星形膠質細胞演變及相關信號通路對脊髓損傷后膠質瘢痕調節作用的研究進展

潘志鵬，李思成，姚黎清

昆明醫科大學第二附屬醫院康復醫學部，昆明 650101

星形膠質細胞是一種哺乳動物中樞神經系統內最豐富且胞體最大的膠質細胞。星形膠質細胞呈現星形，從胞體發出許多精細的突起，在神經細胞的胞體及其突起之間形成間隙鏈接，起支持和分隔神經細胞的作用。星形膠質細胞以有序且組織良好的連續覆蓋整個中樞神經系統，并在生理和病理條件下中樞神經系統中執行多種功能。脊髓損傷后，損傷局部微環境的改變激活星形膠質細胞的活化態，并最終形成膠質瘢痕。反應性星形膠質細胞的肥大、增殖、遷移和膠質生成涉及多個細胞間和細胞內信號傳導機制，其觸發和維持星形膠質細胞的反應性，并協調膠質瘢痕的形成。以往觀點認為，瘢痕內的星形膠質細胞會分泌抑制軸突延伸的多種生長抑制分子，如硫酸軟骨素蛋白多糖（GSPG）和信號素3A，阻止損傷或疾病后中樞神經系統的神經恢復［1］。然而，最近研究顯示，反應性星形膠質細胞形成的瘢痕亦有助于中樞神經系統損傷脊髓的再生［2］。研究表明，脊髓損傷后相關信號通路觸發并調節反應性星形膠質細胞和瘢痕形成［3］。星形膠質細胞隨時間而演變的這些通路在脊髓損傷中起重要作用，但其具體機制尚不明確?，F就星形膠質細胞演變及相關信號通路對脊髓損傷后膠質瘢痕調節作用的研究進展綜述如下。

1 不同狀態下星形膠質細胞的特點

正常狀態下，星形膠質細胞源自腦室下區（SVZ）的神經干細胞（NSC），并沿放射狀膠質突起遷移以填充中樞神經系統［4］。一旦遷移過程完成，星形膠質細胞就會分化為具有高度功能和區域專業化的亞群［5］。星形膠質細胞根據細胞形態和解剖位置的差異，主要分為原生型和纖維型兩種亞型。原生型分布于灰質，其突起包裹著神經元的突觸。纖維型分布于白質，其突起與神經元的郎飛結接觸。這兩種亞型的星形膠質細胞均與血管有廣泛接觸，并且均在相鄰星形膠質細胞的遠端突起之間形成間隙鏈接［6］。在健康的中樞神經系統組織中，星形膠質細胞維持細胞外液、離子、pH和遞質穩態；形成血腦屏障，為神經元提供能量；調節局部血流；在突觸發育和可塑性中發揮作用；對神經回路、神經功能和行為至關重要［7］。

在病理過程中，中樞神經系統損傷后的炎癥、感染、缺血和創傷等損傷激活了星形膠質細胞的增生和肥大，通常將這種增生的細胞稱為反應性星形膠質細胞。相較于非重疊域細枝狀的星形膠質細胞，反應性膠質細胞會過度表達膠質纖維酸性蛋白（GFAP）、波形蛋白和巢蛋白［8］。在病理的中樞神經系統中，星形膠質細胞具有多種功能，包括調控神經營養因子的表達水平、清除損傷廢物和死細胞、限制炎癥的擴散和感染、修復血脊髓屏障和形成膠質瘢痕［9］。反應性星形膠質細胞主要表現為纖維型星形膠質細胞增生和過度延伸，向病變中心遷移并有助于組織修復過程，最終發展為膠質瘢痕［10］。

2 星形膠質細胞在脊髓損傷后的演變及對膠質瘢痕的影響

反應性星形膠質細胞參與調控脊髓損傷的生理和病理環境下的疾病進展，對脊髓損傷后的組織修復和功能修復至關重要。反應性星形膠質細胞的細胞形態、分子表達和功能方面在脊髓損傷中發生一系列潛在變化，這些變化體現在神經損傷區域的細胞間和細胞內的信號調控機制。這些信號調控機制是否有益尚未完全清楚。了解反應性星形膠質細胞的多維作用對于開發新型生物療法以減少急性中樞神經系統損傷后以及神經退行性疾病中的中樞神經系統細胞損失和神經損傷具有巨大潛力。

2.1 反應性星形膠質細胞的激活、增殖、遷移 反應性星形膠質細胞的激活是星形膠質細胞過度生成以應對創傷后中樞神經損傷疾病的一種病理反應，該過程涉及其分子表達和形態的變化。反應性星形膠質細胞的變化不是一種全無或全有的現象，而是隨著損傷強度和類型而漸進、連續的變化現象［11］。在脊髓損傷后的急性期，由于血腦屏障被破壞，組織發生腫脹，炎癥反應增加（如小膠質細胞和各種細胞因子增加）和經典的信號通路激活，中樞神經系統通常會快速、局部誘導損傷部位及其周圍反應性星形膠質細胞的增殖和遷移，從而導致其數量增加［12］。隨著時間的推移，反應性膠質細胞呈現顯著肥大和一定程度的增殖。這些顯著的擴張導致星形膠質細胞域的破壞和組織扭曲。在嚴重的損傷中，星形膠質細胞重疊得更加密集［13］。值得注意的是，膠質細胞重疊域摻入了病變周圍新增殖的細胞將受損區域與健康組織分開并限制了炎癥細胞的擴散。

增殖是導致神經膠質瘢痕形成的中樞神經系統受損部位星形膠質細胞積累的另一個關鍵因素。在神經系統疾病中，神經干/祖細胞可轉化為神經元和膠質細胞。近期研究證明，膠質瘢痕中的反應性星形膠質細胞來源于膠質祖細胞。NG2細胞可在腦損傷中分化為增殖的反應性星形膠質細胞，而室管膜細胞前體在脊髓損傷和中風等疾病中生成瘢痕形成星形膠質細胞［14］。

星形膠質細胞的FA 動力學對遷移至關重要。STAT3通過調節RhoA（肌動蛋白動力學的關鍵調節劑）的活性影響肌動蛋白產生的張力，進一步控制星形膠質細胞斑復合物（FA）的分子動力學［15］。FA 的分子動力學直接影響星形膠質細胞遷移和神經膠質瘢痕形成。STAT3-cKO 星形膠質細胞表現出較慢的FA動力學，削弱了星形膠質細胞的遷移［16］。在亞急性期，反應性膠質細胞遷移到病變中心，分離炎癥細胞并修復病變區域以增強功能，并在病變半暗帶開始形成星形膠質細胞瘢痕［17］。然而，星形膠質細胞在損傷時只進行適度增殖，并且這種增殖僅限于病變邊緣的薄層。來自3D成像研究的測量表明，病變組織中星形膠質細胞的密度是正常組織的2～4倍［18］。

2.2 膠質瘢痕形成 膠質瘢痕是由反應性星形膠質性細胞增殖形成的致密屏障。肥大的反應性星形膠質細胞在結構上發生重組，形成網狀纏繞的絲狀過渡層，成為下行或上行軸突再生的主要物理屏障［19］，這種物理屏障將損傷區域的炎癥與完整組織分離，并最大限度地減少中樞神經系統損傷后繼發性損傷的程度。研究顯示，瘢痕內的星形膠質細胞會分泌抑制軸突延伸的多種生長抑制分子，如硫酸軟骨素蛋白多糖（GSPG）和信號素3A，它們會阻止損傷或疾病后中樞神經系統的神經恢復［20］。因此，有研究認為反應性星形膠質細胞形成的膠質瘢痕是SCI后軸突再生失敗的主要原因［21］。最近研究顯示，如果在CNS損傷后的早期消除星形膠質細胞增生，將會導致更大的病變面積和更差的功能結果［22］。隨后研究報告表明，反應性星形膠質細胞形成的瘢痕會分泌神經生長因子，有助于中樞神經系統軸突再生［23］?？傊切文z質細胞瘢痕形成對軸突再生有促進作用，但也存在抑制性作用。

2.3 膠質瘢痕成熟 SCI 2 周后，當瘢痕被最初源自室管膜細胞的星形細胞層包圍且分隔在病變中心時，周細胞將其他類型的細胞吸引到病變區域。然后，由駐留星形膠質細胞自我復制產生的另一個星形膠質細胞層進一步圍繞病變區域［24］。形成瘢痕的星形膠質細胞完成了它們的表型變化，不再將它們的過程垂直朝向病變核心，而是變得更加平行和相互重疊。因此，反應性膠質細胞失去原先的結構域并形成致密成熟的膠質瘢痕。炎癥穩定后，對于特征性反應性膠質細胞，膠質瘢痕的形成還需要激活室管膜細胞、表達NG2+的神經膠質（包括OPC）、腦膜和血管來源的成纖維細胞、周細胞和損傷區域周圍的巨噬細胞［25］。這些細胞中的一部分細胞有能力改變星形膠質細胞的表型并成為反應性星形膠質細胞，從而進一步促進膠質瘢痕的形成。

3 星形膠質細胞相關信號通路對脊髓損傷后膠質瘢痕的影響

反應性星形膠質細胞的肥大、增殖、遷移和膠質生成涉及多個細胞間和細胞內信號傳導機制，其在時間上起作用以觸發和維持星形膠質細胞的反應性，進而協調膠質瘢痕的形成。這些信號轉導通路和受體在脊髓損傷后的膠質瘢痕形成中起關鍵作用。這些關鍵信號通路參與星形膠質細胞。星形膠質細胞通過一系列復雜的細胞內信號傳導通路對多種細胞外信號分子做出反應，這些通路激活cAMP、MAP（微管相關蛋白）激酶、核因子 κB（NF-κB）、Janus 激酶信號轉導器和激活劑轉錄（Jak-STATs）等［26］，其中最重要的是NF-κB和STAT3通路。

3.1 NF-κB 越來越多的證據表明，NF-κB 通路的激活導致中樞神經系統的病理變化，并且該通路的抑制有助于限制疾病進展［27］。NF-κB通路由中樞神經系統（CNS）中的幾種因子刺激觸發，其中最重要的是 Toll 樣受體對釋放的 DAMP 做出反應［28］、病原體相關分子模式和腫瘤壞死因子受體家族的成員，它們以各種特異性存在于中樞神經系統的所有細胞上?；罨腘F-κB 進入細胞核，與靶基因啟動子或增強子中的κB序列結合，促進大量靶基因釋放炎癥因子的表達，如 IL-1、TNF-α、IL-6、IL-8 和 ICAM-1。激活的細胞因子可增強NF-κB 表達，從而進一步提高細胞因子如 TNF-α、IL-6 和 IL-1 釋放，形成級聯放大效果，即SCI 后加重二次傷害［29］。研究顯示，經典NF-κB 亞基 p65/p50 的活性模式在 SCI 后 3 d 和 28 d顯示兩個峰值［30］。腫瘤壞死因子-α（TNF-α）在受傷的脊髓中產生，其與TNFR1/TNFR2 結合，激活下游NF-κB 信號通路［31］。表達星形膠質細胞 NF-κB 抑制劑的轉基因小鼠表現出改善的運動功能和減少的膠質瘢痕形成以及更好的白質保存和更小的病變尺寸［30］。

3.2 信號轉導和轉錄激活因子3（STAT3） STAT3信號傳導被認為是SCI 后星形細胞瘢痕形成的關鍵介質。STAT3 是由750～795 個氨基酸組成的一種DNA結合蛋白。它在多種組織和細胞中表達，與脊髓損傷的疾病進展有密切關系。作為JAK-STAT通路家族的一員，STAT3 在細胞行為中發揮關鍵作用。在中樞神經系統中，STAT3 主要分布在星形膠質細胞和神經元中，負責神經元增殖和分化及神經再生［32］。研究顯示，星形膠質細胞激活和神經損傷引發的膠質瘢痕形成需要STAT3 通路的參與［33］。DAI等［34］觀察到急性SCI可異常激活JAK2/STAT3通路，導致細胞凋亡的發生。有研究表明，STAT3 基因敲除小鼠在脊髓損傷后未能形成神經膠質瘢痕，導致廣泛的病變和功能恢復不良，其原因是缺乏STAT3激活會導致星形膠質細胞不能遷移到病變部位并包含受損區域［35］。這導致炎癥細胞在SCI 部位的流入加劇，進而有缺陷的神經膠質瘢痕、白細胞廣泛浸潤、脫髓鞘增強和挫傷性SCI 后神經元丟失增加。因此，STAT3 激活在星形膠質細胞中的作用及反應性星形膠質細胞增生在抑制白細胞浸潤和減少脊髓損傷后初級組織損傷方面具有重要意義。

脊髓損傷后，一系列應激反應會誘導星形膠質細胞活化。反應性星形膠質細胞通常在形態和基因表達改變方面與正常條件下的星形膠質細胞不同，它們與細胞外基質成分結合在病變部位形成膠質瘢痕，受損區域的壁與鄰近的健康組織形成。然而，膠質瘢痕作為一種物理和分子屏障，在脊髓損傷急性期可防止微生物感染和炎癥反應的傳播，慢性期又會阻礙患者的功能恢復。這種復雜性反映了星形膠質細胞與脊髓組織內相鄰細胞的廣泛相互作用。鑒于星形膠質細胞增生的多因素和時間性質，在脊髓損傷后不同時間點描繪反應性星形膠質細胞的演變以識別有效的治療靶標至關重要。

綜上所述，星形膠質細胞在健康狀態下，發揮穩定內環境、形成血腦屏障和維持神經通路的作用。在發生脊髓損傷后，星形膠質細胞轉化為反應性膠質細胞并發生激活、增殖和遷移，最終形成膠質瘢痕。NF-κB和STAT3是主要參與脊髓損傷后星形膠質細胞的演變過程的信號轉導通路。這兩條通路使得膠質瘢痕具有雙重作用，早期通過限制炎癥反應和分泌神經營養因子對脊髓修復有促進作用，中晚期形成邊界和分泌神經抑制因子限制脊髓的修復。