杜 瑤， 李 欣， 冉 利， 張 璐綜述， 周寧娜審校

腦血管疾病具有高致病率、致殘率和致死率的特點(diǎn)，已成為導(dǎo)致人類死亡的第二大原因，并且發(fā)病率逐年上升[1]。腦血管疾病分為出血性腦血管疾病和缺血性腦血管疾病，其中缺血性腦血管疾病占70%。缺血性腦血管疾病病理機(jī)制主要包括自由基損傷、鈣超載、興奮性氨基酸毒性、能量代謝紊亂等。星形膠質(zhì)細(xì)胞(Astrocyte，Ast)作為神經(jīng)血管單元(Neurovascular Unit，NVU)的重要組成成員，是中樞神經(jīng)系統(tǒng)(Central nervous system，CNS)中分布最廣泛、最多的細(xì)胞類型，約占腦內(nèi)膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量的一半[2]，在保護(hù)神經(jīng)元、構(gòu)建和維持大腦結(jié)構(gòu)與功能中發(fā)揮重要的作用[3]。在正常生理情況下，Ast. 為神經(jīng)元提供代謝和營養(yǎng)支持。隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)Ast. 在腦缺血早期和后期發(fā)揮著不同的作用。本文將圍繞Ast. 與缺血性腦損傷的關(guān)系，對Ast. 的雙重作用做一綜述，為缺血性腦損傷的研究提供新的思路和方向。

1 腦缺血急性期星形膠質(zhì)細(xì)胞活化對神經(jīng)元的保護(hù)作用

在正常生理狀態(tài)下，Ast. 處于靜息狀態(tài)，Ast. 與神經(jīng)元通過縫隙連接(gap junction)相互作用，釋放多種營養(yǎng)因子如腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子( brain-derived neurotrophic factor，BDNF) 等，維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)，對神經(jīng)元發(fā)揮營養(yǎng)和支持作用[4]。在腦缺血等病理?xiàng)l件下，Ast. 發(fā)生活化反應(yīng)，稱為活化型星形膠質(zhì)細(xì)胞(reactive astrocytes，RAs)[5]，主要表現(xiàn)為細(xì)胞增殖和形態(tài)學(xué)的變化，包括胞體肥大、腫脹、突起增多、延長以及相關(guān)蛋白如膠原纖維酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein，GFAP)和波形纖維蛋白(Vimentin)的增加[6](見圖1)。腦缺血早期RAs可通過攝取興奮性毒性、抗氧化、調(diào)節(jié)離子通道等作用維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)，對保護(hù)神經(jīng)元發(fā)揮著至關(guān)重要的作用(見圖1)。

圖1 腦缺血后，興奮性氨基酸、離子超載、氧自由基激活等造成了神經(jīng)元的進(jìn)一步死亡。RA通過攝取興奮性氨基酸(紫色箭頭)、調(diào)節(jié)離子通道(黃色箭頭)、清除氧自由基(藍(lán)色箭頭)、釋放神經(jīng)營養(yǎng)因子(綠色箭頭)等方式對神經(jīng)元提供營養(yǎng)和保護(hù)作用

1.1 攝取興奮性物質(zhì) 興奮性物質(zhì)引起的毒性損傷是缺血性腦血管疾病時(shí)神經(jīng)元死亡的重要機(jī)制之一。腦缺血時(shí)，谷氨酸(Glutamic，Glu)為主的興奮性氨基酸過度釋放產(chǎn)生神經(jīng)毒性。Glu 的過度釋放導(dǎo)致突觸后α-3羥基-5-甲基-異唑丙酸(AMPA)受體和N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA) 受體的過度興奮，誘導(dǎo)K+、Ca2+內(nèi)流[7]。大量的鈉離子內(nèi)流破壞了細(xì)胞間的滲透壓導(dǎo)致細(xì)胞代謝紊亂，造成細(xì)胞溶解和內(nèi)容物的釋放，促使神經(jīng)元的死亡；Ca2+內(nèi)流將進(jìn)一步引起鈣超載和激酶的激活，促使自由基的產(chǎn)生，介導(dǎo)氧化應(yīng)激和線粒體代謝損傷，最終導(dǎo)致神經(jīng)元死亡。在目前已知的五種興奮性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體(Excitatory amino acid transporter，EAAT)EAAT1～EAAT5中，其中EAAT1和EAAT2兩種主要定位于Ast.[8]。腦缺血后，過多的Glu能夠被這些轉(zhuǎn)運(yùn)體攝入到RAs中通過不同的途徑代謝：(1)一部分的Glu在谷氨酰胺合成酶(gmamme symnelase，GS)的作用下轉(zhuǎn)化為谷氨酰胺(Glutamine，Gln)，生成的Gln通過“谷氨酸-谷氨酰胺循環(huán)”返回神經(jīng)元。被神經(jīng)元攝取的Gln在磷酸化激活的谷氨酰胺酶(phosphate-activated glutaminase，PAG)作用下催化生成Glu[9]，Glu再通過囊泡膜谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體(vesicular glutamate transporter，VGLUTs)進(jìn)入突觸囊泡[10]。儲存在囊泡中的Glu由于神經(jīng)元的去極化被釋放到細(xì)胞外，再被RAs重新吸收。(2)被谷氨酸脫氫酶(glutamate dehydrogenase，GDH)催化生成α-酮戊二酸重新進(jìn)入到三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle，TCA)[11]。缺血后RAs攝取和轉(zhuǎn)化Glu的能力增強(qiáng)，減少了細(xì)胞外Glu的蓄積，從而減輕了興奮性氨基酸引起的繼發(fā)性神經(jīng)毒性[4]。

1.2 抗氧化能力 在正常生理情況下，腦內(nèi)即有活性氧(ROS)的生成，能被細(xì)胞內(nèi)的自由基清除劑如過氧化氫酶等清除，以保持機(jī)體內(nèi)的自由基平衡。但是在腦缺血等病理?xiàng)l件下，ROS的產(chǎn)生與清除失去了平衡，造成ROS在體內(nèi)大量蓄集，未能被細(xì)胞清除的ROS會導(dǎo)致細(xì)胞損傷。RAs能夠分泌過氧化氫酶和相關(guān)蛋白減少由過氧化氫和一氧化氮誘導(dǎo)引起的神經(jīng)元細(xì)胞死亡[12，13]。谷胱甘肽(GSH)作為體內(nèi)重要的抗氧化物質(zhì)和自由基清除劑，參與體內(nèi)氧化還原反應(yīng)，可與過氧化物和自由基結(jié)合，減輕ROS毒性。RAs中含有豐富的GSH，在保護(hù)神經(jīng)元免受ROS損傷的過程中發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用[14]。當(dāng)體內(nèi)ROS的產(chǎn)生與清除失去平衡時(shí)，RAs可以直接供給神經(jīng)元內(nèi)源性的GSH[15]，同時(shí)將NO轉(zhuǎn)化為亞硝基谷胱甘肽(nitrosoglutathione，GSNO)儲存在細(xì)胞質(zhì)中，從而減輕神經(jīng)元的氧化應(yīng)激損傷；RAs直接釋放GSH可充當(dāng)細(xì)胞外清除劑進(jìn)而減輕神經(jīng)元的損傷[16]。此外Ast. 源性的GSH能夠?qū)㈦装彼徇€原為半胱氨酸，神經(jīng)元再通過半胱氨酸合成GSH[17]。因此，RAs通過合成和釋放GSH對神經(jīng)元提供保護(hù)作用。

1.3 釋放神經(jīng)營養(yǎng)因子 神經(jīng)營養(yǎng)因子( neurotrophic factors，NTFs)是一類對神經(jīng)元的發(fā)育、存活和凋亡起重要作用的蛋白質(zhì)，能夠調(diào)節(jié)神經(jīng)細(xì)胞增殖、遷移、分化、軸突和樹突的生長以及突觸可塑性。主要包括BDNF、神經(jīng)營養(yǎng)素-3 (neurotrophin-3，NT-3) 、神經(jīng)生長因子(nerve growth factor，NGF) 以及膠質(zhì)源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(glial-derived neurotrophic factor，GDNF) 等。這些NTFs與高親和力受體Trk家族和低親和力受體p75 NTR結(jié)合，激活下游信號通路，對神經(jīng)元的存活和凋亡發(fā)揮作用。腦缺血后，RAs可釋放神經(jīng)營養(yǎng)因子如BDNF、NT-3、GDNF以及激素營養(yǎng)因子-1(insulin like growth factor-1，IGF-1)等[18，19]，提供神經(jīng)元軸突再生所需要的營養(yǎng)，促進(jìn)神經(jīng)元軸突的生長和突觸可塑性及神經(jīng)再生。研究表明[20]，幾乎所有神經(jīng)遞質(zhì)的功能性受體在Ast. 上都有表達(dá)，腦缺血后，神經(jīng)元比正常狀態(tài)下產(chǎn)生更多的神經(jīng)遞質(zhì)，Ast. 受體上調(diào)產(chǎn)生更多的生長因子，促進(jìn)損傷腦組織的修復(fù)。

1.4 調(diào)節(jié)離子通道 由于腦缺血時(shí)細(xì)胞膜受損，細(xì)胞內(nèi)的K+外流增加，使細(xì)胞外的K+濃度增高，神經(jīng)元過度興奮，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[21]。Ast. 上有多種離子通道：K+通道、電壓門控Ca2+通道、Na+通道以及縫隙連接，可以調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)外的離子濃度、PH值等，對維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定起到重要作用。腦缺血后，RAs主要通過內(nèi)向整流鉀離子通道(inwardly rectifying potassium channel，Kir4.1)對K+和水的運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)。Kir4.1主要表達(dá)在具有高靜息K+傳導(dǎo)( high resting K+conductance)、超極化靜息膜電位(hyperpolarized resting membrane potential )的Ast. 和其它中樞神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中，調(diào)節(jié)細(xì)胞外K+濃度和水的運(yùn)轉(zhuǎn)，維持滲透壓平衡[22]。腦缺血后，RAs攝取K+的過程稱為的K+空間緩沖(K+spatial buffering)[23]，細(xì)胞外的K+通過Kir4.1進(jìn)入到RAs內(nèi)，再通過縫隙連接的星形膠質(zhì)細(xì)胞電耦合網(wǎng)絡(luò)釋放到低K+區(qū)域，緩沖細(xì)胞外液K+濃度水平，使細(xì)胞外液的K+濃度恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)，修復(fù)由于離子失衡導(dǎo)致的神經(jīng)元損傷。

2 腦缺血亞急性期星形膠質(zhì)細(xì)胞膠質(zhì)化對神經(jīng)元的保護(hù)作用

缺血后Ast. 受到刺激，從靜息狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛罨癄顟B(tài)，數(shù)目變多、胞體肥大，并朝著損傷處遷移，隨著缺血時(shí)間的延長在損傷區(qū)域大量聚集，細(xì)胞與細(xì)胞之間的生長相互疊加和覆蓋，形成膠質(zhì)瘢痕。如圖2所示，缺血數(shù)小時(shí)后Ast. 被激活[24]，3～5 d后RAs在損傷區(qū)周圍明顯增加，但是RAs并沒有出現(xiàn)在缺血中心區(qū)。隨著RAs在損傷區(qū)域周圍大量的聚集，缺血7 d后在缺血中心區(qū)周圍形成膠質(zhì)瘢痕[25，26]。腦缺血后，神經(jīng)元處于含有大量有毒因子的環(huán)境中，如離子超載、興奮性氨基酸、自由基和大量的炎癥因子，進(jìn)一步導(dǎo)致神經(jīng)元丟失，而膠質(zhì)瘢痕能夠形成一道屏障，將缺血中心區(qū)與周圍正常區(qū)隔離，防止細(xì)胞損傷的擴(kuò)散，保持細(xì)胞外離子和液體的平衡，抑制自由基的過量釋放，并且RAs為損傷區(qū)膠質(zhì)瘢痕周圍神經(jīng)元提供營養(yǎng)支持，維持神經(jīng)元的存活[27，28]。研究表明Ast. 的活化能夠阻止神經(jīng)元死亡、修復(fù)受損的血腦屏障(Blood brain barrir，BBB)[29]。CNS損傷后通過基因消除RAs造成BBB的恢復(fù)出現(xiàn)故障[30]。此外，膠質(zhì)瘢痕刺激毛細(xì)血管的再生來增加對神經(jīng)元營養(yǎng)和代謝支持。研究表明，膠質(zhì)瘢痕能夠維持體內(nèi)免疫反應(yīng)平衡，在損傷早期RAs可以限制炎癥細(xì)胞向周圍組織擴(kuò)散[31]；消除或減弱RAs，都能加劇炎癥細(xì)胞的擴(kuò)散[32]；限制RAs遷移導(dǎo)致炎癥細(xì)胞的大量浸潤，造成損傷的進(jìn)一步加重[29]。RAs還可以直接分泌免疫調(diào)節(jié)相關(guān)分子如轉(zhuǎn)化生長因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)、腫瘤壞死因子-α(tumour necrosis factoe-α，TNFα)、蛋白聚糖如硫酸軟骨素類蛋白分子(chondroitin sulfate proteoglycan，CSPG)等直接作用于免疫細(xì)胞[33]。其中GSPG還可以調(diào)節(jié)樹突細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和其他免疫細(xì)胞的遷移和活化[34～36]。綜上，缺血急性期膠質(zhì)瘢痕的形成對損傷神經(jīng)細(xì)胞具有重要的保護(hù)作用。

3 腦缺血后期膠質(zhì)限制對神經(jīng)再生的阻礙作用

正常生理情況下，成纖維細(xì)胞同Ast. 一樣處于靜息狀態(tài)，不發(fā)生活化和增殖，表達(dá)低水平的細(xì)胞外基質(zhì)分子(extracellular matrix molecules，ECMs)。腦缺血后成纖維細(xì)胞被激活，發(fā)生遷移。在缺血3 d后，成纖維細(xì)胞入侵到缺血中心區(qū)(見圖2B)，大量增殖并且分泌ECMs如膠原蛋白、纖維連接蛋白和層粘連蛋白，在缺血1 w后形成纖維瘢痕(見圖2C)。研究表明在纖維瘢痕邊界處軸突被切斷，并且成纖維細(xì)胞表達(dá)多種軸突生長抑制因子如NG2蛋白聚糖、磷酸酶蛋白聚糖、軸突導(dǎo)向因子3A等[37]。脊髓損傷后運(yùn)用膠原蛋白抑制劑2，2-didyridyl(DPY)和環(huán)磷酸腺苷抑制成纖維細(xì)胞增殖，能夠抑制纖維瘢痕形成，促進(jìn)皮質(zhì)脊髓軸突再生和運(yùn)動功能的恢復(fù)[38]，提示纖維瘢痕阻礙了軸突再生。缺血14 d，瘢痕組織成熟，使神經(jīng)元與星型膠質(zhì)細(xì)胞之間的連接受損[3，5]。同時(shí)，膠質(zhì)瘢痕分泌的CSPG抑制神經(jīng)元軸突生長，導(dǎo)致神經(jīng)元軸突收縮，生長椎體萎縮[39]，嚴(yán)重的阻礙了損傷后神經(jīng)元的修復(fù)。入侵的成纖維細(xì)胞與RAs共同作用在外圍的Ast. 表層形成連續(xù)的基底膜，重建膠質(zhì)軟膜屏障，即膠質(zhì)限制[40]。纖維瘢痕處于缺血中心區(qū)，而膠質(zhì)瘢痕位于纖維瘢痕外圍，形成物理屏障阻礙了軸突再生，妨礙恢復(fù)期CNS功能的恢復(fù)。

圖2 腦缺血后膠質(zhì)限制的形成過程。A：在缺血1 d BBB破壞，Ast. 活化，形成RA；B：缺血3 d后RA在損傷區(qū)附近聚集，成纖維細(xì)胞入侵到缺血中心區(qū)；C：缺血1 w后，RA在損傷區(qū)附近大量的聚集，形成膠質(zhì)瘢痕，成纖維細(xì)胞活化增殖并分泌ECMs形成纖維瘢痕；D：缺血14 d后，膠質(zhì)瘢痕與纖維瘢痕共同作用封閉病變部位形成膠質(zhì)限制

4 問題與展望

綜上所述，腦缺血后RAs在不同階段發(fā)揮不同的作用，出現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜的時(shí)間動態(tài)過程(見圖3)。缺血急性期(1～3 d)RAs可以通過攝取興奮性物質(zhì)、抗氧化、釋放營養(yǎng)因子、調(diào)節(jié)離子通道等方式對神經(jīng)元提供營養(yǎng)、支持和保護(hù)作用。隨著損傷時(shí)間的推移，缺血7 d后RAs在損傷區(qū)域大量聚集形成膠質(zhì)瘢痕。亞急性期(3～14 d)形成的膠質(zhì)瘢痕通過封閉損傷區(qū)阻止毒性物質(zhì)擴(kuò)散、恢復(fù)內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)、調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)等方式發(fā)揮腦保護(hù)作用。而缺血后期的恢復(fù)期(14 d以后)膠質(zhì)瘢痕成熟，與纖維瘢痕相互作用形成膠質(zhì)限制，阻礙了神經(jīng)修復(fù)。正確認(rèn)識RAs和膠質(zhì)瘢痕在腦缺血后的保護(hù)作用對臨床治療具有重要的指導(dǎo)作用。

圖3 活化型星形膠質(zhì)細(xì)胞對受損神經(jīng)元不同時(shí)間窗的作用

在缺血急性期和亞急性期，內(nèi)環(huán)境急劇惡化，細(xì)胞代謝紊亂，在這種情況下促進(jìn)軸突生長、神經(jīng)再生會造成更大程度的損傷；恢復(fù)期局部環(huán)境恢復(fù)穩(wěn)定，恢復(fù)軸突再生和重接就變得極為重要，而此時(shí)膠質(zhì)瘢痕卻起到抑制作用[27]。所以將Ast. 作為治療缺血性腦血管疾病的靶點(diǎn)，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)淖饔脮r(shí)機(jī)。目前抑制膠質(zhì)瘢痕的治療方法大多都選擇在損傷急性期，但此時(shí)抑制膠質(zhì)瘢痕導(dǎo)致RAs未能充分發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用。腦缺血7 d后采用藥物干預(yù)抑制Ast. 過度活化、降解膠質(zhì)瘢痕，對隨后的神經(jīng)發(fā)生和突觸形成起到關(guān)鍵作用[41，42]。研究表明，CNS損傷7 d后采用藥物干預(yù)，能充分發(fā)揮膠質(zhì)瘢痕在損傷亞急性期的保護(hù)作用[43，44]，表明CNS的延期治療具有更大的潛力。因此，抑制膠質(zhì)瘢痕形成或加速其降解的藥物干預(yù)時(shí)間選擇在亞急性期。充分發(fā)揮RAs和膠質(zhì)瘢痕在損傷修復(fù)中的積極作用，并選擇最佳的治療時(shí)間窗來抑制或降解膠質(zhì)瘢痕，才能最有效地發(fā)揮RAs促進(jìn)神經(jīng)元修復(fù)的作用。