周細胞與中樞神經系統疾病

陳俊敏，張祥建，劉曉霞，宋德剛，曹曉蕓，孫倩

血管穩態是維持神經系統功能正常的基礎。周細胞（pericyte）圍繞、包裹毛細血管壁，可收縮以調節腦血流量（cerebral blood flow，CBF），在維持血腦屏障（blood-brain barrier，BBB）、穩定新生血管中發揮重要作用；同時，與中樞神經系統（central nervous system，CNS）疾病發生、發展和預后有關，有可能成為CNS相關疾病的治療靶點，越來越引起臨床的重視。

在CNS中內皮細胞、基膜、周細胞、星型膠質細胞、小膠質細胞和神經元組成神經血管單元，神經血管單元是神經活動與血管功能的耦合器，周細胞是神經血管單元的重要組成部分。周細胞通過直接接觸和（或）旁分泌信號與內皮細胞進行細胞通訊，引起相應毛細血管活動。周細胞主要功能包括：①調節CBF分布以匹配鄰近細胞局部代謝需要[1]；②維持BBB穩定[2]；③穩定新生血管；④多能干細胞功能[3]；⑤參與神經瘢痕的形成；⑥吞噬細胞活性等[4]。目前認為周細胞在多種疾病中發揮重要作用，如卒中、糖尿病視網膜病變、阿爾茨海默病（Alzheimer's disease，AD）、常染色體顯性遺傳病合并皮質下梗死和白質腦病（cerebral autosomal dominant arteriopathy with subcortical infarcts and leukoencephalopathy，CADASIL）等。

1 周細胞的發現和分布

1923年，ZIMMERMANN首先命名了周細胞，他詳細定義了周細胞的各種形態分類，包括它與平滑肌細胞的過渡形式。周細胞是一種扁而有突起的細胞，嵌入毛細血管的基膜中，位于內皮細胞周圍，部分突起呈楔形插入內皮細胞之間，通過毛細血管基膜的孔隙與內皮細胞直接接觸。電鏡下，周細胞的核呈圓盤狀，主要由異染色質構成，細胞質包含核糖體、高爾基體、線粒體、溶酶體、粗面和滑面內質網等細胞器。周細胞的突起具有多樣性，在小動脈末端的毛細血管段突起呈圓環帶狀，在毛細血管床的中段突起呈細長狀，在靜脈端的毛細血管段突起呈星狀[3，5]。不同形態突起的周細胞其肌動蛋白表達不同，具有圓環帶狀突起的周細胞表達α平滑肌肌動蛋白（α-smooth muscle actin，α-SMA），具有細長突起的周細胞部分表達α-SMA，具有星狀突起的周細胞不表達α-SMA[2]。周細胞表達肌動蛋白故具有收縮性。有學者認為，毛細血管的直徑變化是由周細胞產生的，而不是內皮細胞，周細胞舒張可擴張毛細血管。周細胞表面表達血小板衍生生長因子β受體（platelet derived growth factor receptor β，PDGFR-β）和神經膠質細胞2型（neuroglial cell 2，NG2）硫酸軟骨素糖蛋白（chondroitin sulfate glycoprotein，CSGP）[3，6]。

2 周細胞的功能

2.1 調節腦血流及血氧代謝 大腦對血流波動很敏感，血液供應的穩定性對維持大腦功能至關重要。大腦存在多種復雜的平衡調節機制，以維持充足的腦灌注[7]。最初認為，腦血液系統是由腦血管壁、血液循環成分、神經膠質和神經元組成，但現在認為周細胞也參與其中并發揮重要作用[8]。在大腦皮層、小腦、視網膜等部位，去極化、神經遞質釋放、神經元激活等可以使毛細血管的周細胞收縮，從而改變毛細血管的直徑[9]。在大腦皮層，神經元激活等使幾乎相同數量的毛細血管和小動脈擴張，毛細血管擴張發生在小動脈擴張之前，且毛細血管擴張的發生與周細胞的存在相關，這意味著毛細血管擴張是由活性物引起周細胞松弛的主動擴張，而不是由小動脈擴張產生局部血壓增加的被動反應[6，10]。周細胞通過收縮和松弛，改變毛細血管直徑，使CBF重新分配。毛細血管收縮時，毛細血管收縮點的大小不允許血細胞通過，但允許血漿通過，造成血細胞攔截而血漿流動不間斷，即氧傳輸不足，同時葡萄糖繼續使用，促使無氧糖酵解乳酸鹽形成增加造成異相乳酸性酸中毒。在缺血性卒中上述原因可能是決定梗死的關鍵[11]。

2.2 維持血腦屏障穩定 BBB指血-腦及血-腦脊液屏障，是腦毛細血管的特征性結構，限制周圍血細胞和大分子物質從腦毛細血管進入腦組織，可使腦組織少受甚至不受血液中有害物質的損害從而保護腦組織，維持腦組織內環境的穩定性，同時對維持CNS神經元的正常活動起著重要作用[1，12]。周細胞對誘導BBB形成和維持BBB功能起重要作用[13]。有證據表明功能性的BBB在胚胎時期星形膠質細胞出現前已經形成，其中周細胞是形成BBB所必需的并且調節和維持BBB結構完整性，周細胞誘導內皮細胞的緊密連接，抑制引起血管通透性增加的分子表達。轉基因小鼠模型中，周細胞表達減少引起BBB通透性增加。分離血管壁上的周細胞，引起BBB喪失內皮細胞功能，導致緊密連接表達減少，引起胞飲和滲漏增加[14-15]。慢性BBB破壞可導致血液衍生的神經毒性蛋白在CNS的積累包括纖維蛋白、凝血酶、血紅蛋白、含鐵血黃素、游離鐵和纖溶酶等，通過直接接觸神經元產生毒性或氧化應激，引起進行性神經元變性從而造成神經元的損傷[13]。

2.3 穩定新生血管 在血管生成的早期階段即胚胎時期血管生成階段，周細胞發揮重要作用。在血管生成階段，內皮源性PDGFR-β和周細胞表達的受體PDGFR結合，介導周細胞增殖和遷移，黏附在血管腔上，周細胞進一步調節內皮細胞數量并促進生成穩定、成熟的血管網[16]。在PDGFR-β突變的轉基因小鼠模型中周細胞缺失，胚胎時期可以出現血管發芽，但是形成的血管管腔粗細不均，局灶性或彌漫性管腔擴張，常出現易于破裂的微動脈瘤，這表明周細胞對調節血管穩定性至關重要[17-18]。周細胞還涉及參與神經發生中血管生成信號分子的調節。周細胞分泌促血管生成細胞因子即血管內皮細胞生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF），VEGF反過來促進周細胞增殖[19]。

2.4 多能干細胞功能 周細胞被認為作為多能干細胞具有巨大的再生潛能。從不同組織分離的周細胞，在體外培養后可以分化成多種細胞類型，如樹突狀細胞、星形膠質細胞、少突膠質細胞、成骨細胞、成軟骨細胞、脂肪細胞、平滑肌細胞和內皮細胞等[20-21]。在體內，內源性周細胞被認為是存在于組織的祖細胞，可以通過分化替換損傷細胞（不同類型的細胞），有助于組織修復和再生，并且可以進一步促進組織愈合。有研究者將周細胞注入急性心肌梗死老鼠的心臟，周細胞的再生能力增強了心臟的修復[22]。將成人CNS的周細胞分離并進行體外培養，通過多重免疫細胞化學標記培養的細胞群。這些細胞表達出周細胞、神經元、神經膠質細胞等特征性標志物，許多細胞雙重表達不同細胞類型的特征性標志物，將這些細胞繼續培養，可分化出神經譜系中的多種細胞類型，說明成人CNS周細胞具有神經干細胞功能[19，23]。Nuno Guimar?es-Camboa等[20]通過研究認為心臟、腦、骨骼肌和脂肪組織的內源性成熟的周細胞不表現出多能干細胞的功能，其認為體外培養或體內移植后周細胞表現出多能干細胞的功能，可能與人工細胞培養環境有關。內源性周細胞如何表現出多能干細胞的功能，仍需進一步研究。

3 周細胞與CNS疾病

3.1 卒中 缺血性卒中，可通過多個途徑引起周細胞的收縮和死亡，如缺血性腦組織釋放三磷腺苷和血栓素A2能有效地引起周細胞的收縮，活性氧可引起肌動蛋白運動而引起周細胞收縮[24]。周細胞收縮引起毛細血管收縮，隨后周細胞死亡[15，25]。即使血管上游的致病血栓祛除，堵塞的動脈重新開放，由于周細胞死亡造成毛細血管的收縮長期持續，毛細血管再灌注受到限制，這是缺血性卒中后無復流現象的原因。此外，周細胞的死亡有可能導致BBB的破壞[2，6]。有觀點認為，在缺血性卒中的不同階段，周細胞發揮不同的作用：①超急性期，周細胞收縮和死亡可能是腦毛細血管中無復流現象的原因。②急性期，周細胞從毛細血管分離并參與炎癥免疫反應，導致BBB損傷和腦水腫。周細胞同時可以通過保護內皮細胞和釋放神經營養因子，達到穩定BBB和神經保護的作用。③恢復期，周細胞有助于血管生成和神經發生，從而促進損傷恢復[26]。缺血性卒中后預防周細胞死亡成為重要的治療策略，周細胞成為缺血性卒中的潛在治療靶點[6，27]。

在出血性卒中，周細胞可在不同階段發揮不同的作用：①出血前，功能障礙和形態異常的周細胞可導致動脈瘤形成、血管脆性增加、血流動力學紊亂，最終導致脈管系統破裂[28]；在PDGFR-β突變的轉基因小鼠模型中周細胞缺失，毛細血管具有出血傾向[15]。②出血急性期，復雜的出血微環境導致周細胞死亡，進一步造成BBB破壞，周細胞可以介導炎癥級聯反應、白質損傷，并最終加重神經損傷。③出血恢復期，被激活的周細胞可以分化成神經元、神經膠質細胞、內皮細胞以修復神經血管網。周細胞可以吞噬紅細胞，使腦實質免受毛細血管外漏的紅細胞造成的繼發性損傷。此外，許多周細胞聚集到損傷處有助于BBB的重塑，從而促進卒中后的神經血管功能恢復[15，28]。有觀點認為，周細胞具有促凝和抗凝雙重功能，周細胞在出血性卒中具有協調止血和血栓形成的作用。其中，周細胞表達具有功能的活性組織因子，其激活凝血級聯反應，負調節纖維蛋白溶解，達到促血栓形成作用，該作用有助于調節和降低顱內微出血的風險[15]。由于周細胞出血性卒中病理生理學中的多重功能，周細胞有可能成為出血性卒中的治療靶點。

3.2 糖尿病視網膜病變 周細胞嵌入視網膜毛細血管的基膜，并與糖尿病視網膜病變有關。視網膜毛細血管較其他組織更依賴周細胞，周細胞是維持視網膜毛細血管穩定性和血視網膜屏障的關鍵[2，29]。周細胞對高血糖的代謝環境高度敏感，在糖尿病視網膜病變早期發生周細胞凋亡[30]，并且證據表明周細胞的凋亡可能導致毛細血管的穩定性受損，有可能出現微動脈瘤造成微出血和毛細血管灌注損傷等，使視網膜毛細血管逐漸閉塞和血視網膜屏障破壞。最近，糖尿病視網膜中周細胞的凋亡被認為是糖尿病視網膜病變的標志[31-32]，周細胞可能成為糖尿病視網膜病變的治療靶點。

3.3 阿爾茨海默病 AD患者大腦組織病理標本具有小血管病的血管變化證據，包括周細胞損傷、變性和萎縮，內皮細胞損傷，平滑肌細胞變性，基底膜增厚，緊密連接和黏附連接蛋白減少，毛細血管密度降低等。有研究認為周細胞與AD中的血管功能障礙、β淀粉樣蛋白（amyloid-β protein，Aβ）神經變性、tau病理變化、神經元丟失等密切相關[33-34]。對AD患者大腦的尸檢結果顯示，退化的周細胞內檢測到淀粉樣沉積物，認為在AD中周細胞功能障礙導致腦灌注不足和Aβ清除損傷，揭示出該疾病的一個新的時間變化順序，先由周細胞引起的微循環的功能障礙繼而引起神經元變性[2]。在AD中，周細胞功能障礙引起BBB損傷，使血液來源的蛋白質（如免疫球蛋白、白蛋白、纖維蛋白原和凝血酶）在海馬和皮層中積累，進一步引起損傷[14]。在AD中，周細胞可能成為潛在的治療目標。

3.4 CADASIL CADASIL是一種遺傳性小動脈疾病，表現為腦血管功能障礙和進行性癡呆。此病由Notch3基因突變引起，導致小動脈和微小動脈平滑肌細胞退化和功能喪失，平滑肌細胞表面可見嗜鋨顆粒（granular osmiophilic material，GOM）。周細胞也表達Notch3基因[35]，在CADASIL中，周細胞表面可見GOM，導致周細胞數目及周細胞覆蓋在毛細血管的突起顯著減少，這些變化與星形膠質細胞終足自毛細血管分離、血漿蛋白泄漏、內皮粘連蛋白表達減少、毛細血管對二氧化碳反應性下降相關[36-37]。周細胞損傷同時引起毛細血管通透性增加和功能障礙，導致腦白質損傷。周細胞調節毛細血管收縮性，其損傷導致血管舒縮反應異常，該異常出現在CADASIL血管壁組織病理變化之前[38]。因此，保護周細胞可能代表一種新的CADASIL的治療策略。

Robert A Hill等[39]認為顱內毛細血管中的周細胞完全缺乏α-SMA的表達，小動脈末端的毛細血管段具有圓環帶狀突起的壁細胞為典型的平滑肌細胞。不能僅從位置和大小鑒定毛細血管的所有壁細胞，因為這些壁細胞均表達生長因子受體PDGFR-β和NG2-CSGP。識別壁細胞的可靠手段是通過α-SMA表達和突起的形態區別，具有圓環帶狀突起且表達α-SMA的壁細胞為平滑肌細胞，突起為細長狀且不表達α-SMA為周細胞，最后其認為具有收縮作用調節CBF及病理情況下對微循環起主要作用的為平滑肌細胞而不是周細胞[39]。該觀點與之前的文獻觀點不同之處主要是對周細胞和平滑肌細胞的定義不同，但他們所指的具有收縮性的細胞均為小動脈末端的毛細血管段呈圓環帶狀突起的細胞，該細胞具有收縮性對CBF及病理情況下的微循環起主要作用。對于周細胞與平滑肌細胞的定義不同，造成了不同的結論，對該細胞的定義仍需進一步的研究。

綜上所述，周細胞具有多種功能，與CNS疾病密切相關。進一步深入研究周細胞的分布、功能，有可能為CNS相關疾病提供新的治療靶點。

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