グリア瘢痕

グリア瘢痕
脳卒中を起こした人のニューロンの喪失と反応性アストロサイトを示す大脳皮質表層の顕微鏡写真。H &E-LFB 染色。
専門	病理学
原因	トラウマ

グリア瘢痕形成（グリオーシス）は、中枢神経系の損傷後に発生するアストログリオーシスを伴う反応性細胞プロセスです。他の臓器や組織の瘢痕形成と同様に、グリア瘢痕は神経系を保護し、治癒プロセスを開始するための身体のメカニズムです。

神経変性の文脈では、グリア瘢痕の形成は有益な影響と有害な影響の両方を持つことが示されています。特に、多くの神経発達阻害分子が瘢痕内の細胞から分泌され、傷害や病気の後の完全な身体的および機能的回復を妨げます。^[要出典]一方、グリア瘢痕の欠如は、血液脳関門の修復障害と関連付けられています。^[1]

グリア瘢痕は、以下で簡単に説明するいくつかの要素で構成されています。

反応性アストロサイトは、グリア瘢痕の主な細胞成分です。^[2]損傷後、アストロサイトは形態学的変化を起こし、突起を伸ばし、グリア線維性酸性タンパク質(GFAP) の合成を増加させます。GFAP は、アストロサイトがより多くの細胞骨格支持構造を合成し、偽足を伸ばすことを可能にする重要な中間径フィラメントタンパク質です。最終的に、アストロサイトは、死んだ、または死にかけている神経細胞によって生成された空きスペースを埋める、密な細胞膜延長の網を形成します (アストログリオーシスと呼ばれるプロセス)。アストロサイトの激しい増殖は、ラミニン、フィブロネクチン、テネイシン C、プロテオグリカンなどの多くの分子を分泌することにより、損傷領域を取り囲む細胞外マトリックスも変更します。 ^{[3] [4]}これらの分子は、ニューロンの成長の重要な調節因子です。したがって、損傷後のこれらの分子の存在は、再生の阻害に寄与します。^{[5] [6]}

中枢神経系損傷に対するアストロサイトの反応に関するもう一つの重要な注意点は、その不均一性です。特に、アストロサイトの損傷に対する反応は、損傷の性質や損傷部位の微小環境などの要因によって異なります。^{[7] [8]}さらに、損傷のすぐ近くにある反応性アストロサイトは遺伝子発現を増加させ、それによって他のアストロサイトの反応を増幅し、不均一性に寄与します。特に、損傷に最も近いアストロサイトは、通常、細胞外マトリックスにより多くの阻害分子を分泌します。^[2]

ミクログリアは、グリア瘢痕内に存在する2番目に目立つ細胞タイプです。免疫系マクロファージの神経系アナログです。ミクログリアは損傷の近くで急速に活性化し、いくつかのサイトカイン、生理活性脂質、凝固因子、活性酸素中間体、神経栄養因子を分泌します。^[9]これらの分子の発現は、損傷に対するミクログリア細胞の位置に依存し、損傷に最も近い細胞がそのような生物学的に活性な分子を最も多く分泌します。^[要出典]

ミクログリアから分泌される様々な生理活性分子は、内皮細胞と線維芽細胞を刺激し、動員します。これらの細胞は、損傷部位への血管新生とコラーゲン分泌を刺激します。最終的に、損傷部位に伸びる毛細血管の量は、損傷を受けていない中枢神経系領域の2倍になります。^[10]

基底膜は、損傷の中心に形成され、アストロサイトの突起を部分的に覆う組織病理学的 細胞外マトリックスの特徴です。基底膜は、基底膜を主層とする 3 つの層で構成されています。分子的には、基底膜は糖タンパク質とプロテオグリカンのプロトマーによって形成されます。さらに、構造的サポートのために、コラーゲン IVとラミニンによって基底膜内に 2 つの独立したネットワークが形成されます。基底膜の他の分子成分には、フィブリン-1、フィブロネクチン、エンタクチン、ヘパリン硫酸プロテオグリカン パールカンなどがあります。最終的に、アストロサイトは基底膜に付着し、複合体が血管と神経組織を取り囲んで最初の創傷被覆を形成します。^[2]

グリア瘢痕の究極の機能は、中枢神経系の物理的および化学的完全性を回復することです。これは、損傷した領域全体にバリアを生成し、神経組織と非神経組織の境界を密閉することによって行われます。これにより、選択的バリアの再生が可能になり、微生物感染や細胞損傷の拡大を防ぐことができます。さらに、グリア瘢痕は毛細血管の再血行を促進し、神経組織の栄養、栄養、代謝のサポートを強化します。^[2]

グリア瘢痕はニューロンの再生も妨げます。中枢神経系に外傷が加わると、軸索が発芽し、損傷部位を修復するために損傷部位を越えて伸びようとします。しかし、瘢痕は物理的および化学的手段によって軸索の伸展を妨げます。アストロサイトはギャップ結合の密なネットワークを形成し、軸索の再生に対する物理的障壁を生成します。さらに、アストロサイトは化学的に軸索の伸展を妨げるいくつかの成長阻害分子を分泌します。さらに、基底膜成分は軸索の伸展に対する追加の物理的および化学的障壁を生成することが期待されます。^[2]

グリア瘢痕の形成は複雑なプロセスです。グリオーシスの分子メディエーターのいくつかの主要なクラスが特定されており、以下で簡単に説明します。

神経細胞にとって重要な2つのサブクラスであるトランスフォーミング成長因子分子ファミリーは、アストロサイト、内皮細胞、マクロファージを直接刺激するTGFβ-1とTGFβ-2です。TGFβ-1は中枢神経系の損傷後すぐに増加することが観察されていますが、TGFβ-2の発現は損傷部位の近くでよりゆっくりと起こります。さらに、TGFβ-2はアストロサイトによる成長阻害プロテオグリカンを刺激することが示されています。^[11] TGFβ-1とTGFβ-2の実験的減少は、グリア瘢痕を部分的に軽減することが示されています。^[12]

インターロイキンは瘢痕形成を引き起こす細胞メッセンジャーのもう一つの潜在的なファミリーです。特に、単核食細胞によって産生されるタンパク質であるインターロイキン-1は、アストロサイトで炎症反応を開始させ、反応性アストログリオーシスとグリア瘢痕の形成につながります。^{[13] [14]}

グリア瘢痕誘発因子のサイトカインファミリーには、インターフェロンγ（IFNγ）と線維芽細胞増殖因子2（FGF2）が含まれます。IFNγは、損傷した脳モデルにおいてアストロサイトの増殖を誘発し、グリア瘢痕の程度を増加させることが示されている。^{[15]さらに、脳と脊髄の損傷後にはFGF2の産生が増加する。FGF2は、}試験管内でアストロサイトの増殖を増加させることも示されている。^{[16] [17]}

毛様体神経栄養因子（CNTF）は、分泌されない細胞質タンパク質です。CNTF は、in vitro でニューロン培養の生存を促進することが示されており、グリア細胞の分化因子および栄養因子としても機能します。さらに、CNTF は、 in vitro でグリア前駆細胞の分化に影響を及ぼすことが以前に示されていますが、in vivo の設定での CNTF の影響はごく最近になって判明しました。Winterらは、 CNTF を過剰発現するトランスジェニックマウスと、注射によって人工的に CNTF レベルを高めた野生型コントロールマウスを使用し、嗅上皮に鼻腔内注射された ZnSO ₄（既知の神経変性因子）を使用して神経細胞を損傷しました。次に、グリア瘢痕の一般的なマーカーであるGFAP mRNAの発現について嗅球を評価しました。CNTF レベルが上昇したマウスでは、GFAP mRNA の発現が 2 倍に増加していることが判明しました。このデータはCNTFが中枢神経系の損傷後のグリア瘢痕形成を媒介する可能性があることを示唆している。^[18]

ネスチンは中間径フィラメント（IF）の重合と高分子の安定性を助けるタンパク質です。中間径フィラメントは細胞運動の不可欠な部分であり、あらゆる大規模な移動や細胞反応に必要です。ネスチンは通常、（中枢神経系の）発達中に存在し、神経系への軽微なストレスの後に再活性化します。しかし、Frisenらは、グリア瘢痕の形成を伴う損傷などの重度のストレス時にもネスチンがアップレギュレーションされることを突き止めました。中胸脊髄損傷、視神経損傷では、外傷後 48 時間以内にネスチン発現が著しく増加していますが、坐骨神経損傷では増加していません。さらに、ネスチンのアップレギュレーションは、外傷後最大 13 か月持続することが示されています。このデータは、ネスチンのアップレギュレーションが CNS グリア瘢痕形成に関連している可能性があることを示唆しています。^[19]

瘢痕形成を阻止するための技術がいくつか考案されています。これらの技術は、他の神経再生技術と組み合わせて機能回復を助けることができます。

プリン誘導体のオロモウシンは、サイクリン依存性キナーゼ（CDK）阻害剤である。CDKは細胞周期促進タンパク質であり、グリア瘢痕形成時に他の成長促進タンパク質とともに異常に活性化される。^[要出典]このようなタンパク質はアストロサイトの増殖を増加させる可能性があり、細胞死にもつながり、病変部位の細胞損傷を悪化させる可能性がある。オロモウシンを腹腔投与すると、CDK機能が抑制されることが示されている。さらに、オロモウシンは神経細胞死を減らし、アストロサイトの増殖を減らし（したがってアストログリオーシスを減らし）、神経突起成長の有用なタンパク質マーカーであるGAP-43の発現を増やすことがわかっている。さらに、アストロサイトの増殖が減ると、中枢神経系への外傷後の神経再生の阻害に関連する主要な細胞外マトリックス分子であるコンドロイチン硫酸プロテオグリカン（CSPG）の発現が減少する。 ^[20]

最近の研究では、オロモウシンがグリア瘢痕内のミクログリアの増殖を抑制することも示されています。これは、瘢痕形成時にミクログリアが中枢神経系の損傷後の二次損傷に重要な役割を果たすため、特に重要です。ミクログリア細胞は、さまざまな炎症性サイトカイン（いくつかは上記で説明）を介して活性化されます。ラット脊髄損傷モデルは、オロモウシン投与後に顕著な改善を示しました。投与後1時間で、オロモウシンはミクログリアの増殖を抑制し、グリア瘢痕形成の初期段階で通常存在する組織浮腫を軽減しました。さらに、投与後24時間で、インターロイキン-1βの濃度の低下が観察されました。さらに、オロモウシンの投与は神経細胞死を減少させることも示されています。^[21]

ホスホジエステラーゼ4は、ホスホジエステル結合を切断するタンパク質のホスホジエステラーゼファミリーのメンバーです。これは、主要な細胞内シグナル伝達分子である環状アデノシン一リン酸（cAMP）を分解する重要なステップです。逆に、PDE4を阻害するとcAMPが増加します。ニューロン内の細胞内cAMPレベルの上昇は、軸索の成長を誘導することが以前に示されています。 ^[22] 2004年に、Nikulinaらは、 PDE4阻害剤であるロリプラムの投与により、脊髄損傷後のニューロン内のcAMPレベルが上昇することを示しました。これが部分的に可能であるのは、ロリプラムは血液脳関門を通過するのに十分小さく、ニューロン内ですぐに反応を触媒し始めるためです。脊髄損傷を受けたげっ歯類にロリプラムを10日間投与したところ、損傷後2週間でグリア瘢痕の減少を伴うかなりの軸索の成長が見られました。グリア瘢痕の減少のメカニズムは現在のところ不明ですが、反応性アストロサイトの増殖を物理的に防ぐ軸索の延長や、反応性アストログリオーシスを軽減する化学シグナル伝達イベントなどがそのメカニズムとして考えられています。^[23]

リバビリンはプリンヌクレオシド類似体であり、一般的に抗ウイルス薬として使用されています。しかし、反応性アストロサイトの量を減少させることも示されています。脳外傷後少なくとも5日間毎日投与すると、反応性アストロサイトの数が大幅に減少することが示されました。^[24]

GFAP mRNAの発現を低下させるアンチセンスGFAPレトロウイルス（PLBskG）は、細胞周期のG1期におけるアストロサイトの増殖抑制と停止に利用されている。しかし、レトロウイルスの臨床応用における主な注意点は、PLBskGが正常なアストロサイトだけでなく損傷したアストロサイトにも無差別に影響を及ぼすことである。PLBskG投与の全身的影響を判断するには、さらなる生体内研究が必要である。^[25]

前述のように、トランスフォーミング成長因子β2（TGFβ2）は、アストロサイトの増殖に直接影響を与える重要なグリア瘢痕刺激因子です。LoganらはTGFβ2に対するモノクローナル抗体を開発し、ラットの脳に脳損傷を作製し、抗体を脳室から10日間毎日投与しました。その後の分析では、グリア瘢痕の顕著な減少が示されました。特に、細胞外マトリックスタンパク質沈着（ラミニン、フィブロネクチン、コンドロイチン硫酸プロテオグリカン）は、ベースライン（負傷していない動物のタンパク質発現レベル）に近づきました。さらに、アストロサイトとミクログリアの減少、炎症と血管新生の減少が観察されました。^[26]

インターロイキン-6 (IL-6) はグリア瘢痕形成の分子メディエーターであると考えられています。神経幹細胞のアストロサイトへの分化を促進することが示されています。^[要出典]モノクローナル抗体 MR16-1 は、ラット脊髄損傷モデルにおける IL-6 受容体を標的とし、阻害するために使用されています。Okada らによる研究では、脊髄損傷を生じさせた直後にマウスに MR16-1 を 1 回腹腔内注射しました。IL-6 受容体の阻害により、脊髄損傷部に存在するアストロサイトの数が減少し、この減少はグリア瘢痕の減少と関連していました。^[27]

コンドロイチナーゼABCはグリア瘢痕を分解することが示されています。^{[28] [29]}コンドロイチナーゼによるグリア瘢痕の分解は、脊髄損傷からの回復を促進することが示されています。^{[30]特に、}神経誘導導管、シュワン細胞移植、^[31]および末梢神経自家移植などの他の技術と組み合わせた場合に顕著です 。^[32]

• 線維症
• 中枢神経系の病変性脱髄
• 多発性硬化症の病理