外周組織膠質細胞發育與功能的研究進展

余悅 ,鄧灝 ,劉思忞 ,戚智慧 ,葉芷銘 ,劉夢潔 ,姚茂金

1廣州醫科大學附屬第一醫院/廣州呼吸健康研究院/呼吸疾病全國重點實驗室 廣州市,510120

2中山大學附屬第一醫院麻醉科 廣州市,510080

膠質細胞發揮運輸營養物質,回收神經遞質,支持和修復神經元等作用。雖然膠質細胞不直接參與神經沖動的產生和神經電活動的傳遞,但它們對維持神經元周圍局部微環境的穩定至關重要,為神經元發揮正常功能所依賴。研究發現膠質細胞參與調節突觸可塑性,影響學習記憶等多種重要的腦功能。膠質細胞與眾多神經系統疾病的發生發展有緊密的聯系,例如帕金森病,阿茲海默病等。越來越多的研究表明,靶向膠質細胞為治療神經系統疾病提供了新的策略。除大量研究證實中樞神經系統膠質細胞功能外,零星研究發現,外周腸膠質細胞可調節腸神經系統穩態、腸道蠕動、腸道干細胞穩態、形成大腸結腸遷移運動復合體[1],并通過與神經元和免疫細胞的互作促進腸自主神經可塑性進而調節腸免疫穩態。說明外周組織膠質細胞對器官發揮生理功能具有十分重要的作用,但其他外周組織的膠質細胞研究進展仍十分有限。因外周膠質細胞起源于外胚層,故本綜述將主要針對神經外胚層起源的膠質細胞的起源進行簡要回顧,并對參與其生理病理功能的細胞分子深入討論。

1 中樞膠質細胞

中樞膠質細胞廣泛分布于中樞神經系統(central nervous system,CNS),在CNS 中數量約是神經元的10 倍。CNS 膠質細胞主要包括星形膠質細胞、少突膠質細胞和穆勒膠質細胞。因小膠質細胞起源于中胚層[2],非神經外胚層起源,故在本綜述中不做討論。

1.1 起源

在第七天(embryonic day 7,E7),小鼠胚胎形成原腸胚并產生3 個胚層,至E8 發展為早期神經管。放射狀膠質細胞來自CNS 的神經上皮細胞,并在腦室下區(subventricular zone,SVZ) 通過不對稱分裂生成中間祖細胞(intermediate progenitar cell,IPCs),這些IPCs 能分化為神經元和不同膠質細胞[3]。星形膠質細胞起源于腦室區和SVZ 的祖細胞。E14 后,大部分放射狀膠質細胞逐漸失去增殖能力。約E15,初步的星形膠質細胞在大腦皮層中開始增多,為后續的皮層提供了主要的星形膠質細胞來源[4]。在整個中樞神經系統中,少突膠質細胞前體細胞 (oligodendrocyte precursor cells,OPCs) 一般來自胚胎的早期心室區 (ventricular zone,VZ) 的神經上皮細胞,但放射狀膠質細胞也可以產生OPCs。隨著胚胎發育,OPCs 分化并形成多種少突膠質細胞[5-7](圖1)。

圖1 中樞膠質細胞發生

1.2 星形膠質細胞

星形膠質細胞是CNS 最常見的膠質細胞,有纖維狀和原生質狀兩種。纖維狀主要分布在CNS白質,原生質狀主要在大腦灰質。這些細胞產生并釋放多種神經營養因子,如GDNF、BDNF 和NGF。GDNF 支持多巴胺能神經元和其他神經元的存活,BDNF 增強突觸可塑性并促進海馬體神經發生,NGF 維持膽堿能神經元的密度并保護神經元。

星形膠質細胞在血腦屏障(blood-brain barrier,BBB) 中起到關鍵作用,與其它細胞共同維持BBB 完整性[8]。它們通過釋放特定因子來維持血腦屏障的穩定性,確保有毒物質不能進入大腦,同時確保營養物質能進入大腦。但BBB 也限制了一些治療藥物進入大腦,影響治療效果。

星形膠質細胞與多種神經退行性疾病關系密切。載脂蛋白E (apolipoprotein E,ApoE) 是一個關鍵蛋白,主要由星形膠質細胞合成,APOE4 基因突變與阿爾茲海默癥風險增加相關[9-10]。蛛網膜下腔出血會損傷BBB,但星形膠質細胞可以幫助BBB 重建[11]。此外,星形膠質細胞在調節神經遞質和保護神經元免受傷害中也起到重要作用,例如它們攝取并轉化谷氨酸以供神經元再利用。星形膠質細胞的某些功能障礙與疾病(如癲癇) 有關[12]。此外,星形膠質細胞通過攝取和釋放特定化合物來抵抗氧化應激。

1.3 少突膠質細胞

少突膠質細胞在CNS 中形成髓鞘結構,助力電信號傳遞并保護神經元。在髓鞘生成高峰,這些細胞需要保持高代謝活性以生成髓鞘所需的多層脂質膜[13],而這增加了其對氧化性物質的敏感性[12]。少突膠質細胞可為神經元提供能量,通過轉運乳酸等能量底物。在成年小鼠中,它們也參與髓鞘的維護和再生。

肌萎縮側索硬化癥與少突膠質細胞損傷有緊密關聯,這種疾病因神經元喪失而導致肌無力等癥狀。當少突膠質細胞受損并凋亡,會引起小膠質細胞的聚集和活化。實驗研究顯示,星形膠質細胞在髓鞘再生時具有反應性,并與髓鞘恢復過程相關[14-15]?；罨哪z質細胞會釋放促炎因子和活性氧,加重神經損傷,進一步影響少突膠質細胞,形成一個惡性循環導致神經元損傷[5]。

1.4 穆勒膠質細胞

穆勒膠質細胞是視網膜的主要膠質細胞,起源于室管膜細胞。它們構成視網膜的支持組織,通過釋放神經營養因子、降解興奮性毒素等,為視網膜提供保護、營養和維持外部環境穩態,還參與血管生成與視網膜血流調節。

斑馬魚視網膜研究揭示,視網膜損傷后,穆勒膠質細胞會表達生長因子等基因如HBEGFα和TNFα,刺激祖細胞形成與增殖。Ascl1a基因在損傷中起關鍵作用,它調控細胞分化和增殖,與lin28 和let-7 miRNA 有關。lin28 與干細胞更新有關;let-7 miRNA 與細胞分化相關。Ascl1a還影響Wnt 信號和穆勒膠質細胞的重編程。胰島素瘤相關蛋白1 (Insm1a) 也受Ascl1a調控,它影響細胞重編程和祖細胞周期[16]。

但是,穆勒膠質細胞的過度增生會干擾視網膜穩態,引起視網膜功能異常[17]。病變視網膜中的穆勒膠質細胞功能失調可能導致谷氨酸代謝與離子穩態紊亂,進而引起視網膜水腫和神經元死亡[18]。此外,穆勒膠質細胞與小膠質細胞之間的互作可加重視網膜炎癥反應,如在實驗性青光眼中。因此,控制這兩種細胞的互作可能是預防青光眼中神經節細胞凋亡的有效策略[19]。

2 外周組織膠質細胞

一般而言,外周組織膠質細胞主要包括施旺細胞、衛星膠質細胞和腸膠質細胞,但最新研究進展發現,肺部和心臟組織也存在膠質細胞。

2.1 起源

背根和腹根的部分施旺細胞起源于神經嵴來源的邊界帽細胞(一類位于胚胎運動出口點和背根進入區域的祖細胞的短暫群體),大多數施旺細胞起源于神經嵴來源的施旺前體細胞。施旺前體細胞亦起源于神經嵴,維持了神經干細胞的部分多能性。施旺細胞和施旺前體細胞具有發育可塑性,可作為多種膠質和非膠質類型細胞的多能祖細胞,如成牙本質細胞、黑色素細胞、自主神經元、軟骨細胞、神經內膜成纖維細胞、嗜鉻細胞和腸膠質細胞[20]。成熟衛星膠質細胞亦來源于神經嵴細胞。

在腸神經系統發育過程中發現了兩種類型的神經祖細胞: 巢蛋白(Nestin) 陽性細胞可產生神經元和膠質細胞;而巢蛋白陰性細胞僅產生神經元。形成腸神經系統的神經元和膠質細胞均起源于神經嵴細胞,這些細胞從神經軸背側的迷走神經和骶區遷移而來。在脊椎動物中,大多數腸神經元和膠質細胞來源于一小群表達Sox10 的迷走神經嵴細胞,這些細胞侵入胚胎前腸,后稱為腸內神經嵴細胞,在廣泛增殖后定植于整個腸道。不斷擴大的腸內神經嵴細胞群體的分化導致大量Sox10 神經元亞型和Sox10 膠質細胞的嵌合,這些細胞被組織成肌腸叢和粘膜下叢。

多能神經嵴細胞的發育潛能受其所在組織的微環境限制,具有各種中間表型的細胞伴隨其所在組織發育,最終分化為膠質細胞[21]。研究人員最近發現的一種心臟膠質細胞——心臟連接膠質細胞(cardiac nexus glia) 正是由神經嵴細胞發育分化而成,隨后遷移到心臟,并主要集中在心臟流入和流出道結構中。

2.2 施旺細胞

施旺細胞具有形成髓鞘和支持軸突的功能,可確保中樞神經系統和外周之間快速、準確的交流。施旺細胞分為成熟和未成熟兩種。轉錄因子Sox10是施旺細胞譜系命運決定最關鍵的轉錄因子,其表達決定施旺細胞向髓鞘細胞分化。Notch 信號傳導參與施旺細胞前體到未成熟施旺細胞的轉變。在胚胎晚期和圍產期神經中,持續的軸突信號決定施旺細胞前體分化為未成熟施旺細胞。未成熟的施旺細胞將選擇大直徑軸突與之形成1∶1 的共生關系,此時,未成熟的施旺細胞分化為前施旺細胞,并被自身基板包圍。最終,來自軸突和細胞外基質的持續信號引導成熟髓鞘施旺細胞的形成,這是最常見的外周膠質細胞亞型[22]。

施旺細胞決定嚙齒動物中周圍神經的再生能力。周圍神經損傷后,施旺細胞通常會由分化的髓鞘型轉變為修復施旺細胞。周圍神經損傷后的急性期變化涉及施旺細胞重編程、軸突變性和髓鞘碎片清除。此后,軸突再生,修復施旺細胞再次分化為髓鞘施旺細胞。有研究表明,將施旺細胞移植入脊髓損傷模型可起神經保護作用,促進軸突和髓鞘的再生,以改善損傷后功能,但其在體內與宿主細胞整合能力差。在一項Ⅰ期臨床實驗中,研究人員將施旺細胞移植入完全性胸段脊髓損傷的損傷中心后發現ASIA 分級有所改善,損傷水平下神經電生理檢查可見活動增加[23]。

皮膚損傷修復過程中,施旺細胞會富集于瘢痕疙瘩(keloid)。研究發現瘢痕疙瘩施旺細胞中腫瘤壞死因子α 誘導蛋白6 (tumor necrosis factor alpha-induced protein 6,TNFAIP6) 和細胞通訊網絡因子3 (cellular communication network factor 3,CCN3) 表達上調,以募集巨噬細胞清除髓鞘碎片中的病變并重塑細胞外基質(ECM) 以促進神經再生。TNFAIP6 參與影響M2 巨噬細胞(與纖維化和瘢痕形成有關) 極化,并抑制炎癥發生,CCN3則是一種可促進巨噬細胞募集和分化為M2 表型的生長因子[24]。施旺細胞也與周圍神經鞘瘤的形成密切相關。周圍神經鞘瘤是外周神經源性腫瘤中最常見的類型。

有研究通過體內外實驗發現施旺細胞可調控肺癌細胞的遷移和侵襲,并協助形成轉移灶[25]。在癌細胞灶中,施旺細胞誘導癌細胞在其方向上形成突起并在癌細胞之間插層,導致癌細胞分散。施旺細胞與癌細胞接觸時會表達神經細胞黏附分子1(neural cell adhesion molecule 1,NCAM1),并誘導其更長的絲狀偽足形成,促進癌細胞向神經周圍侵襲。NCAM1 編碼的細胞黏附蛋白是免疫球蛋白超家族的一員,在神經系統的發育中發揮作用,其表達參與局灶粘附組裝的抑制和癌細胞遷移的增加,且已被報道與多種癌癥標本中神經周圍浸潤(perineural invade,PNI) 的存在相關[26](圖2)。

圖2 外周膠質細胞起源與發育關鍵基因

2.3 衛星膠質細胞

衛星膠質細胞(satellite glial cells,SGC) 呈扁平狀,圍繞并覆蓋在外周組織中的運動和感覺神經元胞體周圍。研究認為,這種結構使得衛星膠質細胞能像血腦屏障一樣調節外周神經節周圍微環境,具有支持、保護和營養等功能。目前衛星膠質細胞的研究大多基于感覺神經節中的衛星膠質細胞,而對自主神經節中的衛星膠質細胞研究較少。此外,交感神經節內的衛星膠質細胞可支持交感神經元的生理功能,并通過釋放膠質遞質影響交感神經元的突觸活動[27]。衛星細胞上也有著豐富的神經遞質和其余神經活性物質的受體,能與其周圍的神經細胞及其鄰近的衛星膠質細胞密切相互作用。

當神經損傷時,SGC 能夠上調脂質代謝相關基因以響應神經損傷。SGC 中富集的基因之一是脂肪酸合成酶(FASN) 基因,其控制內源性脂肪酸合成的特定步驟。脂質是細胞雙層膜的重要組成部分。研究發現當FASN基因被敲除時,小鼠受損軸突長度變短,再生能力降低,但尚未發現會造成神經元形態缺陷。此外,FASN 在神經損傷后產生PPARα,FASN 依賴的PPARα 激活有助于促進軸突再生。過氧化物酶體增殖物激活受體(PPAR)具有結合脂質信號分子和轉導來自代謝環境的適當信號以控制基因表達的獨特能力,它有3 種亞型,PPARα 為其一。一些研究表明,PPARα 還能調控其靶基因APOE發揮作用[28],ApoE 參與激活水解脂肪的酶類,參與免疫調節及神經組織的再生。

研究發現衛星膠質細胞在進行單側迷走神經切除術后的疼痛模型中被激活,表現為衛星膠質細胞趨于肥大,并產生大量溶酶體。損傷或炎癥狀態下,衛星膠質細胞激活導致促炎細胞因子釋放,從而破壞神經元正常放電,導致神經性疼痛,該過程通過損傷后上調間隙連接蛋白,在感覺神經節神經元去極化中發揮作用。

2.4 腸膠質細胞

腸道中存在至少6 種主要類型的腸膠質細胞:包括與肌腸和黏膜下神經叢神經元胞體相關的膠質細胞(分別為ⅠMP型和ⅠSMP型),連接肌腸神經節的神經纖維束內的膠質細胞(Ⅱ型),與肌腸和黏膜下神經叢水平的神經纖維相關的神經節外膠質細胞(ⅢMP型或ⅢSMP型) 或腸黏膜(Ⅲmucosa型),以及平滑肌層中與神經纖維相關的膠質細胞 (Ⅳ型)[1]。

腸膠質細胞發育的關鍵因子之一是RET 信號通路。RET 是一種由神經嵴來源細胞(enteric neural crest-derived cells,ENCCs) 表達的酪氨酸激酶跨膜受體,在結合膠質源性神經營養因子GDNF后,ENCCs 會被磷酸化,并激活下游胞內磷脂酰肌醇激酶PI3K 通路,此通路可介導GDNF 誘導的神經嵴來源細胞存活、增殖和遷移。RET 表達需要轉錄因子Sox10 和Phox2B,兩者的基因敲除表型均會導致全腸段無膠質細胞。內皮素受體B(endothelin receptor B,EDNRB) 信號轉導也能促進ENCCs 的增殖,并抑制其分化為神經元[29]。腸膠質細胞的發育還受到骨形態發生蛋白如BMP4 通過ErbB3 受體傳遞信號的調控[30]。

腸神經系統是一種廣泛的神經元網絡,腸膠質細胞群是腸神經系統的重要組成部分,它們嵌入腸壁并控制腸道穩態。腸膠質細胞也通過神經遞質受體信號監測多種形式的神經活動。腸膠質細胞表達中間絲膠質纖維酸性蛋白GFAP、靜脈蛋白、鈣結合蛋白S100、谷氨酰胺合成酶和膠質細胞表面抗原Ran-2。在單個膠質細胞受機械或化學刺激后,鈣波在腸膠質細胞之間以波狀方式傳播,這一發現支持了功能性膠質網絡存在的假說,該網絡可能協調膠質細胞的協同活動。此外,研究報道腸膠質細胞對多種神經配體具有Ca2+瞬態反應,與星形膠質細胞相似,腸膠質細胞的興奮性主要由細胞內鈣離子濃度的短時間內迅速升高所介導,這表明它們存在神經配體-信號轉導系統。

腸膠質細胞是連接腸道神經系統和免疫系統的紐帶,并在維持黏膜屏障的完整性和腸道內穩態中發揮重要作用。多項在小鼠中的獨立研究均證明腸道膠質細胞消融會導致嚴重的腸道炎癥,這很可能是由于腸道神經叢結構的破壞或者血管上皮通透性的變化。這說明了腸膠質細胞參與維持腸道完整性。腸膠質細胞功能障礙早期病變的表現是黏膜和血管病變,這提示腸膠質細胞具有調節上皮和內皮細胞通透性的潛能。正在進行的研究表明,腸膠質細胞消融影響黏膜屏障功能不一定由腸神經元介導,而可能是腸膠質細胞和上皮細胞之間的直接相互作用[31]。證據表明,腸膠質細胞是胃腸道黏膜通透性和屏障功能的重要調節因子[32]。GFAP 的表達間接反映了腸膠質細胞的成熟度和膠質細胞對炎癥刺激的反應性,如在克羅恩病 (Crohn’s disease,CD) 和潰瘍性結腸炎 (ulcerative colitis,UC) 患者的腸道炎癥區域均發現GFAP 表達增加。然而在非炎癥區域,UC 中發現更高水平的GFAP表達,在CD 中卻沒有,這可能與CD 中持續炎癥引發的膠質細胞損傷有關[33]。

綜上,腸膠質細胞在特定情況下可驅動神經炎癥,并通過與神經元和免疫細胞的互作增強神經可塑性、調節胃腸免疫穩態。因此靶向腸膠質細胞(如神經膠質遞質釋放、促進神經膠質增生的信號通路) 的療法可能對常見胃腸道疾病的治療具有潛在價值。此外,還有報道表明腸膠質細胞和癌癥干細胞之間的相互作用的調節可能與十二指腸胃泌素瘤與結腸癌的發生相關[34-35]。

2.5 心臟膠質細胞

心臟連接膠質細胞是位于心臟流出道的分化成熟的細胞,可調節交感神經系統和副交感神經系統的活性,繼而影響心臟的節律變化,如抑制室性心動過速和室顫。研究發現,敲除調控膠質細胞發育的METRN基因后,心臟連接膠質細胞的數量會顯著減少,同時引發心臟節律異常。此外,研究人員在心臟發育早期應用甲硝唑和激光消融等方法清除心臟內連接膠質細胞后,觀察到胚胎心臟中的神經發育速度加快,這表明心臟連接膠質細胞在發育早期起到抑制或延遲神經元神經支配的作用[36]。

心臟膠質細胞釋放的S100β 是房顫消融術中急性心內神經損傷的標志。S100β 的釋放促進了局部神經元的生長,同時降低了神經元的電活動。臨床上接受導管消融的房顫患者可發現血漿中S100β水平升高[27]。

3 膠質細胞研究常用工具鼠

鑒于各類中樞和外周組織膠質細胞的重要功能,目前也已經開發了多品系工具小鼠用于對膠質細胞的研究,各品系工具小鼠靶向的基因。細胞種類及特點見表1。

表1 膠質細胞研究常用工具鼠

4 展望

過去,膠質細胞一直被視為僅僅對神經元提供支持和營養的“配角”。但如今,隨著研究的深入,這種認知已經發生了根本性的變化。膠質細胞不再是簡單的背景填充,而是神經系統中功能豐富、種類繁多的關鍵角色。

在神經生物學中,膠質細胞的重要性已逐漸受到認可。不同類型的膠質細胞在起源、組織構成、形態和解剖學特征上均有所不同,它們在各自所處的器官中都發揮著獨特且不可或缺的功能。但遺憾的是,目前學界對于膠質細胞在各種組織中的精確分布、功能以及交互關系尚未進行全面系統的描述。我們仍然需要進一步探索并鑒定。

中樞與外周的膠質細胞之間存在明顯的差異,包括其分型、亞群分類以及在不同生理狀態下的功能異質性。單細胞測序和空間轉錄組分析等前沿技術為我們提供了探索這些差異的有力工具。這些技術不僅能揭示同一來源的膠質細胞如何根據其所在器官的特性進行適應性演化,還能幫助我們解答外周膠質細胞的發育起源是否具有共性,以及其在表觀遺傳學層面的調控機制是否存在一致性。

當前,盡管我們已經對外周膠質細胞有了一定的了解,但關于它們的諸多疑問仍待解答。加速外周膠質細胞的研究不僅會揭示與眾多疾病相關的新機制,亦為疾病治療開辟新的路徑,還將豐富我們對生命復雜性的理解。