星形胶质细胞与脑水肿

作者：张新宇，孙晓川作者单位：重庆医科大学附属第一医院神经外科，重庆 400016  【摘要】  在中枢神经系统中，星形胶质细胞（AS）的数量远远超过神经元，它在生理和病理下均发挥极其重要的作用。星形胶质细胞通过多种途径影响脑水肿的发生、发展以及消退。 【关键词】  星形胶质细胞;脑水肿　　Astrocyte and brain edema　　ZHANG Xinyu,SUN Xiaochuan　　（Department of Neurosurgery,First Affiliated Hospital of Chongqing Medical University,Chongqing  400016,China)　　Abstract:  Astrocytes are significantly more numerous than neurons in the CNS.Astrocytes play a crucial role in both physiological and pathological conditions.Astrocytes are involved in regulating the development,deterioration and resolution of brain edema through many factors.    　　Key words:astrocyte;brain edema    　　脑水肿是中枢神经系统对脑外伤、脑卒中、脑肿瘤等脑损害产生的一种组织病理学反应，可导致脑容积扩大、颅内压增高、脑疝、甚至死亡，危害严重。因此，很有必要深入探讨脑水肿的机制。星形胶质细胞（astrocytes,AS）是中枢神经系统数量最多的细胞,它对脑水肿有重要影响。超微结构显示，在脑水肿早期主要表现为AS肿胀，它可能是脑水肿发生发展过程中的一个重要因素。本文重点对AS在脑水肿中的作用综述如下。

　　1  星形胶质细胞一般生物学特性    　　在中枢神经系统中，神经胶质细胞的数量是神经元的10～50倍，体积约占脑组织的一半，其中大部分由AS组成。AS在胶质细胞中体积最大，呈星状。根据突起的不同将AS分为原浆性星形胶质细胞和纤维性星形胶质细胞。前者主要分布于脑脊髓皮质内，突起较短，与神经元的胞体、树突，尤其是突触区关系密切；后者主要分布在脑脊髓白质内，突起细长，散布在神经纤维束之间。AS有些突起以终足的形式附在毛细血管壁的基膜上，参与构成血脑屏障(bloodbrain barrier,BBB)或附在软脑膜内表面构成胶质界膜。AS与神经元之间存在复杂的相互作用，它们有广泛的缝隙连接，可以使细胞间相互传递一些离子、单糖、氨基酸、维生素以及激素等。近年随着膜片钳及分子生物学技术的应用,人们发现AS胞膜上不仅存在电压依赖性Na+、K+及Ca2+通道，而且分布着许多神经递质、神经肽、激素及神经营养因子的受体，并能合成及分泌多种神经活性物质，在内环境的维持、免疫调节、神经元的生存和迁移、轴突生长等方面具有重要作用［1，2］。

　　2  星形胶质细胞与脑水肿

　　2.1  脑水肿概述  脑水肿分为血管源性、细胞毒性、渗透性和间质性脑水肿4型，临床上以前两者常见，且多数情况二者混合存在。脑水肿早期主要表现为：AS的胞体及其突起肿胀，内质网肿大，线粒体改变，胞核、胞膜破坏；BBB通透性明显增加，血管周围和细胞周围间隙扩大；髓鞘肿胀、排列紊乱。晚期主要表现为：神经细胞轴索解离、破碎，胞体水肿、退变以及白质萎缩。

　　2.2  星形胶质细胞参与血脑屏障的诱导维持  目前认为BBB的功能与结构损害是血管源性脑水肿的病理基础。BBB主要由毛细血管内皮细胞、基膜和毛细血管周围的AS足突组成。毛细血管内皮细胞及其间的紧密连接是BBB的基本结构。在脑实质细胞中,AS和毛细血管内皮细胞的关系密切。Janzer等［3］将鼠胚胎脑中的AS分离后移入鼠的眼前房中,移植的AS在眼前房的虹膜上聚集、生长。虹膜中无BBB特性的毛细血管长入移植物中,并且表达了BBB的特性。将鼠胚脑AS移植到鸡胚尿囊绒毛膜上(其血管也无BBB特性),实验结果相似，而用鼠胚胎脑膜细胞移植则不具有此变化。Hayashi等［4］将AS和脑内皮细胞在体外共同培养，诱导出BBB的特性，从而在体外建立了BBB共培养体系。脑血管内皮细胞对缺血缺氧非常敏感，而AS对缺血缺氧有较强的耐受性，因为它有无氧酵解能力，并且具有很高的抗氧化活性。在AS与内皮细胞共培养体系中，发现内皮细胞对缺氧的耐受性明显增强。AS通过上调内皮细胞上的紧密连接蛋白、转运蛋白和屏障标志酶的活性，发挥诱导维持BBB的作用［5］。它可能在血管源性脑水肿的发生、发展以及消退中起重要作用。

2.3  星形胶质细胞与水通道蛋白4关系密切  水通道蛋白(aquaporins，AQPs)是近年来发现的一组与水通透有关的细胞膜转运蛋白，它们广泛分布于动物、植物及微生物的细胞膜上，是影响水跨膜转运和调节细胞内外环境平衡的主要膜蛋白。AQP4在成熟脑中的含量最高，对脑组织水的转运和平衡调节发挥重要作用，与脑水肿关系密切。它是一种双向水转运通道，不仅是水进入脑组织的主要通路，也是水排出脑组织的主要通路，对脑内多余水分的清除起重要作用［6］。AQP4主要分布在AS上。原位杂交显示，AQP4在朝向血管面与软脑膜面的AS和室管膜细胞区呈高表达,在神经元上未发现有表达［7］。离体实验显示，AQP4仅在脑的星形胶质细胞有表达［8］。Rash等［9］用冷冻断裂法研究证实AQP4可能是AS胞膜的组成部分。在缺乏α抗肌营养不良相关蛋白（αsyntrophin）的老鼠中，发现血管周围AS终足上的AQP4表达明显降低。Bragg等［10］在实验中证明αsyntrophin是AQP4锚钉在AS膜上的主要骨架蛋白。AS可能通过AQP4参与调节脑组织水分的平衡。

　　2.4  AS参与维持中枢神经系统内环境稳定

　　2.4.1  参与葡萄糖代谢  细胞能量代谢障碍是细胞毒性脑水肿发生的基础。葡萄糖是脑组织能量的主要来源，但它不能直接进入神经元为其所利用。在脑组织中AS的终足上含有大量的葡萄糖转运蛋白，几乎完全覆盖了毛细血管壁。正常情况下血液中葡萄糖通过葡萄糖转运蛋白进入AS，被酵解生成乳酸，并最终以乳酸的形式进入神经元为其所利用。AS在葡萄糖的利用过程中，不仅起到了传递的作用，还将葡萄糖降解成神经元易于吸收利用的形式。此外，AS是脑内糖原的主要贮存部位，当大脑缺乏葡萄糖的直接来源时，AS中的糖原可作为能量物质为中枢神经系统供能［11］。因此，脑损伤时，若AS大量受损，神经元将产生严重的能量代谢障碍，进一步产生细胞水肿。

　　2.4.2  缓冲细胞外钾离子  在中枢神经系统中，K+和水的平衡密切相关。AS使细胞外K+维持在一个恒定的水平，这种能力被称作“钾的空间缓冲作用”［12］。AS间通过广泛的缝隙连接彼此连在一起，形成一个功能合胞体，使K+在细胞间迅速弥散、再分布。正常情况下细胞外K+浓度波动在2.5～3.5mmol/L之间，脑损伤后细胞外K+浓度升高至50～80mmol/L。AS通过细胞间广泛的紧密连接、Na+/K+泵的活动（伴随能量产生的过程）和终足的虹吸作用，缓冲脑损伤引起的细胞外高钾［13］。研究显示K+的虹吸作用和水的转运是分别由胞膜上特定区域的内向整流性钾通道（inwardly fectifying K+ channe 14.1,Kir4.1)和AQP4介导的［11］。Kir4.1和AQP4以高度极化的形式共同表达于血管周围AS的终足上，提示Kir4.1与AQP4在功能上具有相关性，共同维持着渗透平衡。Puwarawuttipanit等［14］通过敲除肌营养不良蛋白基因研究它们的相关性，发现Kir4.1和AQP4不是以αsyntrophin蛋白共同锚钉在AS胞膜上，而是可能通过其它途径联系在一起的。此外，实验中发现AS通过摄取胞外过量的K+，参与渗透压的调节过程［11］。脑损伤后AS结构和功能受损，引起脑组织微环境水和电解质失衡，进一步加重脑水肿。

　　2.4.3  转运细胞外谷氨酸  谷氨酸是一种重要的兴奋性神经递质，也是一种重要的神经毒素。谷氨酸受体在继发性颅脑损伤发病机制中起十分重要的作用。在脑外伤、脑缺血时，细胞外谷氨酸水平显著增高，而谷氨酸增高的后果之一就是引起细胞水肿［15］。AS的一个主要的功能就是使细胞外谷氨酸的浓度维持在一个较低水平。谷氨酸的高亲和转运体GLT1和GLAST1大量分布于AS的突起上,并在谷氨酸的清除中起主要作用［16］。神经元释放谷氨酸后，AS通过高亲和转运体迅速回收，使它不在突触间隙内积聚，从而及时终止谷氨酸的神经递质作用，保障突触前后信息顺利传递。经过AS代谢，谷氨酸又转变成神经元可重新利用的递质前体物质谷氨酰胺,从而使这种有毒物质在脑内维持较低水平［11］。因此，AS在由谷氨酸引起细胞水肿的消退过程中可能起重要作用。

2.5  星形胶质细胞具有抗氧化作用  目前认为，氧自由基是引起细胞结构损伤和BBB破坏，导致细胞毒性脑水肿和血管源性脑水肿的重要原因。多种类型的氧自由基清除剂能够有效地减轻脑水肿充分证明了这一点。研究表明AS比神经元含有更多的维生素E、维生素C、超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽等还原性物质，比神经元具有更强的清除自由基的能力［17］。AS通过释放维生素C、摄取其氧化产物脱氢抗坏血酸，维持神经元的抗氧化状态。此外，AS内的谷胱甘肽可以下调氧化亚氮［18］。它在细胞膜和BBB完整性的维持中起重要作用。

　　2.6  AS具有免疫调节和吞噬作用  血管源性脑水肿的消退除了取决于BBB的修复，还取决于细胞间隙中大分子物质的清除。AS在中枢神经系统免疫调节中起重要作用，实验表明AS可以增加巨噬细胞和小胶质细胞吞噬髓磷脂，诱导小胶质细胞分化。AS膜上的MHCⅡ和B7分子，将抗原提呈给CD4、CD8 T细胞，促进T细胞增殖［19］。此外，AS膜上分布一种清除剂受体，通过此受体直接可以吞噬某些大分子物质，降低细胞外渗透压，减轻血管源性脑水肿［20］。

　　3  结语    　　在中枢神经系统中，AS是数量最多的一类细胞，研究显示在脑损伤早期就可引起AS水肿，它给神经元提供结构、营养和代谢的支持，参与水和离子转运，Glu的摄取和释放，自由基的清除，以及BBB的维持，并且能合成及分泌多种神经活性物质。AS的这些功能对脑水肿的发生、发展以及消退均有重要的影响。深入研究AS的结构和功能，能够帮助我们加深对脑水肿的认识，进一步指导临床治疗。

【参考文献】  　　［1］Sharma G,Vijayaraghavan S.Nicotinic cholinergic signaling in hippocampal astrocytes involves calciuminduced calcium release from intracellular stores［J］.Proc Natl Acad Sci USA,2001,98(7):3631-3632.

　　［2］Emsley JG,Arlotta P,Macklis JD.Starcross'd neurons: astroglial effects on neural repair in the adult mammalian CNS［J］.Trends Neurosci,2004,27(5):238-240.

　　［3］Janzer RC,Raff MC.Astrocytes induce bloodbrain barrier properties in endothelial cells［J］.Nature,1987,325(6101): 253-257.

　　［4］Hayashi Y,Nomura M,Yamagishi S,et al.Induction of various bloodbrain barrier properties in nonneural endothelial cells by close apposition to cocultured astrocytes［J］.Glia,1997,19(1):13-26.

　　［5］Kim JH,Kim JH,Park JA,et al.Bloodneural barrier: intercellular communication at gliovascular interface［J］.J Biochem Mol Biol,2006,31,39(4):339-345.

　　［6］Papadopoulos MC,Manley GT,Krishna S,et al.Aquaporin4 facilitates reabsorption of excess fluid in vasogenic brain edema［J］.FASEB J,2004,18(11):1291-1293.

　　［7］Bloch O,Papadopoulos MC,Manley GT,et al.Aquaporin4 gene deletion in mice increases focal edema associated with staphylococcal brain abscess［J］.J Neurochem,2005,95(1):254-262.

　　［8］Yamamoto N,Yoneda K,Asai K,et al.Alterations in the expression of the AQP family in cultured rat astrocytes during hypoxia and reoxygenation［J］.Brain Res Mol Brain Res,2001, 90(1):26-38.

　　［9］Rash JE,Yasumura T,Hudson CS,et al.Direct immunogold labeling of aquaporin4 in square arrays of astrocyte and ependymocyte plasma membranes in rat brain and spinal cord［J］.Proc Natl Acad Sci USA,1998,95(20):11981-11986.

　　［10］Bragg AD,AmiryMoghaddam M,Ottersen OP,et al.Assembly of a perivascular astrocyte protein scaffold at the mammalian bloodbrain barrier is dependent on alphasyntrophin［J］.Glia,2006,53(8):879-890.

　［11］Simard M,Nedergaard M.The neurobiology of glia in the context of water and ion homeostasis［J］.Neuroscience,2004,129(4):877-896.

　　［12］Horio Y.Potassium channels of glial cells: distribution and function［J］.Jpn J Pharmacol,2001,87(1):1-6.

　　［13］Leis JA,Bekar LK,Walz W.Potassium homeostasis in the ischemic brain［J］.Glia,2005,50(4):407-416.

　　［14］Puwarawuttipanit W,Bragg AD,Frydenlund DS,et al.Differential effect of alphasyntrophin knockout on aquaporin4 and Kir4.1 expression in retinal macroglial cells in mice［J］.Neuroscience,2006,137(1):165-175.

　　［15］Han BC,Koh SB,Lee EY,et al.Regional difference of glutamateinduced swelling in cultured rat brain astrocytes［J］.Life Sci,2004,76(5):573-583.

　　［16］Rauen T,Taylor WR,Kuhlbrodt K,et al.Highaffinity glutamate transporters in the rat retina: a major role of the glial glutamate transporter GLAST1 in transmitter clearance［J］.Cell Tissue Res,1998,291(1):19-31.

　　［17］Wang XF,Cynader MS.Astrocytes provide cysteine to neurons by releasing glutathione［J］.J Neurochem,2000,74(4):1434-1442.

　　［18］Swanson RA,Ying W,Kauppinen TM.Astrocyte influences on ischemic neuronal death［J］.Curr Mol Med,2004,4(2):193-205.

　　［19］Andre R,Wheeler RD,Collins PD,et al.Identification of a truncated IL18R beta mRNA: a putative regulator of IL18 expressed in rat brain［J］.J Neuroimmunol,2003,145(1-2):40-45.

　　［20］Alarcon R,Fuenzalida C,Santibanez M,et al.Expression of scavenger receptors in glial cells. comparing the adhesion of astrocytes and microglia from neonatal rats to surfacebound betaamyloid［J］.J Biol Chem,2005,280(34):30406-30415.