A1/A2反应性星形胶质细胞在缺血性脑卒中的作用

虞子宁，张丽梅，黄志华，李良东,4

(赣南医学院 1.2019级硕士研究生；2.2018级硕士研究生；3.心脑血管疾病防治教育部重点实验室；4.第一附属医院，江西 赣州 341000)

脑卒中俗称中风，是由多种原因导致脑血管受损，导致脑细胞核组织损伤，从而引起相应的临床症状，甚至致死的疾病。在发达国家，脑卒中是最常见的残疾原因，也是常见的死亡原因[1]。在我国脑卒中是成年人致死、致残的首位病因，具有发病率高、致残率高、死亡率高和复发率高的特点[2]。脑卒中可分为缺血性脑卒中和出血性脑卒中，其中缺血性脑卒中更常见。缺血性脑卒中的发生是由于大脑中动脉突然或逐渐闭塞引起脑血流量(cerebral blood flow, CBF)减少，大脑中的氧气和葡萄糖不能满足能量代谢的需求，最终导致神经功能的损伤[3]。脑卒中的中心，即CBF严重减少的区域，被称为梗死核心区，而邻近的区域被称为缺血半暗带，在缺血半暗带如果CBF恢复的足够多，神经功能也可能得到恢复[4]。

缺血性脑卒中是一种异质性神经疾病，脑缺血激活多种细胞产生一系列的级联反应，包括细胞程序性死亡、钙超载、活性氧(reactive oxygen species, ROS)过度生成、炎症反应和兴奋性氨基酸毒性作用等，所有这些都可严重损害神经元、胶质细胞和内皮细胞功能，并导致缺血脑中血小板活化、反应性胶质增生、免疫细胞活化和神经细胞死亡[5-7]。尽管脑卒中影响大脑中所有细胞成分，包括神经元、胶质细胞、内皮细胞和室管膜细胞，但大多数临床试验常侧重于对神经元的保护治疗，未能在临床上成为有效的治疗方式[8]。仅通过保护神经元可能不足以找到有效的治疗方法，因此，有必要考虑利于多种细胞类型的治疗方法。星形胶质细胞是中枢神经系统(central nervous system, CNS)中最丰富的胶质细胞类型，参与突触、缝隙连接、血脑屏障(blood brain barrier, BBB)的形成以及其它生理功能[9]，在大脑中扮演重要角色，可能会成为脑卒中治疗的重要靶点。

1 星形胶质细胞的生理作用

星形胶质细胞的名字来自于星形的形状，这些细胞是CNS中最丰富的细胞亚型，其中每个星形胶质细胞占据一个独特的区域[10]。根据形态和空间组织，脑星形胶质细胞分为几种主要类型：脑室周围的放射状星形胶质细胞，灰质中的原生质星形胶质细胞和白质中的纤维性星形胶质细胞[11]。作为神经元-胶质细胞系统的组成部分，星形胶质细胞在CNS生理过程发挥着重要作用，包括维持神经元结构、组成BBB、协调神经元代谢、维持细胞外环境、调节CBF、稳定细胞间通讯、参与神经递质合成和防御氧化应激[12-13]。

1.1星形胶质细胞和突触星形胶质细胞突起包裹突触前和突触后的神经末梢，形成物理屏障限制神经递质从突触扩散，称为“三方突触”[14]。 “三方突触”中星形胶质细胞在维持神经递质的细胞外浓度起着重要的作用，星形胶质细胞迅速去除由于神经元活动而积累的K+，吸收神经传递过程中释放的谷氨酸(glutamate, Glu)，并将Glu转化为谷氨酰胺(glutamine, Gln)释放至突触前末梢，由神经元末梢吸收并重新合成Glu，此Glu-Gln循环能够维持突触外低浓度的Glu，防止发生兴奋性毒性作用[15]。星形胶质细胞通过调节释放ATP，Glu和D-丝氨酸(D-serine, D-Ser)在内的突触活性分子，在突触传递中与神经元发挥直接和相互作用的作用[16]。此外，由于单个星形胶质细胞可能与数千个突触接触，星形胶质细胞Ca2+浓度升高和随后的Glu释放导致神经元簇的同步兴奋，表明胶质传递可能有助于神经元同步[17]。因此，星形胶质细胞不仅参与对突触功能的调节，而且通过复杂神经元网络的协调活动促进脑功能输出。

1.2星形胶质细胞和缝隙连接除了调节局部环境外，星形胶质细胞还可以通过缝隙连接形成功能网络，并同时整合来自神经元和突触之外的信息[18]。缝隙连接通道由连接蛋白(connexin, CX)构成，其中CX-43和CX-30亚型是星形胶质细胞中的主要形式，缝隙连接是细胞间进行物质交换和信号交流的重要通道，允许离子和小分子物质跨膜交换[19-20]。缝隙连接可以促进去极化电流的扩散以及脑损伤产生的有害物质在相邻细胞之间播散，在缺氧缺血诱导的细胞死亡播散中起核心作用[21]。

1.3星形胶质细胞与血脑屏障星形胶质细胞的终足是血-脑屏障的一个重要组成部分。星形胶质细胞从细胞体延伸出不重叠的星形突起，这些突起在远端包裹血管或脑膜相关的实质基板时形成胶质细胞界限，从而维持BBB的完整性，并形成二级屏障进一步限制外周免疫细胞进入CNS[22]。在星形胶质细胞膜面软脑膜表面和周围血管的终足膜上存在大量的水通道蛋白4(aquaporin, AQP4)[23]，AQP4对调节BBB的通透性起非常重要的作用，参与BBB的发育、功能及完整性[24]。在大脑中，星形胶质细胞产生并释放多种分子介质，调节血管直径和血流量[25]，如前列腺素(prostaglandin, PG)、一氧化氮(nitric oxide, NO)和花生四烯酸(arachidonic acid)。此外，星形胶质细胞也可以通过检测突触中Glu的水平，调节其终足中的Ca2+浓度，从而释放胶质递质来调节血流量[26]。因此，星形胶质细胞对于调节和维持大脑BBB的功能是必不可少的。

2 反应性星形胶质细胞在缺血性脑卒中的作用

2.1反应性星形胶质细胞增生当缺血性脑卒中时，星形胶质细胞会经历形态学的改变，包括增生和肥大。在脑缺血几分钟内，缺血核心区和半暗带的受损神经元和胶质细胞产生的细胞因子，如肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor, TNF-α)、转化生长因子-α(transforming growth factor, TGF-α)、睫状神经营养因子(ciliary neurotrophic factor, CNTF)、白细胞介素-1(interleukin, IL-1)、IL-6和激肽释放酶相关肽酶6(kallikrein-associated peptidase, KLK6)等，触发星形胶质细胞极化[27]。星形胶质细胞的极化称为反应性星形胶质细胞增生[28]，表现为细胞肥大、增殖，中间丝蛋白包括胶质纤维酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein, GFAP)、波形蛋白(vimentin)和巢蛋白(nestin)的表达增加[29]，细胞结构、基因转录、能量代谢、胞内信号转运蛋白和膜转运蛋白改变[30]。在脑缺血的几天内，反应性星形胶质细胞在缺血病变周围形成胶质瘢痕，一方面，胶质瘢痕可以隔离损伤部位并防止其扩展；另一方面，瘢痕中的星形胶质细胞会广泛表达抑制轴突再生的抑制分子，从而导致神经元的再生失败[31-33]。反应性星形胶质细胞的这些形态学特征伴随着基因表达的改变，通过释放促炎或抗炎细胞因子、趋化因子在内的免疫和炎症介质参与神经炎症，这些细胞因子和趋化因子可能随后发挥神经毒性或神经保护作用。基于反应性星形胶质细胞在神经炎症中发挥的作用不同，可将星形胶质细胞极化表示为与神经毒性有关的促炎表型(A1型)和神经保护有关的抗炎表型(A2型)。已经证实，反应性星形胶质细胞表型强烈依赖于诱导损伤的类型，脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)诱导A1型星形胶质细胞，缺血诱导A2型星形胶质细胞[34]。

2.2 A1型星形胶质细胞对缺血性脑卒中的神经毒性研究表明，神经炎症和脑缺血通过经典激活的小胶质细胞(M1型)分泌的IL-1α、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)和补体成分1q(complement, C1q)诱导星形胶质细胞极化为神经毒性A1表型[35]。反应性星形胶质细胞A1表型的标记物主要包括组织相容性2(histocompatibility 2, H-2)、C3、D区位点1(D region locus 1, H2d1)和serpin家族G成员1(serpin family G member 1, Serping1)[36]。反应性星形胶质细胞转化为促炎表型不仅丧失了促进神经元存活、生长、突触形成和吞噬的能力[27]，且能释放多种经典的补体级联成分，增加突触变性以及诱导神经元和少突胶质细胞死亡[37]。星形胶质细胞在脑缺血期间主要通过激活核因子-κB(nuclear factor kappa B, NF-κB)[38-39]及信号转导和转录激活因子3(signal transducers and activators of transcription 3, STAT3)[40]通路来诱导炎性细胞因子(IL-1α, IL-1β, IL-6, TNF-α, 干扰素γ等)和神经毒性介质(NO, ROS等)的释放，导致神经元的损伤和死亡。A1型星形胶质细胞可通过髓样分化因子88(myeloid differentiation factor, MyD88)募集到IL-1受体的Toll样受体(toll-like receptors, TLR)结构域，从而导致NF-κB和丝裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinase, MAPK)的激活引起炎症反应[41]。此外，转录因子STAT1与诸多基因启动子的干扰素γ激活序列元件结合，并与NF-κB和MAPK起协同作用，最大限度地诱导星形胶质细胞中的促炎细胞因子和神经毒性基因表达，从而进一步加重神经炎症反应[42]。在大鼠体内诱导脑缺血和体外氧糖剥夺(oxygen-glucose deprivation, OGD)原代细胞培养实验中，星形胶质细胞过表达TLR4导致NF-κB的持续激活和促炎细胞因子IL-1表达增加，导致大鼠梗死体积增加以及原代细胞损伤加重[43]。据报道，脂质运载蛋白2(lipocalin-2, Lcn2)可显著抑制星形胶质细胞中IL-4诱导的STAT6磷酸化，还抑制Arg-1、Ym-1、Mrc1和Fizz1等抗炎基因的表达，表明Lcn2阻断星形胶质细胞向抗炎激活方向的表型变化[44]。综上，A1型星形胶质细胞在缺血性脑卒中主要通过分泌炎症细胞因子和神经毒性介质诱发神经炎症，加剧脑组织的损伤。

2.3 A2型星形胶质细胞对缺血性脑卒中的神经保护星形胶质细胞除了在脑缺血早期的毒性作用外，A2反应性星形胶质细胞在大脑中发挥保护作用。与A1型相反，极化为A2表型的星形胶质细胞获得吞噬能力，并促进神经突触形成和神经元存活[45]。A2型星形胶质细胞的特征标记包括正五聚蛋白(pentraxin 3, Ptx3)、S100钙结合蛋白A10(S100 calcium binding protein A10, S100a10)和鞘氨醇-1-磷酸受体3(sphingosine-1-phosphate receptor 3, S1pr3)[36]。在脑缺血时，一方面，A2型星形胶质细胞可以产生多种神经营养因子以保护神经元，包括神经生长因子(nerve growth factor, NGF)、胰岛素样生长因子-1(insulin-like growth factor-1, IGF-1)、CNTF、碱性成纤维细胞生长因子(basic fibroblast growth factor，BFGF)、脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor, BDNF)、胶质源性神经营养因子(glial-derived neurotrophic factor, GDNF)、血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)和促红细胞生成素(hemopoietin, EPO)[46]；另一方面，A2型星形胶质细胞可以激活调节因子包括STAT3、ras同源家族成员A(Ras homolog family member A, RhoA)、低氧诱导因子1α亚基(hypoxia inducible factor-1α, HIF-1α)和EPO，参与神经抗炎和神经修复[47-49]。体外实验发现，活化的星形胶质细胞通过MAPK途径释放IL-17A，可增加神经干细胞的神经元分化比率，促进神经干细胞分化成神经元[50]。据报道，干扰素调节因子(interferon regulatory factors, IRF3)在原代人类星形胶质细胞中的过度表达导致细胞因子产生谱从促炎表型A1转变为抗炎表型A2，这与神经保护有关[51]。在体外原代星形胶质细胞培养和小鼠体内实验发现，前动力角蛋白(prokineticin2, PK2)的过表达诱导A2星形胶质细胞表型的关键抗氧化基因和A2反应性标记物表达，发挥抗炎和抗氧化作用[52]。因此，A2型星形胶质细胞在缺血性脑卒中主要是通过神经营养因子和调节因子，发挥抗炎、抗氧化和保护神经元的作用。

3 小结与展望

星形胶质细胞是中枢神经系统中最丰富的细胞亚型，是“三方突触”、血脑屏障和缝隙连接的重要参与者，并与所有类型的脑细胞进行接触和交流，在结构和功能上参与正常的脑生理和缺血性病理反应。缺血性脑卒中的星形胶质细胞极化的过程极其复杂，A1型星形胶质细胞产生和释放炎症介质加重缺血性病变，相反A2型星形胶质细胞通过限制病变延伸，减少毒性介质和释放神经营养因子，发挥神经保护的作用。因此，以可控的方式诱导不同的星形胶质细胞表型可能对控制有害的神经炎症反应和促进缺血性脑卒中神经元修复的新疗法的开发至关重要。这需要进一步的研究来阐释在缺血性脑卒中发展中星形胶质细胞的极化是如何被调控的，从而使星形胶质细胞成为药理学和基于细胞学方法的有希望的治疗靶点。