星形胶质细胞功能异常诱发癫痫机制的研究进展

雷 慧，李海涛，2

(1.南京中医药大学药学院，江苏 南京 210046;2.澳门科技大学中医药学院，澳门 999078)

癫痫(epilepsy)是由脑神经元过度兴奋引起的中枢神经系统疾病，其特点是脑部持续存在诱发癫痫的病理性改变以及病变部位神经元的超同步异常放电。癫痫发作后缺氧诱发脑部海马区神经元变性、坏死，导致海马硬化(hippocampal sclerosis，HS);HS进而加重癫痫病变，其引起的颞叶内侧癫痫综合征为最常见的部分性癫痫发病。目前普遍认为中枢神经系统兴奋与抑制的失衡是癫痫的主要病因;分子水平研究显示，离子通道改变、神经递质及其受体调控异常、血脑屏障损伤、炎症、氧化应激损伤等均与癫痫发作有关［1］。

中枢神经系统内的星形胶质细胞(astrocytes，ATS)除了维持神经元内环境稳态，对神经元起代谢支持作用外，还调控神经元活动，共同参与完成一系列精密复杂的神经生理活动［2］。近年来，ATS在癫痫发病中的作用逐渐受到关注。在癫痫脑组织中几乎都发现ATS形态与功能的改变，ATS可能对癫痫发病中神经元网络的高兴奋性起重要调节作用［3］。因此，揭示ATS在癫痫发病中的参与机制，可以发现调控癫痫发作的新药物靶点。目前已发现ATS的多种调控机制异常与人或实验性癫痫的发病有关，其研究进展综述如下。

1 内向整流钾通道介导的K+缓冲损伤

钾离子通道参与调节细胞膜静息电位以及动作电位的复极化过程，决定动作电位的发放频率和幅度，阻断或下调钾通道可增加神经元的兴奋性。ATS膜上内向整流钾离子(Kir)通道在维持神经元内环境K+稳态中具有重要作用。生理情况下，ATS膜上的Kir通道在细胞外钾离子浓度［K+］o升高时开放，K+内流，缓冲了细胞外过度的钾负荷;当此平衡作用失调时，细胞外局部［K+］o可从3 mmol·L-1增加到10～12 mmol·L-1，K+缓冲作用受损，如此高的［K+］o足以引起癫痫发作［4］。

Kivi等［5］应用离子敏感微电极和膜片钳技术研究显示，Kir通道的阻断剂Ba2+对于海马硬化颞叶癫痫患者的海马CA1区的［K+］o没有影响，但可明显增加非海马硬化癫痫患者该区域的［K+］o，由此推测海马硬化颞叶癫痫患者的ATS膜上Kir通道的表达发生改变，通道功能受损。进一步研究发现［6］，在颞叶癫痫患者海马的CA1区存在Kir电流下调的现象。在海马硬化癫痫中，ATS膜上Kir通道的表达减少丧失了对细胞外高浓度K+的缓冲作用，导致癫痫敏感性增加。

ATS膜上主要的Kir通道亚型是Kir4.1通道，该通道基因表达下调会明显降低ATS摄取细胞外K+和谷氨酸的能力。Djukic等［7］将小鼠Kir4.1通道基因敲除使得ATS膜上Kir4.1通道缺失，观察到明显的癫痫发作症状。Higashi等［8］对大鼠脑组织进行超微结构分析，发现ATS膜上表达的Kir4.1通道与水通道蛋白(aquaporin，AQP)4在空间上有所重叠，认为ATS在很大程度上依赖于水的跨膜转运来摄取细胞外K+，消除由于K+再分布而导致的渗透压失衡。后续研究结果可以支持这个推测，如在小鼠癫痫中血管周AQP4表达降低可导致细胞外K+清除减少;AQP4基因敲除会导致K+缓冲受损和癫痫发作时程的延长［9］。APQ4可与ATS膜上Kir通道形成分子复合物，参与细胞外高浓度K+消除过程并维持细胞内外水平衡和电化学梯度。因此，APQ4功能异常也可引起K+缓冲受损，是癫痫发病的机制之一。

血脑屏障的开放可以诱发病灶性癫痫发作。人血脑屏障损伤可导致能被神经元、ATS和小神经胶质细胞摄取的血清白蛋白外溢，从而诱发颞叶癫痫［10］。ATS可通过转化生长因子(TGF)-β受体介导的机制摄取白蛋白，这一过程将引起ATS膜上Kir4.1和Kir2.4通道表达下调，细胞外K+缓冲受损以及N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体介导的神经元高兴奋性［11］。因此，ATS膜上的Kir通道也参与了血脑屏障功能损伤诱发癫痫的过程。

2 谷氨酸转运与转化机制异常

谷氨酸是中枢神经系统内重要的兴奋性递质。在人癫痫病变组织中可观察到细胞外谷氨酸大量聚集，引起癫痫反复发作和神经元死亡。能够终止突触传递的谷氨酸摄取过程主要受到ATS膜上谷氨酸转运体的调节。

ATS膜上负责转运谷氨酸的兴奋性氨基酸转运体(EAAT)-1和EAAT-2的表达改变是颞叶癫痫以及其它脑病的常见特征，如在海马硬化组织的CA1区ATS的EAAT-2表达下调，并伴有严重的神经元死亡现象［12］。新近研究显示［13］，癫痫中海马 CA1区ATS的 EAAT-1和EAAT-2表达均下调，但尚不清楚这种改变是癫痫发作的诱因还是发作引起的代偿反应。Yang等［14］在切断小鼠神经纤维或使神经元变性之后，发现ATS膜上EAAT-2介导的谷氨酸摄取显著减少，且EAAT-2的表达很大程度上依赖于突触传递的活性，因此认为ATS上谷氨酸转运体的表达下调可能是癫痫发作引起的代偿反应。此外，在大鼠皮质发育不良模型中，用药物抑制癫痫发作区的ATS谷氨酸转运体的活性，可以激活神经元NMDA受体，延长突触传递时程并降低诱发癫痫的阈值［15］。这种NMDA受体的激活也可引起Kv2.1通道蛋白的去磷酸化，进而影响电压依赖性钙离子通道，调节神经元的兴奋性和可塑性［16］。

除了ATS上谷氨酸转运体功能异常外，该细胞所特有的谷氨酰胺合成酶的缺失也可能是细胞外谷氨酸聚集和中央颞叶癫痫发作的分子基础［17］。ATS谷氨酰胺合成酶通过消耗ATP将谷氨酸转化为无递质活性的谷氨酰胺。在实验性癫痫反复发作的慢性阶段，ATS谷氨酰胺合成酶表达下调，并伴有神经胶质原纤维酸性蛋白的持续高表达［18］。抑制ATS谷氨酰胺合成酶的活性可以减弱抑制性突触后电位的幅度并减少海马中间神经元的γ-氨基丁酸(GABA)释放;ATS中的谷氨酸-谷氨酰胺循环对突触GABA的释放具有重要调控作用，并能调节抑制性突触传递的强度［19］。这些发现表明ATS谷氨酰胺合成酶缺失是诱发癫痫的一个重要因素，增强ATS中谷氨酰胺合成酶的活性和功能是一种有希望的癫痫治疗策略。

3 钙依赖性的谷氨酸和ATP释放异常

ATS可释放多种兴奋性或抑制性的递质从而与神经元之间进行信号交流。神经元活动引起的细胞间钙浓度升高可刺激ATS以钙依赖性的胞吐作用释放递质。在正常脑组织中，ATS内钙离子浓度主要受促代谢型受体的调节。神经元活动产生的谷氨酸与ATS膜上促代谢型谷氨酸受体(mGluR)-3和mGluR-5结合，激活ATS，并影响cAMP的聚集，导致细胞间钙离子增加。钙离子浓度升高引起的钙震荡在ATS细胞网络中诱发钙离子波，激活钙依赖性离子通道，进而诱导ATS释放谷氨酸［20］。在脑皮质发育不良癫痫患者组织中，ATS的 mGluR-2/3和 mGluR-5表达水平增高;mGluR-5受体阻断剂可以抑制ATS间钙离子浓度增加并阻断谷氨酸激活的突触外NMDA受体，从而抑制神经胶质-神经元之间的信号传递［21］。

这些结果表明，ATS膜上mGluR介导了ATS的钙依赖性谷氨酸释放过程，对邻近的神经元产生直接兴奋作用。这种由ATS衍生的兴奋性通路的改变，再加上谷氨酸摄取功能受损，显著增加了神经元-星形胶质细胞网络的兴奋性，最终促进神经元同步放电从而诱发癫痫。

ATS被激活释放谷氨酸的同时也会释放ATP，对癫痫的病理过程也有潜在影响。生理条件下，ATS释放的ATP被外核苷酸酶快速降解为腺苷，作用于突触前α1受体，抑制递质的释放以及异源性突触传递;而神经系统内的腺苷水平受到ATS腺苷激酶活性的调控，该酶可以使腺苷磷酸化形成5'-AMP［22］。在实验性癫痫发作中，ATS腺苷激酶表达上调，组织中腺苷浓度下降;而敲除ATS腺苷激酶的基因则可阻止癫痫发作［23］。这些发现为癫痫发病机制的ATS腺苷激酶假说提供了证据，该酶有可能成为癫痫的诊断指标或药物治疗的潜在分子靶点之一。

4 缝隙连接蛋白表达与功能异常

缝隙连接是细胞间直接交换物质和信息的结构基础，在细胞生长发育、多细胞器官间的协调及机体自我稳定控制方面有重要作用。神经系统的ATS之间存在广泛的缝隙连接，把众多胶质细胞连接形成合胞体结构，在神经元外部K+缓冲和Ca2+传递过程中起重要作用。ATS缝隙连接的主要连接蛋白是Cx30和Cx43，如果沉默小鼠ATS上连接蛋白的表达将导致自发性癫痫发作并降低癫痫触发阈值［24］。Cacheaux等［25］发现在大鼠因血脑屏障破坏引起的白蛋白依赖性癫痫发作中，ATS间这两种连接蛋白的转录物明显减少。这些结果表明，ATS的缝隙连接对于K+的调节是必需的，有抑制癫痫发作的作用。

新近研究显示，葡萄糖可以通过ATS的Cx30和Cx43在星形胶质细胞-神经元网络间传递，将血管中的能量代谢物传递至神经元，维持中枢神经系统内的突触传递过程［26］;同时也发现，癫痫发作中释放的谷氨酸可以增加ATS对葡萄糖的转运，表明通过ATS细胞网络的葡萄糖传递过程对于维持癫痫样活性也是必需的。因此，ATS间缝隙连接的通透性降低将对中枢兴奋性相继产生两个相反的效应:首先由于K+缓冲受损，触发快速的癫痫样效应;但之后由于神经元能量供应不足从而产生抑制癫痫效应。

迄今为止，ATS的缝隙连接在人癫痫发作中的作用尚不够明确，很多研究结果也不尽一致，研究中使用的大多数阻断剂对于神经元和ATS的缝隙连接的阻断作用也缺乏特异性。在耐药的颞叶癫痫并伴有海马硬化的病人组织中普遍观察到ATS中Cx43含量和转录物水平明显增高，Cx43表达上调可能是癫痫发作过程中ATS的一种代偿反应，用以缓冲增高的K+浓度［27］。ATS的连接蛋白Cx43与癫痫的关系有可能为癫痫的临床诊断提供新的理论依据。

5 展望

中枢神经系统ATS参与了癫痫的病理过程。ATS及其与神经元之间信号转导调控机制的异常产生了许多癫痫诱发因素。利用分子基因学的方法可以选择性地研究星形胶质细胞-神经元之间不同信号通路的功能，从而能更加深入地揭示ATS在癫痫病理过程中的作用。可以预见，ATS将成为癫痫防治的新靶点。目前临床使用的抗癫痫药物多为中枢神经系统抑制剂，对大脑的认知功能有很大副作用，因此急需开发针对癫痫发病机制专一性的安全有效抗癫痫药物。阐明星形胶质细胞参与癫痫发病的分子机制将有助于发现新干预靶点并开发新型抗癫痫药物，也为癫痫病研究提供新的思路和治疗策略。

［1］Giblin K A，Blumenfeld H.Is epilepsy a preventable disorder?New evidence from animal models［J］.Neuroscientist，2010，16(3):253-75.

［2］杨 慧，关永源.星型胶质细胞在脑缺血性疾病中的神经元保护机制［J］.中国药理学通报，2009，25(3):284-6.

［2］Yang H，Guan Y Y.Mechanisms of the neuroprotection of astrocyte during cerebral ischemic disease［J］.Chin Pharmacol Bull，2009，25(3):284-6.

［3］Wetherington J，Serrano G，Dingledine R.Astrocytes in the epileptic brain［J］.Neuron，2008，58(2):168-78.

［4］Olsen M L，Sontheimer H.Functional implications for Kir4.1 channels in glial biology:from K+buffering to cell differentiation［J］.J Neurochem，2008，107(3):589-601.

［5］Kivi A，Lehmann T N，Kovacs R，et al.Effects of barium on stimulus-induced rises of［K+］oin human epileptic non-sclerotic and sclerotic hippocampal area CA1［J］.Eur J Neurosci，2000，12(6):2039-48.

［6］Hinterkeuser S，Schröder W，Hager G，et al.Astrocytes in the hippocampus of patients with temporal lobe epilepsy display changes in potassium conductances［J］.Eur J Neurosci，2000，12(6):2087-96.

［7］Djukic B，Casper K B，Philpot B D，et al.Conditional knock-out of Kir4.1 leads to glial membrane depolarization，inhibition of potassium and glutamate uptake，and enhanced short-term synaptic potentiation［J］.J Neurosci，2007，27(42):11354-65.

［8］Higashi K，Fujita A，Inanobe A，et al.An inwardly rectifying K(+)channel，Kir4.1，expressed in astrocytes surrounds synapses and blood vessels in brain［J］.Am J Physiol Cell Physiol，2001，281(3):C922-31.

［9］Binder D K，Yao X，Zador Z，et al.Increased seizure duration and slowed potassium kinetics in mice lacking aquaporin-4 water channels［J］.Glia，2006，53(6):631-6.

［10］Van Vliet E A，da Costa A S，Redeker S，et al.Blood-brain barrier leakage may lead to progression of temporal lobe epilepsy［J］.Brain，2007，130(Pt 2):521-34.

［11］Friedman A，Kaufer D，Heinemann U.Blood-brain barrier breakdown-inducing astrocytic transformation:novel targets for the prevention of epilepsy［J］.Epilepsy Res，2009，85(2-3):142-9.

［12］孙 凤，蔡际群，谢 妮，等.自发性癫痫大鼠皮质和海马中GLT-1、EAAC1表达异常［J］.中国药理学通报，2009，25(5):617-20.

［12］Sun F，Cai J Q，Xie N，et al.Abnormal expression of GLT-1，EAAC1 in cortex and hippocampus of spontaneously epileptic rats［J］.Chin Pharmacol Bull，2009，25(5):617-20.

［13］Sarac S，Afzal S，Broholm H，et al.Excitatory amino acid transporters EAAT-1 and EAAT-2 in temporal lobe and hippocampus in intractable temporal lobe epilepsy［J］.APMIS，2009，117(4):291-301.

［14］Yang Y，Gozen O，Watkins A，et al.Presynaptic regulation of astroglial excitatory neurotransmitter transporter GLT1［J］.Neuron，2009，61(6):880-94.

［15］Campbell S L，Hablitz J J.Decreased glutamate transport enhances excitability in a rat model of cortical dysplasia［J］.Neurobiol Dis，2008，32(2):254-61.

［16］Mulholland P J，Carpenter-Hyland E P，Hearing M C，et al.Glutamate transporters regulate extrasynaptic NMDA receptor modulation of Kv2.1 potassium channels［J］.J Neurosci，2008，28(35):8801-9.

［17］Eid T，Williamson A，Lee T S，et al.Glutamate and astrocyteskey players in human mesial temporal lobe epilepsy?［J］.Epilepsia，2008，49(Suppl 2):42-52.

［18］Hammer J，Alvestad S，Osen K K，et al.Expression of glutamine synthetase and glutamate dehydrogenase in the latent phase and chronic phase in the kainate model of temporal lobe epilepsy［J］.Glia，2008，56(8):856-68.

［19］Eid T，Ghosh A，Wang Y，et al.Recurrent seizures and brain pathology after inhibition of glutamine synthetase in the hippocampus in rats［J］.Brain，2008，131(Pt 8):2061-70.

［20］刘 建，杨利建，刘望恒，贾 亚.星形胶质细胞引起神经元超激发的作用机制分析［J］.生物物理学报，2011，27(1):57-65.

［20］Liu J，Yang L J，Liu W H，Jia Y.An analysis on the mechanism of astrocytes cause neuronal hyper-excitability［J］.Acta Biophys Sin，2011，27(1):57-65.

［21］Ding S，Fellin T，Zhu Y，et al.Enhanced astrocytic Ca2+signals contribute to neuronal excitotoxicity after status epilepticus［J］.J Neurosci，2007，27(40):10674-84.

［22］Boison D.The adenosine kinase hypothesis of epileptogenesis［J］.Prog Neurobiol，2008，84(3):249-62.

［23］Li T，Ren G，Lusardi T，et al.Adenosine kinase is a target for the prediction and prevention of epileptogenesis in mice［J］.J Clin Invest，2008，118(2):571-582.

［24］Wallraff A，Köhling R，Heinemann U，et al.The impact of astrocytic gap junctional coupling on potassium buffering in the hippocampus［J］.J Neurosci，2006，26(20):5438-47.

［25］Cacheaux L P，Ivens S，David Y，et al.Transcriptome profiling reveals TGF-β signaling involvement in epileptogenesis［J］.J Neurosci，2009，29(28):8927-35.

［26］Rouach N，Koulakoff A，Abudara V，et al.Astroglial metabolic networks sustain hippocampal synaptic transmission［J］.Science，2008，322(5907):1551-5.

［27］Collignon F，Wetjen N M，Cohen-Gadol A A，et al.Altered expression of connexin subtypes in mesial temporal lobe epilepsy in humans［J］.J Neurosurg，2006，105(1):77-87.