星形胶质细胞在神经变性疾病中的研究进展

2022-11-26鑫综述伟审校

中风与神经疾病杂志 2022年7期

潘露，李鑫综述，张伟审校

神经变性疾病(neurodegenerative diseases，ND)是一组原因不明的慢性进行性损伤神经等组织的疾病，以神经细胞死亡和神经网络的连通性破坏为共同病理表型，临床上较为常见的有阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)、帕金森病(Parkinson’s disease，PD)、肌萎缩侧索硬化(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)、亨廷顿病(Huntington’s disease，HD)、额颞叶痴呆(frontotemporal dementia，FTD)、多系统萎缩(multiple system atrophy，MSA)等。其中目前发现的与ND发病有关的机制包括遗传机制、氧化应激、炎症机制、线粒体功能障碍、兴奋性毒素、神经营养因子障碍、异常蛋白聚集等，但目前仍无确切有效的办法来延缓或阻止ND的进展，大多只能进行暂时缓解和减轻症状的对症处理。

星形胶质细胞(astrocytes，AS)是一类在形态和功能上具有多样性的初级稳态神经胶质细胞，通过调节神经递质摄取和循环、胶质递质释放、神经能量学、炎症、突触活动、离子平衡、血脑屏障的维持，以及发挥许多其他重要的大脑功能[1]，从而来进一步保持正常的神经健康和功能，进而维持大脑的稳定状态。近年来，星形胶质细胞功能的异常被认为与神经变性疾病的发病机制有关，故星形胶质细胞逐渐成为神经变性疾病领域的研究热点。本文就AS与ND的关系研究进展进行综述，探讨AS在ND发病中的作用以及其潜在的治疗价值。

1 AS与AD

AD是痴呆最常见的临床类型，多发生于老年时期，以进行性认知功能障碍和行为损害为主要临床表现，其典型病理特征是大脑中细胞外β-淀粉样蛋白(β-amyloid protein，Aβ)形成的老年斑和细胞内过度磷酸化的tau蛋白异常聚集形成的神经纤维缠结。其中老年斑被认为是AD 最主要的病理变化，在 AD的发病过程中发挥重要作用。多数研究发现在AD大脑中，反应性AS主要与老年斑相关[2，3]。在3xTG-AD动物中，反应性AS位于老年斑周围以及靠近血管周围淀粉样蛋白的位置[4]。在AD中，反应性AS增生和小胶质细胞的激活都与老年斑的形成直接相关，活跃的胶质细胞成为老年斑的组成部分。但随后的研究发现，AS反应的抑制会加重淀粉样蛋白的负荷，从而降低神经保护[2]。

目前认为反应性AS增生是AD的一个特征，在AD患者的死后脑组织[5]以及AD动物模型的大脑样本中[3，6]均可以观察到胶质纤维酸性蛋白(glial fibrillary acidic portein，GFAP)、波形蛋白或S100B蛋白表达增加以及AS增生肥大。与此同时，也有研究发现AD的AS改变在不同脑区具有高度异质性，表现为AS增生和AS萎缩[7，8]。在海马中的淀粉样蛋白沉积和淀粉样蛋白斑块被肥大的AS包围，但在脑内皮质和额叶前部皮质中发现的AS增生的征象很少[9]，这也反映出AS可以用于AD病理发生区域的早期识别和监测。

此外，近年来，人们普遍认为慢性神经炎症是特发性AD早期发展的直接原因，甚至可能具有病因学意义[10]。有研究发现AS在AD的神经炎症发挥一定作用。通过使用外源性Aβ寡聚物建立原代皮质神经元与AS共培养的AD模型，Garwood等[11]发现，上调的炎症细胞因子(IL-β、IL-6和IFN-γ)导致caspase-3活性增加、毒性tau蛋白的裂解和神经元细胞的死亡，这也间接说明了在AD中，AS会释放促炎细胞因子，进而导致细胞死亡的增加。然而在Tg2576小鼠模型(发生APPSwe突变)中，AS增生较早出现，这与AD进展相对缓慢有关[12]，而AD患者的脑部影像学表现也反映出突出的AS增生与神经保护相关[13]。

综上看来，AS从一定程度上部分概括了AD的一些重要病理方面，它既可以通过反应性AS增生来起到神经保护的作用，也可以通过老年斑的形成、促炎因子和神经毒性因子的释放来损伤神经细胞。但对于AS参与AD发病的具体过程和机制，仍需要进一步深入研究。

2 AS与PD

PD是仅次于AD的第二大运动神经退行性疾病[14]，在中老年人中也较为常见，以黑质多巴胺能神经元变性死亡和路易体形成为病理特征，主要临床表现为静止性震颤、肌张力增高和运动迟缓等神经系统受损症状[15]。近年来，人们逐渐发现PD发生的原因并不总是由于这些多巴胺能神经元的缺失和多巴胺的持续消耗，关于AS产生神经病理或神经保护功能的概念正逐渐被认识。并且已有研究结果表明，在黑质致密部神经炎症中，AS可能参与PD发展的功能和病理生理过程，并作为大脑稳态的传感器发挥关键作用[16]。体内研究已经确定，外苍白球神经元的自主活动被认为是导致PD患者基底神经节神经微回路功能障碍的原因[15，17]。而Joe等[17]认为大脑中的三种胶质细胞，即少突胶质细胞、小胶质细胞和AS，它们也参与了外苍白球的病理生理状态。而病理实验研究也发现，在PD发病过程中，AS数量增加，GFAP表达增多。

此外，PD的病理特征之一是神经元内的α-突触核蛋白聚集形成的包涵体。有研究[18]发现AS可以通过不依赖于toll样受体4(TLR4)的内吞作用途径来吸收α-突触核蛋白，从而为神经元提供健康的生存环境。并且有研究人员通过1-甲基-4-苯基1，2，3，6-四氢吡啶(1-methyl-4-phenyl-1，2，3，6-tetrahydropyridine，MPTP)这类神经毒物来处理小鼠动物模型后，发现MPTP可与AS溶酶体结合，能诱导黑质纹状体通路中多巴胺能神经元的变性[19]。而在MPTP模型中，MPTP通过AS的单胺氧化酶b产生活性的MPP+代谢产物，进而在多巴胺能神经元积累引起神经毒性。并且在AS内的研究也显示MPTP暴露过程中存在AS的神经保护作用，而这种保护作用是由纹状体中AS蛋白标记物的GFAP免疫反应性增强决定的[20]。

水通道蛋白4(aquaporin-4，AQP4)和GFAP是AS的两个蛋白标记物，它们与中枢神经系统和血脑屏障的某些生理和病理状态有关[21]。而在神经病理学条件下，有证据表明AQP4参与了PD的病理生理障碍的发生和进展[22]。并且，与年龄匹配的健康对照组相比，PD患者中出现了AQP4 mRNA的下调，而AQP4表达的下调会通过调节星形细胞神经营养因子来增强多巴胺能神经元对神经毒性的敏感性[23]。这也提示AS通过AQP4的表达来参与PD 的发病过程。

此外，有研究[24]认为DJ-1突变可以诱发早发性PD，而Mullett等[25]共培养突变的AS和多巴胺能神经元来评估AS介导的神经保护时，也发现DJ-1缺失的AS不能保护多巴胺能神经元免受氧化应激的伤害。同时相关研究[26]还发现，DJ-1与AS中脂质筏的组装有关并调控其组装。这也表明在PD中，AS通过DJ-1来介导神经保护作用，进一步验证AS参与PD的相关发病机制。

综上可见AS在PD的发生发展过程中存在重要作用，不光是参与到其病理生理变化中，也同时起到一定的神经保护作用，而对AS在PD中的作用的进一步研究将对我们进一步了解疾病至关重要，并可能对开发新的治疗方法有重要意义。

3 AS与ALS

ALS是一种复杂而致命的神经退行性疾病，其特点是上、下运动神经元退化，进一步导致骨骼肌进行性瘫痪。目前认为Cu/Zn超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD1)基因是ALS最常见的致病基因。而在表达ALS相关的人类超氧化物歧化酶1突变基因(hSOD1 G93A)的小鼠模型中发现，AS退化先于神经细胞死亡和临床症状的发展。而这些退化的AS通过下调谷氨酸转运体的表达，从而失去了有效控制谷氨酸稳态的能力，而谷氨酸转运体的表达进一步加剧兴奋性毒性并导致神经元死亡，这可能是其早期变性的基础[27]。而目前与此相关的机制还包括突变的SOD1阻止AS诱导钙渗透性α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸受体(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionic acid receptor，AMPAR)亚基GluA2的表达，导致钙通过钙渗透性AMPA受体进入的增加，从而导致兴奋性毒性[28]。此外还发现，AS中SOD1基因的特异性沉默可以延缓小鼠模型中ALS症状的进展[29]。而在ALS的其他模型中，共培养方法表明AS中突变的SOD1可导致运动神经元死亡[30]。同样，用取自家族性或散发性ALS患者死后神经前体细胞的AS培养的小鼠干细胞来源的运动神经元比用非ALS患者的AS培养的神经元死亡快[31]。目前认为这些结果是由于某种特殊的毒性分泌因子而引起，仍有待进一步证实。但这可能也反映了这些ALS模型中AS体内平衡或保护功能的丧失。并且利用条件突变动物使AS中丢失两种不同形式的突变SOD1的研究表明，根据所涉及的突变，AS可以在疾病的发生和进展中发挥作用[29]，而这些发现也进一步表明AS在ALS发病中具有重要作用。

虽然AS在ALS的发生和进展中潜在的主要作用还未达成统一共识，但这些研究充分支持了AS在ALS运动神经元中的作用，这使得AS移植可作为一种可行的治疗策略。目前已开始对ALS患者进行星形胶质细胞移植的临床试验[32]，但其具体的疗效仍需观察，未来这也将可能成为ALS患者的有效治疗方法。

4 AS与HD

HD是一种主要的遗传性神经退行性疾病，目前认为是由高度保守的huntingtin(HTT)基因突变引起，以运动功能障碍、精神障碍和认知障碍为临床表现，在组织病理学上可见纹状体投射神经元大量丢失，而在大脑皮质-基底神经节-丘脑皮质环路的其他区域则有较少且显著的丢失[33]。在HD患者的脑组织标本中已经观察到进展性AS增生，并且其级别逐渐升高。在许多表达HTT基因突变(mutant HTT，mHTT)的小鼠模型中也观察到AS表型的反应。在RosaHD/Nestin-Cre模型中，神经元和神经胶质细胞中的mHTT贯穿整个神经系统，在皮质和纹状体中存在显著的AS增生[34]。这也表明AS增生是HD的一个特征性反应。此外，在成熟的HD小鼠模型中，AS中糖原合成酶激酶-3β(glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β)蛋白表达增加介导的细胞信号传导会引起促炎细胞因子释放的增加，而这也是tau蛋白过度磷酸化和caspase-3介导的神经元细胞死亡的主要驱动因素[35]。研究人员进行了野生型与患病神经元和AS的共培养组合实验，也发现当病变AS中GSK-3β蛋白表达缺失时，tau蛋白磷酸化和caspase-3激活减少，神经元的活力增加。这些发现为可能参与HD发病机制的AS和神经元之间的病理交互作用提供了证据。

AS从突触间隙摄取过量的谷氨酸对正常的神经回路功能至关重要，而HD摄取的减少和释放的增加均可能导致疾病的发生。目前HD对AS的研究主要集中在EAAT2/GLT-1水平的降低，AS从突触间隙吸收过量谷氨酸的能力降低，进而导致兴奋性毒性。AS能够通过多种机制释放谷氨酸，其中包括钙依赖的囊泡性胞吐[36]。AS释放的谷氨酸也被证明可以作用于非同步外谷氨酸门控的N-甲基D-天冬氨酸受体(N-methyl D-aspartate receptors，NMDARs)来调节神经元的兴奋性和突触传递[37]。基于AS调节神经元兴奋性的能力，ASmHTT的存在可能改变了这一功能，从而导致HD患者大脑中最关键的兴奋性突触的活性改变。此外，进一步检测这些表达mHTT的AS，发现其线粒体常驻酶丙酮酸羧化酶水平升高，而丙酮酸羧化酶的增加为这些AS释放的谷氨酸的增加提供了机制。

此外，在HD中，功能性AS变性表现为谷氨酸转运蛋白的表达减少，从而加重谷氨酸兴奋性毒性[38]。此外，谷胱甘肽和抗坏血酸作为中枢神经系统中活性氧的主要清除剂能够起到神经保护的作用，而HD的AS会减少这些物质的产生和释放，从而会进一步地降低AS对神经的保护作用。

综上，AS与HD的发生存在密切联系，它可以通过多种机制来改变突触间隙内谷氨酸水平进而加重兴奋性神经毒性，也可以通过抗氧化物质的减少参与HD的发病，但对于AS对HD的其他作用仍需大量的研究去发掘。

5 AS与FTD

FTD是发病率仅次于AD的常见痴呆类型，以额叶和颞叶深度退化为特征，目前认为可能由17号染色体上的编码微管相关蛋白tau(microtubule-associated protein tau，MPAT)基因突变引起[39]，可出现早发性痴呆并伴有语言、行为和认知功能障碍等神经系统症状。

研究发现，在FTD患者的额颞叶皮质中有AS萎缩和凋亡的迹象[40]，也有AS反应的迹象。与其他神经变性疾病相比，这两种现象在FTD中尤其突出[41]，故认为AS改变可能作为FTD的突出特征。而研究发现FTD的病理与AS增生有关，并且AS增生发生在疾病进展的早期，先于神经细胞丧失出现[41]，这也侧面地体现了AS在疾病早期的诊断价值，以及其作为新的早期治疗干预措施的可能性。在FTD中凋亡的AS与额颞叶萎缩的程度相关，并观察到明显的AS增生与显示脑灌注紊乱的区域重叠[42]。这也提示AS可以作为评估FTD患者脑功能损伤程度的指标。

AS在FTD病理模型中作用的相关研究发现，AS会表现出TAU蛋白表达、肥大、氧化应激易感性增加和转录结构等一系列改变，并在与健康神经元共培养的实验中发现，FTDAS会减弱健康神经元对氧化应激的耐受能力[43]。同时，AS出现胞质内反式激活应答DNA结合蛋白-43(transactive response DNA binding protein-43，TDP-43)积累，可导致神经元细胞死亡[44]。这些结果表明，AS可能间接通过对神经元的影响来参与FTD的发生与进展，但对于其在FTD发病机制的其他作用，仍需进一步的研究去发现与证实。

6 AS与MSA

MSA是一组散发性的神经系统变性疾病，主要在成年期发病，临床表现为自主神经功能障碍、帕金森综合征、小脑性共济失调和锥体束症等。目前认为少突胶质细胞胞浆内的α-突触核蛋白包涵体是MSA的主要病理学特征[45]，虽然在正常情况下，AS中很少表达α-突触核蛋白，但有研究[46]发现在约40%的MSA患者中，软脑膜下和脑室周围AS中均出现异常磷酸化和聚合的α-突触核蛋白聚集。此外，在病理刺激下AS会出现反应性增生，而在MSA患者的大脑[47]和小鼠MSA模型[48]中也均发现反应性AS与α-突触核蛋白病理密切相关。这些发现提示AS可能会通过α-突触核蛋白病理参与到MSA的发病过程中。

另一方面，生长抑制因子(growth-inhibitory factor，GIF)在神经细胞的存活和神经突的形成中会起到一定作用[49]。而关于GIF的研究[50]表明，它在体外具有生物活性，在人体组织中也有所分布，以及它在神经退化疾病中具有一定的调节作用，如在MSA损伤区反应性AS中GIF水平降低，而GIF的减少与神经元的损失相关，并且由GIF调控的反应性AS分泌的神经营养因子的行为可能也会受到影响。这些发现为探索AS在MSA发病机制中的作用提供了一个新的视角。