644 中南大学学报 ( 医学版 ) J Cent South Univ (Med Sci) 2014, 39(6) http://www.csumed.org Review 综述 DOI:10.11817/j.issn.1672-7347.2014.06.016 www.csumed.org/xbwk/fileup/pdf/201406644.pdf 膀胱间质细胞与膀胱病理生理 尹焯, 杨金瑞 ( 中南大学湘雅二医院泌尿外科, 长沙 410011) [ 摘要 ] 膀胱间质细胞 (interstitial cell,ic) 是一种缺乏厚纤丝 致密体, 且基底膜 粗面内质网和高尔基体不完 整的细胞 IC 分为四个亚型, 即固有层 IC 肌间 IC 肌束间 IC 和血管周围 IC 固有层 IC 和肌间 IC 的离子电流及相关 激活途径不同, 但最终都通过 Ca 2+ 信号途径作用于膀胱逼尿肌 膀胱病变可影响 IC 离子电流和 Ca 2+ 信号途径而导致膀 胱功能障碍, 这些膀胱病变包括膀胱出口梗阻 膀胱疼痛综合征 间质性膀胱炎 神经源性膀胱和糖尿病膀胱 目前以 IC 为靶点的治疗主要采用甲磺酸伊马替尼, 电刺激针灸治疗是一个新的方向 [ 关键词 ] 膀胱间质细胞 ; 膀胱过度活动 ;c-kit 受体 ; 格列卫 Bladder interstitial cells and pathophysiology YIN Zhuo, YANG Jinrui (Department of Urology Surgery, Second Xiangya Hospital, Central South University, Changsha 410011, China) ABSTRACT KEY WORDS Bladder interstitial cell (IC) is a cell, which lacks thick filaments and dense bodies but with incomplete basement membrane, rough endoplasmic reticulum and golgi apparatus. IC is divided into 4 subtypes: lamina propria IC, intramuscular IC, IC between the detrusor bundles and perivascular IC. There are different ion currents and related activation pathways in the lamina propria IC and intramuscular IC. Ca 2+ signaling pathways play an important role in the communication between IC and detrusor. Any bladder lesions affecting the ion current and Ca 2+ signaling pathways can lead to bladder dysfunction. The bladder lesions include bladder outlet obstruction, bladder pain syndrome, interstitial cystitis, neurogenic bladder and diabetes. Imatinib mesylate is currently an available treatment target in IC, and electrical stimulation of acupuncture therapy is a new direction. interstitial cell; overactive bladder; c-kit receptor; Glivec 收稿日期 (Date of reception):2013-11-17 作者简介 (Biography): 尹焯, 博士, 主治医师, 主要从事泌尿系统疾病的研究 通信作者 (Corresponding author): 杨金瑞,Email: 1045422942@qq.com
膀胱间质细胞与膀胱病理生理尹焯, 等 645 近十年来全世界不同研究小组对膀胱间质细 胞 (interstitial cell,ic) 的研究取得了瞩目成绩, 并 证实了不同 IC 亚型与上皮细胞 平滑肌细胞和神经构成了一个相互作用的网络, 共同调节膀胱功能 关于 IC 调节膀胱功能的机制, 有研究者认为 IC 是尿路上皮向膀胱其他细胞传递信号的通道, 也有研究者认为 IC 是膀胱充盈时的一个重要张力感受器, 它可能是平滑肌自发性活动的发起和调节的重要结构, 与膀胱生理和病理息息相关 [1] 1 膀胱 IC 的特征与分类 1.1 免疫标记和超微结构波形蛋白是膀胱 IC 的重要标记之一 波形蛋白是间质来源细胞的重要标志, 这些细胞包括成纤维细胞 肌成纤维细胞和 IC 因为波形蛋白在平滑肌细胞中不表达, 这使得分布在平滑肌当中的 IC 显而易见 [2] 造血干细胞因子受体 KIT 阳性是 IC 的另外一个重要标志 但膀胱 IC 中 KIT 阳性细胞和波形蛋白标志阳性的细胞并不完全是同一群体, 这就提示 IC 可能存在不同亚型 [3] 新的 [4] 研究发现 : 用血小板源性生长因子 α 抗体标记的膀胱 IC, 其中有一部分波形蛋白标志阳性, 而另外一部分 KIT 表达阳性, 这一结果证实了膀胱 IC 存在不同的亚型 最近有学者提出用核苷三磷酸二磷酸水化酶 2 (ectonucleoside triphosphate diphosphohydrolase 2,ENTPDase2) 来标记膀胱 IC ENTPDase2 阳性细胞具备既往所知的膀胱 IC 所有免疫标志特征, 包括 KIT 阳性 波形蛋白阳性 血小板源性生长因子抗体标志阳性 此外, 研究者观察到神经蛋白在 ENTPDase2 阳性的膀胱 IC 上表达, 这与科学家们猜测嘌呤信号通路在膀胱 IC 上发挥调节作用的假说十分吻合 [5] 膀胱 IC 在超微结构方面有如下特点 : 一是缺乏厚纤丝, 只有 5 nm 的细纤丝和 10 nm 的中等纤丝 ; 二是基底膜 细胞质膜微囊 粗面内质网和高尔基体不完整 ; 三是缺乏致密体和大量的线粒体 膀胱 IC 与肠道 IC 不同之处在于膀胱 IC 的粗面内质网发育得更加完善 [6] 1.2 膀胱 IC 分类根据 IC 在膀胱中的分布位置分为四种类型 [4] : 1) 固有层 IC 其特点是外表呈星状, 通过缝隙连接形成网状 2) 肌间 IC 其特点是外表呈长条状, 纵向或斜向分布连接呈环状 3) 肌束间 IC 分布在逼尿肌肌束之间, 形成区域间的连接细胞 4) 血管周围 IC 这是新发现的一类, 分布在黏膜微血管周围 2 膀胱 IC 的电生理特征 2.1 膀胱 IC 中的离子电流及相关激活途径固有层 IC 中目前已经发现的离子电流有如下三种 : 电压依赖性 Ca 2+ 电流 除极化过程中对四乙基铵敏感的 K + 电流以及 Ca 2+ 激活的 Cl - 电流 ; 肌间 IC 中发现的离子电流亦有三种 :L 型 Ca 2+ 通道电流 Ca 2+ 激活的 K + 电流和电压依赖的 K + 电流 [4] 电压依赖性 K + 电流中目前研究比较深入的是致心律异常钾离子通道 (induced arrhythmia potassium ion channel,kcnq) 电流 阻断 KCNQ 通道产生除极化, 使静息细胞产生动作电位 ; 开放 KCNQ 通道产生超极化, 电活动中止 KCNQ 电流是膀胱 IC 维持静息膜电位与产生动作电位的重要调控因素 [7] Ca 2+ 激活的 Cl - 电流是通过 ATP 途径来实现的,ATP 途径由辣椒素与 瞬态感受器电位阳离子通道子类 V 成员 1 (transient receptor potential cation channel subfamily V member 1,TRPV1) 结合实现 [8], 这与 TRPV1 受体在固有层 IC 中表达相吻合 [4] [9] 另外研究者观察到毒蕈碱 M3 受体在固有层 IC 中也有表达, 但其功能尚不明确 Ca 2+ 离子通道, 特别是电压激活 Ca 2+ 离子通道, 是膀胱收缩的重要调控环节, 因为肌肉舒张时需要 Ca 2+ 离子通道激活来完成细胞内的 Ca 2+ 贮备 电压激活 Ca 2+ 离子通道依据它的激活阈值可以分成两个亚组, 即低压激活和高压激活 低压激活亚组仅由 T 型 Ca 2+ 离子通道组成, 在较低的膜电位下开放并迅速失活,T 型 Ca 2+ 离子通道在静息膜电位处通过产生稳定的 Ca 2+ 离子内流而触发动作电位 [10] [11] 膀胱 IC 研究证实 :T 型 Ca 2+ 离子通道的存在, 并通过荧光示踪剂证实 T 型 Ca 2+ 离子通道阻断剂能够减少 Ca 2+ 离子内流, 提示 T 型 Ca 2+ 离子通道参与了从膀胱 IC 向膀胱平滑肌细胞的信号传递过程 目前认为,Ca 2+ 流动主要由 L 型 Ca 2+ 离子通道决定, 此外 T 型 Ca 2+ [11] 离子通道和反式钠钙交换体 (trans-sodium-calcium exchanger,ncx) [12] 也参与了鼠膀胱 IC 的 Ca 2+ 离子流动 NCX 是一种双向性膜交换体, 每转运 3 个 Na + 交换一个 Ca 2+ 离子来维持 Ca 2+ 浓度,NCX 有三种亚型, 亚型三 (NCX3) 是在鼠膀胱 IC 上被发现的 [12] 通过使用维拉帕米和兰尼碱分别阻断 L 型钙离子通道和肌浆内质网的钙释放后, 发现 NCX3 通过 Ca 2+ 离子转运可升高细胞内 Ca 2+ 浓度 [12]
646 中南大学学报 ( 医学版 ), 2014, 39(6) http://www.csumed.org 2.2 Ca 2+ 信号途径 IC 表现出来的自发性钙离子电流, 表明它有 足够的能力和膀胱壁的其他细胞进行信号沟通 卡巴胆碱诱导肌间 IC 的钙离子电流, 主要是通过 M3 受体介导, 启动三磷酸肌醇 / 磷脂酶 C(inositol 1, 4, 5-triphosphate/phospholipase C,IP 3 /PLC) 途径, 从细胞内贮存的 Ca 2+ 库释放大量 Ca 2+ 离子 [13] 卡巴胆碱能够增加自发性钙离子电流的频率, 这一功能与肌间 IC 中观察到的 IC 与胆碱神经相联系的结构吻合, 研究还通过电刺激证实膀胱 IC 具有神经支配 [14] 但目前尚无直接证据证实膀胱 IC 像肠道 IC 一样, 扮演着将信号从神经传导到平滑肌细胞的功能 固有层 IC 与肌间 IC 不同, 它们对胆碱刺激没 [4] 有反应, 却对 ATP 刺激有反应 目前的研究认为, 固有层 IC 对 ATP 反应的机制与嘌呤受体的表达有关, 这些受体包括 P2X3,P2Y2,P2Y4 和 P2Y6, 其中以 P2Y6 表达为主 在膀胱出口梗阻的大鼠模型上, 观察到 P2X3 嘌呤受体在膀胱 IC 中的表达显著上升, 且这种表达上升呈时间依赖性 嘌呤受体表达增多导致的相关膀胱功能改变为最大逼尿肌压力升高 [15] 3 IC 与逼尿肌的关系 膀胱具有自发性收缩活动, 这种活动是来源于逼尿肌还是来源于神经一直存在争议 双方各有证据, 因为逼尿肌的平滑肌细胞和 IC 均具有各自的 Ca 2+ 信号途径, 均有可能实现膀胱自发性收缩 新的观点认为 : 固有层 IC 调控着膀胱充盈期逼尿肌的自发性电活动 这一观点基于以下两项研究, 一是研究者将膀胱组织的黏膜层剥除后其自发性活动减少 [16] ; 二是实验观察到膀胱组织 Ca 2+ 的去极化活动首先起源于黏膜层, 然后才传导到逼尿肌 [17] [18] 有学者报道 : 鼠膀胱的自发性动作电位, 是由副交感神经末梢的 ATP 释放来启动的 而另外一个支持神经源支配的证据是阿托品 ( 抗胆碱药 ) 能够降低自发性活动 [19] 最新的研究 [14] 表明 : 神经源性刺激能够唤起固有层 IC 的同步活动, 这表明神经对于 IC 具有高度控制性, 而在包括固有层 IC 在内的所有膀胱 IC 亚型中, 河豚毒 (tetrodotoxin,ttx) 都能够阻断或减弱 IC 的自发性活动, 这从另一个角度证实了这种自发性活动有神经因素参与其中 4 IC 与膀胱功能障碍的治疗 4.1 膀胱 IC 与膀胱功能障碍膀胱 IC 与膀胱功能障碍密切相关 IC 在病理膀胱中的表达异常增多可引起膀胱病变, 这些病变包括膀胱出口梗阻 膀胱疼痛综合征 间质性膀胱炎 脊髓损伤致神经源性膀胱 糖尿病膀胱 所有这些疾病都最终导致膀胱逼尿肌不稳定 研 [9,20] 究表明 : 在豚鼠和大鼠的膀胱出口梗阻模型上,IC 大量表达在膀胱的黏膜下层和浆膜下层 在大鼠上, 与 IC 同时大量表达的是一氧化氮合酶阳性细胞, 而在豚鼠的膀胱 IC 上则有 M3 受体大量表达 [9] 在膀胱疼痛综合征患者的膀胱标本中, IC 的大量表达同时伴随着缝隙连接蛋白的表达上调 更为有趣的是, 不仅 IC 的数量发生变化,IC 同时还表现出向成纤维细胞转化的趋势 [21] 在慢性脊髓损伤的高顺应性膀胱中, 波形蛋白表达阳性的 IC 数目减少 这一结果伴随着膀胱平滑肌肥大, 膀胱呈现去神经化,IC 和神经末梢之间的联系消失, 这些结果提示 IC 可能依赖神经营养因子维系生存 [22] 在神经源性膀胱中,IC 的表达根据神经损伤节段的不同也不一样, 在骶神经以上平面,IC 明显升高 ; 而在骶神经平面损伤中,IC 呈现下降趋势 [22] [23] 研究发现 : 在糖尿病大鼠模型的膀胱上,KIT 阳性的 IC 数目和 KIT 蛋白表达均呈现下降趋势, 这些变化伴随着膀胱逼尿肌兴奋性改变 膀胱顺应性降低和离体逼尿肌收缩力量减弱, 但是通过外源性给予干细胞因子, 可以使 KIT 阳性的 IC 数目 KIT 蛋白表达恢复到对照组水平 干细胞因子和其配体 KIT 结合, 参与了很多重要生理过程 ( 如造血 ), 但是其在膀胱生理中的作用尚不十分清楚 干细胞因子和其配体 KIT 结合, 可以激活多个信号通道 ( 包括磷脂酰肌醇 3 激酶 磷脂酶 C-γ Src 激酶 Janus 激酶 / 信号转导和激活丝裂原活化蛋白激酶信号通路 ), 阐明这些信号通道在膀胱病理 生理中的作用将使相关膀胱疾病的认识更加深入 [24] 4.2 以 IC 为靶点治疗的研究现状目前以 IC 为靶点的治疗研究主要集中在运用甲磺酸伊马替尼 ( 格列卫 ) 治疗各种原因导致的膀胱过度活动, 研究还处于动物实验阶段 格列卫最早是由美国食品和药品监督局批准用于治疗慢 [25] 性白血病和胃肠道间质瘤的药物 研究发现该药通过抑制膀胱 IC 上的 KIT, 可以抑制膀胱过度活动 格列卫能够抑制神经刺激引起的膀胱收缩,
膀胱间质细胞与膀胱病理生理尹焯, 等 647 并且呈剂量依赖性, 但是在乙酰胆碱直接作用于逼尿肌而引起膀胱收缩的体外实验中却不能发挥抑制作用, 用酮替芬去除了肥大细胞可能产生的影响, 结果没有变化, 说明格列卫对膀胱收缩的抑制不是作用于逼尿肌, 而是通过抑制膀胱 IC 阻断了胆碱信号从神经向逼尿肌细胞传递 [26] 电刺激针灸治疗是以 IC 为靶点的一个新方向 在膀胱过度活动大鼠模型上, 经过电刺激针灸治疗后, 尿流动力学测试显示膀胱逼尿肌不稳定收缩的频率和膀胱充盈期的最大逼尿肌压力均有显著下降, 与膀胱过度活动相关的超极化激活环核苷酸门控离子通道 (hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated ion channels,hcn) 表达得到明显抑制, 体外的膀胱 IC 胞内 Ca 2+ 离子浓度与治疗前相比也明显下降 [27] 与其他离子通道激活方式显著区别的是,HCN 是在超极化下激活, [28] 在人的膀胱 IC 中, 研究证实 HCN 的四个亚型 (HCN1,HCN2,HCN3,HCN4) 均有表达 在膀胱过度活动的大鼠模型上,HCN2 显著表达, 通过电刺激针灸治疗和使用格列卫, 均能使 HCN2 表达下降 [27] 参考文献 1. McCloskey KD. Interstitial cells and bladder pathophysiology--passive bystanders or active participants? [ J]. J Urol, 2011, 185(5): 1562-1563. 2. Johnston L, Cunningham RMJ, Young JS, et al. Altered distribution of interstitial cells and innervation in the rat urinary bladder following spinal cord injury [ J]. J Cell Mol Med, 2012, 16(7): 1533-1543. 3. Gevaert T, Hutchings G, Everaerts W, et al. Administration of imatinib mesylate in rats impairs the neonatal development of intramuscular interstitial cells in bladder and results in altered contractile properties [ J]. Neurourol Urodyn, 2013, 33(4): 461-468. 4. McCloskey KD. Bladder interstitial cells: an updated review of current knowledge [ J]. Acta Physiol Oxf Engl, 2013, 207(1): 7-15. 5. Yu W, Zeidel ML, Hill WG. Cellular expression profile for interstitial cells of cajal in bladder a cell often misidentified as myocyte or myofibroblast [ J]. PloS One, 2012, 7(11): e48897. 6. Cunningham RMJ, Larkin P, McCloskey KD. Ultrastructural properties of interstitial cells of Cajal in the Guinea pig bladder[ J]. J Urol, 2011, 185(3): 1123-1131. 7. Anderson UA, Carson C, McCloskey KD. KCNQ currents and their contribution to resting membrane potential and the excitability of interstitial cells of Cajal from the guinea pig bladder [ J]. J Urol, 2009, 182(1): 330-336. 8. Kwon SG, Roh DH, Yoon SY, et al. Acid evoked thermal hyperalgesia involves peripheral P2Y1 receptor mediated TRPV1 phosphorylation in a rodent model of thrombus induced ischemic pain [ J]. Mol Pain, 2014, 10(1): 2. 9. Grol S, Nile CJ, Martinez-Martinez P, et al. M3 muscarinic receptor-like immunoreactivity in sham operated and obstructed guinea pig bladders [ J]. J Urol, 2011, 185(5): 1959-1966. 10. Lang RJ, Tonta MA, Takano H, et al. Voltage-operated Ca 2+ currents and Ca 2+ -activated Cl - currents in single interstitial cells of the guinea pig prostate [ J]. BJU Int, 2014 [Epub ahead of print]. 11. Deng J, He P, Zhong X, et al. Identification of T-type calcium channels in the interstitial cells of Cajal in rat bladder [ J]. Urology, 2012, 80(6): 1389. 12. Zhong X, Deng J, He P, et al. Reverse mode of the sodium/calcium exchanger subtype 3 in interstitial cells of Cajal from rat bladder [ J]. Urology, 2013, 82(1): 254. 13. Johnston L, Carson C, Lyons AD, et al. Cholinergic-induced Ca 2+ signaling in interstitial cells of Cajal from the guinea pig bladder [ J]. Am J Physiol Renal Physiol, 2008, 294(3): 645-655. 14. Gray SM, McGeown JG, McMurray G, et al. Functional innervation of Guinea-pig bladder interstitial cells of cajal subtypes: neurogenic stimulation evokes in situ calcium transients [ J]. PloS One, 2013, 8(1): e53423. 15. Li Y, Xue L, Miao Q, et al. Expression and electrophysiological characteristics of P2X3 receptors in interstitial cells of Cajal in rats with partial bladder outlet obstruction [ J]. BJU Int, 2013, 111(5): 843-851. 16. Sui GP, Wu C, Roosen A, et al. Modulation of bladder myofibroblast activity: implications for bladder function [ J]. Am J Physiol Renal Physiol, 2008, 295(3): 688-697. 17. Fry CH, Young JS, Jabr RI, et al. Modulation of spontaneous activity in the overactive bladder: the role of P2Y agonists [ J]. Am J Physiol Renal Physiol, 2012, 302(11): 1447-1454. 18. Young JS, Meng E, Cunnane TC, et al. Spontaneous purinergic neurotransmission in the mouse urinary bladder [ J]. J Physiol, 2008, 586(Pt 23): 5743-5755. 19. Zagorodnyuk VP, Gregory S, Costa M, et al. Spontaneous release of acetylcholine from autonomic nerves in the bladder [ J]. Br J Pharmacol, 2009, 157(4): 607-619. 20. Kim SO, Oh BS, Chang IY, et al. Distribution of interstitial cells of Cajal and expression of nitric oxide synthase after experimental bladder outlet obstruction in a rat model of bladder overactivity [ J]. Neurourol Urodyn, 2011, 30(8): 1639-1645. 21. Gevaert T, De Vos R, Everaerts W, et al. Characterization of upper lamina propria interstitial cells in bladders from patients with neurogenic detrusor overactivity and bladder pain syndrome [ J]. J Cell Mol Med, 2011, 15(12): 2586-2593. 22. Deng J, Zhang Y, Wang L, et al. The effects of Glivec on the urinary bladder excitation of rats with suprasacral or sacral spinal cord
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