星形膠質細胞在腦缺血中的變化和作用

牛 非，胡金鳳，苑玉和，韓 寧，陳乃宏

(1.中國醫學科學院北京協和醫學院藥物研究所，天然藥物活性物質與功能國家重點實驗室，北京 100050;2.天津中醫藥大學，天津 300193)

腦缺血是以腦循環血流量減少為特征的腦血管疾病，發病率占腦卒中70% ～80%，并且具有高致殘、高致死的特點。因此，探討腦缺血損傷的機制，對減輕腦缺血損傷和提高人類的生存質量極其重要。以往關于缺血性腦損傷多圍繞神經元，然而研究證實，星形膠質細胞(astrocyte，AS)比神經元更加耐受缺血損傷，同時它作為中樞神經系統(CNS)的主要支持成分，在神經系統疾病中起著損傷和保護雙重作用。因此，體內外研究缺血、缺氧條件下AS的反應可為腦缺血的治療研究提供關鍵依據。下面對AS在腦缺血中的變化和作用做一綜述。

1 星形膠質細胞的生理功能

經典的金屬浸鍍技術(銀染色)顯示，AS形態呈星形，從胞體發出許多長而分支的突起，伸展充填在神經細胞的胞體及其突起之間，起支持和分隔神經細胞的作用。

而根據膠質絲的含量以及胞突的形狀可將AS分為兩種:纖維性星形膠質細胞(fibrous astrocyte)，多分布在腦脊髓的皮質，突起細長，分支較少，胞質中含大量膠質絲，又稱蜘蛛細胞(spider cell);原漿性星形膠質細胞(protoplasmic astrocyte)，多分布在灰質，細胞突起粗短，分支多，胞質內膠質絲較少，又稱苔狀細胞(mossycell)。

在正常生理條件下，AS可以整合神經信號、抑制Ca2+興奮、處理信息，橋接神經元和血管內皮細胞等［1］;其胞膜和胞質具有多種離子通道、受體、神經活性氨基酸高親和載體、酶類以維持內環境的平衡;AS亦能產生各種調節信號、合成神經營養介質、重攝和代謝谷氨酸，從而保護神經元［2］。同時，AS比腦內其他任何類型的細胞具有更廣泛的縫隙連接，加強相鄰細胞的連接。另外，AS也是腦內的抗原呈遞細胞(antigen-presenting)，具有免疫細胞功能。

因此，AS具有的這些不可忽視的重要功能使其在CNS正常和異常情況下都扮演了至關重要的角色。

2 星形膠質細胞在腦缺血中的變化和作用

2.1 星形膠質細胞在腦缺血中的變化 大量離體和在體實驗顯示，腦缺血短時間內，AS數量逐漸減少，且呈空泡狀;隨著缺血的連續刺激，AS胞體肥大、腫脹、突起增多、延長［2－3］，并在梗死灶及周圍，以及遠隔腦區出現大量反應性AS［4］。同時，AS的特異性標記物，膠原纖維酸性蛋白(GFAP)和波形蛋白表達增加。出現反應性AS后，會發生明顯的細胞死亡，而且垂死的AS會殺死鄰近的神經元。腦缺血后AS的存活影響神經元的存活和突觸的重塑，因此，AS存活對最終腦缺血損傷的加重或抑制具有至關重要的作用。

2.2 星形膠質細胞對神經元存活的保護作用及其機制

2.2.1 星形膠質細胞通過合成、釋放谷胱甘肽(GSH)發揮抗氧化作用 眾所周知，GSH是腦內主要的抗氧化物質。AS含有的GSH及其合成代謝相關的酶遠大于神經元。由AS合成和產生的GSH在保護神經元免受活性氧族(ROS)損傷的過程中發揮著關鍵性的作用［5］。ROS伴隨缺血缺氧而產生，其對細胞造成的損傷很大程度上依賴于AS是否喪失對ROS的抵抗能力。AS可能通過直接供給神經元內源性的GSH［6］，從而提供ROS選擇性的作用靶點以減輕神經元的應激損傷;亦有可能是AS釋放的GSH直接充當細胞外清除劑進而減輕神經元的損傷［7］，但神經元似乎并非直接利用AS提供的GSH，Wang等［8］研究發現，AS源性的 GSH常被用于還原胱氨酸為半胱氨酸，神經元再利用半胱氨酸合成GSH。因此，神經元可能是通過AS合成或釋放GSH而維持其存活。

2.2.2 星形膠質細胞釋放神經營養因子 一般將神經營養物質和對神經細胞存活具有調節作用的生長因子統稱為神經營養因子(neurotrophic factors，NTFs)。在腦缺血初期，AS可釋放一些NTFs保護神經元免受損傷。這些NTFs主要有:神經營養因子類的BDNF(brain-derived neurotrophic factor)、NT-3(neurotrophin-3)、NGF(nerve growth factor);細胞因子類CNTF(cilary neurotrophic factor)、HGF(hepatocyte growth factor)、GDNF(glial-derived neurotrophic factor)以及激素類IGF-1(insulin like growth factor)等［9］。這些 NTFs可激活兩種不同類型的受體—酪氨酸激酶的Trk家族和腫瘤壞死因子受體超家族中的p75NTR。NTFs依賴的神經元存活主要是經過啟動其多個信號轉導途徑，主要包括PI3K/PKB和MEK/MAPK。其中，Ras/PI3K/PKB是神經元存活的主要信號轉導途徑。PKB通過直接抑制Fork-head或Bad而阻止凋亡，或通過阻斷神經元凋亡途徑(如JNK-p53-Bax途徑)來抑制凋亡。而MEK/MAPK通過刺激抗凋亡蛋白的表達而發揮作用，該信號轉導途徑在神經元內具有多種作用，包括增強突觸可塑性、維持存活。目前研究發現，當p75NTR與NTFs結合形成p75NTR同源二聚體后，可連接多種信號轉導蛋白，包括 TRAF2/4、TRAF6、NRAGE、SC-Ⅰ、NRIF 和 RhoA，進而調節細胞周期、軸突生長及細胞存活;p75NTR也能增加神經酰胺水平及激活JNK-p53-Bax細胞死亡通路。故p75NTR的主要生物學效應包括:對神經元生長的調節;促進神經元存活;誘導神經元凋亡。p75NTR常與Trk受體共表達，因此p75NTR以協同或拮抗兩種方式與Trk介導的生存途徑作用;考慮到NTFs在體內含量甚微，而且促NTFs與Trk受體的親和力微弱，因此可能是促NTFs與p75NTR結合進而介導細胞的凋亡［10］。

2.2.3 星形膠質細胞對水通道蛋白的影響 水通道蛋白(aquaporin，AQP)是一種水的分子通道，由于其存在，細胞才可以快速調節自身體積和內部滲透壓，因此，AQP對于生命活動至關重要。Tsukaguchi等［11］根據AQPs的通透性將其分為三類:Ⅰ類為選擇性水通道，如 AQP1、2、4、5;Ⅱ類是對某些中性溶質(尿素、甘油)具一定的選擇通透性，如AQP3、7等;Ⅲ類具廣泛的通透性(尿素、多元醇、乳酸鹽、羧基丁酸、嘌呤、嘧啶等)。最近的研究表明［12］，AS在腦內的水鹽代謝中也發揮著重要作用，其中AQP4是一種存在于腦薄壁組織和AS終足突起、神經膠質界膜與室管膜及室管膜下的AS連接處的水通道蛋白。研究表明，給與褪黑激素、Edaravone［13］或是 AQP4 抑制劑 TGN-020［14］均可使 AQP4 表達降低、減輕缺血后水腫的發生、改善神經功能損傷評分，推測在腦缺血/再灌注損傷中AQP4水平的迅速下降可能是機體對腦損傷做出的一種保護性反應。對血管源性腦水腫研究發現［15］，水分子進入腦實質不依賴AQP4，而從腦實質中出去依賴AQP4的轉運，因此推測高滲生理鹽水可促使水分子通過AQP4排出腦實質。

2.2.4 星形膠質細胞產生促紅細胞生成素 早期，促紅細胞生成素(erythropoietin，EPO)被認為是前體紅細胞成熟和增殖的體液調控因素，而最近有研究顯示，EPO也具有神經保護作用。在 CNS中，EPO主要由 AS產生［16］。Ruscher等［17］于2002年體外研究發現，海馬腦片給予EPO能明顯保護神經元免受缺糖缺氧(OGD)誘導的損傷，將OGD刺激AS的上清液置于OGD損傷的神經元中，AS上清液內源產生的EPO能有效的保護神經元免受損傷;而注射EPOR抗體可減小EPO的神經保護作用。同時，Belayev等［18］體內研究表明，EPO可減少短暫性MCAO模型嚙齒類動物的腦梗死面積。與EPOR結合后，EPO可誘導JAK-2的磷酸化，進而激活 PI3K-Akt、NF-κB、STAT5 以及 Raf-1 信號通路，這可能是其保護神經元存活的信號途徑。

2.3 星形膠質細胞對腦缺血的二級損傷作用及其機制

2.3.1 星形膠質細胞釋放谷氨酸加重腦缺血損傷 谷氨酸(Glu)是一種興奮性神經遞質，作用于皮質神經元和骨髓運動神經元，可引起突觸后膜出現類似興奮性突觸后電位，并導致神經元放電。不論在神經退行性疾病還是急性腦損傷中，Glu的興奮性毒性作用都是重要的損傷因素。Glu的釋放進一步激活突觸后相應的受體(AMPA、NMDA受體)，誘導鈉、鈣離子內流及質膜的去極化［19］。鈣內流將進一步誘導胞質鈣超載和激酶的激活，并促使自由基的產生，氧化應激和線粒體代謝損傷，最終導致神經元死亡。

AS可通過對鈉離子依賴的谷氨酸轉運體(GLT1)調節谷氨酸再攝取，通過調節GABA、Glycine和D-Serine間接影響神經元上的Glu受體功能，以及通過調節胞外鉀離子的濃度從而影響微環境等等。而當細胞缺血缺氧發生時，將會影響Na+/Ca2+交換體和Na+/K+ATP酶的活性，從而導致離子梯度的破壞，同時由于GLT1的活動是一個強烈耗能的過程，不難想象細胞外AS釋放Glu濃度劇增，神經元及膠質細胞的能量將耗竭［20］。同時，AS上谷氨酸受體的激活導致L-絲氨酸消旋酶的活化進而使AS釋放D-絲氨酸，由于甘氨酸和D-絲氨酸是NMDA型谷氨酸受體信號轉導的陽性調節子，這一過程進一步導致興奮性神經元死亡。

2.3.2 星形膠質細胞釋放炎性因子 不容忽視的是，腦組織中除小膠質細胞外，AS也是一種免疫細胞。和小膠質細胞相同，星形膠質細胞也能產生iNOS、TNF-α和白介素等炎癥因子，對周圍環境造成影響。腦缺血發生后，反應性AS增多并進一步釋放NO、TNF-α和白介素等炎癥因子。有文獻報道［21］，腦缺血幾小時后即可檢測到iNOS的表達，并在2～3 d達到峰值。NO是一種通過增強谷氨酸興奮性毒性或其他途徑引起神經細胞死亡的活性氧。目前調控炎癥過程較為公認的調節子是PARP-1［poly(ADP-ribose)polymerase-1］。PARP-1表達下調引起腦缺血后梗死面積的減少，并具有DNA的修復功能，同時也是NF-κB的輔助激活因子［22］。PARP-1與NF-κB形成復合物可增強NF-κB的DNA結合以及調控因子的轉錄。因此，在腦缺血中，AS可激活PARP-1、NF-κB等信號通路，促進炎性因子的釋放。

2.3.3 星形膠質細胞的縫隙連接和半通道 在正常腦組織中，AS和神經元存在縫隙連接蛋白，這些蛋白可以形成縫隙連接以及半通道［23］?？p隙連接使得神經元或AS形成三維網狀結構，起到調節細胞內外的離子平衡、神經保護、傳遞細胞間鈣波等重要的作用。盡管二者都能表達連接蛋白，但AS的縫隙連接網絡結構更常見且更廣泛。經驗研究表明，局灶性腦缺血發生時，AS和神經元的半通道處于開放狀態，而AS的縫隙連接偶聯程度下降、半通道開放，使得缺血病灶中心區源于AS的毒性分子(Na+、Ca2+、Glu等)彌散到半陰影區正常的細胞，從而進一步加重對神經元和AS的毒性作用［24］?？p隙連接的破壞使半陰影區由AS釋放的營養因子等有益分子滲透到缺血區瀕死的細胞;同時有害分子由病源區滲透到半陰影區，這對病灶部位的細胞是有利的，但是卻連累了周邊健康的細胞，傳播的信號在半陰影區可能產生短暫性、擴張性的損傷作用，從而使缺血面積擴大化。因此，研究特異性的拮抗劑，進行選擇性的處理縫隙連接和半通道是進一步研究二者作用的關鍵。

綜上所述，在腦缺血中，AS不僅通過產生抗氧化物質、釋放神經營養因子、降低水通道蛋白、促進紅細胞生成素保護神經元免受損傷;而另一方面，它也通過釋放Glu造成興奮性氨基酸毒性、釋放炎性因子及降低縫隙連接等，進而加重神經細胞的損傷。但是AS在腦缺血過程中發揮保護或損傷作用的時間及深入機制還不完全清楚，如何有效利用AS對神經元的保護作用還有待于進一步研究，這對于腦缺血疾病的治療具有重要指導意義。

［1］ Perea G，Navarrete M，Araque A.Tripartite synapses:astrocytes process and control synaptic information［J］.Trends Neurosci，2009，32(8):421－31.

［2］ Yu A C，Lau L T.Expression of interleukin-1 alpha，tumor necrosis factor alpha and interlenkin-6 genes in astrocytes under ischemic injury［J］.Neurochem Int，2000，36(4-5):369 －77.

［3］ Gabryel B，Trzeciak H I.Role of astrocytes in pathogenesis of ischemic brain injury［J］.Neurotox Res，2001，3(2):205 －21.

［4］ Pekny M，Nilsson M.Astrocyte activation and reactive gliosis［J］.Glia，2005，50(4):427－34.

［5］ Griffin S，Clark J B，Canevari L.Astrocyte-neurone communication following oxygen-glucose deprivation［J］.J Neurochem，2005，95(4):1015－22.

［6］ Chen Y，Vartiainen N E，Ying W，et al.Astrocytes protect neurons from nitric oxide toxicity by a glutathione-dependent mechanism［J］.J Neurochem，2001，77(6):1601－10.

［7］ Cho I H，Im J Y，Kim D，et al.Protective effects of extracellular glutathione against Zn2+-induced cell death in vitro and in vivo［J］.J Neuro Res，2003，74(5):736 －43.

［8］ Wang X F，Cynader M S.Astrocytes provide cysteine to neurons by releasing glutathione［J］.J Neurochem，2000，74(4):1434－42.

［9］ Frebel K，Wiese S.Signalling molecules essential for neuronal survival and differentiation［J］.Biochem Soc Trans，2006，34(Pt 6):1287－90.

［10］ Schweigreiter R.The dual nature of neurotrophins［J］.Bioessays，2006，28(6):583－94.

［11］Tsukaguchi H，Weremowicz S，Morton C C，Hediger M A.Functional and molecular characterization of the human neutral solute channel aquaporin-9［J］.Am J Physiol，1999，277(5 Pt 2):685－96.

［12］ Tait M J，Saadoun S，Bell B A，Papadopoulos M C.Water movements in the brain:role of aquaporins［J］.Trends Neurosci，2008，31(1):37－43.

［13］ Kiyoshi K，Salunya T，Fumiyo M，et al.Edaravone attenuates cerebral ischemic injury by suppressing aquaporin-4［J］.Biochem Biophys Res Commun，2009，390(4):1121－5.

［14］ Igarashi H，Huber V J，Tsujita M，Nakada T.Pretreatment with a novel aquaporin 4 inhibitor，TGN-020，significantly reduces ischemic cerebral edema［J］.Neurol Sci，2011，32(1):113 －6.

［15］ Francesca B，Rezzani R.Aquaporin and blood brain barrier［J］.Curr Neuropharmacol，2010，8(2):92 －6.

［16］ Meloni B P，Tilbrook P A，Boulos S，et al.Erythropoietin preconditioning in neuronal cultures:signaling，protection from in vitro ischemia，and proteomic analysis［J］.J Neurosci Res，2006，83(4):584－93.

［17］ Ruscher K，Freyer D，Karsch M，et al.Erythropoietin is a paracrine mediator of ischemic tolerance in the brain:evidence from an in vitro model［J］.J Neurosci，2002，22(23):10291 －301.

［18］ Belayev L，Khoutorova L，Zhao W，et al.Neuroprotective effect of darbepoetin alfa，a novel recombinant erythropoietic protein，in focal cerebral ischemia in rats［J］.Stroke，2005，36(5):1071 －6.

［19］任振宇，于小倩，彭雙清.興奮性神經毒性中的鈣穩態失調及其在退行性病變中的作用［J］.中國藥理學通報，2007，23(3):289－92.

［19］ Ren Z Y，Yu X Q，Peng S Q.The imbalance of calcium homeostasis in excitotoxicity and its role in the degenerative lesions［J］.Chin Pharmacol Bull，2007，23(3):289 －92.

［20］梅和珊，王永利.腦缺血時谷氨酸釋放機制［J］.中國藥理學通報，2005，21(4):393－6.

［20］Mei H S，Wang Y L.The mechanism of glutamate release in cerebral ischemia［J］.Chin Pharmacol Bull，2005，21(4):393 －6.

［21］ Nakashima M N，Yamashita K，Kataoka Y，et al.Time course of nitric oxide synthase activity in neuronal，glial and endothelial cells of rat striatum following focal cerebral ischemia［J］.Cell Mol Neurobiol，1995，15(3):341 －9.

［22］ Chiarugi A，Moskowitz M A.Poly(ADP-ribose)polymerase-1 activity promotes NF-kappa B-driven transcription and microglial activation:implication for neurodegenerative disorders［J］.J Neurochem，2003，85(2):306－17.

［23］ Parpura V，Scemes E，Spray D C.Mechanisms of glutamate release from astrocytes:gap junction“hemichannels”，purinergic receptors and exocytotic release［J］.Neurochem Int，2004，45(2-3):259－64.

［24］ Blomstrand F，Venance L，Siren A L，et al.Endothelins regulate astrocyte gap junction in rat hippocampal slices［J］.Eur J Neurosci，2004，19(4):1005 －15