星形胶质细胞在脑白质缺血性损伤后髓鞘再生的研究进展

徐亚萍，谢敏杰

随着我国步入老龄化，脑卒中发病率明显增加，其中缺血性卒中占70%以上，因其死亡率高、致残率高、复发率高、恢复缓慢的特点，给社会和家庭都带来严重的负担。任何临床类型缺血性卒中在大多数情况下都会影响脑白质导致脱髓鞘及轴突损害，这也是神经功能预后不良的危险因素。研究发现，在正常的老年人群中，超过半数发现不同程度的脑白质缺血，而在卒中患者中高达64%～86%[1]。因此，白质完整性的破坏被认为在神经损伤中起着重要作用[2]。

少突胶质前体细胞（oligodendrocyte precursor cell，OPC）是形成髓鞘结构的主要来源细胞，其不仅分布在新生或发育期脑内，也存在于成年脑内，且能分化为成熟少突胶质细胞。缺血发生后OPC 可快速增殖并且迁移到损伤部位，并进一步分化为成熟的少突胶质细胞（oligodendrocyte，OL）以保持髓鞘结构的完整性，维持神经信号的有效传导。通过激活OPC来增加成熟OL数量这一方式使成年脑拥有内源性髓鞘再生保护机制，在缺血性卒中后神经功能的有效恢复过程中发挥着有利且关键的作用。星形胶质细胞作为大脑中最丰富、最主要的胶质细胞，是OL谱系细胞生存微环境中的主体，对维持OL谱系发育、分化和功能稳定具有重要作用。近年来越来越多的研究表明星形胶质细胞活跃地参与了脑白质损伤的病理过程[3,4]。缺血性髓鞘损伤是多因素参与的复杂过程，相关治疗尚未达到临床预期，迫切需要从多角度研究其机制及治疗方法。星形胶质细胞可通过分泌细胞因子、外泌体及与OL 谱系细胞形成缝隙连接影响OL 谱系细胞的生存与发展，从而在髓鞘再生与修复中发挥重要作用，本文主要对髓鞘损伤后相关机制及星形胶质细胞对髓鞘损伤及修复的多个作用方式进行综述。

1 髓鞘损伤相关机制

1.1 谷氨酸兴奋性中毒

谷氨酸通过离子型受体和代谢型受体起作用，前者控制膜离子通道对阳离子的通透性，后者是与G蛋白偶联的跨膜受体。谷氨酸兴奋毒性是中枢神经系统缺血性损伤的主要因素之一。OL 上主要表达三种离子型的谷氨酸受体：AMPA、kainate 和NMDA受体[5,6]。其中，AMPA和kainate受体的过度激活会导致OL 死亡以及原发性或继发性髓鞘破坏[7]。Ca2+在受体激活时的内流以及随后在线粒体内积累是损伤的核心因素。脑白质中OPC 表达AMPA 型谷氨酸受体，有证据表明谷氨酸可抑制OPC 的增殖，加快其迁移速度，并抑制其在体外分化为OL的能力[8]。

1.2 蛋白酶的激活

白质缺血可激活蛋白酶，从而削弱轴突和髓鞘的结构完整性。神经纤维丝是白质轴突的主要结构成分，钙蛋白酶已被证明参与缺血条件下神经丝的降解。基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）可以直接攻击髓鞘成分，如髓鞘碱性蛋白（myelin basic protein，MBP）。细胞外基质影响少突胶质细胞的增殖、存活、迁移和分化，以及突起延伸和髓鞘形成。其中，MMP-2 和MMP-9 可以分解髓鞘的两个主要成分MBP 和髓鞘相关糖蛋白（myelin-associated glycoprotein，MAG）[9]。研究表明，在MMP-9 基因敲除小鼠中，缺血损伤后导致MBP的降解减少[10]。

1.3 ATP介导的毒性

ATP 可激活离子型P2X 和代谢型P2Y 嘌呤受体，OL 均表达这两种受体[11]。在缺血期间，OL可能通过膜联蛋白半通道释放ATP，从而导致线粒体去极化和ROS的释放。ATP介导的毒性则导致OL凋亡或坏死，细胞死亡的方式由Ca2+激增的强度决定，而Ca2+激增的强度又取决于缺血性损伤的强度[12]。Ca2+与ATP相互作用共同影响OL谱系细胞的存活与功能。

2 OPC在髓鞘再生中的作用

OPC 被NG2 和PDGFR-α识别，占成年中枢神经系统细胞总数的3%～9%。研究表明，位于灰质和白质的OPC 和来自SVZ 的OPC 参与新的OL 生成[13]。由于损伤的成熟OL 不再产生功能性髓磷脂，而成熟OL 也不会自我增殖，因此，OPC 成为髓鞘损伤后成熟OL的主要来源[10,13]。脱髓鞘发生后，OPC进入脱髓鞘区域的过程称为髓鞘再生的招募阶段，它涉及OPC的迁移与增殖。募集后，OPC 必须分化为重新髓鞘的OL。这个分化阶段包括三个不同的步骤：与要重新形成髓鞘的轴突建立联系，表达髓鞘基因并生成髓鞘膜，最后包裹轴突并形成致密髓鞘结构[14]。研究发现，卒中和实验性缺血均可诱导OPC增殖。然而，这些OPC中大多数未能发育为成熟的OL，导致髓鞘再生不足和白质修复不成功。因此，促进OL生成和OPC分化可能是增强白质完整性并改善卒中后神经系统恢复的潜在治疗策略[15]。

3 星形胶质细胞在髓鞘损伤及修复中的作用

3.1 星形胶质细胞概述

星形胶质细胞是中枢神经系统（central nervous system，CNS）中异质性高且数量最丰富的胶质细胞，在维持动态平衡和影响髓鞘形成方面发挥重要作用[16]。星形胶质细胞根据细胞形态和解剖位置的不同可分为原浆型和纤维型两种主要亚型。原浆型星形胶质细胞位于灰质，纤维型星形胶质细胞位于白质[17]。与灰质中的星形胶质细胞相比，白质中的星形胶质细胞表达更高水平的谷氨酸转运体，并表现出更大的谷氨酸代谢能力[18]，因此，星形胶质细胞能够清除谷氨酸，在维持健康的OL和髓鞘再生方面发挥重要的作用。

星形胶质细胞在中枢神经系统损伤后的反应十分重要，包括它们控制细胞内和细胞外间隙之间的液体运动中的作用，摄取谷氨酸和减少兴奋性毒性的能力，以及在空间缓冲中的作用[19]。OL 死亡和轴索脱髓鞘总是伴随着星形胶质细胞的激活[20]。研究发现，反应性星形胶质细胞增生是中枢神经系统损伤的可靠和敏感的标志，并且可能通过丧失正常星形胶质细胞功能或获得异常效应，在CNS疾病中发挥重要作用[17]。反应性星形胶质细胞的一个明显特征是过度表达中间丝蛋白，如GFAP或波形蛋白，GFAP过表达和形态变化是最常用的反应性星形胶质细胞标志物[21,22]。同时，反应性星形胶质细胞在应对CNS 损伤时发挥许多重要的有益功能，包括血脑屏障修复、神经保护和限制炎症细胞的扩散、感染等[17]。

3.2 星形胶质细胞与髓鞘形成及再生

3.2.1 能量供应及细胞因子分泌 星形胶质细胞能为髓鞘损伤后再生提供能量并分泌相关细胞因子。星形胶质细胞将获得葡萄糖转化为糖原并储存[22]。当缺血性损伤发生后，低糖浓度下的星形胶质细胞可将储存的糖原降解成乳酸，进而增加细胞外乳酸水平，为附近的髓鞘及轴突提供能量[23,24]。

星形胶质细胞可分泌血小板衍生生长因子（platelet derived growth factor，PDGF）和FGF-2 等可溶性因子来促进OPC 的存活和增殖[22]，也可分泌CNTF促进OPC分化为少突胶质细胞[25]，并保护OL免受凋亡，减少损伤后的髓鞘进一步破坏[26]。同时，星形胶质细胞可通过释放CXCL1作用于OL上的趋化因子受体CXCR2，促进体内OL分化和髓鞘形成[27,28]。星形胶质细胞也能够释放CXCL10 来吸引小胶质细胞，在Cuprizone 脱髓鞘模型中，CXCL10 是清除髓鞘碎片和髓鞘再生所必需的[29,30]。因此，星形胶质细胞分泌的细胞因子在髓鞘再生过程中发挥重要作用。

3.2.2 缝隙连接 星形胶质细胞通过连接蛋白（connexins，Cx）与OL之间形成缝隙连接[31]，参与OL的存活、增殖及分化过程。在CNS中，星形胶质细胞表达Cx30、Cx43，OL表达Cx32、Cx47和Cx29。并且，AST和OL之间可形成异型缝隙连接通道[32]，允许小分子在细胞间转移。在体实验研究表明，星形胶质细胞和OL之间的偶联中断会导致脱髓鞘和运动损伤[33]。

作为CNS中最丰富的间隙连接蛋白，星形胶质细胞连接蛋白43（Cx43）维持星形胶质细胞网络稳态，影响OL的发育，并参与CNS 病理及损伤的进展。研究发现，在髓鞘再生过程中，星形胶质细胞Cx43 的耗竭能够促进OPC 的分化。同时，Cx43 cKO小鼠发生损伤后，神经胶质激活被下调，局部炎症得到调节，髓鞘碎片减少[34]，说明Cx43缺失后可通过调节局部炎性反应改善髓鞘再生。同时，在双侧颈总动脉狭窄（bilateral common carotid artery stenosis，BCAS）白质损伤小鼠模型中，抑制或敲除Cx43后可减轻白质损伤后脱髓鞘的改变及认知功能下降[4]。而OL Cx47和Cx32双基因敲除小鼠在出生后6周死亡，并表现出严重的中央髓鞘异常及OL 的死亡和轴突丢失；星形胶质细胞双基因敲除的Cx43/Cx30小鼠则发现在白质中显示胶质“水肿”和髓鞘空泡化，也说明星形胶质细胞-OL 缝隙连接通讯对CNS髓鞘形成至关重要[35-37]。缺乏Cx47和Cx30的小鼠不能将OL与星形胶质细胞偶联，导致存活率降低，OL数量减少，髓鞘空泡化和变薄，以及严重的星形胶质和微胶质增生[33]。星形胶质细胞与OL 谱系细胞之间的缝隙连接通道可允许小分子间的传递，并参与髓鞘的形成，是髓鞘再生过程中重要的调控靶点。

3.2.3 外泌体 外泌体是一类直径在30～150 nm 之间，真核生物体内的几乎所有细胞能够产生，且内容物中包含脂质、蛋白质及RNA 的细胞外囊泡[38,39]。它来自内体系统，内体分选复合体（endosomal sorting complex required for transport，ESCRT）是外泌体形成的核心分子机制[40-42]。近来研究发现，外泌体作为新型的细胞间交流分子，在中枢神经系统疾病中发挥重要作用。

外泌体最初被认为是细胞处理代谢废物的载体，但它们在细胞间交换物质、信号转导、维持细胞内稳态以及miRNAs方面的作用逐渐受到重视并引发了极大的关注[43,44]。外泌体使细胞间远程通信成为可能，这有助于细胞进行蛋白质、脂质和RNA等的物质交换。外泌体与靶细胞接触后，可通过膜融合、受体配体结合及受体细胞内吞作用进入细胞，具体取决于所涉及的靶细胞的类型。在中枢神经系统中，外泌体积极参与神经免疫调节、脑卒中及神经退行性疾病的发展[44-46]。

外泌体具有脂质双分子层结构，可自由通过血脑屏障，并且可携带遗传物质，调控受体细胞蛋白表达，参与细胞间通讯[47]。研究发现，间充质干细胞（mesenchymal stem cell，MSC）来源的外泌体进行修饰过表达miR-17-92（Exo-miR-17-92+），能够通过抑制PTEN 基因的表达，增加OL 的产生，并提高卒中后神经可塑性及功能恢复[48]。当将环境富集大鼠血清外泌体应用于海马切片或在体时，均显著增加髓磷脂含量、OPC 和神经干细胞水平，并降低氧化应激[49]。综上，外泌体在髓鞘再生过程中，可能通过其遗传物质（如miRNA）来调节受体细胞基因的表达，以达到髓鞘修复及神经功能的恢复。

作为CNS中数量最多的星形胶质细胞，它们来源的外泌体在神经功能恢复过程中也发挥重要作用。其中，星形胶质细胞外泌体能降低氧糖剥夺（oxygen glucose deprivation，OGD）后神经元的凋亡，并利用MCAO在体试验进一步验证星形胶质细胞外泌体是通过调节自噬抑制OGD 诱导的神经元凋亡[50]。同期研究发现经过OGD预处理的星形胶质细胞外泌体通过其内容物miR-92b-3p 的表达上调来抑制神经元的凋亡和坏死[51]。然而，目前关于星形胶质细胞外泌体在OL 的再生及髓鞘损伤后修复方面的研究仍较少。笔者前期实验发现星形胶质细胞来源外泌体有助于OPC 分化为OL（尚未发表），说明星形胶质细胞外泌体在髓鞘再生中可能发挥一定的调控作用，也为髓鞘的修复提供了新的研究方向。

4 总结及展望

长期以来，关于脑白质损伤与修复的研究一直集中于OL及轴突本身[52]，虽取得一定进展，但迄今机制不明，未能发展出有效治疗手段，迫切需要从新的角度来探索脑白质损伤与保护机制。星形胶质细胞作为OL 生存微环境中的主体，对维持其谱系发育、分化和功能稳定具有重要作用。近年来外泌体在CNS 疾病中的作用日益显现，结合当前研究热点，星形胶质细胞外泌体为探讨星形胶质细胞与髓鞘再生之间的关系提供了一个新的潜在的研究靶点。星形胶质细胞在髓鞘再生过程中发挥重要作用，并通过供能、分泌细胞因子、外泌体及与OL 形成缝隙连接通道等多个方面参与髓鞘再生，采取多靶点联合治疗是未来针对星形胶质细胞开发新的脱髓鞘疾病治疗方法及药物的潜在手段。