Müller膠質細胞在視網膜神經損傷中的作用研究進展

劉 莎，蔣 沁

作者單位：(210029)中國江蘇省南京市，南京醫科大學附屬眼科醫院

0引言

視網膜是由放射狀Müller膠質細胞(Müller glial cells，MGCs)支持的復雜神經網絡形成的神經感覺器官。視網膜神經損傷是多種眼科疾病發展的終末階段，往往導致嚴重且不可逆的視力喪失。MGCs是視網膜中的主要膠質細胞，雖然它們不直接傳遞視覺信息，但在維持視網膜組織的內穩態和發育過程中起著重要作用。在視網膜受到損傷時，MGCs可作出一系列反應來應對損傷，如對視網膜神經元發揮關鍵的代謝和支持功能，促進神經細胞的修復和存活；向視網膜微環境釋放和循環神經遞質來調節神經元的興奮性；通過重編程再生視網膜進行內源性修復等。但過度反應不僅不能起到保護作用，反而加重了疾病進展，因此正確理解MGCs對損傷的反應十分重要。本文針對視網膜神經損傷后MGCs對損傷的影響進行綜述。

1 MGCs的生理特性

MGCs是視網膜的特異性大膠質細胞，通過多種細胞內機制參與視網膜發育及動態平衡。由于在其他神經組織中沒有同源細胞，因此視網膜結構和功能的維持依賴于MGCs[1]。MGCs橫跨整個視網膜，介于血管和神經元之間，負責周圍神經元的功能和代謝支持。MGCs向上向內界膜擴展膠質突起形成終足，包裹于視網膜神經節細胞樹突及軸突周圍，向下擴展至外界膜形成微絨毛，與感光細胞內節直接接觸[2]。這種特殊的解剖結構使MGCs在整個視網膜中執行不同的功能—其中最主要的功能是MGCs與神經元的代謝偶聯。此外，MGCs還具有釋放神經營養因子和其他膠質遞質，調節細胞外空間，維持血液-視網膜內部屏障，神經遞質循環，維持視網膜結構完整性和引導光到感光器的重要作用[3]。MGCs對視網膜穩態的重要性，也反映了其損傷導致視網膜疾病的脆弱性。選擇性破壞MGCs內的關鍵基因可導致視網膜發育不良、光感受器變性、視網膜電圖反應減弱[4]。

2 MGCs在視網膜神經損傷中的保護作用

膠質增生是大膠質細胞對病原性刺激的反應，是多種視網膜疾病的特征。反應性膠質增生是指膠質細胞在損傷區域經歷的形態和生化變化，表現為膠質細胞肥大，膠質纖維酸性蛋白(GFAP)、巢蛋白(nestin)和中間絲波形蛋白(Vimentin)表達增強[1]。大量增殖的MGCs通過調控代謝、調節離子和水平衡、釋放神經營養因子，增加抗氧化功能等來提供視網膜的神經保護作用。

2.1MGCs參與神經遞質循環MGCs在神經膠質-神經元相互作用的神經遞質循環中起著重要作用。神經遞質是處理視覺信息、維持房水內環境平衡和眼內血流的關鍵介質。L-谷氨酸和γ-氨基丁酸(GABA)是視網膜中視覺信號突觸傳遞的主要興奮性和抑制性神經遞質[5]。L-谷氨酸參與了從光感受器到神經節細胞的視覺信號傳遞過程。谷氨酸由光感受器的突觸末端合成并釋放，作用于水平細胞和雙極細胞上的突觸后受體。在這個過程中，MGCs吸收從突觸間隙擴散的谷氨酸，以阻止遞質的橫向擴散，來確保視覺分辨率[6]。谷氨酰胺合成酶(GS)是谷氨酸循環過程中的關鍵代謝酶，并且MGCs是視網膜中唯一含有GS的細胞[7]。L-谷氨酸/L-天冬氨酸轉運體(GLAST)是參與谷氨酸攝取的重要轉運蛋白，主要定位于MGCs中[6]。在缺血缺氧、高眼壓、水腫、損傷等病理條件下，谷氨酸平衡被破壞，細胞外環境中谷氨酸蓄積增加，過量的谷氨酸產生神經毒性，導致神經元過度興奮而變性死亡。MGCs反應性增生，GLAST表達進一步增加，將細胞外積聚的谷氨酸轉運至MGCs內，維持了興奮性突觸的正常功能并防止了神經毒性作用。此外MGCs表達的GS將谷氨酸轉化為谷氨酰胺[8]。合成的谷氨酰胺從MGCs內釋放并作用于神經元，作為神經元代謝底物參與神經元能量活動[2]。實驗性青光眼導致GLAST失活，引起MGCs內谷氨酸減少，視網膜神經節細胞顯著攝取谷氨酸產生視網膜的興奮性毒性[9]。由此可見，MGCs調節視網膜內谷氨酸轉運與代謝，防止谷氨酸誘導的興奮性毒性，是一項重要的神經保護功能。

除了興奮性調節，MGCs還可以維持視網膜細胞外γ-氨基丁酸(GABA)的水平。哺乳動物中，GABA主要由MGCs膜上的GABA轉運體(GATS)介導攝取。GAT亞型在MGCs中的表達與種屬相關，哺乳動物MGCs中主要表達GAT-1與GAT-3。生理條件下，GABA進入MGCs內后，由GABA轉氨酶代謝為琥珀酸半醛。由于GABA轉氨酶的高反應效率，MGCs內GABA水平較低。在高糖、缺血等情況下，GABA轉氨酶活性抑制，GABA在MGCs中迅速累積，抑制神經信號傳遞[6]。

2.2MGCs的能量代謝作用神經視網膜是體內代謝最活躍的組織之一，通過有氧糖酵解分解近80%的葡萄糖，產生感光細胞所需的能量[10]。視網膜中糖原和葡萄糖的吸收與代謝主要發生在MGCs內。循環中的葡萄糖被輸送到MGCs后，一方面可以被糖原磷酸化酶降解，以糖原的形式儲存于細胞內。另一方面，在代謝應激期間，可被MGCs胞質中的乳酸脫氫酶糖酵解轉化為乳酸[2]。乳酸可降低谷氨酸誘導的神經毒性發揮神經保護作用。最近研究發現，乳酸還能夠作為葡萄糖的替代物來維持MGCs的存活及功能以提供神經保護[11]。此外，細胞中的三磷酸腺苷(ATP)主要通過糖酵解途徑獲得，且在此過程中耗氧量極低。因此，MGCs較神經元有更強的抵抗力，可以耐受持續的缺氧和低血糖，從而節省氧氣并為神經元提供能量[2]。在膠質增生過程中，MGCs還可以上調降解ATP的胞外酶，這些酶提高了神經保護劑核苷腺苷的細胞外可利用性，減少了ATP的滲透釋放，保護視網膜神經節細胞免受凋亡[12]。

2.3MGCs細胞參與離子平衡和水穩態MGCs的質膜上包含離子通道和跨膜水轉運體，它們調節水、鉀和鈉的流入和流出，以維持細胞外空間的動態平衡。內向整流鉀通道4.1(Kir4.1)是視網膜中主要分布于MGCs的離子通道，其選擇性的表達于MGCs的末端足部，介導K+的虹吸效應來維持K+的穩定[13]。水通道蛋白4(AQP4)是中樞神經系統中主要的質膜水通道，高表達于光感受器和雙極細胞之間突觸周圍的MGCs[14]。生理狀態下，Kir4.1的極化分布使鉀離子從神經視網膜外流，水與鉀在滲透壓的驅動下共同通過AQP4轉運，保持細胞內外滲透壓平衡，防止神經元腫脹[15]。Kir4.1的表達減少破壞了膠質細胞的緩沖能力，導致離子穩態失衡，參與了多種視網膜損傷的病理過程[16]。在糖尿病視網膜病變中，促炎因子TNF-α的上調破壞了MGCs的肌動蛋白細胞骨架，Kir4.1表達顯著減少，MGCs腫脹[17]。Netti等[18]研究發現，AQP4抗體AQP4-IgG與AQP4結合后，誘導MGCs部分內化，下調了MGCs質膜上AQP4的表達，降低了MGCs的水通透性。此外，Kir4.1介導的靜息電位還能夠產生一種向內的化學驅動力，促使GLAST將谷氨酸轉移至MGCs內，防止神經元興奮性毒性[16]。高糖、氧化應激等損傷下調Kir4.1表達，削弱了谷氨酸轉運體的驅動力，抑制了GLAST介導的谷氨酸轉運，導致細胞外谷氨酸積累[19-20]。綜上所述，MGCs內Kir4.1與AQP4兩條通道是相互影響的，他們還能參與調節神經遞質，對視網膜損傷后的神經保護至關重要。

2.4神經保護因子的釋放神經營養因子是一類神經元特異性的蛋白質家族，包括神經生長因子(NGF)、腦源性神經營養因子(BDNF)、神經營養因子-3(NT-3)和神經營養因子-4(NT-4)，它們不僅促進神經元的發育，在視網膜損傷后神經元凋亡中也具有重要的調節作用[21]。神經營養因子的缺失是導致神經退行性疾病中視網膜神經節細胞(RGCs)死亡的原因之一，通過上調其內源性水平或外源性輸入，可以作為神經保護的干預措施[22]。神經營養活性作用的發揮是通過與酪氨酸激酶受體Trk家族(TrkA、TrkB、TrkC)的選擇性配體結合而介導的，TrK家族受體激活的下游靶點通過ERK/MAPK和PI3K途徑誘導促生存信號通路[23-24]。

由于神經膠質-神經元的密切聯系，RGCs也可以通過膠質活性物質的釋放與MGCs相互作用。在病理性刺激下，RGCs還可通過自身分泌的介質刺激MGCs分泌膠質細胞源性神經營養因子(GDNF)，這些保護因子可直接作用于RGCs以促進其活性，減少凋亡[25]。色素上皮衍生因子(PEDF)是膠質細胞釋放的主要神經保護劑之一，實驗誘導的缺氧模型中，RGCs活力喪失，在與MGCs共培養后，存活的RGCs數量顯著增加。從MGCs中去除PEDF后，RGC-Müller膠質共培養中RGCs數量明顯降低[26]。Le等[27]發現，給予糖尿病視網膜病變小鼠外源性注射重組VEGF可以刺激MGCs的活力并誘導BDNF的產生。此外，MGCs還可以通過激活內源性Wnt/β-catenin信號，促進白血病抑制因子(LIF)、睫狀神經營養因子(CNTF)等神經保護因子表達，保護RGCs免受興奮性毒性損傷[28]。

2.5釋放抗氧化因子視網膜的高代謝功能是維持視覺傳遞過程所必需的，因此對視網膜的抗氧化保護是至關重要的。谷氨酸誘導的氧化應激被認為是神經細胞死亡的主要原因，可導致多種視網膜退行性疾病，如青光眼、年齡相關性黃斑變性(age-related macular degeneration，ARMD)、糖尿病視網膜病變(diabetic retinopathy，DR)等[29]。在這些疾病發生過程中，MGCs可以通過其固有的代謝功能如參與調節谷氨酸循環在預防和中和氧化應激方面發揮關鍵作用。當MGCs暴露于氧化應激環境中時，谷氨酸被用于合成谷胱甘肽，與活性氧中和來防止神經元損傷[30]。轉錄因子核因子紅系2相關因子(NRF2)是一種重要的抗氧化分子，也是谷胱甘肽釋放的有效誘導劑，能夠調節100多種抗氧化劑的轉錄，MGCs已被證明能夠上調NRF2的mRNA的表達[31-32]。而在NRF2缺陷的糖尿病模型鼠中，其視網膜表現為血-視網膜屏障損傷，神經元功能障礙，并伴有谷胱甘肽的減少和超氧化物水平的升高[33]。此外，近來對分離MGCs的蛋白組學研究發現，MGCs可表達谷胱甘肽S-轉移酶Mu1和Mu5(GSTM1/GSTM5)，芳香酯酶2(PON2)，過氧化物氧化還原蛋白1、4和6(PRDX1、4、6),這些酶在氧化防御機制中表達，表明了MGCs的抗氧化功能[34]。MGCs在視網膜損傷時產生抗氧化物可以限制活性氧對視網膜神經元的損傷，在多種視網膜退行性疾病中發揮重要的神經保護作用。

2.6MGCs重編程多種視網膜疾病最終導致了神經細胞的死亡和視網膜各層結構紊亂，膠質細胞與神經元之間的相互作用喪失。已有研究證明斑馬魚具有顯著的自愈能力來再生受損的視網膜，這主要依賴于MGCs的表觀遺傳可塑性。這種特性使MGCs能夠根據損傷進行重新編程，作為多能視網膜干細胞發揮功能，并產生視網膜前體細胞(RPC)，隨后分化為各種類型的視網膜細胞，從而修復視網膜，恢復視力[35]。雖然有大量報道發現視網膜的再生在脊椎動物中是常見的，但這種再生能力在哺乳動物中是有限的，因此人類視網膜疾病常常會導致永久性失明。Slembrouck-Brec等[36]研究發現人類視網膜MGCs能夠重新編程為誘導多能干細胞(IPSCs)，并獲得多能干細胞的特征。雖然這一研究結果表明了人類MGCs的再生潛力，但在疾病或損傷后能否再生以及實際上如何利用它仍不清楚。近年來有越來越多的研究者對魚類視網膜再生的機制進行了深入研究，這為闡明哺乳動物MGCs的重編程和再生機制提供了一些線索。Del Debbio等[37]發現Notch和Wnt信號可以激活出生后大鼠及小鼠視網膜中的MGCs，并被誘導向視桿細胞譜分化。轉錄因子Brn-3b在RGCs的分化、存活和軸突生長中起關鍵作用，Wu等[38]證明了純化的MGCs能夠脫分化為神經干細胞樣細胞球，并表達神經干細胞特異性標志物Nestin與Ki67，且具有增殖能力。在轉錄因子Brn-3b的誘導下，定向分化為神經節細胞。Singhal等[39]在體外培養從成人供體中分離的MGCs，加入FGF2和γ-分泌酶抑制劑后發現Müller膠質細胞分化并表達RGCs前體標志物，提示了成人MGCs具有神經分化潛能。雖然沒有直接證據表明人類MGCs能在體內再生視網膜，但現有研究表明MGCs在特殊條件下可以被激活誘導分化為神經元，這為激活內源性修復機制的視網膜治療開辟了新的途徑。

3 MGCs在視網膜神經損傷修復中的雙向作用

MGCs具有感知體內平衡狀態波動的能力，且由于其活躍的新陳代謝能力，它們對外界傷害的抵抗能力較高，因此絕大多數的視網膜疾病都與MGCs反應性膠質增生有關。疾病進展早期膠質增生是一種保護性反應，通過調控代謝、釋放神經營養因子和抗氧化來防止視網膜神經元受損。然而，當損傷或刺激強烈時，即使在刺激消失后，MGCs仍可能保持激活狀態[1]。在OIR小鼠模型的疾病進展過程中觀察到，缺氧損傷導致膠質細胞中GFAP的增加以及GS的降低，TUNEL染色陽性細胞數量增加，提示了反應性膠質增生在神經元退變中的作用[40]。持續性膠質增生導致了細胞毒性因子和促炎細胞因子的釋放，引起各種神經功能的失調，繼發視網膜代謝和內穩態的紊亂，加速神經元退化進程[41]。在DR發展的早期，視網膜在受到包括高血糖、糖基化終產物(AGEs)和氧化應激在內的各種有害刺激后，增生的MGCs釋放VEGF防止神經細胞凋亡，隨著疾病的發展，MGCs在糖尿病誘導的腫瘤壞死因子-α(TNF-α)和血管內皮生長因子-A(VEGF-A)上調中起致病作用，從而導致視網膜缺氧、氧化應激，血-視網膜屏障(BRB)破裂，視網膜神經血管形成[27,42]。此外，過度增生的MGCs形成膠質瘢痕，填充于死亡神經元留下的間隙，形成纖維化層，導致中樞神經系統無法再生[43]。由此我們可以看出，MGCs的反應性增生對視網膜的作用存在正負兩個影響，但只要與膠質細胞激活相關的機制在恰當的時間內產生修復信號，MGCs的反應性增生還是以神經保護為主的。

4小結與展望

MGCs作為視網膜中主要的膠質細胞，參與視網膜發育與內穩態，其特殊的解剖結構決定了其功能的多樣性。雖然在多因素的病理刺激下，MGCs能夠啟動不同的調控途徑來應答視網膜內穩態的變化。但不可否認的是，在疾病的長期發展過程中，MGCs介導的持續性膠質增生會逆轉其早期的保護作用，促進神經元進一步損傷。因此，正確理解MGCs在視網膜神經損傷后的作用，對于開發有效的治療策略，防止視網膜神經損傷性疾病的進展是至關重要的。