中樞神經系統內縫隙連接的研究進展

林敏，伍麗娜，胡曉松，李帥

縫隙連接(gap junction,GJ)是目前認為細胞間唯一能直接進行物質和信息交換的通道，這種物質和信息交流稱為由縫隙連接介導的細胞間通訊(gap junctional intercellular communication,GJIC)，在中樞神經系統中分布廣泛，對維持正常的神經活動起著重要作用。近年來，多項研究發現中樞神經系統疾病的發生發展與縫隙連接重構或功能異常有關，一些縫隙連接阻斷劑可能成為中樞神經系統疾病治療的有效藥物。

1 中樞神經系統縫隙連接的組成與功能

縫隙連接是一種廣泛存在的細胞連接形式，由相鄰細胞膜上的連接小體組成。連接小體一一對應，小體中心的小管對接，構成了細胞間的直接通道[1]。研究發現，每個連接小體只能由6個同型的縫隙連接蛋白(connexin,Cx)組成，而一個縫隙連接可由兩個不同類型的連接小體組成[2]。Cx是構成縫隙連接通道的一大類膜蛋白，至今在哺乳動物中已發現21種[3]，其中Cx26、 Cx29、 Cx30、 Cx32、 Cx36、 Cx37、 Cx40、 Cx43、Cx45、Cx46及Cx47這11種在成熟和發育中的中樞神經系統有不同程度表達[4]。研究發現，在哺乳類動物腦組織中表達的Cx類型分布不同，具有一定特異性。神經元上主要是Cx32、Cx36、Cx26，星形膠質細胞上主要為Cx43、Cx30、Cx45、Cx40、Cx32，少突膠質細胞上主要是Cx32、Cx45。其中星形膠質細胞上的Cx43表達最強，神經元和少突膠質細胞上的Cx32位居第二[5]。

1.1 神經元中縫隙連接的功能

1.1.1 參與神經元的電活動 縫隙連接以電流作為信息載體，存在于中樞神經系統的同類神經元之間，促進神經元的同步活動。Meister等發現，相鄰神經節細胞動作電位傳遞的時間間隔幾乎為零，因此認為這種傳遞是直接通過縫隙連接促使神經元活動達到同步化的[6]。

1.1.2 參與神經元的發育與再生 研究表明，在哺乳動物中樞神經系統，神經元之間以縫隙連接相互連接并表達Cx36；Cx36在人早期發育過程中呈短暫升高，隨后下降，并在成年期保持低表達。在腦外傷和癲癇等神經元損傷疾病中，縫隙連接的表達又有所上升，縫隙連接參與了神經元的發育[7]。

1.1.3 參與物質傳遞 在Ca2+和其他因素作用下，縫隙連接可開放或閉合。一般分子量小于1500 Da的物質，包括離子、環磷酸腺苷(cAMP)等信息分子、氨基酸、葡萄糖、維生素等，均得以在相鄰細胞間流通，使細胞在營養代謝、增殖分化和功能等方面成為統一體。

1.2 膠質細胞中縫隙連接的功能

1.2.1 緩沖K+Magnotti等發現，在神經活動中，各種膠質細胞Cx的交匯點是構成吸收和遷移細胞外K+的網絡，有利于神經元外部過多K+攝入，并迅速通過縫隙連接分散到相鄰的膠質細胞，以維持細胞外K+的穩態，有助于神經元電活動的正常進行[8]。

1.2.2 傳遞Ca2+Ca2+通過縫隙連接在星形膠質細胞中擴散，稱為Ca2+波。Ca2+波為遠距離信號的傳播提供基礎[9]。此外，星形膠質細胞與神經元之間的縫隙連接通訊還參與Ca2+的自身調節。

2 縫隙連接與中樞神經系統疾病

2.1 癲癇

近年來，多項研究發現縫隙連接與癲癇之間有密切關系。神經元間存在的縫隙連接促使神經元超同步化放電，引起癲癇[10]。Wang等在大鼠體內外軀體感覺皮質中檢測到，活化的谷氨酸(glutamate,Glu)增加了神經元縫隙連接偶聯和Cx36表達；相反，滅活的谷氨酸阻礙癲癇和Cx36表達[11]。神經元的縫隙連接偶聯是谷氨酸導致神經元死亡的關鍵部位。

Cx43在癲癇中呈高表達。其機制可能為Cx43增加了星形膠質細胞之間突觸偶聯數目，有利于神經元同步放電，從而增加了癲癇持續狀態發生的可能性。但究竟是癲癇引起Cx43表達升高，還是Cx43表達增強引起癲癇，一直困擾人們。Beheshti等發現，在大鼠急性癲癇模型中，海馬區Cx36 mRNA和蛋白水平均上調，而Cx43卻沒有改變[12]。提示Cx36的上調誘發了癲癇，在癲癇發展中才有Cx43的上調。Takahashi等檢測到難治性癲癇患者星形膠質細胞標記物膠質纖維酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein,GFAP)和Cx43的增加，而K+電流的改變卻沒有馬上觀察到[13]。提示在難治性癲癇發病之初Cx43上調，但星形膠質細胞縫隙連接功能沒有改變，無法誘導癲癇。因此推測是癲癇誘導了Cx43上調。

對于Cx32在癲癇中的表達存在爭議。曾楊濱等在氯化鋰-匹羅卡品致癇大鼠模型中檢測到，海馬區與皮層區Cx32和Cx43免疫陽性表達都較正常組高[14]。Collignon等對47例接受杏仁核海馬切開術的頑固性癲癇患者進行海馬的連續取樣，觀察Cx32、Cx36和Cx43的表達情況，結果顯示癲癇患者海馬區Cx43表達升高，Cx36表達不變，Cx32表達降低[15]。姚伯昕等檢測了30例難治性顳葉癲癇患者的組織標本，發現癲癇灶組及周邊腦組織組中Cx32的表達無顯著性差異[16]。

縫隙連接在少突膠質細胞中的作用是營養髓鞘，Cx32是在少突膠質細胞最早被檢測出來的連接蛋白，它在髓鞘發育、沃勒變性和軸突再生時表達。敲除Cx32的轉基因大鼠髓鞘很稀疏，神經傳導速度明顯下降。推測Cx32是影響癲癇異常電傳播速度的重要因素，也是治療癲癇、延長癲癇潛伏期的一個新的研究方向。

2.2 神經膠質細胞瘤

GJIC對細胞的生長、繁殖等生物學行為起著重要調控作用；GJIC功能障礙，Cx表達低下或缺失與神經膠質細胞瘤的發生、發展關系極為密切。Cx43通過增加p21和p27的表達延長細胞周期[17]。用Cx43 cDNA轉染腫瘤細胞后，Cx43 mRNA明顯增加，GJIC功能增強，細胞增殖速度較未轉染的腫瘤細胞明顯下降[18-19]。Herrero-Gonzalez等發現，Cx43能減少神經膠質瘤的致癌活動并減慢腫瘤細胞的增長速率[17]。因此尋找有效藥物促進Cx表達上調，可為抗癌治療提供一種新手段[20]。Leone用細胞熒光檢測技術檢測用白藜蘆醇及X線處理過的神經膠質瘤細胞中縫隙連接數目，發現白藜蘆醇能誘導細胞周期的延遲，與X線聯合能增加GJIC[21]。

然而體外研究提示，敲除Cx43，降低細胞運動性；過表達Cx43，提高細胞運動性，Cx43與神經膠質瘤細胞遷移呈正相關[22]。Oliveira等也發現，膠質瘤C6細胞系與正常膠質細胞共培養的遷移過程中，GJIC阻斷劑生胃酮可阻止細胞遷移[23]。推測膠質瘤C6細胞系可能與正常的膠質細胞建立異源性GJIC，以正常膠質細胞作為基層或附著層向遠處遷移。研究發現，惡性膠質瘤中心低表達Cx43，而邊緣及星形膠質細胞高表達Cx43，可能促進膠質瘤細胞侵襲[24]。

現階段對是否應該通過增強GJIC來治療神經膠質細胞瘤的意見尚不統一，但眾多研究證明了細胞間縫隙連接與膠質細胞瘤密切相關。

2.3 腦梗死

近年來發現，在腦梗死后神經元損傷過程中，膠質細胞活化扮演著極其重要的角色[25-26]，膠質細胞間縫隙連接在缺血狀態下仍然有部分開放[27]。研究者對GJIC的腦保護作用意見尚不統一。有研究發現，在大腦中動脈閉塞后，神經膠質細胞GJIC誘導了遠側海馬損傷和認知障礙[28]。Zhang等發現，腦缺血提高縫隙連接的開放，通過縫隙連接阻斷劑生胃酮的干預減小了腦缺血或再灌住后的腦損傷[29]。

然而一些持相反觀念的專家認為，通過GJIC建立的功能合胞體可以稀釋缺血區的有害物質，有利于營養物質的輸送和分配；阻斷GJIC會加重神經元的損害。Blanc等發現，星形膠質細胞間縫隙連接通過參與細胞間Ca2+穩定的自動調節，減少神經元對氧化性損傷的易感性[30]。

GJIC在腦梗死中可能是把“雙刃劍”，既有利于有益物質的傳導，又是有害物質傳導的通道。

2.4 腦血管痙攣

在蛛網膜下腔出血引起腦血管痙攣的研究中，GJIC的作用越來越受到重視。Yamazaki等通過膜片鉗、電壓鉗技術證實，腦血管平滑肌－平滑肌細胞間、平滑肌－內皮細胞間存在GJIC，由此傳遞信息分子和點沖動，引起相鄰肌纖維的同步功能活動，從而誘發腦血管痙攣的產生[31]。Wang等在研究Cx43在兔基底動脈內皮血管緊張素Ⅰ(angiotensin I,AngⅠ)被激活后的作用發現，GJIC的增加是通過AngⅠ調整Cx43的表達來實現的[32]。由此提出了蛛網膜下腔出血后限制血管內GJIC可能成為減少腦血管痙攣的治療方法。縫隙連接阻斷劑生胃酮減少實驗性腦血管痙攣，下調實驗性蛛網膜下腔出血后Cx43的表達[33]。

2.5 阿爾茨海默病

隨著人口老齡化程度的加劇，阿爾茨海默病(Alzheimer's disease,AD)的發病趨勢呈上升態勢。Nagy等發現，AD患者含大量淀粉樣蛋白斑的皮質區域中，Cx43免疫染色密度明顯增加，并且一些淀粉樣蛋白斑與加強的Cx43免疫反應性區域位置相吻合[34]。Koulakoff等發現，神經膠質縫隙連接通道參與AD的神經退行性變過程[35]。AD與縫隙連接間的內在聯系已越來越受到人們的重視。

2.6 腦外傷

腦外傷會導致神經細胞的丟失和相關神經功能缺損，而細胞間縫隙連接及Cx43也有不同程度改變。創傷后，由于病灶處細胞酸中毒，內皮素表達上調，致炎因子大量釋放，導致縫隙連接關閉和功能降低。Ohsumi等發現，腦外傷后，海馬和皮層磷酸化Cx43和磷酸化細胞外信號調節激酶(phosphorylated extracellular signal-regulated kinase,p-ERK)雙標免疫染色顯示，在損傷后6 h，磷酸化Cx43和p-ERK免疫活性在同一星形膠質細胞中增強[36]。證實在腦外傷中，星形膠質細胞縫隙連接參與海馬的病理生理過程。Manaenko等發現，高劑量縫隙連接阻斷劑生胃酮加重神經功能缺損，增加死亡率[37]。縫隙連接的抑制作用沒有在腦出血引起的大腦損傷中發揮神經保護作用。

3 展望

中樞神經系統內縫隙連接的研究正逐步滲透到各種中樞神經系統疾病中，GJIC的研究尚處于起步發展階段。GJIC和Cx在神經膠質細胞瘤、腦梗死等中樞神經系統疾病中的表達仍存在爭議；以GJIC和Cx作為靶點治療中樞神經系統疾病機制的研究還有較大的空間。縫隙連接阻斷劑如生胃酮、奎寧等的運用也為治療中樞神經系統疾病開辟新的治療途徑。

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