星形胶质细胞—离成为缺血性脑卒中的治疗目标还有多远？

《中国急性缺血性脑卒中诊治指南(2018)》中指出脑卒中的治疗方式主要包括改善脑血循环、使用他汀类药物及神经保护类药物等方法,但目前的治疗手段仍有诸多缺点和禁忌,如阿替普酶溶栓治疗仍存在出血风险以及因血管源性水肿引起呼吸道梗阻等缺点;而手术的临床安全性与有效性尚不明确。脑卒中发病机制复杂为寻找安全有效的治疗药物带来了困难。大多数研究都集中在神经元上,而忽略了神经血管单元的其他细胞(如星形胶质细胞)的重要作用。

星形胶质细胞几乎占脑细胞的一半,并且它们是神经胶质细胞中最丰富的亚型。星形胶质细胞在健康和疾病中的中枢神经系统 (CNS) 的许多方面发挥作用,包括维持正常的大脑功能、形成血脑屏障、控制和支持神经元、回收神经递质以及与其他细胞交流。神经血管单元 (NVU) 是由神经胶质细胞、神经元、血脑屏障(BBB)和细胞外基质组成的结构和功能单元,其主要功能是响应中枢神经系统的生理或病理刺激,通过调节脑血流量来满足大脑的动态代谢需要。

星形胶质细胞被认为是神经血管单元或血脑屏障扩张不可或缺的元素,动态调节神经元与脑血管系统之间的相互作用,在维持血脑屏障和神经血管耦合中起关键作用。在神经血管单元中,星形胶质细胞功能障碍可导致血脑屏障损伤和神经血管失调。在生理条件下,星形胶质细胞限制外周免疫细胞穿过血脑屏障;在病理条件下,星形胶质细胞参与先天免疫反应和适应性免疫反应。

神经血管单元由神经元、神经胶质细胞(星形胶质细胞、小胶质细胞和少突胶质细胞)、血管细胞(周细胞、内皮细胞和血管平滑肌细胞)和脑血管系统的基底层基质组成。

因此,在缺血性脑卒中的发展过程中,随着脑环境的破坏,星形胶质细胞的状态起到了其举足轻重的作用。其良性发展会起到修复的作用,但其异常发展会起到火上浇油的作用。然而,直到现在,星形胶质细胞对中风的具体影响还没有完全了解。本文介绍目前对缺血性中风后星形胶质细胞功能的理解。

作为大脑中最丰富的神经胶质细胞和中枢神经系统中最丰富的细胞类型,星形胶质细胞具有许多管家功能,包括通过释放营养因子来维持血脑屏障稳态,通过调节脑血流量支持和保护脆弱的神经元,神经递质和抗氧化剂的循环,以及大脑代谢。星形胶质细胞通过调节离子平衡来维持细胞外环境,为葡萄糖和其他代谢物在血液和神经元之间的流动提供一条途径。缝隙连接连接星形胶质细胞,星形胶质细胞终足富含缝隙连接通道。基底部星形胶质细胞终足几乎覆盖了大脑中毛细血管的整个表面并参与形成和维持血脑屏障的完整性,这有助于防止有害分子进入大脑并将CNS与身体其他部位隔离。星形胶质细胞释放多种可溶性因子来控制突触的成熟,并具有很强的调节突触强度以响应神经元活动变化的能力,这表明星形胶质细胞在突触连接的建立和重建中十分活跃。

此外,星形胶质细胞与许多毛细血管和其他细胞互相关联。星形胶质细胞不是典型的免疫细胞,但它们可以作为炎症细胞发挥作用,生成炎症因子,并产生和释放各种炎性介质,如一氧化氮(NO)、前列腺素(PG)和花生四烯酸(AA),它们有助于调节血管直径和血流。同时,星形胶质细胞分泌胰岛素生长因子(IGF)、神经生长因子(NGF)、血管内皮生长因子(VEGF)和促红细胞生成素(EPO),以刺激神经发生。

星形胶质细胞可通过分泌促神经元因子(如 IGF、NGF、VEGF 和 EPO)影响新生神经元的生成、分化和迁移。IGF:胰岛素生长因子;NGF:神经生长因子;VEGF:血管内皮生长因子;EPO:促红细胞生成素。

星形胶质细胞通过反应性星形胶质细胞增生对各种形式的中枢神经系统损伤做出反应。缺血性卒中后的预后主要取决于星形胶质细胞对损伤的反应。反应性星形胶质细胞在不同阶段有不同的作用。在急性期,反应性星形胶质细胞发挥神经保护作用,但在亚急性期和慢性期,它们对大脑功能既有积极影响,也有消极影响。例如,在缺血性中风的急性期,梗死周围区域星形胶质细胞的增殖和肥大有助于封闭损伤部位,重塑组织,并在空间和时间上控制局部免疫反应。然而在慢性期,星形胶质细胞过度增殖形成胶质瘢痕可能限制中枢神经功能的恢复。星形胶质细胞相关结构/蛋白在缺血性卒中不同发育阶段的星形胶质细胞活化中发挥着不同的作用,了解星形胶质细胞的这种变化将有助于找到该疾病的治疗策略。下文将从5个方面阐述星形胶质细胞在缺血性卒中中的具体作用。

血脑屏障在星形胶质细胞形成和其血管覆盖之前形成,因此这些细胞在最初的血脑屏障诱导中不起作用,但一旦星形胶质细胞成熟,它们就会调节并维持血脑屏障的稳定性。星形胶质细胞-血脑屏障-内皮细胞在生理和病理条件下相互作用。缺血性卒中的早期表现通常是血脑屏障破坏。脑卒中后1小时内发生血脑屏障渗漏,可能导致缺血性组织损伤、继发性神经炎症、血管源性水肿形成和脑出血。进一步损伤后,星形胶质细胞及其产生的某些因子诱导内皮细胞凋亡,降低内皮TJ相关蛋白的表达,并导致血脑屏障进一步恶化。此外,一些星形胶质细胞衍生因子还控制穿过血脑屏障的白细胞,从而引发大脑炎症。及时再灌注可恢复血脑屏障通透性。然而,由于ROS的产生和蛋白酶的释放,晚期再灌注可加重血脑屏障损伤。因此,保护和恢复血脑屏障对于减缓脑损伤的进展至关重要。

在脑疾病中,星形胶质细胞释放各种细胞外信号分子。

图a:血管通透性因子。星形胶质细胞衍生的VEGF、MMP、NO、谷氨酸和ETs引起内皮细胞凋亡和TJ相关蛋白的下调,导致血脑屏障破坏。

图b:血管保护因子。星形胶质细胞源性ANG-1、SHH、GDNF、RA、IGF-1和APOE保护内皮细胞不凋亡,促进TJ功能的恢复。VEGF:血管内皮生长因子;MMPs:基质金属蛋白酶;ETs:内皮素;ANG-1:血管生成素-1;SHH:音猬因子;GDNF:胶质源性神经营养因子;RA:维甲酸;IGF-1:胰岛素样生长因子-1;APOE:载脂蛋白E。

此外,星形胶质细胞分泌血管生成素,促进血管生成并诱导内皮通透性降低。但是当某些因素(如可损害血脑屏障功能的VEGF)与血管生成素共同表达时,屏障完整性可增强,并可诱导神经保护特性。星形胶质细胞还产生血管紧张素转换酶1,将血管紧张素I转换为血管紧张素II,并作用于血脑屏障内皮细胞表达的1型血管紧张素受体(AT1),以诱导血管收缩,激活AT1,并抑制血脑屏障的通透性。

VEGF,也称为血管通透性因子,是一种多功能蛋白,参与血管生成、炎症、癌症以及伤口愈合和修复。它主要由星形胶质细胞分泌,在脑组织中广泛表达,并对增加血管通透性有强烈作用。缺氧诱导因子HIF-1和HIF-2的转录激活诱导缺血和缺氧脑中VEGF的表达。缺血损伤后6小时内,VEGF表达增加,尤其是在缺血边缘或半暗带。尽管VEGF和HIF-1的血管生成功能促进急性期水肿的形成,但它们在缺氧损伤的长期反应中具有保护作用。除VEGF外,星形胶质细胞还与星形胶质细胞分泌的SCF协同释放IGF-I信号,以保护神经元免受氧化应激。

除VEGF和IGF外,活化的星形胶质细胞还能持续释放生长因子,如转化生长因子-β、脑源性神经营养因子、胶质细胞系源性神经营养因子、碱性成纤维细胞生长因子、睫状神经营养因子、血小板源性生长因子、神经生长因子和通过不同途径参与慢性期神经元的存活和保护的促红细胞生成素,促红细胞生成素对维持缺血卒中后血脑屏障的完整性和神经血管单元的重塑至关重要。

这些因子的分泌还可以影响新神经元的分化和迁移,控制神经炎症,并参与胶质细胞介导的血管生成。脑缺血损伤后,反应性星形胶质细胞还分泌神经母细胞吸引趋化因子,如基质细胞衍生因子-1,这有助于引导神经母细胞迁移至梗死脑区。星形胶质细胞在神经保护和神经修复方面也发挥着潜在的帮助作用,通过限制病变的扩展,减少兴奋性毒性,并释放神经营养素,这些营养素有助于缺血性中风后的血管生成、神经发生、突触形成和轴突重塑。

生长因子影响星形胶质细胞代谢。星形胶质细胞分泌生长因子分子,如BDNF、GDNF和NGF,从而激活包括PI3K/AKT和MAPK在内的各种信号通路,这些信号通路对细胞存活过程、神经元保护、抗氧化表达、BBB中断和调节、血管生成效应和线粒体保护都很重要。

星形胶质细胞通过缝隙连接与邻近细胞进行通讯,这可能为远距离通讯提供了可能性。缝隙连接是连接蛋白的轴向六聚体,是相邻细胞之间电传输、代谢和离子耦合的主要结构。缝隙连接在生理条件下总是开放的,促进代谢物之间的沟通和信息交换。同时,星形胶质细胞缝隙连接通道也在胶质细胞之间携带化学信号和代谢物(葡萄糖和乳酸),促进神经元、胶质细胞和血管组织的功能。终足是星形胶质细胞的一部分,具有丰富的缝隙连接通道。基底膜的星形胶质细胞末梢几乎覆盖了大脑毛细血管的整个表面,并参与形成和维持血脑屏障的完整性,这有助于防止有害分子进入大脑,并将CNS与身体其他部位隔离。

星形胶质细胞通过缝隙连接相互连接,缝隙连接由聚集的连接蛋白(Cx)半通道形成,形成星形胶质细胞合胞体.

星形胶质细胞围绕着整个大脑的神经回路,并在间质环境中维持稳态,这对于神经元信号和信息处理至关重要。在中枢神经系统中,相邻星形胶质细胞(A/A连接:astrocytes/astrocytes)和少突胶质细胞(O/A连接:oligodendrocytes and astrocytes)之间的大量缝隙连接使小分子在胶质细胞内部和之间的运动相对不受限制,而血脑屏障的功能将随着缝隙连接的消融而降低。星形胶质细胞通过缝隙连接与相邻的星形胶质细胞和少突胶质细胞进行功能耦合,形成“胶质合胞体”,并维持胶质细胞和神经元的稳态。

星形胶质细胞表达3种主要的缝隙连接和半通道蛋白,即连接蛋白26(Cx26)、连接蛋白30(Cx30)和连接蛋白Cx43,其中Cx43是主要的星形胶质细胞缝隙连接蛋白。Cx43存在于星形胶质细胞的血管周围末梢,在白质中的表达少于在灰质中的表达。间质连接的潜在效应是将相邻星形胶质细胞“钳制”到相同的静息膜电位,这是维持稳定的细胞外离子浓度以及K+梯度稳态所必需的。在缺血和缺氧的情况下,星形胶质细胞的缝隙连接释放谷氨酸,导致兴奋性毒性,细胞外K+增加,从而增强神经元膜的静息电位,使随后的放电活动更有可能发生。在缺血性中风中,大脑中动脉阻塞导致梗死核心神经元迅速丧失,而梗死周围,也称为半暗带,是一个不稳定且可恢复的区域。在梗死周围,发现在缝隙连接处高水平表达连接蛋白43(Cx43)的反应性星形胶质细胞。在缺血应激下,星形胶质细胞中Cx43的缺失或加速其降解可以完全保护细胞免于凋亡。此外,缺血预处理可以有效地阻断星形胶质细胞之间的间隙,减少细胞外谷氨酸,减少星形胶质细胞中谷氨酸和活性氧ROS的释放,并减少神经元损伤。

在大脑中,水存在于脑脊液、血液、实质细胞和间质成分中。流体流经血管、心室对正常生理功能至关重要。神经血管单元由血管、神经元和星形胶质细胞组成,是控制水流的关键。在缺血性中风中,水肿会导致颅内压升高,从而压迫神经组织,使病情恶化。

水通道蛋白(AQP)是一种非选择性的双向水通道,允许水在细胞膜上被动扩散。中枢神经系统中有3种AQP表达:AQP1、AQP4和AQP9,其中AQP4表达最丰富。它特异性地位于星形胶质细胞的末端,直接对应于中枢神经系统血管。AQP4在整个大脑中有不同的分布,包括大脑皮层、胼胝体、视网膜、小脑以及下丘脑的大核和脑干。AQP4的四元结构允许气体和离子透过中心孔,有助于维持渗透压平衡。AQP4通过使神经元释放等渗K+参与神经兴奋,并与缝隙连接共同维持正常功能。

在正常中枢神经系统中,AQP4仅在星形胶质细胞的末端表达,但在活化星形胶质细胞的细胞质中广泛表达。AQP4的存在会加重缺血性卒中模型中缺血后的细胞毒性水肿。在缺血性脑卒中时,AQP4在星形胶质细胞血管周围末梢表达迅速上调,并在卒中后1小时达到峰值,从星形胶质细胞末端的正常极化位置到整个质膜广泛表达。在中风的早期阶段,AQP4的丢失导致星形胶质细胞肿胀,减少脑内的水分积聚,从而减少血脑屏障破坏、炎症和神经元死亡。减少AQP4具有良好的长期疗效,可改善中风发病14天后的行为预后。提示降低AQP可改善神经功能,对脑缺血有神经保护作用。

此外,反应性星形胶质细胞在各种脑损伤中迁移,分离受损组织并形成胶质瘢痕,但当AQP4缺乏时,胶质瘢痕减少,这可能促进炎症和损伤的传播。

在星形胶质细胞肿胀期间,Na+/K+-ATP酶(红色通道)参与调节离子和渗透活性分子的流入(红色箭头)。肿胀涉及K+离子通过CX43缝隙连接和半通道、Kir4.1和Na+/K+-ATP酶进入细胞。同时,谷氨酸通过转运体进入星形胶质细胞,增加渗透梯度,使水通过AQP4通道进入肿胀的星形胶质细胞。

胶质瘢痕阻碍轴突再生和功能恢复,是中枢神经系统再生受限的主要原因。中枢神经系统损伤后胶质瘢痕的形成受细胞间和细胞内信号机制的复杂组合调节。

在正常情况下,星形胶质细胞是中枢神经系统胶质细胞的主要亚型,维持神经元和血脑屏障。它们在不同类型的损伤反应中被激活,包括炎症、感染、缺血和创伤性损伤,并通过称为反应性星形细胞增多症的表型变化在每种损伤的病理生理学中发挥关键作用。

在中风后期,半暗带的一些星形胶质细胞立即增殖,而一些星形胶质细胞迁移到梗死区边缘,并通过分泌细胞外基质分子形成胶质瘢痕。瘢痕形成时,含有星形胶质细胞衍生的硫酸软骨素蛋白多糖和NG2阳性少突胶质细胞前体细胞。然而,邻近梗死的星形胶质细胞是成熟瘢痕核心的主要成分。血管周围疤痕的形成是将梗死区受损组织与周围健康大脑分离的必要条件,有助于限制受损区域并防止炎症扩散。在胶质瘢痕形成的早期,蛋白多糖沉积在细胞外,可限制损伤扩散。作为反应性星形胶质细胞增生的特征,远离瘢痕发育区的星形胶质细胞表现出形态学改变,胶质纤维酸性蛋白(星形胶质细胞增生和胶质瘢痕的标志性蛋白)的表达显著增加。

然而,过度的星形胶质细胞增生和胶质瘢痕阻碍了神经轴突生长和神经发生。此外,年龄在瘢痕形成中起着重要作用。老年人脑损伤后反应性星形胶质细胞的增殖和持续时间加快了胶质瘢痕的形成,与成人星形胶质细胞相比,老年人的反应性星形胶质细胞显示出与炎症和瘢痕形成相关的基因上调。

中风病灶附近星形胶质细胞的过度激活破坏了结构完整神经中的神经-血管耦合:健康星形胶质细胞终足与血管和神经元耦合(黑色长箭头);中风后(蓝色箭头所示),反应性星形胶质细胞收缩其终足部连接,断开耦合(黑色短箭头所示),形成胶质瘢痕。靶向星形胶质细胞以减少胶质瘢痕,同时保留营养性星形胶质细胞的支持功能是脑损伤救护的新目标。

重组组织型纤溶酶原激活剂(tPA)自1996年起在美国被批准用于治疗急性缺血性脑卒中,是唯一获得 FDA 批准的治疗急性缺血性脑卒中的药物,其应用于特定人群中,改善缺血性卒中患者的总体预后。然而,tPA仅在卒中后 3-4.5 小时有效,并且绝大多数卒中患者未接受 tPA 治疗。因此,全面了解星形胶质细胞的作用有助于找到更好的治疗方法。星形胶质细胞占中枢神经系统细胞亚型的最大比例,它们在结构和功能上参与正常的脑生理学和缺血性病理学。星形胶质细胞对缺血性中风的反应极其复杂且尚未完全了解。一方面,中风后,急性期星形胶质细胞的炎症会加重缺血性病变,梗死周围区域的胶质瘢痕形成阻碍轴突再生,从而降低急性期后的功能预后。然而,另一方面,星形胶质细胞也发挥有益的神经保护作用,限制病变扩大。因此星形胶质细胞通过促进血管生成和神经发生在中风后的神经恢复中发挥重要作用,有望成为开发缺血性脑卒中新疗法的目标。

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文案 | 灵犀 校对 | 李薇 邱彦娟 审核 | 李迪迪