中樞神經(jīng)系統(tǒng)中星形膠質(zhì)細(xì)胞與神經(jīng)元損傷修復(fù)的研究進(jìn)展

（湖北省當(dāng)陽市中醫(yī)院，湖北 當(dāng)陽，444100）

1 前言

哺乳動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能極為復(fù)雜，中樞神經(jīng)系統(tǒng)中主要由神經(jīng)元、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞等組成，由于其細(xì)胞的多樣性導(dǎo)致了中樞神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能復(fù)雜。

神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞在1856年由德國科學(xué)家Rudolph Virchow首次提出，并命名為“neuroglia”，認(rèn)為該細(xì)胞能與成熟的神經(jīng)元發(fā)生聯(lián)系、為其提供某些營養(yǎng)物質(zhì)[1]，早期的組織學(xué)研究表明,將嚙齒類動物大腦置于營養(yǎng)豐富的環(huán)境中，膠質(zhì)細(xì)胞與神經(jīng)元的比率將會提高,由此證明了神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞在調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能占有重要作用[2]。神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞是一大類細(xì)胞，根據(jù)其形態(tài)、功能等又分為小神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞、大腦和脊髓中的巨噬細(xì)胞、雪旺細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞，雪旺細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞分別構(gòu)成周圍神經(jīng)系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元的髓鞘；NG2-glia，一種典型的膠質(zhì)細(xì)胞，可直接與突觸發(fā)生聯(lián)系；星形膠質(zhì)細(xì)胞，目前認(rèn)為是維持中樞神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能穩(wěn)定的主導(dǎo)者。

在上世紀(jì)中，最早的中樞神經(jīng)研究利用經(jīng)典的組織學(xué)染色方法從形態(tài)學(xué)中將神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)行分類。直到1950年代早期，膜片鉗技術(shù)出現(xiàn)，揭示神經(jīng)元細(xì)胞膜的電流電壓特性[3]。在1980年代，利用膜片鉗技術(shù)研究電生理，星形膠質(zhì)細(xì)胞又重新獲得關(guān)注鉗技術(shù)記錄[4]顯示了培養(yǎng)的星形膠質(zhì)細(xì)胞上電壓依耐性和配體依賴性離子通道的電生理特性[5]。分子生物學(xué)研究進(jìn)一步證實(shí)在培養(yǎng)的星形膠質(zhì)細(xì)胞中存在著大量神經(jīng)遞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)所需的離子型受體與代謝型受體[6]。隨后的研究改變了星形膠質(zhì)細(xì)胞對中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能的傳統(tǒng)認(rèn)識，發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細(xì)胞可感受神經(jīng)活動，并可以被神經(jīng)遞質(zhì)激活。基于細(xì)胞內(nèi)的鈣離子濃度的變化，應(yīng)用胞內(nèi)Ca2+成像技術(shù)證明了星形膠質(zhì)細(xì)胞具有一種奇特的興奮性。一系列研究表明，星形膠質(zhì)細(xì)胞可以對神經(jīng)元輸入的各種信號，如化學(xué)遞質(zhì)(也稱為gliotransmitters)、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)等產(chǎn)生反應(yīng)[7]。這表明，星形膠質(zhì)細(xì)胞能與神經(jīng)元在多種途徑上產(chǎn)生聯(lián)系，并影響著其形態(tài)功能。因此，星形膠質(zhì)細(xì)胞成為全面研究中樞神經(jīng)系統(tǒng)健康和疾病不可忽略的一個(gè)對象。本文描述了目前對星形膠質(zhì)細(xì)胞正常的生理功能的理解,討論了如何從生理差異方向探討中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷和疾病[8]。本文主要綜述了星形膠質(zhì)細(xì)胞在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的生理特性、功能[9]以及其與神經(jīng)損傷修復(fù)的相關(guān)性。

2 星形膠質(zhì)細(xì)胞生理特性

研究證據(jù)表明，星形膠質(zhì)細(xì)胞在維持中樞神經(jīng)系統(tǒng)生理功能方面占重要作用，參與了神經(jīng)系統(tǒng)的維護(hù)和功能。星形膠質(zhì)細(xì)胞能為神經(jīng)元提供能量代謝產(chǎn)物[10]；調(diào)節(jié)血流量和血腦屏障[11]；控制細(xì)胞外離子、神經(jīng)遞質(zhì)和液體的水平[12]；參與調(diào)節(jié)突觸活動[7][13]。本節(jié)重點(diǎn)綜述了星形膠質(zhì)細(xì)胞的異質(zhì)性、解剖學(xué)特點(diǎn)、細(xì)胞間聯(lián)系方式、鈣興奮性。

隨著人們對星形膠質(zhì)細(xì)胞認(rèn)識地加深，發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細(xì)胞是一大類膠質(zhì)細(xì)胞，含有多種異質(zhì)群體，其細(xì)胞群發(fā)育、分子功能都不同，這種情況稱之為星形膠質(zhì)細(xì)胞的異質(zhì)性[14]。早期利用電子顯微鏡，根據(jù)細(xì)胞存在灰質(zhì)和白質(zhì)中將星形膠質(zhì)細(xì)胞分為成纖維星形膠質(zhì)細(xì)胞（brous astrocytes）和原生星形膠質(zhì)細(xì)胞（protoplasmic astrocytes）[15]。隨后研究發(fā)現(xiàn)這兩類星形膠質(zhì)細(xì)胞亞型不僅僅是在其分布不同，其形態(tài)與分子結(jié)構(gòu)功能也不一樣[16]。纖維星形膠質(zhì)細(xì)胞表面光滑，常與軸突平行分布。纖維星形膠質(zhì)細(xì)胞比原生星形膠質(zhì)細(xì)胞長，并可與鄰近軸突發(fā)生聯(lián)系[16]。原生星形膠質(zhì)細(xì)胞存在諸多不同特性。他們可從胞體處形成一些精細(xì)而復(fù)雜的分支，這種分支占細(xì)胞質(zhì)體積的50-60%、占細(xì)胞表面積的80%左右[17]。免疫組織化學(xué)發(fā)現(xiàn)，纖維星形膠質(zhì)細(xì)胞和原生星形膠質(zhì)細(xì)胞中中間絲狀體神經(jīng)膠質(zhì)酸性蛋白 (glial brillary acidic protein，GFAP)的表達(dá)有差別。GFAP在纖維性星形膠質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)較高，而原生星形膠質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)較低[18]。

星形膠質(zhì)細(xì)胞異質(zhì)性的另一個(gè)方面是基因表達(dá)模式。RNA原位雜交研究發(fā)現(xiàn)中樞神經(jīng)系統(tǒng)中星形膠質(zhì)細(xì)胞基因表達(dá)譜在每個(gè)部位是不同的[19]。多項(xiàng)研究使用不同方法證實(shí)了神經(jīng)遞質(zhì)受體[20]、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[21]、鉀離子通道(Kir4.1)[22]、縫隙連接蛋白聯(lián)接蛋白(Cx)43和30基因的表達(dá)的多樣性[23]。

諸多研究證實(shí)星形膠質(zhì)細(xì)胞對其周圍環(huán)境比較敏感，尤其是對神經(jīng)元。星形膠質(zhì)細(xì)胞不產(chǎn)生一系列特定的功能受體,但其具體受體的表達(dá)取決于細(xì)胞所處的環(huán)境。這意味著星形膠質(zhì)細(xì)胞可以通過調(diào)整受體類型表達(dá)式來檢測同一解剖區(qū)域的神經(jīng)元神經(jīng)遞質(zhì)釋放情況。最近研究顯示不大腦不同區(qū)域，突觸活動也可以控制星形膠質(zhì)細(xì)胞的受體表達(dá)，影響膠質(zhì)遞質(zhì)表面吸收動力學(xué)[24]。此外，在不同的大腦區(qū)域，結(jié)構(gòu)發(fā)生變化和鄰近神經(jīng)元的活動對星形膠質(zhì)細(xì)胞的形態(tài)學(xué)產(chǎn)生重要印象。例如，在大鼠下丘腦視上核（hypothalamic supraoptic nucleus，SON)，含能分泌催產(chǎn)素(oxytocin，OT)和垂體后葉加壓素（vasopressin）神經(jīng)元，90%的神經(jīng)元被星形膠質(zhì)細(xì)胞覆蓋。然而，在神經(jīng)元開始分泌時(shí)，該部位的星形膠質(zhì)細(xì)胞減少到70%時(shí)神經(jīng)元開始停止分泌。在相同的生理?xiàng)l件下，星形膠質(zhì)細(xì)胞覆蓋的催產(chǎn)素神經(jīng)元突觸也顯著降低，這都說明星形膠質(zhì)細(xì)胞通過某種方式影響著神經(jīng)元的功能。此外，在其他大腦區(qū)域，如海馬和皮層也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象。在海馬中發(fā)現(xiàn)，突觸的活化可通過突觸前膜的星形膠質(zhì)細(xì)胞中的代謝型谷氨酸受體（metabotropic glutamate receptors，mGluRs）和鈣通道調(diào)節(jié)突觸可塑型[25]。如此，該活動又刺激了星形膠質(zhì)細(xì)胞反應(yīng)[25]，從而對其周圍的興奮性神經(jīng)元的激活及其突觸可塑性產(chǎn)生影響[26]。在皮層，刺激感覺性神經(jīng)元可使興奮性神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞的形態(tài)學(xué)發(fā)生改變[27]。

研究發(fā)現(xiàn)在海馬CA1區(qū)的星形膠質(zhì)細(xì)胞具有被動電生理特性。用不同研究發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細(xì)胞生具有不同的電生理特點(diǎn)，星形膠質(zhì)細(xì)胞上表達(dá)的離子通道結(jié)構(gòu)的差異性導(dǎo)致了這種現(xiàn)象。例如，K+通道中的Kir4.1大量表達(dá)在脊髓腹側(cè)角的星形膠質(zhì)細(xì)胞中，而背側(cè)角的表達(dá)量較少。這暗示了鉀離子緩沖速率在兩個(gè)脊柱區(qū)具有顯著差別。研究中樞神經(jīng)系統(tǒng)中不同部位的星形膠質(zhì)細(xì)胞的鈣信號通路，發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細(xì)胞Ca2+信號的性質(zhì)和Ca2+依賴的信號通路在中樞神經(jīng)系統(tǒng)不同區(qū)域也有不同特點(diǎn)。星形膠質(zhì)細(xì)胞上活化的IP3-G蛋白耦合(GPCRs)受體可以動員Ca2+從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放入胞質(zhì)。因此,海馬星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)Ca2+上升可使谷氨酸、腎上腺素、毒蕈堿、內(nèi)皮素等物質(zhì)活化。在小腦，星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)Ca2+增加可激活谷氨酸能和腎上腺素能受體。

星形膠質(zhì)細(xì)胞在細(xì)胞形態(tài)、功能、電生理等方面都存在著異質(zhì)性，而且這些差異常常與細(xì)胞所處的位置有關(guān)，澄清這些問題可能是重要的是有助于對這些細(xì)胞進(jìn)行分類和發(fā)展他們的角色和功能的神經(jīng)系統(tǒng)。

3 星形膠質(zhì)細(xì)胞與神經(jīng)損傷的關(guān)系

許多研究表明，星形膠質(zhì)細(xì)胞參與各種中樞神經(jīng)系統(tǒng)的變化以應(yīng)對不同類型的損傷或疾病。這些病理反應(yīng)的主要形式是激活星形膠質(zhì)細(xì)胞。在活化的星形膠質(zhì)細(xì)胞中，其典型特征包括肥大、增生、胞質(zhì)內(nèi)蛋白積累，特別是GFAP。

星形膠質(zhì)細(xì)胞的活化是一個(gè)復(fù)雜而短暫的動態(tài)過程，其發(fā)展方式取決于中樞神經(jīng)系統(tǒng)和周圍神經(jīng)系統(tǒng)損傷的嚴(yán)重程度、性質(zhì)、病理變化等[28]。早期認(rèn)為神經(jīng)膠質(zhì)過多癥最初描述為神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞選擇性地出現(xiàn)在損傷的神經(jīng)元周圍，通常表現(xiàn)為神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞呈縱向流動、逐漸建立神經(jīng)元原始自然結(jié)構(gòu)組織。反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞常位于病變遠(yuǎn)端，逆向移動，促使神經(jīng)元恢復(fù)。神經(jīng)膠質(zhì)增生常出現(xiàn)在伴隨嚴(yán)重的組織損傷和與血腦屏障破壞有關(guān)的情況，如創(chuàng)傷性損傷。這種類型的反應(yīng)星形膠質(zhì)細(xì)胞常位于損傷部位近端，反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞重組最終導(dǎo)致永久性神經(jīng)膠質(zhì)疤痕的形成。目前認(rèn)為這種分類具有一定的局限性，現(xiàn)已有研究表明，急性和損傷均能引發(fā)疤痕組織形成、重新排列，慢性疾病可以引起緩慢改變的組織變化[28]。

利用顱腦成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)在大腦損傷處出現(xiàn)活化的原生星形膠質(zhì)細(xì)胞層[29]，在刀刺損傷時(shí)，活化的星形膠質(zhì)細(xì)胞中免疫蛋白GLT-1/EAAT2 S100b、GFAP獲得性增生性[29]。在其他急性損傷中,如局灶腦缺血,星形膠質(zhì)細(xì)胞在損傷地區(qū)表現(xiàn)出了相似的反應(yīng)[30]。這說明在急性中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷中，灰質(zhì)中成熟的星形膠質(zhì)細(xì)胞能激活星形膠質(zhì)細(xì)胞。

星形膠質(zhì)細(xì)胞的形態(tài)學(xué)變可能影響神經(jīng)元的活動，例如，在下丘腦，星形膠質(zhì)細(xì)胞生理降低突觸的覆蓋程度，最終能降低突觸在泌乳功效。活性的星形膠質(zhì)細(xì)胞激活后，可通過胞內(nèi)Ca2+信號途徑和膠質(zhì)遞質(zhì)信號影響神經(jīng)元與血管的聯(lián)系[31]。活化的星形膠質(zhì)細(xì)胞通常被認(rèn)為是神經(jīng)炎癥反應(yīng)的跡象，即發(fā)生在大腦實(shí)質(zhì)的“非典型”炎癥過程，發(fā)生在大腦實(shí)質(zhì)，不涉及外周免疫系統(tǒng)，除了T細(xì)胞從血液里滲透進(jìn)入腦實(shí)質(zhì)。事實(shí)上，星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞，是先天免疫系統(tǒng)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的關(guān)鍵炎癥感受器。通常認(rèn)為，研究引起的病理?xiàng)l件下,如微生物感染、傷害或變性。事實(shí)上，星形膠質(zhì)細(xì)胞反應(yīng)微生物感染通過識別守恒的主題表達(dá)的各種病原體，包括細(xì)菌真菌、原生動物以及病毒。此外，在受傷或疾病,星形膠質(zhì)細(xì)胞可以感覺到內(nèi)生發(fā)布的“危險(xiǎn)信號”，通常提醒免疫系統(tǒng)受損的細(xì)胞[32]。星形膠質(zhì)細(xì)胞長能識別特殊的蛋白標(biāo)志物，如各種toll樣受體(TLR)家族的成員。TLR激活星形膠質(zhì)細(xì)胞可快速啟動免疫反應(yīng)，促進(jìn)多種介質(zhì)分泌，特別是細(xì)胞因子和趨化因子。研究發(fā)現(xiàn)在體外和腦組織中有記憶能力的星形膠質(zhì)細(xì)胞能產(chǎn)生細(xì)胞因子IL-IL-6、IL-10、干擾素腫瘤壞死；趨化因子。這些介質(zhì)能激活鄰近的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞從而促進(jìn)免疫細(xì)胞血液循環(huán)，從而放大了損傷部位在中樞神經(jīng)系統(tǒng)免疫反應(yīng)。

肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥（Amyotrophic Lateral Sclerosis，ALS）是一種慢性神經(jīng)退行性疾病，其特點(diǎn)是進(jìn)行性皮質(zhì)脊髓運(yùn)動神經(jīng)元的損失。可有多種臨床表現(xiàn)，早期癥狀與脊髓(束狀、震顫、肌無力)或球(吞咽困難,構(gòu)音障礙)運(yùn)動神經(jīng)元損傷相關(guān)。雖然認(rèn)知功能受損情況較少見，但約有15%的患者出現(xiàn)額顳葉癡呆，出現(xiàn)行為、語言異。隨著疾病的發(fā)展，病情發(fā)展快速，常導(dǎo)致病人在3-5年內(nèi)死亡。ALS約5-10%的實(shí)例都與各基因突變有關(guān)，包括超氧化物歧化酶1(SOD1),TAR DNA binding protein 43(TARDBP)[33]等。從神經(jīng)病理的角度來看，SOD1突變轉(zhuǎn)基因小鼠的臨床表現(xiàn)相關(guān)的脊髓運(yùn)動神經(jīng)元的變性，伴隨著大規(guī)模的反應(yīng)性膠質(zhì)增生。此外，在這些模型中，存在SOD1夾雜物已被證明在運(yùn)動神經(jīng)元以及各種神經(jīng)膠質(zhì)的亞種。利用嵌合體小鼠表明膠質(zhì)細(xì)胞可能與運(yùn)動神經(jīng)元變性和疾病進(jìn)展提供了研究嵌合體小鼠，認(rèn)為運(yùn)動神經(jīng)元變性是一個(gè)非細(xì)胞自身調(diào)節(jié)的過程,涉及到鄰近的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，尤其是小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞。這說明星形膠質(zhì)細(xì)胞參與ALS的病理改變。

4 小結(jié)

星形膠質(zhì)細(xì)胞為中樞神經(jīng)系統(tǒng)的重要組成之一，其結(jié)構(gòu)功能具有異質(zhì)性，具有鉀離子通道，其維持中樞神經(jīng)系統(tǒng)正常結(jié)構(gòu)與功能可通過多種途徑來完成，如為神經(jīng)元提供營養(yǎng)物質(zhì)，與神經(jīng)元形成縫隙連接、通過膠質(zhì)遞質(zhì)來完成與神經(jīng)元的聯(lián)系，通過細(xì)胞內(nèi)鈣信號途徑參與神經(jīng)炎癥反應(yīng)、釋放炎癥因子、擴(kuò)大炎癥反應(yīng)，參與神經(jīng)變性疾病的發(fā)生發(fā)展。充分認(rèn)識星形膠質(zhì)細(xì)胞的生理功能，了解其病理反應(yīng)，能使我們對中樞神經(jīng)系統(tǒng)認(rèn)識更為明了，對疾病診治具有更為重要的意義。