星形胶质细胞相关结构和功能在偏头痛中的研究进展

李志娟 刘 璐 李 彬

首都医科大学附属北京中医医院 针灸神经调控北京市重点实验室针灸中心，北京 100010

偏头痛是临床常见的一种中枢神经系统功能障碍性疾病，其临床表现为单侧或双侧搏动样疼痛，伴有恶心呕吐、畏光畏声等。我国偏头痛的发病率为9.3%[1]，其中50%以上的患者头痛发作时会伴有痛觉超敏现象[2]。痛觉超敏是中枢敏化的一种反应，而中枢敏化的机制主要包括胶质细胞激活、突触重塑和基因改变等[3-4]。在中枢神经系统中，胶质细胞不仅起着支持和营养作用，也参与了疼痛的中枢敏化；胶质细胞的激活已成为疼痛的研究热点[5]。星形胶质细胞也在疼痛的发生和发展中发挥着重要的作用[6]，研究发现星形胶质细胞能够参与疼痛的产生和级联放大，其在疼痛的发展和持续阶段有很强的活化反应[7]，但有关星形胶质细胞参与偏头痛的病理生理研究较少，本文将总结星形胶质细胞与偏头痛的相关研究，探索星形胶质细胞参与偏头痛的机制，也为偏头痛的机制研究和治疗提供新的方向。

1 星形胶质细胞的结构及功能

星形胶质细胞是中枢神经系统内主要的胶质细胞，其外形呈星形，主要由胶质纤维丝酸性蛋白（glial fibrillary acidic protein，GFAP）组成，GFAP 是星形胶质细胞活化的标志物。在病理情况下，中枢神经系统常会生成反应性星形胶质细胞，表现为胞体肥大、突起增粗、分支增多等。星形胶质细胞通过半通道相互连接，形成细胞间缝隙连接。连接蛋白（connexins，Cx）是缝隙连接的主要组成结构，其中Cx30 和Cx43 在星形胶质细胞中特异性表达。

另外，星形胶质细胞与神经元接触密切，为神经元提供支持和营养；并且星形胶质细胞部分包绕着神经元的突触，为突触提供结构支持和绝缘；通过黏附分子等表达调控突触的发生，调节神经元的活性。同时，星形胶质细胞与脑血管广泛接触，在神经激活的同时调节血流量[8]。

在中枢神经系统中，星形胶质细胞的功能主要包括提取K+、水及神经递质，通过表达谷氨酸转运体，以及对钾通道和水通道的调节，使其有助于维持谷氨酸稳态-钾稳态和水稳态。

2 星形胶质细胞参与偏头痛疼痛的方式

2.1 相关基因

在一项对来自三个欧洲头痛诊所的2731 例偏头痛患者和10 747 名匹配人群的全基因组关联分析（genome-wide association study，GWAS）研究[9]中，发现染色体8q22.1 上的rs1835740 小等位基因与偏头痛有关。而rs1835740 位于MTDH（astrocyte elevated gene-1，AEG-1）和编码血浆谷氨酸羧肽酶（plasma glutamate carboxypeptidase，PGCP）之间。同样，另一项研究[10]对4954 例偏头痛患者和13 390 例对照患者的偏头痛数据进行了基因集分析，研究了在星形胶质细胞、小胶质细胞和少突胶质细胞中主要表达的突触基因组；发现与星形胶质细胞和少突胶质细胞相关的基因集可能在偏头痛的易感性中发挥作用，特别是那些参与蛋白修饰和信号转导的基因。从两个研究中可以看出与星形胶质细胞相关的基因与偏头痛密切相关。

2.2 缝隙连接蛋白

缝隙连接是细胞间信号传递的直接通道。星形胶质细胞间主要由Cx43 相互连接[11]，Cx43 起着传递钙波、降低细胞外K+浓度及防止突触间隙内谷氨酸钠堆积等作用。当伤害信号传至中枢时，会使突触前膜释放大量的谷氨酸钠、ATP 等相关物质，这些物质会作用于星形胶质细胞膜上的相应受体，产生三磷酸肌醇（inositol triphosphate，IP3）等第二信使，同时内质网释放大量的Ca2+，而IP3、Ca2+会通过Cx43 传播至相邻的细胞，从而引起更大范围的星形胶质细胞被激活，胶质细胞通过分泌谷氨酸钠、白细胞介素（interleukin，IL）等介质作用于神经元，从而引起中枢敏化[12]。武茜等[13]通过观察三叉神经颈髓复合体内Cx43 对偏头痛大鼠痛觉超敏的影响，发现与对照组比较，模型组大鼠眶周痛阈逐日下降，出现痛觉超敏；并且免疫荧光染色显示：模型组大鼠后角细胞数及Cx43 表达较对照组增多。这提示在Cx43 介导下，星形胶质细胞被大量激活，从而导致中枢敏化，最终诱发偏头痛大鼠出现痛觉超敏。

2.3 突触活性的改变

谷氨酸是中枢神经系统中最主要的兴奋性神经递质。为保证突触间传递的敏感性，谷氨酸应当被迅速、及时地清除，而星形胶质细胞对谷氨酸的摄取是保持细胞外谷氨酸浓度稳定的最主要的途径。星形胶质细胞有2 种不同的谷氨酸载体类型：GLAST 和GLT-1。当星形胶质细胞谷氨酸载体受到抑制时，细胞外谷氨酸浓度增高，导致神经元兴奋，从而产生疼痛。

家族性偏瘫性偏头痛（familial hemiplegic migraine，FHM）是一种罕见的单基因型偏头痛，发作时伴有运动无力的先兆[14]。目前FHM 有3 种表型：FHM1 型（CACNA1A-Ca2+通道基因）[15]、FHM2 型（ATP1A2-Na+、K+ATP 酶 基 因）[16]、FHM3 型（SCN1A-编 码NaV1.1 钠通道的α 亚基基因）[17]。FHM1 型中功能突变的CACNA1A 基因会使突触前Ca2+内流，导致谷氨酸在突触间隙释放增加，从而产生疼痛。FHM2 型中ATP1A2 基因的功能缺失或突变，会导致皮层星形胶质细胞对突触间谷氨酸和K+的清除率降低，并且突触周围的星形胶质细胞中GLT-1a 谷氨酸转运体的密度降低，从而产生疼痛[18]。FHM3 型中，SCN1A 基因的功能缺失或突变会引起抑制性中间神经元的抑制活性降低，从而导致兴奋性神经元活性增加；然而目前还没有证据直接证明FHM3 型中神经元活性的变化与星形胶质细胞有关。

兴奋性氨基酸转运蛋白2（excitatory amino acid transporter 2，EAAT2）是一种谷氨酸的清除剂，负责突触间隙中90%谷氨酸的摄取，其主要在星形胶质细胞上表达[19-20]。神经损伤后，EAAT2 表达下调，谷氨酸摄取功能障碍，导致突触间有大量的谷氨酸积累，引起神经元的异常兴奋，从而引发痛觉超敏。Zhou 等[21]通过建立慢性偏头痛（chronic migraine，CM）大鼠模型，发现模型组大鼠三叉神经脊束尾核（trigeminal nucleus caudalis，TNC）部位中的谷氨酸浓度显著升高，而相应地EAAT2 表达水平下降。通过免疫荧光发现：EAAT2 主要位于星形胶质细胞上，且模型组大鼠的星形胶质细胞呈激活状态。给予EAAT2 的增强剂后，激活的星形胶质细胞减少，TNC 部位的谷氨酸浓度降低。这提示星形胶质细胞可能通过介导EAAT2 的表达，来调节突触间谷氨酸的含量，进而调节偏头痛。

2.4 皮层扩布性抑制

皮层扩布性抑制（cortical spreading inhibition，CSD）是发生在脑神经元和神经胶质细胞上一种缓慢传播的扩散去极化波，CSD 的发生通常被认为与细胞内离子浓度的失衡有关，通常是由K+的分泌以及Na+、Ca2+及Cl-的吸收所引起，包括K+的快速外流，Na+、Ca2+及Cl-的快速内流，产生内向电流。当细胞内Ca2+的浓度增加，释放到细胞间隙的K+和谷氨酸的浓度也会随着增加，改变细胞的兴奋性，从而引起偏头痛。最新研究显示[22]，星形胶质细胞也参与CSD 相关的疾病，而CSD 恰是偏头痛的重要发病机制之一[23]。当发生CSD时，相关神经元的Panx1 通道打开释放炎性分子，触发炎症级联反应，激活邻近的星形胶质细胞，导致炎症介质的持续释放，使疼痛持续。

目前，有关星形胶质细胞参与偏头痛CSD 期间的研究主要集中在FHM 中。在FHM 中，星形胶质细胞中Ca2+浓度的升高会引起血管舒张和炎症物质的释放，从而引起头痛发作。有研究显示[24]，在发生CSD时，FHM1 表型小鼠的星形胶质细胞中Ca2+浓度明显升高，这可能与偏头痛中星形胶质细胞的激活有关。在FHM2 表型中，ATP1A2 编码的α2 亚基主要在胚胎发育过程中和出生时的神经元中表达，且几乎只在成年大脑的星形胶质细胞中表达[25]。在ATP1A2 基因缺失的FHM2 表型小鼠中[26]，应用KCL 诱导CSD 的发生，发现小鼠星形胶质细胞中Ca2+浓度升高，星形胶质细胞被激活。在另一项研究中[27]，星形胶质细胞ATP1A2 基因的缺失会引发小鼠短暂性运动麻痹和自发的CSD。这些证据证明了星形胶质细胞与FHM2表型CSD 期间的密切联系。目前携带SCN1A 基因突变的FHM3 表型小鼠模型刚刚建立[28]，其在CSD 期间头痛的发生发展是否与星形胶质细胞之间存在联系还需进一步探索。综上所述，星形胶质细胞的激活可能是FHM1、FHM2、FHM3 这3 种头痛类型CSD 期间共同的病理生理学基础。

2.5 炎症介质

MAPK 是星形胶质细胞参与疼痛过程的一条重要通路。当神经损伤后，星形胶质细胞中的转化生长因子（transforming growth factor β，TGF-β）激活激酶或肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）-α 受体表达上调，进而激活星形胶质细胞中的JNK[29]，其细胞内的ERK 也在疼痛后期被激活，释放促炎性细胞 因子和趋化因子等，使疼痛持续。α7nAChR 是一个胆碱能抗炎通路中的离子通道，它在连接受体与信号分子结合后能显著调节细胞膜通透性和神经递质表达。在CM 大鼠实验中[30]，CM 组TNF-α、IL-1、降钙素基因相关肽表达升高，7nAChR 表达降低。与CM 组比较，使用α7nAChR 激动剂能降低海马区星形胶质细胞和小胶质细胞的数量，提高大鼠的机械痛阈值。CM 中活化的小胶质细胞和星形胶质细胞，通过下游的p-JNK-MAPK信号通路释放TNF-α 和IL-1，进一步加重CM。但是研究并未对小胶质细胞与星形胶质细胞的激活分别展开，CM 疼痛的加重可能是两者共同作用的结果，由此推测引起CM 的原因是胶质细胞被激活，促炎性细胞因子表达增多，使疼痛加重。小胶质细胞与星形胶质细胞的激活时间可能是以后CM 研究的一个方向。

3 总结与展望

偏头痛发病机制复杂，痛觉超敏是其主要特点。星形胶质细胞作为中枢神经系统中主要的组成部分，通过对神经递质、受体、转运体、通道及蛋白的调控，参与疼痛的发生发展。虽然星形胶质细胞在其他神经病理性疼痛中发挥着重要的作用，但目前关于星形胶质细胞参与偏头痛的机制研究仍然较少，研究只是局限于某一个递质或蛋白，并未深入研究。并且神经元与星形胶质细胞的互作在传递痛觉信号及诱导维持疼痛上越来越受到重视，神经元-星形胶质细胞互作是指星形胶质细胞可通过缝隙连接、趋化因子、神经递质及离子通道维持神经元外稳态，保证神经元和星形胶质细胞处在正常状态，同时通过以上机制与邻近神经元及星形胶质细胞进行信息传递。偏头痛的发生发展与神经元和星形胶质细胞密切相关，两者的互作效应可能是一个偏头痛研究的方向。