星形膠質細胞相關結構和功能在偏頭痛中的研究進展

李志娟 劉 璐 李 彬

首都醫科大學附屬北京中醫醫院 針灸神經調控北京市重點實驗室針灸中心，北京 100010

偏頭痛是臨床常見的一種中樞神經系統功能障礙性疾病，其臨床表現為單側或雙側搏動樣疼痛，伴有惡心嘔吐、畏光畏聲等。我國偏頭痛的發病率為9.3%[1]，其中50%以上的患者頭痛發作時會伴有痛覺超敏現象[2]。痛覺超敏是中樞敏化的一種反應，而中樞敏化的機制主要包括膠質細胞激活、突觸重塑和基因改變等[3-4]。在中樞神經系統中，膠質細胞不僅起著支持和營養作用，也參與了疼痛的中樞敏化；膠質細胞的激活已成為疼痛的研究熱點[5]。星形膠質細胞也在疼痛的發生和發展中發揮著重要的作用[6]，研究發現星形膠質細胞能夠參與疼痛的產生和級聯放大，其在疼痛的發展和持續階段有很強的活化反應[7]，但有關星形膠質細胞參與偏頭痛的病理生理研究較少，本文將總結星形膠質細胞與偏頭痛的相關研究，探索星形膠質細胞參與偏頭痛的機制，也為偏頭痛的機制研究和治療提供新的方向。

1 星形膠質細胞的結構及功能

星形膠質細胞是中樞神經系統內主要的膠質細胞，其外形呈星形，主要由膠質纖維絲酸性蛋白（glial fibrillary acidic protein，GFAP）組成，GFAP 是星形膠質細胞活化的標志物。在病理情況下，中樞神經系統常會生成反應性星形膠質細胞，表現為胞體肥大、突起增粗、分支增多等。星形膠質細胞通過半通道相互連接，形成細胞間縫隙連接。連接蛋白（connexins，Cx）是縫隙連接的主要組成結構，其中Cx30 和Cx43 在星形膠質細胞中特異性表達。

另外，星形膠質細胞與神經元接觸密切，為神經元提供支持和營養；并且星形膠質細胞部分包繞著神經元的突觸，為突觸提供結構支持和絕緣；通過黏附分子等表達調控突觸的發生，調節神經元的活性。同時，星形膠質細胞與腦血管廣泛接觸，在神經激活的同時調節血流量[8]。

在中樞神經系統中，星形膠質細胞的功能主要包括提取K+、水及神經遞質，通過表達谷氨酸轉運體，以及對鉀通道和水通道的調節，使其有助于維持谷氨酸穩態-鉀穩態和水穩態。

2 星形膠質細胞參與偏頭痛疼痛的方式

2.1 相關基因

在一項對來自三個歐洲頭痛診所的2731 例偏頭痛患者和10 747 名匹配人群的全基因組關聯分析（genome-wide association study，GWAS）研究[9]中，發現染色體8q22.1 上的rs1835740 小等位基因與偏頭痛有關。而rs1835740 位于MTDH（astrocyte elevated gene-1，AEG-1）和編碼血漿谷氨酸羧肽酶（plasma glutamate carboxypeptidase，PGCP）之間。同樣，另一項研究[10]對4954 例偏頭痛患者和13 390 例對照患者的偏頭痛數據進行了基因集分析，研究了在星形膠質細胞、小膠質細胞和少突膠質細胞中主要表達的突觸基因組；發現與星形膠質細胞和少突膠質細胞相關的基因集可能在偏頭痛的易感性中發揮作用，特別是那些參與蛋白修飾和信號轉導的基因。從兩個研究中可以看出與星形膠質細胞相關的基因與偏頭痛密切相關。

2.2 縫隙連接蛋白

縫隙連接是細胞間信號傳遞的直接通道。星形膠質細胞間主要由Cx43 相互連接[11]，Cx43 起著傳遞鈣波、降低細胞外K+濃度及防止突觸間隙內谷氨酸鈉堆積等作用。當傷害信號傳至中樞時，會使突觸前膜釋放大量的谷氨酸鈉、ATP 等相關物質，這些物質會作用于星形膠質細胞膜上的相應受體，產生三磷酸肌醇（inositol triphosphate，IP3）等第二信使，同時內質網釋放大量的Ca2+，而IP3、Ca2+會通過Cx43 傳播至相鄰的細胞，從而引起更大范圍的星形膠質細胞被激活，膠質細胞通過分泌谷氨酸鈉、白細胞介素（interleukin，IL）等介質作用于神經元，從而引起中樞敏化[12]。武茜等[13]通過觀察三叉神經頸髓復合體內Cx43 對偏頭痛大鼠痛覺超敏的影響，發現與對照組比較，模型組大鼠眶周痛閾逐日下降，出現痛覺超敏；并且免疫熒光染色顯示：模型組大鼠后角細胞數及Cx43 表達較對照組增多。這提示在Cx43 介導下，星形膠質細胞被大量激活，從而導致中樞敏化，最終誘發偏頭痛大鼠出現痛覺超敏。

2.3 突觸活性的改變

谷氨酸是中樞神經系統中最主要的興奮性神經遞質。為保證突觸間傳遞的敏感性，谷氨酸應當被迅速、及時地清除，而星形膠質細胞對谷氨酸的攝取是保持細胞外谷氨酸濃度穩定的最主要的途徑。星形膠質細胞有2 種不同的谷氨酸載體類型：GLAST 和GLT-1。當星形膠質細胞谷氨酸載體受到抑制時，細胞外谷氨酸濃度增高，導致神經元興奮，從而產生疼痛。

家族性偏癱性偏頭痛（familial hemiplegic migraine，FHM）是一種罕見的單基因型偏頭痛，發作時伴有運動無力的先兆[14]。目前FHM 有3 種表型：FHM1 型（CACNA1A-Ca2+通道基因）[15]、FHM2 型（ATP1A2-Na+、K+ATP 酶 基 因）[16]、FHM3 型（SCN1A-編 碼NaV1.1 鈉通道的α 亞基基因）[17]。FHM1 型中功能突變的CACNA1A 基因會使突觸前Ca2+內流，導致谷氨酸在突觸間隙釋放增加，從而產生疼痛。FHM2 型中ATP1A2 基因的功能缺失或突變，會導致皮層星形膠質細胞對突觸間谷氨酸和K+的清除率降低，并且突觸周圍的星形膠質細胞中GLT-1a 谷氨酸轉運體的密度降低，從而產生疼痛[18]。FHM3 型中，SCN1A 基因的功能缺失或突變會引起抑制性中間神經元的抑制活性降低，從而導致興奮性神經元活性增加；然而目前還沒有證據直接證明FHM3 型中神經元活性的變化與星形膠質細胞有關。

興奮性氨基酸轉運蛋白2（excitatory amino acid transporter 2，EAAT2）是一種谷氨酸的清除劑，負責突觸間隙中90%谷氨酸的攝取，其主要在星形膠質細胞上表達[19-20]。神經損傷后，EAAT2 表達下調，谷氨酸攝取功能障礙，導致突觸間有大量的谷氨酸積累，引起神經元的異常興奮，從而引發痛覺超敏。Zhou 等[21]通過建立慢性偏頭痛（chronic migraine，CM）大鼠模型，發現模型組大鼠三叉神經脊束尾核（trigeminal nucleus caudalis，TNC）部位中的谷氨酸濃度顯著升高，而相應地EAAT2 表達水平下降。通過免疫熒光發現：EAAT2 主要位于星形膠質細胞上，且模型組大鼠的星形膠質細胞呈激活狀態。給予EAAT2 的增強劑后，激活的星形膠質細胞減少，TNC 部位的谷氨酸濃度降低。這提示星形膠質細胞可能通過介導EAAT2 的表達，來調節突觸間谷氨酸的含量，進而調節偏頭痛。

2.4 皮層擴布性抑制

皮層擴布性抑制（cortical spreading inhibition，CSD）是發生在腦神經元和神經膠質細胞上一種緩慢傳播的擴散去極化波，CSD 的發生通常被認為與細胞內離子濃度的失衡有關，通常是由K+的分泌以及Na+、Ca2+及Cl-的吸收所引起，包括K+的快速外流，Na+、Ca2+及Cl-的快速內流，產生內向電流。當細胞內Ca2+的濃度增加，釋放到細胞間隙的K+和谷氨酸的濃度也會隨著增加，改變細胞的興奮性，從而引起偏頭痛。最新研究顯示[22]，星形膠質細胞也參與CSD 相關的疾病，而CSD 恰是偏頭痛的重要發病機制之一[23]。當發生CSD時，相關神經元的Panx1 通道打開釋放炎性分子，觸發炎癥級聯反應，激活鄰近的星形膠質細胞，導致炎癥介質的持續釋放，使疼痛持續。

目前，有關星形膠質細胞參與偏頭痛CSD 期間的研究主要集中在FHM 中。在FHM 中，星形膠質細胞中Ca2+濃度的升高會引起血管舒張和炎癥物質的釋放，從而引起頭痛發作。有研究顯示[24]，在發生CSD時，FHM1 表型小鼠的星形膠質細胞中Ca2+濃度明顯升高，這可能與偏頭痛中星形膠質細胞的激活有關。在FHM2 表型中，ATP1A2 編碼的α2 亞基主要在胚胎發育過程中和出生時的神經元中表達，且幾乎只在成年大腦的星形膠質細胞中表達[25]。在ATP1A2 基因缺失的FHM2 表型小鼠中[26]，應用KCL 誘導CSD 的發生，發現小鼠星形膠質細胞中Ca2+濃度升高，星形膠質細胞被激活。在另一項研究中[27]，星形膠質細胞ATP1A2 基因的缺失會引發小鼠短暫性運動麻痹和自發的CSD。這些證據證明了星形膠質細胞與FHM2表型CSD 期間的密切聯系。目前攜帶SCN1A 基因突變的FHM3 表型小鼠模型剛剛建立[28]，其在CSD 期間頭痛的發生發展是否與星形膠質細胞之間存在聯系還需進一步探索。綜上所述，星形膠質細胞的激活可能是FHM1、FHM2、FHM3 這3 種頭痛類型CSD 期間共同的病理生理學基礎。

2.5 炎癥介質

MAPK 是星形膠質細胞參與疼痛過程的一條重要通路。當神經損傷后，星形膠質細胞中的轉化生長因子（transforming growth factor β，TGF-β）激活激酶或腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）-α 受體表達上調，進而激活星形膠質細胞中的JNK[29]，其細胞內的ERK 也在疼痛后期被激活，釋放促炎性細胞 因子和趨化因子等，使疼痛持續。α7nAChR 是一個膽堿能抗炎通路中的離子通道，它在連接受體與信號分子結合后能顯著調節細胞膜通透性和神經遞質表達。在CM 大鼠實驗中[30]，CM 組TNF-α、IL-1、降鈣素基因相關肽表達升高，7nAChR 表達降低。與CM 組比較，使用α7nAChR 激動劑能降低海馬區星形膠質細胞和小膠質細胞的數量，提高大鼠的機械痛閾值。CM 中活化的小膠質細胞和星形膠質細胞，通過下游的p-JNK-MAPK信號通路釋放TNF-α 和IL-1，進一步加重CM。但是研究并未對小膠質細胞與星形膠質細胞的激活分別展開，CM 疼痛的加重可能是兩者共同作用的結果，由此推測引起CM 的原因是膠質細胞被激活，促炎性細胞因子表達增多，使疼痛加重。小膠質細胞與星形膠質細胞的激活時間可能是以后CM 研究的一個方向。

3 總結與展望

偏頭痛發病機制復雜，痛覺超敏是其主要特點。星形膠質細胞作為中樞神經系統中主要的組成部分，通過對神經遞質、受體、轉運體、通道及蛋白的調控，參與疼痛的發生發展。雖然星形膠質細胞在其他神經病理性疼痛中發揮著重要的作用，但目前關于星形膠質細胞參與偏頭痛的機制研究仍然較少，研究只是局限于某一個遞質或蛋白，并未深入研究。并且神經元與星形膠質細胞的互作在傳遞痛覺信號及誘導維持疼痛上越來越受到重視，神經元-星形膠質細胞互作是指星形膠質細胞可通過縫隙連接、趨化因子、神經遞質及離子通道維持神經元外穩態，保證神經元和星形膠質細胞處在正常狀態，同時通過以上機制與鄰近神經元及星形膠質細胞進行信息傳遞。偏頭痛的發生發展與神經元和星形膠質細胞密切相關，兩者的互作效應可能是一個偏頭痛研究的方向。