血管介导下的神经细胞迁移

梁红霞,李依芃,时书勤,邓锦波,*

(1.河南大学护理学院神经生物学研究所,河南开封475004;2.河南大学生命科学学院,河南开封475004)

血管介导下的神经细胞迁移

梁红霞1,李依芃2,时书勤1,邓锦波1,2*

(1.河南大学护理学院神经生物学研究所,河南开封475004;2.河南大学生命科学学院,河南开封475004)

中枢神经系统发育过程中已经确定的神经细胞迁移模式主要有两种:根据迁移方向和脑表面的关系分为放射状迁移和切线迁移。而根据神经细胞迁移过程中,为其提供支架介导作用的细胞的特性则可以划分为:胶质性迁移、神经元性迁移、血管性迁移。大量研究表明,血管在神经细胞迁移过程中发挥着重要作用,血管性迁移受很多因素影响,如脑源性神经营养因子、血管趋化因子以及血管内皮生长因子,探讨大脑发育中神经细胞的迁移方式,尤其血管性迁移中各因子的作用机制则是本文的要旨。

血管;迁移;血管趋化因子;BDNF;VEGF

神经细胞的迁移是神经科学热点问题,与中枢神经系统的发育、神经细胞分化密切相关。在发育及成年动物大脑中始终都存在着神经细胞迁移,正确的神经细胞迁移对于神经系统的形成及其功能的正常发挥有着非常关键的作用。中枢神经系统发育过程中已经确定的细胞迁移模式主要有两种[1]:根据细胞迁移方向可分为放射状迁移和切线迁移。放射状迁移即是细胞迁移方向与脑表面垂直,主要是细胞由内向外迁移,定位到特定区域形成皮质;切线迁移即是细胞迁移方向与脑表面平行,迁移的细胞比如中间神经元跨越较长距离迁移到合适部位并发挥重要作用。而根据细胞迁移过程中介导方式的不同又可分为:胶质性迁移、神经元性迁移、血管性迁移。虽然目前关于细胞迁移的综述很多,但是人们主要集中于细胞迁移中胶质细胞及各分子信号这些方面的研究,而关于大脑发育过程中,血管与细胞迁移之间的关系并不十分清楚。因此,本综述主要探讨血管在细胞迁移过程中所承担的角色及其作用机制,为我们深入理解中枢神经系统的发育及与发育相关的疾病提供重要的理论依据,也为临床上血管性脑病如中风的治疗提供理论支持。

1 细胞迁移方式

1.1 胶质性迁移

胶质性迁移即迁移中的细胞以放射状胶质细胞的长突起为支架进行迁移。Rakic等[2]发现在皮层发育过程中,神经前体细胞沿着放射状胶质细胞突起进行纵向迁移时呈现出规律排列,并最先提出了胶质性迁移的概念。众多研究采用体内[3-4]和体外[5-6]模式进一步证明了放射状胶质纤维在神经前体细胞迁移中必不可少的重要性。神经前体细胞从室管区到皮质板的迁移有连续四个阶段:①迁移初期;②附着到胶质;③迁移;④脱离放射状胶质纤维并停留在合适皮层。所有的这些进程都依赖于复杂的分子间相互作用。因此,多种跨膜受体、转录因子、黏附因子、扩散因子、细胞外基质成分以及细胞内信号分子都协调参与神经前体细胞的迁移。目前,比较热门的研究范围主要有两点:一是神经胶质细胞源性信号,二是放射状胶质细胞长突起与神经前体细胞之间复杂的分子交互作用。星形肌动蛋白,移动中的神经前体细胞分泌的一种糖蛋白,是第一个确定的介导神经元―胶质细胞交互作用的因子。在小脑微量细胞培养中,神经前体细胞黏附到神经胶质细胞的星形肌动蛋白增加[7],缺少这个因子的小鼠呈现出神经胶质附着的减少和径向迁移的减少。整合素,一种糖蛋白,介导细胞间和细胞―基质间交互作用,也被发现在径向迁移的过程中参与了神经元和胶质细胞的黏附。在整合素缺乏的小鼠大脑中,径向迁移明显受影响[8],整合素功能阻断抗体能够诱导迁移的细胞脱离放射状胶质细胞,继而迁移发生的概率减少。实时成像技术显示,神经前体细胞伸出细小分支沿迁移方向包裹住放射状胶质纤维,神经元和胶质细胞之间紧密结合解开后,胞体以跳跃的方式前行。不仅仅是放射状神经胶质细胞引导神经元迁移,反过来,神经元也能影响放射状胶质细胞的功能,神经元―胶质细胞黏附和神经元性的扩散因子诱导放射状胶质细胞突起的延伸。例如,皮层中迁移的神经元能产生胶质细胞生长因子(GGF),一种神经调节蛋白,主要促进放射状胶质细胞的维持和伸长[9]。

1.2 神经元性迁移

神经元迁移即迁移中的细胞相互为支架,彼此牵连移动。与其他迁移模式相比,神经元性迁移不同之处在于神经细胞迁移不是采用一个“固定”的物理支架比如放射状胶质细胞,而是迁移中的细胞。神经前体细胞从室管下区(SVZ)向嗅球(OB)迁移可能是神经性迁移中典型的例子。神经祖细胞起源于室管下区干细胞,沿着喙端迁移流(RMS)到达嗅球,在这里分化为中间神经元。大量的分子信号参与到这个迁移路径中,链状迁移是喙端迁移流中细胞迁移的典型特征,成神经细胞通过细胞与细胞之间的连接排列成链状彼此牵连着移动[10]。成神经细胞迁移链中涉及的分子信号包括聚铝硅酸盐神经细胞黏附分子(PSA-NCAM)[11],slit家族[12],肝配蛋白-B和整合素家族[13],未知的星形胶质细胞源性因子[14], ErbB4[15]和前动力蛋白2受体[16],GABA[17]和cyclin依赖激酶5[18]。其中,一些分子信号影响成神经细胞之间的连接而另一部分分子信号则控制细胞的运动性或细胞与细胞外基质的交互作用。关于这种迁移方式的选择依据以及成神经细胞何时作为迁移介质、何时进行自身迁移的机制尚不明确。

1.3 血管性迁移

血管性迁移,顾名思义,迁移中的细胞以血管为支架进行迁移。最近发现在正常[19]和病理(比如中风)[20]条件下的大脑中成神经细胞也可能以血管为介质进行迁移。尽管一些研究为神经元迁移的血管模式奠定了基础,但我们仍不清楚神经元迁移路径的选择依据,成神经细胞接近血管是因为血管高氧和能量供应还是内皮细胞分泌的促进因素尚不确定。另外,在成年喙端迁移流和嗅球中,迁移细胞虽然非常接近血管但并未完全贴附在血管壁上,所以,我们重点探讨血管微环境分泌的诱导因子对血管模式的影响。

2 血管性迁移的发生

2.1 神经血管龛

大脑增殖区之一的室管膜下区存在密集的毛细血管床,毛细血管床不仅支持神经干细胞增殖和原始神经细胞的有丝分裂,并且在子细胞离开微环境后成为新生成神经细胞的营养来源和迁移支架。同时,毛细血管床也是神经发生所需特定微环境成分之一,神经发生的特定微环境即是神经血管龛(niche),它主要包括内皮细胞、平滑肌周细胞和成纤维细胞以及小胶质细胞、神经胶质祖细胞和星形胶质细胞足突。微环境不是几种细胞简单的集合体,而是一个有机的组织结构、生理功能整体,这些细胞之间的交互作用以及本区域信号分子为神经发生提供一组丰富的血管微环境,为干细胞扩张、神经元分化和组织迁移都提供了合适的环境[21]。成体哺乳动物中枢神经系统主要存在两个神经干细胞集聚区:海马齿状回颗粒下层和区室管膜下区。这些区域的神经干细胞具有放射状胶质细胞的特性,并且与血管结构密切相关,称为血管微环境[22-23]。有研究[24]发现,大多数神经干细胞优先聚集在毛细血管10μm范围内。血管也提供了一种特殊的基底层fractones,一种细胞外基质结构,是微环境的一种至关重要的组成成分。通过电镜检测发现,fractones与神经干细胞和神经祖细胞有联系,提示其在神经发生中起作用,fractones可增加神经干细胞微环境中生长因子的活性[25]。在神经干细胞的微环境中,星形胶质细胞扮演了感受者和调节者的角色,它们的分支突起与各型细胞相联系,而终止于血管基底膜[26],这样就能够检测到细胞数量的变化以及生发区内传递的来自脉管系统和其他细胞的分子信号。这些数据表明,神经干细胞和血管之间的密切关系,血管源性因子可能影响干细胞的生长和分化。另外,在内皮细胞和成神经细胞之间,星形胶质细胞伸出突起形成髓鞘包裹住迁移的细胞,所有这些数据都说明了血管性迁移可能涉及内皮细胞、星形胶质细胞和成神经细胞三者之间复杂的分子交互作用。神经血管龛的位置、构造决定了它们与血管性迁移息息相关。

2.2 血管性迁移方式

最近研究[27]表明,除了以迁移中的细胞为介质,嗅球中的神经前体细胞也使用血管进行迁移。Ono等[11]的研究首次揭示了神经前体细胞在血管引导下的迁移。嗅球中成神经细胞和血管紧密联系,到达嗅球后神经前体细胞从迁移链中分离,停止切向迁移并开始放射状迁移到不同的球层。同时,于奇等[12]报道,克隆的神经细胞系移植到小鼠大脑后也沿着血管迁移。陈文静等[28]证明了在小脑发育过程中血管和放射状胶质细胞的走向及分布始终一致,二者有相互诱导的关系,血管还可以引导神经细胞的迁移。神经前体细胞沿血管迁移不仅发生在嗅球,而且发生在喙端迁移流。在喙端迁移流中有一个非常特定的血管集聚,喙端迁移流中的血管与迁移流平行并且所有的迁移细胞都紧贴血管,而且在室管膜下区中由血管形成的特化基板止于室管膜细胞,保持脑室与室管膜下区神经干细胞富集区的联系,维持其微环境[29]。在嗅球中心,平行的血管集聚重建。与此相应,成神经细胞在这里由切线迁移转变为放射状迁移,此区域血管集聚并与切线迁移或放射状迁移的细胞流平行,这些都表明了迁移中神经前体细胞以血管为支架完成生发地,室管下区到集结地即嗅球颗粒层和球周层。实时成像技术显示,成神经细胞使用两个互补的迁移模式。在第一种情况下,成神经细胞显示直线迁移,胞体和前突起紧贴血管;在第二种情况下,仅突起靠近血管,这可能是因为迁移的神经前体细胞遇到一些物理约束(如星形胶质细胞或成神经细胞的胞体呈静息状态),阻碍了沿着血管移动。在这种情况下,成神经细胞通过前突起贴近血管进行迁移。由此可见,血管在细胞迁移过程中发挥着重要作用。

3 血管性迁移的调节机制

3.1 脑源性神经营养因子在细胞迁移中的作用

吻侧迁移流,室管下区向嗅球迁移的过程中,成神经细胞沿着毛细管内皮细胞提供的物理支架进行纵向迁移。在这个微血管网中,神经元分化和生存不可或缺的体液信号成为血管龛的一部分。内皮细胞分泌的脑源性神经营养因子BDNF作为新生神经元迁移的化学引诱剂,诱导细胞迁移至较近的微血管床并维持其生存[30]。BDNF通过一个低亲和性受体p75NTR促进成神经细胞进入迁移阶段,迁移中成神经细胞除了表达p75NTR,还能表达GABA。而靠近血管的星形胶质细胞伸出突起包裹神经前体细胞并能表达BDNF的高亲和性受体Trk B。所以,我们推测血管引导模式主要由释放GABA的成神经细胞,表达Trk B的星形胶质细胞以及合成BDNF的内皮细胞三者共同调控。内皮细胞合成BDNF释放入胞外,BDNF通过p75NTR来增进神经前体细胞的迁移。一段时间后,迁移的细胞需要进入静止期时,可能通过一个未知的机制释放GABA来诱导的Ca2+依赖高亲和性受体Trk B,进入星形胶质细胞的包膜。因此,我们可以推测,成年大脑中神经前体细胞血管性迁移依赖于内皮细胞,星形胶质细胞和成神经细胞之间动态的、局部的交互作用。

3.2 血管趋化因子在细胞迁移中的作用

除了BDNF,还有一系列的内皮细胞和周细胞的细胞因子对新生神经元血管迁移路径起着引导和支持作用。在发育以及成熟的大脑中,新生成神经细胞表达SDF1/CXCL12受体。Kokovay等[31]证明了侧脑室的毛细血管网能够高水平表达SDF1/CXCL12,诱导表达CXCR4的成神经细胞离开室管膜,同时,促进α6β1整合素上调。神经干细胞短暂增殖产生的子细胞可以表达层黏连蛋白受体α6β1整合素,Shen Q等[32]表明,室管膜下区神经干细胞利用α6β1整合素绑定血管基底膜,如果抑制α6β1介导的细胞黏附和信号转导则能够促进神经干细胞的扩散,这表明神经干细胞与层黏连蛋白的相互作用能够在血管分布区域抑制神经干细胞的扩散,协同调节成神经细胞沿着脑室腔微脉管系统进行迁移。

3.3 血管内皮生长因子在细胞迁移中的作用

血管内皮生长因子(VEGF)能直接为中枢神经系统内的神经细胞和胶质细胞提供神经保护和营养功能,在神经发生区,VEGF数量上调。VEGF、VEGFR2都可以在神经干细胞中表达,在中风后的大脑中注入VEGF可以促进血管微环境的构建,减低梗死率以及促进神经功能的恢复[33]。此外,在过量表达VEGF的转基因小鼠中发现,室管膜下区的神经发生增多,血管内皮细胞生长因子可以通过其受体VEGFR2,促进大脑增殖区的神经前体细胞增殖、存活[34]。另外,在背根神经节体外培养实验中发现,血管内皮细胞生长因子除了可以促进神经元的存活率,还能够诱导轴突的生长[35]。有研究[36]采用颗粒细胞VEGF受体Flk-1敲除小鼠进行试验,结果发现,VEGF可以通过Flk-1信号途径发挥化学吸引作用,从而诱导神经细胞迁移。Carmen等[37]使用植入VEGF亚型的小鼠进行试验,发现结合有VEGF亚型的细胞沉积物能够准确引导颗粒细胞的迁移。所有这些都表明了VEGF在神经细胞迁移中起着至关重要的作用。

总之,根据细胞迁移过程中,为其提供支架介导作用的细胞特性划分为:胶质性迁移、神经元性迁移、血管性迁移。胶质性迁移即迁移中的细胞以放射状胶质细胞的长突起为支架进行迁移;神经元迁移即迁移中的细胞相互为支架,彼此牵连移动;血管性迁移,顾名思义,迁移中的细胞以血管为支架进行迁移。血管性迁移受很多因素影响比如脑源性神经营养因子、血管趋化因子以及血管内皮生长因子,这些复杂的分子信号共同调控神经前体细胞沿血管迁移。虽然血管对神经前体细胞迁移所起的精确作用还需要进一步解释,但可以肯定的是,他们在调控机制上是协调一致的。

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[责任编辑 时 红]

Study progresses in vasculature guided neural migration

LIANG Hongxia1，LI Yipeng2，SHI Shuqin1，DENG Jinbo1，2*
（1.Institute of Neurobiology of Henɑn University，Kɑifeng，Henɑn 475004，Chinɑ；2.School of Life Sciences，Henɑn University，Kɑifeng，Henɑn 475004，Chinɑ）

According to the moving direction of neural migration，the radial migration and tangential migration can be assorted.However，neural migration can also be classified into glial migration，neuronal migration and vasophilic migration，depending on various migrating medium.A large number of studies revealed that vasophilic migration has played important roles in brain development and disease genesis.There are many factors to affect vasophilic neural migration，such as brain-derived neurotrophic factor，vascular chemokines，and vascular endothelial growth factor and so on.In this review，we will mainly introduce some biological properties of vasophilic neural migration in the developing brain，and particularly the mechanism of various factors to affect vasophilic migration will be discussed as well.

vasculature；migration；vascular chemokines；BDNF；VEGF

R329

A

1672―7606(2015)04―0285―05

2015-11-12

国家自然科学基金(31070952,U1204311)

梁红霞(1967―),女,河南开封人,高级实验师,从事护理学教学与实验工作。

*通信作者:邓锦波(1957―),男,江西高安人,博士,教授,从事发育神经生物学的研究工作。