星形胶质细胞参与癫痫发病的机制研究进展

彭爽 刘磊 综述 冯占辉 审校

癫痫是神经系统疾病中患病率排第二位的疾病，仅次于脑卒中。癫痫发病机制复杂，越来越多的研究表明星形胶质细胞在其发生与发展过程中扮演了重要角色。星形胶质细胞不仅能回收和释放神经递质，缓冲细胞外钾离子，参与血-脑屏障和突触的形成，还参与神经传递和代谢调节，为神经元提供稳定的微环境[1]。现就星形胶质细胞参与癫痫发病的研究进展做一综述。

1 谷氨酸稳态与癫痫

1.1 谷氨酸谷氨酸属于兴奋性神经递质。由神经元释放到突触间隙的谷氨酸可激活星形胶质细胞表面代谢型谷氨酸受体3(mGluR3)和代谢型谷氨酸受体5(mGluR5)，进而激活Ca2+依赖性离子通道，诱导星形胶质细胞以胞吐的形式释放谷氨酸。星形胶质细胞释放的谷氨酸可激活突触后膜上的N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体和α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸(AMPA)受体，这两种受体的激活与阵发性去极化偏移(PDSs)有关。PDSs是发作性癫痫的超同步突触传递的表现，在脑电图中表现为发作间期的痫样放电，故星形胶质细胞可能通过释放谷氨酸参与PDSs的形成，从而促进癫痫的发生[2]。星形胶质细胞的Ca2+依赖机制释放谷氨酸的过程会对邻近神经元产生兴奋性作用，这种星形胶质细胞-突触-神经元兴奋性通路的改变，可提高神经元的兴奋性，进而导致癫痫发作。

1.2 谷氨酸转运体星形胶质细胞对谷氨酸摄取受损可能与癫痫的发生有关。谷氨酸转运体对维持胞外低浓度谷氨酸水平有重要意义。在大脑内，谷氨酸转运体主要在星形胶质细胞上表达，分为 GLAST(EAAT1)和GLT1(EAAT2)。有学者报道GLT1基因缺失的小鼠表现出致命的自发性癫痫发作[3]。Sugimoto等通过敲除小鼠特定区域的GLT1基因发现，选择性敲除前脑、脑干和脊髓GLT1基因足以导致致命性癫痫发作，而特定敲除前脑背侧GLT1基因小鼠可存活至成年，仅表现出短暂的局灶性癫痫发作[4]。Peterson等利用红藻氨酸注射建立癫痫小鼠模型的研究发现，在癫痫持续状态后第7天可观察到小鼠海马GLT1突触体蛋白表达显著下调，与自发性癫痫发作的开始时间一致，这支持了GLT1在突触周围星形胶质细胞中的下调先于并促进癫痫自发性发作的可能性[5]。上述结果均进一步支持星形胶质细胞谷氨酸转运体失调可能导致癫痫的假说。

谷氨酸转运体很有可能通过影响细胞外谷氨酸浓度及其下游过程来参与癫痫发病。但截至目前，谷氨酸转运体参与癫痫发病过程的具体机制仍不明确。因此，阐明GLAST/GLT1表达和功能的遗传、转录和翻译调控的分子机制，对进一步了解谷氨酸转运体参与癫痫发病机制和识别潜在的治疗靶点有重要意义。

1.3 谷氨酰胺合成酶(GS)大脑中GS绝大多数由星形胶质细胞表达，越来越多的证据表明，GS活性的丧失可能会导致癫痫的发生及发展。Albright等通过向大鼠单侧海马注入GS抑制剂甲硫氨酸亚砜胺(MSO)，可诱发大鼠癫痫发作，且其发作严重程度在数周内逐渐升高[6]。Gruenbaum等通过向大鼠不同大脑区域注射MSO后，绝大多数大鼠表现出癫痫反复发作，且不同脑区注射引发的发作严重程度有所不同，以海马齿状回和CA1区注射导致的癫痫发作总次数最多[7]。

星形胶质细胞表达的GS是调节大脑兴奋性和抑制性传递的关键角色，GS下调可导致谷氨酸-谷氨酰胺循环障碍，谷氨酸不能有效转化为谷氨酰胺，故合成γ-氨基丁酸(GABA)的原料减少，削弱了GABA对突触传递的抑制作用[8]。Liang等研究结果表明，MSO选择性阻断GS可降低CA1区锥体神经元重复刺激时抑制性突触后电流(IPSCS)的幅度，通过补充谷氨酰胺能阻止MSO的效应[9]。但最近有研究表明，采用谷氨酰胺治疗海马区GS被抑制的大鼠，可加重癫痫发作的严重程度[10]。因此，可能适当的GS功能才能保证GABA对突触传递的抑制。目前有关GS活性调节的具体机制尚不清楚。Huyghe等研究表明GS的活性与蛋白激酶A(PKA)介导的苏氨酸残基301(T301)磷酸化有关[11]。Papageorgiou等研究发现，海马神经元的丢失可能触发GS的下调，进而加重癫痫患者的癫痫发作[12]。因此，进一步明确GS活性调节可能对抑制性突触传递和预防癫痫的发生有重要意义。

2 腺苷稳态与癫痫

腺苷具有内源性抗惊厥作用并且可终止癫痫的发作。星形胶质细胞可通过释放ATP降解为腺苷，腺苷可作用于海马突触前和突触后的腺苷A1受体，同时使突触后膜超极化和抑制突触前释放兴奋性递质谷氨酸，降低神经元兴奋性[13]。Williams-Karnesky等研究发现，通过对大鼠颞叶癫痫模型短暂的局部注射腺苷可减少大鼠癫痫发作次数，并且可抑制海马苔藓纤维的发芽，提示腺苷增强疗法可能会阻止癫痫发病的进展[14]。此外，腺苷受体信号传导的变化也参与了癫痫的病理生理过程。腺苷主要通过激活腺苷A1和腺苷A2A受体分别发挥抑制性和兴奋性作用。Barros-Barbosa等研究发现，耐药性颞叶癫痫患者海马区腺苷A2A受体水平为对照组的3倍，故使用腺苷局部治疗不仅能激活抑制性A1受体，而且可增强腺苷介导的兴奋性作用[15]。因此，应用腺苷局部增强疗法治疗癫痫是否可用于临床还有待验证。

腺苷激酶(ADK)通过调节腺苷水平在大脑功能中起着关键作用，其在成人大脑中主要表达于星形胶质细胞。有证据表明，星形胶质细胞中ADK的过表达参与癫痫的发病。反应性星形细胞增生会导致ADK过度表达，增加腺苷进入细胞，降低胞外腺苷水平，削弱腺苷发挥突触抑制的作用，导致癫痫发作。针对大鼠癫痫模型以及颞叶癫痫患者海马组织标本的研究发现，海马星形胶质细胞中ADK过度表达，并与星形胶质细胞增生和自发性癫痫发作有关[16]。Sandau等研究发现，给予红藻氨酸致颞叶癫痫小鼠模型注射ADK抑制剂5-碘结核杆菌肽(5-ITU)可使小鼠癫痫发作次数及时间显著减少[17]。但最近Staufner等报道了11例ADK缺乏患者，大多数患者出现癫痫发作和认知障碍[18]。随后Sandau等通过转基因小鼠敲除全脑ADK，发现大多数小鼠表现出自发性癫痫发作和学习及认知障碍，其机制为腺苷A2A受体介导的突触兴奋性作用增加，同时阻断A2A受体活性治疗可减轻癫痫发作和认知障碍[19]。有关抑制ADK是否可用于癫痫治疗还需进一步研究证实。

3 K+平衡障碍与癫痫

目前研究证实星形胶质细胞上内向整流钾离子4.1(Kir4.1)通道的功能障碍或表达降低可导致癫痫的发生。在正常情况下，在胞外K+浓度升高的区域，Kir4.1通道可将K+摄入至星形胶质细胞内，通过缝隙连接转移到远处K+浓度较低的区域。当星形胶质细胞Kir4.1通道功能障碍时，不仅可导致胞外高K+，还可以影响谷氨酸转运体摄取谷氨酸，影响神经元兴奋性从而诱导癫痫发作[20]。Kitaura等在海马硬化的颞叶内侧癫痫(MTLE-HS)患者的海马组织中观察到胞外K+浓度的升高与星形胶质细胞上的Kir4.1明显降低有关，增加K+浓度会影响神经元兴奋性，高频的神经元活动又会导致K+的进一步短暂积累；如不能通过Kir4.1迅速清除胞外K+，可能会发生恶性循环，导致严重的痫样放电而引起癫痫持续状态[21]。因此，在MTLE-HS中，Kir通道表达减少会导致K+缓冲功能受损和癫痫易感性增强。Du等通过建立星形胶质细胞-神经元模型探讨神经元、星形胶质细胞和细胞外K+动力学之间的关系，结果显示，当星形胶质细胞Kir4.1通道部分被阻断时，可诱发快速的瞬时神经元癫痫活动，同时，星形胶质细胞Kir4.1通道可能通过调节细胞外K+来调节突触活动[22]。Mukai等证实反复使用抗癫痫药物可上调杏仁核区星形胶质细胞Kir4.1的表达，这可能是其抗癫痫作用的机制之一[20]。

水通道蛋白4(AQP4)与Kir4.1在结构上有空间重叠，在功能上也相互耦合，K+通过Kir4.1清除与AQP4介导水的跨膜转运有关。AQP4敲除的小鼠可出现胞外K+清除变慢，K+缓冲受损和癫痫发作时间延长[23]。星形胶质细胞上的Kir4.1通道与AQP4相互作用，参与维持细胞内外K+稳态，故当AQP4功能障碍时，会导致Kir通道介导的K+缓冲受损，引起癫痫发作。

4 缝隙连接与癫痫

Cx43和Cx30是星形胶质细胞主要的缝隙连接蛋白。研究表明，Cx43随着癫痫的发展而上调，可能的机制为Cx43表达增加促进了缝隙连接的形成、电突触数量的增加和导电性的提高，促进了神经元的同步放电，从而引起癫痫发作[24]。但Bedner等采用红藻氨酸注射造模模拟人类MTLE-HS发现，缝隙连接减少可导致星形胶质细胞解偶联，细胞外K+浓度和谷氨酸浓度升高，进而促进癫痫的发生，这些变化早于神经元凋亡和自发性复发性癫痫，提示缝隙连接功能障碍及其导致的K+缓冲功能受损在癫痫的发生发展中可能起到致因作用[25]。Deshpande等通过转基因小鼠敲除Cx43后发现小鼠表现出更高频率的自发性慢性癫痫发作，支持了星形胶质细胞偶联缺失是癫痫发病机制中的一个关键事件的观点[26]。Chever等通过研究双基因敲除小鼠急性海马切片中Cx43和Cx30的表达变化，证明了星形胶质细胞缝隙连接促进了神经元网络的协同激活，而缝隙连接的缺失可使神经元过度去极化，进而产生动作电位，增加神经元兴奋性，导致海马神经元产生爆发性电活动，同时缝隙连接的缺失又可限制神经元放电同步性及缩短放电持续时间，降低癫痫的严重程度[27]。

缝隙连接有着双重作用，一方面，缝隙连接的下调可产生促癫痫和抗癫痫的作用。首先，缝隙连接通透性降低会导致细胞外高浓度K+重新分布受损而导致癫痫发作[24]；其次，由于缝隙连接通透性降低导致神经元能量供应中断，从而产生抗癫痫活动的作用[26]。另一方面，缝隙连接的上调可促进Ca2+波的传递，同时促进神经元活动的同步性，从而降低癫痫活动的阈值[28]。近年来针对星形胶质细胞的缝隙连接与癫痫的关系研究较多，但结果并非一致，可能与采用的动物模型、癫痫发作持续时间和观察大脑区域之间的差异有关。故缝隙连接在癫痫发病机制中作用仍不明确，需要进一步研究。

综上所述，星形胶质细胞参与癫痫发病的机制十分复杂，星形胶质细胞的激活或增生会导致细胞内外神经递质、代谢酶、离子浓度等变化，进而参与癫痫的发病过程。因此，通过干预功能失调的星形胶质细胞可能是治疗癫痫新的潜在治疗策略。