微血管周細胞在缺血性腦損傷中的作用

陳繼興 錢加強

周細胞包繞著內皮細胞并與內皮細胞共同構成微血管的基本結構，其分布廣泛，幾乎所有的組織、器官的血管壁均有周細胞覆蓋。長久以來，這類細胞一直被認為是微血管的支持結構，類似于動靜脈的平滑肌細胞。然而，現代免疫細胞化學和生物化學研究揭示了周細胞在體內可調節多種重要的生物學功能[1]。由于周細胞在腦組織中的分布密度最高[2]，因而提示這些細胞在腦組織中也必然起著不可忽視的作用。

作為神經血管單元的重要組成部分，已有大量的研究發現，周細胞對維持毛細血管及血腦屏障的穩定和成熟起著重要的作用[2-4]。近幾年的研究進一步發現，體外培養的中樞神經系統周細胞在某些細胞外有害刺激(如酸中毒、高糖、活性氧自由基等)的作用下異常活躍，并表現出數量、結構和功能的改變[5-7]。研究還發現，這些細胞同時具有多向分化潛能[8-9]。因此，當腦梗死發生后，外周血或局部微環境中的周細胞大量募集繼而遷移至缺血壞死組織周圍，這極有可能與其參與梗死后腦組織的修復及血管重建有關[4，10]。然而也有許多學者發現，在梗死的急性期，這些細胞結構和功能的改變是加重局部腦缺血損傷的重要因素[11]。本文就目前中樞神經系統周細胞在腦缺血期及缺血后期的作用作一綜述。

1 周細胞與腦缺血后微循環障礙

在大腦中，周細胞表達大量的α-actin收縮蛋白使其具有與平滑肌細胞相類似的收縮功能，這在缺乏平滑肌細胞的腦微動脈及毛細血管中尤為重要。正常生理情況下，周細胞通過動態的收縮和松弛作用精確調控微血流的變化并以此應對復雜的神經活動[12]。然而在病理情況下，周細胞對細胞外刺激信號非常敏感，這些刺激信號如低氧、酸中毒、氧自由基等均可導致周細胞功能紊亂而發生過度收縮，這種過度收縮引起紅細胞通過障礙繼而導致微循環障礙。在人腦周細胞體外培養中，已證實活性氧自由基持續性刺激引起細胞內鈣離子超載是引起周細胞過度收縮的重要原因[5，7]。在腦缺血大鼠模型中，缺血后的氧化物-亞硝基脅迫作用可引起周細胞持續收縮并導致微循環血流障礙[11]。Dalkara等[13]對局灶性腦缺血大鼠模型研究發現，周細胞的收縮發生在腦中動脈閉塞期間，而且這種現象持續存在，甚至當閉塞動脈恢復血流后這種收縮效應仍然存在。由此可見，腦缺血后活性氧自由基引起的周細胞過度而持續收縮可能是導致局部微循環障礙，這也可能是腦缺血后再灌注損傷發生的重要病理機制。

2 周細胞與腦缺血后血管新生

血管新生(angiogenesis)是指新生毛細血管自成體血管出芽形成的復雜過程，包括內皮細胞的活化、遷移和增生，管狀結構和基底膜的重建，內皮細胞對周細胞的募集，從而形成有周細胞包繞的穩定的血管。較大血管的形成還需要合適的信號以完成血管平滑肌細胞的募集。其中周細胞在調節血管形成、穩定和功能中均起著關鍵的作用。

2.1 周細胞參與缺血后血管新生及成熟 研究證實，在人類或嚙齒類動物缺血腦組織中，血管生成相關基因及血管原性生長因子明顯增加[14]。應用基因研究及組織化學方法，研究者發現，在大鼠或小鼠短暫或持續性腦缺血模型中，調節血管新生的某些因子及受體如血管內皮生長因子及其受體(VEGF/VEGFR)，血管生成素及其受體(Angiopoietin/Tie)，血小板衍生的生長因子及其受體(BPDGF-β/PDGFR-β)，轉化生長因子(TGF-β)以及纖維母細胞生長因子(FGF)等表達明顯改變[15-16]。由于這些血管原性因子與周細胞的功能關系密切，也就意味著周細胞極有可能通過調節新生血管的形成和成熟而參與腦缺血后血管的新生和重建[4，17-18]。

當腦缺血發生后，缺血灶邊緣血管內皮細胞活化，活化后的內皮細胞可降解細胞外基質并遷移至梗死周圍組織，這些細胞繼而擴增并自成體血管以出芽的方式形成不成熟的管腔(或稱為未成熟毛細血管)[16，19]。隨后，活化的內皮細胞及局部缺氧產生的自由基等可誘導周細胞募集并迅速遷移至缺血周圍腦組織[4]。周細胞募集后遷移至血管周圍，并覆蓋新形成的管腔，以促進毛細血管的成熟和穩定。在此過程中，許多血管生成相關基因及血管原性生長因子參與其中。PDGF-β/PDGFR-β通路在周細胞的募集中起著關鍵作用，Renner等[20]研究小鼠腦中動脈缺血損傷模型發現，PDGF-β及其受體PDGFR-β表達均明顯升高，其中新生的內皮細胞分泌PDGF-β，而周細胞表達PDGFR-β，兩者結合促進周細胞的增殖和遷移。Angiopoietin-1/Tie是另一組重要的生長因子，AP-1由成熟血管中的周細胞產生，AP-1與內皮細胞上的受體Tie2結合，促進受體的自身磷酸化(活化)，表達活化Tie2的內皮細胞吸引平滑肌細胞、周細胞等血管周圍細胞包圍、支持內皮細胞形成完整的血管壁，促進血管重塑、成熟、維持血管的完整性和調節血管功能[17]。

2.2 周細胞參與缺血后血管微生態的構建 腦缺血可刺激內源性神經干細胞以促進神經再生[21]。大體解剖學及微觀的信號通路研究均證實，血管再生是神經再生過程的重要階段。血管細胞的生成及管狀結構的構建可為神經元的募集提供條件，也為神經干細胞發育和分化提供血管微生態(niche)[22]，后者又稱作“干細胞niche”，這一定義更形象描述干細胞與新生血管的依存關系。雖然目前尚未完全明確神經前體細胞主要是以血管為介質遷移至缺血組織，或者這些細胞直接產生于niche中。但大量的研究表明，niche成分的改變及niche中信號通路的改變都會對干細胞的數量及功能產生影響[23]。在鼠腦梗塞模型中，許多血管原性因子既可誘導血管生成也可促進神經生成[24-25]。如血管再生過程中產生的血管生成素-1(AP-1)和基質細胞衍生因子-1(SDF1)同樣可促進神經再生[22，26]。在腦組織中，AP-1主要由周細胞分泌，細胞培養同樣證實SDF1表達于周細胞，而不表達于內皮細胞[27]。已知SDF1與其特異受體CXCR4在骨髓間充質干細胞(MSCs)的動員和歸巢、內皮細胞的遷移以及在成人血管的發生、神經的發生和神經元的遷移中起重要作用[28]。因此，周細胞作為niche重要的細胞成分，可能通過分泌與歸巢相關的因子參與神經再生。

Piao等[29]應用干細胞因子和粒細胞集落刺激因子聯合(SCF+G-CSF)治療慢性缺血性卒中發現，二者可通過動員骨髓間充質干細胞(MSCs)促進大腦修復。他們還發現，在組織修復過程中，骨髓源性內皮細胞增加的同時，骨髓源性周細胞數量減少。總之，周細胞的動員有助于神經組織的修復，這種修復作用可能通過與血管內皮細胞相互作用并形成血管微生態發揮作用。在此過程中，周細胞的增殖具有自身調節作用，當周細胞數量較少時促進血管的再生，而當數量較多時促進血管的成熟。

3 在腦組織中具有間充質干細胞(MSCs)功能

間充質干細胞(mesenchymal stem cells，MSCs)是一類有多向分化潛能的干細胞，具有低免疫原性和獨特的免疫調節作用，能逃避免疫識別、抑制免疫應答。基于上述生物學特性使其有望用于組織修復、抑制免疫排斥反應的發生和代謝性疾病的細胞治療。近幾年來，隨著干細胞移植技術的發展，MSCs在缺血性腦損傷動物實驗模型中均顯示出了一定的治療效果[30-31]。Bang等[32]研究發現，對嚴重腦梗死患者給予靜脈輸注自體MSCs后，在梗死后期神經功能確有明顯改善。

近年來，大量動物實驗及臨床研究表明，腦微血管周細胞與間充質干細胞(MSCs)具有相同或相似的特征及表面標志。Bexell等[33]應用MSCs瘤內植入治療腦膠質瘤動物實驗模型中發現，植入的MSCs主要定位在惡性膠質瘤血管外周，并且表達周細胞的細胞表面標記。在人類神經膠質瘤中，Pisati等[34]同樣發現，移植的皮膚來源干細胞在血管生成過程中可分化為周細胞。Chen等[35]對中動脈閉塞大鼠模型應用人MSCs靜脈注射研究發現，NG2陽性細胞(周細胞)的數量及密度在新出芽的血管中明顯增加。Shen等[36]在中動脈閉塞大鼠模型中發現，移植的MSCs能增加NG2陽性細胞的數量及密度，并且能促進軸索的再生和再髓鞘化過程。Fujita等[37]在雙側頸總動脈狹窄小鼠模型中發現，移植的骨髓單核細胞(BMMNCs)能改善腦白質損傷，且供體細胞BMMNCs定位于微血管周圍并具有與周細胞相同的形態學特征，提示這些細胞可能分化為周細胞。腦微血管周細胞與MSCs的相似性提示二者可能起源于相同的祖細胞。Kokovay等[38]應用綠色熒光蛋白標記嵌合體大鼠腦缺血模型BMSCs發現，動物體內可觀測到兩類BMSCs，分別定位于腦實質及脈管系統血管周圍，后者具有與周細胞相同的特征。近年來大量的研究資料更進一步表明，二者可能來源于血管周圍細胞，在許多組織器官中，血管壁被認為是其祖細胞的儲存庫[39]。

鑒于MSCs與周細胞的相似性提示周細胞在功能上也具有與MSCs相類似的功能。這些功能包括：(1)免疫及吞噬功能：研究發現，腦微血管周細胞可表達某些粘附分子(如細胞間粘附分子-1、血管細胞粘附分子-1)，正常生理情況下這些分子呈低水平基礎表達。在炎性因子刺激下，其表達增加使得周細胞可作為呈遞細胞將抗原呈遞給T淋巴細胞[40]。此外，胞漿溶酶體內大量酸性磷酸酶使其具有吞噬及調理作用[41]。這些功能可能與周細胞的在腦缺血修復過程中清除壞死組織、減少半暗帶區內血管滲出物有關。(2)遷移功能：腦缺血發生后周細胞向內皮細胞遷移是血管新生及組織修復的必要條件。較早的研究已證實體外細胞培養中的周細胞具有向內皮細胞移動的特性[42]。在外傷性腦損傷模型中，研究者發現，約40%的腦微血管周細胞由外周微血管移動至新生血管周邊。在血管發育過程中，周細胞的遷移受其自身表達的PDGFR-β及內皮細胞表達的PDGF-β調節[43]。(3)多分化潛能：Jung等[44]對急性腦缺血患者研究發現，隨著神經功能的改善，循環中PDGFR-β陽性細胞明顯增加，將這些細胞分離并作體外細胞培養發現其表達間充質干細胞表面標志，并在不同培養基內表現出多向分化潛能。腦血管周細胞體外與成纖維細胞生長因子共培養下可表達出神經元及神經膠質細胞表面標志，表明中樞神經系統周細胞可能具有成為神經干細胞的潛能[9]。

4 參與調節血腦屏障功能

腦微血管周細胞與血管內皮細胞通過緊密連接維持著血腦屏障的完整性，而其自身的收縮與舒張功能對血腦屏障的滲透性起著調節作用，因此當缺氧及缺氧/再復氧導致的血腦屏障滲透性增加或細胞間緊密連接破壞發生后，周細胞無疑將發揮重要的調節作用。在內皮細胞、周細胞及星形膠質細胞體外混合培養的血腦屏障模型中，研究者發現，由于缺氧導致的單層內皮細胞滲透性增加，可因周細胞的存在而明顯減弱。同樣，當與周細胞共培養時，內皮細胞對缺氧的敏感性明顯降低[45]。

近幾年的研究發現，周細胞對缺氧所致的內皮完整性損害的影響取決于缺氧的時限及嚴重程度。輕度缺氧時，在混合細胞培養的血腦屏障模型中，周細胞在短期內加劇屏障功能的損傷[46]。Duz等[47]對中動脈閉塞大鼠模型超微結構研究也發現，在缺血發生早期，微血管基底膜結構紊亂，周細胞從血管壁分離，這種超微結構的改變可能是腦缺血后血管通透性增高發生的早期階段，也是周細胞在缺血早期加劇屏障功能的損傷的可能原因之一。而當持續暴露于低氧時，周細胞則表現出保護作用。研究發現，周細胞的保護作用與其表達的TGF-β1和AP-1以及分泌的Ⅳ型膠原蛋白、層粘連蛋白、透明質酸密切相關，前者參與維持血腦屏障的緊密連接，后者參與基底膜的形成[48]。此外，腦微量出血患者腦組織應用電子顯微鏡觀察發現，血管壁周細胞胞漿內可見鐵離子及血漿成分，因此當血腦屏障緊密結合受到破壞周細胞可能通過噬細胞作用充當“網閘”角色以起補救作用[49]。

5 周細胞與缺血后腦白質損傷

CADASIL病，又稱為遺傳性多發梗死癡呆病，伴有皮質下梗死和白質腦病的常染色體顯性遺傳腦動脈病，是近幾年來發現的一種特殊類型的腦血管病或血管性癡呆病。大量的研究已證實，CADASIL病由Notch3基因突變所致。對人類Notch3基因研究表明，其主要表達于動脈平滑肌細胞及周細胞上[50]。應用電子顯微鏡對CADASIL病患者腦微血管觀察發現，血管壁周細胞胞核腫脹，細胞呈變性改變并伴基底膜增厚[51]。免疫電鏡顯示顆粒狀嗜鋨物質大量的沉積在周細胞與內皮細胞之間的基底膜上[52]。雖然目前對于Notch3基因突變引起的腦白質損傷的確切機制尚不清楚，但大量證據表明，在CADASIL等白質損傷疾病中腦血管反應性明顯受損，Notch3蛋白在周細胞上突變可能是導致這類疾病毛細血管血流調節異常病理機制的基礎[53]。

周細胞可能參與高血壓病性腦微血管病變過程。對自發性高血壓大鼠研究發現，盡管富含周細胞的毛細血管比率較正常血壓組大鼠明顯增高，但顆粒狀及絲狀周細胞在有卒中傾向的自發性高血壓大鼠腦組織中卻有明顯的差別，盡管顆粒狀細胞始終呈增長趨勢，但成熟和有功能的絲狀周細胞卻隨著高血壓病的進展呈退化趨勢[54]。這種變化將導致內皮滲透性增加，滲透性增加引起的大分子物質如蛋白酶類、免疫球蛋白類等溢出加劇了腦白質的損傷過程。Bell等[55]對PDGFR-β缺陷大鼠研究發現，腦周細胞在神經血管功能中起重要作用，并認為周細胞的缺失可能通過兩種途徑造成神經損傷，一是通過減少腦微循環的數量從而造成慢性灌注不足和缺氧；二是由于血腦屏障完整性的破壞及滲透性增加導致的血漿蛋白及血管和(或)神經毒性物質的大量堆積。總之，周細胞功能性的缺失在成人腦缺血后白質損傷病理過程中發揮著重要的作用，關于二者之間的聯系仍需要更多的研究以加以闡明。

周細胞在腦缺血損傷病理過程中發揮著重要作用。在腦缺血急性期及后期，周細胞募集并可能通過調節血管新生、神經再生及血腦屏障功能而參與受損神經組織的修復，同時在缺血早期，周細胞可能因過度收縮加劇腦缺血再灌注損傷過程。周細胞活化的結果對神經元有益或有害與具體的神經組織微環境有關，可能因激活程度，刺激類型和存在的局部因子的不同而不同。目前，對于周細胞在缺血腦組織中的功能僅局限于動物實驗或臨床試驗，進一步的研究有待從基因調控的角度來闡述周細胞在體內發揮作用的分子機制。而且，目前對于腦缺血再灌注損傷及缺血后神經元再生仍缺乏有效的治療措施，因此對周細胞生物學的深入研究將為腦缺血損傷提供重大的突破。

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