星形胶质细胞在脑缺血诱导的炎症反应中的作用及其机制①

韩光远 宋丽娟 丁智斌 安 俊 柴 智 王 青 黄建军 马存根

（山西中医药大学神经生物学研究中心，国家中医药管理局多发性硬化益气活血重点研究室，晋中 030619）

脑血管疾病具有高发病率、高致残率和高病死率等特点，已成为目前导致人类死亡的第二大原因，其中缺血性脑血管病约占70%［1］。研究表明，炎症反应在脑缺血损伤中发挥重要作用，卒中后急性期炎症反应可引发脑水肿，挤压缺血灶周围正常脑组织，继而加重脑损伤。相反，卒中后恢复期炎症反应对组织修复又有重要保护作用［2］。缺血后炎症反应是一个复杂的动态过程，涉及多种炎症细胞和炎症因子［2］。除小胶质细胞（microglia，MG）、白细胞外，近年研究发现星形胶质细胞（astrocyte，Ast）也参与脑缺血后炎症反应。事实上，Ast 在其他神经损伤中的角色也越来越被重视［3］。

Ast 是中枢神经系统（central nervous system，CNS）中分布最广、数量最多的细胞，是神经元细胞数的5倍，占脑内胶质细胞数的50%，是构成神经血管单元（neurovascular unit，NVU）的重要细胞，在生理及病理状态下对神经元保护和大脑结构与功能的维持均发挥重要调节作用［4-5］。脑缺血早期，Ast被激活，通过摄取兴奋性氨基酸、释放抗炎因子、清除氧自由基等作用维持细胞内环境稳态，从而保护神经元。但缺血严重时，Ast 不仅无法保护神经元，还会释放促炎因子，加重脑缺血性损伤程度，促进缺血性炎症反应。研究显示，脑缺血炎症反应中，Ast 的作用不是孤立的，与MG 的交互作用具有重要意义［6］。因此，探寻脑缺血炎症反应中Ast发挥双重作用的机制，可能对脑缺血疾病防治具有重要意义。临床实践中，如果能有效调节Ast 在缺血性脑血管疾病中的作用，尤其是对炎症反应的作用，可能成为脑缺血性损伤的潜在治疗靶点。

1 脑缺血后Ast激活

脑缺血可诱导产生A1 型和A2 型2 种不同反应性Ast（reactive astrocytes，RAs）。脑缺血发生后，MG首先被激活，活化的MG 释放TNF-α、IL-β 和C1q，进而激活静息状态的 Ast 使之成为 A1 型 Ast［7］。A1 型Ast 不仅丧失了吞噬突触和髓鞘碎片的功能，还可释放神经毒性物质，表明A1 可能是“有害”的［8］。相反，缺血诱导的A2 型Ast 上调多种神经营养因子表达，促进神经元存活和生长，促进突触修复，表明A2型可能具有“保护”作用［9］。Ast 被激活，RAs 增殖并发生形态改变，包括胞体肿胀肥大、突起延长增多等［10］。RAs的一个众所周知的特征是胶原纤维酸性蛋白（glial fibrillary acidic protein，GFAP）等表达增加［11］。RAs 产生大量炎症介质和细胞毒性分子，参与脑缺血后炎症反应。随着时间增加，RAs 大量聚集于损伤区域形成胶质瘢痕，隔离缺血中心区与周围正常组织，起神经保护作用。Ast激活成为RAs后主要有下列标志蛋白。

1.1 GFAP GFAP 参与细胞骨架构成，是一种仅见于Ast 的Ⅲ型中间丝状蛋白，是成熟Ast 和RAs 的特征性标志物［12］。脑缺血后，Ast 被激活，其形态发生改变，GFAP 含量也随之增加，且表达水平与Ast激活程度密切相关［13］。RAs有较强的清除兴奋性神经递质谷氨酸、H+、K+的能力，对神经元损伤修复起重要作用［14］。

1.2 表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor，EGFR） 研究发现，在颅脑损伤、脑卒中等CNS 损伤患者脑组织中，EGFR 表达显著增加，且多数在 RAs 中［15］。沉默 EGFR 基因可有效抑制 Ast 活化，可能与阻碍STAT3 磷酸化有关。因此EGFR 有望成为抑制Ast活化的潜在靶点［16］。

1.3 巢蛋白（Nestin） Nestin 是RAs 中间丝的动态成分，属于第Ⅵ类中间丝蛋白，是反映Ast 激活的敏感指标［17］。研究报道，CNS 损伤时，Ast 呈强烈的Nestin阳性反应［18］。相较于正常脑组织，Nestin阳性的Ast 在形态和数量方面均有较大改变。Nestin 阳性细胞在受损区周边密集排列，胞体肥大呈星形，突触粗长，交织成网，进而可减少受损区进一步扩大，有助于损伤修复。

1.4 波形蛋白（vimentin） vimentin 是一种重要的Ⅲ型中间丝蛋白，是构成细胞骨架的成分之一。正常时多存在于胚胎期和出生后2周的Ast中，随后逐渐被GFAP 表达所取代。成熟的正常Ast 一般不表达vimentin。但研究显示，脑缺血后第3天就开始在缺血周围区表达vimentin 阳性细胞，且表达逐渐增多，直至第7 天，导致细胞胞浆胶质丝增生，胞体肥大［19］。大鼠大脑中动脉闭塞（middle cerebral artery occlusion，MCAO）模型研究发现，vimentin 在脑缺血区表达主要发生于急性期（脑缺血后1 h～3 d），而其在缺血周围区表达于缺血后1 h～7 d逐渐增加，表达量在第7天达到高峰［20］。

2 Ast在脑缺血炎症反应中的双重作用

脑缺血后，RAs 一边通过摄取兴奋性神经递质谷氨酸、抗氧化、释放神经营养因子及产生抗炎细胞因子和形成胶质瘢痕等发挥保护作用，另一方面通过主动释放谷氨酸、释放促炎因子和形成胶质限制等进一步损伤脑组织［21］。Ast 在脑缺血炎症反应中的双重作用主要包括以下方面。

2.1 保护作用

2.1.1 产生抑炎细胞因子 Ast 在脑缺血诱导的炎症反应不同时期起不同作用。炎症反应初期，Ast作为抗原递呈细胞参与炎症反应，分泌促炎抗原递呈细胞因子防止组织损伤。而在炎症高峰期，Ast作为调控细胞，又可分泌抑炎细胞因子，如TGF-β、IL-10 等抑制炎症反应，通过清除细胞碎片、重塑脑组织等保护脑组织［22］。

2.1.2 脑缺血亚急性期Ast 形成胶质瘢痕对神经元的保护作用 研究发现，Ast 在缺血刺激数小时后被激活，由静息态变为活化态，数目增多、胞体变大，并向损伤区迁移，3～5 d 后在损伤区周围数量明显增加，而在缺血中心区并未增加［23］。随着时间推移，损伤区域内Ast 大量集聚，细胞间交互叠加和覆盖于缺血7 d 后即可在缺血中心区周围形成胶质瘢痕［24-25］。研究发现，胶质瘢痕一方面能够维持体内免疫炎症反应平衡，另一方面可以限制炎症细胞向周围组织扩散［26］。如果消除或减弱 RAs 或限制RAs迁移，可加剧炎症细胞扩散，导致炎症细胞大量浸润，从而加重损伤［27-28］。

2.2 损伤作用

2.2.1 产生促炎细胞因子 脑缺血诱导Ast 产生大量炎症因子，包括TNF-α、IL-1 等，参与脑缺氧后炎症反应发生发展。IL-1在脑缺血发生后缺血区表达上调，其中IL-1β 表达最高。IL-1β 是参与炎症反应的关键因子，可激活MG 和Ast 并引起增殖，导致Ast 胶质化，是脑损伤的典型反应［29］。研究表明，给予MCAO 模型小鼠脑室注射IL-1β 可加重损伤，明显增大梗死体积，加剧脑水肿程度，增多缺血区白细胞渗出，加重脑缺血炎症反应，从另一个角度证明了 IL-1β 的作用［30］。TNF-α 是炎症反应的主要致炎因子，可促进Ast增殖，加速Ast胶质化，同时可促进炎症介质合成，加重脑缺血炎症反应［31-32］。研究表明，TNF-α 可促进 Ast 中 IL 等炎症因子 mRNA 转录及表达，产生协同致炎作用，进一步加重脑损伤［33］。最近研究发现，多种药物可降低Ast 中炎症因子表达，如红景天苷可减少缺氧复氧Ast中TNF-α、IL-1β、IL-6释放，表明红景天苷在缺氧复氧Ast损伤中具有抗炎作用［34］。褪黑素可通过减少A1型Ast C3、Gbp2 和Serping1 表达抑制神经毒素诱导产生的炎症反应［35］。

2.2.2 脑缺血恢复期Ast 形成胶质限制对神经再生的损伤作用 卒中后恢复期，炎症反应在组织修复中发挥重要作用，此时Ast 对其有何作用需要阐明。研究表明，缺血14 d 时，成熟瘢痕组织损伤神经元与Ast连接［36-37］。同时，由胶质瘢痕分泌的硫酸软骨素糖蛋白（chondroitin sulfate proteoglycan，CSPG）抑制神经元轴突生长，导致生长锥萎缩，严重阻碍神经元损伤后修复［38］。RAs与入侵的成纤维细胞共同作用在外围Ast 表层形成连续的基底膜并重建胶质软膜屏障，形成胶质限制［39］。具体而言，纤维瘢痕处于缺血中心区，胶质瘢痕位于纤维瘢痕外围，共同形成物理屏障阻碍轴突再生，进而妨碍恢复期神经功能恢复。

总之，Ast 在脑缺血炎症反应中同时有保护和损伤双重作用。保护作用由产生抑炎因子和形成胶质瘢痕实现，损伤作用通过产生促炎因子及形成胶质限制实现。如何促进保护作用并抑制其损伤作用将是今后靶向Ast 治疗脑缺血炎症反应的重要方向。

3 Ast在脑缺血炎症反应中的作用机制

Ast 可通过多种途径影响受损脑组织。目前，Ast 在脑缺血炎症反应中的作用机制相对复杂且尚未明确，其主要作用机制有以下通路参与。

3.1 p38MAPK 信号通路 丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信号通路，尤其是p38MAPK 途径是调节炎症反应最主要的信号通路之一。p38MAPK 在各种细胞外刺激如缺血、细胞因子、渗透压变化等作用下被激活，继而激活NF-κB、STAT 等多种转录因子，从而调节IL-6、TNF-α等炎症细胞因子基因表达促进炎症反应。相反，抑制p38MAPK 信号通路可抑制炎症反应，提示该通路在CNS 炎症病变中可能发挥重要作用。最新研究表明，p38MAPK激活是导致Ast损伤，进而形成胶质瘢痕的主要原因。糖氧剥夺6 h，Ast 发生肿胀变形、细胞活力下降、乳酸脱氢酶漏出率显著增高，p38MAPK 表达明显上调，而细胞p38MAPK 抑制剂SB203580 可明显抑制糖氧剥夺所致的Ast 肿胀、活力下降和乳酸脱氢酶漏出率提高，证明p38MAPK通路可能是导致Ast损伤的重要机制之一［40］。

3.2 TLR4/NF-κB 信号通路 Toll 样受体（TLR）是参与非特异性免疫的一类重要蛋白分子家族，是连接特异性免疫和非特异性免疫的桥梁，在免疫应答和炎症反应中起重要作用。TLR4 是最早被发现的Toll 样蛋白，在脑组织中主要表达于Ast、神经元及MG，脑缺血后首先被激活，是检测心脑血管风险的标志物之一［41］。NF-κB 作为 TLR4 重要的下游信号核转录因子之一，在细胞内受多种物质如IL-2、IL-1β、TNF-α 等作用后活化，反过来增强这些细胞因子基因转录，使其表达增多，从而刺激炎症信号级联放大［42］。

3.3 Notch-1 信号通路 Notch 信号通路是邻近细胞间经彼此联系而调控细胞发育的重要通路。研究发现，Notch-1信号通路在缺氧后Ast中被激活，一方面可通过抑制血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）或 NF-κB/p65 信号通路调节Ast 增殖和激活，参与脑组织缺血炎症反应［43］。另一方面可直接参与Ast 增殖，加重缺血半暗带的炎症细胞浸润，加重脑缺血诱导的炎症反应［44］。

3.4 HIF-1α 信号通路 多种转录因子具有氧依赖性，并在缺氧过程中激活转录因子基因表达，缺氧诱导因子-1（hypoxia-inducible factor-1，HIF-1）是其中最主要的一种，可激活一系列炎症因子导致炎症损伤。HIF-1由α和β 2个亚基构成，其中HIF-1α是唯一的氧调节元件，直接决定HIF-1 活性。与多种具有氧依赖性的转录因子一样，缺氧后HIF-1α在胞质积聚并进入胞核与缺氧反应元件（hypoxia response element，HRE）结合，激活下游分子，其中VEGF 是其激活后的主要下游分子。VEGF 转录表达后，可作用于血管内皮细胞的特异性有丝分裂原，进而促进血管发生和增加血管通透性。研究表明，糖氧剥夺可诱发Ast 核内HIF-1α 生成和迅速累积。麦冬皂苷D 可通过调控HIF-1α-VEGF 信号通路，经旁分泌和自分泌形式促进缺氧损伤下Ast 存活和增生［45］。目前研究表明，在缺血和缺氧不同时间点，HIF-1α 对神经细胞具有保护和诱导凋亡双重调节作用［46］。

3.5 STAT3信号通路 信号转导及转录激活蛋白3（singal transducer and activator of transcription 3，STAT3）是JAK-STAT 家族成员，是经由多肽激活的下游主要信号通路，其作用主要体现在细胞信号交流和基因转录等方面［47］。研究表明，STAT3 可调控下游基因 HIF-1α 信号传递［48］。Ast 标志物 GFAP 是STAT3的调节靶标，STAT3是Ast增生的关键调节因子之一。红景天苷可显著改善脑缺血再灌注大鼠神经功能损伤，降低脑组织内神经细胞凋亡，该作用可能通过调控JAK2/STAT3信号通路活性实现［49］。

4 Ast与MG相互作用

MG 作为脑内常驻免疫细胞，是CNS 内的首道免疫防线。正常生理状态下处于静息状态，经由突触持续摆动监视脑内微环境变化，维持CNS 动态平衡［50］。病理条件下，MG 在数分钟内即可迅速激活，由分支状转换为“阿米巴样”。MG 对不同刺激可表现不同的激活形式，细胞表面出现不同表型，分为经典激活M1 型和替代激活M2 型。其中M1 型发挥促炎作用，M2型发挥抗炎作用［51］。

脑缺血后，Ast 和MG 均被激活，共同参与相关炎症反应调控，两者间作用机制复杂。脑缺血后MG 激活早于Ast，并促进Ast 活化，同时活化的Ast反过来作用于MG，也可促进远距离MG 活化，或抑制 MG 过度激活［52］。MG 自身表达部分细胞因子受体，而Ast 在相同细胞因子刺激下也会表达部分细胞因子，促进MG 增生，所以MG 和Ast 通过细胞因子相互对话形成一种胶质细胞旁分泌的调节模式，可能通过TGF-β、IL-1、ATP等细胞因子相互调节［53］。

体外研究也证实，MG 经由旁分泌方式释放TNF-α，诱导周围Ast增生，且Ast培养基可显著降低MG 对氧化应激的反应，其机制是Ast 培养基通过活化MG 内的转录因子Nrf2 促进抗氧化应激基因表达，进而减少氧化自由基产生。此调节途径作为一种负反馈调节方式，抑制MG 产生过多氧自由基，进而减少对神经元的非特异性损伤［54］。NORDEN等［55］研究显示，被激活的 MG 释放 IL-10 作用于 Ast的 IL-10 受体，诱导 Ast 释放 TGF-β，反过来抑制 MG激活，减轻神经炎症反应。CNS炎症反应时，尿嘧啶核苷酸向细胞外基质释放，激活神经胶质细胞嘧啶受体，促进其反应性表型表达，如在共培养的MG 和Ast培养液中加入LPS和尿嘧啶核苷酸培养48h后，MG 激活出现 P2Y6 受体，促进 NO 释放和 Ast 凋亡，从而控制Ast 增殖速度，阻止过度胶质化，说明MG、Ast 可能通过嘧啶受体通路影响神经慢性炎症反应性胶质化［56］。韩宏等［52］通过激光共聚焦显微镜观察MCAO 大鼠脑梗死后的“半暗区”，激活的MG 和增生肥大的Ast 伸出的突起相互交错，关系密切。Ast 活化后不仅接受MG 突起，还发出突起延伸至MG 胞体，说明Ast 和MG 在应对外界和内环境刺激时是相互协同作用的，进而共同维护CNS 内环境稳态。

总之，Ast 和 MG 在 CNS 中互相作用，对脑缺血炎症反应发生发展起重要作用（图1）。激活的MG既可促进Ast活化，也可抑制Ast活化；同样，活化的Ast 既可促进MG 激活，也可抑制MG 活性。如何调节两者间平衡将为脑缺血炎症反应治疗提供新方向。

图1 Ast与MG在脑缺血炎症反应中的相互作用Fig.1 Interaction of Ast and MG in inflammation induced by cerebral ischemia

5 结语及展望

综上所述，脑缺血后Ast 被激活，在其诱导的炎症反应中起重要作用。一方面通过释放抗炎因子及Ast 胶质化对脑组织起保护作用；另一方面通过释放促炎介质损伤脑组织，具体作用机制与p38MAPK 信号通路、TLR4/NF-κB信号通路、Notch-1信号通路、HIF-1α 信号通路和STAT3 信号通路等密切相关。另外，Ast 与MG 相互作用也对脑缺血后炎症反应有重要意义，进一步为Ast 经抗炎治疗缺血性脑卒中提供了干预靶点，为临床防治缺血性脑卒中提供了新思路。

目前，Ast 与脑缺血的具体时空关系尚不明确，尚有一系列问题亟待解决。Ast 在脑缺血后发挥保护或损伤作用的时间及潜在的统一机制尚未阐明。缺血性脑卒中后到底是减弱Ast 活性和功能，还是加强其活化及增殖，时机上如何掌控，也有待进一步研究。总之，由于脑缺血后炎症反应中Ast 呈双向特征，因此在缺血过程中如何设法促进其保护功能，抑制其不利影响，将是今后研究重点。