P2Y受體介導星形膠質細胞在中樞神經系統疾病中作用機制的研究進展

王雅明, 牛翻燕, 岳雅蓉, 付琨燕, 王云霞, 薛 慧綜述, 項文平審校

星形膠質細胞是中樞神經系統(central nervous system,CNS)中數量最豐富的膠質細胞[1],除了在人體健康中發揮著免疫應答、滋養支持神經細胞、維持血腦屏障、促進髓鞘及突觸形成以及保持內環境的穩態等重要神經系統保護作用外[2],有研究發現星形膠質細胞在一些條件下會釋放炎癥因子如白細胞介素-1α、腫瘤壞死因子、IL-6等加劇炎性反應,導致神經毒性作用損害機體功能,誘導疾病的發生發展[3],因此星形膠質細胞對神經系統是把雙刃劍。我們有必要去探索在何種條件下其產生何種作用。以往研究已報道P2Y受體表達在眾多膠質細胞膜上,它可以介導星形膠質細胞激活,引起下游的一系列反應。近年來在中樞神經系統疾病中該通路有越來越多的人進行深入研究,如一氧化碳中毒遲發性腦病、帕金森病、阿爾茲海默病、癲癇等,因此為了更好深入研究該通路的作用機制,特寫此篇綜述,為接下來的研究奠定基礎。

1 G蛋白偶聯代謝型(P2Y)受體

三磷酸腺苷(ATP)是一種能量物質,可以儲能和供能,通過作用于嘌呤受體去激活體內不同細胞信號轉導通路去執行不同的功能,嘌呤受體包括兩種分別為配體門控離子通道型(P2X)和G蛋白偶聯代謝型(P2Y),目前在哺乳動物體內已知P2Y受體共有8種亞型含有亞組(P2Y1、P2Y2、P2Y4、P2Y6和P211)和(P2Y12、P2Y13和P2Y14),可以介導生理學和病理生理學如炎癥和神經性疼痛[4,5],一般來說,不同亞型的P2Y受體在細胞中表現出不同的分布和功能。當P2Y受體被激活,往往是由于機體穩態受到損傷,啟動該條通路去維持平衡。目前有眾多學者采用P2Y受體的拮抗劑或激活劑去研究其治療潛能[6]。嘌呤能信號似乎在神經變性、神經保護和神經再生中發揮重要作用,目前已明確細胞外核苷酸是細胞間通訊的信號分子,尤其是在中樞神經系統中,同時P2Y受體參與了神經元和星形膠質細胞之間的相互作用,因此可預見P2Y受體所介導的信號通路具有潛在的研究價值[7]。

2 星形膠質細胞

星形膠質細胞在中樞神經系統中起著十分重要的作用,如神經退行性疾病包括肌萎縮側索硬化(amyotrophic lateral sclerosis,ALS)、阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease,AD)和帕金森病(Parkinson disease,PD),還有腦缺血相關疾病,它可以調控神經系統的發育、腦的物質代謝和血流。在正常生理情況下,正常健康的星形膠質細胞會保護神經元,避免氧化應激和興奮性毒性;當機體受到損害時,幼稚的星形膠質細胞會先分化成反應性星形膠質細胞,而后會變成疤痕膠質細胞[8]。這里值得一提的是在不同疾病中由于基因表達不同反應性星形膠質細胞又分為A1和A2型兩種表型[9]。有學者提出A1型會分泌出許多趨化因子、補體、炎癥因子等神經毒性介質,損害中樞神經系統中的神經元恢復與突觸重建,但同時也有可能抵御外來病毒的侵襲;而A2型往往會上調神經營養因子、可以增強細胞清除和吞噬的能力,能夠幫助中樞神經系統維持穩態,促進神經元的修復再生[10]。由于兩種表型的存在,我們有理由認為正是由于A1和A2的作用不同,所以星形膠質細胞的在機體中所產生的影響也會是兩面性的。目前已有眾多研究已表明反應性星形膠質細胞具有雙重作用,它的活化水平具有一定的損傷性質依賴性和損傷時間依賴性,會在適當范圍內進行相應改變。

3 星形膠質細胞生理學中的P2Y受體

P2Y受體的所有亞型在大腦中的星形膠質細胞上均有表達,P2Y1和P2Y2受體是主要角色,因為它們的刺激誘導細胞內鈣動員并激活與細胞骨架重組相關的信號級聯等[11]。其中P2Y1亞型已被發現在嗅球、海馬、皮質、小腦、伏隔核和脊髓的星形膠質細胞中表達較多,其它亞型則相對較少[12]。星形膠質細胞已被證明通過釋放ATP、谷氨酸、d-絲氨酸和GABA等膠質遞質顯著促進神經元信息處理[13]。P2Y受體激活星形膠質細胞參與了發育、代謝、細胞間通信的許多生理過程,并被證明可以介導Ca2+信號。Ca2+信號通路目前已成為星形膠質細胞中研究最廣泛的信號通路[14]。該信號通路過程為神經元釋放ATP刺激星形膠質細胞中的P2Y受體,打開內質網的IP3受體,導致Ca2+釋放到細胞質中導致胞質Ca2+信號上調[15]。

4 星形膠質細胞病理學中的P2Y受體

星形膠質細胞在維持大腦穩態中發揮了重要的功能。因此,星形膠質細胞功能障礙將導致神經元功能受損,在神經炎癥和神經退行性變過程中,某些情況下,星形膠質細胞可能是神經疾病的原因[16,17]。星形膠質細胞在AD、帕金森病、亨廷頓病、卒中、癲癇、神經性疼痛和精神分裂癥中發揮關鍵作用,P2Y受體已被證實參與這些疾病,如癲癇、神經退行性疾病和卒中等。

4.1 神經炎癥 神經炎癥是由創傷性腦損傷、感染、興奮性毒性或自身免疫引起的神經系統的炎癥性免疫反應。由受損細胞和活化的免疫細胞釋放的ATP作為危險信號[18],星形膠質細胞受到ATP的激活轉化為反應性星形膠質細胞[19]。有研究報道星形膠質細胞的轉化受P2Y受體介導,由缺血條件下釋放的ATP刺激P2Y1受體激活JAK2-STAT3信號通路,導致GFAP和GDNF的產生[20]。在卒中的動物模型中,使用P2Y1受體阻斷劑可以減少梗死體積[21]。因此目前有研究者認為P2Y1可以介導星形膠質細胞起到促炎作用,這些促炎因子包括IL-6、TNF-α和趨化因子CCL2等。然而有人發現在氧化應激過程中,刺激P2Y1受體激活星形膠質細胞產生IL-6起到神經保護的作用[22]。因此P2Y受體介導星形膠質細胞在神經炎癥的病理過程中具有雙重作用,存在一定爭議。

4.2 重度抑郁癥 星形膠質細胞嘌呤能系統的功能障礙似乎參與了重度抑郁癥(major depressive disorder,MDD)的病理生理過程。星形膠質細胞具有嘌呤能受體,如腺苷A2A受體(Rs)和P2X7、P2Y1和P2Y11,它們介導神經炎癥、神經膠質細胞傳遞和大腦抑郁相關區域的突觸可塑性。在MDD患者的前額葉皮質中,膠質纖維酸性蛋白(GFAP)的表達,即星形細胞的標記物,低于心理健康的人類[23]。此外,MDD患者星形膠質細胞密度的降低比神經元更明顯,提示星形膠質細胞可能在MDD發病中起關鍵作用[24]。有學者提出P2Y受體缺失時小鼠FST的靜止時間會有減少[25],此外,當社會隔離時,與GFAP陽性星形膠質細胞共定位的P2Y1受體的表達增加,從而導致抑郁樣狀態的發展,側腦室內注射選擇性P2Y1受體拮抗劑MRS2179挽救了這種病理行為[26]。星形膠質細胞嘌呤能系統似乎通過多種機制參與了抑郁癥的病理生理學,靶向星形膠質細胞來維持其穩態功能可能是治療MDD的一種潛在策略[27]。

4.3 癲癇發作 在癲癇患者和癲癇動物模型中發現星形膠質細胞的表達上調,有許多學認為其是癲癇的潛在發病機制[28,29]。因為嘌呤能信號通過星形膠質細胞傳遞,所以研究發現P2Y受體對癲癇發作的嚴重程度也產生了顯著影響[30,31]。在患有局灶性皮質發育不全的癲癇患者的腦樣本中,免疫印跡檢測提示GFAP陽性的細胞上P2Y1、P2Y2和P2Y4免疫反應性增加[32]。一些研究表明P2Y1在癲癇發病中的重要性,將癲癇患者術后的腦組織切片給予P2Y1受體的拮抗劑后其異常放電的頻率顯著下降,證明P2Y1受體激活可能導致癲癇的發作[33]。然而也有學者在小鼠的癲癇模型中發現P2Y1受體主要是通過介導小膠質細胞而發揮作用的,因此需要進一步深入研究去揭示P2Y1受體在癲癇中的具體發病機制[34]。

4.4 AD和神經退行性病變 神經退行性病變的特征性表現為神經元逐漸減少,最常見的神經退行性病變有PD、AD、路易體癡呆、肌萎縮側索硬化等。這些疾病中星形膠質細胞發揮了至關重要的作用,在神經退行性環境中,星形膠質細胞轉化為反應性星形膠質細胞增生的形態學和功能狀態,其特征為細胞肥大、膠質纖維酸性蛋白(GFAP)表達增加和離子通道、受體和轉運體的失調,包括嘌呤能信號傳導異常[35～38]。神經炎癥已被認為是AD患者大腦的一個突出特征,其可以調節疾病的進展,此外Ca2+穩態失調是AD發病機制中涉及到早期的因素,越來越多的證據支持Ca2+參與神經變性相關炎癥過程的機制[39]。嘌呤能信號通路在AD 和PD中也已被證實參與了發病過程且具有重要意義[40]。AD發病機制涉及淀粉樣蛋白β肽(Aβ) 的異常積累和ATP等危險信號的增加,ATP可以直接或間接觸發細胞內的Ca2+上調引起星形膠質細胞反應,其膜表面P2Y1的受體蛋白質表達水平也增加[41]。Reichenbach等在AD小鼠動物模型中發現使用P2Y1受體抑制劑慢性輸注到腦室內使星形膠質細胞和神經元網絡功能障礙正常化,通過體內雙光子顯微鏡測量顯示突觸結構的完整性增強,并保持海馬長時程增強,認為通過P2Y1受體抑制劑可以恢復網絡穩態是AD治療的新靶點[42]。網絡活動和功能連接的功能障礙是AD的早期事件,Disha等在 AppNL-F 小鼠中發現了早期扣帶回FC破壞和神經元活動過度,這些網絡中斷伴隨著星形膠質細胞鈣信號傳導的減少,恢復星形膠質細胞的鈣信號后使功能趨向正常化[43]。目前許多學者將焦點聚集到AD早期發病機制與星形膠質細胞的關聯,或許這可能是不同研究得到不同結果的原因。

4.5 神經性疼痛 神經性疼痛一般包括外周神經性疼痛和中樞神經性疼痛,其中最大的區別是神經損傷或疾病的位置,周圍神經性疼痛(peripheral neuropathic pain,PNP)包括幾種情況:三叉神經神經性疼痛、皰疹后神經痛(postherpetic neuralgia,PHN)、疼痛性糖尿病神經病變(painful diabetic neuropathy,PDN)、人類免疫缺陷病毒(HIV)神經病變和創傷后神經痛;CNP上最常見的損傷機制有:創傷性腦損傷、腦血管損傷、脊髓損傷[44]。P2Y1、2、6、12、13受體的異常表達水平是外周神經性疼痛的標志[45]。大部分研究講述的是小膠質細胞與P2Y受體在相應神經性疼痛的作用[46,47],而關于星形膠質細胞與P2Y受體在神經性疼痛相關的報道則較少,這可能是由于活化的小膠質細胞分泌許多促炎因子包括IL1β、IL-6和TNF-α,這被認為有助于神經損傷誘導的神經性疼痛[48]。目前星形膠質細胞越來越受到疼痛研究人員的關注,靶向星形膠質細胞的抑制劑被認為是治療神經性疼痛的有前途的藥物[49]。Ruili 等研究得出結論蛇床子素通過脊髓星形膠質細胞中的 P2Y1 受體依賴性 JNK 信號通路減輕小鼠的神經性疼痛[50]。神經性疼痛嚴重影響患者的生活質量,給國家帶來極大的經濟負擔[51],所以需要有更多的學者進行相關研究,減輕患者疾苦。

4.6 缺血性腦卒中 中樞神經系統缺血后,由于細胞損傷和隨后的膜通透性增加,細胞外ATP可達到高濃度,ATP可能導致細胞變性和死亡,由P2X和P2Y受體介導。有證據表明,星形膠質細胞對腦灌注壓的降低非常敏感,可能起到顱內壓力感受器的作用,調節以監測腦血流[52]。同時興奮性毒性是卒中期間急性損傷的主要機制,星形膠質細胞釋放神經遞質,對神經元產生一定效應,其中一種主要的神經遞質是谷氨酸,它可以作為絕大多數神經元的興奮性遞質,在許多病理學中發現,長期高濃度的谷氨酸刺激神經元,會導致興奮性毒性使受體過度激活、離子破壞、細胞腫脹、細胞毒性 Ca2+升高和膜去極化,并被認為是卒中、癲癇和一些神經退行性疾病中神經元丟失的主要原因之一[53]。Alexandra等研究發現在永久性大腦中動脈閉塞(MCAO) 缺血大鼠動物模型中用PPADS早期抑制P2Y受體可能有利于維持或早期重建梗死周圍區域的神經元連接[54]。Philipp等也發現使用P2Y受體阻滯劑在缺血模型中可以保護神經元和星形膠質細胞,減少了梗死面積[55]。這些研究證明了P2Y受體拮抗劑的有益作用,此外,P2Y1受體(腦組織中最豐富的P2Y受體亞型之一)的拮抗劑可減少創傷性腦損傷(Traumatic brain injury,TBI)后大鼠的神經元丟失并改善空間記憶[56]。所有這些研究都認為P2Y介導的星形膠質細胞可以作為卒中的切入點,為臨床治療提供更多策略。

5 結 論

在神經元活動期間或病理生理情況下從神經元和星形膠質細胞釋放的ATP能夠激活P2Y受體去調節細胞的興奮性、突觸強度和可塑性去影響神經元回路中的信息傳導,對中樞神經起著神經保護或損害的雙重作用。越來越多的證據表明P2Y受體可以介導星形膠質細胞引起Ca2+激活加劇或減輕神經炎癥和退行性疾病,該領域的知識在不斷擴展,因此星形膠質細胞和P2Y受體應改成為這些疾病的藥物靶點,去進一步深入研究,為臨床治療提供更多理論依據。