星形膠質細胞在神經變性疾病中的研究進展

潘 露， 李 鑫綜述， 張 偉審校

神經變性疾病(neurodegenerative diseases，ND)是一組原因不明的慢性進行性損傷神經等組織的疾病，以神經細胞死亡和神經網絡的連通性破壞為共同病理表型，臨床上較為常見的有阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)、帕金森病(Parkinson’s disease，PD)、肌萎縮側索硬化(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)、亨廷頓病(Huntington’s disease，HD)、額顳葉癡呆(frontotemporal dementia，FTD)、多系統萎縮(multiple system atrophy，MSA)等。其中目前發現的與ND發病有關的機制包括遺傳機制、氧化應激、炎癥機制、線粒體功能障礙、興奮性毒素、神經營養因子障礙、異常蛋白聚集等，但目前仍無確切有效的辦法來延緩或阻止ND的進展，大多只能進行暫時緩解和減輕癥狀的對癥處理。

星形膠質細胞(astrocytes，AS)是一類在形態和功能上具有多樣性的初級穩態神經膠質細胞，通過調節神經遞質攝取和循環、膠質遞質釋放、神經能量學、炎癥、突觸活動、離子平衡、血腦屏障的維持，以及發揮許多其他重要的大腦功能[1]，從而來進一步保持正常的神經健康和功能，進而維持大腦的穩定狀態。近年來，星形膠質細胞功能的異常被認為與神經變性疾病的發病機制有關，故星形膠質細胞逐漸成為神經變性疾病領域的研究熱點。本文就AS與ND的關系研究進展進行綜述，探討AS在ND發病中的作用以及其潛在的治療價值。

1 AS與AD

AD是癡呆最常見的臨床類型，多發生于老年時期，以進行性認知功能障礙和行為損害為主要臨床表現，其典型病理特征是大腦中細胞外β-淀粉樣蛋白(β-amyloid protein，Aβ)形成的老年斑和細胞內過度磷酸化的tau蛋白異常聚集形成的神經纖維纏結。其中老年斑被認為是AD 最主要的病理變化，在 AD的發病過程中發揮重要作用。多數研究發現在AD大腦中，反應性AS主要與老年斑相關[2，3]。在3xTG-AD動物中，反應性AS位于老年斑周圍以及靠近血管周圍淀粉樣蛋白的位置[4]。在AD中，反應性AS增生和小膠質細胞的激活都與老年斑的形成直接相關，活躍的膠質細胞成為老年斑的組成部分。但隨后的研究發現，AS反應的抑制會加重淀粉樣蛋白的負荷，從而降低神經保護[2]。

目前認為反應性AS增生是AD的一個特征，在AD患者的死后腦組織[5]以及AD動物模型的大腦樣本中[3，6]均可以觀察到膠質纖維酸性蛋白(glial fibrillary acidic portein，GFAP)、波形蛋白或S100B蛋白表達增加以及AS增生肥大。與此同時，也有研究發現AD的AS改變在不同腦區具有高度異質性，表現為AS增生和AS萎縮[7，8]。在海馬中的淀粉樣蛋白沉積和淀粉樣蛋白斑塊被肥大的AS包圍，但在腦內皮質和額葉前部皮質中發現的AS增生的征象很少[9]，這也反映出AS可以用于AD病理發生區域的早期識別和監測。

此外，近年來，人們普遍認為慢性神經炎癥是特發性AD早期發展的直接原因，甚至可能具有病因學意義[10]。有研究發現AS在AD的神經炎癥發揮一定作用。通過使用外源性Aβ寡聚物建立原代皮質神經元與AS共培養的AD模型，Garwood等[11]發現，上調的炎癥細胞因子(IL-β、IL-6和IFN-γ)導致caspase-3活性增加、毒性tau蛋白的裂解和神經元細胞的死亡，這也間接說明了在AD中，AS會釋放促炎細胞因子，進而導致細胞死亡的增加。然而在Tg2576小鼠模型(發生APPSwe突變)中，AS增生較早出現，這與AD進展相對緩慢有關[12]，而AD患者的腦部影像學表現也反映出突出的AS增生與神經保護相關[13]。

綜上看來，AS從一定程度上部分概括了AD的一些重要病理方面，它既可以通過反應性AS增生來起到神經保護的作用，也可以通過老年斑的形成、促炎因子和神經毒性因子的釋放來損傷神經細胞。但對于AS參與AD發病的具體過程和機制，仍需要進一步深入研究。

2 AS與PD

PD是僅次于AD的第二大運動神經退行性疾病[14]，在中老年人中也較為常見，以黑質多巴胺能神經元變性死亡和路易體形成為病理特征，主要臨床表現為靜止性震顫、肌張力增高和運動遲緩等神經系統受損癥狀[15]。近年來，人們逐漸發現PD發生的原因并不總是由于這些多巴胺能神經元的缺失和多巴胺的持續消耗，關于AS產生神經病理或神經保護功能的概念正逐漸被認識。并且已有研究結果表明，在黑質致密部神經炎癥中，AS可能參與PD發展的功能和病理生理過程，并作為大腦穩態的傳感器發揮關鍵作用[16]。體內研究已經確定，外蒼白球神經元的自主活動被認為是導致PD患者基底神經節神經微回路功能障礙的原因[15，17]。而Joe等[17]認為大腦中的三種膠質細胞，即少突膠質細胞、小膠質細胞和AS，它們也參與了外蒼白球的病理生理狀態。而病理實驗研究也發現，在PD發病過程中，AS數量增加，GFAP表達增多。

此外，PD的病理特征之一是神經元內的α-突觸核蛋白聚集形成的包涵體。有研究[18]發現AS可以通過不依賴于toll樣受體4(TLR4)的內吞作用途徑來吸收α-突觸核蛋白，從而為神經元提供健康的生存環境。并且有研究人員通過1-甲基-4-苯基1，2，3，6-四氫吡啶(1-methyl-4-phenyl-1，2，3，6-tetrahydropyridine，MPTP)這類神經毒物來處理小鼠動物模型后，發現MPTP可與AS溶酶體結合，能誘導黑質紋狀體通路中多巴胺能神經元的變性[19]。而在MPTP模型中，MPTP通過AS的單胺氧化酶b產生活性的MPP+代謝產物，進而在多巴胺能神經元積累引起神經毒性。并且在AS內的研究也顯示MPTP暴露過程中存在AS的神經保護作用，而這種保護作用是由紋狀體中AS蛋白標記物的GFAP免疫反應性增強決定的[20]。

水通道蛋白4(aquaporin-4，AQP4)和GFAP是AS的兩個蛋白標記物，它們與中樞神經系統和血腦屏障的某些生理和病理狀態有關[21]。而在神經病理學條件下，有證據表明AQP4參與了PD的病理生理障礙的發生和進展[22]。并且，與年齡匹配的健康對照組相比，PD患者中出現了AQP4 mRNA的下調，而AQP4表達的下調會通過調節星形細胞神經營養因子來增強多巴胺能神經元對神經毒性的敏感性[23]。這也提示AS通過AQP4的表達來參與PD 的發病過程。

此外，有研究[24]認為DJ-1突變可以誘發早發性PD，而Mullett等[25]共培養突變的AS和多巴胺能神經元來評估AS介導的神經保護時，也發現DJ-1缺失的AS不能保護多巴胺能神經元免受氧化應激的傷害。同時相關研究[26]還發現，DJ-1與AS中脂質筏的組裝有關并調控其組裝。這也表明在PD中，AS通過DJ-1來介導神經保護作用，進一步驗證AS參與PD的相關發病機制。

綜上可見AS在PD的發生發展過程中存在重要作用，不光是參與到其病理生理變化中，也同時起到一定的神經保護作用，而對AS在PD中的作用的進一步研究將對我們進一步了解疾病至關重要，并可能對開發新的治療方法有重要意義。

3 AS與ALS

ALS是一種復雜而致命的神經退行性疾病，其特點是上、下運動神經元退化，進一步導致骨骼肌進行性癱瘓。目前認為Cu/Zn超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD1)基因是ALS最常見的致病基因。而在表達ALS相關的人類超氧化物歧化酶1突變基因(hSOD1 G93A)的小鼠模型中發現，AS退化先于神經細胞死亡和臨床癥狀的發展。而這些退化的AS通過下調谷氨酸轉運體的表達，從而失去了有效控制谷氨酸穩態的能力，而谷氨酸轉運體的表達進一步加劇興奮性毒性并導致神經元死亡，這可能是其早期變性的基礎[27]。而目前與此相關的機制還包括突變的SOD1阻止AS誘導鈣滲透性α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸受體(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionic acid receptor，AMPAR)亞基GluA2的表達，導致鈣通過鈣滲透性AMPA受體進入的增加，從而導致興奮性毒性[28]。此外還發現，AS中SOD1基因的特異性沉默可以延緩小鼠模型中ALS癥狀的進展[29]。而在ALS的其他模型中，共培養方法表明AS中突變的SOD1可導致運動神經元死亡[30]。同樣，用取自家族性或散發性ALS患者死后神經前體細胞的AS培養的小鼠干細胞來源的運動神經元比用非ALS患者的AS培養的神經元死亡快[31]。目前認為這些結果是由于某種特殊的毒性分泌因子而引起，仍有待進一步證實。但這可能也反映了這些ALS模型中AS體內平衡或保護功能的喪失。并且利用條件突變動物使AS中丟失兩種不同形式的突變SOD1的研究表明，根據所涉及的突變，AS可以在疾病的發生和進展中發揮作用[29]，而這些發現也進一步表明AS在ALS發病中具有重要作用。

雖然AS在ALS的發生和進展中潛在的主要作用還未達成統一共識，但這些研究充分支持了AS在ALS運動神經元中的作用，這使得AS移植可作為一種可行的治療策略。目前已開始對ALS患者進行星形膠質細胞移植的臨床試驗[32]，但其具體的療效仍需觀察，未來這也將可能成為ALS患者的有效治療方法。

4 AS與HD

HD是一種主要的遺傳性神經退行性疾病，目前認為是由高度保守的huntingtin(HTT)基因突變引起，以運動功能障礙、精神障礙和認知障礙為臨床表現，在組織病理學上可見紋狀體投射神經元大量丟失，而在大腦皮質-基底神經節-丘腦皮質環路的其他區域則有較少且顯著的丟失[33]。在HD患者的腦組織標本中已經觀察到進展性AS增生，并且其級別逐漸升高。在許多表達HTT基因突變(mutant HTT，mHTT)的小鼠模型中也觀察到AS表型的反應。在RosaHD/Nestin-Cre模型中，神經元和神經膠質細胞中的mHTT貫穿整個神經系統，在皮質和紋狀體中存在顯著的AS增生[34]。這也表明AS增生是HD的一個特征性反應。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)蛋白表達增加介導的細胞信號傳導會引起促炎細胞因子釋放的增加，而這也是tau蛋白過度磷酸化和caspase-3介導的神經元細胞死亡的主要驅動因素[35]。研究人員進行了野生型與患病神經元和AS的共培養組合實驗，也發現當病變AS中GSK-3β蛋白表達缺失時，tau蛋白磷酸化和caspase-3激活減少，神經元的活力增加。這些發現為可能參與HD發病機制的AS和神經元之間的病理交互作用提供了證據。

AS從突觸間隙攝取過量的谷氨酸對正常的神經回路功能至關重要，而HD攝取的減少和釋放的增加均可能導致疾病的發生。目前HD對AS的研究主要集中在EAAT2/GLT-1水平的降低，AS從突觸間隙吸收過量谷氨酸的能力降低，進而導致興奮性毒性。AS能夠通過多種機制釋放谷氨酸，其中包括鈣依賴的囊泡性胞吐[36]。AS釋放的谷氨酸也被證明可以作用于非同步外谷氨酸門控的N-甲基D-天冬氨酸受體(N-methyl D-aspartate receptors，NMDARs)來調節神經元的興奮性和突觸傳遞[37]。基于AS調節神經元興奮性的能力，ASmHTT的存在可能改變了這一功能，從而導致HD患者大腦中最關鍵的興奮性突觸的活性改變。此外，進一步檢測這些表達mHTT的AS，發現其線粒體常駐酶丙酮酸羧化酶水平升高，而丙酮酸羧化酶的增加為這些AS釋放的谷氨酸的增加提供了機制。

此外，在HD中，功能性AS變性表現為谷氨酸轉運蛋白的表達減少，從而加重谷氨酸興奮性毒性[38]。此外，谷胱甘肽和抗壞血酸作為中樞神經系統中活性氧的主要清除劑能夠起到神經保護的作用，而HD的AS會減少這些物質的產生和釋放，從而會進一步地降低AS對神經的保護作用。

綜上，AS與HD的發生存在密切聯系，它可以通過多種機制來改變突觸間隙內谷氨酸水平進而加重興奮性神經毒性，也可以通過抗氧化物質的減少參與HD的發病，但對于AS對HD的其他作用仍需大量的研究去發掘。

5 AS與FTD

FTD是發病率僅次于AD的常見癡呆類型，以額葉和顳葉深度退化為特征，目前認為可能由17號染色體上的編碼微管相關蛋白tau(microtubule-associated protein tau，MPAT)基因突變引起[39]，可出現早發性癡呆并伴有語言、行為和認知功能障礙等神經系統癥狀。

研究發現，在FTD患者的額顳葉皮質中有AS萎縮和凋亡的跡象[40]，也有AS反應的跡象。與其他神經變性疾病相比，這兩種現象在FTD中尤其突出[41]，故認為AS改變可能作為FTD的突出特征。而研究發現FTD的病理與AS增生有關，并且AS增生發生在疾病進展的早期，先于神經細胞喪失出現[41]，這也側面地體現了AS在疾病早期的診斷價值，以及其作為新的早期治療干預措施的可能性。在FTD中凋亡的AS與額顳葉萎縮的程度相關，并觀察到明顯的AS增生與顯示腦灌注紊亂的區域重疊[42]。這也提示AS可以作為評估FTD患者腦功能損傷程度的指標。

AS在FTD病理模型中作用的相關研究發現，AS會表現出TAU蛋白表達、肥大、氧化應激易感性增加和轉錄結構等一系列改變，并在與健康神經元共培養的實驗中發現，FTDAS會減弱健康神經元對氧化應激的耐受能力[43]。同時，AS出現胞質內反式激活應答DNA結合蛋白-43(transactive response DNA binding protein-43，TDP-43)積累，可導致神經元細胞死亡[44]。這些結果表明，AS可能間接通過對神經元的影響來參與FTD的發生與進展，但對于其在FTD發病機制的其他作用，仍需進一步的研究去發現與證實。

6 AS與MSA

MSA是一組散發性的神經系統變性疾病，主要在成年期發病，臨床表現為自主神經功能障礙、帕金森綜合征、小腦性共濟失調和錐體束癥等。目前認為少突膠質細胞胞漿內的α-突觸核蛋白包涵體是MSA的主要病理學特征[45]，雖然在正常情況下，AS中很少表達α-突觸核蛋白，但有研究[46]發現在約40%的MSA患者中，軟腦膜下和腦室周圍AS中均出現異常磷酸化和聚合的α-突觸核蛋白聚集。此外，在病理刺激下AS會出現反應性增生，而在MSA患者的大腦[47]和小鼠MSA模型[48]中也均發現反應性AS與α-突觸核蛋白病理密切相關。這些發現提示AS可能會通過α-突觸核蛋白病理參與到MSA的發病過程中。

另一方面，生長抑制因子(growth-inhibitory factor，GIF)在神經細胞的存活和神經突的形成中會起到一定作用[49]。而關于GIF的研究[50]表明，它在體外具有生物活性，在人體組織中也有所分布，以及它在神經退化疾病中具有一定的調節作用，如在MSA損傷區反應性AS中GIF水平降低，而GIF的減少與神經元的損失相關，并且由GIF調控的反應性AS分泌的神經營養因子的行為可能也會受到影響。這些發現為探索AS在MSA發病機制中的作用提供了一個新的視角。

7 小 結

綜上所述，星形膠質細胞通過多種途徑和機制參與神經變性疾病的病理過程，并與其相關發病機制存在密切聯系。因此，提高星形膠質細胞的支持和防御能力，防止星形膠質細胞功能喪失，可能會為預防、控制甚至治愈相關神經變性疾病提供新靶點，也可能會為未來神經變性疾病的臨床藥物開發提供新的方向。