《GLIA》：Astrocyte Mechanobiology: Linking Biomechanical Forces to Biochemical Signaling in the Central Nervous System
星形胶质细胞是中枢神经系统（CNS）内最丰富的胶质细胞。它们是高度特化的力学感受器，能够探测外部生物力学刺激的动力学特征和幅度（即，基质底物硬度和剪切/压缩/拉伸生物力学应变）。研究人员通过整合素（integrins）、焦点粘附（focal adhesions）、连接蛋白（junctional proteins）和力学敏感通道（mechanosensitive channels）的复杂相互作用整合这些生物力学线索。在发育过程中，这种串扰确保了星形胶质细胞的命运成熟和异质性。然而，在机械性神经损伤中，这些力学感知元件可能驱动异常的信号传导。星形胶质细胞在病理状态下的力学反应范围包括影响细胞形态和硬度的细胞骨架重塑、钙信号中断、代谢改变、促炎性信号以及破坏性的基质重塑。最终，这些力学反应会形成正反馈循环，加剧反应性星形胶质化（reactive astrogliosis），损伤神经组织，并总体上抑制这些疾病中的神经再生。本综述综合了目前关于发育和疾病期间星形胶质细胞力学生物学的知识，并强调了持续研究减轻疾病中星形胶质细胞力学功能障碍（mechanodysfunction）治疗潜力的重要性。
星形胶质细胞作为中枢神经系统力学线索的核心解读器
星形胶质细胞既是最常见的胶质细胞，也是中枢神经系统（central nervous system, CNS）的核心调节者。它们的特征是星状形态，细胞体小，延伸的突起可径向延伸长达数百微米。星形胶质细胞通过彼此耦合形成复杂的网络，利用其终足连接附近的血管，并与邻近的神经元和周围的细胞外基质（extracellular matrix, ECM）紧密相互作用。因此，这个精密的星形胶质细胞突起网络调控着多种稳态功能，从调节神经元突触可塑性和能量分配，到影响神经血管单元内血管的收缩和张力，再到调节ECM组成。重要的是，星形胶质细胞对机械应力源尤其敏感，如颅内脉动、脑脊液和组织液流动以及ECM硬度。因此，它们既是生化调节器，也是力学感受器，将生物力学线索转化为影响CNS生理学的信号级联。
中枢神经系统是一种柔软、高顺应性且力学特性独特的组织，被限制在一个刚性腔体（即颅骨和椎管）内，并承受着源于血流动力系统和脑脊液之间动态相互作用的无数生物力学应变。与富含纤维状胶原蛋白的大多数结缔组织不同，中枢神经系统的ECM主要由透明质酸和蛋白聚糖组成，纤维状胶原蛋白含量较少。这种ECM蛋白质组成具有独特的灵活性，使中枢神经系统组织能够响应生物力学力并在缓冲液体容积变化的同时维持其整体结构。通过这种方式，该环境使常驻细胞能够检测和响应由血液、脑脊液和组织液流动变化引起的细微生物力学改变。
在中枢神经系统发育过程中，星形胶质细胞沉浸在动态的力学环境中，其中组织硬度、ECM组成和生物力学应变的变化积极地塑造其成熟并驱动星形胶质细胞异质性的出现。随着衰老，中枢神经系统经历进行性硬化和ECM糖蛋白沉积增加，改变其生物力学微环境并加剧神经炎症。这些变化使星形胶质细胞更具反应性，对大脑结构、神经元存活和疾病易感性产生影响。此外，不同星形胶质细胞亚群对机械刺激的反应是多样的，并受其位置以及它们在空间和时间上所承受的生物力学刺激范围（即其生物力学“环境”）的调节。
在许多中枢神经系统疾病中，神经组织的物理力和力学特性受到影响。事实上，神经病理学与生物力学环境的破坏相关，这会影响星形胶质细胞功能，进而促进疾病进展。这些破坏，包括组织硬化、剪切应力升高以及来自冲击性和非冲击性损伤的拉伸/压缩力，可以深刻改变星形胶质细胞行为。这种力学病理学（mechanopathology）的具体例子包括创伤性脑和脊髓损伤中的急性功能障碍、进行性神经退行性疾病（如青光眼）以及快速进展的恶性肿瘤（如原发性脑肿瘤，即胶质母细胞瘤；glioblastoma, GBM）。因此，跨所有中枢神经系统组织——从大脑、脊髓到眼睛——直接的病理性生物力学损伤（即压缩、拉伸、剪切应力和基质硬度变化）可以驱动细胞功能障碍和组织重塑，凸显了星形胶质细胞力学生物学的疾病非特异性相关性。
脑或脊髓的创伤性神经损伤（traumatic neural injury, TNI）包含急性生物力学损伤和严重的组织破坏。在此，星形胶质细胞是应对这种损伤的主要反应者，它们最终在决定损伤的恢复反应中起着至关重要的作用，通常导致有害的胶质瘢痕（glial scar）形成。在慢性力学病理学——青光眼中，星形胶质细胞功能障碍与视网膜神经节细胞的进行性丧失相关；在这里，作用于视神经头（optic nerve head, ONH）的生物力学应变增加通常与眼内压（intraocular pressure, IOP）升高相关。视神经头内的星形胶质细胞对于响应这种力学应变至关重要，根据疾病阶段，它们可能支持或阻碍视网膜神经节细胞的神经元健康。作为侵袭性神经恶性肿瘤的例子，源于转化的神经前体细胞的胶质母细胞瘤具有高度增殖性，并在生长过程中快速侵袭神经组织。在这里，肿瘤相关星形胶质细胞的行为直接受到生长和侵袭的肿瘤团块引入的ECM组成和特性变化的调节。与神经创伤性损伤和青光眼不同（其中反应性星形胶质细胞的初始反应是试图恢复受伤神经组织的健康），肿瘤相关星形胶质细胞能够劫持周围微环境以促进肿瘤生长和侵袭性。
尽管星形胶质细胞在这些疾病中承受的生物力学输入种类繁多，但存在共同的机制来决定星形胶质细胞如何感知、处理和响应这些生物力学应变。鉴于生物力学微环境、星形胶质细胞在健康和疾病中的行为以及星形胶质细胞在调节神经元健康中的关键作用之间的复杂关系，本综述的主要目标是全面总结星形胶质细胞对生物力学刺激的反应。许多详细描述星形胶质细胞力学反应的研究利用了体外模型系统来分离星形胶质细胞在复杂的体内环境中的反应，而体内环境可能被损伤诱发的炎症和血流改变所混淆。以下部分描述了生物力学环境对正常星形胶质细胞发育的作用，随后讨论了星形胶质细胞的力学感知、力学信号传导和力学反应，并以潜在的靶向病理性力学生物学治疗途径的讨论作结。
星形胶质细胞发育受机械刺激塑造
除了生化信号传导，有越来越多的证据表明，发育中的神经组织的物理特性是决定神经干细胞（neural stem cell, NSC）命运的关键因素。在发育过程中，基质力学线索——包括周围组织硬度——调节细胞行为。例如，组织硬化线索促进神经嵴迁移，而神经干细胞分化的体外研究表明，生物力学线索可以引导神经干细胞分化为神经元、星形胶质细胞或少突胶质细胞。作为机械环境调节细胞命运的一个关键例子，一些研究将力学敏感通道Piezo1与人类神经干细胞向神经元分化联系起来，通过细胞内钙离子内流和下游Yes相关蛋白（yes-associated protein, YAP）的激活来实现。
证据表明，基质硬度影响体外神经干细胞的生长和分化。Leipzig和Shoichet (2009) 表明，弹性模量低于1 kPa的较软基质有利于神经元分化，而在弹性模量为3.5 kPa的较硬基质上则主要观察到星形胶质细胞分化。在另一项研究中，Seidlits等人（2010）旨在通过生成具有可调硬度的透明质酸水凝胶来阐明脑组织柔软性对神经干细胞分化的贡献。与新生脑组织硬度相当的水凝胶促进了包裹的中脑来源的神经前体细胞（neural progenitor cell, NPC）的神经元分化。相反，模拟成人脑组织力学特性的较硬水凝胶导致神经前体细胞主要分化为星形胶质细胞。总的来说，这些发现突出了基质力学线索在指导神经前体细胞命运中的重要作用。
基质硬度并非驱动神经干细胞分化的唯一生物力学因素。使神经干细胞承受静态拉伸会特异性阻碍其分化为少突胶质细胞，但不影响神经元或星形胶质细胞分化。这种效应依赖于特定的ECM组成，其中层粘连蛋白（laminin）诱导少突胶质细胞生成减少，而纤连蛋白（fibronectin）则没有。相反，在应对循环单轴应变时，Abraham等人（2021）发现对神经干细胞分化没有影响，但确定“年轻”的星形胶质细胞在对生物力学刺激的反应中表现出明显的力学敏感性。总的来说，这些研究强调了生物力学力与ECM的物理特性相结合如何直接影响神经干细胞的力学感知并调节其反应以承担星形胶质细胞命运。
生理和病理条件下的星形胶质细胞力学感知
力学感知（Mechanosensation）被定义为细胞感知其周围生物力学环境信息的能力。检测生物力学线索的过程由一个动态的分子网络介导，该网络由ECM受体、细胞-细胞连接蛋白、大孔通道如连接蛋白（connexins）和泛连接蛋白（pannexins），以及力学敏感离子通道组成。这些力学敏感参与者共同将外部生物力学应变的变化整合为细胞信号传导和反应，从而调控星形胶质细胞的静止、反应性胶质化（gliosis）以及胶质-ECM和神经元-胶质通讯。
整合素（Integrins）
在主要的ECM受体中，整合素代表了星形胶质细胞力学感知的主要轴线。它们是由非共价结合的α和β亚基组成的异二聚体跨膜受体，其胞外域可以结合ECM配体如纤连蛋白、胶原蛋白和层粘连蛋白，而胞质尾可以招募衔接蛋白如踝蛋白（talin）、桩蛋白（paxillin）、纽蛋白（vinculin）以连接到肌动蛋白（actin）细胞骨架。在星形胶质细胞中，β1、αVβ3和α5β1整合素特别相关。通过与相应的ECM配体结合，这些整合素形成焦点粘附，激活焦点粘附激酶（focal adhesion kinase, FAK）以及下游信号级联（例如，丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase, MAPK）、PI3K/Akt、NFκB），促进星形胶质细胞增殖、存活和炎症。
通过这种方式，整合素充当了来自ECM的外部力与细胞骨架之间的桥梁。在各种整合素亚型中，αVβ3整合素已成为星形胶质细胞中的关键力学传感器，因为它还调节星形胶质细胞-神经元相互作用。星形胶质细胞的αVβ3整合素可以结合存在于神经元细胞膜上的Thy1，从而指导神经元突起回缩。同时，在体外与力学刺激相结合时，Thy1与αVβ3的结合可以诱导星形胶质细胞粘附、肌动球蛋白（actomyosin）收缩性和焦点粘附增强。这些激活的整合素发生的构象变化促进了“由外向内”（outside-in）和“由内向外”（inside-out）的双向信号传导：“由外向内”信号将有关ECM硬度和生物力学应变的信息传递到星形胶质细胞细胞质中，“由内向外”信号则使星形胶质细胞能够对ECM产生收缩力以诱导硬化。因此，星形胶质细胞整合素对生物力学应变的这种“由外向内/由内向外”反应可以通过正反馈循环来放大，其中ECM硬化可以进一步强化整合素信号传导，加剧星形胶质细胞收缩性和反应性胶质化，并最终维持一个病理性的微环境。
连接蛋白（Connexins）和泛连接蛋白（Pannexins）
星形胶质细胞中另一个力学感知输入的来源是连接蛋白和泛连接蛋白家族通道。连接蛋白是四次跨膜蛋白，它们寡聚形成称为连接子（connexons）的六聚体半通道（hemichannels）。特别是在星形胶质细胞中，连接蛋白43（connexin 43, CX43）是主要的亚型，而连接蛋白30（connexin 30）的表达水平较低。虽然来自相邻星形胶质细胞的两个连接蛋白半通道对接形成缝隙连接（gap junctions），允许离子和小分子/代谢物通过扩散进行细胞间通讯，但据推测星形胶质细胞中未对接的半通道能够与细胞外空间直接通讯。因此，这些由CX43介导的缝隙连接的功能是允许星形胶质细胞形成胶质合胞体（glial syncytium），以在长距离范围内分配这些离子和代谢物。事实上，在啮齿类青光眼模型中敲低CX43导致未受影响的眼睛中糖原减少，这表明星形胶质细胞能够通过视交叉重新分配代谢资源以响应生物力学应变的增加。
与连接蛋白不同，星形胶质细胞中的泛连接蛋白由非连接性的泛连接子（pannexons）组成，它们可以作为小分子直接运输到ECM的途径。重要的是，体外研究表明，培养的星形胶质细胞可以在响应生物力学应变和渗透性机械应力时打开泛连接蛋白1（Pannexin1）半通道，将ATP释放到细胞外空间。反过来，这种细胞外ATP可以通过嘌呤能受体（purinergic receptors）以自分泌和旁分泌的方式发挥作用，从而调节神经元-胶质通讯。此外，连接蛋白和泛连接蛋白的表达在压缩性或创伤性超压条件下均上调，从而放大星形胶质细胞之间以及与邻近细胞的信号传导和通讯。在急性和慢性神经病理学中，异常的半通道活性加剧了炎症、反应性胶质化，并最终导致兴奋毒性和神经元死亡。
力学敏感通道（Mechanosensitive Channels）
力学敏感细胞是细胞表面力检测最关键的介质，因此它们能够对膜张力和生物力学应变的变化提供快速响应。星形胶质细胞中一种重要的力学敏感通道是Piezo1。Piezo1对拉伸和压力高度敏感，它是一个大的三聚体蛋白复合物，形成一个相对较小的、非选择性的阳离子渗透孔，在激活时允许Ca2?内流。Piezo1已被牵涉到星形胶质细胞对剪切应变和基质硬度变化的感知中。体外青光眼模型实验也显示，Piezo1在生物力学应变下调节星形胶质细胞形态和核动力学。
星形胶质细胞中另一种同样重要的力学敏感通道是瞬时受体电位香草素4通道（transient receptor potential vanilloid 4, TRPV4）。TRPV4被拉伸或渗透性应力激活也会引发Ca2?内流。邻近连接分析显示TRPV4与CX43之间存在密切关联，并支持由此产生的Ca2?内流也可以通过CX43缝隙连接传播到相邻的星形胶质细胞。因此，Piezo1和TRPV4是关键的力学敏感蛋白，其功能是生物力学力的初始检测器，随后的钙信号传导作为中央整合器，从而使星形胶质细胞能够将这些生物力学信息在广泛的细胞网络中传递。
细胞内钙动力学在星形胶质细胞中充当重要的第二信使，通过将细胞外线索转化为驱动细胞行为变化的生化信号。力学敏感通道激活后，Ca2?内流可通过肌醇三磷酸受体（inositol triphosphate receptors, IP3Rs）和兰尼碱受体（ryanodine receptors）触发星形胶质细胞从内质网（endoplasmic reticulum, ER）细胞内储存库中释放额外的钙。通过将Ca2?内流与其从ER释放相耦合，星形胶质细胞可以在时空上控制信号行为。这种细胞内Ca2?的增加已被证明通过MAPK/ERK通路诱导下游信号传导，改变肌动蛋白细胞骨架完整性，诱导星形胶质细胞反应性，调节基因表达，以及调节其他多种细胞过程。
生物力学损伤下的综合力学感知相互作用
在TNI、GBM或青光眼等病理性生物力学应激源的背景下，这些力学感知元件在星形胶质细胞内形成复杂的关系，以调节它们在其生物力学微环境中的反应。例如，周围ECM的硬化可导致星形胶质细胞中β1和αVβ3整合素的上调。这促使焦点粘附成熟，进而通过肌动蛋白-肌球蛋白机制增强细胞骨架收缩性，最终导致下游促炎性星形胶质细胞表型。病理性压缩压力模型促使星形胶质细胞上调CX43、整合素β1和N-钙粘蛋白（N-cadherin），并增加细胞增殖以应对增加的生物力学应力。与此同时，泛连接蛋白1的上调可以促进细胞外ATP释放，并通过嘌呤能受体刺激影响邻近星形胶质细胞和神经元功能。因此，星形胶质细胞拥有高度整合的力学感知机制，其中整合素、连接蛋白/泛连接蛋白和力学敏感通道协同工作以感知细胞外力并调整其对这些ECM力变化的敏感性。虽然这种机制使星形胶质细胞能够动态适应其微环境，但它也可能使其在感知病理性生物力学应力时更容易变得反应性，并促成适应不良的重塑。研究人员对这种动态相互作用的当前认识仍然不完整；非常需要继续研究病理性生物力学应变的幅度和持续时间如何调节这种综合的星形胶质细胞力学感知系统。
生物力学损伤下的星形胶质细胞力学信号传导
一旦星形胶质细胞检测到其生物力学微环境中力的存在和大小，细胞内力学信号传导就将这些线索转化为生化反应。这个过程涉及其细胞骨架的重塑、离子/钙信号传导，以及基因调节通路的激活，最终塑造星形胶质细胞的行为和功能。
细胞和细胞核信号级联
在钙离子的下游，MAPK/ERK和PI3K/Akt信号传导代表了有助于星形胶质细胞力学信号传导的经典激酶通路。拉伸和ATP介导的ERK1/2激活增强星形胶质细胞增殖和存活，而PI3K/Akt信号传导协调细胞骨架重塑以增加对细胞应激的抵抗力。值得注意的是，这些激酶通路与钙依赖性的Ras和受体酪氨酸激酶的激活相耦合，这可能调节对生物力学负荷的急性细胞应激和长期细胞应激的转录变化。
同时，Notch和Hippo通路可能在响应生物力学刺激时被激活。例如，Notch-1信号传导已被确定为损伤中枢神经系统内星形胶质细胞增殖的调节因子。同样，由YAP及其具有PDZ结合基序的转录共激活因子（transcriptional coactivator with PDZ-binding motif, TAZ）形成的蛋白质复合物作为细胞核信号，改变星形胶质细胞转录组，以促进分化、增殖、ECM重塑和整体神经组织修复。重要的是，所有这些通路（即MAPK/ERK、PI3K/Akt和YAP/TAZ）之间存在大量的串扰，以将星形胶质细胞力学信号传导与更广泛的神经损伤反应相整合，导致全局性星形胶质网络胶质化。
整合的嘌呤能和代谢信号传导
星形胶质细胞中的力学信号传导过程进一步受到嘌呤能信号传导增加和代谢重编程的影响。例如，在检测到其微环境中更大的拉伸应变后，星形胶质细胞可以通过连接蛋白和泛连接蛋白半通道将ATP分子分泌到细胞外空间。这些新释放的ATP反过来可以激活嘌呤能P2受体并触发钙依赖性ERK1/2信号级联以促进星形胶质细胞增殖。有趣的是，这一过程与星形胶质细胞整体细胞硬度的降低相关，这可能影响随后的力学信号传导。
相反，长期的拉伸应变，如在视神经头中的星形胶质细胞所见，可以启动代谢重编程。在这种背景下，星形胶质细胞表现出代谢向糖酵解增加和ATP连接的线粒体呼吸减少的转变。它们也变得更加依赖谷氨酰胺代谢来支持其增加的生物能学并补充三羧酸（tricarboxylic acid, TCA）循环中间体。通过优先使用谷氨酰胺而非乳酸作为能量来源，星形胶质细胞可能保留乳酸以支持邻近的神经元。因此，这些发现表明，响应生物力学负荷，星形胶质细胞会重新编程其生物能量学概况，以维持其自身维护和神经元活动增加的能量需求，从而影响中枢神经系统的整体代谢健康。
总之，这些发现表明星形胶质细胞力学信号传导是一个多层次的过程，生物力学负荷可导致星形胶质细胞中钙离子内流和钙波传播，以激活激酶信号级联（例如MAPK/ERK、PI3K/Akt）和核力学转导调节因子（例如YAP/TAZ）。这些通路之间的相互作用可随后调节星形胶质细胞存活、分化和胶质化，同时整合嘌呤能和代谢重编程以促进对生物力学刺激的适应性细胞反应。
生物力学损伤下的星形胶质细胞力学反应
星形胶质细胞力学信号传导的激活驱动了星形胶质细胞反应和功能的关键变化。这些下游力学反应包括细胞形态改变、类炎症表型和ECM重塑，所有这些都可能进一步显著调节患病中枢神经系统的生物力学微环境。
形态学力学反应
中枢神经系统疾病的体内模型表明，形态学反应是星形胶质细胞适应最早的指标之一。在TNI模型中，损伤部位附近的星形胶质细胞发生肥大并形成具有重叠突起的致密胶质瘢痕，而较远的星形胶质细胞则显示出不太明显的形态学变化。同样，在慢性生物力学应变模型（如青光眼）中，星形胶质细胞形态学力学反应也是分级的。体内和离体研究均显示，位于较大生物力学应变区域的星形胶质细胞经历显著的突起回缩，而承受较小生物力学应变的星形胶质细胞则延长并增厚其突起。有趣的是，当机械损伤持续时间相对较短（约1小时）时，突起变化可持续3-7天，然后在一个月内恢复到基线形态。这些发现表明，早期星形胶质细胞形态重塑，包括突起回缩和增厚，先于这些模型中可检测到的神经元变性。因此，星形胶质细胞形态的改变成为中枢神经系统生物力学损伤模型中力学功能障碍的最早标志之一。
事实上，星形胶质细胞可以将生物力学应变转化为细胞骨架和核重塑，从而驱动形态和行为的变化。最近的研究表明，持续的生物力学变形，无论是线性的还是成角度的，都可以直接导致星形胶质细胞突起回缩和皮层肌动蛋白从细胞膜上脱离。因此，这些受损的星形胶质细胞整体结构完整性降低。肌动蛋白动力学支配着这些星形胶质细胞的变化。使用肌动蛋白药理学操作的研究表明，用Latrunculin B抑制聚合即使在没有生物力学负荷的情况下也会降低细胞膜硬度，而通过Jasplakinolide处理促进肌动蛋白聚合则可以防止应变诱导的细胞膜软化。
这些发现在大鼠皮层和视神经头星形胶质细胞的压缩性和拉伸性损伤模型中是一致的。例如，循环生物力学应变可以驱动细胞排列，并通过减少细胞突起复杂性和降低全局F-肌动蛋白面积覆盖来影响星形胶质细胞耦合。此外，这些生物力学应变也改变核大小并诱导依赖于应变幅度和持续时间的转录变化。新出现的证据表明，肌动蛋白与核膜蛋白如Emerin和Nesprin-2的系连可能介导了应变诱导的转录激活，从而将生物力学诱导的细胞骨架重塑与基因表达变化联系起来。此外，力学敏感Piezo1通道的激活可能放大这些形态学反应。例如，在视神经头星形胶质细胞中直接药理学激活Piezo1可以重现许多与单独生物力学应变观察到的细胞骨架、形态和核变化，而抑制Piezo1则可以特异性地逆转拉伸诱导的细胞改变。
总的来说，这些研究表明星形胶质细胞形态是中枢神经系统健康和稳态的明确指标，因此在生物力学损伤后，这些胶质细胞会迅速重塑其细胞骨架结构和核信号传导。生物力学应变诱导的星形胶质细胞形态变化如何改变星形胶质细胞耦合的强度和整体胶质合胞体，目前知之甚少，这是一个未来的研究领域。
促炎性力学反应
星形胶质细胞也能够将生物力学应力转化为促炎性力学反应。除了细胞骨架的变化外，在其反应状态，它们可以激活诸如NF-κB、MAPK、JAK–STAT、Wnt/β-catenin、PI3K-Akt和TGF-β等通路，所有这些都驱动星形胶质细胞中的促炎信号传导。承受病理性生物力学拉伸应变的星形胶质细胞会升高炎症细胞因子和趋化因子（即IL1β、IL6、KC/GRO和TNFα）的分泌。这些因素影响神经元-胶质通讯，并可以同时激活常驻小胶质细胞。这导致一个正反馈循环，维持炎症并加剧中枢神经系统内的损伤。
对于慢性神经退行性疾病，如青光眼，炎症细胞因子水平升高，影响视网膜和视神经头区域。一个与反应性胶质化相关的显著细胞因子是IL6，它可以促进中枢神经系统神经炎症和神经毒性，并且巧合地受到嘌呤能信号传导的调节。模拟人类已知升高水平的生物力学应变导致视神经头星形胶质细胞和视网膜神经节细胞在体外增加IL6释放。这种反应依赖于P2X7受体的激活，因为药理学阻断该受体消除了细胞因子的增加。补充性的体内研究也证实了星形胶质细胞的这种促炎反应。啮齿动物中升高的IOP上调了细胞因子，其中IL6显示出最大的增加，而阻断P2X7受体阻止了压力依赖性的IL6升高。总之，这些发现阐明了星形胶质细胞嘌呤能受体信号传导与生物力学损伤反应中的促炎信号传导之间的机制关系。
此外，生物力学损伤可以与分泌的促炎细胞因子协同作用，加剧星形胶质细胞激活，增加ERK信号传导、乳酸脱氢酶（lactate dehydrogenase）释放和MMP9分泌，从而加重细胞应激。更大程度的生物力学损伤可能导致膜通透性增加，表明更严重的细胞损伤和死亡。对拉伸的大鼠皮层星形胶质细胞的蛋白质组学分析鉴定出与信号转导子和转录激活子3（signal transducer and activator of transcription 3, STAT3）信号传导和膜通透性相关的蛋白质。STAT3的下调降低了GFAP和磷酸蛋白15（phosphoprotein 15, PEA15）的水平，这些是维持膜完整性所必需的，从而促进细胞死亡。这些发现表明，星形胶质细胞膜完整性的破坏是对生物力学损伤的炎症反应的下游后果。总之，这些研究揭示了星形胶质细胞如何整合生物力学刺激来驱动影响其自身反应性和周围环境的炎症反应，将星形胶质细胞定位为调节力学病理学中神经炎症的令人兴奋的靶点。
ECM重塑力学反应
ECM的重塑是星形胶质细胞力学反应的核心组成部分。星形胶质细胞可以通过合成、分泌和酶修饰基质成分来主动改变周围的ECM。这些ECM改变对于星形胶质细胞调节微环境至关重要，并且可以直接影响神经元功能和恢复以及生物力学损伤后的胶质瘢痕形成。
例如，在健康条件下，星形胶质细胞显示出对各种ECM蛋白（如层粘连蛋白、纤连蛋白和腱生蛋白（tenascins））相对较低的产生。然而，随着中枢神经系统受到损伤，这些蛋白由星形胶质细胞沉积增加，这可以改变周围ECM的组成并重塑其力学特性。星形胶质细胞还可以产生基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases，例如MMP2、MMP9）和这些金属蛋白酶的内源性组织抑制剂，从而调节ECM的降解和周转。重要的是，星形胶质细胞力学信号传导的显著改变会破坏ECM稳态，并导致一个正反馈循环，通过该循环ECM重塑产生异常的生物力学刺激并加剧胶质-神经元应激，最终损害组织修复。
机械刺激可以通过重塑其周围的ECM并改变组织成分和硬度来进一步影响星形胶质细胞反应。例如，生物力学损伤的星形胶质细胞可以改变其关键ECM蛋白的表达，如胶原蛋白、纤连蛋白和硫酸软骨素蛋白聚糖（chondroitin sulfate proteoglycans, CSPGs）（例如versican和neurocan）。这在胶质瘢痕模型的研究中尤其明显，其中承受应变的星形胶质细胞经历其星状形态的变化，并增加瘢痕相关标志物（如phosphacan、neurocan、腱生蛋白、纤连蛋白和层粘连蛋白）的分泌。由此产生的结构性ECM改变随后会抑制神经突生长并限制神经元再生。
除了分泌结构性ECM蛋白外，不同神经病理学中的反应性星形胶质细胞还可以通过释放修饰ECM成分的酶来重塑其周围环境。这种星形胶质细胞活性在恶性胶质瘤的研究中可以看到，其中肿瘤细胞劫持星形胶质细胞介导的ECM重塑来增强组织侵袭。例如，胶质瘤相关星形胶质细胞可以分泌增加MMP2以降解胶原蛋白IV，而胶质瘤细胞可以同时发出信号抑制MMP2抑制剂TIMP-2，从而增强ECM降解。此外，胶质瘤细胞也可能释放纤溶酶原（plasminogen）以持续刺激MMP2活性并促进肿瘤在更异质的ECM基质中侵袭。同样，健康的星形胶质细胞在暴露于生物力学刺激并存在促炎细胞因子如IL1β时，也可能增加MMP2和MMP9的释放。有趣的是，重复或慢性的生物力学负荷在星形胶质细胞中可能产生相反的效果，即它们可能减少MMP释放，而是增加MMP抑制剂的表达，这可能阻碍ECM重塑并限制组织损伤。因此，使用亚阈值生物力学应力对星形胶质细胞进行预处理可能导致适应性细胞变化，增强其耐受后续和瞬态生物力学应变的能力。
总之，这些研究强调了星形胶质细胞可以通过调节ECM，在不同力学病理学中有助于中枢神经系统组织的组成、结构和物理特性，从而产生一个正反馈循环，进一步影响星形胶质细胞反应。因此，星形胶质细胞代表了旨在改善TNI和慢性神经退行性疾病中神经恢复和组织修复，以及限制快速生长的神经恶性肿瘤中观察到的肿瘤侵袭的治疗的重要靶点。
由生物力学力幅度和持续时间决定的星形胶质细胞反应
在所有类型的生物力学力——包括基质硬度、剪切应变、拉伸和压缩中，星形胶质细胞都能辨别生物力学应变幅度和持续时间的细微变化，从而改变细胞行为。例如，由流体流动产生的剪切应变，即使在较低水平（<0.1 dyn/cm2）和短持续时间脉冲（10-30秒）下，也会诱导可检测的Piezo1介导的Ca2?内流和ATP释放。然而，增加剪切应变幅度（至0.3 dyn/cm2）或持续时间（>30秒）会破坏星形胶质细胞粘附，最终在体外导致细胞脱落。由于星形胶质细胞与其ECM/底物的关系对其生理功能至关重要，这种破坏可能对星形胶质细胞调节血管和ECM稳态的能力产生深远影响。
ECM的物理特性也可以深刻影响星形胶质细胞的形态、基因表达和行为。传统的二维培养系统比原生神经组织（Budday等人，2015, 2017；Jensen和Teng，2020）硬几个数量级（兆-吉帕斯卡），因此在基线时就可以驱动星形胶质细胞向反应性或纤维化表型转变。为了解决体外这个问题，可调节的聚丙烯酰胺（polyacrylamide, PA）底物已被广泛用于模拟生理相关的星形胶质细胞硬度范围。例如，细微的硬度差异（300、800和1 kPa）足以诱导不同的星形胶质细胞表型。在这里，较软的基质促进了反应性胶质化，而中等硬度增加了蛋白聚糖表达，较硬的基质诱导了“静息”形态。来自肿瘤模拟模型系统的互补证据表明，在代表健康大脑（1 kPa）、脑膜瘤（4 kPa）和恶性胶质瘤组织（11 kPa）硬度的底物上培养的正常星形胶质细胞显示出细胞牵引力增加、细胞间应力和应变强度增加，以及迁移速度随着刚度增加而降低。因此，这些研究表明星形胶质细胞对基质硬度的反应不是线性的，并表明需要一个“最佳”的底物硬度来鼓励星形胶质细胞静息，而较低或较高的硬度都可能驱动反应性表型。
在响应拉伸或压缩生物力学应变时，星形胶质细胞整合了关于应变频率以及幅度和持续时间的信息。在这里，泛连接蛋白和Piezo1通道在辨别这些差异方面似乎发挥着重要作用。在响应24小时持续拉伸时，星形胶质细胞增加了Piezo1介导的肌动蛋白重塑和细胞硬化，但当承受10次3 Hz的快速拉伸时，Piezo1被瞬时激活并诱导整体细胞软化。同样，12.5 μm/天的静态拉伸诱导突起伸长，而较慢或较快的拉伸速率则抑制突起伸长。在分析施加的压缩应变时，短时间损伤（<2小时）主要通过MAPK/ERK通路和cAMP-CREB信号传导增加Ca2?信号。相反，持续损伤（即约24小时静态应变）导致星形胶质细胞反应性和代谢的巨大变化，包括GFAP、NOS-2和Hif1α的变化，以及细胞骨架重塑。
总之，虽然生物力学应变的幅度和持续时间对于决定细微的星形胶质细胞反应很重要，但星形胶质细胞对不同类型生物力学应变（即硬度、剪切、拉伸和压缩）的反应是通过共享通路来调控的，包括力学敏感离子通道、嘌呤能信号传导、细胞骨架重塑和下游信号级联（如MAPK/ERK和cAMP-CREB），从而影响细胞形态、硬度和代谢/炎症/ECM力学反应。
星形胶质细胞力学功能障碍作为治疗靶点
鉴于星形胶质细胞在中枢神经系统生物力学微环境中作为关键力学转导因子的重要作用，必须认识到在神经病理学中存在新的治疗干预的潜力。靶向力学功能障碍可能允许调整星形胶质细胞反应性，减少适应不良反应，并促进神经恢复和组织修复。设计此类治疗策略需要早期调节星形胶质细胞力学功能障碍和胶质-ECM相互作用，以减弱过度的力学反应并恢复健康的胶质力学转导。然而，目前的策略集中在由机械损伤触发的下游因素。
例如，在TNI中，周围ECM的改变可能诱导星形胶质细胞中的异常力学信号传导，促使促炎通路（如NFκB和JAK/STAT3）的激活，从而加剧神经损伤。与此一致，STAT3抑制可能减少力学病理学中的反应性胶质化。具体而言，在GBM中，直接抑制星形胶质细胞中的CXCL5和STAT3可以减少肿瘤进展。
同样，在使用JAK/STAT3抑制剂（如Stattic或cucurbitacin I）在神经元和混合原代细胞培养中，星形胶质细胞反应性显著降低，神经恢复大为改善。姜黄素（Curcumin）是另一种已被证明有用的药理学治疗方法，可通过减弱头部创伤后星形胶质细胞中水通道蛋白4（aquaporin-4, AQP4）的表达来减轻反应性胶质化，这可能以NFκB依赖性机制减少脑水肿和颅内压。此外，Peptide5可能通过抑制星形胶质细胞CX43半通道来减少ATP释放和星形胶质细胞钙波，已显示出神经保护和抗炎潜力。
与这些治疗靶点相辅相成，其他方法则集中于靶向星形胶质细胞-ECM相互作用。这反映在针对ECM成分（如赖氨酰氧化酶（lysyl oxidase）和纤连蛋白）的研究中，这些研究导致了组织纤维化的减少。同样，操纵CSPG表达和活性可以降低胶质瘢痕的刚度并改善神经力学病理学中的组织重塑。在TNI研究中，用软骨素酶ABC（chondroitinase ABC）酶解去除CSPG侧链可增加移植的神经干细胞的迁移并促进神经突生长，而通过透明质酸酶（hyaluronidase）分解ECM中的透明质酸也可以减少CSPG沉积并减弱星形胶质细胞促炎信号。
由于基质金属蛋白酶在力学病理学的ECM重塑中发挥着如此关键的作用，抑制MMP-2和MMP-9的分泌可以减轻病理性ECM软化。例如，胶质瘤细胞依赖星形胶质细胞分泌的MMP来侵袭神经组织；通过抑制星形胶质细胞中过量的MMP2产生，肿瘤侵袭可能会受到更多限制。虽然直接抑制MMPs先前已被尝试过，但这种方法因酶特异性差和脱靶效应而受到限制。因此，靶向全局性星形胶质细胞分泌机制可能提供一种替代且更安全的方法。
有大量证据支持开发新的和改进的疗法，以更好地靶向星形胶质细胞力学功能障碍，除了目前针对反应性胶质化下游效应的方法。因此，至关重要的是需要进一步细致的基础研究，将这些发现转化为有前景且有效的临床疗法。
结论性评述
总之，本综述探讨了星形胶质细胞力学生物学在中枢神经系统及其相关机械诱导疾病中的多方面作用。星形胶质细胞是负责维持神经稳态的主要细胞，因此，它们通过调节其信号传导和组织，不断与其微环境相互作用。与周围ECM的这种串扰使星形胶质细胞能够调节胶质-胶质和神经元-胶质通讯，以及神经组织的结构特性。
然而，在中枢神经系统发生生物力学损伤后，星形胶质细胞可以检测不同应变的特定动力学和幅度，并经历细胞内信号传导，改变细胞存活、形状、胶质化以及代谢和促炎活性，最终导致显著的ECM重塑和胶质瘢痕形成。ECM结构特性的这些变化——如基质硬化和生物力学应变改变——通常形成一个正反馈循环，通过时间依赖性方式进一步影响星形胶质细胞形态、基因表达和力学反应。本文综述的研究也强调了整合星形胶质细胞力学生物学的重要性，以开发更好的疗法，靶向星形胶质细胞力学功能障碍的初始原因，而非机械性神经损伤的下游效应。因此，在疾病中枢神经系统早期靶向星形胶质细胞力学转导通路的战略疗法，可能导致跨多种神经系统疾病患者的神经元保护增强、再生改善以及整体功能预后提高。
尽管在识别关键星形胶质细胞分子参与者（即整合素、焦点粘附、嘌呤能反应、连接蛋白/泛连接蛋白半通道和力学敏感通道）如何协调细胞力学感知和对生物力学应变的反应方面取得了显著进展，但我们对星形胶质细胞力学生物学及其对胶质功能影响的理解仍存在根本性的差距。首先，当前的研究通常使用异质性的星形胶质细胞群体，该领域尚未阐明星形胶质细胞亚型特异性的力学反应。此外，生物力学负荷范式采用简单的生物反应器系统，并且其向星形胶质细胞提供复杂的剪切、拉伸和压缩应变（具有不同频率和幅度）的能力有限，难以更好地模拟体内的生物物理微环境。这可能导致对星形胶质细胞如何解释中枢神经系统内生物力学损伤的感知发生偏差。再者，研究人员现在才开始探索应用的生物力学应变的时间动态如何影响星形胶质细胞力学生物学；更具体地说，生物力学应变介导的星形胶质细胞行为及其微环境的变化如何塑造星形胶质细胞对未来的机械损伤的反应。最后，我们对星形胶质细胞与邻近细胞（包括神经元、小胶质细胞和邻近血管）在生物力学损伤后相互作用的理解受到相对简单的模型系统的限制。
未来的研究将受益于标准化和更具生理相关性的3D星形胶质细胞模型、胶质-神经-血管共培养系统以及类器官，这些系统能够承受复杂的生物力学应变方案，同时允许高分辨率实时成像。通过将这些细致的技术与单细胞多组学和复杂体内疾病模型的单细胞水平活体成像相结合，以研究星形胶质细胞转录组、表观基因组、代谢组和形态的变化，我们将能够进一步剖析星形胶质细胞力学信号传导的层次结构及其产生的力学反应。因此，持续的研究对于解决这些差距并加强我们对星形胶质细胞力学病理学机制的理解至关重要。这些努力最终可以朝着更有利的、基于机制的临床干预迈进，目标是阻止星形胶质细胞对中枢神经系统生物力学损伤的适应不良反应。
