反应性星形胶质细胞在脊髓损伤中的研究进展

李彦，白帆，荆瀛黎，于艳

脊髓损伤（spinal cord injury，SCI）是一种以脊髓长轴索被破坏为主并伴有功能障碍的神经系统疾病[1]。据估计，世界上SCI的年发病率为每100万人10.4～83例，平均每年有25万～50万人饱受SCI的困扰[2,3]。SCI的发病机制可分为2个阶段，直接由诱发事件引起的原发性损伤（创伤、缺血）和延迟性继发性损伤。与原发性损伤不同，继发性损伤是一个渐进的过程，表现为损伤处可见的囊性空腔、炎症[1,4]、氧化应激[5,6]和胶质瘢痕形成[7]等一系列复杂的病理过程。在损伤初期，反应性星形胶质细胞（astrocytes，AS）在抑制炎症反应和恢复稳态中有重要作用；但损伤后期，瘢痕内反应性AS增生对神经轴突的再生和组织修复形成物理及化学的双重障碍，不利于SCI的治疗和预后，是目前临床治疗中难以克服的问题。通过神经再生重建通路以及通过神经保护抑制继发性损伤是当前SCI治疗的两个主要策略。

AS是中枢神经系统（central nervous system，CNS）中数量最多的细胞，在维持稳态、突触可塑性的发展及神经保护中发挥重要作用[8,9]。AS在神经损伤、炎症、缺氧等情况下活化，活化的反应性AS具有神经毒性（A1）和神经保护（A2）的双重作用。反应性AS增生在SCI的病理进程中起到关键性作用，精准理解反应性AS有助于揭示SCI领域的潜在靶点和方向。本文主要围绕反应性AS及其不同表型在SCI后发挥的作用做一综述。

1 AS的生理功能

AS的概念最早在1856年由Virchow提出，是哺乳动物脑内分布最广泛的细胞类型，约占神经胶质细胞的50%，参与许多重要的生理和病理进程[8,9]；其伸展填充在神经细胞的胞体及突起之间，维持神经元结构，同时为神经元提供代谢和营养支持[8]。AS与毛细血管内皮细胞相互作用，参与组成血脑屏障，调节CNS组织内的血液流动[11]。正常组织中的AS持续表现出短暂的细胞内钙离子升高的生理激活，参与介导多种关键的生理功能[12]，包括诱导并参与控制神经元突触的形成、影响突触可塑性及参与神经回路的发育[11,13]，可以稳定细胞间通讯、维持离子稳态、防御氧化应激[6,14]等。此外，AS影响神经营养因子转录[15]，并在调控神经再生中起到重要的生物学作用。

2 反应性AS增生

反应性AS增生也称AS活化，激活状态的AS在反应性AS增生的过程中失去其正常的生理功能。受特定信号的调节，反应性AS增生是一种渐进的现象，表现为AS肥大、周围突起增多增大、胞质丰富、细胞增殖，中间丝蛋白如巢蛋白（nestin）、胶质纤维酸性蛋白（glial fibrillary acidic protein，GFAP）及波形蛋白的表达增加，细胞结构、能量代谢、膜转运蛋白、胞内信号转运蛋白及基因转录水平等改变，形成明显的胶质瘢痕及长期的组织改变[16,17]。反应性AS在损伤部位的激活和迁移提供了一种早期的防御机制，以减轻损伤的程度[18]。

Barres团队[19]在2012年报道了2种不同表型的反应性AS，一种为神经毒性反应型AS（A1），另一种为神经保护性反应型AS（A2）。炎症引起的损伤性变化，称为A1型AS，被认为是一种潜在的有害类型，可能是由激活的小胶质细胞诱导[20]；缺血诱导引起的恢复性变化，称为A2型AS，可以上调几种神经营养因子，可能是一种保护性类型。

由于反应性AS增生表型的多样性，通常将GFAP与s100b（calcium-binding protein B）作为反应性AS的标记物。肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）产生的补体C3（complement 3，C3）及补体成分1q（complement component 1q，C1q）是促进A1型AS的分化因子[20,21]，故作为A1型AS的标记物；而以GFAP与s100A10、Tgm1、CD109及Ptx3作为A2型AS的特异性标志物[22-24]。

3 反应性AS增生参与SCI后的病理过程

3.1 SCI后的主要病理过程

SCI激活驻留在损伤部位的AS和周细胞，并从外周招募浸润的成纤维细胞和巨噬细胞，导致损伤的脊髓出现持久的胶质（细胞）和纤维化（非细胞）瘢痕[25,26]。瘢痕壁的AS成分由几个关键过程形成，首先是炎症细胞因素驱动的AS从损伤中心向最外层边缘的快速迁移，其次是损伤区边缘的反应性AS增生，随后是中间丝蛋白的累积、胶质层重组[27]。损伤区周围的反应性AS增生严重影响SCI后神经修复的微环境，也决定了SCI的程度和预后。反应性AS对SCI反应的区域异质性，更提示反应性AS是一个能够有效促进SCI后组织保护和神经修复的潜在干预靶点。反应性AS可在损伤的脊髓中持续高表达2周[29]。SCI后2周及更长时间后，神经胶质瘢痕形成的AS完成其表型改变，神经胶质细胞瘢痕完全成熟[30]，其完整性提供了限制炎症扩散的关键屏障[31]，对稳态恢复、残余组织保护和免疫调节具有重要作用，有助于受损组织的修复和功能改善。在SCI晚期，损伤区周围过度的胶质瘢痕增生严重影响神经纤维的再生及损伤区内原始细胞的再生，不利于功能的恢复[32]。因此，正确认识反应性AS在SCI病理进展过程中担任的角色，对确定SCI后恢复运动和感觉功能的治疗策略有着重要的意义。

3.2 反应性AS介导的胶质瘢痕在SCI后的消极作用

瘢痕内的反应性AS分泌生长抑制分子，如信号素3A，可以阻止CNS的神经恢复[33,34]。胶质瘢痕形成后，硫酸软骨素蛋白聚糖（chondroitin sulfate proteoglycans，CSPGs）在反应性AS中大量表达，故CSPGs被认为是SCI后轴突再生的主要抑制剂[35]，其将生长锥转化为过度粘附的营养不良状态[36]，从而抑制轴突的再生；而抑制CSPGs的形成可促进轴突再生，进而促进脊髓功能的恢复[37]。虽然在SCI后早期，反应性AS是产生CSPGs的主要来源[31]；选择性消融AS后，损伤区域充满了GFAP-/CSPG+的细胞，证实其并不是SCI后CSPG占主导的产生者[38]。在SCI的小鼠模型中，在损伤区内注射抗整合素β1抗体（against integrin β1，anti-β1）以阻止胶质瘢痕的形成，可以显著改善轴突再生和功能恢复[39]。应用褪黑素作用于炎症细胞因子，可以抑制SCI后的瘢痕形成[40]。以生物材料为基础的组织工程学的应用，抑制SCI后反应性AS的增殖，进而促进轴突再生[41]。

3.3 反应性AS介导的胶质瘢痕在SCI后的积极作用

反应性AS增生是SCI急性期恢复CNS内部稳态所需的一种生理反应[14]。Anderson等[38]报道，AS瘢痕的形成可以作为促进再生的必要通路，有助于而不是阻止CNS轴突的再生。边界形成的反应性AS增生有助于将坏死的病灶组织与正常组织分离，并恢复血脑屏障，防止继发性损伤引起的炎症反应的潜在加重、细胞死亡及组织的进一步损伤[42]。反应性AS有助于突触重塑和回路重组[42-44]；甚至许多科学家不再支持长期以来认为的反应性AS是CNS轴突再生失败的主要原因的观点[38,45,46]。YAP（Yes-associated protein）作为bFGF的下游，通过负调控CRM1介导的p27Kip1核分布，促进AS的增殖。SCI后，bFGF上调，通过RhoA途径诱导YAP的激活；而YAP条件敲除可显著抑制小鼠SCI后AS增殖，抑制胶质瘢痕形成，进而抑制轴突再生，影响行为功能的恢复，bFGF-RhoA-YAP-p27Kip1轴介导的神经胶质瘢痕形成可能是一种潜在的SCI治疗策略[47]。

4 反应性AS的不同表型对SCI修复的双重作用

炎症引起的A1型AS和缺血诱导引起的A2型AS[19]，这2种表型的反应性AS在SCI后的病理进展过程中起到双重作用，为治疗SCI提供了干预的时间窗。

4.1 A1型AS活化对SCI的影响

反应性AS增生在SCI的进展过程中是一个动态的反应[48]，对功能恢复存在有益或有害的影响[49]。SCI后1周，由LPS刺激的M1型小胶质细胞分泌的IL-1α、TNF-α和C1q诱导的A1型AS，其失去AS的原始功能，增加炎症细胞因子的分泌，引起神经毒性[20,24]；损伤区内A1型AS数量增多，特异性上调Notch信号通路及其下游基因的表达水平。γ分泌酶阻断剂（DAPT）通过阻断Notch通路抑制A1型AS的分化，缓解其引起的继发性损伤，如神经元凋亡和轴突损伤，这可能是通过Notch依赖释放促炎因子，与信号传感器和转录激活因子3（STAT3）相互作用，影响A1型AS的分化命运。因此，反应性AS的Notch通路可能成为SCI的有效治疗靶点。

NF-κB信号通路参与SCI后A1型AS的病理过程[50]。反应性AS的基因转录组分析表明，A1型AS上调许多基因（如补体级联基因），这些基因已被证明对突触具有破坏性[50]，且不能促进神经元的存活和生长[20]。间充质干细胞（mesenchymal stem cell，MSC）和间充质干细胞-外泌体（MSC-exos）可能通过抑制NF-κB p65的核转位，减少SCI诱导的A1型AS，并在SCI后发挥抗炎和神经保护作用[51]。热休克转录因子1（heat shock transcription factor 1，HSF1）抑制NF-κB的活性，进而抑制补体成分C3的表达，成为阻断SCI后A1型AS转化的潜在靶点[52]。

4.2 A2型AS活化对SCI的影响

SCI后2周，神经保护性A2型AS上调了许多神经营养因子，如转化生长因子β（transforming growth factor beta，TGFβ）、神经生长因子（nerve growth factor，NGF）、碱性成纤维细胞生长因子（basic fibroblast growth factor，bFGF）及血小板源性生长因子（platelet derived growth factor，PDGF）等[24]，促进神经元的存活和生长，以及促进血栓反应蛋白的表达，进而有利于突触修复[50]。A2型AS可通过产生抗炎细胞因子，如趋化因子样信号蛋白（Prokineticin-2，PK2）等，表现出神经保护功能[52,53]。Kisucka等[24]报道，SCI后期，在损伤节段以上A2型AS的表达是上调的，这为神经轴突的再生提供了良好的保护性微环境。

STAT3通路的激活通常有助于损伤修复和细胞存活[54]；而miR-21可能是一个调节AS活化的开关[55]。当miR-21表达下调时，A1型AS可以向A2型AS转化。相反，当miR-21表达上调时，A2型AS转化为A1型AS。受miR-21调控的A2型AS通过STAT3信号通路靶向Gpc6和胶质细胞源性神经营养因子（glial cell-derived neurotrophic factor，GDNF），促进突触形成和神经突生长[56]。SCI后，STAT3介导的增殖性瘢痕形成的AS的消融可引起损伤的进一步加剧，包括广泛的轴突变性[38]。STAT3信号通路可能通过抑制A1型AS的转化和促进A2型AS的转化发挥重要的神经保护功能。

虽然，反应性胶质细胞的不同亚型参与了SCI后的不同病理过程，有效增加A2/A1型AS的比例[57]可能是改善SCI后功能恢复的一种非常有效的治疗策略；但随着对反应性AS研究的深入，更多的科学家支持基于疾病模型的多参数多维度对反应性AS的功能评价和研究[58]。这也为进一步确定反应性AS在SCI后的修复治疗和干预靶点提供了新的思路和方向。

5 总结及展望

SCI是一种破坏性极大的CNS创伤性疾病[59]。SCI后，成体神经元再生能力较差，同时抑制性胶质微环境的存在，影响SCI后轴突再生和功能恢复。AS通过反应性星形胶质增生的过程参与SCI的病理过程，这已成为CNS病变的病理标志[22]。现有证据支持通过阻断某些通路可以减少瘢痕形成的假说，这为未来的SCI治疗提供了新的方向。SCI后，大多数反应性AS对损伤后病理微环境动态变化反应的可塑性[60]为干预和治疗SCI提供更多的可能性。此外，单一研究反应性AS在SCI修复中的作用是局限的，更需要结合损伤区及其周围的巨噬细胞、小胶质细胞、少突胶质细胞祖细胞、周细胞/纤维细胞、室管膜细胞和内皮细胞在SCI后的联合作用进行深入探讨[61]。因此，未来在SCI的研究中，应利用多重技术手段，结合多组学及单细胞测序等方法，精准详细解析反应性AS对于SCI治疗的重要意义。通过特异性启动子或病毒衣壳修饰，靶向调控反应性AS，抑制炎症反应，消除反应性AS的有害作用，增强其神经保护作用，最终促进SCI的功能恢复，提高SCI患者的生存质量。