孤独症谱系障碍儿童脑组织神经元和神经胶质细胞发育的研究进展

2020-01-13黄丹丹姜志梅

中国康复理论与实践 2020年8期

黄丹丹，姜志梅

佳木斯大学康复医学院，佳木斯大学附属第三医院，黑龙江佳木斯市154002

孤独症谱系障碍(autism spectrum disorder,ASD)是一组发病于儿童发育早期的神经发育障碍性疾病。近几十年来，越来越多的研究认为，ASD 的发病是基因和环境共同作用的结果，但其具体的发病机制尚不清楚。脑组织异常发育是ASD 患者的一个显著特点，神经元和神经胶质细胞的异常与ASD 的发病有着密切联系[1]。在发育的早期阶段，脑组织神经元和神经胶质细胞之间联系密切，来自外界的信息通过神经元-神经胶质细胞信号通路进行传递。此外，它们之间通过释放神经活性物质可以进行双向的信息交换[2]。因此，大脑神经元网络的异常形成和神经传导的病理性失衡可能参与ASD 的发病。本文对ASD 脑组织神经元以及星形胶质细胞、小胶质细胞和少突胶质细胞的发育情况进行综述。

1 神经元

1.1 头颅大小与神经元数量

脑的异常发育是ASD 患儿早期行为异常的基础。与正常发育儿童和发育迟缓儿童相比，ASD儿童脑容量、白质和灰质的容量以及皮质的容量高于同龄正常儿童2～3 岁[3-4]。Courchesne 等[5]发现，ASD 儿童出生时头围正常，2～3 岁时大脑白质比正常儿童多18%，小脑白质多39%，大脑灰质多12%；但是学龄前期到学龄期，脑容量又与正常同龄儿童相似。也就是说，ASD儿童大脑主要在发育早期生长过速，而后期与正常人无异。对ASD 幼儿进行磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)和头围研究，发现在发育早期脑组织过度生长，这段时间恰好与ASD 症状的出现相吻合。这种异常的生长模式很少发生在出生时，而是发生在脑发育的早期和中期[6]，更多出现在杏仁核、前额叶皮质、海马，以大脑前额叶皮质最为突出，该区域结构异常致密，主要是由于神经元数目增加所致[7]。脑组织生长失调会严重影响调节高级社会交流、情绪处理、言语和认知的区域，而对低级功能的区域则不会产生影响。

理论上认为，神经元数量的增多是脑组织过度生长的一个潜在原因。然而，ASD早期脑组织过度生长的神经基础仍然未知，只能通过对患者进行尸检直接定向研究所得。Courchesne等[7]发现，与正常儿童比较，ASD 患者额叶背外侧皮质神经元数量增加79%，额叶中间皮质神经元数量增加29%，皮质神经元总数量增加67%。Avino等[8]发现，正常儿童杏仁核中成熟神经元的数量从儿童期到成年期处于一直生长的模式，而ASD患者杏仁核中成熟神经元最初过度生长，成年期生长速度减慢。在正常发育中，未成熟神经元的成熟与迁移促进成熟神经元数量的增长，说明ASD 患者杏仁核中神经元的生长模式异常，生长模式的改变影响杏仁核的功能，进一步增加焦虑的表现或者导致社交性缺陷。孤独症鼠模型的额皮质及海马区神经元发育异常，表现为先过度发育后发育平稳甚至停滞[9-10]。上述研究表明，ASD脑组织发育异常，表现为头颅过大或脑容量增加，该现象可能是脑组织中关键区域的神经元异常增多的结果。

1.2 神经元树突的改变

树突的数量、大小和形态是决定如何整合来自突触信号的重要因素。成熟神经元因树突分支具有较少的改变性而表现出较低的可塑性。尽管如此，树突在中枢神经系统中仍具有一定的可塑性。树突棘是树突的一部分，一个神经元的树突可以包含数百到数千个树突棘。树突棘的形态、数量和密度对于突触传导的稳定性至关重要。

大多数神经发育障碍疾病和神经退行性疾病伴有树突和树突棘功能缺陷，脑组织树突和树突棘的改变多集中在额皮质和海马[11]。随着年龄的增长，树突和树突棘的数量减少，这是大多数神经退行性疾病的主要危险因素。在神经退行性疾病中，树突和树突棘的改变可能是病理性蛋白聚集在突触的结果；在神经发育障碍性疾病中，树突和树突棘的改变可能是由于错误的起源和成熟方式引起[12]。

ASD 的神经元树突和树突棘也会发生改变。由于某些限制，关于ASD 患者树突和树突棘改变的研究较少。Williams等[13]发现，在青少年和成年ASD患者中，一些锥体神经元的树突棘密度显著减少；在ASD 幼儿中，许多锥体神经元树突棘密度降低，尤其是顶端轴的中间部分；在所有患者中，树突棘的形态正常。Mukaetova-Ladinska 等[14]发现，在2 例成年ASD患者的背外侧前额皮质中，树突的数量减少。Kabba等[15]发现，与正常同龄儿童相比，ASD患者额叶、颞叶和顶叶的第二层和颞叶的第五层中，树突棘密度更大，并且与脑质量相关，这种情况在认知能力较差的ASD 患者中更常见。Cheng 等[9]发现，新生BTBR 小鼠鼠海马CA1 区顶端和基底部的树突长度更长，并且基底部树突分枝具有更高的复杂性；认为树突的改变可能潜在的导致BTBR 小鼠海马功能和行为受损，可能与细胞外调节蛋白激酶途径的激活有关。

2 神经胶质细胞

神经胶质细胞以多种方式保护神经元，包括保护神经元免受细胞毒性损伤，提供神经元存活所需的生长因子，并为沿轴突的传导提供支持。在ASD 患者大脑中，神经胶质细胞不断地被激活，并且其炎症反应基因发生变化。目前尚不清楚是什么原因引起神经胶质细胞的激活。孤独症转录组学分析神经胶质细胞在ASD 病理生理过程中起重要作用。RNA 测序显示，ASD与神经胶质细胞激活，免疫、炎症因子有关的基因有着紧密的联系[16]。ASD 患者死后脑组织样本支持反应性神经胶质细胞增生和神经胶质细胞增加[17-19]。各种神经胶质细胞在ASD 中的作用及变化如下。

2.1 星形胶质细胞

星形胶质细胞在中枢神经系统中分布最广，参与神经的传递、神经元-星形胶质细胞的代谢耦联、细胞因子的分泌，并稳定细胞外K+的含量，保证正常的神经元活动，与神经元共同维持内环境的稳态。在病理条件下，由于相关基因表达的变化，导致星形胶质细胞形态及功能发生改变，进而活化成反应性星形胶质细胞。大脑中反应性星形胶质细胞在脑修复中起重要作用，如反应性星形胶质细胞在神经受损的部位迅速增殖并形成胶质瘢痕，防止神经元的进一步损伤[20]。然而，反应性星形胶质细胞过度增殖，会在受损部位形成屏障，阻止轴突再生，从而影响神经组织修复。

S100B 蛋白家族调节蛋白质磷酸化、转录因子和酶活性，影响Ca2+稳态、参与细胞生长分化和炎症反应。S100B 主要存在于星形胶质细胞中，在纳摩尔浓度下，促进神经元和神经胶质细胞生长；在微摩尔浓度下，表现为破坏作用，增加促炎细胞因子表达，引发细胞凋亡[21]。S100B 还可通过激活小胶质细胞和神经毒性引起神经细胞凋亡[22]。S100B 通常被看作脑损伤后神经胶质细胞激活的标志物。Al-Ayadhi 等[23]发现，ASD 儿童血清中S100B 水平较正常儿童增高，并且与ASD 的严重程度显著相关。Guloksuz等[24]发现，重度ASD儿童血清S100B水平高于轻-中度ASD 儿童，然而在排除年龄、性别和体质量指数因素后，重度ASD 和轻-中度ASD 儿童血清S100B 的水平没有明显不同。尽管S100B可以用来评估神经元损伤，并且容易在外周水平测量，但它在ASD中的潜在作用很少受到关注。

神经胶质纤维酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein,GFAP)是星形胶质细胞中主要的中间丝蛋白，并且是成熟细胞的标志[25]。大量研究把GFAP 作为星形胶质细胞的标记物，但GFAP 的确切功能仍然不清楚。ASD 儿童前扣带皮质白质中GFAP水平明显高于正常儿童，在灰质中两组之间没有差异[26]。Esnafoglu 等[27]发现，ASD 患者血清中GFAP 表达显著高于正常儿童，并且认为GFAP可以作为ASD 患者的生物标志物，也可作为孤独症严重程度的一项指标；然而S100B 没有明显的变化。

GFAP 和S100B 在血清中的表达随着时间而变化。GFAP分子量比S100B更大，这两种标记物可能在不同的时间通过血脑屏障进入到全身循环中，因此二者并没有在同一时间内增加[28]。ASD 脑组织和血清中S100B 和GFAP 水平的增加表明星形胶质细胞增生，并且可能通过破坏的血脑屏障进入全身循环，阻止损伤部位神经元修复。Russo 等[29]发现ASD 个体中由星形胶质细胞分泌的白细胞介素(interleukin,IL)-6 导致神经发育缺陷，阻断IL-6可以增加突触的形成，表明星形胶质细胞的功能障碍导致ASD的病理生理特征。

2.2 小胶质细胞

小胶质细胞广泛分布于脑和脊髓实质，是中枢神经系统中常驻的免疫细胞，大约占中枢神经系统神经胶质细胞总数的10%[30]。小胶质细胞在早期胚胎发育期间就已经在大脑中出现，环境或者基因的改变可能会改变小胶质细胞的发育，直接或者间接地影响神经的发育。小胶质细胞的激活和免疫分子的产生可以诱导刻板行为以及认知功能障碍[31]。小胶质细胞在神经发育障碍性疾病和神经退行性疾病中也起着关键的作用[32]。

神经免疫改变常伴随着神经解剖学异常，如孤独症脑组织中炎症细胞因子(IL-6、IL-8、肿瘤坏死因子α、粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子和γ-干扰素)比正常同龄儿童高，脑组织中IL-6水平较高的孤独症小鼠脑容量增加，侧脑室扩大[33-34]。在炎症条件下，细胞因子由小胶质细胞分泌，ASD脑组织中炎症细胞因子增加表明小胶质细胞激活。

Suzuki等[35]对成年ASD 的多个脑区进行正电子发射断层功能成像，发现小脑、中脑、脑桥、前扣带和眶前皮质小胶质细胞激活。前额叶背外侧灰质中小胶质细胞的密度比正常人显著增加，但白质中没有显著性差异[36]。Tetreault 等[37]发现，ASD患者额叶和视觉皮质的小胶质细胞密度大于正常对照组，并认为在ASD 患者的整个大脑和小脑中，小胶质细胞以高密度的形式存在。也有研究显示[38]，小胶质细胞可能通过影响突触的修饰，参与ASD的发病。

在正常情况下，星形胶质细胞和小胶质细胞共同参与神经炎症反应的调节，这对于确保炎症过程中有效去除入侵病原体并促进组织恢复至关重要。调节机制障碍可能会导致有害的慢性炎症，如在ASD 脑组织中后期炎症细胞因子水平升高。发育大脑中的炎症细胞因子导致神经炎症，使星形胶质细胞和小胶质细胞激活、增殖，募集外周白细胞，从而加重组织损伤；星形胶质细胞和小胶质细胞的激活又会加剧由免疫激活引起的炎症反应，从而导致ASD发病[39]。

2.3 少突胶质细胞

在中枢神经系统中，少突胶质细胞产生髓鞘。少突胶质细胞衍生自少突胶质细胞前体细胞，后者持续存在于成年大脑中，并具有增殖、迁移和分化髓鞘化少突胶质细胞的能力。

神经精神疾病、与年龄有关的认知衰退均与髓鞘的稳态失衡有关。髓鞘的形成与大脑的可塑性和学习有关[40-41]。在ASD患者脑组织中也发现少突胶质细胞和髓鞘的变化。Deoni 等[42]发现，ASD儿童丘脑、尾核、右侧前额叶和外囊中的髓鞘水百分比和孤独症诊断观察量表(Autism Diagnostic Observation Schedule,ADOS)总分呈负相关，髓鞘水百分比越低，异常行为越明显；丘脑、右侧前额叶、扣带中的髓鞘水百分比与ADOS社交分也呈负相关，与ADOS 其他部分未发现明显关系。Setzu 等[43]通过应用全基因DNA 甲基化微阵列分析和高分辨率全基因组基因表达，发现髓鞘和髓鞘形成相关基因的变化与孤独症ASD 的行为有关。此外，由免疫激活导致髓鞘的变化参与了ASD 的发病[44]。少突胶质细胞的特异性标志物在ASD 儿童小脑中表达高于正常儿童，且与ASD 的认知和行为问题相关[45]。总之，少突胶质细胞和髓鞘发育受损可能会导致ASD社交、认知和行为问题。