星形膠質細胞的免疫炎性反應和谷氨酸代謝異常在卒中后抑郁發病中的作用

高倩,張明寬,陳志彬,劉曉語,胡明會,王新宇,張浩,李自發,耿希文,魏盛,武繼彪

(1.山東中醫藥大學中醫藥創新研究院,山東 濟南 250355;2.山東中醫藥大學實驗中心,山東 濟南 250355)

卒中是一種急性腦血管疾病,其主要特征為突然起病,局灶性神經功能缺損,是全球范圍致殘和死亡的主要原因,主要分為缺血性和出血性兩種,其中缺血性卒中(ischemic stroke,IS)發病率在卒中患者中占比69.6%[1]。卒中后抑郁(post-stroke depression,PSD)作為一種神經心理疾病,在卒中患者恢復期間常常被忽視,除此之外仍有約三分之一的腦卒中患者在卒中發生2年內存在抑郁體驗[2]。研究表明星形膠質細胞(astrocyte,Ast)在卒中及抑郁的發生均發揮重要的作用,卒中發生后,體內的Ast變化不僅對神經功能恢復發揮雙重作用,而且在很大程度上促進抑郁癥的發病[3-4]。IS發生后,缺血區Ast活化:一方面,Ast通過攝取興奮性氨基酸、釋放抗炎因子等方式保護神經元;另一方面,活化的Ast釋放促炎因子擴大梗死灶,對神經元修復產生不利影響[5]。如何提高Ast保護作用、降低PSD的損傷作用是后續開展的方向。本文主要以卒中后Ast相關的生物學變化為切入點,探討PSD發病所涉及的主要信號通路及治療策略。

在生理情況下,Ast具有維持中樞神經系統中離子和pH的穩態、促進神經遞質的合成與清除的功能,除此之外還有提供葡萄糖供應、抗氧化、調節突觸活動、支持神經元、調節腦血流量以及限制外周免疫細胞穿過血腦屏障等作用[6]。腦缺血性損傷會誘發一系列應激反應,如免疫炎癥、谷氨酸神經毒、氧化損傷等,誘導Ast聚集、遷移和增生為反應性星形膠質細胞(reactive astrocytes,RAs)。在腦缺血早期,RAs的增多是一種自我愈合反應,具有保護作用。RAs通過上調神經營養因子水平,抑制炎癥反應,提高神經元存活率。隨著腦缺血時間延長,RAs可隨病情發展出現多樣的形態變化:諸如胞體肥大、增生、突起變粗、分支增多等。此類變化不僅加劇病區腦組織細胞的惡性生長,使得細胞間生長相互疊加和覆蓋,最終導致膠質瘢痕生成[7];而且可激活多條通路,加劇相應腦區組織的炎癥反應。

有關PSD發病機制研究學說眾多,與Ast相關的PSD發病機制主要包括免疫炎癥反應[8]、谷氨酸能系統障礙[9]兩個方面。因此,調節Ast內各種信號通路的活性情況,進而調控Ast抗炎、谷氨酸清除速度等功能是針對Ast緩解PSD的有效方法。其中p38MAPK信號通路、Notch信號通路、JAK-STAT信號通路、Toll樣受體等信號通路參與免疫炎性反應對PSD的影響;Sonic Hedgehog信號通路、Toll樣受體等信號通路參與谷氨酸能系統調控,現總結如下。

1 Ast參與免疫炎性反應在PSD中的作用

1.1 PSD與免疫炎性反應缺血后機體產生的免疫炎性反應是一個復雜的動態過程,Ast也參與其中。Ast根據缺血時間的長短,而發揮不同作用:早期釋放抗炎因子維持內環境穩態;后期釋放促炎因子阻止腦損傷恢復[5]。有研究表明,免疫炎癥反應系統參與調控細胞因子水平與PSD的發生有關,即“細胞因子卒中后抑郁理論”[6]。炎癥反應與抑郁癥的發病密切相關:在嚴重抑郁癥患者中,可觀察到其血清或血漿中白細胞介素(interleukin,IL)-6和腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF)-α的水平增加[11-12]。因此,抗細胞因子治療是PSD的潛在治療手段。

1.2 相關信號通路

1.2.1 p38MAPK信號通路在p38MAPK信號通路中,該信號通路的激活不僅會損傷Ast,進而形成膠質瘢痕,而且產生ROS并促進MMP-9表達,促進炎癥發生。腦缺血后,阻斷p38MAPK通路可以有效抑制炎癥反應進行。p38MAPK抑制劑可以有效緩解氧糖剝奪6 h所致的Ast腫脹及p38MAPK蛋白表達上調情況[13]。同樣,腦缺血損傷后,Ast中p38MAPK激活的延遲可減緩Ast的增殖及炎癥反應的發生[14]。因此MAPK信號通路阻斷有可能維持Ast正常功能進而減輕PSD癥狀。

1.2.2 Notch信號通路在腦缺血后,Notch信號通路在Ast中被激活,加重缺血半暗帶的炎性細胞浸潤[15]。有研究表明,Notch信號通路在調節Th17/Treg細胞平衡方面起著關鍵作用[16],Th17/Treg比例失衡與卒中、抑郁等疾病密切相關[17-18]。在PSD大鼠中使用Notch信號通路阻斷劑阻斷該通路后,外周血單個核細胞中Th17/Treg比值降低,推測DAPT通過調控Th17/Treg平衡減輕PSD炎癥反應,從而減輕PSD大鼠癥狀[19]。

1.2.3 JAK-STAT信號通路在JAK-STAT信號通路中,JAK2-STAT3信號通路是調控炎癥因子的重要通路[21-22]。腦卒中后內皮素-1(endothelin-1,ET-10)在Ast中合成,有強烈收縮血管的作用。有研究表明,過度表達Ast ET-1的轉基因小鼠表現出更嚴重的神經功能缺損,其特征在于短暫性大腦中動脈閉塞后出現更大的梗死。使用JAK2-STAT3抑制劑治療的過度表達Ast中ET-1的轉基因小鼠在發生短暫性缺血腦卒中后,同側大腦的神經功能缺損顯著減少,梗死面積減少,Ast分化變少。同時,腦內微量注射ET-1是一種簡單有效且可重復的局灶性缺血損傷,會導致強烈的焦慮抑郁表型可持續6周,導致PSD表型[22]。

1.2.4 Toll樣受體信號通路4Toll樣受體信號通路4(Toll-like receptors,TLR4)參與許多炎癥疾病的發生,是抗炎經典通路。TLR4主要在大腦Ast、神經元及小膠質細胞表達,是檢測心腦血管風險的重要標志物[23]。TLR4信號通路的激活參與了腦缺血過程,通過激活NF-κB,促進炎癥因子、細胞因子的釋放,從而引起炎癥反應。TLR4拮抗劑或基因敲除可減輕腦損傷[24-25]。臨床研究表明,外周血單核細胞中TLR4表達水平的升高與腦出血患者的不良預后有關[26]。此外,有實驗研究發現TLR4敲除的腦出血動物模型的神經功能得到了改善[27-28]。

1.3 免疫炎性與PSD治療炎性因子是免疫炎性反應的一個重要的指標。卒中患者體內釋放炎性因子IL-1、IL-6、TNF-α和INF-γ等明顯高于正常人[29],同時IL-1、IL-6和CRP的升高會促發抑郁癥[30]。在臨床診斷中,IL-6和TNF-α含量可用于判定中風急性階段抑郁發展情況[31]。Howren等[32]對臨床試驗的meta分析得出結論,抗細胞因子治療可以改善抑郁癥狀。紅景天不僅通過調節JAK2-STAT3信號通路,改善缺血再灌注大鼠神經功能損傷[33],而且降低PSD大鼠海馬組織TNF-α、IL-1β水平,改善PSD癥狀[34]。有研究表明,頤腦解郁復方下調JAK2、STAT3、TLR2、TLR4和NF-κB蛋白的表達[35-36],推測該藥可能通過減緩免疫炎性反應,從而治療PSD。以上研究結果表明Ast在p38MAPK信號通路、Notch信號通路、JAK-STAT信號通路、Toll樣受體信號通路中均發生免疫炎性反應影響PSD的發生發展,阻斷該通路可以減輕PSD癥狀。

2 Ast參與細胞間谷氨酸代謝在PSD中的作用

2.1 PSD與谷氨酸代謝缺血缺氧后數分鐘神經元膜電位發生去極化,電壓依賴性鈣通道被激活,谷氨酸被釋放到細胞外間隙[37]。EAAT2(GLT-1)為谷氨酸轉運體,表達于前腦、海馬、大腦皮質和紋狀體等部位的Ast膜上,在成人大腦上負責超過90%的谷氨酸攝取[38-39]。谷氨酸轉運蛋白含量對于谷氨酸神經毒誘導的神經元死亡非常重要。當局部腦缺血20 min～2 h,腦部缺血區谷氨酸含量升高2.5～20倍,谷氨酸的過量堆積,過度興奮谷氨酸受體導致神經元死亡。由AQP4介導的星形膠質細胞腫脹可促進谷氨酸興奮性毒性、NO產生及IL-1β、IL-6及TNF-α等細胞因子的釋放,從而加重缺血區血腦屏障損傷,誘發腦水腫[40]。

在重度抑郁患者及抑郁小鼠模型中大腦海馬中可發現GLT-1表達水平的降低[41]。Fullana等[42]研究證明在前額葉邊緣下皮層選擇性敲除Ast谷氨酸轉運體亦可誘導小鼠出現抑郁行為。Chandley等[43]則發現重度抑郁患者藍斑中谷氨酸增多主要與藍斑中病變的Ast有關,其特征在于Ast谷氨酸轉運蛋白表達的減少。因此大腦中谷氨酸轉運蛋白尤其是GLT-1在調節抑郁行為中的作用不可忽視。

2.2 相關信號通路

2.2.1 Sonic Hedgehog信號通路Sonic Hedgehog (SHH)信號通路在正常人體組織中呈無活性或低活性狀態,缺血環境中可被激活。SHH通路激活涉及四種蛋白:SHH配體、跨膜受體Patched (Ptch)、細胞跨膜蛋白Smoothened (SMO)和膠質瘤相關癌基因蛋白1 (Gli-1)。其中Gli-1的表達可直接反映該通路的活性狀態,SHH配體是該信號通路中的重要元件,該信號通路參與IS的作用機制如下:正常情況下,SMO被Ptch抑制,從而抑制SHH通路,使得谷氨酸在細胞間隙內維持正常的微摩爾水平;在腦缺血環境中,SHH迅速釋放,并與Ptch結合,解除Ptch對SMO的抑制,使SMO激活,從而抑制GLT-1的活性,導致谷氨酸轉運受阻,進而造成細胞外谷氨酸積累[44],執行缺血性腦損傷。同樣,抑郁癥患者谷氨酸水平異常升高,其發生發展可能與突觸間隙谷氨酸增多有關:將GLT-1抑制劑二氫卡因酸鹽(dihydrokainate,DHK)微量注射到中央杏仁核中可致動物快感缺失[45],這在動物行為學研究中是典型的抑郁模型特征。雖然SHH信號通路的激活可以間接導致谷氨酸的增多,誘發谷氨酸興奮毒等各種不良反應,但有研究表明電針可通過激活SHH通路,升高PSD大鼠BDNF水平、Bcl-2/Bax比率,從而升高5-羥色胺、去甲腎上腺素水平,緩解PSD大鼠癥狀[46]。兩者雖有矛盾但其解釋機理不同:前者是谷氨酸過量增多誘導疾病,后者是通過升高單胺類神經遞質5-羥色胺、去甲腎上腺素改善PSD大鼠抑郁行為。因此SHH通路激活在PSD中發揮重要作用,深層機制復雜,有待進一步研究證明。

2.2.2 TLR4信號通路鈣防衛蛋白S100A9屬于損傷相關分子模式(damage-associated molecular patterns,DAMPs)的一種,不僅在炎癥性疾病如癌癥和自身免疫性疾病中大量表達,而且作為炎癥相關神經變性和衰老的重要參與者。有研究表明S100A9可能通過激活TLR4/NF-κB通路抑制GLT-1依賴的谷氨酸攝取和促進星形膠質細胞Ca2+依賴的谷氨酸釋放,從而上調細胞外谷氨酸水平,進一步導致神經元損傷[47]。

2.3 谷氨酸興奮性毒性與PSD治療Ast攝取谷氨酸是防止缺血性卒中后興奮毒導致神經元死亡的重要機制,因此調節GLT-1活性來維持谷氨酸穩態和控制谷氨酸毒性是治療該病的可能方向。頭孢曲松鈉可以增加Ast中谷氨酸轉運蛋白GLT-1,降低臨床前模型中的細胞外谷氨酸和谷氨酸毒性[36,48]。頭孢曲松鈉在急性缺血性卒中中維持GLT-1活性仍然具有挑戰性,因為GLT-1上調需要數天[49]。但頭孢曲松鈉或許可以通過減少卒中后谷氨酸增多從而緩解PSD癥狀。SMO抑制劑NVP-LDE225,可以通過減緩卒中條件下Ast中GLT-1的降低,對非人靈長類動物缺血中建立保護作用[16]。目前尚未有NVP-LDE225治療PSD的報道,在將來有望看到采用該藥物治療PSD的曙光。因此,GLT-1可能是PSD的治療靶點,推測抑制SHH信號通路中SMO可以通過增加谷氨酸轉運體(GLT-1),減少細胞外谷氨酸含量,減輕神經興奮性毒性,從而介導PSD的治療。

3 總結和展望

綜上,腦缺血后引發序列反應:Ast被激活,誘導免疫炎性反應、抑制谷氨酸轉運體活性,導致細胞間免疫炎性因子、谷氨酸增多,進而促進PSD的發生。在谷氨酸能系統方面,缺血性腦損傷可能會通過SHH信號通路降低谷氨酸轉運體GLT-1的表達從而使細胞間谷氨酸含量增多,介導谷氨酸興奮毒,使神經元死亡加重腦損傷。除SHH信號通路之外,TLR4信號通路同樣會通過抑制谷氨酸攝取和釋放進行影響谷氨酸-谷氨酰胺循環導致神經元損傷,甚至會繼發免疫炎性因子水平的升高,促進抑郁樣情緒發生。另外,GLT-1表達的抑制同樣也是PSD的發病基礎。因此,無論是細胞間谷氨酸的增多還是GLT-1表達的減少都會加重PSD發生。在免疫炎癥方面,RAs會介導多個信號通路發生作用,導致免疫炎癥因子的增多,促進PSD發生,如圖1所示。在這里,減少細胞外谷氨酸含量,增加谷氨酸轉運體表達以及抑制促炎相關信號通路是緩解這一疾病的方法。其具體作用機制主要與調控Sonic Hedgehog信號通路、p38MAPK信號通路、Notch信號通路、JAK-STAT信號通路、Toll樣受體信號通路等有關。以上這些都為進一步了解Ast相關的PSD治療提供參考,為治療PSD提供新思路。卒中后Ast參與的相關生物學機制除谷氨酸和免疫炎癥反應這兩個方面,是否還涉及到其他方面。在卒中后期形成膠質瘢痕的修復是否會影響PSD的進程,Ast參與IS后造成的神經功能損傷具體生物學機制,保護作用和損傷作用時期如何劃分等,有待進一步深挖研究。

圖1 與星形膠質細胞相關PSD的發生機制

在臨床上,西醫主要通過單胺類氧化酶抑制劑、5-羥色胺再攝取抑制劑等藥物治療PSD,但療效不佳,長期用藥后毒副作用大,導致患者在服藥后期被迫停藥[50]。在這種條件下,中藥復方的存在發揮了極大作用,中藥復方可以多組分、多靶點、多途徑的作用使中藥復方治療疾病占有很大優勢:例如頤腦解郁復方可以通過調節Toll樣受體信號通路、JAK-STAT信號通路等調節PSD的免疫炎性反應[35-36]。隨著技術的不斷發展,探求中藥復方治病的機理以及為臨床提供目標更加特異、治療效果更佳、副作用更少的新型復方藥物仍是科研界追尋的方向。