腦缺血后突觸可塑性與神經膠質細胞相互調控在神經修復中的作用

付雪琴 蘭瑞 鄒旭歡 鮑漢中 王瑋瑋 王漫漫 張勇

【摘要】 腦卒中是具有較高病死率和致殘率的疾病，呈現逐年上升和年輕化趨勢，嚴重危害健康。缺血性卒中主要是由于缺血和缺氧造成神經細胞的損傷，最終導致大腦功能的喪失，且治療選擇有限。目前認為突觸可塑性是局灶性缺血后神經恢復的重要過程，神經膠質細胞與突觸可塑性密切相關，若能深入了解神經元突觸可塑性的作用、神經膠質細胞與突觸可塑性相互調控機制，則可能對腦缺血后功能恢復提供一定的幫助。本文就突觸可塑性、神經膠質細胞與突觸可塑性相互調控作用進行綜述，以期為治療腦缺血后神經功能損傷提供理論支持。

【關鍵詞】 腦缺血；神經元；突觸；突觸可塑性；膠質細胞

【中圖分類號】 R651 【文獻標志碼】 A 【文章編號】 1672-7770（2023）02-0234-04

Abstract： Stroke is a disease with high mortality and disability rate， showing an increasing and younger trend year by year， which is seriously harmful to health. Ischemic stroke is mainly due to the damage of nerve cells caused by ischemia and hypoxia， which eventually leads to the loss of brain function， and the treatment options are limited. At present， it is believed that synaptic plasticity is an important process of neural recovery after focal ischemia， and glial cells are closely related to synaptic plasticity. If the role of neuronal synaptic plasticity and the mutual regulation mechanism between glial cells and synaptic plasticity can be deeply understood， it may provide some help for the functional recovery after cerebral ischemia. This paper reviews the regulation of synaptic plasticity and the interaction between glial cells and synaptic plasticity， in order to provide theoretical support for the treatment of neurological injury after cerebral ischemia.

Key words： cerebral ischemia; neuron; synapse; synaptic plasticity; glial cel

基金項目：國家自然科學基金資助項目（81973618，81503422）；河南省自然科學基金資助項目（202300410399）

作者單位：450000 鄭州，河南中醫藥大學第一臨床醫學院（付雪琴，鄒旭歡，鮑漢中，王瑋瑋，王漫漫）；河南中醫藥大學第一附屬醫院腦病2病區（蘭瑞）；鄭州大學第三附屬醫院中醫科（張勇）

通信作者：蘭瑞

在中國，腦卒中是成年人群病死、致殘的重要病因。國家卒中數據篩查顯示，2018年腦血管病死亡率149.49/10萬人，造成157萬人死亡。數據顯示，2018年中國收治的腦卒中患者中81.9%患者為缺血性卒中［1］，及時的血運重建治療是缺血性卒中的有效治療方法。近年來，研究人員將單一的神經元保護轉向了影響神經元生存的微環境保護，其他細胞類型如膠質細胞、突觸可塑性等逐漸引起大家的廣泛關注和研究。

1 突觸可塑性

突觸是神經元細胞間接觸位點，是神經系統中化學神經傳遞的主要結構。突觸可塑性是神經元的基本功能，包括結構改變和功能修飾，生理情況下與大腦發育，學習記憶相關，病理情況下參與神經環路重建，促進神經恢復與再生［2］。突觸活動消失是腦缺血的最早后果［3］。短暫局灶性缺血導致突觸前成分損傷，包括孤立的突觸終扣缺失和突觸前投射密度降低， 參與突觸發生的蛋白質水平升高，突觸后興奮性的降低歸因于突觸后膜的缺氧去極化，膜功能的下降歸因于在大量缺氧去極化之前發生的輕微局灶性突觸后超極化，鉀離子電位增強所致［3］。腦缺血約15 min，觀察到神經元胞體形態學改變伴隨著CA1放射層突觸密度的進行性降低，7 d后隨著病變的加速，可觀察到CA1層放射狀神經層較大比例的退行性突觸，突觸后結構含大量空泡和溶酶體，細胞骨架成分和突觸后膜有溶解跡象［3-4］。

2 神經膠質細胞的功能及與突觸的聯系

2.1 小膠質細胞對突觸可塑性的調控 小膠質細胞（microglia）是中樞神經系統（ central nervous system，CNS）的免疫細胞，腦缺血后做出應答反應，通過清除細胞碎片維持正常腦內穩態，在炎癥反應和各種腦損傷中也起重要作用［5-6］。小膠質細胞可調節突觸可塑性，調節神經的發育和穩定，促進神經功能修復，協調突觸形成和最終促進記憶形成［7-9］。小膠質細胞和突觸上的神經元之間存在著密切的關系，通過釋放細胞因子和生長因子來調節突觸功能和結構可塑性，如突觸的修剪、突觸形成和分泌促大腦成熟的因子，如胰島素樣生長因子促進神經發生參與學習和記憶的突觸重塑。小膠質細胞通過影響長時程增強（long-term potentiation，LTP）和長時程抑制（long-term depression，LTD）過程，參與神經元活動和突觸可塑性的維持［10］。腦缺血過程中，小膠質細胞的過度活化和增生，干預突觸可塑性和神經遞質的傳達，釋放神經毒性物質損傷神經細胞［7］。小膠質細胞參與神經環路的重建通過影響突觸的數量、活動和細胞的遷移實現，以此影響缺血性卒中的預后［5，9-10］。

小膠質細胞靜息狀態下，分泌GDNF、BDNF、PDNF等營養因子支持和營養神經元［11］。大腦發育和成熟階段，小膠質細胞通過突觸修剪、釋放特定細胞因子影響突觸結構和功能可塑性，維持機體的認知和學習記憶功能［12-13］。腦缺血后，小膠質細胞分化為促免疫反應M1型和抗免疫反應的M2型，腦缺血急性期M1型小膠質細胞主要標志為CD11b、MCHⅡ、iNOS、IL-1β、TNF-α，激活NF-B，產生大量的炎癥因子，加速細胞凋亡，加重組織損傷［14］。M2型小膠質細胞在病理條件下通過分泌IL-10、IL-13、IL-14抑制內環境免疫炎癥，分泌促進神經細胞修復和再生的營養因子BDNF、TGF-β、IGF-1發揮神經保護作用［15］。病理狀態下，小膠質細胞活化后包繞在受損神經元四周，清除抑制性突觸，進行突觸剝離促進突觸重塑。通過小鼠腹腔注射脂多糖后1 d、1周、2周后發現，活化的小膠質細胞取代神經元胞體上的抑制性突觸，注射生理鹽水的小鼠無此表現［16］。小膠質細胞活化后，通過突觸剝離保護中樞神經系統，通過分泌胰島素樣生長因子1促進受損后的神經發生［17］。

研究發現［18］，抑制小膠質細胞的過度活化和抑制細胞因子等的釋放可減輕中樞系統的損傷，體外實驗發現丙泊酚抑制多種細胞毒性因子的表達，防止細胞骨架蛋白的結構變化，并通過腺苷A2b受體抑制小膠質細胞遷移。體內實驗結果表明，丙泊酚通過A2b受體抑制小膠質細胞的異常增殖，并降低白細胞介素IL-6、IL-1β、TNF-a和細胞毒性因子一氧化氮的表達水平。

2.2 星形膠質細胞對突觸可塑性的調控 星形膠質細胞（astrocyte）是神經元的支持細胞，它的突起與緊密相連的突觸前膜、突觸后膜構成三聯體突觸［19］。星型膠質細胞通過調節pH值、離子和水平衡、神經遞質和突觸可塑性、腦血流來維持中樞神經系統的穩態，是重要的免疫細胞［20］。機體損傷后，星形膠質細胞的基因表達、形態會發生劇烈變化，兩周內，星形膠質細胞變得肥大，形成致密的疤痕保護完整的神經網絡免受炎癥和損傷，通過物理接觸突觸結構，分泌大量的基于黏附的分子信號指導突觸發育和功能形成、促進神經元的突觸連接，參與缺血后的神經康復影響突觸連接與重建［21-22］。缺血性損傷激活星形膠質細胞半通道，導致Ca2+超載、組織興奮毒性、炎癥和不可逆的腦損傷。Cx43（connexin 43）是星形膠質細胞的一個主要成分，Cx43缺乏損害長時程突觸可塑性，表明Cx43在突觸可塑性中起重要作用［23-25］。

星形膠質細胞分泌細胞因子調節突觸，IL-33是丘腦和脊髓突觸發育所必需的。IL-33作為負反饋控制信號調節海馬內穩態突觸可塑性，調節脊髓和丘腦的突觸發育，介導成年海馬CA1區突觸可塑性的動態平衡［19，26］。IL-33通過激活神經元IL-33受體復合物和支架蛋白PSD-95的突觸募集，刺激興奮性突觸和神經傳遞的增加。在成年的C57小鼠中，給予IL-33 200 ng體內注射連續4 h，發現突觸中的PSD-95水平提高；而敲除CA1區星形膠質細胞中的IL33可減少興奮性突觸的數量，阻斷體內IL-33及其受體信號，則會抑制CA1區錐體神經元的穩態突觸可塑性，從而損害小鼠空間記憶的形成［23］。

缺血性腦卒中誘導反應性星形膠質細胞的兩種不同極化狀態，神經毒性A1型和神經保護性A2型［27］。激活的小膠質細胞分泌的IL-1a，TNF-a和C1q誘導的A1型星型膠質細胞直接釋放神經毒性補體C3d，導致神經元死亡，而抑制A1型星形膠質細胞活化具有顯著的神經保護作用［28］，研究表明調節星形膠質細胞活化對于缺血性卒中治療具有重要意義。缺血性卒中發生后，星形膠質細胞被過度激活，釋放出高水平的炎癥因子，例如IL-1、IL-6和TNF-a，從而導致嚴重的炎癥反應并加重腦損傷［29-30］。在缺血性卒中期間抑制星形膠質細胞活化可以顯著緩解腦損傷［31］。星形膠質細胞在缺血性卒中后的存活潛力可能影響缺血半暗帶神經元存活率，對于卒中的預后至關重要。研究通過表達HSP72和歧化酶2可以增加缺血應激下的星形膠質細胞的抵抗力，抗生素頭孢曲松可以上調星形膠質細胞中γ-氨基丁酸轉運蛋白-1（gamma-aminobutyric acid transporter-1，GLT-1）的表達，保護神經元［32］。骨髓間充質干細胞具有分化成神經元細胞的能力，間充質干細胞可以通過分泌抗炎因子或通過降低IL-1β，IL-6和TNF-a水平來影響損傷部位的環境，通過誘導分泌抗凋亡分子和營養因子，促進血管生成、調節免疫、促進調節性T細胞功能、減少IL-23/IL-17表達及增加軸突生長［33］。研究表明，骨髓來源的間充質干細胞衍生的miR-138-5p通過外泌體傳遞到星形膠質細胞，減輕MCAO小鼠神經元損傷［34］。

2.3 少突膠質前體細胞對突觸可塑性的調控 少突膠質前體細胞（oligodendrocyte progenitor cells，OPCs）源自大腦和脊髓的腦室帶（ventricle zone，VZ）。OPCs表達硫酸軟骨素蛋白多糖NG2被稱“NG2細胞”，OPCs有雙極突起也被稱為“多樹突狀細胞”［35］。主要是用髓鞘包裹神經，確保適當的沖動傳導。中樞神經系統中表達NG2的膠質細胞是高度反應的細胞，對任何中樞神經系統的損傷都能迅速做出反應，并能再生少突膠質細胞和神經元，與神經元接觸形成突觸［36］。OPCs分布在大腦的灰質和白質區域，從無髓軸突接收谷氨酸能突觸輸入，少突膠質細胞譜系細胞表達谷氨酸受體，使其能監測和響應神經元活性的變化［37］。OPCs表達的受體和離子通道在生理和病理條件下都對神經元突觸的快速信號傳遞、神經元活動的調節具有重要意義［38］。大鼠局灶性腦缺血后，OPCs在腦梗死區核心區明顯減少，而在缺血半暗帶區則顯著增加［39］。

神經元在LTP中調節突觸信號轉導強度的能力是突觸可塑性的標志之一，研究發現NG2細胞可以表現出LTP影響突觸可塑性［40］。LTP在神經元NG2突觸的誘導和表達與NG2細胞上的鈣離子通透性和AMPA受體有關。海馬CA1區的NG2細胞接受來自神經元的直接谷氨酸能和γ-氨基丁酸能突觸輸入，細胞內鈣升高對突觸的LTP誘導至關重要，含GluR1的AMPAR在NMDAR依賴的LTP表達中起重要作用［41］。

2.4 少突膠質細胞對突觸可塑性的調控 少突膠質細胞（oligodendrocyte，OLs）是中樞神經系統的髓鞘細胞［20］，為軸突提供營養支持。少突膠質細胞的主要作用是形成髓鞘，隔絕軸，并通過跳躍傳導促進動作電位的傳播，促進神經元間信息交流。OLs與無髓鞘軸突形成突觸，并在局部產生更多的OLs和髓鞘響應軸突的電活動［35］。

少突膠質細胞內的軸突生長抑制因子A（Neurite outgrowth inhibitor -A，Nogo-A）、髓磷脂相關糖蛋白（myelin-associated glycoprotein，MAG）、少突膠質細胞髓磷脂糖蛋白（oligodendrocyte-myelin glycoprotein，OMGP），廣泛表達于少突膠質細胞，除了在限制神經元生長和發育方面發揮作用外，還具有抑制LTP類型的活動驅動的突觸可塑性的能力。腦缺血損傷會引起一系列功能性突觸改變，研究表明髓鞘抑制劑的拮抗作用不僅可以降低成年中樞神經系統組織的生長抑制環境，同時還可以降低神經元網絡的抑制張力，神經元活動和突觸傳遞的增加可能使受損神經網絡的活動驅動的重組和細化成為可能，從而改善腦缺血損傷后的結果［42］。

3 結 論

突觸功能在神經疾病中受到損害，突觸可塑性的作用機制在腦缺血發生后生理病理狀態下存在許多相似之處，表現形式主要集中在LTP和LTD。iLTP是腦缺血后LTP的主要表現形式，興奮性谷氨酸受體對LTP的影響主要表現在與iLTP的作用機制間的復雜關系。更多證據表明，神經膠質細胞不僅給神經元提供必要的營養和支持，而且對突觸的產生，神經元的增殖、分化、遷移以及神經環路重建都有重要作用。神經膠質細胞參與了多種中樞神經系統疾病的發病過程，神經膠質細胞營養功能喪失會導致神經元和神經細胞的損傷，從而加重病理。神經膠質細胞對大腦的再生能力非常重要，有助于損傷后神經元的恢復與再生。因此進一步研究腦缺血后突觸對神經元的影響方式，膠質細胞與突觸可塑性的作用，可能對受突觸可塑性影響的相關疾病有重要的科學意義，為疾病的發生發展以及診療進展提供理論支持。

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（收稿2022-03-02 修回2022-06-01）