A1/A2型反应性星形胶质细胞的研究进展

黎影，骆翔

1 引言

星形胶质细胞是大脑中最丰富的细胞。脑组织中神经元和血管外的空间主要由星形胶质细胞填充。生理状况下的星形胶质细胞执行多种功能，包括神经元的营养和机械支持、促进突触形成，并维持其正常功能、吞噬修剪突触、参与构成血脑屏障和其他稳态维持功能等[1,2]。在有害刺激和神经系统损伤后，幼稚的星形胶质细胞依次分化为不同的亚群，先是“反应性星形胶质细胞”[3]，而后是形成疤痕的星形胶质细胞[4]。星形胶质细胞通过形成反应性星形胶质细胞，以应对中枢神经系统的各种损伤，这已经成为中枢神经系统结构病变的病理标志。在形成反应性星形胶质细胞的过程中，星形胶质细胞会经历显著的功能变化，通过形态变化（例如细胞肥大）、细胞增殖、基因和分子表达变化，对损伤产生反应[5]。有趣的是，先前的研究结果证实反应性星形胶质细胞具有阻碍和支持神经系统损伤后修复的双重特性[1,6]。根据不同疾病中反应性胶质细胞的基因表达差异，反应性星形胶质细胞可分为A1 型和A2 型两种表型[7,8]。本文基于早期研究中反应性星形胶质细胞的双重作用，着重讨论A1/A2 表型星形胶质细胞活化的异质性以及其对中枢神经系统损伤修复的影响。

2 反应性星形胶质细胞的双重作用

星形胶质细胞在调控神经元存活、轴突生长、突触形成及维持血脑屏障等诸多方面发挥重要作用[9]。在应对大脑损伤或疾病的过程中，星形胶质细胞变为反应性，同时许多静息细胞的作用被增强或减弱以影响附近的细胞。一方面这些变化中有神经毒性的作用，例如，星形胶质细胞可形成影响轴突生长的胶质瘢痕，并产生多种阻碍神经细胞存活的分子[10]；反应性星形胶质细胞还可表达多种与炎症相关的分子，并进行抗原呈递，为神经胶质分化和内源性髓鞘形成提供了抑制环境[11,12]。另一方面，反应性星形胶质细胞也具有神经保护作用，并增强轴突和神经元的再生[13]。在某些情况下，反应性星形胶质细胞会抑制中枢神经系统损伤后的免疫反应，维持细胞外稳态并产生生长因子[14]。脊髓损伤后，由反应性星形胶质细胞表达的信号转导和转录激活因子3（signal transducer and activator of transcription 3，STAT3）在再生中起关键作用，包括控制炎症等[15,16]。损伤后STAT3因子的选择性缺失导致免疫细胞浸润和神经变性的显著增加[17]。这些研究结果表明，星形胶质细胞对于损伤后功能的恢复和存活存在双重作用。为系统性地深入研究反应性星形胶质细胞的作用，新近的研究根据反应性胶质细胞的基因表达差异将反应性星形胶质细胞分为A1型和A2型两种表型，在功能上分别表现为神经毒性作用和神经保护作用[7]。

3 A1/A2型星形胶质细胞的基因特点

基因分析显示反应性星形胶质细胞高度表达星形胶质细胞标记基因，包括GFAP、MMP2、Plaur、MMP13、Axin2、Nes和Ctnnb1等[4]。其中A1型反应性星形胶质细胞上调了许多补体级联基因，如Serping1、H2-D1、Ggta1、Iigp1、Gbp2 和 Fbln5 等。研究发现A1 型反应性星形胶质细胞抑制突触的形成、吞噬功能下降，可分泌神经毒素诱导神经元和少突胶质细胞迅速死亡。A1 型反应性星形胶质细胞在阿尔兹海默病（Alzheimer's disease，AD）、帕金森病（Parkinson's disease，PD）等神经退行性疾病中广泛出现，表现为神经毒性作用[7]。与之相反，A2型具有神经保护的作用[6,7,18,19]，A2型反应性星形胶质细胞上调了许多神经营养因子的基因表达，如Clcf1、Tgm1、Ptx3、S100a10、Sphk1 和Cd109 等，以促进神经元的存活、生长和分化[7,20]，其中S100A10 基因对于细胞增殖、膜修复和抑制细胞凋亡至关重要[7]。A2反应性星形胶质细胞还上调抗炎细胞因子TGFβ的表达，参与突触形成[21]。研究发现系统性注射脂多糖产生的神经炎症可诱导A1型反应性星形胶质细胞，而大脑中动脉阻塞后的脑缺血诱导A2型反应性星形胶质细胞[8]。活化的小胶质细胞可通过释放IL-1α、TNF和C1q 三种细胞因子，诱导幼稚的星形胶质细胞转化为A1 型星形胶质细胞[7]；而连接蛋白Cx30 是诱导神经保护性的A2 型星形胶质细胞所需要的[22]；目前尚未明确不同神经系统损伤所诱导A1、A2 表型反应性星形胶质细胞的信号途径。有研究发现乳脂小球表皮生长因子8（milk fat globule epidermal growth factor-8，MFG-E8）通过上调PI3K-Akt途径和下调NF-κB途径来调节A1/A2反应性星形细胞转化[21]。

4 A1/A2型星形胶质细胞的机械支持作用

在脑组织中，星形胶质细胞与神经元紧密相邻并胶合在一起，其长突起相互连接，构成神经元细胞体和纤维的机械支持骨架。在神经系统损伤后，星形胶质细胞活化、增生，包绕并填充受损死亡神经元的组织缺损，形成胶质瘢痕，使得损伤局限化。但是，在此过程中产生的A1 型星形胶质细胞高表达GFAP，其肥大的细胞体和相互连接的突起形成组织内的机械屏障，阻碍神经元再生轴突的延伸[23]。同时A1 型星形胶质细胞分泌轴突再生抑制剂硫酸软骨素蛋白多糖CSPG，在化学层面抑制轴突再生[23]。与之相反，A2型星形胶质细胞更大程度地上调了轴突生长分子，具有促进轴突再生和延伸的潜力[17,24]。

5 A1/A2型星形胶质细胞的屏障作用

星形胶质细胞的血管周足与毛细血管内皮及内皮下基膜一起构成血脑屏障，创造出相对“特权”的中枢神经系统内环境。神经元和胶质细胞被血脑屏障良好地保护，免受循环中绝大部分炎症因子和病原体的侵犯。同时，血管周足和毛细血管内皮细胞富含葡萄糖和氨基酸转运体，有利于二者跨血脑屏障转运。在中枢神经系统损伤背景下，A1型反应性星形胶质细胞形成的不紧密的胶质瘢痕，阻碍了血脑屏障的修复，胶质瘢痕与血脑屏障的破损部位高度重合[6,23,25]。A2 型星形胶质细胞与血脑屏障的修复密切相关，遗传学消融神经保护性星形胶质细胞导致血脑屏障修复延迟、损伤收缩失败和更大的组织损伤[6]。反应性星形胶质细胞可以重建受损的血脑屏障，并限制外周血白细胞的浸润[26]。

6 A1/A2型星形胶质细胞的免疫应答作用

中枢神经系统损伤常伴随细胞的大量死亡、脑内常驻免疫细胞小胶质细胞的激活，以及血脑屏障破坏后循环炎症信号对中枢神经系统的攻击。研究证实在轻中度神经系统损伤后，星形胶质细胞经历活化并清除细胞和髓鞘碎片、抑制局灶神经炎症、限制炎症信号和炎症细胞的播散，表现为显著的抗炎作用，减少了神经元和少突胶质细胞的死亡[27,28]。但这一保护性作用重度损伤后失去，表现为吞噬清除能力丧失、补体成分C3表达上调、释放活性氧和神经毒性细胞因子，可能与过量的、压倒性的炎症信号和星形胶质细胞有限的清除能力失衡有关[5,19,29-31]。实验诱导的A1型和A2型反应性星形胶质细胞对LPS急性刺激分别产生促炎、抗炎作用，影响脂蛋白的分布，这可能与细胞的先天免疫反应有关[32]。已有研究证明，线粒体片段化通过触发星形胶质细胞从神经保护性A2表型转变为促炎性A1表型而加剧了神经炎症[33]。然而，在朊病毒病小鼠模型中实验性消除A1反应性星形胶质细胞非但没有减少病毒滴度与蛋白沉积，反而加速了病程[34]。星形胶质细胞的活化与小胶质细胞密切相关，两者的表型高度依赖于损伤的性质和持续时间，是神经炎症的基本组成部分[27]。研究表明，在多发性硬化症的动物模型中，小胶质细胞的NLRP3 炎性小体及其下游分子IL-18 诱导A1 反应性星形胶质细胞释放C3，造成海马神经元损害[35]。

7 A1/A2型星形胶质细胞的稳态维持作用

神经冲动的传播依赖于突触末梢神经递质的释放，星形胶质细胞摄取谷氨酸和γ-氨基丁酸，将其转化为神经惰性谷氨酰胺后转运回神经元内。这既避免氨基酸类神经递质持续刺激神经元导致兴奋性毒性，又为神经元重新合成氨基酸类神经递质提供前体物质[18,29,36,37]。A2 型反应性星形胶质细胞增强了细胞外谷氨酸的清除能力，维持细胞外Ca2+与K+离子平衡，清除兴奋性毒性状态下过多的自由基，并分泌多种神经营养因子，发挥神经保护作用[38]。近年研究证明在缺血性脊髓损伤模型中A2 反应性星形胶质细胞具有促进突触形成、增强谷氨酸摄取的能力[7,39]。病理条件下，A1 型反应性星形胶质细胞表达丝氨酸消旋酶并释放D-丝氨酸，可能通过激活突触外NMDAR造成其神经毒性作用[40]。

8 A1/A2表型星形胶质细胞与神经系统疾病

已经在多种人类神经退行性疾病中检测到A1型星形胶质细胞。研究发现，老年小鼠体内A1 标记（Lipocalin-2 和C3）增加而A2 标记（BDNF 和GDNF）减少，伴随多巴胺能神经元损失，这可能解释了PD 的发生和发病机理[41]。星形胶质细胞中NF-κB 激活和补体C3 释放损害了与AD 相关的神经元形态和功能[42]。在星形胶质细胞中条件性敲除STAT3的小鼠模型显示出星形胶质细胞增生受抑制，并且在脊髓损伤后炎症浸润增加，受损区域扩大[43]。因此，与直接使用星形胶质细胞抑制剂相比，对A1反应性星形胶质细胞的特异性抑制可能代表了一种潜在的治疗靶标，使对于中枢神经系统疾病的治疗更准确、副作用更少。最新的研究发现在AD 的进展过程中，反应性星形胶质细胞呈现连续动态的基因表达变化，形成一组与疾病相关的星形胶质细胞（disease-associated astrocytes，DAAs）,表现为GFAP表达水平升高、炎症和毒性化合物反应相关基因增多。同疾病相关的小胶质细胞（disease-associated microglias，DAMs）类似，DAAs在AD疾病发生的初始阶段即出现基因的改变，DAAs和DAMs 具有多个共同的上调基因，这些变化参与AD 的发生发展。DAAs的动态反应可能涉及微环境因素以及微环境中存在的各种细胞（包括小胶质细胞）之间的相互作用[44]。进一步的研究需要充分了解DAAs 的作用，并确定这种DAAs 星形胶质细胞状态是普遍的还是与淀粉样蛋白相关的。破译DAAs随着疾病进展的不同活性，增强它们的有益作用，同时抑制这些细胞的负面特性，发现疾病治疗的新靶点。

9 总结和展望

星形胶质细胞的活化呈现显著的损伤性质依赖性和损伤时间依赖性，并在一定范围内做出适应性的改变[27]。A1星形胶质细胞分泌多种细胞因子、趋化因子和补体级联成分，表现出显著的神经毒性，不利于损伤后神经元、少突胶质细胞的存活，以及轴突延伸和功能重建。但这一反应可能会极大地增强免疫系统对细菌的清除，也可能会杀死受病毒感染的神经元，以防止病毒的传播[6,7]。A2星形胶质细胞增强吞噬清除能力、维持内环境稳态、上调神经营养因子以对抗神经元损伤并促进再生，起神经保护作用[6]。但过度的促增殖内环境会诱发胶质瘤的生成。但总的来说，抑制A1、逆转A1 和促进A2 将会使各种急慢性中枢神经系统损伤患者获益，具有巨大的研究潜力。

反应性星形胶质细胞的激活不是简单的有或无的现象，而是一个精细的连续变化过程，由特定信号事件调节，以环境依赖的方式发生[45]。A1/A2表型星形胶质细胞的发现可以很好地解释反应性星形胶质细胞在中枢神经损伤和疾病中的双重作用。反应性星形胶质细胞活化状态的时空差异性为中枢神经系统疾病提供了治疗靶点，在时间和空间层面对反应性星胶表型的精准调控具有重要的研究潜力。反应性星形胶质细胞表型及其在中枢神经损伤与修复中更多未知的功能和意义，需要我们更进一步地研究探索。