星形膠質細胞在腦缺血誘導的炎癥反應中的作用及其機制①

韓光遠 宋麗娟 丁智斌 安 俊 柴 智 王 青 黃建軍 馬存根

（山西中醫藥大學神經生物學研究中心，國家中醫藥管理局多發性硬化益氣活血重點研究室，晉中 030619）

腦血管疾病具有高發病率、高致殘率和高病死率等特點，已成為目前導致人類死亡的第二大原因，其中缺血性腦血管病約占70%［1］。研究表明，炎癥反應在腦缺血損傷中發揮重要作用，卒中后急性期炎癥反應可引發腦水腫，擠壓缺血灶周圍正常腦組織，繼而加重腦損傷。相反，卒中后恢復期炎癥反應對組織修復又有重要保護作用［2］。缺血后炎癥反應是一個復雜的動態過程，涉及多種炎癥細胞和炎癥因子［2］。除小膠質細胞（microglia，MG）、白細胞外，近年研究發現星形膠質細胞（astrocyte，Ast）也參與腦缺血后炎癥反應。事實上，Ast 在其他神經損傷中的角色也越來越被重視［3］。

Ast 是中樞神經系統（central nervous system，CNS）中分布最廣、數量最多的細胞，是神經元細胞數的5倍，占腦內膠質細胞數的50%，是構成神經血管單元（neurovascular unit，NVU）的重要細胞，在生理及病理狀態下對神經元保護和大腦結構與功能的維持均發揮重要調節作用［4-5］。腦缺血早期，Ast被激活，通過攝取興奮性氨基酸、釋放抗炎因子、清除氧自由基等作用維持細胞內環境穩態，從而保護神經元。但缺血嚴重時，Ast 不僅無法保護神經元，還會釋放促炎因子，加重腦缺血性損傷程度，促進缺血性炎癥反應。研究顯示，腦缺血炎癥反應中，Ast 的作用不是孤立的，與MG 的交互作用具有重要意義［6］。因此，探尋腦缺血炎癥反應中Ast發揮雙重作用的機制，可能對腦缺血疾病防治具有重要意義。臨床實踐中，如果能有效調節Ast 在缺血性腦血管疾病中的作用，尤其是對炎癥反應的作用，可能成為腦缺血性損傷的潛在治療靶點。

1 腦缺血后Ast激活

腦缺血可誘導產生A1 型和A2 型2 種不同反應性Ast（reactive astrocytes，RAs）。腦缺血發生后，MG首先被激活，活化的MG 釋放TNF-α、IL-β 和C1q，進而激活靜息狀態的 Ast 使之成為 A1 型 Ast［7］。A1 型Ast 不僅喪失了吞噬突觸和髓鞘碎片的功能，還可釋放神經毒性物質，表明A1 可能是“有害”的［8］。相反，缺血誘導的A2 型Ast 上調多種神經營養因子表達，促進神經元存活和生長，促進突觸修復，表明A2型可能具有“保護”作用［9］。Ast 被激活，RAs 增殖并發生形態改變，包括胞體腫脹肥大、突起延長增多等［10］。RAs的一個眾所周知的特征是膠原纖維酸性蛋白（glial fibrillary acidic protein，GFAP）等表達增加［11］。RAs 產生大量炎癥介質和細胞毒性分子，參與腦缺血后炎癥反應。隨著時間增加，RAs 大量聚集于損傷區域形成膠質瘢痕，隔離缺血中心區與周圍正常組織，起神經保護作用。Ast激活成為RAs后主要有下列標志蛋白。

1.1 GFAP GFAP 參與細胞骨架構成，是一種僅見于Ast 的Ⅲ型中間絲狀蛋白，是成熟Ast 和RAs 的特征性標志物［12］。腦缺血后，Ast 被激活，其形態發生改變，GFAP 含量也隨之增加，且表達水平與Ast激活程度密切相關［13］。RAs有較強的清除興奮性神經遞質谷氨酸、H+、K+的能力，對神經元損傷修復起重要作用［14］。

1.2 表皮生長因子受體（epidermal growth factor receptor，EGFR） 研究發現，在顱腦損傷、腦卒中等CNS 損傷患者腦組織中，EGFR 表達顯著增加，且多數在 RAs 中［15］。沉默 EGFR 基因可有效抑制 Ast 活化，可能與阻礙STAT3 磷酸化有關。因此EGFR 有望成為抑制Ast活化的潛在靶點［16］。

1.3 巢蛋白（Nestin） Nestin 是RAs 中間絲的動態成分，屬于第Ⅵ類中間絲蛋白，是反映Ast 激活的敏感指標［17］。研究報道，CNS 損傷時，Ast 呈強烈的Nestin陽性反應［18］。相較于正常腦組織，Nestin陽性的Ast 在形態和數量方面均有較大改變。Nestin 陽性細胞在受損區周邊密集排列，胞體肥大呈星形，突觸粗長，交織成網，進而可減少受損區進一步擴大，有助于損傷修復。

1.4 波形蛋白（vimentin） vimentin 是一種重要的Ⅲ型中間絲蛋白，是構成細胞骨架的成分之一。正常時多存在于胚胎期和出生后2周的Ast中，隨后逐漸被GFAP 表達所取代。成熟的正常Ast 一般不表達vimentin。但研究顯示，腦缺血后第3天就開始在缺血周圍區表達vimentin 陽性細胞，且表達逐漸增多，直至第7 天，導致細胞胞漿膠質絲增生，胞體肥大［19］。大鼠大腦中動脈閉塞（middle cerebral artery occlusion，MCAO）模型研究發現，vimentin 在腦缺血區表達主要發生于急性期（腦缺血后1 h～3 d），而其在缺血周圍區表達于缺血后1 h～7 d逐漸增加，表達量在第7天達到高峰［20］。

2 Ast在腦缺血炎癥反應中的雙重作用

腦缺血后，RAs 一邊通過攝取興奮性神經遞質谷氨酸、抗氧化、釋放神經營養因子及產生抗炎細胞因子和形成膠質瘢痕等發揮保護作用，另一方面通過主動釋放谷氨酸、釋放促炎因子和形成膠質限制等進一步損傷腦組織［21］。Ast 在腦缺血炎癥反應中的雙重作用主要包括以下方面。

2.1 保護作用

2.1.1 產生抑炎細胞因子 Ast 在腦缺血誘導的炎癥反應不同時期起不同作用。炎癥反應初期，Ast作為抗原遞呈細胞參與炎癥反應，分泌促炎抗原遞呈細胞因子防止組織損傷。而在炎癥高峰期，Ast作為調控細胞，又可分泌抑炎細胞因子，如TGF-β、IL-10 等抑制炎癥反應，通過清除細胞碎片、重塑腦組織等保護腦組織［22］。

2.1.2 腦缺血亞急性期Ast 形成膠質瘢痕對神經元的保護作用 研究發現，Ast 在缺血刺激數小時后被激活，由靜息態變為活化態，數目增多、胞體變大，并向損傷區遷移，3～5 d 后在損傷區周圍數量明顯增加，而在缺血中心區并未增加［23］。隨著時間推移，損傷區域內Ast 大量集聚，細胞間交互疊加和覆蓋于缺血7 d 后即可在缺血中心區周圍形成膠質瘢痕［24-25］。研究發現，膠質瘢痕一方面能夠維持體內免疫炎癥反應平衡，另一方面可以限制炎癥細胞向周圍組織擴散［26］。如果消除或減弱 RAs 或限制RAs遷移，可加劇炎癥細胞擴散，導致炎癥細胞大量浸潤，從而加重損傷［27-28］。

2.2 損傷作用

2.2.1 產生促炎細胞因子 腦缺血誘導Ast 產生大量炎癥因子，包括TNF-α、IL-1 等，參與腦缺氧后炎癥反應發生發展。IL-1在腦缺血發生后缺血區表達上調，其中IL-1β 表達最高。IL-1β 是參與炎癥反應的關鍵因子，可激活MG 和Ast 并引起增殖，導致Ast 膠質化，是腦損傷的典型反應［29］。研究表明，給予MCAO 模型小鼠腦室注射IL-1β 可加重損傷，明顯增大梗死體積，加劇腦水腫程度，增多缺血區白細胞滲出，加重腦缺血炎癥反應，從另一個角度證明了 IL-1β 的作用［30］。TNF-α 是炎癥反應的主要致炎因子，可促進Ast增殖，加速Ast膠質化，同時可促進炎癥介質合成，加重腦缺血炎癥反應［31-32］。研究表明，TNF-α 可促進 Ast 中 IL 等炎癥因子 mRNA 轉錄及表達，產生協同致炎作用，進一步加重腦損傷［33］。最近研究發現，多種藥物可降低Ast 中炎癥因子表達，如紅景天苷可減少缺氧復氧Ast中TNF-α、IL-1β、IL-6釋放，表明紅景天苷在缺氧復氧Ast損傷中具有抗炎作用［34］。褪黑素可通過減少A1型Ast C3、Gbp2 和Serping1 表達抑制神經毒素誘導產生的炎癥反應［35］。

2.2.2 腦缺血恢復期Ast 形成膠質限制對神經再生的損傷作用 卒中后恢復期，炎癥反應在組織修復中發揮重要作用，此時Ast 對其有何作用需要闡明。研究表明，缺血14 d 時，成熟瘢痕組織損傷神經元與Ast連接［36-37］。同時，由膠質瘢痕分泌的硫酸軟骨素糖蛋白（chondroitin sulfate proteoglycan，CSPG）抑制神經元軸突生長，導致生長錐萎縮，嚴重阻礙神經元損傷后修復［38］。RAs與入侵的成纖維細胞共同作用在外圍Ast 表層形成連續的基底膜并重建膠質軟膜屏障，形成膠質限制［39］。具體而言，纖維瘢痕處于缺血中心區，膠質瘢痕位于纖維瘢痕外圍，共同形成物理屏障阻礙軸突再生，進而妨礙恢復期神經功能恢復。

總之，Ast 在腦缺血炎癥反應中同時有保護和損傷雙重作用。保護作用由產生抑炎因子和形成膠質瘢痕實現，損傷作用通過產生促炎因子及形成膠質限制實現。如何促進保護作用并抑制其損傷作用將是今后靶向Ast 治療腦缺血炎癥反應的重要方向。

3 Ast在腦缺血炎癥反應中的作用機制

Ast 可通過多種途徑影響受損腦組織。目前，Ast 在腦缺血炎癥反應中的作用機制相對復雜且尚未明確，其主要作用機制有以下通路參與。

3.1 p38MAPK 信號通路 絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信號通路，尤其是p38MAPK 途徑是調節炎癥反應最主要的信號通路之一。p38MAPK 在各種細胞外刺激如缺血、細胞因子、滲透壓變化等作用下被激活，繼而激活NF-κB、STAT 等多種轉錄因子，從而調節IL-6、TNF-α等炎癥細胞因子基因表達促進炎癥反應。相反，抑制p38MAPK 信號通路可抑制炎癥反應，提示該通路在CNS 炎癥病變中可能發揮重要作用。最新研究表明，p38MAPK激活是導致Ast損傷，進而形成膠質瘢痕的主要原因。糖氧剝奪6 h，Ast 發生腫脹變形、細胞活力下降、乳酸脫氫酶漏出率顯著增高，p38MAPK 表達明顯上調，而細胞p38MAPK 抑制劑SB203580 可明顯抑制糖氧剝奪所致的Ast 腫脹、活力下降和乳酸脫氫酶漏出率提高，證明p38MAPK通路可能是導致Ast損傷的重要機制之一［40］。

3.2 TLR4/NF-κB 信號通路 Toll 樣受體（TLR）是參與非特異性免疫的一類重要蛋白分子家族，是連接特異性免疫和非特異性免疫的橋梁，在免疫應答和炎癥反應中起重要作用。TLR4 是最早被發現的Toll 樣蛋白，在腦組織中主要表達于Ast、神經元及MG，腦缺血后首先被激活，是檢測心腦血管風險的標志物之一［41］。NF-κB 作為 TLR4 重要的下游信號核轉錄因子之一，在細胞內受多種物質如IL-2、IL-1β、TNF-α 等作用后活化，反過來增強這些細胞因子基因轉錄，使其表達增多，從而刺激炎癥信號級聯放大［42］。

3.3 Notch-1 信號通路 Notch 信號通路是鄰近細胞間經彼此聯系而調控細胞發育的重要通路。研究發現，Notch-1信號通路在缺氧后Ast中被激活，一方面可通過抑制血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）或 NF-κB/p65 信號通路調節Ast 增殖和激活，參與腦組織缺血炎癥反應［43］。另一方面可直接參與Ast 增殖，加重缺血半暗帶的炎癥細胞浸潤，加重腦缺血誘導的炎癥反應［44］。

3.4 HIF-1α 信號通路 多種轉錄因子具有氧依賴性，并在缺氧過程中激活轉錄因子基因表達，缺氧誘導因子-1（hypoxia-inducible factor-1，HIF-1）是其中最主要的一種，可激活一系列炎癥因子導致炎癥損傷。HIF-1由α和β 2個亞基構成，其中HIF-1α是唯一的氧調節元件，直接決定HIF-1 活性。與多種具有氧依賴性的轉錄因子一樣，缺氧后HIF-1α在胞質積聚并進入胞核與缺氧反應元件（hypoxia response element，HRE）結合，激活下游分子，其中VEGF 是其激活后的主要下游分子。VEGF 轉錄表達后，可作用于血管內皮細胞的特異性有絲分裂原，進而促進血管發生和增加血管通透性。研究表明，糖氧剝奪可誘發Ast 核內HIF-1α 生成和迅速累積。麥冬皂苷D 可通過調控HIF-1α-VEGF 信號通路，經旁分泌和自分泌形式促進缺氧損傷下Ast 存活和增生［45］。目前研究表明，在缺血和缺氧不同時間點，HIF-1α 對神經細胞具有保護和誘導凋亡雙重調節作用［46］。

3.5 STAT3信號通路 信號轉導及轉錄激活蛋白3（singal transducer and activator of transcription 3，STAT3）是JAK-STAT 家族成員，是經由多肽激活的下游主要信號通路，其作用主要體現在細胞信號交流和基因轉錄等方面［47］。研究表明，STAT3 可調控下游基因 HIF-1α 信號傳遞［48］。Ast 標志物 GFAP 是STAT3的調節靶標，STAT3是Ast增生的關鍵調節因子之一。紅景天苷可顯著改善腦缺血再灌注大鼠神經功能損傷，降低腦組織內神經細胞凋亡，該作用可能通過調控JAK2/STAT3信號通路活性實現［49］。

4 Ast與MG相互作用

MG 作為腦內常駐免疫細胞，是CNS 內的首道免疫防線。正常生理狀態下處于靜息狀態，經由突觸持續擺動監視腦內微環境變化，維持CNS 動態平衡［50］。病理條件下，MG 在數分鐘內即可迅速激活，由分支狀轉換為“阿米巴樣”。MG 對不同刺激可表現不同的激活形式，細胞表面出現不同表型，分為經典激活M1 型和替代激活M2 型。其中M1 型發揮促炎作用，M2型發揮抗炎作用［51］。

腦缺血后，Ast 和MG 均被激活，共同參與相關炎癥反應調控，兩者間作用機制復雜。腦缺血后MG 激活早于Ast，并促進Ast 活化，同時活化的Ast反過來作用于MG，也可促進遠距離MG 活化，或抑制 MG 過度激活［52］。MG 自身表達部分細胞因子受體，而Ast 在相同細胞因子刺激下也會表達部分細胞因子，促進MG 增生，所以MG 和Ast 通過細胞因子相互對話形成一種膠質細胞旁分泌的調節模式，可能通過TGF-β、IL-1、ATP等細胞因子相互調節［53］。

體外研究也證實，MG 經由旁分泌方式釋放TNF-α，誘導周圍Ast增生，且Ast培養基可顯著降低MG 對氧化應激的反應，其機制是Ast 培養基通過活化MG 內的轉錄因子Nrf2 促進抗氧化應激基因表達，進而減少氧化自由基產生。此調節途徑作為一種負反饋調節方式，抑制MG 產生過多氧自由基，進而減少對神經元的非特異性損傷［54］。NORDEN等［55］研究顯示，被激活的 MG 釋放 IL-10 作用于 Ast的 IL-10 受體，誘導 Ast 釋放 TGF-β，反過來抑制 MG激活，減輕神經炎癥反應。CNS炎癥反應時，尿嘧啶核苷酸向細胞外基質釋放，激活神經膠質細胞嘧啶受體，促進其反應性表型表達，如在共培養的MG 和Ast培養液中加入LPS和尿嘧啶核苷酸培養48h后，MG 激活出現 P2Y6 受體，促進 NO 釋放和 Ast 凋亡，從而控制Ast 增殖速度，阻止過度膠質化，說明MG、Ast 可能通過嘧啶受體通路影響神經慢性炎癥反應性膠質化［56］。韓宏等［52］通過激光共聚焦顯微鏡觀察MCAO 大鼠腦梗死后的“半暗區”，激活的MG 和增生肥大的Ast 伸出的突起相互交錯，關系密切。Ast 活化后不僅接受MG 突起，還發出突起延伸至MG 胞體，說明Ast 和MG 在應對外界和內環境刺激時是相互協同作用的，進而共同維護CNS 內環境穩態。

總之，Ast 和 MG 在 CNS 中互相作用，對腦缺血炎癥反應發生發展起重要作用（圖1）。激活的MG既可促進Ast活化，也可抑制Ast活化；同樣，活化的Ast 既可促進MG 激活，也可抑制MG 活性。如何調節兩者間平衡將為腦缺血炎癥反應治療提供新方向。

圖1 Ast與MG在腦缺血炎癥反應中的相互作用Fig.1 Interaction of Ast and MG in inflammation induced by cerebral ischemia

5 結語及展望

綜上所述，腦缺血后Ast 被激活，在其誘導的炎癥反應中起重要作用。一方面通過釋放抗炎因子及Ast 膠質化對腦組織起保護作用；另一方面通過釋放促炎介質損傷腦組織，具體作用機制與p38MAPK 信號通路、TLR4/NF-κB信號通路、Notch-1信號通路、HIF-1α 信號通路和STAT3 信號通路等密切相關。另外，Ast 與MG 相互作用也對腦缺血后炎癥反應有重要意義，進一步為Ast 經抗炎治療缺血性腦卒中提供了干預靶點，為臨床防治缺血性腦卒中提供了新思路。

目前，Ast 與腦缺血的具體時空關系尚不明確，尚有一系列問題亟待解決。Ast 在腦缺血后發揮保護或損傷作用的時間及潛在的統一機制尚未闡明。缺血性腦卒中后到底是減弱Ast 活性和功能，還是加強其活化及增殖，時機上如何掌控，也有待進一步研究。總之，由于腦缺血后炎癥反應中Ast 呈雙向特征，因此在缺血過程中如何設法促進其保護功能，抑制其不利影響，將是今后研究重點。