鄧江山綜述， 趙玉武審校

星形膠質(zhì)細(xì)胞在哺乳動(dòng)物腦內(nèi)是神經(jīng)元數(shù)量的5倍，參與了營(yíng)養(yǎng)代謝、腦內(nèi)離子和水平衡、腦血流量和突觸傳遞的調(diào)節(jié)、血腦屏障正常功能的維持、膠質(zhì)瘢痕修復(fù)和灰白質(zhì)發(fā)育［1，2］。星形膠質(zhì)細(xì)胞足突，腦血管內(nèi)皮細(xì)胞以及相鄰內(nèi)皮細(xì)胞之間的緊密連接，周圍細(xì)胞和基質(zhì)一起構(gòu)成了血腦屏障。除了與腦微血管密切的接觸，星形膠質(zhì)細(xì)胞大量的突起包繞在突觸周圍以及延伸到腦室腔表面形成膠質(zhì)界膜，共同構(gòu)成了對(duì)腦內(nèi)液體調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。腦內(nèi)液體在腦血管腔、細(xì)胞間隙和腦細(xì)胞內(nèi)不停交換，若在腦內(nèi)代謝失衡，過(guò)度積聚即可能發(fā)生腦水腫。星形膠質(zhì)細(xì)胞上存在大量水通道蛋白，離子通道和轉(zhuǎn)運(yùn)體，現(xiàn)就其參與腦內(nèi)水、離子代謝及腦水腫形成方面簡(jiǎn)要綜述。

1 與轉(zhuǎn)移水有關(guān)的生物學(xué)基礎(chǔ)

1.1 谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體 神經(jīng)突觸傳遞使得突觸間隙谷氨酸濃度升高，星形膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)揮主要清除作用，以保證正常神經(jīng)活動(dòng)進(jìn)行。星形膠質(zhì)細(xì)胞膜上含有兩種高親和力轉(zhuǎn)運(yùn)體(excitatory amino acid transporter1，EAAT1)和 EAAT2(excitatory amino acid transporter2，EAAT2)。EAAT1轉(zhuǎn)移水基本是等滲轉(zhuǎn)運(yùn)，對(duì)細(xì)胞內(nèi)滲透壓影響不大，但神經(jīng)細(xì)胞攝取過(guò)多的谷氨酸并伴隨水的進(jìn)入能引發(fā)細(xì)胞體積增大。另一方面，谷氨酸濃度過(guò)高時(shí)激活谷氨酸促代謝性受體，引發(fā)細(xì)胞水腫，其機(jī)制為細(xì)胞內(nèi)鈣庫(kù)鈣釋放，激活鈣調(diào)蛋白激酶和一氧化氮合酶，通過(guò)蛋白激酶G途徑使得水通道蛋白-4(aquaporin-4，AQP4)發(fā)生磷酸化，增加AQP4對(duì)水的通透性［3］。不同部位的星形膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)谷氨酸誘發(fā)腫脹反應(yīng)不一，發(fā)現(xiàn)大腦皮質(zhì)和海馬較小腦相對(duì)容易發(fā)生興奮性氨基酸毒性水腫，可能是因?yàn)槟X內(nèi)各部位谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體及AQP4分布不一致引起［4］。

1.2 離子通道

1.2.1 鉀通道 K+平衡電位為細(xì)胞膜靜息電位主要組成部分，復(fù)極化后細(xì)胞外過(guò)高的K+需要迅速被清除，星形膠質(zhì)細(xì)胞不斷攝取K+通過(guò)縫隙連接網(wǎng)絡(luò)緩沖細(xì)胞外K+濃度以保證神經(jīng)元活動(dòng)正常進(jìn)行［5］。Kir4.1是星形膠質(zhì)細(xì)胞膜上已發(fā)現(xiàn)5種鉀通道中最主要的一種，轉(zhuǎn)移鉀具有雙向性，能根據(jù)細(xì)胞內(nèi)外鉀離子濃度差來(lái)攝取或排出鉀。其主要位于星形膠質(zhì)細(xì)胞包繞在突觸、血管周圍和軟腦膜下的足突上面。K+的吸收伴有水的進(jìn)入，水的進(jìn)入主要通過(guò)AQP4［6］。

1.2.2 NKCC NKCC(Na+/K+/CL-)同向轉(zhuǎn)運(yùn)體單向協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)1Na+、1K+、2CL-，有兩種亞型，NKCC1 和 NKCC2。其中NKCC2僅存在于腎臟，NKCC1分布于多種細(xì)胞包括星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元，轉(zhuǎn)移離子的同時(shí)伴隨水的轉(zhuǎn)移。在腦缺血和腦創(chuàng)傷中，當(dāng)K+濃度很高時(shí)，此時(shí)單純鉀通道不足以轉(zhuǎn)移過(guò)多的鉀離子，NKCC通道被激活。當(dāng)星形膠質(zhì)細(xì)胞上各種鉀通道發(fā)揮“緩沖鉀”作用時(shí)，大量K+進(jìn)入細(xì)胞，細(xì)胞內(nèi)離子濃度升高導(dǎo)致滲透性水轉(zhuǎn)移引起細(xì)胞體積增大。據(jù)報(bào)道，谷氨酸能增加NKCC1活性，導(dǎo)致細(xì)胞腫脹［7］。

1.2.3 體積調(diào)節(jié)性陰離子通道(volume regulated anion channels，VRACs) 目前尚不清楚VRACs是單獨(dú)的一種離子通道，還是不同離子通道的復(fù)合體。在低滲環(huán)境中培養(yǎng)的星形膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)生形態(tài)變化，細(xì)胞體積增大激活VRACs，激活后除了排除CL-，還釋放興奮性氨基酸包括谷氨酸和天冬氨酸、?；撬帷TP［8］。細(xì)胞內(nèi)溶質(zhì)的排出有利于細(xì)胞滲透壓恢復(fù)平衡和細(xì)胞體積回到正常。AQP4基因敲除大鼠VRACs表達(dá)量下調(diào)，提示血管周圍星形膠質(zhì)細(xì)胞足突膜上水通道和離子通道之間存在密切作用，共同調(diào)節(jié)腦內(nèi)水平衡［9］。

1.3 AQP4 AQPs是細(xì)胞膜上的跨膜水通道蛋白，具雙向水通透性，哺乳動(dòng)物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的13種水通道蛋白中［10］，AQP4在腦內(nèi)含量最豐富，主要分布于包繞毛細(xì)血管周圍的星形膠質(zhì)細(xì)胞足突、室管膜細(xì)胞及室管膜下星形膠質(zhì)細(xì)胞足突形成的膠質(zhì)界膜上，在鄰近毛細(xì)血管的足突上密度最高。AQP4本身的表達(dá)數(shù)量，在星形膠質(zhì)細(xì)胞足突上的準(zhǔn)確定位以及與離子通道、血腦屏障之間的相互作用都可以影響水的通透性［11］。

2 星形膠質(zhì)細(xì)胞膜“極性”結(jié)構(gòu)

星形膠質(zhì)細(xì)胞膜表面的分子結(jié)構(gòu)分布呈非均質(zhì)性，特異性分布在靠近細(xì)胞外基質(zhì)側(cè)膜上，呈現(xiàn)“極性”狀態(tài)。用冰凍蝕刻技術(shù)觀察生理狀態(tài)下軟腦膜下和腦微血管旁的星形膠質(zhì)細(xì)胞終足，發(fā)現(xiàn)在面臨基質(zhì)側(cè)足突膜上存在大量“方形陣列”結(jié)構(gòu)(orthogonal arrays of intramembranous particles，OAPs)。

2.1 OAPs結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) AQP4可能是OAPs的主要分子基礎(chǔ)［12］，證據(jù)包括:AQP4缺乏的小鼠OAPs結(jié)構(gòu)消失;AQP4轉(zhuǎn)染的中國(guó)倉(cāng)鼠卵巢細(xì)胞能形成OAPs結(jié)構(gòu);抗AQP4抗體標(biāo)記直接覆蓋了OAPs結(jié)構(gòu)。由于翻譯起始位置不同，AQP4包括兩種亞型M1和M23，兩者首先聚合成四聚體，然后再進(jìn)一步排列成更高級(jí)“方形陣列”。M1單純表達(dá)時(shí)，不能形成穩(wěn)定的 OAPs結(jié)構(gòu)，形成穩(wěn)定的 OAPs結(jié)構(gòu)需要 M23的參與［13，14］。但是Rossi認(rèn)為M23也可直接由M1mRNA翻譯生成，于是在單獨(dú)存在M1的情況下也可形成OAPs結(jié)構(gòu)［15］。在某些病理狀態(tài)下，AQP4同樣可以非OAPs結(jié)構(gòu)形式存在于星形膠質(zhì)細(xì)胞膜上，說(shuō)明OAPs結(jié)構(gòu)的形成需要某種內(nèi)在因素的參與和維持，目前認(rèn)為除了AQP0和AQP4以不同數(shù)量的四聚體構(gòu)成更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，其他的AQPs均不形成更高級(jí)結(jié)構(gòu)［14］。

2.2 Agrin Agrin是一種肝素硫酸蛋白聚糖，其存在于細(xì)胞外基質(zhì)中。當(dāng)星形膠質(zhì)細(xì)胞足突膜遠(yuǎn)離血管旁和軟腦膜下基質(zhì)時(shí)，OAPs結(jié)構(gòu)明顯減少，由此推測(cè)星形膠質(zhì)細(xì)胞膜“極性”的形成可能與細(xì)胞外基質(zhì)有關(guān)。Noell在存在agrin介質(zhì)上培養(yǎng)的星形膠質(zhì)細(xì)胞膜上AQP4表達(dá)量增強(qiáng)，形成OAPs結(jié)構(gòu)，水轉(zhuǎn)移能量增強(qiáng)［16］，敲除Agrin基因后發(fā)現(xiàn)小鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞足突膜上OAPs結(jié)構(gòu)明顯減少。體外培養(yǎng)無(wú)Agrin的情況下，野生型小鼠和Agrin基因敲除小鼠兩種來(lái)源的星形膠質(zhì)細(xì)胞膜上均不能形成OAPs，而經(jīng)檢測(cè)AQP4的表達(dá)量在蛋白表達(dá)水平和轉(zhuǎn)錄水平均無(wú)差異［17］。Fallier-Becker觀察到類似的結(jié)果，通過(guò)對(duì)存在Agrin培養(yǎng)基上培養(yǎng)來(lái)自于基因敲除小鼠和野生型小鼠的星形膠質(zhì)細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)AQP4表達(dá)水平無(wú)差異，冰凍切片觀察OAPs密度較高，同時(shí)星形膠質(zhì)細(xì)胞在低滲環(huán)境下水通透性增加。以上充分說(shuō)明了Agrin有利于AQP4在星形膠質(zhì)細(xì)胞足突膜上聚集形成OAPs結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)轉(zhuǎn)移水的能力［18］。Agrin有不同亞型，主要包括神經(jīng)元型A0B0和內(nèi)皮細(xì)胞型A4B8。內(nèi)皮型A0B0促使AQP4形成小的集合體，神經(jīng)元型A4B8使得OAPs密度在某些地方明顯增加，說(shuō)明兩種Agrin均能促使AQP4的聚集，但是后一種效果更明顯［16］。綜上，從體內(nèi)和體外均說(shuō)明了Agrin能促進(jìn)小鼠腦內(nèi)AQP4形成OAPs結(jié)構(gòu)。

2.3 DDC復(fù)合體 AQP4并不是以單個(gè)水通道的形式鑲嵌在細(xì)胞膜上，而是與抗肌萎縮蛋白聚糖復(fù)合物(dystroglycan-dystrophin complex，DDC)連接被錨定在血管旁星形膠質(zhì)細(xì)胞膜足突上［19，20］。DDC復(fù)合體在肌肉系統(tǒng)中研究較多，其位于肌細(xì)胞膜上，連接細(xì)胞外基質(zhì)成分和肌膜，以在肌收縮過(guò)程中發(fā)揮穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用［21］，近來(lái)也發(fā)現(xiàn)其在腦內(nèi)發(fā)揮著重要作用。肌營(yíng)養(yǎng)不良蛋白聚糖是DDC的重要組成部分，包括α和β兩個(gè)亞基。α-dystroglycan與細(xì)胞外基質(zhì)如Agrin連接;β-dystroglycan是一個(gè)跨膜蛋白，將α-dystroglycan與細(xì)胞骨架蛋白和其他胞內(nèi)蛋白連接，例如dystrophin和αsyntrophin。另外，α-Dystrobrevin蛋白與dystrophin蛋白相互連接?；蚯贸夹g(shù)證明，在缺乏dystrophin-71或α-syntrophin大鼠，AQP4在星形膠質(zhì)細(xì)胞膜足突上的“極性”分布明顯減少。Nicchia觀察兩種dystrophin缺陷小鼠品種，DP71KO(缺乏膠質(zhì)細(xì)胞dystrophin-71基因產(chǎn)物)和mdx3cv小鼠(所有dystrophin亞型均明顯減少)，發(fā)現(xiàn)存在于血管旁星形膠質(zhì)細(xì)胞上的AQP4“極性”分布依賴于dystrophin，而位于小腦的顆粒細(xì)胞層以及軟腦膜下星形膠質(zhì)細(xì)胞足突和室管膜細(xì)胞上AQP4分布不依賴于dystrophin，說(shuō)明了血腦屏障與AQP4關(guān)系密切，血管旁AQP4受dystrophin調(diào)控，而腦膜下AQP4不受其調(diào)控［19］。在實(shí)驗(yàn)性腦脊髓炎動(dòng)物模型中，觀察到βdystroglycan被炎癥激活的細(xì)胞外基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMPs)清除后，OAPs結(jié)構(gòu)能形成，但在星形膠質(zhì)細(xì)胞足突上特異性定位被破壞［22］。另外選擇性基因敲除dystroglycan基因后，血管旁和皮質(zhì)淺層星形膠質(zhì)細(xì)胞足突上OAPs結(jié)構(gòu)大大減少，甚至血管旁足突上AQP4表達(dá)也減少［23］。α-Dystrobrevin基因敲除后，在 dystrophins蛋白存在情況下同樣導(dǎo)致AQP4和Kir4.1分布改變而蛋白表達(dá)量不受影響，在整個(gè)膜上彌散性分布［24］。以上說(shuō)明了DDC復(fù)合體中任何一種蛋白與AQP4在膜上的準(zhǔn)確定位都非常相關(guān)。細(xì)胞外基質(zhì)Agrin對(duì)AQP4形成OAPs結(jié)構(gòu)有重要作用，OAPs結(jié)構(gòu)主要出現(xiàn)在面臨細(xì)胞外基質(zhì)一側(cè)足突膜上，主要是為了建立水通道的“極性”分布，有利于迅速且直接轉(zhuǎn)移水。

3 星形膠質(zhì)細(xì)胞與血腦屏障

血腦屏障作為腦實(shí)質(zhì)和外周循環(huán)系統(tǒng)之間的一道彌散性屏障，通過(guò)機(jī)械屏障作用、電荷阻力和轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)共同調(diào)節(jié)血管內(nèi)和腦實(shí)質(zhì)之間的物質(zhì)交換。腦微血管表面大約99%以上被星形膠質(zhì)細(xì)胞足突覆蓋，血管內(nèi)皮細(xì)胞的發(fā)育依賴于細(xì)胞周圍環(huán)境。星形膠質(zhì)細(xì)胞除了對(duì)血腦屏障的形成有關(guān)，對(duì)正常血腦屏障功能的維持也至關(guān)重要。足突膜上OAPs“極性”分布結(jié)構(gòu)對(duì)血腦屏障完整性的維持非常重要。間接證據(jù)證明:腦膠質(zhì)母細(xì)胞瘤血腦屏障緊密連接蛋白claudin-3喪失，血腦屏障遭破壞，OAPs相關(guān)的“極性”分布結(jié)構(gòu)消失。當(dāng)Agrin表達(dá)時(shí)，occludin、claudin-5存在，說(shuō)明了在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中 Agrin與血腦屏障損害之間存在某種相關(guān)性［25］。Zhou報(bào)道AQP4基因敲除大鼠，腦微血管結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，緊密連接破壞，血腦屏障通透性明顯增加，血管旁星形膠質(zhì)細(xì)胞足突腫脹［26］。但隨后Saadoun報(bào)道，AQP4基因敲除大鼠未見(jiàn)明顯腦水腫，內(nèi)皮細(xì)胞間緊密連接完整，血腦屏障結(jié)構(gòu)正常［27］。敲除α-Dystrobrevin后，不僅破壞星形膠質(zhì)細(xì)胞足突細(xì)胞膜上分子的“極性”分布，而且發(fā)現(xiàn)血腦屏障被破壞［24］，則充分說(shuō)明了星形膠質(zhì)細(xì)胞膜上分子結(jié)構(gòu)對(duì)維持血腦屏障完整性發(fā)揮重要作用。

4 星形膠質(zhì)細(xì)胞與腦水腫

4.1 星形膠質(zhì)細(xì)胞體積調(diào)節(jié)機(jī)制 星形膠質(zhì)細(xì)胞膜上含有多種離子通道，AQP4，氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體，攝納大量離子和神經(jīng)遞質(zhì)后，細(xì)胞內(nèi)滲透壓升高，水分伴隨進(jìn)入胞內(nèi)，引發(fā)細(xì)胞體積生理性一過(guò)性增大，激活星形膠質(zhì)細(xì)胞體積調(diào)節(jié)機(jī)制［28］。細(xì)胞體積增大激活一系列生理反應(yīng)，引發(fā)細(xì)胞排出各種物質(zhì)及水以恢復(fù)正常細(xì)胞體積［8，29］。參與體積調(diào)節(jié)的離子通道有 VRACs，CL-通道，Kir4.1。生理狀態(tài)下，隨著神經(jīng)活動(dòng)發(fā)生，星形膠質(zhì)細(xì)胞足突表現(xiàn)為短暫一過(guò)性體積增大，當(dāng)細(xì)胞體積調(diào)節(jié)機(jī)制受損則可能發(fā)生細(xì)胞水腫。

4.2 細(xì)胞性水腫 當(dāng)腦組織發(fā)生缺氧或葡萄糖供應(yīng)不足時(shí)，細(xì)胞膜Na+-K+-ATP泵因ATP供應(yīng)不足發(fā)生功能障礙，正常的膜內(nèi)外Na+、K+梯度不能維持，同時(shí)細(xì)胞內(nèi)代謝產(chǎn)物不能排除，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)聚集，滲透壓增高，水分由于滲透梯度進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)引起細(xì)胞腫脹。與神經(jīng)元相比，星形膠質(zhì)細(xì)胞負(fù)責(zé)攝取細(xì)胞外K+和谷氨酸，細(xì)胞內(nèi)滲透壓更容易增高，因此發(fā)生細(xì)胞性腦水腫時(shí)，星形膠質(zhì)細(xì)胞足突腫脹往往為早期主要表現(xiàn)［30］。AQP4基因敲除可以延緩早期局灶性腦缺血、細(xì)菌性腦膜炎腦水腫形成。同樣，轉(zhuǎn)基因小鼠過(guò)度表達(dá)AQP4，可以加速水中毒性腦水腫的發(fā)生［31］。上述AQP4在細(xì)胞膜上的一些連接蛋白，同樣影響到AQP4的水通透性。敲除α-syntrophin大鼠由于AQP4不能很好錨定在足突膜上，可以延緩腦缺血腦水腫的發(fā)生［32］。在Agrin基因敲除大鼠，AQP4“極性”分布消失，細(xì)胞內(nèi)水腫延遲發(fā)生［33］，說(shuō)明了星形膠質(zhì)細(xì)胞足突膜上分子“極性”分布方式確實(shí)與細(xì)胞性腦水腫有關(guān)。

4.3 血管性腦水腫 血管性腦水腫的發(fā)生是因?yàn)檠X屏障被破壞引起，包括腦出血、感染、腫瘤等。

實(shí)驗(yàn)表明眾多MMPs參與破壞了血腦屏障，導(dǎo)致血管性腦水腫的發(fā)生。星形膠質(zhì)細(xì)胞足突主要表達(dá)MMP-2及其激活劑MT1-MMP。自發(fā)性高血壓大鼠大腦中動(dòng)脈阻塞后，MMP-9在24h后生成和MMP2在第5天明顯增加，均與腦水腫的發(fā)展相一致［34］。在缺血再灌注模型中，梨狀皮質(zhì)血腦屏障再灌注3h后發(fā)生開(kāi)放，同時(shí)MMP-2及其激活劑MT1-MMP一過(guò)性增加［35］，而claudin-5和occludin在恢復(fù)灌注3h后減少，24h后完全消失，如果予以MMPs抑制劑能消除這種效應(yīng)［36］，充分說(shuō)明了MMPs與血腦屏障破壞引起腦水腫之間的密切關(guān)系。水腫液的清除主要經(jīng)腦脊液循環(huán)通路，經(jīng)過(guò)內(nèi)皮細(xì)胞返回血液和經(jīng)過(guò)淋巴系統(tǒng)進(jìn)入血液循環(huán)［37］，水腫液經(jīng)室管膜細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞界膜上的AQP4進(jìn)入腦室腔為主要清除途徑。在眾多血管性腦水腫模型中，AQP4基因敲除小鼠較野生型小鼠腦水腫更加嚴(yán)重，說(shuō)明了AQP4缺乏可能引起了水腫清除障礙。另外，星形膠質(zhì)細(xì)胞能清除細(xì)胞外水腫液中的血清蛋白，加速水腫液的吸收。

5 結(jié)語(yǔ)和展望

人們認(rèn)識(shí)到星形膠質(zhì)細(xì)胞與腦微血管、神經(jīng)元的密切關(guān)系，于是提出“神經(jīng)血管單元”的概念，其在中樞神經(jīng)活動(dòng)中發(fā)揮重要作用，尤其與腦內(nèi)微環(huán)境動(dòng)態(tài)平衡密切相關(guān)。星形膠質(zhì)細(xì)胞與腦水腫關(guān)系毋庸置疑。腦水腫進(jìn)展快，危害性大，做到有效控制必須進(jìn)一步研究其發(fā)病環(huán)節(jié)。個(gè)人認(rèn)為:星形膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)水的轉(zhuǎn)移的影響最終歸結(jié)于AQP4的通透性變化，AQP4與水轉(zhuǎn)移之間的關(guān)系已經(jīng)很明確，對(duì)其調(diào)節(jié)因素和相關(guān)作用蛋白研究需要進(jìn)一步深入;神經(jīng)血管單元組分之間存在相互作用，研究其組分之間的相互作用及其信號(hào)機(jī)制，有利于在腦水腫不同發(fā)展階段做到有效調(diào)控。

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