P2Y受体介导星形胶质细胞在中枢神经系统疾病中作用机制的研究进展

王雅明, 牛翻燕, 岳雅蓉, 付琨燕, 王云霞, 薛 慧综述, 项文平审校

星形胶质细胞是中枢神经系统(central nervous system,CNS)中数量最丰富的胶质细胞[1],除了在人体健康中发挥着免疫应答、滋养支持神经细胞、维持血脑屏障、促进髓鞘及突触形成以及保持内环境的稳态等重要神经系统保护作用外[2],有研究发现星形胶质细胞在一些条件下会释放炎症因子如白细胞介素-1α、肿瘤坏死因子、IL-6等加剧炎性反应,导致神经毒性作用损害机体功能,诱导疾病的发生发展[3],因此星形胶质细胞对神经系统是把双刃剑。我们有必要去探索在何种条件下其产生何种作用。以往研究已报道P2Y受体表达在众多胶质细胞膜上,它可以介导星形胶质细胞激活,引起下游的一系列反应。近年来在中枢神经系统疾病中该通路有越来越多的人进行深入研究,如一氧化碳中毒迟发性脑病、帕金森病、阿尔兹海默病、癫痫等,因此为了更好深入研究该通路的作用机制,特写此篇综述,为接下来的研究奠定基础。

1 G蛋白偶联代谢型(P2Y)受体

三磷酸腺苷(ATP)是一种能量物质,可以储能和供能,通过作用于嘌呤受体去激活体内不同细胞信号转导通路去执行不同的功能,嘌呤受体包括两种分别为配体门控离子通道型(P2X)和G蛋白偶联代谢型(P2Y),目前在哺乳动物体内已知P2Y受体共有8种亚型含有亚组(P2Y1、P2Y2、P2Y4、P2Y6和P211)和(P2Y12、P2Y13和P2Y14),可以介导生理学和病理生理学如炎症和神经性疼痛[4,5],一般来说,不同亚型的P2Y受体在细胞中表现出不同的分布和功能。当P2Y受体被激活,往往是由于机体稳态受到损伤,启动该条通路去维持平衡。目前有众多学者采用P2Y受体的拮抗剂或激活剂去研究其治疗潜能[6]。嘌呤能信号似乎在神经变性、神经保护和神经再生中发挥重要作用,目前已明确细胞外核苷酸是细胞间通讯的信号分子,尤其是在中枢神经系统中,同时P2Y受体参与了神经元和星形胶质细胞之间的相互作用,因此可预见P2Y受体所介导的信号通路具有潜在的研究价值[7]。

2 星形胶质细胞

星形胶质细胞在中枢神经系统中起着十分重要的作用,如神经退行性疾病包括肌萎缩侧索硬化(amyotrophic lateral sclerosis,ALS)、阿尔茨海默病(Alzheimer′s disease,AD)和帕金森病(Parkinson disease,PD),还有脑缺血相关疾病,它可以调控神经系统的发育、脑的物质代谢和血流。在正常生理情况下,正常健康的星形胶质细胞会保护神经元,避免氧化应激和兴奋性毒性;当机体受到损害时,幼稚的星形胶质细胞会先分化成反应性星形胶质细胞,而后会变成疤痕胶质细胞[8]。这里值得一提的是在不同疾病中由于基因表达不同反应性星形胶质细胞又分为A1和A2型两种表型[9]。有学者提出A1型会分泌出许多趋化因子、补体、炎症因子等神经毒性介质,损害中枢神经系统中的神经元恢复与突触重建,但同时也有可能抵御外来病毒的侵袭;而A2型往往会上调神经营养因子、可以增强细胞清除和吞噬的能力,能够帮助中枢神经系统维持稳态,促进神经元的修复再生[10]。由于两种表型的存在,我们有理由认为正是由于A1和A2的作用不同,所以星形胶质细胞的在机体中所产生的影响也会是两面性的。目前已有众多研究已表明反应性星形胶质细胞具有双重作用,它的活化水平具有一定的损伤性质依赖性和损伤时间依赖性,会在适当范围内进行相应改变。

3 星形胶质细胞生理学中的P2Y受体

P2Y受体的所有亚型在大脑中的星形胶质细胞上均有表达,P2Y1和P2Y2受体是主要角色,因为它们的刺激诱导细胞内钙动员并激活与细胞骨架重组相关的信号级联等[11]。其中P2Y1亚型已被发现在嗅球、海马、皮质、小脑、伏隔核和脊髓的星形胶质细胞中表达较多,其它亚型则相对较少[12]。星形胶质细胞已被证明通过释放ATP、谷氨酸、d-丝氨酸和GABA等胶质递质显著促进神经元信息处理[13]。P2Y受体激活星形胶质细胞参与了发育、代谢、细胞间通信的许多生理过程,并被证明可以介导Ca2+信号。Ca2+信号通路目前已成为星形胶质细胞中研究最广泛的信号通路[14]。该信号通路过程为神经元释放ATP刺激星形胶质细胞中的P2Y受体,打开内质网的IP3受体,导致Ca2+释放到细胞质中导致胞质Ca2+信号上调[15]。

4 星形胶质细胞病理学中的P2Y受体

星形胶质细胞在维持大脑稳态中发挥了重要的功能。因此,星形胶质细胞功能障碍将导致神经元功能受损,在神经炎症和神经退行性变过程中,某些情况下,星形胶质细胞可能是神经疾病的原因[16,17]。星形胶质细胞在AD、帕金森病、亨廷顿病、卒中、癫痫、神经性疼痛和精神分裂症中发挥关键作用,P2Y受体已被证实参与这些疾病,如癫痫、神经退行性疾病和卒中等。

4.1 神经炎症 神经炎症是由创伤性脑损伤、感染、兴奋性毒性或自身免疫引起的神经系统的炎症性免疫反应。由受损细胞和活化的免疫细胞释放的ATP作为危险信号[18],星形胶质细胞受到ATP的激活转化为反应性星形胶质细胞[19]。有研究报道星形胶质细胞的转化受P2Y受体介导,由缺血条件下释放的ATP刺激P2Y1受体激活JAK2-STAT3信号通路,导致GFAP和GDNF的产生[20]。在卒中的动物模型中,使用P2Y1受体阻断剂可以减少梗死体积[21]。因此目前有研究者认为P2Y1可以介导星形胶质细胞起到促炎作用,这些促炎因子包括IL-6、TNF-α和趋化因子CCL2等。然而有人发现在氧化应激过程中,刺激P2Y1受体激活星形胶质细胞产生IL-6起到神经保护的作用[22]。因此P2Y受体介导星形胶质细胞在神经炎症的病理过程中具有双重作用,存在一定争议。

4.2 重度抑郁症 星形胶质细胞嘌呤能系统的功能障碍似乎参与了重度抑郁症(major depressive disorder,MDD)的病理生理过程。星形胶质细胞具有嘌呤能受体,如腺苷A2A受体(Rs)和P2X7、P2Y1和P2Y11,它们介导神经炎症、神经胶质细胞传递和大脑抑郁相关区域的突触可塑性。在MDD患者的前额叶皮质中,胶质纤维酸性蛋白(GFAP)的表达,即星形细胞的标记物,低于心理健康的人类[23]。此外,MDD患者星形胶质细胞密度的降低比神经元更明显,提示星形胶质细胞可能在MDD发病中起关键作用[24]。有学者提出P2Y受体缺失时小鼠FST的静止时间会有减少[25],此外,当社会隔离时,与GFAP阳性星形胶质细胞共定位的P2Y1受体的表达增加,从而导致抑郁样状态的发展,侧脑室内注射选择性P2Y1受体拮抗剂MRS2179挽救了这种病理行为[26]。星形胶质细胞嘌呤能系统似乎通过多种机制参与了抑郁症的病理生理学,靶向星形胶质细胞来维持其稳态功能可能是治疗MDD的一种潜在策略[27]。

4.3 癫痫发作 在癫痫患者和癫痫动物模型中发现星形胶质细胞的表达上调,有许多学认为其是癫痫的潜在发病机制[28,29]。因为嘌呤能信号通过星形胶质细胞传递,所以研究发现P2Y受体对癫痫发作的严重程度也产生了显著影响[30,31]。在患有局灶性皮质发育不全的癫痫患者的脑样本中,免疫印迹检测提示GFAP阳性的细胞上P2Y1、P2Y2和P2Y4免疫反应性增加[32]。一些研究表明P2Y1在癫痫发病中的重要性,将癫痫患者术后的脑组织切片给予P2Y1受体的拮抗剂后其异常放电的频率显著下降,证明P2Y1受体激活可能导致癫痫的发作[33]。然而也有学者在小鼠的癫痫模型中发现P2Y1受体主要是通过介导小胶质细胞而发挥作用的,因此需要进一步深入研究去揭示P2Y1受体在癫痫中的具体发病机制[34]。

4.4 AD和神经退行性病变 神经退行性病变的特征性表现为神经元逐渐减少,最常见的神经退行性病变有PD、AD、路易体痴呆、肌萎缩侧索硬化等。这些疾病中星形胶质细胞发挥了至关重要的作用,在神经退行性环境中,星形胶质细胞转化为反应性星形胶质细胞增生的形态学和功能状态,其特征为细胞肥大、胶质纤维酸性蛋白(GFAP)表达增加和离子通道、受体和转运体的失调,包括嘌呤能信号传导异常[35～38]。神经炎症已被认为是AD患者大脑的一个突出特征,其可以调节疾病的进展,此外Ca2+稳态失调是AD发病机制中涉及到早期的因素,越来越多的证据支持Ca2+参与神经变性相关炎症过程的机制[39]。嘌呤能信号通路在AD 和PD中也已被证实参与了发病过程且具有重要意义[40]。AD发病机制涉及淀粉样蛋白β肽(Aβ) 的异常积累和ATP等危险信号的增加,ATP可以直接或间接触发细胞内的Ca2+上调引起星形胶质细胞反应,其膜表面P2Y1的受体蛋白质表达水平也增加[41]。Reichenbach等在AD小鼠动物模型中发现使用P2Y1受体抑制剂慢性输注到脑室内使星形胶质细胞和神经元网络功能障碍正常化,通过体内双光子显微镜测量显示突触结构的完整性增强,并保持海马长时程增强,认为通过P2Y1受体抑制剂可以恢复网络稳态是AD治疗的新靶点[42]。网络活动和功能连接的功能障碍是AD的早期事件,Disha等在 AppNL-F 小鼠中发现了早期扣带回FC破坏和神经元活动过度,这些网络中断伴随着星形胶质细胞钙信号传导的减少,恢复星形胶质细胞的钙信号后使功能趋向正常化[43]。目前许多学者将焦点聚集到AD早期发病机制与星形胶质细胞的关联,或许这可能是不同研究得到不同结果的原因。

4.5 神经性疼痛 神经性疼痛一般包括外周神经性疼痛和中枢神经性疼痛,其中最大的区别是神经损伤或疾病的位置,周围神经性疼痛(peripheral neuropathic pain,PNP)包括几种情况:三叉神经神经性疼痛、疱疹后神经痛(postherpetic neuralgia,PHN)、疼痛性糖尿病神经病变(painful diabetic neuropathy,PDN)、人类免疫缺陷病毒(HIV)神经病变和创伤后神经痛;CNP上最常见的损伤机制有:创伤性脑损伤、脑血管损伤、脊髓损伤[44]。P2Y1、2、6、12、13受体的异常表达水平是外周神经性疼痛的标志[45]。大部分研究讲述的是小胶质细胞与P2Y受体在相应神经性疼痛的作用[46,47],而关于星形胶质细胞与P2Y受体在神经性疼痛相关的报道则较少,这可能是由于活化的小胶质细胞分泌许多促炎因子包括IL1β、IL-6和TNF-α,这被认为有助于神经损伤诱导的神经性疼痛[48]。目前星形胶质细胞越来越受到疼痛研究人员的关注,靶向星形胶质细胞的抑制剂被认为是治疗神经性疼痛的有前途的药物[49]。Ruili 等研究得出结论蛇床子素通过脊髓星形胶质细胞中的 P2Y1 受体依赖性 JNK 信号通路减轻小鼠的神经性疼痛[50]。神经性疼痛严重影响患者的生活质量,给国家带来极大的经济负担[51],所以需要有更多的学者进行相关研究,减轻患者疾苦。

4.6 缺血性脑卒中 中枢神经系统缺血后,由于细胞损伤和随后的膜通透性增加,细胞外ATP可达到高浓度,ATP可能导致细胞变性和死亡,由P2X和P2Y受体介导。有证据表明,星形胶质细胞对脑灌注压的降低非常敏感,可能起到颅内压力感受器的作用,调节以监测脑血流[52]。同时兴奋性毒性是卒中期间急性损伤的主要机制,星形胶质细胞释放神经递质,对神经元产生一定效应,其中一种主要的神经递质是谷氨酸,它可以作为绝大多数神经元的兴奋性递质,在许多病理学中发现,长期高浓度的谷氨酸刺激神经元,会导致兴奋性毒性使受体过度激活、离子破坏、细胞肿胀、细胞毒性 Ca2+升高和膜去极化,并被认为是卒中、癫痫和一些神经退行性疾病中神经元丢失的主要原因之一[53]。Alexandra等研究发现在永久性大脑中动脉闭塞(MCAO) 缺血大鼠动物模型中用PPADS早期抑制P2Y受体可能有利于维持或早期重建梗死周围区域的神经元连接[54]。Philipp等也发现使用P2Y受体阻滞剂在缺血模型中可以保护神经元和星形胶质细胞,减少了梗死面积[55]。这些研究证明了P2Y受体拮抗剂的有益作用,此外,P2Y1受体(脑组织中最丰富的P2Y受体亚型之一)的拮抗剂可减少创伤性脑损伤(Traumatic brain injury,TBI)后大鼠的神经元丢失并改善空间记忆[56]。所有这些研究都认为P2Y介导的星形胶质细胞可以作为卒中的切入点,为临床治疗提供更多策略。

5 结 论

在神经元活动期间或病理生理情况下从神经元和星形胶质细胞释放的ATP能够激活P2Y受体去调节细胞的兴奋性、突触强度和可塑性去影响神经元回路中的信息传导,对中枢神经起着神经保护或损害的双重作用。越来越多的证据表明P2Y受体可以介导星形胶质细胞引起Ca2+激活加剧或减轻神经炎症和退行性疾病,该领域的知识在不断扩展,因此星形胶质细胞和P2Y受体应改成为这些疾病的药物靶点,去进一步深入研究,为临床治疗提供更多理论依据。