劉可心 宋麗娟,2,3 韓光遠 李曉慧 苗珠月 魏汝恒 尉杰忠,4 馬存根,4 黃建軍,3

(1山西中醫(yī)藥大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)研究中心 國家中醫(yī)藥管理局多發(fā)性硬化益氣活血重點研究室,山西 晉中 030619;2山西醫(yī)科大學(xué)細胞生理學(xué)省部共建教育部重點實驗室;3國藥同煤集團總醫(yī)院神經(jīng)外科;4山西大同大學(xué)腦科學(xué)研究所)

腦卒中具有高發(fā)病率、高致殘率、高復(fù)發(fā)率、高死亡率的特點〔1〕,其中腦梗死(缺血性腦卒中)為最常見類型,占腦卒中的70%～80%。腦梗死系因腦部血液循環(huán)障礙,即缺血、缺氧所致的局灶性腦組織的缺血性壞死或軟化,出現(xiàn)相應(yīng)的神經(jīng)功能缺損的癥狀和體征。星形膠質(zhì)細胞(AS)和小膠質(zhì)細胞(MG)都是構(gòu)成神經(jīng)血管單元(NVU)的重要細胞。在腦缺血等病理過程不同階段各自發(fā)揮不同作用。同時,兩者通過釋放各種信號分子進行對話,也在其中發(fā)揮著重要的作用。

1 AS在腦缺血中的雙重作用

AS是中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)中數(shù)量最多的細胞類型〔2,3〕,AS不僅在CNS中起到支持和隔離的作用,還能合成和分泌20余種細胞因子,對維持神經(jīng)元生長、發(fā)育、分化和再生都有重要作用,對神經(jīng)元損傷的修復(fù)和維持大腦結(jié)構(gòu)功能也有著重要的調(diào)節(jié)作用〔4～6〕。近年來不斷有研究表明,AS在腦缺血不同時期具有不同的作用。

1.1AS在腦缺血中的保護作用 在腦缺血早期,炎癥信號的傳遞由活化的MG進一步激活A(yù)S〔7〕。AS被激活后通過釋放抗炎因子、攝取興奮性氨基酸及形成膠質(zhì)瘢痕等功能維持細胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài),從而保護神經(jīng)元〔8～11〕。研究顯示,腦缺血缺氧早期病變區(qū)域AS大量增殖,隨著時間推移,腦缺血后第7天數(shù)量明顯增加〔12〕。隨后2 w內(nèi)一直處于較高水平,說明缺血缺氧早期腦組織損傷嚴重,在歷經(jīng)1 w左右的自我修復(fù)后,AS逐漸在病灶部位形成膠質(zhì)瘢痕,將未受損區(qū)域與損傷區(qū)域隔離開,有助于內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)恢復(fù)和促進神經(jīng)軸突生長;但是過度增生會占據(jù)腦內(nèi)較大空間,阻礙神經(jīng)細胞修復(fù)再生〔13〕。此外,AS在腦缺血早期可通過其膠質(zhì)細胞膜上的谷氨酸轉(zhuǎn)運蛋白及其特異性酶-谷氨酰胺合成酶(GS)攝取細胞間隙過量的谷氨酸,減輕腦缺血后早期的神經(jīng)毒性,減輕對神經(jīng)元的損傷,發(fā)揮腦保護作用。

1.2AS在腦缺血中的損傷作用 AS作為一種免疫細胞,能產(chǎn)生誘導(dǎo)性一氧化氮合酶(iNOS)、腫瘤壞死因子(TNF)-α和白細胞介素(IL)等炎癥因子,對周圍環(huán)境造成影響。當(dāng)缺血缺氧嚴重時,反應(yīng)AS(RAS)增多并進一步釋放一氧化氮(NO)、TNF-α、IL-1、IL-6等炎癥因子及谷氨酸等神經(jīng)遞質(zhì),促進缺血性炎性反應(yīng),加重腦缺血損傷〔14～16〕。其結(jié)果是,腦部膠質(zhì)細胞不斷增生,最終在受損部位同細胞外基質(zhì)共同構(gòu)成致密的瘢痕樣結(jié)構(gòu),即膠質(zhì)限制,而AS正是這種瘢痕結(jié)構(gòu)的主要部分〔17〕,在膠質(zhì)限制中的AS會分泌大量的神經(jīng)抑制因子阻礙神經(jīng)元軸突生長及細胞間的相互對話〔18〕,嚴重阻礙腦缺血后期腦組織修復(fù)〔19,20〕。

腦缺血損傷后的早期,AS被激活并快速到達損傷部位,一方面通過釋放抗炎因子、攝取過多谷氨酸及形成早期膠質(zhì)瘢痕等作用維持細胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài),發(fā)揮腦保護作用;另一方面,在腦缺血缺氧恢復(fù)期,AS又分泌炎癥因子促進炎性反應(yīng)、釋放興奮性氨基酸以及膠質(zhì)瘢痕過度增生而形成的膠質(zhì)限制等對腦組織造成傷害〔21〕。

2 MG在腦缺血缺氧中雙重的作用

MG是腦內(nèi)常駐的固有免疫細胞,也是CNS防御損傷的第一道防線,監(jiān)視并維持著腦內(nèi)微環(huán)境的穩(wěn)定〔22〕。腦缺血后,MG細胞活化為神經(jīng)毒性M1型和神經(jīng)保護性M2型2種不同的表型。一方面M1型分泌促炎性細胞因子和毒性介質(zhì),加重炎癥反應(yīng),引起繼發(fā)性損傷。另一方面M2型分泌細胞因子、發(fā)揮吞噬作用促進缺血后神經(jīng)功能的恢復(fù)。

2.1MG在腦缺血中的損傷作用 腦缺血后,MG迅速由“靜息”態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧せ畹摹鞍⒚装蜆印睜顟B(tài),具體表現(xiàn)為胞體增厚,細胞肥大,突起變短或消失。MG最初被激活時進入M1型,是經(jīng)典激活狀態(tài)。M1型可釋放大量促炎性細胞因子、活性氧(ROS)和蛋白酶等毒性物質(zhì),參與炎癥反應(yīng)并誘導(dǎo)興奮性神經(jīng)毒性來破壞血腦屏障(BBB)的完整性,加重腦損傷〔23,24〕。腦缺血后M1可釋放TNF-α、IL-1β等大量的炎癥因子。研究表明,TNF-α促進內(nèi)皮細胞壞死,IL-1β可以下調(diào)緊密黏連蛋白緊密黏連蛋白(ZO)-1 表達等〔25〕。腦缺血后MG分泌的 TNF-α還可以誘導(dǎo)谷氨酸分泌,抑制Ast對谷氨酸的再攝取作用,增加細胞外谷氨酸濃度,加重神經(jīng)元異常興奮〔26〕。此外,MG在腦缺血后可以釋放的基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)主要包括 MMP-3 和 MMP-9,兩者通過降解細胞外基質(zhì)蛋白和緊密連接蛋白,破壞BBB完整性。

2.2MG在腦缺血中的保護作用 腦缺血后,M2型MG發(fā)揮著重要的神經(jīng)保護作用。M2型可以分泌多種神經(jīng)營養(yǎng)因子,如血清胰島素樣生長因子(IGF)-1〔27〕、膠質(zhì)細胞源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(GDNF)〔28〕和腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)〔29,30〕,這些營養(yǎng)因子可以促進腦缺血后神經(jīng)元的再生并使梗死周圍的再生纖維沿著增加的營養(yǎng)梯度向缺血灶的邊緣生長〔31〕,并逐漸填充液化灶參與膠質(zhì)瘢痕的形成。腦缺血后,激活的MG細胞不僅可以釋放IL-10和TGF-β對抗梗死區(qū)TNF-α和ROS的產(chǎn)生,減輕中性粒細胞及淋巴細胞的浸潤,減輕缺血后炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激,也可以通過激活Janus激酶(JAK)1/信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄活化因子(STAT)3通路促進突觸形成,直接發(fā)揮神經(jīng)保護作用〔32〕。近年來越來越多的研究表明MG參與了突觸的重塑,這為減輕腦缺血后突觸功能障礙,促進神經(jīng)回路細化發(fā)揮著重要作用〔33〕。尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶(NADPH)是腦缺血后神經(jīng)毒性的主要介質(zhì)之一〔34〕,在受到NADPH氧化酶介導(dǎo)的炎癥刺激后,MG 3型補體受體(CR3)激活并觸發(fā)突觸抑制,這有利于調(diào)節(jié)缺血損傷后神經(jīng)回路的功能,表明MG可能在突觸重塑中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

此外,MG可通過CD36和髓系細胞觸發(fā)受體(TREM)2受體〔35,36〕、分泌補體成分 C1q〔37〕及激活MAF轉(zhuǎn)錄因子(MAFB)/巨噬細胞清道夫受體(MSR)1〔38〕和 STAT6/精氨酸酶(Arg)1〔39〕信號通路介導(dǎo)吞噬反應(yīng),減輕腦缺血損傷后由于細胞碎片引起的繼發(fā)性炎癥反應(yīng),緩解缺血后損傷。當(dāng)然,MG的吞噬作用也具有雙面性,適度的MG吞噬有助于腦缺血后神經(jīng)功能的恢復(fù),但過度的吞噬也可直接導(dǎo)致腦組織發(fā)生遲發(fā)性神經(jīng)元丟失和死亡。MG作為參與腦缺血損傷的先行兵,在腦缺血缺氧的病理過程中起保護與損害的雙重作用,具體與缺血后不同病理階段細胞環(huán)境和功能狀態(tài)密切相關(guān)〔40〕。MG的活化、遷移、增殖和表型分化對腦缺血缺氧預(yù)后有重要的影響。

3 AS和MG的相互作用及機制

AS與MG在CNS中并不是孤立存在的,激活的AS和MG之間的相互作用是通過多種分子信號發(fā)生的,如三磷酸腺苷(ATP)、細胞因子等,在NVU中實現(xiàn)免疫優(yōu)化,并構(gòu)建級聯(lián)放大免疫網(wǎng)絡(luò)〔41〕。

CNS損傷發(fā)生后,AS與MG的反應(yīng)并不同步。AS的反應(yīng)較MG相對延遲,這可能與活化后的MG激活A(yù)S有關(guān)。但在持續(xù)的慢性神經(jīng)炎癥反應(yīng)中,RAS持續(xù)釋放IL-1、IL-6、TNF-α、轉(zhuǎn)化生長因子β、干擾素(IFN)-γ等細胞因子,這些炎癥因子進一步激活MG,加重炎性反應(yīng)〔42〕。與此同時,RAS釋放ATP,作用于MG的嘌呤受體激活后,促使其自身快速向受損區(qū)域移動并發(fā)揮免疫功能〔43〕。也有研究表明,MG迅速釋放少量ATP,AS反過來通過P2Y1受體增加興奮性突觸后電流的頻率來放大這種釋放〔44〕。MG作為上游細胞觸發(fā)炎性反應(yīng),形成RAS,后者與連接蛋白通道耦合產(chǎn)生胞體放大反應(yīng)。此外,AS和其產(chǎn)生的細胞因子可以通過調(diào)節(jié)MG的數(shù)量和功能來調(diào)節(jié)炎性反應(yīng)。反過來,AS通過釋放趨化因子CCL2/CCL10,誘導(dǎo)MG從M1型向M2型轉(zhuǎn)化,促使MG快速遷移向受損區(qū)域,同時增強了MG的吞噬能力〔45〕。這些結(jié)果表明AS和MG相互作用在放大神經(jīng)炎癥、發(fā)揮免疫功能的過程中均扮演重要角色。

3.1協(xié)同作用 腦缺血缺氧損傷是高度復(fù)雜的病理生理過程,會誘發(fā)一系列細胞分子事件。研究發(fā)現(xiàn),AS與MG相互作用在腦缺血缺氧后的病理生理過程中,通過結(jié)構(gòu)功能及表型的轉(zhuǎn)化和一系列信號通路發(fā)揮協(xié)同作用,見圖1。

3.1.1通過結(jié)構(gòu)功能發(fā)揮協(xié)同作用 韓宏等〔46〕通過激光共聚焦顯微鏡觀察到大鼠腦梗死的“半暗區(qū)”內(nèi),增生、肥大的AS伸出的突起和激活的MG相互交錯,關(guān)系密切。AS活化后不僅發(fā)出突起到MG胞體上,還接受MG的突起,說明AS和MG可以通過結(jié)構(gòu)和功能以協(xié)同的方式來適應(yīng)腦梗死后的病理環(huán)境。

3.1.2經(jīng)旁分泌作用方式發(fā)揮協(xié)同作用 MG和AS經(jīng)膠質(zhì)細胞旁分泌的調(diào)節(jié)模式通過細胞因子進行對話。在腦缺血缺氧損傷的急性期,活化的MG可釋放IL-1、IL-2、IL-6、TNF-α等炎性因子,作為最初的觸發(fā)因子,作用于AS上相關(guān)受體激活A(yù)S。研究表明,活化的MG通過信號通路的調(diào)節(jié),參與AS激活或凋亡,還可以誘導(dǎo)AS釋放細胞因子等。相關(guān)的體外實驗結(jié)果顯示,MG通過旁分泌的方式釋放TNF-α,并誘導(dǎo)周圍AS的活化、增生,釋放營養(yǎng)因子,發(fā)揮神經(jīng)保護作用〔47〕。此外,有報道表明IL-1主要由MG產(chǎn)生,IL-1受體拮抗劑已被證明在腦缺血中具有神經(jīng)保護作用,在小鼠中缺失激動劑IL-1α和IL-1β的編碼基因可減少80%的缺血性腦損傷〔48〕。而AS在MG缺失的情況下不能完全被激活,對損傷無反應(yīng)〔49〕。

3.1.3通過表型轉(zhuǎn)換發(fā)揮協(xié)同作用 腦缺血缺氧損傷發(fā)生后,MG最先被激活進入M1表型,進入梗死灶周圍和梗死核心區(qū),并產(chǎn)生IL-1和TNF-α等分子信號,激活RAS進入A1表型〔50〕。這些炎癥信號不僅可以被MG激活的自反饋回路放大,還可以被AS獨特的解剖結(jié)構(gòu)放大。電子顯微鏡鏡下觀測到AS位于神經(jīng)元和血管附近,其緊緊包裹著微血管結(jié)構(gòu)〔51〕,AS足突與突觸前和突觸后區(qū)域密切接觸,形成稱為“三部突觸”的結(jié)構(gòu),AS獨特的形態(tài)學(xué)特征有助于其進行信息處理〔52〕。

隨著病程的進一步發(fā)展,MG由M1型轉(zhuǎn)變?yōu)镸2型,M2與A2發(fā)生相互作用〔53〕。當(dāng)AS與神經(jīng)元和血管同時通信以維持神經(jīng)元和BBB的功能時,其細微的變化可能被MG識別并作出反應(yīng),并可能轉(zhuǎn)移到MG。AS與MG通過以上形式構(gòu)建級聯(lián)放大免疫網(wǎng)絡(luò),促進神經(jīng)元存活和生長,促進突觸修復(fù),實現(xiàn)免疫優(yōu)化〔54〕。

3.1.4通過JAK/STAT3、c-Jun、STAT3和NF-κB、 氧化還原敏感蛋白(Keap1)/Nrf2信號通路發(fā)揮協(xié)同作用 Molet等〔55〕報道MG通過JAK/STAT3通路,作用于鄰近細胞,主要激活A(yù)S的c-Jun、STAT3和NF-κB通路,促進AS增殖,從而參與周圍多種細胞功能改變及中樞神經(jīng)組織損傷后的重塑。Iizumi等〔56〕研究顯示激活的MG釋放NO,通過Keap1/Nrf2通路,激活A(yù)S的磷酸戊糖途徑(PPP),產(chǎn)生谷胱甘肽過氧化物酶降低氧化應(yīng)激反應(yīng),發(fā)揮神經(jīng)保護作用。

3.2拮抗作用 CNS受到缺血缺氧刺激后,MG激活早于AS,并促進AS活化,同時活化的AS反過來作用于MG,也可促進遠隔部位的MG活化,或抑制MG過度激活,避免持續(xù)的炎性反應(yīng)導(dǎo)致疾病的進行性加重,形成惡性循環(huán),造成更多的神經(jīng)元死亡,見圖2。

①活化的MG釋放IL-10,作用于AS上的IL-10受體,使活躍的AS釋放TGF-β,TGF-β反過來減弱MG活抑制NO的產(chǎn)生;②MG釋放TNF-α,誘導(dǎo)AS增生,AS活化了MG的Nrf2,降低MG對氧化應(yīng)激的反應(yīng);③AS通過Toll樣受體(TLR)4/NF-κB/STAT3信號通路釋放生長相關(guān)蛋白生長相關(guān)蛋白(GAP)43,抑制MG激活圖2 AS與MG在腦缺血缺氧中發(fā)揮拮抗作用

3.2.1經(jīng)血紅素氧化酶-1發(fā)揮拮抗作用 Min等〔57〕研究表明用AS條件培養(yǎng)液處理MG,通過誘導(dǎo)核因子和轉(zhuǎn)錄因子核轉(zhuǎn)位,可增加MG的血紅素氧化酶(HO)-1的表達水平及活性,抑制ROS產(chǎn)生,最終降低iNOS的表達,減少NO的釋放,即AS可調(diào)節(jié)MG表達HO-1的活性和產(chǎn)生ROS的量,從而達到抑制MG介導(dǎo)的過度炎性反應(yīng)作用。

3.2.2經(jīng)IL-10發(fā)揮拮抗作用 Norden等〔58〕研究顯示激活的MG釋放抗炎性細胞因子IL-10,作用于AS上的IL-10受體,使活躍的AS釋放TGF-β,后者反過來減弱MG的激活,抑制MG中促炎性細胞因子和NO產(chǎn)生,從而抑制神經(jīng)炎性反應(yīng),促進神經(jīng)元的再生與修復(fù)。

3.2.3經(jīng)轉(zhuǎn)錄因子Nrf2發(fā)揮拮抗作用 體外研究證實MG通過旁分泌方式釋放 TNF-α,誘導(dǎo)周圍AS的增生,且AS培養(yǎng)基能夠顯著降低MG對氧化應(yīng)激的反應(yīng),其機制可能是AS活化了MG的轉(zhuǎn)錄因子 Nrf2,促進抗氧化應(yīng)激基因的表達,從而降低了氧自由基的產(chǎn)生〔59〕。這個調(diào)節(jié)途徑作為一個負反饋調(diào)節(jié)方式,抑制MG產(chǎn)生過多的氧自由基,從而減輕了對神經(jīng)元的非特異性損傷〔60〕。

3.2.4通過TLR4/NF-κB/STAT3信號通路發(fā)揮拮抗作用 TLR4是一種細胞膜表面受體,能誘發(fā)機體產(chǎn)生炎癥免疫反應(yīng)〔61〕。TLR4在MG、AS和神經(jīng)元等細胞中廣泛表達〔62〕,在參與AS-MG對話中發(fā)揮關(guān)鍵作用〔63〕。NF-κB 作為 TLR4重要的下游信號核轉(zhuǎn)錄因子之一,可增強IL-2、IL-1β、TNF-α等基因的轉(zhuǎn)錄,使其表達增多,從而刺激炎性信號進一步級聯(lián)放大〔64〕。Hung等〔65〕研究顯示激活的AS可通過 TLR4/NF-κB/STAT3信號通路,釋放GAP43,抑制MG激活,進而抑制MG介導(dǎo)神經(jīng)毒性,發(fā)揮神經(jīng)保護作用。

綜上所述,MG和AS在神經(jīng)炎癥反應(yīng)中都具有雙重調(diào)節(jié)作用,導(dǎo)致兩者之間的作用機制比較復(fù)雜,MG與AS通過多維度相互作用,涵蓋了結(jié)構(gòu)功能、旁分泌方式、AS與MG之間表型轉(zhuǎn)換、信號通路、轉(zhuǎn)錄因子等方式。

4 藥物干預(yù)對AS和MG相互作用的影響

近年越來越多的研究表明,一些藥物有效成分對AS和MG的對話過程有積極作用,不僅可以加強AS和MG之間的相互作用,還能降低炎癥反應(yīng)中促炎性細胞因子的表達水平,降低神經(jīng)毒性,發(fā)揮抗炎作用和神經(jīng)保護作用。

在缺血性腦卒中后,利用AS與MG間溝通對話能力降低神經(jīng)炎性方面,燈盞花乙素通過抑制MG過度激活介導(dǎo)的炎性反應(yīng),調(diào)節(jié)了AS的活化增殖水平,促進其對CNS的修復(fù)功能〔66〕。與之類似的,米諾環(huán)素在缺血性腦卒中后早期階段特異性激活A(yù)S的活化表達,在影響神經(jīng)可塑性的同時,降低了MG的激活,減輕后續(xù)的促炎性極化〔67〕。又有研究通過影響神經(jīng)膠質(zhì)細胞代謝途徑進而對AS與MG的炎性互作產(chǎn)生影響,Omega-3不飽和脂肪酸通過靜脈給藥的途徑,降低了缺氧誘導(dǎo)因子(HIF)-1α、NO和IL-1β等炎性因子的水平含量,這對于AS與MG之間的炎性串?dāng)_具有關(guān)鍵影響,有力地阻止了缺血性腦卒中后CNS中炎癥的進一步發(fā)展〔68〕。作為可食用不飽和脂肪酸的一種,棉籽油通過抑制MG和AS的炎癥激活減輕缺血性腦卒中損傷。具體而言,棉籽油治療顯著降低MG和AS的活化,抑制TLR4和NF-κB蛋白表達,通過影響炎性相關(guān)信號通路的方式,減少IL-1β、IL-6和TNF-α的釋放〔69〕。

中藥也可以通過干預(yù)AS和MG間的交互作用影響缺血性腦卒中后的發(fā)展與轉(zhuǎn)歸。天麻作為傳統(tǒng)中藥在治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病方面歷史悠久,最新基礎(chǔ)研究表明,其有效成分天麻素能經(jīng)抑制脂多糖刺激后MG中的NF-κB信號通路和絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)持續(xù)磷酸化,顯著降低促炎細胞因子和神經(jīng)毒性促炎介質(zhì)的表達水平,從而減弱AS的活化,起到抗炎作用〔70〕。亦有通過小鼠MCAO模型注射天麻素發(fā)現(xiàn),Akt磷酸化和Nrf2表達增多,TNF-α和IL-1β等促炎因子的釋放降低,對于AS和MG間的炎癥干擾具有緩解作用〔71〕,有效起到缺血性腦卒中治療過程中所需的抗炎抗氧化作用。茴香醇作為茴香的主要藥用成分,也能通過抑制NF-κB信號通路的方式,影響MG極化方向〔72〕,降低促炎性極化的可能,對AS的抗炎性極化有積極作用。丹皮酚則可以通過影響AS,介導(dǎo)與MG間的炎性對話,抑制缺血區(qū)MG的活化,改善腦缺血再灌注后 72 h缺血核心區(qū)和周邊區(qū)的神經(jīng)元損傷,還可以修復(fù)再灌注后28 d缺血周邊區(qū)的神經(jīng)元損傷〔73〕。

綜上,MG和AS的激活和相互作用在腦缺血缺氧后的不同階段起著至關(guān)重要的作用。激活的MG與RAS在神經(jīng)炎癥反應(yīng)中可能通過相互作用實現(xiàn)免疫“最優(yōu)化”。二者既協(xié)同又拮抗,協(xié)同作用通過結(jié)構(gòu)功能適應(yīng)病理環(huán)境,通過旁分泌、表型轉(zhuǎn)換及JAK/STAT3等信號通路積極發(fā)揮免疫作用,構(gòu)建免疫網(wǎng)絡(luò);拮抗作用通過相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子等相關(guān)活性物質(zhì)及TLR4/NF-κB/STAT3信號通路,抑制炎癥反應(yīng)持續(xù)加重。總之,MG與AS的對話將為未來缺血性腦血管疾病的治療策略提供新的方向,但如何調(diào)節(jié)兩者之間的平衡關(guān)系達到治療效果仍值得探究。