癫痫是一种影响所有年龄人群的非传染性脑部慢性疾患。世界上约有5000万癫痫患者,发达国家年新发病例40~70人/10万,发展中国家通常是这一数字的两倍。已知星形胶质细胞(astrocyte,AST)在维持内环境的稳定、血脑屏障形成和神经兴奋传递等方面有重要作用。近年来许多研究将星形胶质细胞活化作为癫痫病理标志,主要涉及离子通道及水通道、细胞内外兴奋性氨基酸和抑制性氨基酸代谢、细胞因子及缝隙连接等,现就不同因素在癫痫发病过程中的具体作用机制的研究进展作逐一概述。

K⁺通道参与调节细胞膜静息电位及动作电位的复极化过程,决定动作电位的发放频率和幅度。生理条件下,细胞外大量K⁺由AST膜上Na⁺,K⁺-ATP酶转运体和Na-K-Cl^-同向转运体转运,空间K⁺的缓冲主要依靠K⁺通道、水通道、缝隙连接^[1],尤其是Kir4.1,大约50% AST表达Kir4.1,该通道表达下调常伴随AST摄取胞外K⁺能力的下降。

研究发现,在癫痫活动病灶中,细胞外K⁺的浓度([K⁺])可从3 mM上升到10~12 mM,而Na⁺,K⁺-ATP酶反应性却显著下降,在癫痫放电高峰时亦如此^[2];脑外伤致血脑屏障(blood-cerebrospinal fluid barrier,BBB)破坏,白蛋白外渗,触发癫痫,Kir4.1、Kir2.3表达明显下调^[3];颞叶癫痫患者Kir4.1较对照组减少50%,[K⁺]显著升高,使神经元处于高度兴奋状态^[4]。这些均说明在癫痫发作时,AST失去清除K⁺的能力。

研究用BaCL2抑制AST上高渗透性内向整流钾通道KIR,发现癫痫组与对照组均表达完整KIR电流^[5],提示KIR可能是AST固有特性。而在非海马硬化组织,[K⁺]明显升高,但这些效应在海马硬化(hippocampal sclerosis,HS)组织却阴性,表明HS组织Kir通道功能障碍,这或许正是HS常伴有难治性颞叶癫痫的原因。

AST胞体伸出许多放射状突起,突起末端膨大形成脚板,覆盖超过90%的脑毛细血管,参与维持BBB功能^[6]。在哺乳动物脑内,水通道蛋白-4(aquaporin-4,AQP4)主要表达在血管周围AST足突膜上,这种分布特点使AQP4更适合于调节血液与细胞之间的双向水分流动,维持细胞体积和离子梯度。研究证实,Kir4.1和AQP4在AST足突聚集^[6],且定位于同一亚细胞区域,并且K⁺的摄取伴随水分子流入AST。表明Kir4.1与AQP4可能以复合物的形式一起调节[K⁺]和膜电位水平^[4]。AQP4基因敲除老鼠,K⁺缓冲受损,癫痫发作时程延长^[7]。说明癫痫发作可能与AQP4和Kir4.1极性分布变化有关。

抗肌萎缩蛋白和α-互养蛋白是AQP4膜锚着点所必须的。而癫痫患者海马这两种蛋白表达均下降,且AQP4锚着位点发生改变,但表达量却增加^[4];用氯化锂-匹罗卡品致痫大鼠模型也证实AQP4 mRNA表达增加^[8]。另外,膨胀的AST通过一种体积敏感的有机体阴离子通道释放谷氨酸(glutamic acid,Glu)^[9]。总之,AST上AQP4质膜转位同Kir通道表达下降一致,使得K⁺缓冲受损,癫痫易感性增加。

越来越多的证据表明Glu能代谢异常参与并放大癫痫发生发展过程,即"谷氨酸假说",如脑高兴奋区细胞外Glu浓度升高及受体上调等。

超过90%胞外Glu由AST膜上谷氨酸转运体摄取,维持突触间隙Glu浓度^[10]。已知谷氨酸转运体有5个亚型:EAAT1~EAAT5,其中EAAT1和EAAT2主要表达在AST^[11]。动物实验证实,EAAT2表达增加具有潜在的抑制兴奋毒性作用^[12];在癫痫发作时,EAAT2表达下降^[10]。临床报道,伴有HS的癫痫患者,EAAT1和EAAT2表达下调,在海马区重新分布^[13],抑制癫痫发作区谷氨酸转运体活性,可使突触传递时程延长,癫痫发作阈值降低^[14]。另外,EAAT1缺失与AST膜上CD44(透明质酸和硫酸软骨素蛋白多糖受体)分子表达增加相关,而AxD模型鼠胶原纤维酸性蛋白异常聚集常伴随CD44分子增加,推断CD44表达增加的AST可能失去缓冲Glu的能力^[15]。对于转运体的改变是癫痫发作诱因还是其代偿反应仍有待继续研究。

Glu经过谷氨酰胺合酶(glutamine synthase,GS)作用、磷酸活化谷氨酰胺酶(phosphate activated glutaminase,PAG)反应重新合成Glu。若GS缺损,则Glu蓄积,神经递质合成减少。Perez等^[9]将蛋氨酸亚砜灌入老鼠海马成功诱导GS缺损及反复癫痫发作,免疫电镜证实Glu含量增加。先前研究也证实,伴有HS癫痫患者海马区GS减少甚至缺如^[17]。目前对于GS功能下降促进癫痫发作可能的潜在机制包括:Glu在AST内蓄积,使其跨膜浓度梯度降低,胞外Glu清除障碍^[9];谷氨酰胺水平降低,γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)含量降低,神经抑制功能减弱^[11]。然而,逆转GS功能能否逆转癫痫进程等问题仍待研究。

已知膜型谷氨酸受体-5(membrane type glutamate receptor-5,mGluR-5)位于AST突触后膜,通过三磷酸肌醇调节胞内Ca²⁺,加强兴奋性传递。mGluR2/3位于AST突触前膜,通过改变胞内环一磷酸腺苷水平负向调节神经元兴奋性。研究证实,mGluR2/3/5在癫痫海马组织表达均升高。推测,mGluR2/3表达升高可能是为了减少病理性神经元活动的代偿反应,而mGluR-5表达升高则可能是为了加强兴奋性传递^[4]。应用mGluR-5和NR2B NMDA受体拮抗剂,可抑制Glu释放和NMDA受体的活性,逆转癫痫造成的神经元死亡。另外,mGluR2 AMPA受体表达下降,而AMPA受体主要针对Ca²⁺渗透起作用,表明癫痫发作时AST处理胞内Ca²⁺的能力减弱。

离子型谷氨酸受体(ionotropic glutamate receptor,iGluR)通过促进阳离子进入细胞,尤其是Ca²⁺和Na⁺。实验证实iGluR在癫痫海马组织处于高水平^[4],说明其可能通过使阳离子进入细胞兴奋突触后通路。

GABA是重要的抑制性神经递质,当脑内GABA含量低于40%时可引起自发性癫痫。Glu在GABA合酶和脱羧酶的作用下生成GABA,通过Cl^-内流而导致突触后电位超级化,抑制癫痫发作^[17]。另外,维生素B6作为辅基参与GABA合成及代谢过程,因此,维生素B6缺乏可致兴奋性传导。

在动物实验中,用药物,如青霉素、茚防己碱或荷包牡丹碱,阻滞GABA抑制功能可引起神经元痫样放电及动物部分性发作。因此,凡能抑制脱羧酶活性、降低GABA及其受体数目,均可导致神经元的兴奋性增高而点燃癫痫。有报道,八肽胆囊收缩素(CCK-8)神经递质可抑制癫痫发作,其机制可能是CCK-8促使神经元释放GABA的作用。

Glu通过与mGluR结合,导致第二信使产生,如Ga²⁺,当Ga²⁺积聚到一定水平便会引起AST释放三磷酸腺苷(adenosine-triphosphate,ATP),引发突触后神经元活性改变。其中ATP通过P2受体直接兴奋神经元活动,一旦水解成腺苷则通过兴奋突触前A1受体引起突触前抑制^[18],防止神经元过度兴奋,若这种兴奋与抑制作用失调,则可引起神经元异常过度兴奋,触发癫痫发作。

腺苷在腺苷激酶(adenosine kinase,ADK)作用下磷酸化生成AMP。研究发现癫痫老鼠海马区可见大量ADK阳性细胞,且ADK活性增加,给予少量ADK抑制剂则可显著减少痫样放电,这说明ADK的过度表达与癫痫发作过程密切相关。大量实验证实:ADK抑制剂可明显抑制癫痫发作;抑制海马脑区ADK可明显增加内源性腺苷浓度。因此推断,凡是能增加腺苷水平的物质,均具有抑制癫痫活动作用。

生理条件下,AST释放至囊泡的ATP是突触腺苷的主要来源,并经腺苷平衡核转运体(ENT)重吸收。ENT有四种亚型:ENT1~ENT4,其中ENT1、ENT2主要表达在AST,且ENT1对ENT抑制剂NBMPR敏感性较ENT2强1000倍。研究证实ENT1表达与ADK表达呈正相关,抑制ENT1的转运可减少ADK对腺苷的代谢,从而起到抗癫痫的作用^[19]。也有报道ADK在癫痫发作时表达上调,负性调节脑内局灶腺苷水平,而敲除ADK基因则癫痫发作受抑^[20]。这为癫痫发病机制"ADK假说"提供了有力证据。

总之,ADK是腺苷水平的关键调节物,也是腺苷受体上调的控制点。目前,发展基因治疗,促使内源性腺苷恢复到神经保护水平成为癫痫新的治疗途径。

在中枢神经系统内,TNF-α主要由AST产生,并且主要作用于AST,当与其受体(主要为p65,即TNFR1)结合,通过级联反应活化核转录因子-κB(nuclear factor,NF-κB),启动含有NF-κB结合序列的基因转录。

已证实IL-1可通过降低Glu转运体的活性,减少谷氨酰胺的产生,间接导致Glu合成减少;IL-1β和高迁移率组蛋白1(high mobility group box-1 protein,HMGB1)主要通过使N-甲基-D-天冬氨酸2B (N-methyl-D-aspartate,NMDA2B)受体磷酸化而发挥促痫性作用^[2,10],IL-1β降低减少癫痫发作潜伏期,延长发作持续时间^[22],IL-1β受体拮抗剂则可抑制癫痫发作程度;某些细胞因子,参与炎症性癫痫的发生^[23]。总之,细胞因子参与癫痫不同发病过程。

越来越多证据也证实转化生长因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)参与癫痫的病理生理,TGF-β与受体结合,激活TGF-β信号通路,促使细胞合成p15与p21蛋白,而这两种蛋白会抑制细胞周期蛋白:CDK复合体。研究用蛋白印迹技术发现颞叶癫痫患者COX-2、NF-κB及TGF-β显著增加^[4]。

缝隙连接(gap junction,GJ)是位于相邻细胞(同类或不同类)膜上的跨膜通道,便于葡萄糖交换和胞外K⁺缓冲。

在正常脑组织里,AST离散分布,很少重叠及交错接合。动物实验证实,在癫痫发作时,AST失去原有的离散分布结构,广泛相互交错接合,且偶联程度加强,这为癫痫发作所需代谢底物提供方便。而抑制GJ却不会改变膜电流,说明GJ可能是AST固有特性^[5]。

近年来比较关注由Cx43和Cx30组成的GJ在癫痫中的作用。研究证实,敲除缝隙连接蛋白可使癫痫阈值下降,但GJ耦合过强同时也会激发痫样活动,促进全面性癫痫发生。用免疫印迹技术证实癫痫动物海马组织Cx43表达显著增加,而Cx30表达却轻微下降。同样,在脑缺血损伤及化学所致脑损伤的胶质瘢痕中,Cx43表达也增加^[5]。兰莉等^[24]证实致痫大鼠海马区Cx32、Cx43表达增加,用甘珀酸处理后,表达量下降。BBB破坏和白蛋白依赖的癫痫发作都会伴随缝隙链接蛋白的短暂下降,这与GJ在调节K⁺水平和减少痫样活动中的作用一致。然而,有研究用Cx43模拟肽抑制GJ,自发性癫痫发作却未明显减弱,对于具体机制仍待研究。

目前确定的GJ参与癫痫机制有:GJ允许细胞间离子直接交换,使神经元活动快速同步化,癫痫敏感性增强^[25];参与第二信使(Ca²⁺、cAMP、IP3等)、兴奋性氨基酸及自由基等代谢产物传递;在某些病理条件下,神经元与AST间GJ数目增多和偶联程度增强,促使AST和远隔神经元异常兴奋^[26]。

综上所述,AST在癫痫发病过程中具有重要的保护作用。但是,目前关于癫痫发病机制的研究大多数实验结果来自于实验动物模型或者离体组织,与人体真实情况还有很大差距。另外,对于一些发病机制仍处于假设阶段,还需进一步探索。相信随着神经生物学、分子生物学、分子遗传学等许多新生学科的发展及各种新技术、新方法的应用,人类对癫痫机制的了解将不断深入,并寻找出新的癫痫治疗药物及其他治疗方法,为癫痫患者送来福音。