原发性脑出血

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文献综述解读创伤性脑损伤中星形胶质细胞 [复制链接]

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撰文︱Sunny

责编︱王思珍

创伤性脑损伤(traumaticbraininjury,TBI)是指由于意外事故(如交通事故、跌落等)对头部造成的直接损伤,可导致死亡或严重残疾,如运动和智力残疾。全球每年有超过万的年轻人和老年人经历TBI。虽然几种候选药物在TBI动物模型中发挥了有益作用,但大多数药物在临床试验中均未表现出显著效果。多项研究表明星形胶质细胞在TBI的发病机制中起关键作用。因此,星形胶质细胞可能是未来TBI治疗的潜在靶点。

年6月15日,来自日本明治药科大学的ShotaroMichinaga和神户药科大学的YutakaKoyama在InternationalJournalofMolecularSciences上发表了题为PathophysiologicalResponsesandRolesofAstrocytesinTraumaticBrainInjury的综述文章,详细叙述了星形胶质细胞对TBI的反应的两面性以及潜在的靶向星形胶质细胞的TBI治疗药物。

背景

TBI能引起大脑复杂的病理反应,包括轴突损伤、神经元死亡、胶质细胞增生、血脑屏障破坏、脑水肿、颅内出血、低氧血症、低血压和神经炎症。另一方面,TBI后也能促进神经发生和突触发生,以恢复神经功能的丧失。TBI通常可被分为局灶性或弥散性损伤。局灶性损伤是由直接撞击造成的,包括头皮损伤、颅骨骨折和表面挫伤。弥漫性损伤包括突然加速-减速造成的脑损伤、缺氧-缺血性损伤、脑膜炎和血管损伤。

TBI的发生分为两个不同的阶段:原发性损伤和继发性损伤。原发性损伤源于对头部的直接撞击,并立即造成致命的脑损伤,如核心区的挫伤和出血。这将导致不可逆的神经元、轴突及血管损伤。继发性损伤是创伤后几分钟到几天内发生的一系列复杂的细胞过程和生化级联反应。继发性损伤事件包括血脑屏障损伤、炎症因子释放、自由基超载、神经递质谷氨酸过度释放(兴奋性*性)和脑水肿。这些继发性过程可显著加重原发性损伤造成的伤害,是医院发生TBI死亡最多的原因之一。继发性损伤主要由星形胶质细胞、小胶质细胞和从外周组织浸润的免疫细胞驱动,并导致持续的神经元和血管功能障碍。原发性损伤是不可避免的,而以预防继发性损伤和改善脑损伤后的功能恢复为治疗和干预TBI的发展提供了一个机会。在继发性损伤区域,正常的星形胶质细胞被广泛激活为反应性星形胶质细胞。因此,许多科学家研究了反应性星形胶质细胞在TBI病理发展中的作用,并且星形胶质细胞逐渐成为开发TBI治疗药物的潜在的靶点。

进展

一、脑创伤中的反应性星形胶质细胞

反应性星形胶质细胞通常以星形胶质细胞的结构和功能转换为主要特征。其特征包括细胞肥大、增殖增强、炎症介质和神经营养因子的分泌,以及中间丝表达的增加,如胶质纤维酸性蛋白(GFAP)和Vimentin。反应性星形胶质细胞具有很高的增殖能力,被称为星形胶质细胞增生。由于缺乏GFAP和Vimentin的转基因小鼠在TBI中的反应性星形胶质细胞明显减少,说明这些细胞骨架蛋白对于启动和维持反应性星形胶质细胞至关重要。

在TBI患者和模型动物中,星形胶质细胞都会从静息状态转变为反应型。TBI患者中检测到反应性星胶的标记物GFAP和Sβ表达增加。同样,GFAP和Vimentin在一些TBI的动物模型中的表达也有所增加。研究表明,反应性星形胶质细胞在TBI中起着双重作用。在TBI动物模型中消除反应性星形胶质细胞能加重小鼠大脑的炎症反应和神经元死亡。另一方面,在GFAP和Vimentin基因敲除的TBI和脊椎损伤小鼠模型中发现轴突生长和修复功能的增强。因此,反应性星形胶质细胞在TBI后可能会产生有益或者有害的影响。基于这些发现,控制反应性星形胶质细胞的功能被认为是改善脑外伤造成的神经损伤的一种新的治疗策略。因此,为了建立一种有效的控制反应性星形胶质细胞的方法,研究反应性星形胶质细胞转化的机制至关重要。

二、反应性星形细胞的转化机制

诱导反应性星形胶质细胞产生的因子

反应性星形胶质细胞的形成是由多种生物活性因子触发的(表1)。在TBI患者和实验性TBI小鼠中,内皮素-1(ET-1)的表达增加,并通过与ETB受体结合促进了反应性星形胶质细胞的转化。此外,一些炎症性细胞因子和趋化因子也会触发反应性星形胶质的形成。比如,白细胞介素-1(IL-1)能促进星形胶质细胞的反应性,而IL-1受体拮抗剂能减少TBI小鼠模型中海马的星形胶质细胞增生。单核细胞趋化蛋白-1(MCP-1)通过与细胞趋化因子受体(CCR)结合促进星形胶质细胞增生。CCR5敲除或CCR5拮抗剂能减少TBI损伤引起的星形胶质细胞增生和脑损伤面积。此外,在液压颅脑创伤(FPI)诱导的TBI模型小鼠中,血管内皮生长因子(VEGF)的表达也明显增加。VEGF抑制剂能通过抑制Toll样受体4/核因子KappaB(NF-KB)信号通路,减少TBI小鼠模型中的反应性星形胶质细胞。

表1.诱导反应性星形胶质细胞形成的调节因子(表格引自:MichinagaS,etal.IntJMolSci;22:)

参与反应性星形胶质细胞形成的信号通路

多种细胞内信号通路控制着星形胶质细胞从静息状态向反应状态的转换(表1,图1)。TBI引导的生物活性因子,如ET-1和IL-1,与星形胶质细胞上的ET受体和IL-1受体结合,从而激活丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)和ERK/Ca2+-钙调蛋白(CaM)信号通路。之后这些通路分别激活星形胶质细胞中的信号转导和转录激活因子3(STAT3)、特异性蛋白1(Sp-1)和NF-κB等转录因子,从而促进GFAP、细胞周期蛋白D1和S相激酶相关蛋白2(Skp2)的转录,最终导致星形胶质细胞增生。

图1.TBI中促使反应性星形胶质细胞形成的可能的信号通路(图片引自:MichinagaS,etal.IntJMolSci;22:)

伴侣蛋白在反应性星形胶质细胞转化中的作用

伴侣蛋白在保护细胞免受应激方面(如炎症反应)起着关键作用。最近的研究表明伴侣蛋白可以控制星形胶质细胞增生反应。

在体外的神经元-胶质细胞共培养的实验中发现Sigma-1受体(Sig-1R)发挥伴侣蛋白的作用并能促进GFAP的表达增加,Sig-1R正向调节蛋白OZP能阻止海马体中淀粉样蛋白β25-35诱导的反应性星形胶质细胞的产生。热休克蛋白72(Hsp72)可以保护脑损伤。过表达Hsp72可降低胶质细胞GFAP和Vimentin的表达水平,并能降低小鼠中风后星形胶质细胞形态学的复杂性。蛋白质二硫化异构酶(PDIs)是催化蛋白质中二硫键形成或异构化的氧化还原反应伴侣蛋白。在PDI3/小鼠中,TBI诱导的GFAP蛋白的表达与非转基因小鼠相比明显减少。这些结果表明,伴侣蛋白可通过调节GFAP的表达来控制TBI诱导的反应性星形胶质细胞的转化。

三、星形胶质细胞在TBI发病过程中的作用

星形胶质细胞在TBI的形成过程中的作用具有两面性,即具有保护性,也会产生有害的影响。接下来作者分别从脑创伤后的神经和突触发生、血脑屏障的完整性、细胞*性水肿和神经免疫炎症这些方面分别总结了反应性星形胶质细胞功能的两面性(表2)。

表2.反应性星形胶质细胞在TBI中的功能(表格引自:MichinagaS,etal.IntJMolSci;22:)

神经和突触发生

TBI可促进神经发生,以替换因损伤而丢失的神经元。星形胶质细胞不仅可为神经干细胞的增殖、分化和成熟提供结构和功能支持,它还可能直接诱导神经发生。星形胶质细胞可产生神经营养和有丝分裂蛋白Sβ。Sβ能促进海马祖细胞的神经、分化、增殖和生存,从而增强海马内的神经生成,提高创伤性脑损伤后的认知功能恢复。此外,星形胶质细胞还可表达腺苷酸环化酶活化肽,支持并维持TBI后的新生神经元。这些结果表明,星形胶质细胞在促进TBI后的神经发生过程中起了作用。然而,也有研究报道,GFAP和Vimentin敲除小鼠在脑创伤后海马神经发生和轴突再生增加,表明反应性星形胶质细胞在抑制神经发生过程中可能也起作用。

星胶细胞在TBI后的突触发生中也起着关键作用。在TBI发生后的慢性阶段,通过促进星形胶质细胞的增殖,和增加星形胶质细胞神经营养因子的释放,促进TBI模型大鼠的突触重塑。星胶细胞分泌的ephrin-B1是神经元突触发育的一种调节因子,能通过激活STAT3信号通路来诱导突触重塑。此外,特异性敲除星形胶质细胞的D-丝氨酸合成酶可改善小鼠TBI模型的突触可塑性、大脑振荡和学习行为。因此,星形胶质细胞促进或减弱神经发生和突触发生的作用可能取决于发生损伤的大脑区域或损伤阶段。

血脑屏障的破坏及血管生成

星形胶质细胞通过包绕血管内皮细胞并且分泌生物活性因子来控制血脑屏障(BBB)的功能。BBB功能障碍在脑损伤患者和动物模型中都很常见。BBB破坏会引起血管源性水肿,并导致颅内压(ICP)升高。反应性星形胶质细胞分泌多种生物活性因子,促进BBB的破坏和恢复。在TBI模型小鼠中,反应型星形胶质细胞中促进BBB通透性的VEGF-A和基质金属蛋白酶-9(MMP-9)的表达增加。这些蛋白的抑制剂能减轻TBI后导致的BBB的破坏。此外,星形胶质细胞分泌的ET-1也能加剧BBB的破坏。

然而,也有一些星形胶质细胞的分泌因子能促进血管生成和BBB的修复。比如,星胶细胞分泌的神经营养因子能缓解TBI小鼠BBB的破坏:脂肪酸结合蛋白7能通过caveolin-1/MMP信号通路保护BBB的完整性;此外,小鼠TBI模型中血管生成素-1(angiopoietin-1,Ang-1)和音猬因子(Sonichedgehog,Shh)在星形胶质细胞中表达增加,过表达Ang-1和Shh蛋白可缓解TBI诱导的BBB破坏,而Shh抑制剂Jervine加剧了TBI小鼠的BBB的破坏。

载脂蛋白-E(APOE)是一种主要由星形胶质细胞产生的蛋白质,是中枢神经系统的主要脂质转运分子。APOE4变体被认为是阿尔茨海默病的主要易感性基因,并能导致BBB的加速破坏。与TBI后的APOE3小鼠相比,APOE4小鼠表现出长时程的BBB功能障碍。因此,APOE4是TBI诱导的BBB破坏的一个危险因素。

细胞*性水肿

细胞*性水肿的特征是由于脑细胞,如星形胶质细胞,在脑损伤后积水过多而肿胀。细胞*性水肿会导致脑水含量增加和颅内压升高,引起不可逆的脑损伤或脑疝导致的死亡。脑的含水量主要由星形胶质细胞表达的水通道蛋白-4(AQP-4)控制。脑损伤后AQP-4引起的星形胶质细胞肿胀是导致脑水肿形成的主要原因。在体外实验中,液压创伤(FPI)增加AQP-4的表达,并能诱导培养的星形胶质细胞肿胀。AQP-4的siRNA可降低TBI大鼠的细胞*性水肿。研究表明,TBI刺激了星形胶质细胞中Foxo3a蛋白的入核转运,从而引AQP-4的表达上调。此外,有研究显示大脑或脊髓的肿胀不仅与总AQP-4的表达有关,而且也与AQP-4亚细胞定位有关。由于AQP-4的细胞膜定位表达由星形胶质细胞的钙/蛋白激酶A/钙调节蛋白控制,靶向这些信号途径也可能为治疗细胞*性水肿提供新的治疗思路。

除了AQP-4之外,星形胶质细胞中的某些其他的功能分子也被认为会引起细胞*性水肿的形成。比如,Na-K-2Cl共转运体1(NKCC1)通过控制离子梯度,参与了TBI诱导的星形胶质细胞肿胀。脑损伤之后星形胶质细胞中的NKCC1活性显著增加,而利用siRNA沉默NKCC1的表达可使脑创伤诱导的细胞肿胀明显减少。磺脲受体1-瞬时受体电位melastatin4(Sur1-Trpm4)是TBI后星形胶质细胞中表达上调的一种阳离子通道。阻断Sur1-Trpm4通道可降低大鼠TBI模型中的脑水肿的形成。

神经炎症反应

神经炎症反应是大脑对感染和损伤的一种先天的生理性保护反应。然而,过度的和慢性的炎症反应可导致神经元和血管功能障碍。在TBI患者和动物模型中,通常都能观察到神经炎症反应。反应性星形胶质细胞通过分泌细胞因子、趋化因子、一氧化氮、危险相关模式分子和基质金属蛋白酶MMP-9来促进TBI的炎症反应。此外,星形胶质细胞可以刺激小胶质细胞和免疫细胞的激活,从而诱导持续的神经炎症反应。星形胶质细胞是白介素IL-33的主要产生者之一,而IL-33可促进脑损伤部位小胶质细胞和巨噬细胞的招募。星形胶质细胞产生的Sβ也与神经炎症有关,Sβ敲除小鼠或使用Sβ抗体可显著降低TBI诱导的小胶质细胞的激活。此外,最近的研究表明,一些微小RNAs(miRNAs)也可以调节神经炎症反应。在大脑病灶周围的皮层中,miR在反应性星形胶质细胞中表达非常显著,而miR具有促进炎症的作用。

然而,也有研究提出了关于星形胶质细胞在神经炎症反应中的相反作用。比如,在TBI小鼠模型中去除反应性星形胶质细胞反而会引起更严重的炎症。此外,星形胶质细胞可分泌一种富含miR-a-5p的外泌体,它通过抑制NF-kB信号通路促进保护性M2小胶质细胞的转化来抑制脑损伤引起的神经炎症反应。这些结果表明了星形胶质细胞在抑制神经炎症中的作用。因此,星形胶质细胞在神经炎症反应中起着双重作用。

四、控制TBI中星形胶质细胞反应性的候选药物

迄今为止,许多候选药物已经被发现在TBI模型动物中发挥了保护作用,其中有一些甚至已经开始了临床试验。表3总结了所有的可用于治疗TBI的候选药物。在TBI模型中,他汀类药物,包括阿托伐他汀、洛伐他汀和辛伐他汀,都是3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶的抑制剂和高血脂的治疗药物,能减少促炎细胞因子的产生和脑水肿的形成。促红细胞生成素(EPO),一种分泌性糖蛋白,也被研究作为TBI治疗的干预靶点。EPO在临床实验前的TBI动物模型中证明了其对神经的保护作用。然而,在TBI患者的双盲随机试验中并没有显示EPO对神经系统的有利影响。间充质干细胞(MSC)植入也可能是治疗TBI的一种策略。研究显示,间充质干细胞植入的TBI患者在6个月时的运动状态有了显著的改善。

表3.靶向星形胶质细胞的可用于TBI的候选治疗药物(表格引自:MichinagaS,etal.IntJMolSci;22:)

目前,针对星形胶质细胞的TBI候选药物有几种。布美他尼(bumetanide)通过抑制NKCC1通道减少TBI后星形胶质细胞的肿胀以及BBB的破坏。格列本脲(glibenclamide)通过阻断星形胶质细胞中的Sur1-Trpm4通道减少脑部局部水肿、高颅内压、脑出血,以及BBB的破坏,并能改善TBI动物模型中的神经功能障碍。雌激素,如17β-雌二醇(E2)和孕酮被称为神经保护激素,星形胶质细胞中高度表达雌激素受体。在啮齿动物TBI模型中,E2治疗可显著抑制过度的星形胶质细胞激活,并缓解神经元损伤和脑水肿。孕酮也能减少TBI动物中的神经元丧失、脑水肿和改善动物的认知功能。雌激素的保护作用包括减弱神经元的凋亡,减少谷氨酸兴奋性*性、氧化应激反应,增强神经营养因子的释放和抑制炎症细胞因子的释放。然而,临床实验却表明服用雌激素并没有对TBI的治疗具有有益作用。AER-是一种选择性的AQP-4通道拮抗剂,在TBI和失血性休克的联合模型中显示颅内压的下降。此外,一种抗精神病药物,甲哌氟丙嗪(trifluoperazine),也被发现能通过抑制了AQP-4的转运,从而减少水肿并加速了功能恢复。

过氧化物酶体增殖活化受体(PPARs)在免疫反应中起着关键的作用。PPARs的激活具有抗炎作用。PPARα受体激动剂非诺贝特(fenofibrate)可减少脑创伤后的神经炎症反应、氧化应激和脑水肿,从而改善神经功能。同样,PPARγ受体激动剂吡格列酮(pioglitazone)和罗格列酮(rosiglitazone)也可改善TBI后的功能恢复和组织学结果。由于星形胶质细胞高度表达PPARγ受体,PPARγ受体激动剂的有益作用可能是通过控制星形胶质细胞的反应性来实现的。SB-3CT是基质金属蛋白酶MMP-2和MMP-9的高度选择性抑制剂,在TBI模型的实验中显示SB-3CT能降低损伤面积、小胶质细胞激活和星形胶质细胞增生。内皮素ETB受体主要在TBI后的反应性星形胶质细胞中表达,而选择性ETB受体的拮抗剂BQ能明显降低反应性星形胶质细胞的数量。此外,BQ可以通过减少星形胶质细胞MMP-9和VEGF-A的表达,和增加TBI小鼠星形胶质细胞中的ANG-1和SHH的表达来减轻BBB的破坏和脑水肿的症状。波生坦(bosentan)是一种非选择性的ET受体拮抗剂,临床上主要用于治疗肺动脉高血压。有研究表明,它也能改善小鼠TBI诱导的BBB破坏和脑水肿。

结论

星形胶质细胞在TBI中的反应和作用极其复杂,并受到多种生物活性因子和细胞内信号机制的调控。总体来说,星形胶质细胞在脑外伤过程中的作用具有两面性,包括促进或抑制神经和突触发生、加速或抑制神经炎症、引起BBB的破坏或修复,以及调节脑水肿的形成。这些事实表明,星形胶质细胞广泛参与脑外伤的发病机制,是治疗脑外伤的关键参与者。星形胶质细胞靶向药物可以通过减轻过度的星形胶质增生,增加神经细胞因子的分泌,减少有害细胞因子的产生,抑制过度的AQP-4的功能来治疗和缓解脑创伤疾病(图2)。因此,选择性的靶向星形胶质细胞是一种很有前景的脑创伤(包括TBI)的治疗策略。

图2.星形胶质细胞在脑外伤中的反应及星形胶质细胞靶向药物的预期作用(图片引自:MichinagaS,etal.IntJMolSci;22:)

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