P2Y受體介導(dǎo)星形膠質(zhì)細(xì)胞在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中作用機(jī)制的研究進(jìn)展

王雅明, 牛翻燕, 岳雅蓉, 付琨燕, 王云霞, 薛 慧綜述, 項(xiàng)文平審校

星形膠質(zhì)細(xì)胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system,CNS)中數(shù)量最豐富的膠質(zhì)細(xì)胞[1],除了在人體健康中發(fā)揮著免疫應(yīng)答、滋養(yǎng)支持神經(jīng)細(xì)胞、維持血腦屏障、促進(jìn)髓鞘及突觸形成以及保持內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)等重要神經(jīng)系統(tǒng)保護(hù)作用外[2],有研究發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細(xì)胞在一些條件下會(huì)釋放炎癥因子如白細(xì)胞介素-1α、腫瘤壞死因子、IL-6等加劇炎性反應(yīng),導(dǎo)致神經(jīng)毒性作用損害機(jī)體功能,誘導(dǎo)疾病的發(fā)生發(fā)展[3],因此星形膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)是把雙刃劍。我們有必要去探索在何種條件下其產(chǎn)生何種作用。以往研究已報(bào)道P2Y受體表達(dá)在眾多膠質(zhì)細(xì)胞膜上,它可以介導(dǎo)星形膠質(zhì)細(xì)胞激活,引起下游的一系列反應(yīng)。近年來在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中該通路有越來越多的人進(jìn)行深入研究,如一氧化碳中毒遲發(fā)性腦病、帕金森病、阿爾茲海默病、癲癇等,因此為了更好深入研究該通路的作用機(jī)制,特寫此篇綜述,為接下來的研究奠定基礎(chǔ)。

1 G蛋白偶聯(lián)代謝型(P2Y)受體

三磷酸腺苷(ATP)是一種能量物質(zhì),可以儲(chǔ)能和供能,通過作用于嘌呤受體去激活體內(nèi)不同細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路去執(zhí)行不同的功能,嘌呤受體包括兩種分別為配體門控離子通道型(P2X)和G蛋白偶聯(lián)代謝型(P2Y),目前在哺乳動(dòng)物體內(nèi)已知P2Y受體共有8種亞型含有亞組(P2Y1、P2Y2、P2Y4、P2Y6和P211)和(P2Y12、P2Y13和P2Y14),可以介導(dǎo)生理學(xué)和病理生理學(xué)如炎癥和神經(jīng)性疼痛[4,5],一般來說,不同亞型的P2Y受體在細(xì)胞中表現(xiàn)出不同的分布和功能。當(dāng)P2Y受體被激活,往往是由于機(jī)體穩(wěn)態(tài)受到損傷,啟動(dòng)該條通路去維持平衡。目前有眾多學(xué)者采用P2Y受體的拮抗劑或激活劑去研究其治療潛能[6]。嘌呤能信號(hào)似乎在神經(jīng)變性、神經(jīng)保護(hù)和神經(jīng)再生中發(fā)揮重要作用,目前已明確細(xì)胞外核苷酸是細(xì)胞間通訊的信號(hào)分子,尤其是在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中,同時(shí)P2Y受體參與了神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞之間的相互作用,因此可預(yù)見P2Y受體所介導(dǎo)的信號(hào)通路具有潛在的研究?jī)r(jià)值[7]。

2 星形膠質(zhì)細(xì)胞

星形膠質(zhì)細(xì)胞在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中起著十分重要的作用,如神經(jīng)退行性疾病包括肌萎縮側(cè)索硬化(amyotrophic lateral sclerosis,ALS)、阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease,AD)和帕金森病(Parkinson disease,PD),還有腦缺血相關(guān)疾病,它可以調(diào)控神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育、腦的物質(zhì)代謝和血流。在正常生理情況下,正常健康的星形膠質(zhì)細(xì)胞會(huì)保護(hù)神經(jīng)元,避免氧化應(yīng)激和興奮性毒性;當(dāng)機(jī)體受到損害時(shí),幼稚的星形膠質(zhì)細(xì)胞會(huì)先分化成反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞,而后會(huì)變成疤痕膠質(zhì)細(xì)胞[8]。這里值得一提的是在不同疾病中由于基因表達(dá)不同反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞又分為A1和A2型兩種表型[9]。有學(xué)者提出A1型會(huì)分泌出許多趨化因子、補(bǔ)體、炎癥因子等神經(jīng)毒性介質(zhì),損害中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的神經(jīng)元恢復(fù)與突觸重建,但同時(shí)也有可能抵御外來病毒的侵襲;而A2型往往會(huì)上調(diào)神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子、可以增強(qiáng)細(xì)胞清除和吞噬的能力,能夠幫助中樞神經(jīng)系統(tǒng)維持穩(wěn)態(tài),促進(jìn)神經(jīng)元的修復(fù)再生[10]。由于兩種表型的存在,我們有理由認(rèn)為正是由于A1和A2的作用不同,所以星形膠質(zhì)細(xì)胞的在機(jī)體中所產(chǎn)生的影響也會(huì)是兩面性的。目前已有眾多研究已表明反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞具有雙重作用,它的活化水平具有一定的損傷性質(zhì)依賴性和損傷時(shí)間依賴性,會(huì)在適當(dāng)范圍內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)改變。

3 星形膠質(zhì)細(xì)胞生理學(xué)中的P2Y受體

P2Y受體的所有亞型在大腦中的星形膠質(zhì)細(xì)胞上均有表達(dá),P2Y1和P2Y2受體是主要角色,因?yàn)樗鼈兊拇碳ふT導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)鈣動(dòng)員并激活與細(xì)胞骨架重組相關(guān)的信號(hào)級(jí)聯(lián)等[11]。其中P2Y1亞型已被發(fā)現(xiàn)在嗅球、海馬、皮質(zhì)、小腦、伏隔核和脊髓的星形膠質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)較多,其它亞型則相對(duì)較少[12]。星形膠質(zhì)細(xì)胞已被證明通過釋放ATP、谷氨酸、d-絲氨酸和GABA等膠質(zhì)遞質(zhì)顯著促進(jìn)神經(jīng)元信息處理[13]。P2Y受體激活星形膠質(zhì)細(xì)胞參與了發(fā)育、代謝、細(xì)胞間通信的許多生理過程,并被證明可以介導(dǎo)Ca2+信號(hào)。Ca2+信號(hào)通路目前已成為星形膠質(zhì)細(xì)胞中研究最廣泛的信號(hào)通路[14]。該信號(hào)通路過程為神經(jīng)元釋放ATP刺激星形膠質(zhì)細(xì)胞中的P2Y受體,打開內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的IP3受體,導(dǎo)致Ca2+釋放到細(xì)胞質(zhì)中導(dǎo)致胞質(zhì)Ca2+信號(hào)上調(diào)[15]。

4 星形膠質(zhì)細(xì)胞病理學(xué)中的P2Y受體

星形膠質(zhì)細(xì)胞在維持大腦穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮了重要的功能。因此,星形膠質(zhì)細(xì)胞功能障礙將導(dǎo)致神經(jīng)元功能受損,在神經(jīng)炎癥和神經(jīng)退行性變過程中,某些情況下,星形膠質(zhì)細(xì)胞可能是神經(jīng)疾病的原因[16,17]。星形膠質(zhì)細(xì)胞在AD、帕金森病、亨廷頓病、卒中、癲癇、神經(jīng)性疼痛和精神分裂癥中發(fā)揮關(guān)鍵作用,P2Y受體已被證實(shí)參與這些疾病,如癲癇、神經(jīng)退行性疾病和卒中等。

4.1 神經(jīng)炎癥 神經(jīng)炎癥是由創(chuàng)傷性腦損傷、感染、興奮性毒性或自身免疫引起的神經(jīng)系統(tǒng)的炎癥性免疫反應(yīng)。由受損細(xì)胞和活化的免疫細(xì)胞釋放的ATP作為危險(xiǎn)信號(hào)[18],星形膠質(zhì)細(xì)胞受到ATP的激活轉(zhuǎn)化為反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞[19]。有研究報(bào)道星形膠質(zhì)細(xì)胞的轉(zhuǎn)化受P2Y受體介導(dǎo),由缺血條件下釋放的ATP刺激P2Y1受體激活JAK2-STAT3信號(hào)通路,導(dǎo)致GFAP和GDNF的產(chǎn)生[20]。在卒中的動(dòng)物模型中,使用P2Y1受體阻斷劑可以減少梗死體積[21]。因此目前有研究者認(rèn)為P2Y1可以介導(dǎo)星形膠質(zhì)細(xì)胞起到促炎作用,這些促炎因子包括IL-6、TNF-α和趨化因子CCL2等。然而有人發(fā)現(xiàn)在氧化應(yīng)激過程中,刺激P2Y1受體激活星形膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生IL-6起到神經(jīng)保護(hù)的作用[22]。因此P2Y受體介導(dǎo)星形膠質(zhì)細(xì)胞在神經(jīng)炎癥的病理過程中具有雙重作用,存在一定爭(zhēng)議。

4.2 重度抑郁癥 星形膠質(zhì)細(xì)胞嘌呤能系統(tǒng)的功能障礙似乎參與了重度抑郁癥(major depressive disorder,MDD)的病理生理過程。星形膠質(zhì)細(xì)胞具有嘌呤能受體,如腺苷A2A受體(Rs)和P2X7、P2Y1和P2Y11,它們介導(dǎo)神經(jīng)炎癥、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞傳遞和大腦抑郁相關(guān)區(qū)域的突觸可塑性。在MDD患者的前額葉皮質(zhì)中,膠質(zhì)纖維酸性蛋白(GFAP)的表達(dá),即星形細(xì)胞的標(biāo)記物,低于心理健康的人類[23]。此外,MDD患者星形膠質(zhì)細(xì)胞密度的降低比神經(jīng)元更明顯,提示星形膠質(zhì)細(xì)胞可能在MDD發(fā)病中起關(guān)鍵作用[24]。有學(xué)者提出P2Y受體缺失時(shí)小鼠FST的靜止時(shí)間會(huì)有減少[25],此外,當(dāng)社會(huì)隔離時(shí),與GFAP陽性星形膠質(zhì)細(xì)胞共定位的P2Y1受體的表達(dá)增加,從而導(dǎo)致抑郁樣狀態(tài)的發(fā)展,側(cè)腦室內(nèi)注射選擇性P2Y1受體拮抗劑MRS2179挽救了這種病理行為[26]。星形膠質(zhì)細(xì)胞嘌呤能系統(tǒng)似乎通過多種機(jī)制參與了抑郁癥的病理生理學(xué),靶向星形膠質(zhì)細(xì)胞來維持其穩(wěn)態(tài)功能可能是治療MDD的一種潛在策略[27]。

4.3 癲癇發(fā)作 在癲癇患者和癲癇動(dòng)物模型中發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細(xì)胞的表達(dá)上調(diào),有許多學(xué)認(rèn)為其是癲癇的潛在發(fā)病機(jī)制[28,29]。因?yàn)猷堰誓苄盘?hào)通過星形膠質(zhì)細(xì)胞傳遞,所以研究發(fā)現(xiàn)P2Y受體對(duì)癲癇發(fā)作的嚴(yán)重程度也產(chǎn)生了顯著影響[30,31]。在患有局灶性皮質(zhì)發(fā)育不全的癲癇患者的腦樣本中,免疫印跡檢測(cè)提示GFAP陽性的細(xì)胞上P2Y1、P2Y2和P2Y4免疫反應(yīng)性增加[32]。一些研究表明P2Y1在癲癇發(fā)病中的重要性,將癲癇患者術(shù)后的腦組織切片給予P2Y1受體的拮抗劑后其異常放電的頻率顯著下降,證明P2Y1受體激活可能導(dǎo)致癲癇的發(fā)作[33]。然而也有學(xué)者在小鼠的癲癇模型中發(fā)現(xiàn)P2Y1受體主要是通過介導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞而發(fā)揮作用的,因此需要進(jìn)一步深入研究去揭示P2Y1受體在癲癇中的具體發(fā)病機(jī)制[34]。

4.4 AD和神經(jīng)退行性病變 神經(jīng)退行性病變的特征性表現(xiàn)為神經(jīng)元逐漸減少,最常見的神經(jīng)退行性病變有PD、AD、路易體癡呆、肌萎縮側(cè)索硬化等。這些疾病中星形膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)揮了至關(guān)重要的作用,在神經(jīng)退行性環(huán)境中,星形膠質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)化為反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞增生的形態(tài)學(xué)和功能狀態(tài),其特征為細(xì)胞肥大、膠質(zhì)纖維酸性蛋白(GFAP)表達(dá)增加和離子通道、受體和轉(zhuǎn)運(yùn)體的失調(diào),包括嘌呤能信號(hào)傳導(dǎo)異常[35～38]。神經(jīng)炎癥已被認(rèn)為是AD患者大腦的一個(gè)突出特征,其可以調(diào)節(jié)疾病的進(jìn)展,此外Ca2+穩(wěn)態(tài)失調(diào)是AD發(fā)病機(jī)制中涉及到早期的因素,越來越多的證據(jù)支持Ca2+參與神經(jīng)變性相關(guān)炎癥過程的機(jī)制[39]。嘌呤能信號(hào)通路在AD 和PD中也已被證實(shí)參與了發(fā)病過程且具有重要意義[40]。AD發(fā)病機(jī)制涉及淀粉樣蛋白β肽(Aβ) 的異常積累和ATP等危險(xiǎn)信號(hào)的增加,ATP可以直接或間接觸發(fā)細(xì)胞內(nèi)的Ca2+上調(diào)引起星形膠質(zhì)細(xì)胞反應(yīng),其膜表面P2Y1的受體蛋白質(zhì)表達(dá)水平也增加[41]。Reichenbach等在AD小鼠動(dòng)物模型中發(fā)現(xiàn)使用P2Y1受體抑制劑慢性輸注到腦室內(nèi)使星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)功能障礙正?；?通過體內(nèi)雙光子顯微鏡測(cè)量顯示突觸結(jié)構(gòu)的完整性增強(qiáng),并保持海馬長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng),認(rèn)為通過P2Y1受體抑制劑可以恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)態(tài)是AD治療的新靶點(diǎn)[42]。網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)和功能連接的功能障礙是AD的早期事件,Disha等在 AppNL-F 小鼠中發(fā)現(xiàn)了早期扣帶回FC破壞和神經(jīng)元活動(dòng)過度,這些網(wǎng)絡(luò)中斷伴隨著星形膠質(zhì)細(xì)胞鈣信號(hào)傳導(dǎo)的減少,恢復(fù)星形膠質(zhì)細(xì)胞的鈣信號(hào)后使功能趨向正?；痆43]。目前許多學(xué)者將焦點(diǎn)聚集到AD早期發(fā)病機(jī)制與星形膠質(zhì)細(xì)胞的關(guān)聯(lián),或許這可能是不同研究得到不同結(jié)果的原因。

4.5 神經(jīng)性疼痛 神經(jīng)性疼痛一般包括外周神經(jīng)性疼痛和中樞神經(jīng)性疼痛,其中最大的區(qū)別是神經(jīng)損傷或疾病的位置,周圍神經(jīng)性疼痛(peripheral neuropathic pain,PNP)包括幾種情況:三叉神經(jīng)神經(jīng)性疼痛、皰疹后神經(jīng)痛(postherpetic neuralgia,PHN)、疼痛性糖尿病神經(jīng)病變(painful diabetic neuropathy,PDN)、人類免疫缺陷病毒(HIV)神經(jīng)病變和創(chuàng)傷后神經(jīng)痛;CNP上最常見的損傷機(jī)制有:創(chuàng)傷性腦損傷、腦血管損傷、脊髓損傷[44]。P2Y1、2、6、12、13受體的異常表達(dá)水平是外周神經(jīng)性疼痛的標(biāo)志[45]。大部分研究講述的是小膠質(zhì)細(xì)胞與P2Y受體在相應(yīng)神經(jīng)性疼痛的作用[46,47],而關(guān)于星形膠質(zhì)細(xì)胞與P2Y受體在神經(jīng)性疼痛相關(guān)的報(bào)道則較少,這可能是由于活化的小膠質(zhì)細(xì)胞分泌許多促炎因子包括IL1β、IL-6和TNF-α,這被認(rèn)為有助于神經(jīng)損傷誘導(dǎo)的神經(jīng)性疼痛[48]。目前星形膠質(zhì)細(xì)胞越來越受到疼痛研究人員的關(guān)注,靶向星形膠質(zhì)細(xì)胞的抑制劑被認(rèn)為是治療神經(jīng)性疼痛的有前途的藥物[49]。Ruili 等研究得出結(jié)論蛇床子素通過脊髓星形膠質(zhì)細(xì)胞中的 P2Y1 受體依賴性 JNK 信號(hào)通路減輕小鼠的神經(jīng)性疼痛[50]。神經(jīng)性疼痛嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量,給國(guó)家?guī)順O大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[51],所以需要有更多的學(xué)者進(jìn)行相關(guān)研究,減輕患者疾苦。

4.6 缺血性腦卒中 中樞神經(jīng)系統(tǒng)缺血后,由于細(xì)胞損傷和隨后的膜通透性增加,細(xì)胞外ATP可達(dá)到高濃度,ATP可能導(dǎo)致細(xì)胞變性和死亡,由P2X和P2Y受體介導(dǎo)。有證據(jù)表明,星形膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)腦灌注壓的降低非常敏感,可能起到顱內(nèi)壓力感受器的作用,調(diào)節(jié)以監(jiān)測(cè)腦血流[52]。同時(shí)興奮性毒性是卒中期間急性損傷的主要機(jī)制,星形膠質(zhì)細(xì)胞釋放神經(jīng)遞質(zhì),對(duì)神經(jīng)元產(chǎn)生一定效應(yīng),其中一種主要的神經(jīng)遞質(zhì)是谷氨酸,它可以作為絕大多數(shù)神經(jīng)元的興奮性遞質(zhì),在許多病理學(xué)中發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)期高濃度的谷氨酸刺激神經(jīng)元,會(huì)導(dǎo)致興奮性毒性使受體過度激活、離子破壞、細(xì)胞腫脹、細(xì)胞毒性 Ca2+升高和膜去極化,并被認(rèn)為是卒中、癲癇和一些神經(jīng)退行性疾病中神經(jīng)元丟失的主要原因之一[53]。Alexandra等研究發(fā)現(xiàn)在永久性大腦中動(dòng)脈閉塞(MCAO) 缺血大鼠動(dòng)物模型中用PPADS早期抑制P2Y受體可能有利于維持或早期重建梗死周圍區(qū)域的神經(jīng)元連接[54]。Philipp等也發(fā)現(xiàn)使用P2Y受體阻滯劑在缺血模型中可以保護(hù)神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞,減少了梗死面積[55]。這些研究證明了P2Y受體拮抗劑的有益作用,此外,P2Y1受體(腦組織中最豐富的P2Y受體亞型之一)的拮抗劑可減少創(chuàng)傷性腦損傷(Traumatic brain injury,TBI)后大鼠的神經(jīng)元丟失并改善空間記憶[56]。所有這些研究都認(rèn)為P2Y介導(dǎo)的星形膠質(zhì)細(xì)胞可以作為卒中的切入點(diǎn),為臨床治療提供更多策略。

5 結(jié) 論

在神經(jīng)元活動(dòng)期間或病理生理情況下從神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞釋放的ATP能夠激活P2Y受體去調(diào)節(jié)細(xì)胞的興奮性、突觸強(qiáng)度和可塑性去影響神經(jīng)元回路中的信息傳導(dǎo),對(duì)中樞神經(jīng)起著神經(jīng)保護(hù)或損害的雙重作用。越來越多的證據(jù)表明P2Y受體可以介導(dǎo)星形膠質(zhì)細(xì)胞引起Ca2+激活加劇或減輕神經(jīng)炎癥和退行性疾病,該領(lǐng)域的知識(shí)在不斷擴(kuò)展,因此星形膠質(zhì)細(xì)胞和P2Y受體應(yīng)改成為這些疾病的藥物靶點(diǎn),去進(jìn)一步深入研究,為臨床治療提供更多理論依據(jù)。