反應性星形膠質細胞在中樞神經系統疾病中的作用

王若儒，李媛媛，黃韋華，孫旭，黎佳思

(海軍軍醫大學第一附屬醫院 a.神經內科，b.輸血科，上海 200433)

星形膠質細胞是中樞神經系統(central nerve system，CNS)中最豐富的細胞之一[1]。研究發現，星形膠質細胞的功能是動態的，其可根據不同的時間點、觸發因素或反應途徑改變自身功能，從而產生截然不同的生物學效應；在CNS損傷刺激下，某些星形膠質細胞的基因表達會發生改變，因基因表達改變而失去原有功能或獲得其他功能的星形膠質細胞被稱為反應性星形膠質細胞(reactive astrocytes，RAS)[2]。在CNS損傷、感染性疾病、腫瘤、腦血管病、癲癇、神經退行性疾病以及炎性脫髓鞘疾病中，RAS表達均顯著上調并參與疾病的發生發展過程[3-5]。動物實驗表明，RAS至少存在兩個亞型，即由炎癥刺激(脂多糖)誘導的A1型RAS(經典表型)和由缺血(大腦中動脈閉塞)刺激誘導的A2型RAS(替代表型)；A1型RAS通過分泌細胞毒性物質誘導神經元和少突膠質細胞死亡，起到損傷作用；A2型RAS通過釋放神經營養因子和其他保護因子促進神經元存活，具有修復功能[2]。現就RAS在CNS疾病中的作用予以綜述。

1 RAS概述

20世紀70年代，人類首次從部分星形膠質細胞中發現膠質纖維酸性蛋白，并首次提出RAS[6]。人們普遍認為，RAS由星形膠質細胞受到刺激后增殖產生，其可在損傷組織周圍形成瘢痕組織，從而在CNS疾病急性期發揮保護作用，在慢性期發揮損害作用[7]。Zamanian等[8]通過分析純化小鼠RAS基因圖譜發現，不同刺激可誘導形成兩類具有不同功能的RAS。因此，將RAS定義為對不同類型損傷刺激產生具有高度異質性反應的星形膠質細胞[2]。抑制A1型RAS的產生可減少其細胞毒性作用、促進A2型RAS的產生，放大其保護性作用，已成為目前CNS疾病治療的新方向。

1.1RAS的功能 在CNS受到損傷刺激后，星形膠質細胞在分子以及細胞層面發生相應改變形成RAS，并非僅僅外形改變。RAS的功能隨著損傷種類和嚴重程度的不同而變化，RAS被激活的過程由細胞間和細胞內信號分子以及機體內環境共同誘導。

1.1.1RAS的保護作用 RAS的保護作用主要包括：①通過谷胱甘肽合成酶調節谷胱甘肽的產生，抑制神經元的氧化損傷[9]；②通過表達縫隙連接蛋白43等促進腺苷釋放，保護神經[10]；③降低氨離子的毒性作用[11]；④通過降解β淀粉樣蛋白保護神經[12]；⑤維護血腦屏障功能并促進血腦屏障修復[13]；⑥分泌轉化生長因子-β，促進神經元存活和軸突再生[14]；⑦抑制炎癥細胞或炎癥反應由損傷區域向健康CNS實質擴散[15]等。

1.1.2RAS的損傷作用 RAS的損傷作用主要包括：①通過產生白細胞介素(interleukin，IL)-1α、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、IL-6、誘導型一氧化氮合酶等炎癥因子加劇炎癥反應[2]；②產生血管內皮生長因子等細胞因子，損害血腦屏障功能[16]；③過度激活水通道蛋白4，引起細胞毒性水腫[17]；④影響興奮性氨基酸轉運蛋白1釋放潛在的興奮性毒性谷氨酸[18]；⑤通過CXC趨化因子配體12/CXC趨化因子受體4介導炎癥性疼痛[19]等。

1.2RAS的分型 研究發現，RAS在CNS疾病早期主要發揮保護作用，在疾病晚期主要發揮損傷作用[13]。但有研究顯示，RAS在急性炎癥早期具有損傷作用，而在帕金森病(Parkinson′s disease，PD)等慢性疾病中具有保護作用[20]。Han等[21]通過顱內注射提取自大腸埃希菌O55：B55的脂多糖誘導RAS產生。隨后，Zamanian等[8]通過閉塞成年雄性小鼠大腦中動脈誘導短暫缺血的方式誘導RAS產生。基因檢測顯示，A1型RAS與A2型RAS的基因表達差異明顯，在脂多糖誘導的RAS中有57個基因表達上調，但這些基因并未在大腦中動脈閉塞誘導的RAS中過表達；在大腦中動脈閉塞誘導的RAS中有150個基因表達上調，在脂多糖誘導的RAS中則未見這些基因過表達[1,8]。Liddelow等[3]參照巨噬細胞命名方法，將神經炎癥誘導的RAS命名為A1型(經典表型)，將缺血誘導的RAS命名為A2型(替代表型)，并根據其基因表達水平將C3d和S100A10分別作為A1型和A2型RAS的標志物。兩種RAS表型參與的具體信號通路見表1。

表1 RAS分子表達的變化

續表1

1.2.1A1型RAS A1型RAS的特點主要包括：①星形膠質細胞在活化為A1型RAS的過程中自身突觸減少，提示其促突觸功能可能喪失或已產生突觸毒性[2]；②A1型RAS可上調補體級聯基因的表達，同時還可分泌可溶性毒素或上調人脂質運載蛋白2、IL-1α、補體1q、TNF-α、γ干擾素、前列腺素D2等的表達[13,28]，提示其具有神經毒性；③A1型RAS清除髓鞘碎片的能力存在缺陷，影響體內突觸修剪的效率[22]。研究表明，在中樞神經損傷后，A1型RAS主要由IL-1α、TNF-α和補體1q誘導產生，且IL-1α、TNF-α和補體1q水平均與小膠質細胞的激活呈正相關；將IL-1α、TNF-α和補體1q的中和抗體聯合注射入視神經受擠壓小鼠的玻璃體，以抑制A1型RAS的形成，結果發現視網膜神經節細胞死亡顯著減少[3,15]。另有研究表明，核因子κB可激活A1型RAS并釋放補體C3[22]，從而進一步激活轉化生長因子-β信號通路[37]、Notch-少突膠質細胞轉錄因子2信號通路以及Rac-谷光氨肽S-轉移酶Pi信號通路，調節A1型RAS的增殖[38]。目前對A1型RAS的研究多側重于其功能，而其極化過程以及在CNS疾病中的作用仍需進一步探究。

1.2.2A2型RAS 目前關于A2型RAS的研究相對較少。基于RAS由小膠質細胞激活的理論推測，激活M2型小膠質細胞的IL-4、IL-10等細胞因子或免疫復合物+脂多糖也可激活A2型RAS[2]。實驗證明，IL-4、IL-10或免疫復合物+脂多糖可誘導具有保護作用的RAS形成，這種RAS可分泌神經營養因子、血管內皮生長因子、堿性成纖維細胞生長因子等，保護神經元[23,39]。還有研究顯示，縫隙連接蛋白30可調節A2型RAS的形成[40]。目前關于A2型RAS誘導過程尚不明確，且標志物S100A10特異性較低，因此無法有效純化、提取A2型RAS。因此，關于A2型RAS的產生以及其保護性功能的維持仍需進一步研究。具體的RAS分型見圖1。

注：LPS為脂多糖，RAS為反應性星形膠質細胞，NF-κB為核因子κB，STAT3為信號轉導及轉錄激活因子3，IFN-γ為γ干擾素，PGD2為前列腺素D2，C1q為補體1q，TNF-α為腫瘤壞死因子-α，IL-1α為白細胞介素-1α，BDNF為腦源性神經營養因子，VEGF為血管內皮生長因子，bFGF為堿性成纖維細胞生長因子圖1 RAS分型

2 RAS在CNS疾病中的作用

研究表明，RAS在神經創傷、局灶性腦缺血/腦出血[41]、癲癇[42]、原發性或繼發性中樞神經腫瘤[43]、阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)[44]、PD[45]、多發性硬化(mutiple sclerosis，MS)[46]、肌萎縮側索硬化癥(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)[37]等疾病中均具有重要作用。

2.1腦卒中 腦卒中具有高發病率、高致殘率、高復發率、高病死率等特點，給社會和家庭帶來沉重的經濟和精神負擔。腦缺血后，損傷組織釋放TNF-α、IL-1β等促炎細胞因子，激活RAS[47]。RAS可在腦卒中早期清除壞死組織碎片、分泌膠質源性神經營養因子，促進神經再生[48]。大量RAS通過以下途徑抑制腦卒中后神經修復①激活核因子κB通路促進神經元凋亡；②分泌硫酸軟骨素蛋白多糖抑制神經元再生；③減少谷氨酸攝取促進神經元死亡；④形成膠質瘢痕限制神經修復[26,49]等。而前角蛋白、排斥導向分子A、轉化生長因子-β等信號通路可逆轉RAS對缺血性腦卒中預后的不利影響[50]。蛛網膜下腔出血小鼠腦中RAS數量與出血的嚴重程度呈正相關[22]。腦出血后，RAS可通過下調谷氨酸轉運體1表達、過表達內皮素1，影響損傷腦區的神經血管偶合，導致遲發性腦缺血的發生或預后不良[51]。研究還發現，在腦出血后第3天RAS即可分泌骨橋蛋白，對血腦屏障起到保護作用[41]。腦卒中可影響大腦的神經元、膠質細胞、內皮細胞和室管膜細胞等，但大多數臨床試驗側重于對神經元的保護治療，且未能在臨床上形成有效治療，而RAS與神經元和血管系統均密切相關，其功能改變對腦卒中后血供恢復和功能修復均具有重要意義。因此，進一步深入研究RAS在腦卒中后的作用機制，抑制其有害作用、促進其保護作用，可能為腦卒中的治療提供新途徑[15]。

2.2AD AD以記憶喪失和認知功能障礙為特征，臨床表現為神經精神癥狀和行為障礙[46]。AD的病理特征包括老年斑、神經元纖維纏結和廣泛的神經元缺失。研究表明，RAS是神經斑塊的重要組成部分，其數量增加程度與認知功能降低相關[45]。正常情況下，星形膠質細胞是大腦炎癥反應的主要調節者，但在病理條件下，RAS在產生炎癥因子和活性氧類時可能會形成神經毒性[52]。實驗觀察發現，AD小鼠海馬RAS中的S100β、谷氨酸轉運體1水平均降低，導致組織促炎細胞因子水平升高，進而導致腦內炎癥損傷[52-53]。以上研究表明，通過阻斷AD小鼠大腦RAS的能量代謝和氧化應激，可減少小鼠炎癥反應和β淀粉樣蛋白斑塊沉積，從而改善小鼠記憶并延緩疾病進展。另一項關于AD患者腦和腦脊液蛋白質組學分析顯示，AD患者存在星形膠質細胞代謝異常[54]，而星形膠質細胞是腦內基礎代謝的主要組成部分[55]，因此未來深入研究RAS的異質性可以為AD的治療提供新思路。

2.3PD PD是一種由基底節多巴胺能神經傳遞中斷和黑質神經元死亡引起的進展性神經退行性疾病，其病理特征為神經細胞胞質中存在α-突觸核蛋白沉積和蛋白質包涵體。研究發現，PD患者黑質致密部及病變組織周圍的膠質纖維酸性蛋白水平升高，表明RAS參與了PD的起病及進展過程[56]。另有研究表明，在PD小鼠模型中，多巴胺能神經元通過分泌高水平的趨化性細胞因子，誘導星形膠質細胞轉化為有益的A2型RAS，并遷移至受損的神經元，通過線粒體吞噬、分泌神經營養因子、清除游離谷氨酸等作用保護神經元[57]。進一步研究發現，A2型RAS的誘導與縫隙連接蛋白30有關[40]。總之，與腦梗死等其他CNS疾病相比，PD不伴有明顯的組織損傷和炎癥激活，因此研究主要針對A2型RAS在PD中的保護作用，對于A1型RAS在PD中的作用研究較少。未來可以通過調控星形膠質細胞的功能發揮其神經保護作用，從而治療PD。

2.4MS MS是一種炎癥性疾病，可導致CNS脫髓鞘和軸突損傷，其特征為彌散于整個CNS的炎性脫髓鞘局灶性病變。通過研究實驗性自身免疫性腦脊髓炎模型小鼠發現，小鼠血腦屏障中的RAS增殖伴隨小血管周圍終足喪失，進而導致CNS炎癥和血管周圍水腫[58]。檢測人體病理組織標本發現，急性MS患者病變區域存在RAS[45]。MS患者腦內RAS釋放的炎癥因子(IL-10、IL-17A、IL-22和CC趨化因子配體3等)可導致T細胞活化，并在病灶區域引起髓鞘和軸突損傷[59]。以上研究表明，RAS在MS疾病進展過程中發揮重要作用，是MS治療的重要靶點。還有研究發現，αB-晶狀體蛋白可誘導局部RAS增生，加重MS的早期進展；轉谷氨酰胺酶6可通過激活RAS產生神經毒性[56]。總之，RAS通過激活炎癥反應等途徑在MS進展中發揮作用；同時，RAS還可促進脫髓鞘病變后壞死組織清除、支持髓鞘再生，但RAS在MS患者疾病恢復期的修復作用還有待研究。

2.5ALS ALS是一種不可逆的進行性運動神經元疾病，其特征為CNS運動神經元變性，導致肌肉萎縮、呼吸衰竭甚至死亡[45]。RAS存在于ALS小鼠易損區，其數量與ALS患者的神經退變程度相關[60]。有研究表明，RAS可直接導致ALS運動神經元死亡，并伴有信號通路異常，如神經元α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異唑丙酸受體GluR2亞基表達改變、谷氨酸轉運體1表達下調、胞內鈣離子超載[25]以及乳酸轉運受損、運動神經元p75受體信號激活[61]和反式激活應答DNA結合蛋白43缺失[62]。體內RAS活化和免疫激活以及炎癥標志物表達增加均可加劇ALS的病理進程，而γ干擾素誘導的RAS可通過信號轉導及轉錄激活因子3依賴的信號通路產生神經毒性，進一步誘導RAS募集，損傷運動神經元[2]。ALS中RAS的募集和神經毒性均可被信號轉導及轉錄激活因子3抑制劑抑制[37]。目前關于ALS的病因尚不明確，且臨床也缺乏有效的治療方法和可靠的治療藥物，但ALS患者病變區域存在RAS，且其數量與患者的神經變性水平相關[45]，因此RAS可能參與了ALS患者神經元死亡。

2.6腦腫瘤 RAS在原發膠質母細胞瘤、轉移性肺癌、乳腺癌和黑色素瘤等腦部常見原發或繼發性腫瘤的轉移中發揮重要作用[63]。多形性膠質母細胞瘤是成人最常見的原發性惡性腦腫瘤，由于其特殊的微環境和抗炎特性，無法獲得抗腫瘤免疫[64]。研究發現，應用Janus激酶抑制劑抑制RAS，可減緩多形性膠質母細胞瘤的生長、增加免疫細胞在腫瘤處的募集[13]。此外，RAS還可與多形性膠質母細胞瘤細胞建立協同關系，誘導腫瘤細胞鋅指E盒結合蛋白1基因表達，刺激腫瘤發生上皮-間充質轉化和腫瘤細胞浸潤[65]。RAS也可通過影響離子通道和轉運蛋白的表達改變氫離子、鉀離子和鈣離子水平，導致細胞體積變化，從而增加腫瘤細胞的遷移和侵襲力[66]。

RAS在腫瘤轉移中的作用隨著疾病的進展不斷發生變化，初次接觸腫瘤細胞時，RAS可產生纖溶酶原激活物殺死腫瘤細胞，抑制其轉移[67]；在黑色素瘤、乳腺癌、肺癌等轉移性腫瘤進展過程中，RAS可通過分泌CC趨化因子配體7[67]、Jagged 1蛋白[68]、IL-23[69]等細胞因子促進腫瘤轉移和侵襲。可見，RAS在原發或繼發性顱腦腫瘤中具有調控作用，深入了解其復雜性和異質性對治療腦腫瘤具有重要意義。

3 小 結

近年來，RAS在CNS疾病病理過程中的作用逐漸成為研究熱點。RAS對CNS損傷的影響是多方面的，但目前關于RAS的研究仍存在局限：①目前關于RAS的研究多限于動物模型或體外細胞，因此RAS在人體疾病中的具體病理生理機制尚不明確，同時對于RAS在不同CNS疾病中的作用也存在爭議；②目前RAS的常用生物標志物膠質纖維酸性蛋白特異性不高，因此尋找新的RAS生物標志物迫在眉睫。相信隨著基因組學和蛋白質組學等技術的發展，關于RAS的調控靶點及其相關通路的研究會取得新的進展，從而為CNS疾病的診治提供新方向。