星形膠質細胞與腦水腫的形成

鄧江山綜述， 趙玉武審校

星形膠質細胞在哺乳動物腦內是神經元數量的5倍，參與了營養代謝、腦內離子和水平衡、腦血流量和突觸傳遞的調節、血腦屏障正常功能的維持、膠質瘢痕修復和灰白質發育［1，2］。星形膠質細胞足突，腦血管內皮細胞以及相鄰內皮細胞之間的緊密連接，周圍細胞和基質一起構成了血腦屏障。除了與腦微血管密切的接觸，星形膠質細胞大量的突起包繞在突觸周圍以及延伸到腦室腔表面形成膠質界膜，共同構成了對腦內液體調節的結構基礎。腦內液體在腦血管腔、細胞間隙和腦細胞內不停交換，若在腦內代謝失衡，過度積聚即可能發生腦水腫。星形膠質細胞上存在大量水通道蛋白，離子通道和轉運體，現就其參與腦內水、離子代謝及腦水腫形成方面簡要綜述。

1 與轉移水有關的生物學基礎

1.1 谷氨酸轉運體 神經突觸傳遞使得突觸間隙谷氨酸濃度升高，星形膠質細胞發揮主要清除作用，以保證正常神經活動進行。星形膠質細胞膜上含有兩種高親和力轉運體(excitatory amino acid transporter1，EAAT1)和 EAAT2(excitatory amino acid transporter2，EAAT2)。EAAT1轉移水基本是等滲轉運，對細胞內滲透壓影響不大，但神經細胞攝取過多的谷氨酸并伴隨水的進入能引發細胞體積增大。另一方面，谷氨酸濃度過高時激活谷氨酸促代謝性受體，引發細胞水腫，其機制為細胞內鈣庫鈣釋放，激活鈣調蛋白激酶和一氧化氮合酶，通過蛋白激酶G途徑使得水通道蛋白-4(aquaporin-4，AQP4)發生磷酸化，增加AQP4對水的通透性［3］。不同部位的星形膠質細胞對谷氨酸誘發腫脹反應不一，發現大腦皮質和海馬較小腦相對容易發生興奮性氨基酸毒性水腫，可能是因為腦內各部位谷氨酸轉運體及AQP4分布不一致引起［4］。

1.2 離子通道

1.2.1 鉀通道 K+平衡電位為細胞膜靜息電位主要組成部分，復極化后細胞外過高的K+需要迅速被清除，星形膠質細胞不斷攝取K+通過縫隙連接網絡緩沖細胞外K+濃度以保證神經元活動正常進行［5］。Kir4.1是星形膠質細胞膜上已發現5種鉀通道中最主要的一種，轉移鉀具有雙向性，能根據細胞內外鉀離子濃度差來攝取或排出鉀。其主要位于星形膠質細胞包繞在突觸、血管周圍和軟腦膜下的足突上面。K+的吸收伴有水的進入，水的進入主要通過AQP4［6］。

1.2.2 NKCC NKCC(Na+/K+/CL-)同向轉運體單向協同轉運1Na+、1K+、2CL-，有兩種亞型，NKCC1 和 NKCC2。其中NKCC2僅存在于腎臟，NKCC1分布于多種細胞包括星形膠質細胞和神經元，轉移離子的同時伴隨水的轉移。在腦缺血和腦創傷中，當K+濃度很高時，此時單純鉀通道不足以轉移過多的鉀離子，NKCC通道被激活。當星形膠質細胞上各種鉀通道發揮“緩沖鉀”作用時，大量K+進入細胞，細胞內離子濃度升高導致滲透性水轉移引起細胞體積增大。據報道，谷氨酸能增加NKCC1活性，導致細胞腫脹［7］。

1.2.3 體積調節性陰離子通道(volume regulated anion channels，VRACs) 目前尚不清楚VRACs是單獨的一種離子通道，還是不同離子通道的復合體。在低滲環境中培養的星形膠質細胞發生形態變化，細胞體積增大激活VRACs，激活后除了排除CL-，還釋放興奮性氨基酸包括谷氨酸和天冬氨酸、牛磺酸、ATP［8］。細胞內溶質的排出有利于細胞滲透壓恢復平衡和細胞體積回到正常。AQP4基因敲除大鼠VRACs表達量下調，提示血管周圍星形膠質細胞足突膜上水通道和離子通道之間存在密切作用，共同調節腦內水平衡［9］。

1.3 AQP4 AQPs是細胞膜上的跨膜水通道蛋白，具雙向水通透性，哺乳動物體內發現的13種水通道蛋白中［10］，AQP4在腦內含量最豐富，主要分布于包繞毛細血管周圍的星形膠質細胞足突、室管膜細胞及室管膜下星形膠質細胞足突形成的膠質界膜上，在鄰近毛細血管的足突上密度最高。AQP4本身的表達數量，在星形膠質細胞足突上的準確定位以及與離子通道、血腦屏障之間的相互作用都可以影響水的通透性［11］。

2 星形膠質細胞膜“極性”結構

星形膠質細胞膜表面的分子結構分布呈非均質性，特異性分布在靠近細胞外基質側膜上，呈現“極性”狀態。用冰凍蝕刻技術觀察生理狀態下軟腦膜下和腦微血管旁的星形膠質細胞終足，發現在面臨基質側足突膜上存在大量“方形陣列”結構(orthogonal arrays of intramembranous particles，OAPs)。

2.1 OAPs結構基礎 AQP4可能是OAPs的主要分子基礎［12］，證據包括:AQP4缺乏的小鼠OAPs結構消失;AQP4轉染的中國倉鼠卵巢細胞能形成OAPs結構;抗AQP4抗體標記直接覆蓋了OAPs結構。由于翻譯起始位置不同，AQP4包括兩種亞型M1和M23，兩者首先聚合成四聚體，然后再進一步排列成更高級“方形陣列”。M1單純表達時，不能形成穩定的 OAPs結構，形成穩定的 OAPs結構需要 M23的參與［13，14］。但是Rossi認為M23也可直接由M1mRNA翻譯生成，于是在單獨存在M1的情況下也可形成OAPs結構［15］。在某些病理狀態下，AQP4同樣可以非OAPs結構形式存在于星形膠質細胞膜上，說明OAPs結構的形成需要某種內在因素的參與和維持，目前認為除了AQP0和AQP4以不同數量的四聚體構成更復雜的結構，其他的AQPs均不形成更高級結構［14］。

2.2 Agrin Agrin是一種肝素硫酸蛋白聚糖，其存在于細胞外基質中。當星形膠質細胞足突膜遠離血管旁和軟腦膜下基質時，OAPs結構明顯減少，由此推測星形膠質細胞膜“極性”的形成可能與細胞外基質有關。Noell在存在agrin介質上培養的星形膠質細胞膜上AQP4表達量增強，形成OAPs結構，水轉移能量增強［16］，敲除Agrin基因后發現小鼠星形膠質細胞足突膜上OAPs結構明顯減少。體外培養無Agrin的情況下，野生型小鼠和Agrin基因敲除小鼠兩種來源的星形膠質細胞膜上均不能形成OAPs，而經檢測AQP4的表達量在蛋白表達水平和轉錄水平均無差異［17］。Fallier-Becker觀察到類似的結果，通過對存在Agrin培養基上培養來自于基因敲除小鼠和野生型小鼠的星形膠質細胞，發現AQP4表達水平無差異，冰凍切片觀察OAPs密度較高，同時星形膠質細胞在低滲環境下水通透性增加。以上充分說明了Agrin有利于AQP4在星形膠質細胞足突膜上聚集形成OAPs結構，從而增強轉移水的能力［18］。Agrin有不同亞型，主要包括神經元型A0B0和內皮細胞型A4B8。內皮型A0B0促使AQP4形成小的集合體，神經元型A4B8使得OAPs密度在某些地方明顯增加，說明兩種Agrin均能促使AQP4的聚集，但是后一種效果更明顯［16］。綜上，從體內和體外均說明了Agrin能促進小鼠腦內AQP4形成OAPs結構。

2.3 DDC復合體 AQP4并不是以單個水通道的形式鑲嵌在細胞膜上，而是與抗肌萎縮蛋白聚糖復合物(dystroglycan-dystrophin complex，DDC)連接被錨定在血管旁星形膠質細胞膜足突上［19，20］。DDC復合體在肌肉系統中研究較多，其位于肌細胞膜上，連接細胞外基質成分和肌膜，以在肌收縮過程中發揮穩定結構的作用［21］，近來也發現其在腦內發揮著重要作用。肌營養不良蛋白聚糖是DDC的重要組成部分，包括α和β兩個亞基。α-dystroglycan與細胞外基質如Agrin連接;β-dystroglycan是一個跨膜蛋白，將α-dystroglycan與細胞骨架蛋白和其他胞內蛋白連接，例如dystrophin和αsyntrophin。另外，α-Dystrobrevin蛋白與dystrophin蛋白相互連接。基因敲除技術證明，在缺乏dystrophin-71或α-syntrophin大鼠，AQP4在星形膠質細胞膜足突上的“極性”分布明顯減少。Nicchia觀察兩種dystrophin缺陷小鼠品種，DP71KO(缺乏膠質細胞dystrophin-71基因產物)和mdx3cv小鼠(所有dystrophin亞型均明顯減少)，發現存在于血管旁星形膠質細胞上的AQP4“極性”分布依賴于dystrophin，而位于小腦的顆粒細胞層以及軟腦膜下星形膠質細胞足突和室管膜細胞上AQP4分布不依賴于dystrophin，說明了血腦屏障與AQP4關系密切，血管旁AQP4受dystrophin調控，而腦膜下AQP4不受其調控［19］。在實驗性腦脊髓炎動物模型中，觀察到βdystroglycan被炎癥激活的細胞外基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMPs)清除后，OAPs結構能形成，但在星形膠質細胞足突上特異性定位被破壞［22］。另外選擇性基因敲除dystroglycan基因后，血管旁和皮質淺層星形膠質細胞足突上OAPs結構大大減少，甚至血管旁足突上AQP4表達也減少［23］。α-Dystrobrevin基因敲除后，在 dystrophins蛋白存在情況下同樣導致AQP4和Kir4.1分布改變而蛋白表達量不受影響，在整個膜上彌散性分布［24］。以上說明了DDC復合體中任何一種蛋白與AQP4在膜上的準確定位都非常相關。細胞外基質Agrin對AQP4形成OAPs結構有重要作用，OAPs結構主要出現在面臨細胞外基質一側足突膜上，主要是為了建立水通道的“極性”分布，有利于迅速且直接轉移水。

3 星形膠質細胞與血腦屏障

血腦屏障作為腦實質和外周循環系統之間的一道彌散性屏障，通過機械屏障作用、電荷阻力和轉運系統共同調節血管內和腦實質之間的物質交換。腦微血管表面大約99%以上被星形膠質細胞足突覆蓋，血管內皮細胞的發育依賴于細胞周圍環境。星形膠質細胞除了對血腦屏障的形成有關，對正常血腦屏障功能的維持也至關重要。足突膜上OAPs“極性”分布結構對血腦屏障完整性的維持非常重要。間接證據證明:腦膠質母細胞瘤血腦屏障緊密連接蛋白claudin-3喪失，血腦屏障遭破壞，OAPs相關的“極性”分布結構消失。當Agrin表達時，occludin、claudin-5存在，說明了在膠質母細胞瘤中 Agrin與血腦屏障損害之間存在某種相關性［25］。Zhou報道AQP4基因敲除大鼠，腦微血管結構發生改變，緊密連接破壞，血腦屏障通透性明顯增加，血管旁星形膠質細胞足突腫脹［26］。但隨后Saadoun報道，AQP4基因敲除大鼠未見明顯腦水腫，內皮細胞間緊密連接完整，血腦屏障結構正常［27］。敲除α-Dystrobrevin后，不僅破壞星形膠質細胞足突細胞膜上分子的“極性”分布，而且發現血腦屏障被破壞［24］，則充分說明了星形膠質細胞膜上分子結構對維持血腦屏障完整性發揮重要作用。

4 星形膠質細胞與腦水腫

4.1 星形膠質細胞體積調節機制 星形膠質細胞膜上含有多種離子通道，AQP4，氨基酸轉運體，攝納大量離子和神經遞質后，細胞內滲透壓升高，水分伴隨進入胞內，引發細胞體積生理性一過性增大，激活星形膠質細胞體積調節機制［28］。細胞體積增大激活一系列生理反應，引發細胞排出各種物質及水以恢復正常細胞體積［8，29］。參與體積調節的離子通道有 VRACs，CL-通道，Kir4.1。生理狀態下，隨著神經活動發生，星形膠質細胞足突表現為短暫一過性體積增大，當細胞體積調節機制受損則可能發生細胞水腫。

4.2 細胞性水腫 當腦組織發生缺氧或葡萄糖供應不足時，細胞膜Na+-K+-ATP泵因ATP供應不足發生功能障礙，正常的膜內外Na+、K+梯度不能維持，同時細胞內代謝產物不能排除，導致細胞內物質聚集，滲透壓增高，水分由于滲透梯度進入細胞內引起細胞腫脹。與神經元相比，星形膠質細胞負責攝取細胞外K+和谷氨酸，細胞內滲透壓更容易增高，因此發生細胞性腦水腫時，星形膠質細胞足突腫脹往往為早期主要表現［30］。AQP4基因敲除可以延緩早期局灶性腦缺血、細菌性腦膜炎腦水腫形成。同樣，轉基因小鼠過度表達AQP4，可以加速水中毒性腦水腫的發生［31］。上述AQP4在細胞膜上的一些連接蛋白，同樣影響到AQP4的水通透性。敲除α-syntrophin大鼠由于AQP4不能很好錨定在足突膜上，可以延緩腦缺血腦水腫的發生［32］。在Agrin基因敲除大鼠，AQP4“極性”分布消失，細胞內水腫延遲發生［33］，說明了星形膠質細胞足突膜上分子“極性”分布方式確實與細胞性腦水腫有關。

4.3 血管性腦水腫 血管性腦水腫的發生是因為血腦屏障被破壞引起，包括腦出血、感染、腫瘤等。

實驗表明眾多MMPs參與破壞了血腦屏障，導致血管性腦水腫的發生。星形膠質細胞足突主要表達MMP-2及其激活劑MT1-MMP。自發性高血壓大鼠大腦中動脈阻塞后，MMP-9在24h后生成和MMP2在第5天明顯增加，均與腦水腫的發展相一致［34］。在缺血再灌注模型中，梨狀皮質血腦屏障再灌注3h后發生開放，同時MMP-2及其激活劑MT1-MMP一過性增加［35］，而claudin-5和occludin在恢復灌注3h后減少，24h后完全消失，如果予以MMPs抑制劑能消除這種效應［36］，充分說明了MMPs與血腦屏障破壞引起腦水腫之間的密切關系。水腫液的清除主要經腦脊液循環通路，經過內皮細胞返回血液和經過淋巴系統進入血液循環［37］，水腫液經室管膜細胞和星形膠質細胞界膜上的AQP4進入腦室腔為主要清除途徑。在眾多血管性腦水腫模型中，AQP4基因敲除小鼠較野生型小鼠腦水腫更加嚴重，說明了AQP4缺乏可能引起了水腫清除障礙。另外，星形膠質細胞能清除細胞外水腫液中的血清蛋白，加速水腫液的吸收。

5 結語和展望

人們認識到星形膠質細胞與腦微血管、神經元的密切關系，于是提出“神經血管單元”的概念，其在中樞神經活動中發揮重要作用，尤其與腦內微環境動態平衡密切相關。星形膠質細胞與腦水腫關系毋庸置疑。腦水腫進展快，危害性大，做到有效控制必須進一步研究其發病環節。個人認為:星形膠質細胞對水的轉移的影響最終歸結于AQP4的通透性變化，AQP4與水轉移之間的關系已經很明確，對其調節因素和相關作用蛋白研究需要進一步深入;神經血管單元組分之間存在相互作用，研究其組分之間的相互作用及其信號機制，有利于在腦水腫不同發展階段做到有效調控。

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