基于Notch信号通路对脑梗死的保护机制研究进展*

马菡 ，李晶

（1.天津中医药大学第一附属医院针灸研究所，天津 300193；2.国家中医针灸临床医学研究中心，天津 300193）

Notch信号通路是脊椎动物和非脊椎动物跨膜、进化保守的细胞间信号通路[1]。Notch通路的多个组成部分在血管系统中表达，缺乏这些组成部分的小鼠表现出胚胎致死性和血管重塑缺陷[2]。有研究表明，Notch通路的激活可能对脑梗死缺血后的神经血管单元具有一定调节和控制作用，在脑梗死的病程中起到多重脑保护作用[3]。本文对Notch信号通路的调节过程及其在脑梗死中的促进血管新生及调节神经功能的相关研究综述如下。

1 Notch信号通路概述

1.1 Notch信号通路的构成与传导 Notch信号通路由Notch受体、Notch配体及细胞内效应器分子3个部分组成。在哺乳动物中，已经描述有4种Notch蛋白受体：Notch1、Notch2、Notch3、Notch4，Notch 配体由 Jagged（JAG1 和 JAG2）和 Delta-like（DLL1、DLL3、DLL4）基因家族编码，细胞内效应分子是Notch信号在核内活化的转录因子[4]。

Notch信号是由细胞间直接相互作用介导的，这种相互作用有助于Notch配体Delta或Jagged与相应细胞上的Notch受体之间的结合，触发受体的3次连续蛋白水解。S1分裂：在弗林蛋白（Furin）转化酶的作用下产生胞外区和跨膜片段2个亚基，在细胞膜表面形成非共价连接的Notch异二聚体受体[5]。S2分裂：与配体结合后，由TNF-α-转化酶（TACE）和解聚素金属蛋白酶（ADAM17）进行的蛋白水解酶裂解为胞外区的N端裂解产物和跨膜区的C端裂解产物[6]。S3分裂：C端裂解产物在γ-分泌酶的作用下第3次被剪切，并将Notch胞内结构域（NICD）释放到胞浆中[7]。NICD进入细胞核，与转录因子相互作用形成转录激活复合物，激活下游靶基因转录，这种信号机制被认为是典型的Notch通路[8-9]。

1.2 Notch信号通路在大脑生理功能中的作用

1.2.1 维持神经干细胞增殖分化 Notch信号通路与调控神经干细胞的分化与自我更新密切相关，使神经干细胞的增殖与分化维持在相对稳定的平衡状态。早老素1（PS1）是调控Notch信号活性的关键因子，在缺乏PS1的胚胎脑中，神经干细胞也会衰竭，仅存的神经干细胞自我更新能力较弱，而NICD的引入挽救了神经干细胞的自我更新能力[10-11]。Hes1是Notch信号中重要的下游效应分子，Hes1缺失的神经干细胞会过早分化为神经元，导致神经干细胞的减少或消耗从而引发脑发育障碍[12]。由此可见，对于维持神经干细胞的增殖和分化来说，Notch信号通路广泛参与其中并扮演重要角色。

1.2.2 Notch信号与胶质细胞生成 神经胶质细胞广泛分布于中枢和周围神经系统，Notch信号能促进胶质细胞的产生，如视网膜中的Müller胶质细胞、新皮质中的放射状胶质细胞和海马中的星形胶质细胞[13]。Gaiano等[14]在神经发育前的胚胎皮层中将激活的Notch1（NIC）引入小鼠前脑。在胚胎发育过程中，NIC感染的细胞变为放射状胶质细胞，这是前脑中第1个明显的特殊细胞类型。出生后，许多NIC感染的细胞变成脑室周围的星形胶质细胞，这些细胞以前被证明是成人的神经干细胞。这些结果提示Notch1在胚胎发育过程中促进了桡神经胶质细胞的识别。综上可见，Notch信号参与胶质细胞的活化过程，对胶质细胞的发育有十分重要的作用。

1.2.3 参与神经元迁徙 神经元迁移是大脑发育的一个基本组成部分，络丝蛋白（Reelin）是大脑皮层发育过程中神经定位的关键。Hashimoto等[15]发现Reelin基因缺陷小鼠的NICD裂解形式水平降低，迁移神经元中Notch信号的丢失导致迁移神经元的板层和形态异常；NICD的过量表达则减轻了Reelin基因缺陷小鼠由于迁移失败而导致的皮质神经元异常层叠。也有证据表明，在果蝇的研究中存在一种非果蝇促神经发生基因Su（H）介导的Notch信号通路，利用Abl信号成分促进轴突生长和引导。具体来说，Notch似乎与DAB基因和Abl途径效应器Trio相互作用，并通过调节生长锥来指导轴突生长导向和动态模式形成[16]。这与DAB1和Notch1之间的相互作用是一致的，该相互作用发生在大脑皮层发育的新皮质神经元迁移期间[15]。

2 Notch信号通路在脑梗死中的保护作用

脑梗死是一种常见的临床疾病，由脑缺血和缺氧引起的神经元变性和坏死往往会导致严重的神经功能缺损。恢复受影响区域的血液供应是缺血性脑梗死治疗的关键，它不仅可以挽救缺血半暗带中濒临死亡的神经元，还可以为内源性干细胞和移植干细胞的存活、增殖、分化和功能重塑提供必要的条件，使其恢复神经功能。研究表明在右侧双结扎颈总动脉的新生小鼠中，Notch2受体在同侧海马的颗粒层和锥体层表达强烈增加，Notch通路的下游效应基因Hes5在缺血后的海马中也上调，表明缺血损伤后，Notch信号通路可能被激活[17]。随后的研究证实，脑梗死后，Notch信号通路在促进血管新生、促进神经干细胞增殖及减轻炎症反应方面起着重要作用。

2.1 促进血管新生 血管新生可以在缺血性脑损伤后迅速发生，以达到修复组织损伤、改善神经功能恢复的目的。血管新生受多种因素调控，Notch信号通路可能在脑梗死后血管生成过程起重要作用。Lou等[18]发现Notch1信号分子在成年大鼠缺血脑皮质中显著上调，其中miRNA-210的表达也增加。使用miRNA-210重组慢病毒载体转染人脐静脉血管内皮细胞HUVE-12结果显示，miRNA-210过表达导致Notch1蛋白表达显着增加，进一步增强了内皮细胞迁移形成毛细血管样结构。这些研究表明，miRNA-210的上调可激活Notch信号通路，可能是调控缺血皮质诱导血管生成的分子基础。Alhajzen等[19]通过小鼠缺血模型的研究发现，Notch配体DLL4在正常灌注的微血管内皮细胞中表达较弱，而缺血后在发芽的毛细血管最前端表达增强。DLL4-Notch信号通过干预血管分支形态发生来调节侧支血管的形成。DLL4还通过干预动脉功能和结构来影响血管灌注，其信号激活在再灌注期间血管分支的重组中非常重要[20]。大脑中动脉闭塞（MCAO）模型大鼠中，缺血皮质Notch1和Hes1的表达增强，缺血性脑组织在脑梗死后可观察到中度代偿性血管生成，骨髓基质细胞（MSCs）移植后梗死区周围的内皮细胞明显增多，缺血皮质Notch1阳性内皮细胞数量和Notch1蛋白水平显著增加，并显著提高了Hes1 mRNA水平，表明MSCs移植通过激活缺血脑组织内皮细胞的Notch信号通路促进血管生成[21]。随后在人脑梗死样本中发现，与正常脑相比，梗死脑缺血区内皮细胞中Notch1、NICD及配体jagged1的表达明显增加，Hes1蛋白在内皮细胞核中表达增加。人缺血性脑梗死周围区的脑血管长度、体积、面积、血管终末部分、血管节段和血管分支部分均明显高于正常脑。进一步建立MCAO模型大鼠发现，梗死区脑血管内Notch1、NICD和Hes1的蛋白水平在第3天和第7天显著增加，血管面积和长度随着时间推移明显增多。Notch1基因敲除抑制了内皮细胞的增殖，减少了脑血管的面积和长度，表明Notch信号在脑缺血诱导的血管生成中起关键作用[22]。

2.2 促进神经干细胞增殖 神经干细胞在成年啮齿动物和人脑中主要分布在侧脑室下区（SVZ）和海马齿状回的颗粒下区（SGZ），正常情况下，神经干细胞处于静息状态，脑梗死或其他诱因下，神经干细胞可被激活并增殖分化，由此产生的新生细胞迁移到缺血受损的脑区[23]。Wang等[24]发现脑缺血后在SVZ细胞中也表达出Notch1的激活形式及其下游转录靶点Hes1，Notch1信号的激活增加了SVZ细胞的增殖，从而抑制Notch1信号则导致SVZ细胞增殖减少。局灶性脑缺血后4 h和24 h，SVZ内NICD、Hes1和音猬因子（SHH）水平升高，缺血诱导的SVZ细胞增殖被Notch1信号通路的抑制所阻断。体外研究表明，用针对Notch的siRNA或γ-分泌酶抑制剂可阻断Notch信号通路，从而抑制脑缺血增加的神经干细胞的自我更新。通过注射Notch配体DLL4激活Notch通路可以减少神经干细胞死亡进而促进缺血大脑中的神经发生[25]。进一步用DLL4和NICD对脑切片进行染色发现，在SVZ内NICD+细胞常常与DLL4+细胞相邻，神经干细胞通过DLL4/Notch信号向临近细胞发出信号，DLL4的上调导致相邻神经干细胞中Notch信号的增强，诱导他们增殖和分化为新的神经元[26]。这些结果表明Notch信号通路通过增强脑梗死后神经干细胞增殖进一步恢复神经系统的受损功能。

2.3 减轻炎症反应 脑缺血后1～2 d内，缺血区产生的白细胞介素-1β（IL-1β）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）等细胞因子将激活脑血管内皮细胞表达黏附分子，介导内皮细胞与白细胞的相互作用，使白细胞浸润缺血脑组织。缺血区白细胞浸润可激活小胶质细胞，激活的小胶质细胞将促进炎症因子的表达，进一步加重脑损伤。Notch1表达上调可抑制小胶质细胞活化，降低IL-1β、TNF-α等细胞因子的表达，从而减轻脑缺血后的炎症反应[27]。在脑损伤的早期阶段，梗死区反应性星形胶质细胞的出现可通过维持修复血脑屏障和减少免疫细胞浸润来限制细胞退化。Hu等[28]发现Notch1及其配体Jagged1参与脑缺血后星形胶质细胞活化的调控，Jagged1通过诱导有利于神经前体细胞向星形胶质细胞分化的基因表达来激活Notch通路。Shimada等[29]发现Notch1是卒中后梗死周围区域星形胶质细胞反应性增殖所必需的关键因子，并且增殖的反应性星形胶质细胞可能通过减少免疫细胞对梗死周围组织的侵袭而在脑卒中后保护大脑方面发挥特殊的作用。

3 针刺对Notch信号通路的作用

针刺疗法在临床治疗脑梗死方面具有广泛应用，通过调控Notch信号通路改善脑梗死后神经功能损伤也得到了越来越多的研究支持。在脑缺血/再灌注损伤大鼠模型中，电针百会、大椎可以明显提高缺血侧海马区Notch1表达，改善模型大鼠神经缺损症状。Notch1蛋白表达及神经干细胞含量在14 d达到峰值，表明电针百会、大椎可以通过维持Notch1表达，使神经干细胞维持高水平，为神经干细胞向神经元分化提供充足的细胞来源[30]。惠建荣等[31]对局灶性脑缺血大鼠进行电针外关、阳陵泉，发现大鼠缺血侧海马区Jagged1蛋白含量表达明显增加，电针可促进星形胶质细胞分泌多种神经营养因子，通过修复神经元并促进其再生来促进神经功能恢复。电针曲池、足三里穴同样可以通过调控Notch信号通路对脑缺血损伤大鼠发挥脑保护作用。研究发现，对脑缺血损伤大鼠连续7 d电针曲池、足三里可活化大鼠缺血周围区皮质、缺血侧室管膜下区Notch1信号转导通路，上调活化NICD蛋白，激活Hes1和Hes5的表达，从而促进缺血损伤后神经干细胞增殖，减少神经凋亡和抑制炎症反应[32]，同时促进脑源性神经营养因子的分泌，实现对脑缺血的治疗作用[33]。连续14 d电针干预可明显缩小脑梗死面积，改善神经元细胞结构及形态[34]。最新研究表明，microRNA-25可减少脑缺血再灌注损伤诱导的细胞凋亡，促进神经干细胞的增殖，miRNA-223靶点人第10号染色体缺失的磷酸酶及张力蛋白同源基因（PTEN）的表达会减弱海马神经元的再生能力。电针外关、足三里可促进Notch1介导miRNAs的激活并抑制PTEN的表达，诱导SVZ和海马组织神经干细胞增殖并抑制其凋亡，促进缺血脑组织功能修复[35]。针刺疗法对脑梗死的疗效确切，通过调控Notch信号通路可促进神经元增殖、迁移和分化，减少神经凋亡，抑制炎症反应，改善神经缺损症状，减少梗死面积，从而促进脑缺血后的神经功能恢复。

4 中医药对Notch信号通路的作用

研究表明，中国脑梗死患病率为7.9%，其中缺血性脑梗死占91.7%[36]。中医认为脑梗死属于中风范畴，多由过度劳累、起居不节引起的气机逆乱，瘀血阻滞脑脉而成，病位多与肝、脾、肾相关[37]。中风病机多由风、火、痰、瘀所累，众多中医研究者经过大量临床经验积累，总结其治法以祛痰开窍，活血祛瘀为主。现代药理学研究表明，祛风活血类中药对缺血性脑梗死有显著的疗效。Guan等[38]利用蛇床子提取物蛇床子素干预大鼠大脑中动脉阻塞再灌注模型，证明其可增强Notch1信号转导活性，降低缺血再灌注诱导的脑梗死，降低海马神经元损伤和细胞凋亡。灯盏花作为祛风活血常用中药，在临床中得到广泛应用。Yuan等[39]发现灯盏花有效成分灯盏乙素可明显抑制Notch-1、NICD和Hes1在活化小胶质细胞中的表达，并且降低了单核细胞趋化蛋白1（MCP-1）的表达，增加小胶质细胞的黏附能力，减少小胶质细胞的迁移。另外，相关研究表明应用中药单体干预Notch信号通路在治疗缺血性脑梗死方面有着不逊于西药的效果[40]，从分子机制方面证明了中药的安全性和有效性。补阳还五汤在改善中风后遗症、降低致残率等方面发挥至关重要的作用，其补气活血通络的功效可能与Notch通路的激活有关。周胜强等[41]发现，补阳还五汤能促进脑缺血小鼠缺血侧海马Notch1、Hes1 mRNA和蛋白的表达及NICD的释放，激发Notch通路活性以进一步促进缺血海马神经干细胞增殖来修复受损神经功能。王俊杰等[42]对脑缺血再灌注大鼠注射地黄饮子低、中、高3种剂量，连续给药28 d后发现中剂量及高剂量组大鼠Jagged1、Hes1 mRNA水平明显增加，神经元细胞和神经胶质细胞增生，脑组织可见坏死灶相比模型组明显减少，提示地黄饮子作为中药复方通过激活Notch信号通路加速脑缺血后的神经再生和修复，参与调控脑缺血再灌注损伤发生的多个环节。中医药通过调控Notch信号通路展现了显著的疗效，为临床研究治疗缺血性脑梗死提供了客观证据支持。

5 展望

缺血性脑卒中后，缺血和缺氧会导致大量神经元的变性和坏死，立即诱导缺血脑组织血管生成、恢复脑血流灌注及最大限度挽救可逆性神经元对缺血性卒中的治疗至关重要。近年来对Notch信号通路的研究，已经发现了一些Notch通路在中枢神经系统发育和脑梗死缺血后血管新生及神经发生中的重要作用。在脑梗死临床治疗中，针刺疗法及中医药对脑梗死的治疗显示出独特的优势，通过激活Notch信号通路有助于改善脑梗死患者预后。然而脑梗死是一个极其复杂的病理过程，进一步研究并阐明Notch信号通路促进脑梗死缺血区血管新生及调控神经发生的具体机制，对于脑卒中后保护神经血管单元及改善卒中预后都有重要意义。