中枢神经系统内缝隙连接的研究进展

林敏，伍丽娜，胡晓松，李帅

缝隙连接(gap junction,GJ)是目前认为细胞间唯一能直接进行物质和信息交换的通道，这种物质和信息交流称为由缝隙连接介导的细胞间通讯(gap junctional intercellular communication,GJIC)，在中枢神经系统中分布广泛，对维持正常的神经活动起着重要作用。近年来，多项研究发现中枢神经系统疾病的发生发展与缝隙连接重构或功能异常有关，一些缝隙连接阻断剂可能成为中枢神经系统疾病治疗的有效药物。

1 中枢神经系统缝隙连接的组成与功能

缝隙连接是一种广泛存在的细胞连接形式，由相邻细胞膜上的连接小体组成。连接小体一一对应，小体中心的小管对接，构成了细胞间的直接通道[1]。研究发现，每个连接小体只能由6个同型的缝隙连接蛋白(connexin,Cx)组成，而一个缝隙连接可由两个不同类型的连接小体组成[2]。Cx是构成缝隙连接通道的一大类膜蛋白，至今在哺乳动物中已发现21种[3]，其中Cx26、 Cx29、 Cx30、 Cx32、 Cx36、 Cx37、 Cx40、 Cx43、Cx45、Cx46及Cx47这11种在成熟和发育中的中枢神经系统有不同程度表达[4]。研究发现，在哺乳类动物脑组织中表达的Cx类型分布不同，具有一定特异性。神经元上主要是Cx32、Cx36、Cx26，星形胶质细胞上主要为Cx43、Cx30、Cx45、Cx40、Cx32，少突胶质细胞上主要是Cx32、Cx45。其中星形胶质细胞上的Cx43表达最强，神经元和少突胶质细胞上的Cx32位居第二[5]。

1.1 神经元中缝隙连接的功能

1.1.1 参与神经元的电活动 缝隙连接以电流作为信息载体，存在于中枢神经系统的同类神经元之间，促进神经元的同步活动。Meister等发现，相邻神经节细胞动作电位传递的时间间隔几乎为零，因此认为这种传递是直接通过缝隙连接促使神经元活动达到同步化的[6]。

1.1.2 参与神经元的发育与再生 研究表明，在哺乳动物中枢神经系统，神经元之间以缝隙连接相互连接并表达Cx36；Cx36在人早期发育过程中呈短暂升高，随后下降，并在成年期保持低表达。在脑外伤和癫痫等神经元损伤疾病中，缝隙连接的表达又有所上升，缝隙连接参与了神经元的发育[7]。

1.1.3 参与物质传递 在Ca2+和其他因素作用下，缝隙连接可开放或闭合。一般分子量小于1500 Da的物质，包括离子、环磷酸腺苷(cAMP)等信息分子、氨基酸、葡萄糖、维生素等，均得以在相邻细胞间流通，使细胞在营养代谢、增殖分化和功能等方面成为统一体。

1.2 胶质细胞中缝隙连接的功能

1.2.1 缓冲K+Magnotti等发现，在神经活动中，各种胶质细胞Cx的交汇点是构成吸收和迁移细胞外K+的网络，有利于神经元外部过多K+摄入，并迅速通过缝隙连接分散到相邻的胶质细胞，以维持细胞外K+的稳态，有助于神经元电活动的正常进行[8]。

1.2.2 传递Ca2+Ca2+通过缝隙连接在星形胶质细胞中扩散，称为Ca2+波。Ca2+波为远距离信号的传播提供基础[9]。此外，星形胶质细胞与神经元之间的缝隙连接通讯还参与Ca2+的自身调节。

2 缝隙连接与中枢神经系统疾病

2.1 癫痫

近年来，多项研究发现缝隙连接与癫痫之间有密切关系。神经元间存在的缝隙连接促使神经元超同步化放电，引起癫痫[10]。Wang等在大鼠体内外躯体感觉皮质中检测到，活化的谷氨酸(glutamate,Glu)增加了神经元缝隙连接偶联和Cx36表达；相反，灭活的谷氨酸阻碍癫痫和Cx36表达[11]。神经元的缝隙连接偶联是谷氨酸导致神经元死亡的关键部位。

Cx43在癫痫中呈高表达。其机制可能为Cx43增加了星形胶质细胞之间突触偶联数目，有利于神经元同步放电，从而增加了癫痫持续状态发生的可能性。但究竟是癫痫引起Cx43表达升高，还是Cx43表达增强引起癫痫，一直困扰人们。Beheshti等发现，在大鼠急性癫痫模型中，海马区Cx36 mRNA和蛋白水平均上调，而Cx43却没有改变[12]。提示Cx36的上调诱发了癫痫，在癫痫发展中才有Cx43的上调。Takahashi等检测到难治性癫痫患者星形胶质细胞标记物胶质纤维酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein,GFAP)和Cx43的增加，而K+电流的改变却没有马上观察到[13]。提示在难治性癫痫发病之初Cx43上调，但星形胶质细胞缝隙连接功能没有改变，无法诱导癫痫。因此推测是癫痫诱导了Cx43上调。

对于Cx32在癫痫中的表达存在争议。曾杨滨等在氯化锂-匹罗卡品致痫大鼠模型中检测到，海马区与皮层区Cx32和Cx43免疫阳性表达都较正常组高[14]。Collignon等对47例接受杏仁核海马切开术的顽固性癫痫患者进行海马的连续取样，观察Cx32、Cx36和Cx43的表达情况，结果显示癫痫患者海马区Cx43表达升高，Cx36表达不变，Cx32表达降低[15]。姚伯昕等检测了30例难治性颞叶癫痫患者的组织标本，发现癫痫灶组及周边脑组织组中Cx32的表达无显著性差异[16]。

缝隙连接在少突胶质细胞中的作用是营养髓鞘，Cx32是在少突胶质细胞最早被检测出来的连接蛋白，它在髓鞘发育、沃勒变性和轴突再生时表达。敲除Cx32的转基因大鼠髓鞘很稀疏，神经传导速度明显下降。推测Cx32是影响癫痫异常电传播速度的重要因素，也是治疗癫痫、延长癫痫潜伏期的一个新的研究方向。

2.2 神经胶质细胞瘤

GJIC对细胞的生长、繁殖等生物学行为起着重要调控作用；GJIC功能障碍，Cx表达低下或缺失与神经胶质细胞瘤的发生、发展关系极为密切。Cx43通过增加p21和p27的表达延长细胞周期[17]。用Cx43 cDNA转染肿瘤细胞后，Cx43 mRNA明显增加，GJIC功能增强，细胞增殖速度较未转染的肿瘤细胞明显下降[18-19]。Herrero-Gonzalez等发现，Cx43能减少神经胶质瘤的致癌活动并减慢肿瘤细胞的增长速率[17]。因此寻找有效药物促进Cx表达上调，可为抗癌治疗提供一种新手段[20]。Leone用细胞荧光检测技术检测用白藜芦醇及X线处理过的神经胶质瘤细胞中缝隙连接数目，发现白藜芦醇能诱导细胞周期的延迟，与X线联合能增加GJIC[21]。

然而体外研究提示，敲除Cx43，降低细胞运动性；过表达Cx43，提高细胞运动性，Cx43与神经胶质瘤细胞迁移呈正相关[22]。Oliveira等也发现，胶质瘤C6细胞系与正常胶质细胞共培养的迁移过程中，GJIC阻断剂生胃酮可阻止细胞迁移[23]。推测胶质瘤C6细胞系可能与正常的胶质细胞建立异源性GJIC，以正常胶质细胞作为基层或附着层向远处迁移。研究发现，恶性胶质瘤中心低表达Cx43，而边缘及星形胶质细胞高表达Cx43，可能促进胶质瘤细胞侵袭[24]。

现阶段对是否应该通过增强GJIC来治疗神经胶质细胞瘤的意见尚不统一，但众多研究证明了细胞间缝隙连接与胶质细胞瘤密切相关。

2.3 脑梗死

近年来发现，在脑梗死后神经元损伤过程中，胶质细胞活化扮演着极其重要的角色[25-26]，胶质细胞间缝隙连接在缺血状态下仍然有部分开放[27]。研究者对GJIC的脑保护作用意见尚不统一。有研究发现，在大脑中动脉闭塞后，神经胶质细胞GJIC诱导了远侧海马损伤和认知障碍[28]。Zhang等发现，脑缺血提高缝隙连接的开放，通过缝隙连接阻断剂生胃酮的干预减小了脑缺血或再灌住后的脑损伤[29]。

然而一些持相反观念的专家认为，通过GJIC建立的功能合胞体可以稀释缺血区的有害物质，有利于营养物质的输送和分配；阻断GJIC会加重神经元的损害。Blanc等发现，星形胶质细胞间缝隙连接通过参与细胞间Ca2+稳定的自动调节，减少神经元对氧化性损伤的易感性[30]。

GJIC在脑梗死中可能是把“双刃剑”，既有利于有益物质的传导，又是有害物质传导的通道。

2.4 脑血管痉挛

在蛛网膜下腔出血引起脑血管痉挛的研究中，GJIC的作用越来越受到重视。Yamazaki等通过膜片钳、电压钳技术证实，脑血管平滑肌－平滑肌细胞间、平滑肌－内皮细胞间存在GJIC，由此传递信息分子和点冲动，引起相邻肌纤维的同步功能活动，从而诱发脑血管痉挛的产生[31]。Wang等在研究Cx43在兔基底动脉内皮血管紧张素Ⅰ(angiotensin I,AngⅠ)被激活后的作用发现，GJIC的增加是通过AngⅠ调整Cx43的表达来实现的[32]。由此提出了蛛网膜下腔出血后限制血管内GJIC可能成为减少脑血管痉挛的治疗方法。缝隙连接阻断剂生胃酮减少实验性脑血管痉挛，下调实验性蛛网膜下腔出血后Cx43的表达[33]。

2.5 阿尔茨海默病

随着人口老龄化程度的加剧，阿尔茨海默病(Alzheimer's disease,AD)的发病趋势呈上升态势。Nagy等发现，AD患者含大量淀粉样蛋白斑的皮质区域中，Cx43免疫染色密度明显增加，并且一些淀粉样蛋白斑与加强的Cx43免疫反应性区域位置相吻合[34]。Koulakoff等发现，神经胶质缝隙连接通道参与AD的神经退行性变过程[35]。AD与缝隙连接间的内在联系已越来越受到人们的重视。

2.6 脑外伤

脑外伤会导致神经细胞的丢失和相关神经功能缺损，而细胞间缝隙连接及Cx43也有不同程度改变。创伤后，由于病灶处细胞酸中毒，内皮素表达上调，致炎因子大量释放，导致缝隙连接关闭和功能降低。Ohsumi等发现，脑外伤后，海马和皮层磷酸化Cx43和磷酸化细胞外信号调节激酶(phosphorylated extracellular signal-regulated kinase,p-ERK)双标免疫染色显示，在损伤后6 h，磷酸化Cx43和p-ERK免疫活性在同一星形胶质细胞中增强[36]。证实在脑外伤中，星形胶质细胞缝隙连接参与海马的病理生理过程。Manaenko等发现，高剂量缝隙连接阻断剂生胃酮加重神经功能缺损，增加死亡率[37]。缝隙连接的抑制作用没有在脑出血引起的大脑损伤中发挥神经保护作用。

3 展望

中枢神经系统内缝隙连接的研究正逐步渗透到各种中枢神经系统疾病中，GJIC的研究尚处于起步发展阶段。GJIC和Cx在神经胶质细胞瘤、脑梗死等中枢神经系统疾病中的表达仍存在争议；以GJIC和Cx作为靶点治疗中枢神经系统疾病机制的研究还有较大的空间。缝隙连接阻断剂如生胃酮、奎宁等的运用也为治疗中枢神经系统疾病开辟新的治疗途径。

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