摘要围产期缺氧缺血性脑损伤的研究焦点集中在神经元上，但是，星形胶质细胞也参与缺氧缺血过程并起着关键作用。星形胶质细胞在缺氧缺血损伤中的改变是中枢神经系统中最早和最显著的，这种参与对缺氧缺血病变以及中枢神经系统是损伤还是修复这一最终发展有重要影响。目前，星形胶质细胞的作用越来越受到重视，对脑缺氧缺血过程中星形胶质细胞的病理生理变化也有了深入的研究。

学科分类号R363；R364．3

Pathophysiological Alterations in Cultured Astrocytes Exposed to Hypoxia/Reoxygenation

XIONG HuiLIANG Wei-LanWU Xi-Ru

（Department of Pediatrics, The First Hospital of Peking University, Beijing100034）

AbstractWhile the research of hypoxic-ischemic injury to the central nervous system has been focused on neurons, astrocytes are also critically involved in and contribute to the hypoxic-ischemic process. The role these cells play appears to be more and more important. There are considerable progress in characterizing the pathophysiological alterations of these cells during hypoxic-ischemic brain damage.

Key wordsPerinatal hypoxic-ischemic brain damage; Astrocyte; Pathophysiological alterations

围产期缺氧缺血性脑损伤（perinatal hypoxic-ischemic brain damage, HIBD）是由于围产期缺氧缺血所致的胎儿、新生儿脑损伤，它可导致脑代谢和功能的破坏、脑血流异常、血管渗漏、组织损伤和坏死以及相应的炎症改变。缺血后引起能量衰竭、离子梯度维持失常、乳酸堆积、氧自由基产生增加、脂代谢改变、触发花生四烯酸连锁反应、释放兴奋性神经介质、钙离子自身稳定功能失衡、激活蛋白酶和其它水解酶以及生成一氧化氮(NO)和细胞因子^［1］等。其中，星形胶质细胞的改变可能是缺氧缺血损伤的直接结果，另一方面，这种改变同时也是“反应性”的，也就是说是对中枢神经系统中其它成份损伤的反应。本文旨在对缺氧缺血性脑损伤中星形胶质细胞的一系列病理生理变化作一综述。

一、正常结构和功能

星形胶质细胞是中枢神经系统中数量最多的细胞类型，占皮质体积的三分之一，它们在血管、软脑膜、室管膜周围形成一个“屏障”，因此从解剖上将神经元与外界环境隔离。星形胶质细胞胞质的突起也紧密地位于生理学上的重要位置：围绕于突触复合体及郎飞(Ranvier)节周围。因为形态上的差异，星形胶质细胞分为原浆性和纤维性两种，前者位于灰质而后者位于白质。不同类型的细胞是否具有不同的功能还不清楚。从细胞培养株来分型，它们也可分为Ⅰ型和Ⅱ型。一些学者建议Ⅰ型即为原浆性而Ⅱ型指纤维性星形胶质细胞，然而，尚无有力的证据来证实这一推测。

超微结构上，星形胶质细胞以胞质膜的广泛外伸为特点，因此表面积/体积比值很大。星形胶质细胞的突起似乎伸至可以探及的每一个空间，这样在灰质就只有很小的细胞外空间。星形胶质细胞含有所有胞质常见的细胞器，其中主要成分是胶质纤维酸性蛋白（glial fibrillary acidic protein, GFAP）的成束的中间丝(filament,9～10nm)非常重要。纤维性星形胶质细胞与原浆性星形胶质细胞相比表达GFAP的量更多。

星形胶质细胞在解剖上通过缝隙连接彼此联系。缝隙连接是高传导性通道，它使得细胞内的信使如Ca²⁺和三磷酸肌醇等在相互联系的细胞间直接传递。这种连接形成一个功能性的合胞体(syncytium)，参与组织内环境稳定、细胞内信号转导、钾离子间隙的缓冲作用，以及提供一种代谢和离子偶连的方式，同时还可使远离原发病变区的星形胶质细胞也有功能性反应^［2］。

星形胶质细胞含有脑内大部分的糖元并有相当于神经元的高速率代谢活性，它们参与K⁺的缓冲作用和包括H⁺、Ca²⁺等其它离子在内的内环境稳定，调节渗透压，形成和维持血脑屏障，供应营养物质和代谢产物，解除氨、药物、激素的毒性，参与二氧化碳代谢，清除氧自由基，金属分离，摄取、释放神经递质和神经调质，参与炎症和免疫反应，吞噬作用，神经营养作用，以及产生粘附分子和细胞外基质分子等。它们还在发育过程中指导神经元的迁移，排除降解突触，并在中枢神经系统损伤后的可塑性和组织再生方面起重要作用。

星形胶质细胞不是生长在真空中，它与中枢神经系统中所有的细胞都有着重要的联系，尤其是神经元。星形胶质细胞具有针对所有神经递质的受体及电压敏感型离子通道^［3］，这使它们能够对神经元的信号作出反应，神经元的电活动在相邻的星形胶质细胞中产生迅速向内的电流和Ca²⁺峰。也可以相反，星形胶质细胞可通过释放谷氨酸或通过缝隙连接^［4］而刺激神经元产生电流，以及引起Ca²⁺信号^［5］。研究发现，脑缺氧缺血时缝隙连接是开放的^［4］。星形胶质细胞还在神经可塑性上起了重要作用，它们可支持突触发芽、形成新的多突触连接、维持现存的神经元回路等。

二、星形胶质细胞在缺氧缺血性脑损伤中的变化

(一)细胞肿胀星形胶质细胞肿胀发生在缺氧缺血后早期，代表了最初的形态学改变。这些细胞的胞质胀大、含水，内含扩张的电子半透明空泡，肿胀开始发生在毛细血管周围，最后所有细胞肿胀。细胞肿胀与能量衰竭不能维持离子泵有关。另一种机制认为能量衰竭导致去离子化，引起不同的离子通道开放，继而离子依靠被动运输（Donnan force）进入^［6］。

体外培养研究发现星形胶质细胞可以经受住至少18小时的严重缺氧而不发生肿胀，这提示还存在缺氧缺血直接作用以外的因素导致细胞肿胀。实际上，缺血后脑内很多因子上调参与星形胶质细胞肿胀，包括K⁺、谷氨酸、乳酸、自由基和花生四烯酸的增高等。星形胶质细胞肿胀对脑功能最重要的影响是由于继发颅内压增高所致。肿胀同时可挤压毛细血管，引起血管损害；还可导致膜去极化，使星形胶质细胞不能维持正常转运谷氨酸和离子必需的离子梯度。肿胀的星形胶质细胞释放谷氨酸，而谷氨酸参与兴奋毒的产生；同时它们还释放大量牛磺酸，牛磺酸具有可影响神经元兴奋性的抑制性神经调节功能，在缺氧中起到神经保护功能。星形胶质细胞肿胀后使正常细胞外空间崩溃从而改变细胞内离子浓度（尤其是钙），这可以影响神经元的兴奋性，还可以提高细胞乳酸含量并使其释放增加。当肿胀严重时，细胞膜破碎，细胞死亡。基于肝细胞研究的基础，Haussinger 和Lang发现细胞容量即使是轻度的升高（～5%），也可引起离子、氨基酸转运、氨基酸代谢、糖原和蛋白质含量及谷胱甘肽等的变化。例如，糖原累积在肿胀的星形胶质细胞中经常可见^［7］，这对脑能量代谢有重要的影响。

（二)早期反应性形态改变除了肿胀，细胞肥大是另一改变，见于可逆性缺血后1～3小时，细胞内可见线粒体和粗面型内质网数量增多，以保证蛋白合成增加^［8］。胞核变大且苍白，这些细胞类似Alzheimer病Ⅱ型星形胶质细胞，这在无氧性脑病、高氨血症和肝性脑病中可以见到。这些星形胶质细胞的改变是否继发于缺血过程中氨水平的增高，或者是通过其他机制，尚不清楚。

（三)细胞培养培养的星形胶质细胞耐受严重缺氧的时间更长（至少18～24小时），只要能维持葡萄糖的供给，细胞损伤很小；当糖酵解受到抑制，则2小时后即引起严重损害^［9］；如果兼有缺氧和无糖（“类似缺血”），或兼有缺氧与酸中毒，损伤尤其严重^［10］。脑片中的星形胶质细胞对缺血损伤的敏感性比体外培养中的星形胶质细胞更高，这提示神经元间信号转导对介导星形胶质细胞损伤起了重要作用^［11］，尤其细胞外Ca²⁺和自由基^［8］对于介导这种损伤起着主要作用。在细胞坏死前，有一个细胞质断裂和形成串珠状的过程（星型细胞突起破折clasmatodendrosis），同时有多聚核糖体解聚，线粒体浓缩。

（四)病理生理在缺氧缺血中及缺血后脑内产生的各种因子可能源自星形胶质细胞；而这些因子反过来又可引起星形胶质细胞损伤和功能障碍。它们包括谷氨酸、钾、乳酸、花生四烯酸、NO和Ca²⁺流量变化等。所有这些因子都能影响星形胶质细胞，而星形胶质细胞功能发生障碍则可影响神经元存活，并且因此影响整个脑缺氧缺血过程的发展。

1．谷氨酸：脑缺氧缺血伴有谷氨酸的大量释放，谷氨酸释放及继而发生的兴奋毒损伤在缺氧缺血损伤的病因学上起着重要作用^［12］。谷氨酸对星形胶质细胞也有深远的影响，包括导致去极化、肿胀、激活磷酸肌醇的水解作用、细胞内Ca²⁺增加、钙波的产生、形态学改变、刺激葡萄糖利用和乳酸释放、增加糖原合成、降低细胞增殖，促进神经营养因子、原癌基因和转录因子的表达，抑制主要组织相容性复合体(MHC） Ⅱ的表达以及释放GABA、谷氨酸、天冬氨酸、甘氨酸、牛磺酸、丙氨酸和丝氨酸等。这些因素中很多是由星形胶质细胞的谷氨酸受体介导^［13］。

缺氧缺血使星形胶质细胞摄取谷氨酸的能力降低^［8，10］，而这可以加重神经细胞兴奋毒损伤