星形膠質(zhì)細(xì)胞的免疫炎性反應(yīng)和谷氨酸代謝異常在卒中后抑郁發(fā)病中的作用

高倩,張明寬,陳志彬,劉曉語,胡明會(huì),王新宇,張浩,李自發(fā),耿希文,魏盛,武繼彪

(1.山東中醫(yī)藥大學(xué)中醫(yī)藥創(chuàng)新研究院,山東 濟(jì)南 250355;2.山東中醫(yī)藥大學(xué)實(shí)驗(yàn)中心,山東 濟(jì)南 250355)

卒中是一種急性腦血管疾病,其主要特征為突然起病,局灶性神經(jīng)功能缺損,是全球范圍致殘和死亡的主要原因,主要分為缺血性和出血性兩種,其中缺血性卒中(ischemic stroke,IS)發(fā)病率在卒中患者中占比69.6%[1]。卒中后抑郁(post-stroke depression,PSD)作為一種神經(jīng)心理疾病,在卒中患者恢復(fù)期間常常被忽視,除此之外仍有約三分之一的腦卒中患者在卒中發(fā)生2年內(nèi)存在抑郁體驗(yàn)[2]。研究表明星形膠質(zhì)細(xì)胞(astrocyte,Ast)在卒中及抑郁的發(fā)生均發(fā)揮重要的作用,卒中發(fā)生后,體內(nèi)的Ast變化不僅對神經(jīng)功能恢復(fù)發(fā)揮雙重作用,而且在很大程度上促進(jìn)抑郁癥的發(fā)病[3-4]。IS發(fā)生后,缺血區(qū)Ast活化:一方面,Ast通過攝取興奮性氨基酸、釋放抗炎因子等方式保護(hù)神經(jīng)元;另一方面,活化的Ast釋放促炎因子擴(kuò)大梗死灶,對神經(jīng)元修復(fù)產(chǎn)生不利影響[5]。如何提高Ast保護(hù)作用、降低PSD的損傷作用是后續(xù)開展的方向。本文主要以卒中后Ast相關(guān)的生物學(xué)變化為切入點(diǎn),探討PSD發(fā)病所涉及的主要信號通路及治療策略。

在生理情況下,Ast具有維持中樞神經(jīng)系統(tǒng)中離子和pH的穩(wěn)態(tài)、促進(jìn)神經(jīng)遞質(zhì)的合成與清除的功能,除此之外還有提供葡萄糖供應(yīng)、抗氧化、調(diào)節(jié)突觸活動(dòng)、支持神經(jīng)元、調(diào)節(jié)腦血流量以及限制外周免疫細(xì)胞穿過血腦屏障等作用[6]。腦缺血性損傷會(huì)誘發(fā)一系列應(yīng)激反應(yīng),如免疫炎癥、谷氨酸神經(jīng)毒、氧化損傷等,誘導(dǎo)Ast聚集、遷移和增生為反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞(reactive astrocytes,RAs)。在腦缺血早期,RAs的增多是一種自我愈合反應(yīng),具有保護(hù)作用。RAs通過上調(diào)神經(jīng)營養(yǎng)因子水平,抑制炎癥反應(yīng),提高神經(jīng)元存活率。隨著腦缺血時(shí)間延長,RAs可隨病情發(fā)展出現(xiàn)多樣的形態(tài)變化:諸如胞體肥大、增生、突起變粗、分支增多等。此類變化不僅加劇病區(qū)腦組織細(xì)胞的惡性生長,使得細(xì)胞間生長相互疊加和覆蓋,最終導(dǎo)致膠質(zhì)瘢痕生成[7];而且可激活多條通路,加劇相應(yīng)腦區(qū)組織的炎癥反應(yīng)。

有關(guān)PSD發(fā)病機(jī)制研究學(xué)說眾多,與Ast相關(guān)的PSD發(fā)病機(jī)制主要包括免疫炎癥反應(yīng)[8]、谷氨酸能系統(tǒng)障礙[9]兩個(gè)方面。因此,調(diào)節(jié)Ast內(nèi)各種信號通路的活性情況,進(jìn)而調(diào)控Ast抗炎、谷氨酸清除速度等功能是針對Ast緩解PSD的有效方法。其中p38MAPK信號通路、Notch信號通路、JAK-STAT信號通路、Toll樣受體等信號通路參與免疫炎性反應(yīng)對PSD的影響;Sonic Hedgehog信號通路、Toll樣受體等信號通路參與谷氨酸能系統(tǒng)調(diào)控,現(xiàn)總結(jié)如下。

1 Ast參與免疫炎性反應(yīng)在PSD中的作用

1.1 PSD與免疫炎性反應(yīng)缺血后機(jī)體產(chǎn)生的免疫炎性反應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程,Ast也參與其中。Ast根據(jù)缺血時(shí)間的長短,而發(fā)揮不同作用:早期釋放抗炎因子維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài);后期釋放促炎因子阻止腦損傷恢復(fù)[5]。有研究表明,免疫炎癥反應(yīng)系統(tǒng)參與調(diào)控細(xì)胞因子水平與PSD的發(fā)生有關(guān),即“細(xì)胞因子卒中后抑郁理論”[6]。炎癥反應(yīng)與抑郁癥的發(fā)病密切相關(guān):在嚴(yán)重抑郁癥患者中,可觀察到其血清或血漿中白細(xì)胞介素(interleukin,IL)-6和腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF)-α的水平增加[11-12]。因此,抗細(xì)胞因子治療是PSD的潛在治療手段。

1.2 相關(guān)信號通路

1.2.1 p38MAPK信號通路在p38MAPK信號通路中,該信號通路的激活不僅會(huì)損傷Ast,進(jìn)而形成膠質(zhì)瘢痕,而且產(chǎn)生ROS并促進(jìn)MMP-9表達(dá),促進(jìn)炎癥發(fā)生。腦缺血后,阻斷p38MAPK通路可以有效抑制炎癥反應(yīng)進(jìn)行。p38MAPK抑制劑可以有效緩解氧糖剝奪6 h所致的Ast腫脹及p38MAPK蛋白表達(dá)上調(diào)情況[13]。同樣,腦缺血損傷后,Ast中p38MAPK激活的延遲可減緩Ast的增殖及炎癥反應(yīng)的發(fā)生[14]。因此MAPK信號通路阻斷有可能維持Ast正常功能進(jìn)而減輕PSD癥狀。

1.2.2 Notch信號通路在腦缺血后,Notch信號通路在Ast中被激活,加重缺血半暗帶的炎性細(xì)胞浸潤[15]。有研究表明,Notch信號通路在調(diào)節(jié)Th17/Treg細(xì)胞平衡方面起著關(guān)鍵作用[16],Th17/Treg比例失衡與卒中、抑郁等疾病密切相關(guān)[17-18]。在PSD大鼠中使用Notch信號通路阻斷劑阻斷該通路后,外周血單個(gè)核細(xì)胞中Th17/Treg比值降低,推測DAPT通過調(diào)控Th17/Treg平衡減輕PSD炎癥反應(yīng),從而減輕PSD大鼠癥狀[19]。

1.2.3 JAK-STAT信號通路在JAK-STAT信號通路中,JAK2-STAT3信號通路是調(diào)控炎癥因子的重要通路[21-22]。腦卒中后內(nèi)皮素-1(endothelin-1,ET-10)在Ast中合成,有強(qiáng)烈收縮血管的作用。有研究表明,過度表達(dá)Ast ET-1的轉(zhuǎn)基因小鼠表現(xiàn)出更嚴(yán)重的神經(jīng)功能缺損,其特征在于短暫性大腦中動(dòng)脈閉塞后出現(xiàn)更大的梗死。使用JAK2-STAT3抑制劑治療的過度表達(dá)Ast中ET-1的轉(zhuǎn)基因小鼠在發(fā)生短暫性缺血腦卒中后,同側(cè)大腦的神經(jīng)功能缺損顯著減少,梗死面積減少,Ast分化變少。同時(shí),腦內(nèi)微量注射ET-1是一種簡單有效且可重復(fù)的局灶性缺血損傷,會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的焦慮抑郁表型可持續(xù)6周,導(dǎo)致PSD表型[22]。

1.2.4 Toll樣受體信號通路4Toll樣受體信號通路4(Toll-like receptors,TLR4)參與許多炎癥疾病的發(fā)生,是抗炎經(jīng)典通路。TLR4主要在大腦Ast、神經(jīng)元及小膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá),是檢測心腦血管風(fēng)險(xiǎn)的重要標(biāo)志物[23]。TLR4信號通路的激活參與了腦缺血過程,通過激活NF-κB,促進(jìn)炎癥因子、細(xì)胞因子的釋放,從而引起炎癥反應(yīng)。TLR4拮抗劑或基因敲除可減輕腦損傷[24-25]。臨床研究表明,外周血單核細(xì)胞中TLR4表達(dá)水平的升高與腦出血患者的不良預(yù)后有關(guān)[26]。此外,有實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)TLR4敲除的腦出血?jiǎng)游锬Ｐ偷纳窠?jīng)功能得到了改善[27-28]。

1.3 免疫炎性與PSD治療炎性因子是免疫炎性反應(yīng)的一個(gè)重要的指標(biāo)。卒中患者體內(nèi)釋放炎性因子IL-1、IL-6、TNF-α和INF-γ等明顯高于正常人[29],同時(shí)IL-1、IL-6和CRP的升高會(huì)促發(fā)抑郁癥[30]。在臨床診斷中,IL-6和TNF-α含量可用于判定中風(fēng)急性階段抑郁發(fā)展情況[31]。Howren等[32]對臨床試驗(yàn)的meta分析得出結(jié)論,抗細(xì)胞因子治療可以改善抑郁癥狀。紅景天不僅通過調(diào)節(jié)JAK2-STAT3信號通路,改善缺血再灌注大鼠神經(jīng)功能損傷[33],而且降低PSD大鼠海馬組織TNF-α、IL-1β水平,改善PSD癥狀[34]。有研究表明,頤腦解郁復(fù)方下調(diào)JAK2、STAT3、TLR2、TLR4和NF-κB蛋白的表達(dá)[35-36],推測該藥可能通過減緩免疫炎性反應(yīng),從而治療PSD。以上研究結(jié)果表明Ast在p38MAPK信號通路、Notch信號通路、JAK-STAT信號通路、Toll樣受體信號通路中均發(fā)生免疫炎性反應(yīng)影響PSD的發(fā)生發(fā)展,阻斷該通路可以減輕PSD癥狀。

2 Ast參與細(xì)胞間谷氨酸代謝在PSD中的作用

2.1 PSD與谷氨酸代謝缺血缺氧后數(shù)分鐘神經(jīng)元膜電位發(fā)生去極化,電壓依賴性鈣通道被激活,谷氨酸被釋放到細(xì)胞外間隙[37]。EAAT2(GLT-1)為谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體,表達(dá)于前腦、海馬、大腦皮質(zhì)和紋狀體等部位的Ast膜上,在成人大腦上負(fù)責(zé)超過90%的谷氨酸攝取[38-39]。谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白含量對于谷氨酸神經(jīng)毒誘導(dǎo)的神經(jīng)元死亡非常重要。當(dāng)局部腦缺血20 min～2 h,腦部缺血區(qū)谷氨酸含量升高2.5～20倍,谷氨酸的過量堆積,過度興奮谷氨酸受體導(dǎo)致神經(jīng)元死亡。由AQP4介導(dǎo)的星形膠質(zhì)細(xì)胞腫脹可促進(jìn)谷氨酸興奮性毒性、NO產(chǎn)生及IL-1β、IL-6及TNF-α等細(xì)胞因子的釋放,從而加重缺血區(qū)血腦屏障損傷,誘發(fā)腦水腫[40]。

在重度抑郁患者及抑郁小鼠模型中大腦海馬中可發(fā)現(xiàn)GLT-1表達(dá)水平的降低[41]。Fullana等[42]研究證明在前額葉邊緣下皮層選擇性敲除Ast谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體亦可誘導(dǎo)小鼠出現(xiàn)抑郁行為。Chandley等[43]則發(fā)現(xiàn)重度抑郁患者藍(lán)斑中谷氨酸增多主要與藍(lán)斑中病變的Ast有關(guān),其特征在于Ast谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)的減少。因此大腦中谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白尤其是GLT-1在調(diào)節(jié)抑郁行為中的作用不可忽視。

2.2 相關(guān)信號通路

2.2.1 Sonic Hedgehog信號通路Sonic Hedgehog (SHH)信號通路在正常人體組織中呈無活性或低活性狀態(tài),缺血環(huán)境中可被激活。SHH通路激活涉及四種蛋白:SHH配體、跨膜受體Patched (Ptch)、細(xì)胞跨膜蛋白Smoothened (SMO)和膠質(zhì)瘤相關(guān)癌基因蛋白1 (Gli-1)。其中Gli-1的表達(dá)可直接反映該通路的活性狀態(tài),SHH配體是該信號通路中的重要元件,該信號通路參與IS的作用機(jī)制如下:正常情況下,SMO被Ptch抑制,從而抑制SHH通路,使得谷氨酸在細(xì)胞間隙內(nèi)維持正常的微摩爾水平;在腦缺血環(huán)境中,SHH迅速釋放,并與Ptch結(jié)合,解除Ptch對SMO的抑制,使SMO激活,從而抑制GLT-1的活性,導(dǎo)致谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)受阻,進(jìn)而造成細(xì)胞外谷氨酸積累[44],執(zhí)行缺血性腦損傷。同樣,抑郁癥患者谷氨酸水平異常升高,其發(fā)生發(fā)展可能與突觸間隙谷氨酸增多有關(guān):將GLT-1抑制劑二氫卡因酸鹽(dihydrokainate,DHK)微量注射到中央杏仁核中可致動(dòng)物快感缺失[45],這在動(dòng)物行為學(xué)研究中是典型的抑郁模型特征。雖然SHH信號通路的激活可以間接導(dǎo)致谷氨酸的增多,誘發(fā)谷氨酸興奮毒等各種不良反應(yīng),但有研究表明電針可通過激活SHH通路,升高PSD大鼠BDNF水平、Bcl-2/Bax比率,從而升高5-羥色胺、去甲腎上腺素水平,緩解PSD大鼠癥狀[46]。兩者雖有矛盾但其解釋機(jī)理不同:前者是谷氨酸過量增多誘導(dǎo)疾病,后者是通過升高單胺類神經(jīng)遞質(zhì)5-羥色胺、去甲腎上腺素改善PSD大鼠抑郁行為。因此SHH通路激活在PSD中發(fā)揮重要作用,深層機(jī)制復(fù)雜,有待進(jìn)一步研究證明。

2.2.2 TLR4信號通路鈣防衛(wèi)蛋白S100A9屬于損傷相關(guān)分子模式(damage-associated molecular patterns,DAMPs)的一種,不僅在炎癥性疾病如癌癥和自身免疫性疾病中大量表達(dá),而且作為炎癥相關(guān)神經(jīng)變性和衰老的重要參與者。有研究表明S100A9可能通過激活TLR4/NF-κB通路抑制GLT-1依賴的谷氨酸攝取和促進(jìn)星形膠質(zhì)細(xì)胞Ca2+依賴的谷氨酸釋放,從而上調(diào)細(xì)胞外谷氨酸水平,進(jìn)一步導(dǎo)致神經(jīng)元損傷[47]。

2.3 谷氨酸興奮性毒性與PSD治療Ast攝取谷氨酸是防止缺血性卒中后興奮毒導(dǎo)致神經(jīng)元死亡的重要機(jī)制,因此調(diào)節(jié)GLT-1活性來維持谷氨酸穩(wěn)態(tài)和控制谷氨酸毒性是治療該病的可能方向。頭孢曲松鈉可以增加Ast中谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白GLT-1,降低臨床前模型中的細(xì)胞外谷氨酸和谷氨酸毒性[36,48]。頭孢曲松鈉在急性缺血性卒中中維持GLT-1活性仍然具有挑戰(zhàn)性,因?yàn)镚LT-1上調(diào)需要數(shù)天[49]。但頭孢曲松鈉或許可以通過減少卒中后谷氨酸增多從而緩解PSD癥狀。SMO抑制劑NVP-LDE225,可以通過減緩卒中條件下Ast中GLT-1的降低,對非人靈長類動(dòng)物缺血中建立保護(hù)作用[16]。目前尚未有NVP-LDE225治療PSD的報(bào)道,在將來有望看到采用該藥物治療PSD的曙光。因此,GLT-1可能是PSD的治療靶點(diǎn),推測抑制SHH信號通路中SMO可以通過增加谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體(GLT-1),減少細(xì)胞外谷氨酸含量,減輕神經(jīng)興奮性毒性,從而介導(dǎo)PSD的治療。

3 總結(jié)和展望

綜上,腦缺血后引發(fā)序列反應(yīng):Ast被激活,誘導(dǎo)免疫炎性反應(yīng)、抑制谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體活性,導(dǎo)致細(xì)胞間免疫炎性因子、谷氨酸增多,進(jìn)而促進(jìn)PSD的發(fā)生。在谷氨酸能系統(tǒng)方面,缺血性腦損傷可能會(huì)通過SHH信號通路降低谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體GLT-1的表達(dá)從而使細(xì)胞間谷氨酸含量增多,介導(dǎo)谷氨酸興奮毒,使神經(jīng)元死亡加重腦損傷。除SHH信號通路之外,TLR4信號通路同樣會(huì)通過抑制谷氨酸攝取和釋放進(jìn)行影響谷氨酸-谷氨酰胺循環(huán)導(dǎo)致神經(jīng)元損傷,甚至?xí)^發(fā)免疫炎性因子水平的升高,促進(jìn)抑郁樣情緒發(fā)生。另外,GLT-1表達(dá)的抑制同樣也是PSD的發(fā)病基礎(chǔ)。因此,無論是細(xì)胞間谷氨酸的增多還是GLT-1表達(dá)的減少都會(huì)加重PSD發(fā)生。在免疫炎癥方面,RAs會(huì)介導(dǎo)多個(gè)信號通路發(fā)生作用,導(dǎo)致免疫炎癥因子的增多,促進(jìn)PSD發(fā)生,如圖1所示。在這里,減少細(xì)胞外谷氨酸含量,增加谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體表達(dá)以及抑制促炎相關(guān)信號通路是緩解這一疾病的方法。其具體作用機(jī)制主要與調(diào)控Sonic Hedgehog信號通路、p38MAPK信號通路、Notch信號通路、JAK-STAT信號通路、Toll樣受體信號通路等有關(guān)。以上這些都為進(jìn)一步了解Ast相關(guān)的PSD治療提供參考,為治療PSD提供新思路。卒中后Ast參與的相關(guān)生物學(xué)機(jī)制除谷氨酸和免疫炎癥反應(yīng)這兩個(gè)方面,是否還涉及到其他方面。在卒中后期形成膠質(zhì)瘢痕的修復(fù)是否會(huì)影響PSD的進(jìn)程,Ast參與IS后造成的神經(jīng)功能損傷具體生物學(xué)機(jī)制,保護(hù)作用和損傷作用時(shí)期如何劃分等,有待進(jìn)一步深挖研究。

圖1 與星形膠質(zhì)細(xì)胞相關(guān)PSD的發(fā)生機(jī)制

在臨床上,西醫(yī)主要通過單胺類氧化酶抑制劑、5-羥色胺再攝取抑制劑等藥物治療PSD,但療效不佳,長期用藥后毒副作用大,導(dǎo)致患者在服藥后期被迫停藥[50]。在這種條件下,中藥復(fù)方的存在發(fā)揮了極大作用,中藥復(fù)方可以多組分、多靶點(diǎn)、多途徑的作用使中藥復(fù)方治療疾病占有很大優(yōu)勢:例如頤腦解郁復(fù)方可以通過調(diào)節(jié)Toll樣受體信號通路、JAK-STAT信號通路等調(diào)節(jié)PSD的免疫炎性反應(yīng)[35-36]。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,探求中藥復(fù)方治病的機(jī)理以及為臨床提供目標(biāo)更加特異、治療效果更佳、副作用更少的新型復(fù)方藥物仍是科研界追尋的方向。