周细胞与中枢神经系统疾病

陈俊敏，张祥建，刘晓霞，宋德刚，曹晓芸，孙倩

血管稳态是维持神经系统功能正常的基础。周细胞（pericyte）围绕、包裹毛细血管壁，可收缩以调节脑血流量（cerebral blood flow，CBF），在维持血脑屏障（blood-brain barrier，BBB）、稳定新生血管中发挥重要作用；同时，与中枢神经系统（central nervous system，CNS）疾病发生、发展和预后有关，有可能成为CNS相关疾病的治疗靶点，越来越引起临床的重视。

在CNS中内皮细胞、基膜、周细胞、星型胶质细胞、小胶质细胞和神经元组成神经血管单元，神经血管单元是神经活动与血管功能的耦合器，周细胞是神经血管单元的重要组成部分。周细胞通过直接接触和（或）旁分泌信号与内皮细胞进行细胞通讯，引起相应毛细血管活动。周细胞主要功能包括：①调节CBF分布以匹配邻近细胞局部代谢需要[1]；②维持BBB稳定[2]；③稳定新生血管；④多能干细胞功能[3]；⑤参与神经瘢痕的形成；⑥吞噬细胞活性等[4]。目前认为周细胞在多种疾病中发挥重要作用，如卒中、糖尿病视网膜病变、阿尔茨海默病（Alzheimer's disease，AD）、常染色体显性遗传病合并皮质下梗死和白质脑病（cerebral autosomal dominant arteriopathy with subcortical infarcts and leukoencephalopathy，CADASIL）等。

1 周细胞的发现和分布

1923年，ZIMMERMANN首先命名了周细胞，他详细定义了周细胞的各种形态分类，包括它与平滑肌细胞的过渡形式。周细胞是一种扁而有突起的细胞，嵌入毛细血管的基膜中，位于内皮细胞周围，部分突起呈楔形插入内皮细胞之间，通过毛细血管基膜的孔隙与内皮细胞直接接触。电镜下，周细胞的核呈圆盘状，主要由异染色质构成，细胞质包含核糖体、高尔基体、线粒体、溶酶体、粗面和滑面内质网等细胞器。周细胞的突起具有多样性，在小动脉末端的毛细血管段突起呈圆环带状，在毛细血管床的中段突起呈细长状，在静脉端的毛细血管段突起呈星状[3，5]。不同形态突起的周细胞其肌动蛋白表达不同，具有圆环带状突起的周细胞表达α平滑肌肌动蛋白（α-smooth muscle actin，α-SMA），具有细长突起的周细胞部分表达α-SMA，具有星状突起的周细胞不表达α-SMA[2]。周细胞表达肌动蛋白故具有收缩性。有学者认为，毛细血管的直径变化是由周细胞产生的，而不是内皮细胞，周细胞舒张可扩张毛细血管。周细胞表面表达血小板衍生生长因子β受体（platelet derived growth factor receptor β，PDGFR-β）和神经胶质细胞2型（neuroglial cell 2，NG2）硫酸软骨素糖蛋白（chondroitin sulfate glycoprotein，CSGP）[3，6]。

2 周细胞的功能

2.1 调节脑血流及血氧代谢 大脑对血流波动很敏感，血液供应的稳定性对维持大脑功能至关重要。大脑存在多种复杂的平衡调节机制，以维持充足的脑灌注[7]。最初认为，脑血液系统是由脑血管壁、血液循环成分、神经胶质和神经元组成，但现在认为周细胞也参与其中并发挥重要作用[8]。在大脑皮层、小脑、视网膜等部位，去极化、神经递质释放、神经元激活等可以使毛细血管的周细胞收缩，从而改变毛细血管的直径[9]。在大脑皮层，神经元激活等使几乎相同数量的毛细血管和小动脉扩张，毛细血管扩张发生在小动脉扩张之前，且毛细血管扩张的发生与周细胞的存在相关，这意味着毛细血管扩张是由活性物引起周细胞松弛的主动扩张，而不是由小动脉扩张产生局部血压增加的被动反应[6，10]。周细胞通过收缩和松弛，改变毛细血管直径，使CBF重新分配。毛细血管收缩时，毛细血管收缩点的大小不允许血细胞通过，但允许血浆通过，造成血细胞拦截而血浆流动不间断，即氧传输不足，同时葡萄糖继续使用，促使无氧糖酵解乳酸盐形成增加造成异相乳酸性酸中毒。在缺血性卒中上述原因可能是决定梗死的关键[11]。

2.2 维持血脑屏障稳定 BBB指血-脑及血-脑脊液屏障，是脑毛细血管的特征性结构，限制周围血细胞和大分子物质从脑毛细血管进入脑组织，可使脑组织少受甚至不受血液中有害物质的损害从而保护脑组织，维持脑组织内环境的稳定性，同时对维持CNS神经元的正常活动起着重要作用[1，12]。周细胞对诱导BBB形成和维持BBB功能起重要作用[13]。有证据表明功能性的BBB在胚胎时期星形胶质细胞出现前已经形成，其中周细胞是形成BBB所必需的并且调节和维持BBB结构完整性，周细胞诱导内皮细胞的紧密连接，抑制引起血管通透性增加的分子表达。转基因小鼠模型中，周细胞表达减少引起BBB通透性增加。分离血管壁上的周细胞，引起BBB丧失内皮细胞功能，导致紧密连接表达减少，引起胞饮和渗漏增加[14-15]。慢性BBB破坏可导致血液衍生的神经毒性蛋白在CNS的积累包括纤维蛋白、凝血酶、血红蛋白、含铁血黄素、游离铁和纤溶酶等，通过直接接触神经元产生毒性或氧化应激，引起进行性神经元变性从而造成神经元的损伤[13]。

2.3 稳定新生血管 在血管生成的早期阶段即胚胎时期血管生成阶段，周细胞发挥重要作用。在血管生成阶段，内皮源性PDGFR-β和周细胞表达的受体PDGFR结合，介导周细胞增殖和迁移，黏附在血管腔上，周细胞进一步调节内皮细胞数量并促进生成稳定、成熟的血管网[16]。在PDGFR-β突变的转基因小鼠模型中周细胞缺失，胚胎时期可以出现血管发芽，但是形成的血管管腔粗细不均，局灶性或弥漫性管腔扩张，常出现易于破裂的微动脉瘤，这表明周细胞对调节血管稳定性至关重要[17-18]。周细胞还涉及参与神经发生中血管生成信号分子的调节。周细胞分泌促血管生成细胞因子即血管内皮细胞生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF），VEGF反过来促进周细胞增殖[19]。

2.4 多能干细胞功能 周细胞被认为作为多能干细胞具有巨大的再生潜能。从不同组织分离的周细胞，在体外培养后可以分化成多种细胞类型，如树突状细胞、星形胶质细胞、少突胶质细胞、成骨细胞、成软骨细胞、脂肪细胞、平滑肌细胞和内皮细胞等[20-21]。在体内，内源性周细胞被认为是存在于组织的祖细胞，可以通过分化替换损伤细胞（不同类型的细胞），有助于组织修复和再生，并且可以进一步促进组织愈合。有研究者将周细胞注入急性心肌梗死老鼠的心脏，周细胞的再生能力增强了心脏的修复[22]。将成人CNS的周细胞分离并进行体外培养，通过多重免疫细胞化学标记培养的细胞群。这些细胞表达出周细胞、神经元、神经胶质细胞等特征性标志物，许多细胞双重表达不同细胞类型的特征性标志物，将这些细胞继续培养，可分化出神经谱系中的多种细胞类型，说明成人CNS周细胞具有神经干细胞功能[19，23]。Nuno Guimarães-Camboa等[20]通过研究认为心脏、脑、骨骼肌和脂肪组织的内源性成熟的周细胞不表现出多能干细胞的功能，其认为体外培养或体内移植后周细胞表现出多能干细胞的功能，可能与人工细胞培养环境有关。内源性周细胞如何表现出多能干细胞的功能，仍需进一步研究。

3 周细胞与CNS疾病

3.1 卒中 缺血性卒中，可通过多个途径引起周细胞的收缩和死亡，如缺血性脑组织释放三磷腺苷和血栓素A2能有效地引起周细胞的收缩，活性氧可引起肌动蛋白运动而引起周细胞收缩[24]。周细胞收缩引起毛细血管收缩，随后周细胞死亡[15，25]。即使血管上游的致病血栓祛除，堵塞的动脉重新开放，由于周细胞死亡造成毛细血管的收缩长期持续，毛细血管再灌注受到限制，这是缺血性卒中后无复流现象的原因。此外，周细胞的死亡有可能导致BBB的破坏[2，6]。有观点认为，在缺血性卒中的不同阶段，周细胞发挥不同的作用：①超急性期，周细胞收缩和死亡可能是脑毛细血管中无复流现象的原因。②急性期，周细胞从毛细血管分离并参与炎症免疫反应，导致BBB损伤和脑水肿。周细胞同时可以通过保护内皮细胞和释放神经营养因子，达到稳定BBB和神经保护的作用。③恢复期，周细胞有助于血管生成和神经发生，从而促进损伤恢复[26]。缺血性卒中后预防周细胞死亡成为重要的治疗策略，周细胞成为缺血性卒中的潜在治疗靶点[6，27]。

在出血性卒中，周细胞可在不同阶段发挥不同的作用：①出血前，功能障碍和形态异常的周细胞可导致动脉瘤形成、血管脆性增加、血流动力学紊乱，最终导致脉管系统破裂[28]；在PDGFR-β突变的转基因小鼠模型中周细胞缺失，毛细血管具有出血倾向[15]。②出血急性期，复杂的出血微环境导致周细胞死亡，进一步造成BBB破坏，周细胞可以介导炎症级联反应、白质损伤，并最终加重神经损伤。③出血恢复期，被激活的周细胞可以分化成神经元、神经胶质细胞、内皮细胞以修复神经血管网。周细胞可以吞噬红细胞，使脑实质免受毛细血管外漏的红细胞造成的继发性损伤。此外，许多周细胞聚集到损伤处有助于BBB的重塑，从而促进卒中后的神经血管功能恢复[15，28]。有观点认为，周细胞具有促凝和抗凝双重功能，周细胞在出血性卒中具有协调止血和血栓形成的作用。其中，周细胞表达具有功能的活性组织因子，其激活凝血级联反应，负调节纤维蛋白溶解，达到促血栓形成作用，该作用有助于调节和降低颅内微出血的风险[15]。由于周细胞出血性卒中病理生理学中的多重功能，周细胞有可能成为出血性卒中的治疗靶点。

3.2 糖尿病视网膜病变 周细胞嵌入视网膜毛细血管的基膜，并与糖尿病视网膜病变有关。视网膜毛细血管较其他组织更依赖周细胞，周细胞是维持视网膜毛细血管稳定性和血视网膜屏障的关键[2，29]。周细胞对高血糖的代谢环境高度敏感，在糖尿病视网膜病变早期发生周细胞凋亡[30]，并且证据表明周细胞的凋亡可能导致毛细血管的稳定性受损，有可能出现微动脉瘤造成微出血和毛细血管灌注损伤等，使视网膜毛细血管逐渐闭塞和血视网膜屏障破坏。最近，糖尿病视网膜中周细胞的凋亡被认为是糖尿病视网膜病变的标志[31-32]，周细胞可能成为糖尿病视网膜病变的治疗靶点。

3.3 阿尔茨海默病 AD患者大脑组织病理标本具有小血管病的血管变化证据，包括周细胞损伤、变性和萎缩，内皮细胞损伤，平滑肌细胞变性，基底膜增厚，紧密连接和黏附连接蛋白减少，毛细血管密度降低等。有研究认为周细胞与AD中的血管功能障碍、β淀粉样蛋白（amyloid-β protein，Aβ）神经变性、tau病理变化、神经元丢失等密切相关[33-34]。对AD患者大脑的尸检结果显示，退化的周细胞内检测到淀粉样沉积物，认为在AD中周细胞功能障碍导致脑灌注不足和Aβ清除损伤，揭示出该疾病的一个新的时间变化顺序，先由周细胞引起的微循环的功能障碍继而引起神经元变性[2]。在AD中，周细胞功能障碍引起BBB损伤，使血液来源的蛋白质（如免疫球蛋白、白蛋白、纤维蛋白原和凝血酶）在海马和皮层中积累，进一步引起损伤[14]。在AD中，周细胞可能成为潜在的治疗目标。

3.4 CADASIL CADASIL是一种遗传性小动脉疾病，表现为脑血管功能障碍和进行性痴呆。此病由Notch3基因突变引起，导致小动脉和微小动脉平滑肌细胞退化和功能丧失，平滑肌细胞表面可见嗜锇颗粒（granular osmiophilic material，GOM）。周细胞也表达Notch3基因[35]，在CADASIL中，周细胞表面可见GOM，导致周细胞数目及周细胞覆盖在毛细血管的突起显著减少，这些变化与星形胶质细胞终足自毛细血管分离、血浆蛋白泄漏、内皮粘连蛋白表达减少、毛细血管对二氧化碳反应性下降相关[36-37]。周细胞损伤同时引起毛细血管通透性增加和功能障碍，导致脑白质损伤。周细胞调节毛细血管收缩性，其损伤导致血管舒缩反应异常，该异常出现在CADASIL血管壁组织病理变化之前[38]。因此，保护周细胞可能代表一种新的CADASIL的治疗策略。

Robert A Hill等[39]认为颅内毛细血管中的周细胞完全缺乏α-SMA的表达，小动脉末端的毛细血管段具有圆环带状突起的壁细胞为典型的平滑肌细胞。不能仅从位置和大小鉴定毛细血管的所有壁细胞，因为这些壁细胞均表达生长因子受体PDGFR-β和NG2-CSGP。识别壁细胞的可靠手段是通过α-SMA表达和突起的形态区别，具有圆环带状突起且表达α-SMA的壁细胞为平滑肌细胞，突起为细长状且不表达α-SMA为周细胞，最后其认为具有收缩作用调节CBF及病理情况下对微循环起主要作用的为平滑肌细胞而不是周细胞[39]。该观点与之前的文献观点不同之处主要是对周细胞和平滑肌细胞的定义不同，但他们所指的具有收缩性的细胞均为小动脉末端的毛细血管段呈圆环带状突起的细胞，该细胞具有收缩性对CBF及病理情况下的微循环起主要作用。对于周细胞与平滑肌细胞的定义不同，造成了不同的结论，对该细胞的定义仍需进一步的研究。

综上所述，周细胞具有多种功能，与CNS疾病密切相关。进一步深入研究周细胞的分布、功能，有可能为CNS相关疾病提供新的治疗靶点。

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