星形胶质细胞演变及相关信号通路对脊髓损伤后胶质瘢痕调节作用的研究进展

潘志鹏，李思成，姚黎清

昆明医科大学第二附属医院康复医学部，昆明 650101

星形胶质细胞是一种哺乳动物中枢神经系统内最丰富且胞体最大的胶质细胞。星形胶质细胞呈现星形，从胞体发出许多精细的突起，在神经细胞的胞体及其突起之间形成间隙链接，起支持和分隔神经细胞的作用。星形胶质细胞以有序且组织良好的连续覆盖整个中枢神经系统，并在生理和病理条件下中枢神经系统中执行多种功能。脊髓损伤后，损伤局部微环境的改变激活星形胶质细胞的活化态，并最终形成胶质瘢痕。反应性星形胶质细胞的肥大、增殖、迁移和胶质生成涉及多个细胞间和细胞内信号传导机制，其触发和维持星形胶质细胞的反应性，并协调胶质瘢痕的形成。以往观点认为，瘢痕内的星形胶质细胞会分泌抑制轴突延伸的多种生长抑制分子，如硫酸软骨素蛋白多糖（GSPG）和信号素3A，阻止损伤或疾病后中枢神经系统的神经恢复［1］。然而，最近研究显示，反应性星形胶质细胞形成的瘢痕亦有助于中枢神经系统损伤脊髓的再生［2］。研究表明，脊髓损伤后相关信号通路触发并调节反应性星形胶质细胞和瘢痕形成［3］。星形胶质细胞随时间而演变的这些通路在脊髓损伤中起重要作用，但其具体机制尚不明确。现就星形胶质细胞演变及相关信号通路对脊髓损伤后胶质瘢痕调节作用的研究进展综述如下。

1 不同状态下星形胶质细胞的特点

正常状态下，星形胶质细胞源自脑室下区（SVZ）的神经干细胞（NSC），并沿放射状胶质突起迁移以填充中枢神经系统［4］。一旦迁移过程完成，星形胶质细胞就会分化为具有高度功能和区域专业化的亚群［5］。星形胶质细胞根据细胞形态和解剖位置的差异，主要分为原生型和纤维型两种亚型。原生型分布于灰质，其突起包裹着神经元的突触。纤维型分布于白质，其突起与神经元的郎飞结接触。这两种亚型的星形胶质细胞均与血管有广泛接触，并且均在相邻星形胶质细胞的远端突起之间形成间隙链接［6］。在健康的中枢神经系统组织中，星形胶质细胞维持细胞外液、离子、pH和递质稳态；形成血脑屏障，为神经元提供能量；调节局部血流；在突触发育和可塑性中发挥作用；对神经回路、神经功能和行为至关重要［7］。

在病理过程中，中枢神经系统损伤后的炎症、感染、缺血和创伤等损伤激活了星形胶质细胞的增生和肥大，通常将这种增生的细胞称为反应性星形胶质细胞。相较于非重叠域细枝状的星形胶质细胞，反应性胶质细胞会过度表达胶质纤维酸性蛋白（GFAP）、波形蛋白和巢蛋白［8］。在病理的中枢神经系统中，星形胶质细胞具有多种功能，包括调控神经营养因子的表达水平、清除损伤废物和死细胞、限制炎症的扩散和感染、修复血脊髓屏障和形成胶质瘢痕［9］。反应性星形胶质细胞主要表现为纤维型星形胶质细胞增生和过度延伸，向病变中心迁移并有助于组织修复过程，最终发展为胶质瘢痕［10］。

2 星形胶质细胞在脊髓损伤后的演变及对胶质瘢痕的影响

反应性星形胶质细胞参与调控脊髓损伤的生理和病理环境下的疾病进展，对脊髓损伤后的组织修复和功能修复至关重要。反应性星形胶质细胞的细胞形态、分子表达和功能方面在脊髓损伤中发生一系列潜在变化，这些变化体现在神经损伤区域的细胞间和细胞内的信号调控机制。这些信号调控机制是否有益尚未完全清楚。了解反应性星形胶质细胞的多维作用对于开发新型生物疗法以减少急性中枢神经系统损伤后以及神经退行性疾病中的中枢神经系统细胞损失和神经损伤具有巨大潜力。

2.1 反应性星形胶质细胞的激活、增殖、迁移 反应性星形胶质细胞的激活是星形胶质细胞过度生成以应对创伤后中枢神经损伤疾病的一种病理反应，该过程涉及其分子表达和形态的变化。反应性星形胶质细胞的变化不是一种全无或全有的现象，而是随着损伤强度和类型而渐进、连续的变化现象［11］。在脊髓损伤后的急性期，由于血脑屏障被破坏，组织发生肿胀，炎症反应增加（如小胶质细胞和各种细胞因子增加）和经典的信号通路激活，中枢神经系统通常会快速、局部诱导损伤部位及其周围反应性星形胶质细胞的增殖和迁移，从而导致其数量增加［12］。随着时间的推移，反应性胶质细胞呈现显著肥大和一定程度的增殖。这些显著的扩张导致星形胶质细胞域的破坏和组织扭曲。在严重的损伤中，星形胶质细胞重叠得更加密集［13］。值得注意的是，胶质细胞重叠域掺入了病变周围新增殖的细胞将受损区域与健康组织分开并限制了炎症细胞的扩散。

增殖是导致神经胶质瘢痕形成的中枢神经系统受损部位星形胶质细胞积累的另一个关键因素。在神经系统疾病中，神经干/祖细胞可转化为神经元和胶质细胞。近期研究证明，胶质瘢痕中的反应性星形胶质细胞来源于胶质祖细胞。NG2细胞可在脑损伤中分化为增殖的反应性星形胶质细胞，而室管膜细胞前体在脊髓损伤和中风等疾病中生成瘢痕形成星形胶质细胞［14］。

星形胶质细胞的FA 动力学对迁移至关重要。STAT3通过调节RhoA（肌动蛋白动力学的关键调节剂）的活性影响肌动蛋白产生的张力，进一步控制星形胶质细胞斑复合物（FA）的分子动力学［15］。FA 的分子动力学直接影响星形胶质细胞迁移和神经胶质瘢痕形成。STAT3-cKO 星形胶质细胞表现出较慢的FA动力学，削弱了星形胶质细胞的迁移［16］。在亚急性期，反应性胶质细胞迁移到病变中心，分离炎症细胞并修复病变区域以增强功能，并在病变半暗带开始形成星形胶质细胞瘢痕［17］。然而，星形胶质细胞在损伤时只进行适度增殖，并且这种增殖仅限于病变边缘的薄层。来自3D成像研究的测量表明，病变组织中星形胶质细胞的密度是正常组织的2～4倍［18］。

2.2 胶质瘢痕形成 胶质瘢痕是由反应性星形胶质性细胞增殖形成的致密屏障。肥大的反应性星形胶质细胞在结构上发生重组，形成网状缠绕的丝状过渡层，成为下行或上行轴突再生的主要物理屏障［19］，这种物理屏障将损伤区域的炎症与完整组织分离，并最大限度地减少中枢神经系统损伤后继发性损伤的程度。研究显示，瘢痕内的星形胶质细胞会分泌抑制轴突延伸的多种生长抑制分子，如硫酸软骨素蛋白多糖（GSPG）和信号素3A，它们会阻止损伤或疾病后中枢神经系统的神经恢复［20］。因此，有研究认为反应性星形胶质细胞形成的胶质瘢痕是SCI后轴突再生失败的主要原因［21］。最近研究显示，如果在CNS损伤后的早期消除星形胶质细胞增生，将会导致更大的病变面积和更差的功能结果［22］。随后研究报告表明，反应性星形胶质细胞形成的瘢痕会分泌神经生长因子，有助于中枢神经系统轴突再生［23］。总之，星形胶质细胞瘢痕形成对轴突再生有促进作用，但也存在抑制性作用。

2.3 胶质瘢痕成熟 SCI 2 周后，当瘢痕被最初源自室管膜细胞的星形细胞层包围且分隔在病变中心时，周细胞将其他类型的细胞吸引到病变区域。然后，由驻留星形胶质细胞自我复制产生的另一个星形胶质细胞层进一步围绕病变区域［24］。形成瘢痕的星形胶质细胞完成了它们的表型变化，不再将它们的过程垂直朝向病变核心，而是变得更加平行和相互重叠。因此，反应性胶质细胞失去原先的结构域并形成致密成熟的胶质瘢痕。炎症稳定后，对于特征性反应性胶质细胞，胶质瘢痕的形成还需要激活室管膜细胞、表达NG2+的神经胶质（包括OPC）、脑膜和血管来源的成纤维细胞、周细胞和损伤区域周围的巨噬细胞［25］。这些细胞中的一部分细胞有能力改变星形胶质细胞的表型并成为反应性星形胶质细胞，从而进一步促进胶质瘢痕的形成。

3 星形胶质细胞相关信号通路对脊髓损伤后胶质瘢痕的影响

反应性星形胶质细胞的肥大、增殖、迁移和胶质生成涉及多个细胞间和细胞内信号传导机制，其在时间上起作用以触发和维持星形胶质细胞的反应性，进而协调胶质瘢痕的形成。这些信号转导通路和受体在脊髓损伤后的胶质瘢痕形成中起关键作用。这些关键信号通路参与星形胶质细胞。星形胶质细胞通过一系列复杂的细胞内信号传导通路对多种细胞外信号分子做出反应，这些通路激活cAMP、MAP（微管相关蛋白）激酶、核因子 κB（NF-κB）、Janus 激酶信号转导器和激活剂转录（Jak-STATs）等［26］，其中最重要的是NF-κB和STAT3通路。

3.1 NF-κB 越来越多的证据表明，NF-κB 通路的激活导致中枢神经系统的病理变化，并且该通路的抑制有助于限制疾病进展［27］。NF-κB通路由中枢神经系统（CNS）中的几种因子刺激触发，其中最重要的是 Toll 样受体对释放的 DAMP 做出反应［28］、病原体相关分子模式和肿瘤坏死因子受体家族的成员，它们以各种特异性存在于中枢神经系统的所有细胞上。活化的NF-κB 进入细胞核，与靶基因启动子或增强子中的κB序列结合，促进大量靶基因释放炎症因子的表达，如 IL-1、TNF-α、IL-6、IL-8 和 ICAM-1。激活的细胞因子可增强NF-κB 表达，从而进一步提高细胞因子如 TNF-α、IL-6 和 IL-1 释放，形成级联放大效果，即SCI 后加重二次伤害［29］。研究显示，经典NF-κB 亚基 p65/p50 的活性模式在 SCI 后 3 d 和 28 d显示两个峰值［30］。肿瘤坏死因子-α（TNF-α）在受伤的脊髓中产生，其与TNFR1/TNFR2 结合，激活下游NF-κB 信号通路［31］。表达星形胶质细胞 NF-κB 抑制剂的转基因小鼠表现出改善的运动功能和减少的胶质瘢痕形成以及更好的白质保存和更小的病变尺寸［30］。

3.2 信号转导和转录激活因子3（STAT3） STAT3信号传导被认为是SCI 后星形细胞瘢痕形成的关键介质。STAT3 是由750～795 个氨基酸组成的一种DNA结合蛋白。它在多种组织和细胞中表达，与脊髓损伤的疾病进展有密切关系。作为JAK-STAT通路家族的一员，STAT3 在细胞行为中发挥关键作用。在中枢神经系统中，STAT3 主要分布在星形胶质细胞和神经元中，负责神经元增殖和分化及神经再生［32］。研究显示，星形胶质细胞激活和神经损伤引发的胶质瘢痕形成需要STAT3 通路的参与［33］。DAI等［34］观察到急性SCI可异常激活JAK2/STAT3通路，导致细胞凋亡的发生。有研究表明，STAT3 基因敲除小鼠在脊髓损伤后未能形成神经胶质瘢痕，导致广泛的病变和功能恢复不良，其原因是缺乏STAT3激活会导致星形胶质细胞不能迁移到病变部位并包含受损区域［35］。这导致炎症细胞在SCI 部位的流入加剧，进而有缺陷的神经胶质瘢痕、白细胞广泛浸润、脱髓鞘增强和挫伤性SCI 后神经元丢失增加。因此，STAT3 激活在星形胶质细胞中的作用及反应性星形胶质细胞增生在抑制白细胞浸润和减少脊髓损伤后初级组织损伤方面具有重要意义。

脊髓损伤后，一系列应激反应会诱导星形胶质细胞活化。反应性星形胶质细胞通常在形态和基因表达改变方面与正常条件下的星形胶质细胞不同，它们与细胞外基质成分结合在病变部位形成胶质瘢痕，受损区域的壁与邻近的健康组织形成。然而，胶质瘢痕作为一种物理和分子屏障，在脊髓损伤急性期可防止微生物感染和炎症反应的传播，慢性期又会阻碍患者的功能恢复。这种复杂性反映了星形胶质细胞与脊髓组织内相邻细胞的广泛相互作用。鉴于星形胶质细胞增生的多因素和时间性质，在脊髓损伤后不同时间点描绘反应性星形胶质细胞的演变以识别有效的治疗靶标至关重要。

综上所述，星形胶质细胞在健康状态下，发挥稳定内环境、形成血脑屏障和维持神经通路的作用。在发生脊髓损伤后，星形胶质细胞转化为反应性胶质细胞并发生激活、增殖和迁移，最终形成胶质瘢痕。NF-κB和STAT3是主要参与脊髓损伤后星形胶质细胞的演变过程的信号转导通路。这两条通路使得胶质瘢痕具有双重作用，早期通过限制炎症反应和分泌神经营养因子对脊髓修复有促进作用，中晚期形成边界和分泌神经抑制因子限制脊髓的修复。