星形膠質(zhì)細(xì)胞演變及相關(guān)信號通路對脊髓損傷后膠質(zhì)瘢痕調(diào)節(jié)作用的研究進(jìn)展

潘志鵬，李思成，姚黎清

昆明醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)部，昆明 650101

星形膠質(zhì)細(xì)胞是一種哺乳動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)最豐富且胞體最大的膠質(zhì)細(xì)胞。星形膠質(zhì)細(xì)胞呈現(xiàn)星形，從胞體發(fā)出許多精細(xì)的突起，在神經(jīng)細(xì)胞的胞體及其突起之間形成間隙鏈接，起支持和分隔神經(jīng)細(xì)胞的作用。星形膠質(zhì)細(xì)胞以有序且組織良好的連續(xù)覆蓋整個中樞神經(jīng)系統(tǒng)，并在生理和病理?xiàng)l件下中樞神經(jīng)系統(tǒng)中執(zhí)行多種功能。脊髓損傷后，損傷局部微環(huán)境的改變激活星形膠質(zhì)細(xì)胞的活化態(tài)，并最終形成膠質(zhì)瘢痕。反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞的肥大、增殖、遷移和膠質(zhì)生成涉及多個細(xì)胞間和細(xì)胞內(nèi)信號傳導(dǎo)機(jī)制，其觸發(fā)和維持星形膠質(zhì)細(xì)胞的反應(yīng)性，并協(xié)調(diào)膠質(zhì)瘢痕的形成。以往觀點(diǎn)認(rèn)為，瘢痕內(nèi)的星形膠質(zhì)細(xì)胞會分泌抑制軸突延伸的多種生長抑制分子，如硫酸軟骨素蛋白多糖（GSPG）和信號素3A，阻止損傷或疾病后中樞神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)恢復(fù)［1］。然而，最近研究顯示，反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞形成的瘢痕亦有助于中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷脊髓的再生［2］。研究表明，脊髓損傷后相關(guān)信號通路觸發(fā)并調(diào)節(jié)反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞和瘢痕形成［3］。星形膠質(zhì)細(xì)胞隨時間而演變的這些通路在脊髓損傷中起重要作用，但其具體機(jī)制尚不明確。現(xiàn)就星形膠質(zhì)細(xì)胞演變及相關(guān)信號通路對脊髓損傷后膠質(zhì)瘢痕調(diào)節(jié)作用的研究進(jìn)展綜述如下。

1 不同狀態(tài)下星形膠質(zhì)細(xì)胞的特點(diǎn)

正常狀態(tài)下，星形膠質(zhì)細(xì)胞源自腦室下區(qū)（SVZ）的神經(jīng)干細(xì)胞（NSC），并沿放射狀膠質(zhì)突起遷移以填充中樞神經(jīng)系統(tǒng)［4］。一旦遷移過程完成，星形膠質(zhì)細(xì)胞就會分化為具有高度功能和區(qū)域?qū)I(yè)化的亞群［5］。星形膠質(zhì)細(xì)胞根據(jù)細(xì)胞形態(tài)和解剖位置的差異，主要分為原生型和纖維型兩種亞型。原生型分布于灰質(zhì)，其突起包裹著神經(jīng)元的突觸。纖維型分布于白質(zhì)，其突起與神經(jīng)元的郎飛結(jié)接觸。這兩種亞型的星形膠質(zhì)細(xì)胞均與血管有廣泛接觸，并且均在相鄰星形膠質(zhì)細(xì)胞的遠(yuǎn)端突起之間形成間隙鏈接［6］。在健康的中樞神經(jīng)系統(tǒng)組織中，星形膠質(zhì)細(xì)胞維持細(xì)胞外液、離子、pH和遞質(zhì)穩(wěn)態(tài)；形成血腦屏障，為神經(jīng)元提供能量；調(diào)節(jié)局部血流；在突觸發(fā)育和可塑性中發(fā)揮作用；對神經(jīng)回路、神經(jīng)功能和行為至關(guān)重要［7］。

在病理過程中，中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷后的炎癥、感染、缺血和創(chuàng)傷等損傷激活了星形膠質(zhì)細(xì)胞的增生和肥大，通常將這種增生的細(xì)胞稱為反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞。相較于非重疊域細(xì)枝狀的星形膠質(zhì)細(xì)胞，反應(yīng)性膠質(zhì)細(xì)胞會過度表達(dá)膠質(zhì)纖維酸性蛋白（GFAP）、波形蛋白和巢蛋白［8］。在病理的中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，星形膠質(zhì)細(xì)胞具有多種功能，包括調(diào)控神經(jīng)營養(yǎng)因子的表達(dá)水平、清除損傷廢物和死細(xì)胞、限制炎癥的擴(kuò)散和感染、修復(fù)血脊髓屏障和形成膠質(zhì)瘢痕［9］。反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞主要表現(xiàn)為纖維型星形膠質(zhì)細(xì)胞增生和過度延伸，向病變中心遷移并有助于組織修復(fù)過程，最終發(fā)展為膠質(zhì)瘢痕［10］。

2 星形膠質(zhì)細(xì)胞在脊髓損傷后的演變及對膠質(zhì)瘢痕的影響

反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞參與調(diào)控脊髓損傷的生理和病理環(huán)境下的疾病進(jìn)展，對脊髓損傷后的組織修復(fù)和功能修復(fù)至關(guān)重要。反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞的細(xì)胞形態(tài)、分子表達(dá)和功能方面在脊髓損傷中發(fā)生一系列潛在變化，這些變化體現(xiàn)在神經(jīng)損傷區(qū)域的細(xì)胞間和細(xì)胞內(nèi)的信號調(diào)控機(jī)制。這些信號調(diào)控機(jī)制是否有益尚未完全清楚。了解反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞的多維作用對于開發(fā)新型生物療法以減少急性中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷后以及神經(jīng)退行性疾病中的中樞神經(jīng)系統(tǒng)細(xì)胞損失和神經(jīng)損傷具有巨大潛力。

2.1 反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞的激活、增殖、遷移 反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞的激活是星形膠質(zhì)細(xì)胞過度生成以應(yīng)對創(chuàng)傷后中樞神經(jīng)損傷疾病的一種病理反應(yīng)，該過程涉及其分子表達(dá)和形態(tài)的變化。反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞的變化不是一種全無或全有的現(xiàn)象，而是隨著損傷強(qiáng)度和類型而漸進(jìn)、連續(xù)的變化現(xiàn)象［11］。在脊髓損傷后的急性期，由于血腦屏障被破壞，組織發(fā)生腫脹，炎癥反應(yīng)增加（如小膠質(zhì)細(xì)胞和各種細(xì)胞因子增加）和經(jīng)典的信號通路激活，中樞神經(jīng)系統(tǒng)通常會快速、局部誘導(dǎo)損傷部位及其周圍反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞的增殖和遷移，從而導(dǎo)致其數(shù)量增加［12］。隨著時間的推移，反應(yīng)性膠質(zhì)細(xì)胞呈現(xiàn)顯著肥大和一定程度的增殖。這些顯著的擴(kuò)張導(dǎo)致星形膠質(zhì)細(xì)胞域的破壞和組織扭曲。在嚴(yán)重的損傷中，星形膠質(zhì)細(xì)胞重疊得更加密集［13］。值得注意的是，膠質(zhì)細(xì)胞重疊域摻入了病變周圍新增殖的細(xì)胞將受損區(qū)域與健康組織分開并限制了炎癥細(xì)胞的擴(kuò)散。

增殖是導(dǎo)致神經(jīng)膠質(zhì)瘢痕形成的中樞神經(jīng)系統(tǒng)受損部位星形膠質(zhì)細(xì)胞積累的另一個關(guān)鍵因素。在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中，神經(jīng)干/祖細(xì)胞可轉(zhuǎn)化為神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞。近期研究證明，膠質(zhì)瘢痕中的反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞來源于膠質(zhì)祖細(xì)胞。NG2細(xì)胞可在腦損傷中分化為增殖的反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞，而室管膜細(xì)胞前體在脊髓損傷和中風(fēng)等疾病中生成瘢痕形成星形膠質(zhì)細(xì)胞［14］。

星形膠質(zhì)細(xì)胞的FA 動力學(xué)對遷移至關(guān)重要。STAT3通過調(diào)節(jié)RhoA（肌動蛋白動力學(xué)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑）的活性影響肌動蛋白產(chǎn)生的張力，進(jìn)一步控制星形膠質(zhì)細(xì)胞斑復(fù)合物（FA）的分子動力學(xué)［15］。FA 的分子動力學(xué)直接影響星形膠質(zhì)細(xì)胞遷移和神經(jīng)膠質(zhì)瘢痕形成。STAT3-cKO 星形膠質(zhì)細(xì)胞表現(xiàn)出較慢的FA動力學(xué)，削弱了星形膠質(zhì)細(xì)胞的遷移［16］。在亞急性期，反應(yīng)性膠質(zhì)細(xì)胞遷移到病變中心，分離炎癥細(xì)胞并修復(fù)病變區(qū)域以增強(qiáng)功能，并在病變半暗帶開始形成星形膠質(zhì)細(xì)胞瘢痕［17］。然而，星形膠質(zhì)細(xì)胞在損傷時只進(jìn)行適度增殖，并且這種增殖僅限于病變邊緣的薄層。來自3D成像研究的測量表明，病變組織中星形膠質(zhì)細(xì)胞的密度是正常組織的2～4倍［18］。

2.2 膠質(zhì)瘢痕形成 膠質(zhì)瘢痕是由反應(yīng)性星形膠質(zhì)性細(xì)胞增殖形成的致密屏障。肥大的反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞在結(jié)構(gòu)上發(fā)生重組，形成網(wǎng)狀纏繞的絲狀過渡層，成為下行或上行軸突再生的主要物理屏障［19］，這種物理屏障將損傷區(qū)域的炎癥與完整組織分離，并最大限度地減少中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷后繼發(fā)性損傷的程度。研究顯示，瘢痕內(nèi)的星形膠質(zhì)細(xì)胞會分泌抑制軸突延伸的多種生長抑制分子，如硫酸軟骨素蛋白多糖（GSPG）和信號素3A，它們會阻止損傷或疾病后中樞神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)恢復(fù)［20］。因此，有研究認(rèn)為反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞形成的膠質(zhì)瘢痕是SCI后軸突再生失敗的主要原因［21］。最近研究顯示，如果在CNS損傷后的早期消除星形膠質(zhì)細(xì)胞增生，將會導(dǎo)致更大的病變面積和更差的功能結(jié)果［22］。隨后研究報(bào)告表明，反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞形成的瘢痕會分泌神經(jīng)生長因子，有助于中樞神經(jīng)系統(tǒng)軸突再生［23］。總之，星形膠質(zhì)細(xì)胞瘢痕形成對軸突再生有促進(jìn)作用，但也存在抑制性作用。

2.3 膠質(zhì)瘢痕成熟 SCI 2 周后，當(dāng)瘢痕被最初源自室管膜細(xì)胞的星形細(xì)胞層包圍且分隔在病變中心時，周細(xì)胞將其他類型的細(xì)胞吸引到病變區(qū)域。然后，由駐留星形膠質(zhì)細(xì)胞自我復(fù)制產(chǎn)生的另一個星形膠質(zhì)細(xì)胞層進(jìn)一步圍繞病變區(qū)域［24］。形成瘢痕的星形膠質(zhì)細(xì)胞完成了它們的表型變化，不再將它們的過程垂直朝向病變核心，而是變得更加平行和相互重疊。因此，反應(yīng)性膠質(zhì)細(xì)胞失去原先的結(jié)構(gòu)域并形成致密成熟的膠質(zhì)瘢痕。炎癥穩(wěn)定后，對于特征性反應(yīng)性膠質(zhì)細(xì)胞，膠質(zhì)瘢痕的形成還需要激活室管膜細(xì)胞、表達(dá)NG2+的神經(jīng)膠質(zhì)（包括OPC）、腦膜和血管來源的成纖維細(xì)胞、周細(xì)胞和損傷區(qū)域周圍的巨噬細(xì)胞［25］。這些細(xì)胞中的一部分細(xì)胞有能力改變星形膠質(zhì)細(xì)胞的表型并成為反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞，從而進(jìn)一步促進(jìn)膠質(zhì)瘢痕的形成。

3 星形膠質(zhì)細(xì)胞相關(guān)信號通路對脊髓損傷后膠質(zhì)瘢痕的影響

反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞的肥大、增殖、遷移和膠質(zhì)生成涉及多個細(xì)胞間和細(xì)胞內(nèi)信號傳導(dǎo)機(jī)制，其在時間上起作用以觸發(fā)和維持星形膠質(zhì)細(xì)胞的反應(yīng)性，進(jìn)而協(xié)調(diào)膠質(zhì)瘢痕的形成。這些信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路和受體在脊髓損傷后的膠質(zhì)瘢痕形成中起關(guān)鍵作用。這些關(guān)鍵信號通路參與星形膠質(zhì)細(xì)胞。星形膠質(zhì)細(xì)胞通過一系列復(fù)雜的細(xì)胞內(nèi)信號傳導(dǎo)通路對多種細(xì)胞外信號分子做出反應(yīng)，這些通路激活cAMP、MAP（微管相關(guān)蛋白）激酶、核因子 κB（NF-κB）、Janus 激酶信號轉(zhuǎn)導(dǎo)器和激活劑轉(zhuǎn)錄（Jak-STATs）等［26］，其中最重要的是NF-κB和STAT3通路。

3.1 NF-κB 越來越多的證據(jù)表明，NF-κB 通路的激活導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)的病理變化，并且該通路的抑制有助于限制疾病進(jìn)展［27］。NF-κB通路由中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）中的幾種因子刺激觸發(fā)，其中最重要的是 Toll 樣受體對釋放的 DAMP 做出反應(yīng)［28］、病原體相關(guān)分子模式和腫瘤壞死因子受體家族的成員，它們以各種特異性存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的所有細(xì)胞上。活化的NF-κB 進(jìn)入細(xì)胞核，與靶基因啟動子或增強(qiáng)子中的κB序列結(jié)合，促進(jìn)大量靶基因釋放炎癥因子的表達(dá)，如 IL-1、TNF-α、IL-6、IL-8 和 ICAM-1。激活的細(xì)胞因子可增強(qiáng)NF-κB 表達(dá)，從而進(jìn)一步提高細(xì)胞因子如 TNF-α、IL-6 和 IL-1 釋放，形成級聯(lián)放大效果，即SCI 后加重二次傷害［29］。研究顯示，經(jīng)典NF-κB 亞基 p65/p50 的活性模式在 SCI 后 3 d 和 28 d顯示兩個峰值［30］。腫瘤壞死因子-α（TNF-α）在受傷的脊髓中產(chǎn)生，其與TNFR1/TNFR2 結(jié)合，激活下游NF-κB 信號通路［31］。表達(dá)星形膠質(zhì)細(xì)胞 NF-κB 抑制劑的轉(zhuǎn)基因小鼠表現(xiàn)出改善的運(yùn)動功能和減少的膠質(zhì)瘢痕形成以及更好的白質(zhì)保存和更小的病變尺寸［30］。

3.2 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子3（STAT3） STAT3信號傳導(dǎo)被認(rèn)為是SCI 后星形細(xì)胞瘢痕形成的關(guān)鍵介質(zhì)。STAT3 是由750～795 個氨基酸組成的一種DNA結(jié)合蛋白。它在多種組織和細(xì)胞中表達(dá)，與脊髓損傷的疾病進(jìn)展有密切關(guān)系。作為JAK-STAT通路家族的一員，STAT3 在細(xì)胞行為中發(fā)揮關(guān)鍵作用。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，STAT3 主要分布在星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元中，負(fù)責(zé)神經(jīng)元增殖和分化及神經(jīng)再生［32］。研究顯示，星形膠質(zhì)細(xì)胞激活和神經(jīng)損傷引發(fā)的膠質(zhì)瘢痕形成需要STAT3 通路的參與［33］。DAI等［34］觀察到急性SCI可異常激活JAK2/STAT3通路，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡的發(fā)生。有研究表明，STAT3 基因敲除小鼠在脊髓損傷后未能形成神經(jīng)膠質(zhì)瘢痕，導(dǎo)致廣泛的病變和功能恢復(fù)不良，其原因是缺乏STAT3激活會導(dǎo)致星形膠質(zhì)細(xì)胞不能遷移到病變部位并包含受損區(qū)域［35］。這導(dǎo)致炎癥細(xì)胞在SCI 部位的流入加劇，進(jìn)而有缺陷的神經(jīng)膠質(zhì)瘢痕、白細(xì)胞廣泛浸潤、脫髓鞘增強(qiáng)和挫傷性SCI 后神經(jīng)元丟失增加。因此，STAT3 激活在星形膠質(zhì)細(xì)胞中的作用及反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞增生在抑制白細(xì)胞浸潤和減少脊髓損傷后初級組織損傷方面具有重要意義。

脊髓損傷后，一系列應(yīng)激反應(yīng)會誘導(dǎo)星形膠質(zhì)細(xì)胞活化。反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞通常在形態(tài)和基因表達(dá)改變方面與正常條件下的星形膠質(zhì)細(xì)胞不同，它們與細(xì)胞外基質(zhì)成分結(jié)合在病變部位形成膠質(zhì)瘢痕，受損區(qū)域的壁與鄰近的健康組織形成。然而，膠質(zhì)瘢痕作為一種物理和分子屏障，在脊髓損傷急性期可防止微生物感染和炎癥反應(yīng)的傳播，慢性期又會阻礙患者的功能恢復(fù)。這種復(fù)雜性反映了星形膠質(zhì)細(xì)胞與脊髓組織內(nèi)相鄰細(xì)胞的廣泛相互作用。鑒于星形膠質(zhì)細(xì)胞增生的多因素和時間性質(zhì)，在脊髓損傷后不同時間點(diǎn)描繪反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞的演變以識別有效的治療靶標(biāo)至關(guān)重要。

綜上所述，星形膠質(zhì)細(xì)胞在健康狀態(tài)下，發(fā)揮穩(wěn)定內(nèi)環(huán)境、形成血腦屏障和維持神經(jīng)通路的作用。在發(fā)生脊髓損傷后，星形膠質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)化為反應(yīng)性膠質(zhì)細(xì)胞并發(fā)生激活、增殖和遷移，最終形成膠質(zhì)瘢痕。NF-κB和STAT3是主要參與脊髓損傷后星形膠質(zhì)細(xì)胞的演變過程的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。這兩條通路使得膠質(zhì)瘢痕具有雙重作用，早期通過限制炎癥反應(yīng)和分泌神經(jīng)營養(yǎng)因子對脊髓修復(fù)有促進(jìn)作用，中晚期形成邊界和分泌神經(jīng)抑制因子限制脊髓的修復(fù)。