星形膠質細胞功能異常誘發癲癇機制的研究進展

雷 慧，李海濤，2

(1.南京中醫藥大學藥學院，江蘇 南京 210046;2.澳門科技大學中醫藥學院，澳門 999078)

癲癇(epilepsy)是由腦神經元過度興奮引起的中樞神經系統疾病，其特點是腦部持續存在誘發癲癇的病理性改變以及病變部位神經元的超同步異常放電。癲癇發作后缺氧誘發腦部海馬區神經元變性、壞死，導致海馬硬化(hippocampal sclerosis，HS);HS進而加重癲癇病變，其引起的顳葉內側癲癇綜合征為最常見的部分性癲癇發病。目前普遍認為中樞神經系統興奮與抑制的失衡是癲癇的主要病因;分子水平研究顯示，離子通道改變、神經遞質及其受體調控異常、血腦屏障損傷、炎癥、氧化應激損傷等均與癲癇發作有關［1］。

中樞神經系統內的星形膠質細胞(astrocytes，ATS)除了維持神經元內環境穩態，對神經元起代謝支持作用外，還調控神經元活動，共同參與完成一系列精密復雜的神經生理活動［2］。近年來，ATS在癲癇發病中的作用逐漸受到關注。在癲癇腦組織中幾乎都發現ATS形態與功能的改變，ATS可能對癲癇發病中神經元網絡的高興奮性起重要調節作用［3］。因此，揭示ATS在癲癇發病中的參與機制，可以發現調控癲癇發作的新藥物靶點。目前已發現ATS的多種調控機制異常與人或實驗性癲癇的發病有關，其研究進展綜述如下。

1 內向整流鉀通道介導的K+緩沖損傷

鉀離子通道參與調節細胞膜靜息電位以及動作電位的復極化過程，決定動作電位的發放頻率和幅度，阻斷或下調鉀通道可增加神經元的興奮性。ATS膜上內向整流鉀離子(Kir)通道在維持神經元內環境K+穩態中具有重要作用。生理情況下，ATS膜上的Kir通道在細胞外鉀離子濃度［K+］o升高時開放，K+內流，緩沖了細胞外過度的鉀負荷;當此平衡作用失調時，細胞外局部［K+］o可從3 mmol·L-1增加到10～12 mmol·L-1，K+緩沖作用受損，如此高的［K+］o足以引起癲癇發作［4］。

Kivi等［5］應用離子敏感微電極和膜片鉗技術研究顯示，Kir通道的阻斷劑Ba2+對于海馬硬化顳葉癲癇患者的海馬CA1區的［K+］o沒有影響，但可明顯增加非海馬硬化癲癇患者該區域的［K+］o，由此推測海馬硬化顳葉癲癇患者的ATS膜上Kir通道的表達發生改變，通道功能受損。進一步研究發現［6］，在顳葉癲癇患者海馬的CA1區存在Kir電流下調的現象。在海馬硬化癲癇中，ATS膜上Kir通道的表達減少喪失了對細胞外高濃度K+的緩沖作用，導致癲癇敏感性增加。

ATS膜上主要的Kir通道亞型是Kir4.1通道，該通道基因表達下調會明顯降低ATS攝取細胞外K+和谷氨酸的能力。Djukic等［7］將小鼠Kir4.1通道基因敲除使得ATS膜上Kir4.1通道缺失，觀察到明顯的癲癇發作癥狀。Higashi等［8］對大鼠腦組織進行超微結構分析，發現ATS膜上表達的Kir4.1通道與水通道蛋白(aquaporin，AQP)4在空間上有所重疊，認為ATS在很大程度上依賴于水的跨膜轉運來攝取細胞外K+，消除由于K+再分布而導致的滲透壓失衡。后續研究結果可以支持這個推測，如在小鼠癲癇中血管周AQP4表達降低可導致細胞外K+清除減少;AQP4基因敲除會導致K+緩沖受損和癲癇發作時程的延長［9］。APQ4可與ATS膜上Kir通道形成分子復合物，參與細胞外高濃度K+消除過程并維持細胞內外水平衡和電化學梯度。因此，APQ4功能異常也可引起K+緩沖受損，是癲癇發病的機制之一。

血腦屏障的開放可以誘發病灶性癲癇發作。人血腦屏障損傷可導致能被神經元、ATS和小神經膠質細胞攝取的血清白蛋白外溢，從而誘發顳葉癲癇［10］。ATS可通過轉化生長因子(TGF)-β受體介導的機制攝取白蛋白，這一過程將引起ATS膜上Kir4.1和Kir2.4通道表達下調，細胞外K+緩沖受損以及N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受體介導的神經元高興奮性［11］。因此，ATS膜上的Kir通道也參與了血腦屏障功能損傷誘發癲癇的過程。

2 谷氨酸轉運與轉化機制異常

谷氨酸是中樞神經系統內重要的興奮性遞質。在人癲癇病變組織中可觀察到細胞外谷氨酸大量聚集，引起癲癇反復發作和神經元死亡。能夠終止突觸傳遞的谷氨酸攝取過程主要受到ATS膜上谷氨酸轉運體的調節。

ATS膜上負責轉運谷氨酸的興奮性氨基酸轉運體(EAAT)-1和EAAT-2的表達改變是顳葉癲癇以及其它腦病的常見特征，如在海馬硬化組織的CA1區ATS的EAAT-2表達下調，并伴有嚴重的神經元死亡現象［12］。新近研究顯示［13］，癲癇中海馬 CA1區ATS的 EAAT-1和EAAT-2表達均下調，但尚不清楚這種改變是癲癇發作的誘因還是發作引起的代償反應。Yang等［14］在切斷小鼠神經纖維或使神經元變性之后，發現ATS膜上EAAT-2介導的谷氨酸攝取顯著減少，且EAAT-2的表達很大程度上依賴于突觸傳遞的活性，因此認為ATS上谷氨酸轉運體的表達下調可能是癲癇發作引起的代償反應。此外，在大鼠皮質發育不良模型中，用藥物抑制癲癇發作區的ATS谷氨酸轉運體的活性，可以激活神經元NMDA受體，延長突觸傳遞時程并降低誘發癲癇的閾值［15］。這種NMDA受體的激活也可引起Kv2.1通道蛋白的去磷酸化，進而影響電壓依賴性鈣離子通道，調節神經元的興奮性和可塑性［16］。

除了ATS上谷氨酸轉運體功能異常外，該細胞所特有的谷氨酰胺合成酶的缺失也可能是細胞外谷氨酸聚集和中央顳葉癲癇發作的分子基礎［17］。ATS谷氨酰胺合成酶通過消耗ATP將谷氨酸轉化為無遞質活性的谷氨酰胺。在實驗性癲癇反復發作的慢性階段，ATS谷氨酰胺合成酶表達下調，并伴有神經膠質原纖維酸性蛋白的持續高表達［18］。抑制ATS谷氨酰胺合成酶的活性可以減弱抑制性突觸后電位的幅度并減少海馬中間神經元的γ-氨基丁酸(GABA)釋放;ATS中的谷氨酸-谷氨酰胺循環對突觸GABA的釋放具有重要調控作用，并能調節抑制性突觸傳遞的強度［19］。這些發現表明ATS谷氨酰胺合成酶缺失是誘發癲癇的一個重要因素，增強ATS中谷氨酰胺合成酶的活性和功能是一種有希望的癲癇治療策略。

3 鈣依賴性的谷氨酸和ATP釋放異常

ATS可釋放多種興奮性或抑制性的遞質從而與神經元之間進行信號交流。神經元活動引起的細胞間鈣濃度升高可刺激ATS以鈣依賴性的胞吐作用釋放遞質。在正常腦組織中，ATS內鈣離子濃度主要受促代謝型受體的調節。神經元活動產生的谷氨酸與ATS膜上促代謝型谷氨酸受體(mGluR)-3和mGluR-5結合，激活ATS，并影響cAMP的聚集，導致細胞間鈣離子增加。鈣離子濃度升高引起的鈣震蕩在ATS細胞網絡中誘發鈣離子波，激活鈣依賴性離子通道，進而誘導ATS釋放谷氨酸［20］。在腦皮質發育不良癲癇患者組織中，ATS的 mGluR-2/3和 mGluR-5表達水平增高;mGluR-5受體阻斷劑可以抑制ATS間鈣離子濃度增加并阻斷谷氨酸激活的突觸外NMDA受體，從而抑制神經膠質-神經元之間的信號傳遞［21］。

這些結果表明，ATS膜上mGluR介導了ATS的鈣依賴性谷氨酸釋放過程，對鄰近的神經元產生直接興奮作用。這種由ATS衍生的興奮性通路的改變，再加上谷氨酸攝取功能受損，顯著增加了神經元-星形膠質細胞網絡的興奮性，最終促進神經元同步放電從而誘發癲癇。

ATS被激活釋放谷氨酸的同時也會釋放ATP，對癲癇的病理過程也有潛在影響。生理條件下，ATS釋放的ATP被外核苷酸酶快速降解為腺苷，作用于突觸前α1受體，抑制遞質的釋放以及異源性突觸傳遞;而神經系統內的腺苷水平受到ATS腺苷激酶活性的調控，該酶可以使腺苷磷酸化形成5'-AMP［22］。在實驗性癲癇發作中，ATS腺苷激酶表達上調，組織中腺苷濃度下降;而敲除ATS腺苷激酶的基因則可阻止癲癇發作［23］。這些發現為癲癇發病機制的ATS腺苷激酶假說提供了證據，該酶有可能成為癲癇的診斷指標或藥物治療的潛在分子靶點之一。

4 縫隙連接蛋白表達與功能異常

縫隙連接是細胞間直接交換物質和信息的結構基礎，在細胞生長發育、多細胞器官間的協調及機體自我穩定控制方面有重要作用。神經系統的ATS之間存在廣泛的縫隙連接，把眾多膠質細胞連接形成合胞體結構，在神經元外部K+緩沖和Ca2+傳遞過程中起重要作用。ATS縫隙連接的主要連接蛋白是Cx30和Cx43，如果沉默小鼠ATS上連接蛋白的表達將導致自發性癲癇發作并降低癲癇觸發閾值［24］。Cacheaux等［25］發現在大鼠因血腦屏障破壞引起的白蛋白依賴性癲癇發作中，ATS間這兩種連接蛋白的轉錄物明顯減少。這些結果表明，ATS的縫隙連接對于K+的調節是必需的，有抑制癲癇發作的作用。

新近研究顯示，葡萄糖可以通過ATS的Cx30和Cx43在星形膠質細胞-神經元網絡間傳遞，將血管中的能量代謝物傳遞至神經元，維持中樞神經系統內的突觸傳遞過程［26］;同時也發現，癲癇發作中釋放的谷氨酸可以增加ATS對葡萄糖的轉運，表明通過ATS細胞網絡的葡萄糖傳遞過程對于維持癲癇樣活性也是必需的。因此，ATS間縫隙連接的通透性降低將對中樞興奮性相繼產生兩個相反的效應:首先由于K+緩沖受損，觸發快速的癲癇樣效應;但之后由于神經元能量供應不足從而產生抑制癲癇效應。

迄今為止，ATS的縫隙連接在人癲癇發作中的作用尚不夠明確，很多研究結果也不盡一致，研究中使用的大多數阻斷劑對于神經元和ATS的縫隙連接的阻斷作用也缺乏特異性。在耐藥的顳葉癲癇并伴有海馬硬化的病人組織中普遍觀察到ATS中Cx43含量和轉錄物水平明顯增高，Cx43表達上調可能是癲癇發作過程中ATS的一種代償反應，用以緩沖增高的K+濃度［27］。ATS的連接蛋白Cx43與癲癇的關系有可能為癲癇的臨床診斷提供新的理論依據。

5 展望

中樞神經系統ATS參與了癲癇的病理過程。ATS及其與神經元之間信號轉導調控機制的異常產生了許多癲癇誘發因素。利用分子基因學的方法可以選擇性地研究星形膠質細胞-神經元之間不同信號通路的功能，從而能更加深入地揭示ATS在癲癇病理過程中的作用。可以預見，ATS將成為癲癇防治的新靶點。目前臨床使用的抗癲癇藥物多為中樞神經系統抑制劑，對大腦的認知功能有很大副作用，因此急需開發針對癲癇發病機制專一性的安全有效抗癲癇藥物。闡明星形膠質細胞參與癲癇發病的分子機制將有助于發現新干預靶點并開發新型抗癲癇藥物，也為癲癇病研究提供新的思路和治療策略。

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