膠質(zhì)細胞相關(guān)的基因與偏頭痛密切相關(guān)。

2.2 縫隙連接蛋白

縫隙連接是細胞間信號傳遞的直接通道。星形膠質(zhì)細胞間主要由Cx43 相互連接[11]，Cx43 起著傳遞鈣波、降低細胞外K+濃度及防止突觸間隙內(nèi)谷氨酸鈉堆積等作用。當(dāng)傷害信號傳至中樞時，會使突觸前膜釋放大量的谷氨酸鈉、ATP 等相關(guān)物質(zhì)，這些物質(zhì)會作用于星形膠質(zhì)細胞膜上的相應(yīng)受體，產(chǎn)生三磷酸肌醇（inositol triphosphate，IP3）等第二信使，同時內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放大量的Ca2+，而IP3、Ca2+會通過Cx43 傳播至相鄰的細胞，從而引起更大范圍的星形膠質(zhì)細胞被激活，膠質(zhì)細胞通過分泌谷氨酸鈉、白細胞介素（interleukin，IL）等介質(zhì)作用于神經(jīng)元，從而引起中樞敏化[12]。武茜等[13]通過觀察三叉神經(jīng)頸髓復(fù)合體內(nèi)Cx43 對偏頭痛大鼠痛覺超敏的影響，發(fā)現(xiàn)與對照組比較，模型組大鼠眶周痛閾逐日下降，出現(xiàn)痛覺超敏；并且免疫熒光染色顯示：模型組大鼠后角細胞數(shù)及Cx43 表達較對照組增多。這提示在Cx43 介導(dǎo)下，星形膠質(zhì)細胞被大量激活，從而導(dǎo)致中樞敏化，最終誘發(fā)偏頭痛大鼠出現(xiàn)痛覺超敏。

2.3 突觸活性的改變

谷氨酸是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中最主要的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)。為保證突觸間傳遞的敏感性，谷氨酸應(yīng)當(dāng)被迅速、及時地清除，而星形膠質(zhì)細胞對谷氨酸的攝取是保持細胞外谷氨酸濃度穩(wěn)定的最主要的途徑。星形膠質(zhì)細胞有2 種不同的谷氨酸載體類型：GLAST 和GLT-1。當(dāng)星形膠質(zhì)細胞谷氨酸載體受到抑制時，細胞外谷氨酸濃度增高，導(dǎo)致神經(jīng)元興奮，從而產(chǎn)生疼痛。

家族性偏癱性偏頭痛（familial hemiplegic migraine，F(xiàn)HM）是一種罕見的單基因型偏頭痛，發(fā)作時伴有運動無力的先兆[14]。目前FHM 有3 種表型：FHM1 型（CACNA1A-Ca2+通道基因）[15]、FHM2 型（ATP1A2-Na+、K+ATP 酶 基 因）[16]、FHM3 型（SCN1A-編 碼NaV1.1 鈉通道的α 亞基基因）[17]。FHM1 型中功能突變的CACNA1A 基因會使突觸前Ca2+內(nèi)流，導(dǎo)致谷氨酸在突觸間隙釋放增加，從而產(chǎn)生疼痛。FHM2 型中ATP1A2 基因的功能缺失或突變，會導(dǎo)致皮層星形膠質(zhì)細胞對突觸間谷氨酸和K+的清除率降低，并且突觸周圍的星形膠質(zhì)細胞中GLT-1a 谷氨酸轉(zhuǎn)運體的密度降低，從而產(chǎn)生疼痛[18]。FHM3 型中，SCN1A 基因的功能缺失或突變會引起抑制性中間神經(jīng)元的抑制活性降低，從而導(dǎo)致興奮性神經(jīng)元活性增加；然而目前還沒有證據(jù)直接證明FHM3 型中神經(jīng)元活性的變化與星形膠質(zhì)細胞有關(guān)。

興奮性氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白2（excitatory amino acid transporter 2，EAAT2）是一種谷氨酸的清除劑，負責(zé)突觸間隙中90%谷氨酸的攝取，其主要在星形膠質(zhì)細胞上表達[19-20]。神經(jīng)損傷后，EAAT2 表達下調(diào)，谷氨酸攝取功能障礙，導(dǎo)致突觸間有大量的谷氨酸積累，引起神經(jīng)元的異常興奮，從而引發(fā)痛覺超敏。Zhou 等[21]通過建立慢性偏頭痛（chronic migraine，CM）大鼠模型，發(fā)現(xiàn)模型組大鼠三叉神經(jīng)脊束尾核（trigeminal nucleus caudalis，TNC）部位中的谷氨酸濃度顯著升高，而相應(yīng)地EAAT2 表達水平下降。通過免疫熒光發(fā)現(xiàn)：EAAT2 主要位于星形膠質(zhì)細胞上，且模型組大鼠的星形膠質(zhì)細胞呈激活狀態(tài)。給予EAAT2 的增強劑后，激活的星形膠質(zhì)細胞減少，TNC 部位的谷氨酸濃度降低。這提示星形膠質(zhì)細胞可能通過介導(dǎo)EAAT2 的表達，來調(diào)節(jié)突觸間谷氨酸的含量，進而調(diào)節(jié)偏頭痛。

2.4 皮層擴布性抑制

皮層擴布性抑制（cortical spreading inhibition，CSD）是發(fā)生在腦神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細胞上一種緩慢傳播的擴散去極化波，CSD 的發(fā)生通常被認為與細胞內(nèi)離子濃度的失衡有關(guān)，通常是由K+的分泌以及Na+、Ca2+及Cl-的吸收所引起，包括K+的快速外流，Na+、Ca2+及Cl-的快速內(nèi)流，產(chǎn)生內(nèi)向電流。當(dāng)細胞內(nèi)Ca2+的濃度增加，釋放到細胞間隙的K+和谷氨酸的濃度也會隨著增加，改變細胞的興奮性，從而引起偏頭痛。最新研究顯示[22]，星形膠質(zhì)細胞也參與CSD 相關(guān)的疾病，而CSD 恰是偏頭痛的重要發(fā)病機制之一[23]。當(dāng)發(fā)生CSD時，相關(guān)神經(jīng)元的Panx1 通道打開釋放炎性分子，觸發(fā)炎癥級聯(lián)反應(yīng)，激活鄰近的星形膠質(zhì)細胞，導(dǎo)致炎癥介質(zhì)的持續(xù)釋放，使疼痛持續(xù)。

目前，有關(guān)星形膠質(zhì)細胞參與偏頭痛CSD 期間的研究主要集中在FHM 中。在FHM 中，星形膠質(zhì)細胞中Ca2+濃度的升高會引起血管舒張和炎癥物質(zhì)的釋放，從而引起頭痛發(fā)作。有研究顯示[24]，在發(fā)生CSD時，F(xiàn)HM1 表型小鼠的星形膠質(zhì)細胞中Ca2+濃度明顯升高，這可能與偏頭痛中星形膠質(zhì)細胞的激活有關(guān)。在FHM2 表型中，ATP1A2 編碼的α2 亞基主要在胚胎發(fā)育過程中和出生時的神經(jīng)元中表達，且?guī)缀踔辉诔赡甏竽X的星形膠質(zhì)細胞中表達[25]。在ATP1A2 基因缺失的FHM2 表型小鼠中[26]，應(yīng)用KCL 誘導(dǎo)CSD 的發(fā)生，發(fā)現(xiàn)小鼠星形膠質(zhì)細胞中Ca2+濃度升高，星形膠質(zhì)細胞被激活。在另一項研究中[27]，星形膠質(zhì)細胞ATP1A2 基因的缺失會引發(fā)小鼠短暫性運動麻痹和自發(fā)的CSD。這些證據(jù)證明了星形膠質(zhì)細胞與FHM2表型CSD 期間的密切聯(lián)系。目前攜帶SCN1A 基因突變的FHM3 表型小鼠模型剛剛建立[28]，其在CSD 期間頭痛的發(fā)生發(fā)展是否與星形膠質(zhì)細胞之間存在聯(lián)系還需進一步探索。綜上所述，星形膠質(zhì)細胞的激活可能是FHM1、FHM2、FHM3 這3 種頭痛類型CSD 期間共同的病理生理學(xué)基礎(chǔ)。

2.5 炎癥介質(zhì)

MAPK 是星形膠質(zhì)細胞參與疼痛過程的一條重要通路。當(dāng)神經(jīng)損傷后，星形膠質(zhì)細胞中的轉(zhuǎn)化生長因子（transforming growth factor β，TGF-β）激活激酶或腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）-α 受體表達上調(diào)，進而激活星形膠質(zhì)細胞中的JNK[29]，其細胞內(nèi)的ERK 也在疼痛后期被激活，釋放促炎性細胞 因子和趨化因子等，使疼痛持續(xù)。α7nAChR 是一個膽堿能抗炎通路中的離子通道，它在連接受體與信號分子結(jié)合后能顯著調(diào)節(jié)細胞膜通透性和神經(jīng)遞質(zhì)表達。在CM 大鼠實驗中[30]，CM 組TNF-α、IL-1、降鈣素基因相關(guān)肽表達升高，7nAChR 表達降低。與CM 組比較，使用α7nAChR 激動劑能降低海馬區(qū)星形膠質(zhì)細胞和小膠質(zhì)細胞的數(shù)量，提高大鼠的機械痛閾值。CM 中活化的小膠質(zhì)細胞和星形膠質(zhì)細胞，通過下游的p-JNK-MAPK信號通路釋放TNF-α 和IL-1，進一步加重CM。但是研究并未對小膠質(zhì)細胞與星形膠質(zhì)細胞的激活分別展開，CM 疼痛的加重可能是兩者共同作用的結(jié)果，由此推測引起CM 的原因是膠質(zhì)細胞被激活，促炎性細胞因子表達增多，使疼痛加重。小膠質(zhì)細胞與星形膠質(zhì)細胞的激活時間可能是以后CM 研究的一個方向。

3 總結(jié)與展望

偏頭痛發(fā)病機制復(fù)雜，痛覺超敏是其主要特點。星形膠質(zhì)細胞作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)中主要的組成部分，通過對神經(jīng)遞質(zhì)、受體、轉(zhuǎn)運體、通道及蛋白的調(diào)控，參與疼痛的發(fā)生發(fā)展。雖然星形膠質(zhì)細胞在其他神經(jīng)病理性疼痛中發(fā)揮著重要的作用，但目前關(guān)于星形膠質(zhì)細胞參與偏頭痛的機制研究仍然較少，研究只是局限于某一個遞質(zhì)或蛋白，并未深入研究。并且神經(jīng)元與星形膠質(zhì)細胞的互作在傳遞痛覺信號及誘導(dǎo)維持疼痛上越來越受到重視，神經(jīng)元-星形膠質(zhì)細胞互作是指星形膠質(zhì)細胞可通過縫隙連接、趨化因子、神經(jīng)遞質(zhì)及離子通道維持神經(jīng)元外穩(wěn)態(tài)，保證神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細胞處在正常狀態(tài)，同時通過以上機制與鄰近神經(jīng)元及星形膠質(zhì)細胞進行信息傳遞。偏頭痛的發(fā)生發(fā)展與神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細胞密切相關(guān)，兩者的互作效應(yīng)可能是一個偏頭痛研究的方向。