少突胶质细胞与中枢神经系统

少突胶质细胞与中枢神经系统

中枢神经系统的细胞由神经和皮质细胞组成，包括星形胶原细胞、少突胶质细胞和小胶原细胞。长期以来,认为少突胶质细胞的主要功能就是形成中枢系统轴突的髓鞘、营养和保护轴突,但近年的研究发现少突胶质细胞尚有为中枢神经系统提供神经营养因子和生长因子、表达轴突生长抑制分子等其它作用。在临床上,少突胶质细胞与多发性硬化症、脊髓损伤等中枢神经系统疾病关系密切。本文就少突胶质细胞的生物学功能、与临床疾病的关系,以及少突胶质细胞移植治疗脱髓鞘疾病的研究进展作一简要综述。一、少突胶质细胞的生物学功能(一)髓形态的构成包绕在轴突周围的髓鞘构成了脊椎动物神经系统内的大量膜结构,髓鞘高脂低水的独特成分使轴突具有电绝缘的特性,其独特的节段状结构使脊椎动物神经系统细纤维能跳跃式传导神经冲动。因此,脊椎动物神经系统髓鞘具有高速、精确传导长距离信号及节约空间的优点。髓鞘由成髓鞘胶质细胞延伸的胞质膜所构成,在中枢神经系统,髓鞘形成细胞是少突胶质细胞。这些细胞由胞质膜发出“帆样”突起,每一个突起构成髓鞘的一个结间段,突起呈螺旋状缠绕轴突,形成同心圆状板层。一个少突胶质细胞能髓鞘化几个轴突。目前,对髓鞘形成的详细机制知之甚少,但已知髓鞘形成涉及三个连续的阶段:(1)少突胶质细胞迁移到将被髓鞘化的轴突周围并识别之;(2)少突胶质细胞的突起粘附到轴突上;(3)少突胶质细胞的突起缠绕在神经元轴突周围。在第一阶段,多突起的前胶质细胞沿未来白质的纤维束定居下来,并保持分裂能力。接着,这些前胶质细胞分化为未成熟少突胶质细胞并准备形成髓鞘。启动髓鞘化的重要步骤之一是少突胶质细胞突起的伸展,突起的延伸使其能与轴突接触。(二)少突胶质细胞的cm基因子和生长因子的激活近年来的研究发现,纹状体的少突胶质细胞或来自这些细胞的条件培养基(CM)可增强黑质神经元的存活。与此相似,视神经中的少突胶质细胞或用其制备的CM能明显增强视网膜神经节细胞的存活,基底前脑少突胶质细胞或用其制备的CM可增强基底前脑胆碱能神经元的数量,而皮质内少突胶质细胞或用其制备的CM可促进皮质神经元的存活。此外,视神经中的少突胶质细胞或其CM还能增加培养的视网膜神经节细胞自发的兴奋性突触后电位的频率和强度。Wilkins等的研究还发现,来自少突胶质细胞的CM可激活神经元MAPK/Erk途径,从而使神经元轴突的长度增加。应用生长因子的中和抗体进行的阻断试验表明,BDNF、NT-3和胰岛素样生长因子-1(IGF-1)等是支持神经元生长的少突胶质细胞来源的生长因子(Dai等.1997,Wilkins等.2001)。随着研究的深入,迄今通过原位杂交和免疫细胞化学等技术已鉴定出数种少突胶质细胞分泌的神经营养因子和生长因子,除上述神经营养因子外,少突胶质细胞还产生神经生长因子(NGF)、神经调节素(NRGs)、胶质细胞来源的神经营养因子(GDN-Fs)、转化生长因子-β(TGF-βs)、成纤维细胞生长因子-9(FGF-9)和肝素结合的上皮生长因子样生长因子(HB-EGF)等其它生长因子,这些分子通过与相应受体结合,影响神经元、星型胶质细胞甚至少突胶质细胞自身的发育和存活。因此,分泌营养因子可能是少突胶质细胞发挥生理作用的一个重要方面,营养因子可介导少突胶质细胞与神经元之间、少突胶质细胞之间相互作用,从而形成并维护功能性神经环路。(三)生长抑制蛋白研究发现,已分化的少突胶质细胞可通过接触抑制,阻止神经纤维的生长。当生长锥与少突胶质细胞相遇时,通过丝状假足的接触,迅速、持久地诱导生长锥活动的停滞,继而发生生长锥的结构坍塌,1/3的生长锥收缩。抗神经纤维生长抑制蛋白NI-35和NI-250的单克隆抗体NI-1可阻断该接触抑制现象,表明少突胶质细胞表达的神经生长抑制蛋白起控制轴突过度生长的作用(Bandtlow等.1990)。目前,已知少突胶质细胞表达的此类抑制性蛋白有硫酸软骨素蛋白多糖-2(NG-2)(Chen等.2002)、髓鞘相关糖蛋白(MAG)、Nogo-A和少突胶质细胞-髓鞘糖蛋白(OMgp)等。有研究表明,MAG、Nogo-A和OMgp可能通过与神经元上的一个共同受体Nogo66受体(NgR)结合并传导信号级联反应,抑制神经元轴突的生长。神经纤维生长抑制蛋白的生理意义可能是对已生长的中枢神经纤维束起界限作用,以免后来生长的纤维束侧枝长入结构已完好的纤维束中。但是,在成年CNS损伤后的病理条件下,这些抑制性蛋白却成为妨碍轴突再生的一个重要因素(Domeniconi等.2002)。二、少突胶质细胞和疾病(一)细胞前体的分离和重组MS是中枢神经系统慢性炎症性脱髓鞘病,其病因涉及病毒和自身免疫性因素。现已明确MS病理进程主要包括:(1)原发性脱髓鞘,此时很少有少突胶质细胞的损伤;(2)脱髓鞘过程中少突胶质细胞的广泛丢失;(3)原发性少突胶质细胞损伤并导致继发性脱髓鞘;(4)大量的巨噬细胞被激活,引起非选择性的组织损伤,不仅累及髓鞘质还涉及轴突和星形胶质细胞。Wolswijk(2000)的研究发现,在慢性MS病人的脑损伤部位,少突胶质细胞前体很少分化,这与MS后期髓鞘修复失败相吻合。在MS新近脱髓鞘的部位有一群与众不同的少突胶质细胞,这些细胞形体小而圆,核小而致密,表达Galc和MOG,但缺少突起,提示这些细胞是髓鞘丢失过程中幸存的成熟细胞,即脱髓鞘的少突胶质细胞。这些脱髓鞘的少突胶质细胞大量存在于损伤部位中央,而在陈旧的损伤部位少突胶质细胞仅存在于损伤部位的边缘。这表明,随着损伤时间的推移,成熟的脱髓鞘的少突胶质细胞从损伤区域逐渐消失。少突胶质细胞从损伤部位的丢失是一个缓慢的过程,可能需要几个星期甚至几个月。最近,Wolswijk又分析了MS脱髓鞘的脊髓样本,发现随着损伤的延续,O+4Galc-的少突胶质细胞前体群体数量逐渐减少,产生新胶质细胞的能力逐渐削弱,邻近未损伤组织中的少突胶质细胞前体没有迁移到损伤部位。这些结果表明,一些MS病例髓鞘修复的失败可能是由于损伤区域少突胶质细胞的丢失和少突胶质细胞前体不能增殖和产生新的少突胶质细胞所致。(二)少突胶质细胞凋亡可能是机械损伤、欠缺或轴突变性所致(SCI)创伤性SCI是严重危害人类的突发性疾病,Frei等(2002)对脊髓挫伤1天至2周的成年大鼠脊髓进行组织学研究,发现损伤部位中央发生大量少突胶质细胞死亡,同时也伴有神经元、小胶质细胞和星形胶质细胞死亡。而损伤部位边缘的轴突完整,少突胶质细胞数量无明显变化,尽管该处存在可能促进继发性组织损伤的巨噬细胞、中性粒细胞和活化的小胶质细胞。因此推断,脊髓损伤初期损伤部位中央死亡的少突胶质细胞可能是机械损伤、缺血或轴突变性所致。Shuman等(1997)的实验表明,少突胶质细胞的死亡高峰是损伤后8天,这些少突胶质细胞的丢失导致损伤发生时幸存下来的轴突脱髓鞘。进一步研究表明,在少突胶质细胞凋亡的同一区域存在活化状态的小胶质细胞,且发现凋亡的少突胶质细胞和小胶质细胞的突起有明显的接触,提示小胶质细胞的激活可能是少突胶质细胞凋亡的重要机制之一。创伤性脊髓损伤中的少突胶质细胞的凋亡可能尚有其它途径,Casha等发现脊髓损伤后少突胶质细胞、星形胶质细胞、小胶质细胞和凋亡的胶质细胞短暂表达Fas和神经营养素受体p75蛋白,且证实与Fas和p75相关联的下游caspases3和caspases8在凋亡高峰时处于激活状态,而caspases8的抑制剂FLIP-L则降低。因此推断,创伤性脊髓损伤后的轴突退变与胶质细胞特别是少突胶质细胞的凋亡有关,而Fas和p75死亡受体的激活可能参与凋亡过程的启动。(三)特别单胞间质细胞前体和nd2的关系原先认为来源于少突胶质细胞的胶质瘤较少见(不到颅内肿瘤的10%),但后来的研究显示,少突胶质细胞瘤比以前认为的更常见。最近证明,少突胶质细胞瘤可能起源于一群少突胶质细胞前体,这些胶质细胞前体在体内高表达NG2硫酸软骨素蛋白多糖和血小板来源的生长因子受体α(PDGFRα),提示CNS内NG2+/PDGFRa+的胶质细胞前体有助于胶质瘤的发生。OLIG2被认为是与少突胶质细胞系细胞特化有关的转录因子,Marie等以原位杂交技术检测了OLIG2在脑肿瘤上的表达,结果发现所有少突胶质细胞瘤均为OLIG2阳性,而在非少突胶质细胞系肿瘤上未检测到OLIG2。这是少突胶质细胞瘤起源于少突胶质细胞前体的又一有力证据,也提示OLIG2有可能作为少突胶质细胞瘤诊断的有用标志。(四)n-乙酰天冬氨酸尿少突胶质细胞还与一些遗传性疾病相关。天冬氨酸酰基转移酶可降解N-乙酰天冬氨酸,该酶的缺陷可引起卡纳范病(Canavan's病),其生化特征是产生N-乙酰天冬氨酸尿。Canavan's病还可引起成髓鞘功能低下和大脑海绵状退化。Urenjak等在培养的未成熟少突胶质细胞中检测到异常水平的N-乙酰天冬氨酸,提示这种少突胶质细胞发育中的代谢异常可能与该病的病理生理学有关。克拉贝病(Krabbe's病)也是一种累及少突胶质细胞的遗传性疾病,该病可发生髓鞘质和少突胶质细胞退化,为毒性代谢产物神经鞘氨醇半乳糖苷的积累所致。三、细胞移植试验少突胶质细胞在中枢神经系统轴突髓鞘化中扮演关键角色,MS和创伤性脊髓损伤的损伤部位髓鞘修复失败正是由于损伤区域少突胶质细胞的丢失或失去正常髓鞘化所致。因此,近年来许多学者意识到少突胶质细胞移植治疗脱髓鞘疾病的可能性,尝试了一些动物实验,并取得了令人鼓舞的结果。1996年,Targett等将人CNS来源的少突胶质细胞植入鼠脑内脱髓鞘部位,但移植的细胞未能形成髓鞘。其后的移植试验大多使用少突前体细胞。1997年,Espinosa等将以快蓝标记的少突胶质细胞的O1前体CG4细胞系移植到出生3~5天的髓鞘缺陷大鼠脑中,移植后两周检查鼠脑发现,植入的CG4细胞具有广泛的迁移能力并可合成髓鞘质的成分。超微结构分析表明在髓鞘质缺陷大鼠胼胝体、小脑和脑干等脑区均有轴突髓鞘质的形成。2001年,他们又对CNS脱髓鞘的成年小鼠模型进行CG4少突胶质细胞前体移植。将CG4细胞单独或以11:1的比例与B104细胞共移植后,移植的细胞在正常和CNS脱髓鞘的鼠脑中存活并迁移。未经细胞移植治疗的病鼠轴突裸露,髓鞘质广泛缺乏;而CG4或CG4、B104共移植三个月后的病鼠表现为髓鞘化明显增加,有几近正常的髓鞘质。动物实验为我们带来了少突