星形胶质细胞在脑缺血中的变化和作用

牛 非，胡金凤，苑玉和，韩 宁，陈乃宏

(1.中国医学科学院北京协和医学院药物研究所，天然药物活性物质与功能国家重点实验室，北京 100050;2.天津中医药大学，天津 300193)

脑缺血是以脑循环血流量减少为特征的脑血管疾病，发病率占脑卒中70% ～80%，并且具有高致残、高致死的特点。因此，探讨脑缺血损伤的机制，对减轻脑缺血损伤和提高人类的生存质量极其重要。以往关于缺血性脑损伤多围绕神经元，然而研究证实，星形胶质细胞(astrocyte，AS)比神经元更加耐受缺血损伤，同时它作为中枢神经系统(CNS)的主要支持成分，在神经系统疾病中起着损伤和保护双重作用。因此，体内外研究缺血、缺氧条件下AS的反应可为脑缺血的治疗研究提供关键依据。下面对AS在脑缺血中的变化和作用做一综述。

1 星形胶质细胞的生理功能

经典的金属浸镀技术(银染色)显示，AS形态呈星形，从胞体发出许多长而分支的突起，伸展充填在神经细胞的胞体及其突起之间，起支持和分隔神经细胞的作用。

而根据胶质丝的含量以及胞突的形状可将AS分为两种:纤维性星形胶质细胞(fibrous astrocyte)，多分布在脑脊髓的皮质，突起细长，分支较少，胞质中含大量胶质丝，又称蜘蛛细胞(spider cell);原浆性星形胶质细胞(protoplasmic astrocyte)，多分布在灰质，细胞突起粗短，分支多，胞质内胶质丝较少，又称苔状细胞(mossycell)。

在正常生理条件下，AS可以整合神经信号、抑制Ca2+兴奋、处理信息，桥接神经元和血管内皮细胞等［1］;其胞膜和胞质具有多种离子通道、受体、神经活性氨基酸高亲和载体、酶类以维持内环境的平衡;AS亦能产生各种调节信号、合成神经营养介质、重摄和代谢谷氨酸，从而保护神经元［2］。同时，AS比脑内其他任何类型的细胞具有更广泛的缝隙连接，加强相邻细胞的连接。另外，AS也是脑内的抗原呈递细胞(antigen-presenting)，具有免疫细胞功能。

因此，AS具有的这些不可忽视的重要功能使其在CNS正常和异常情况下都扮演了至关重要的角色。

2 星形胶质细胞在脑缺血中的变化和作用

2.1 星形胶质细胞在脑缺血中的变化 大量离体和在体实验显示，脑缺血短时间内，AS数量逐渐减少，且呈空泡状;随着缺血的连续刺激，AS胞体肥大、肿胀、突起增多、延长［2－3］，并在梗死灶及周围，以及远隔脑区出现大量反应性AS［4］。同时，AS的特异性标记物，胶原纤维酸性蛋白(GFAP)和波形蛋白表达增加。出现反应性AS后，会发生明显的细胞死亡，而且垂死的AS会杀死邻近的神经元。脑缺血后AS的存活影响神经元的存活和突触的重塑，因此，AS存活对最终脑缺血损伤的加重或抑制具有至关重要的作用。

2.2 星形胶质细胞对神经元存活的保护作用及其机制

2.2.1 星形胶质细胞通过合成、释放谷胱甘肽(GSH)发挥抗氧化作用 众所周知，GSH是脑内主要的抗氧化物质。AS含有的GSH及其合成代谢相关的酶远大于神经元。由AS合成和产生的GSH在保护神经元免受活性氧族(ROS)损伤的过程中发挥着关键性的作用［5］。ROS伴随缺血缺氧而产生，其对细胞造成的损伤很大程度上依赖于AS是否丧失对ROS的抵抗能力。AS可能通过直接供给神经元内源性的GSH［6］，从而提供ROS选择性的作用靶点以减轻神经元的应激损伤;亦有可能是AS释放的GSH直接充当细胞外清除剂进而减轻神经元的损伤［7］，但神经元似乎并非直接利用AS提供的GSH，Wang等［8］研究发现，AS源性的 GSH常被用于还原胱氨酸为半胱氨酸，神经元再利用半胱氨酸合成GSH。因此，神经元可能是通过AS合成或释放GSH而维持其存活。

2.2.2 星形胶质细胞释放神经营养因子 一般将神经营养物质和对神经细胞存活具有调节作用的生长因子统称为神经营养因子(neurotrophic factors，NTFs)。在脑缺血初期，AS可释放一些NTFs保护神经元免受损伤。这些NTFs主要有:神经营养因子类的BDNF(brain-derived neurotrophic factor)、NT-3(neurotrophin-3)、NGF(nerve growth factor);细胞因子类CNTF(cilary neurotrophic factor)、HGF(hepatocyte growth factor)、GDNF(glial-derived neurotrophic factor)以及激素类IGF-1(insulin like growth factor)等［9］。这些 NTFs可激活两种不同类型的受体—酪氨酸激酶的Trk家族和肿瘤坏死因子受体超家族中的p75NTR。NTFs依赖的神经元存活主要是经过启动其多个信号转导途径，主要包括PI3K/PKB和MEK/MAPK。其中，Ras/PI3K/PKB是神经元存活的主要信号转导途径。PKB通过直接抑制Fork-head或Bad而阻止凋亡，或通过阻断神经元凋亡途径(如JNK-p53-Bax途径)来抑制凋亡。而MEK/MAPK通过刺激抗凋亡蛋白的表达而发挥作用，该信号转导途径在神经元内具有多种作用，包括增强突触可塑性、维持存活。目前研究发现，当p75NTR与NTFs结合形成p75NTR同源二聚体后，可连接多种信号转导蛋白，包括 TRAF2/4、TRAF6、NRAGE、SC-Ⅰ、NRIF 和 RhoA，进而调节细胞周期、轴突生长及细胞存活;p75NTR也能增加神经酰胺水平及激活JNK-p53-Bax细胞死亡通路。故p75NTR的主要生物学效应包括:对神经元生长的调节;促进神经元存活;诱导神经元凋亡。p75NTR常与Trk受体共表达，因此p75NTR以协同或拮抗两种方式与Trk介导的生存途径作用;考虑到NTFs在体内含量甚微，而且促NTFs与Trk受体的亲和力微弱，因此可能是促NTFs与p75NTR结合进而介导细胞的凋亡［10］。

2.2.3 星形胶质细胞对水通道蛋白的影响 水通道蛋白(aquaporin，AQP)是一种水的分子通道，由于其存在，细胞才可以快速调节自身体积和内部渗透压，因此，AQP对于生命活动至关重要。Tsukaguchi等［11］根据AQPs的通透性将其分为三类:Ⅰ类为选择性水通道，如 AQP1、2、4、5;Ⅱ类是对某些中性溶质(尿素、甘油)具一定的选择通透性，如AQP3、7等;Ⅲ类具广泛的通透性(尿素、多元醇、乳酸盐、羧基丁酸、嘌呤、嘧啶等)。最近的研究表明［12］，AS在脑内的水盐代谢中也发挥着重要作用，其中AQP4是一种存在于脑薄壁组织和AS终足突起、神经胶质界膜与室管膜及室管膜下的AS连接处的水通道蛋白。研究表明，给与褪黑激素、Edaravone［13］或是 AQP4 抑制剂 TGN-020［14］均可使 AQP4 表达降低、减轻缺血后水肿的发生、改善神经功能损伤评分，推测在脑缺血/再灌注损伤中AQP4水平的迅速下降可能是机体对脑损伤做出的一种保护性反应。对血管源性脑水肿研究发现［15］，水分子进入脑实质不依赖AQP4，而从脑实质中出去依赖AQP4的转运，因此推测高渗生理盐水可促使水分子通过AQP4排出脑实质。

2.2.4 星形胶质细胞产生促红细胞生成素 早期，促红细胞生成素(erythropoietin，EPO)被认为是前体红细胞成熟和增殖的体液调控因素，而最近有研究显示，EPO也具有神经保护作用。在 CNS中，EPO主要由 AS产生［16］。Ruscher等［17］于2002年体外研究发现，海马脑片给予EPO能明显保护神经元免受缺糖缺氧(OGD)诱导的损伤，将OGD刺激AS的上清液置于OGD损伤的神经元中，AS上清液内源产生的EPO能有效的保护神经元免受损伤;而注射EPOR抗体可减小EPO的神经保护作用。同时，Belayev等［18］体内研究表明，EPO可减少短暂性MCAO模型啮齿类动物的脑梗死面积。与EPOR结合后，EPO可诱导JAK-2的磷酸化，进而激活 PI3K-Akt、NF-κB、STAT5 以及 Raf-1 信号通路，这可能是其保护神经元存活的信号途径。

2.3 星形胶质细胞对脑缺血的二级损伤作用及其机制

2.3.1 星形胶质细胞释放谷氨酸加重脑缺血损伤 谷氨酸(Glu)是一种兴奋性神经递质，作用于皮质神经元和骨髓运动神经元，可引起突触后膜出现类似兴奋性突触后电位，并导致神经元放电。不论在神经退行性疾病还是急性脑损伤中，Glu的兴奋性毒性作用都是重要的损伤因素。Glu的释放进一步激活突触后相应的受体(AMPA、NMDA受体)，诱导钠、钙离子内流及质膜的去极化［19］。钙内流将进一步诱导胞质钙超载和激酶的激活，并促使自由基的产生，氧化应激和线粒体代谢损伤，最终导致神经元死亡。

AS可通过对钠离子依赖的谷氨酸转运体(GLT1)调节谷氨酸再摄取，通过调节GABA、Glycine和D-Serine间接影响神经元上的Glu受体功能，以及通过调节胞外钾离子的浓度从而影响微环境等等。而当细胞缺血缺氧发生时，将会影响Na+/Ca2+交换体和Na+/K+ATP酶的活性，从而导致离子梯度的破坏，同时由于GLT1的活动是一个强烈耗能的过程，不难想象细胞外AS释放Glu浓度剧增，神经元及胶质细胞的能量将耗竭［20］。同时，AS上谷氨酸受体的激活导致L-丝氨酸消旋酶的活化进而使AS释放D-丝氨酸，由于甘氨酸和D-丝氨酸是NMDA型谷氨酸受体信号转导的阳性调节子，这一过程进一步导致兴奋性神经元死亡。

2.3.2 星形胶质细胞释放炎性因子 不容忽视的是，脑组织中除小胶质细胞外，AS也是一种免疫细胞。和小胶质细胞相同，星形胶质细胞也能产生iNOS、TNF-α和白介素等炎症因子，对周围环境造成影响。脑缺血发生后，反应性AS增多并进一步释放NO、TNF-α和白介素等炎症因子。有文献报道［21］，脑缺血几小时后即可检测到iNOS的表达，并在2～3 d达到峰值。NO是一种通过增强谷氨酸兴奋性毒性或其他途径引起神经细胞死亡的活性氧。目前调控炎症过程较为公认的调节子是PARP-1［poly(ADP-ribose)polymerase-1］。PARP-1表达下调引起脑缺血后梗死面积的减少，并具有DNA的修复功能，同时也是NF-κB的辅助激活因子［22］。PARP-1与NF-κB形成复合物可增强NF-κB的DNA结合以及调控因子的转录。因此，在脑缺血中，AS可激活PARP-1、NF-κB等信号通路，促进炎性因子的释放。

2.3.3 星形胶质细胞的缝隙连接和半通道 在正常脑组织中，AS和神经元存在缝隙连接蛋白，这些蛋白可以形成缝隙连接以及半通道［23］。缝隙连接使得神经元或AS形成三维网状结构，起到调节细胞内外的离子平衡、神经保护、传递细胞间钙波等重要的作用。尽管二者都能表达连接蛋白，但AS的缝隙连接网络结构更常见且更广泛。经验研究表明，局灶性脑缺血发生时，AS和神经元的半通道处于开放状态，而AS的缝隙连接偶联程度下降、半通道开放，使得缺血病灶中心区源于AS的毒性分子(Na+、Ca2+、Glu等)弥散到半阴影区正常的细胞，从而进一步加重对神经元和AS的毒性作用［24］。缝隙连接的破坏使半阴影区由AS释放的营养因子等有益分子渗透到缺血区濒死的细胞;同时有害分子由病源区渗透到半阴影区，这对病灶部位的细胞是有利的，但是却连累了周边健康的细胞，传播的信号在半阴影区可能产生短暂性、扩张性的损伤作用，从而使缺血面积扩大化。因此，研究特异性的拮抗剂，进行选择性的处理缝隙连接和半通道是进一步研究二者作用的关键。

综上所述，在脑缺血中，AS不仅通过产生抗氧化物质、释放神经营养因子、降低水通道蛋白、促进红细胞生成素保护神经元免受损伤;而另一方面，它也通过释放Glu造成兴奋性氨基酸毒性、释放炎性因子及降低缝隙连接等，进而加重神经细胞的损伤。但是AS在脑缺血过程中发挥保护或损伤作用的时间及深入机制还不完全清楚，如何有效利用AS对神经元的保护作用还有待于进一步研究，这对于脑缺血疾病的治疗具有重要指导意义。

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