劉 禹(綜述)，余化霖，李經(jīng)輝(審校)

(昆明醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院神經(jīng)外二科，昆明 650500)

急性脊髓損傷是一種極其嚴(yán)重的神經(jīng)系統(tǒng)創(chuàng)傷，雖然臨床工作者竭盡全力地?fù)尵戎委煟档土瞬∷缆?，但神?jīng)損傷后的功能恢復(fù)仍不能令人滿意，脊髓損傷包括原發(fā)性損傷和繼發(fā)性損傷。繼發(fā)性損傷指脊髓受損后，損傷局部水腫、炎性反應(yīng)、局部缺血、缺氧等血管、電解質(zhì)、生化的改變，以及能量代謝的紊亂對(duì)脊髓在原發(fā)性損傷后產(chǎn)生的毒害作用。了解繼發(fā)性脊髓損傷的分子機(jī)制，對(duì)于脊髓損傷的治療具有重要意義。骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic proteins，BMPs)于1965年由Urist[1]在脫鈣骨基質(zhì)的成骨研究中發(fā)現(xiàn)，是一種低分子量的糖蛋白。在動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，BMPs及其受體幾乎遍布動(dòng)物機(jī)體的各個(gè)臟器，具有誘導(dǎo)細(xì)胞分化、增殖等各種功能[2]，與中樞神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展也有密切的關(guān)系[3]。較多的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究證明[4]，BMPs信號(hào)系統(tǒng)可能促進(jìn)炎性反應(yīng)，抑制神經(jīng)軸突再生而導(dǎo)致神經(jīng)功能異常。

1 BMPs信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路

成熟的BMPs通過(guò)聯(lián)系BMP受體(bone morphogenetic protein receptor，BMPR)的旁分泌與自分泌發(fā)揮作用。BMPs是一種二聚化合物，而BMPR是一種四聚化合物，由Ⅰ型與Ⅱ型絲氨酸/蘇氨酸亞單元激酶受體組成[5]。當(dāng)受體鑲嵌在細(xì)胞膜上時(shí)，BMPs與其中一個(gè)受體亞單元發(fā)生聯(lián)系，與另一個(gè)受體結(jié)合成復(fù)合物，每一種BMPs與固定的受體相結(jié)合。如BMP2和BMP4優(yōu)先于Ⅰ型受體(BMPRⅠa/Alk3和BMPRⅠb/Alk6)和Ⅱ型受體(BMPRⅡ)。BMPRⅡ是一種持續(xù)活性激酶，與配體結(jié)合后通過(guò)轉(zhuǎn)磷酸作用同時(shí)激活Ⅰ型受體。Ⅰ型受體使細(xì)胞內(nèi)的靶點(diǎn)磷酸化后調(diào)節(jié)它們下游的因子。三種BMPR(BMPRⅠa、BMPRⅠb、BMPRⅡ)并不是同時(shí)表達(dá)，而是隨著其發(fā)展不斷變化。BMPRⅠa與BMPRⅠb盡管結(jié)構(gòu)相似，但是在哺乳類動(dòng)物的神經(jīng)系統(tǒng)中有不同的表型。在原胚層形成以后，BMPRⅠa在神經(jīng)管增殖區(qū)域表達(dá)，而BMPRⅠb直到胚胎期第9日才在神經(jīng)管的背角中發(fā)現(xiàn)[6]。在胚胎的形成過(guò)程中，BMPRⅡ表達(dá)被限制在中樞神經(jīng)系統(tǒng)增殖區(qū)域內(nèi)[7]。而這三種受體也能夠在成人中表達(dá)，與其他兩種相比，BMPRⅠa表達(dá)更強(qiáng)。不同受體的表達(dá)形式代表著各自的功能，BMPRⅠa信號(hào)保持前體細(xì)胞的增殖與BMPRⅠb的表達(dá)。BMPRⅠb信號(hào)通過(guò)分化與凋亡阻滯有絲分裂的正常運(yùn)行[8]。在胚胎后期與出生后，BMPs信號(hào)通路促使星形膠質(zhì)細(xì)胞(astrocytes，AS)的分化[9]。同樣，睫狀神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子-白血病抑制因子的細(xì)胞家族促使AS分化，它們是通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄活化(Janus kinase-signal transducer and activator of transcription,JAK-STAT)信號(hào)通路實(shí)施的[10]。JAK-STAT3與BMPs-Smad信號(hào)通路通過(guò)STAT3-p300/CREB結(jié)合蛋白-Smad1復(fù)合物激活膠質(zhì)纖維酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein,GFAP)因子，促使星型膠質(zhì)細(xì)胞的分化[11]。p300和CREB結(jié)合蛋白可使多元轉(zhuǎn)換因子之間相互作用，提高目標(biāo)基因的表達(dá)。白血病抑制因子和BMPs信號(hào)產(chǎn)生不同類型的AS，白血病抑制因子信號(hào)能促使GFAP與AS前體細(xì)胞的生成，而BMPs信號(hào)促使GFAP與AS的成熟，但是BMPs調(diào)節(jié)星型膠質(zhì)細(xì)胞生長(zhǎng)的程度沒有統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。Parr等[12]研究發(fā)現(xiàn)，BMP2可通過(guò)廣泛表達(dá)于神經(jīng)干細(xì)胞(neuralstemcell，NSCs)胞膜上及胞質(zhì)中的BMPR實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)發(fā)育后期NSCs分化的多元性調(diào)控，從而導(dǎo)致內(nèi)源性殘留的NSCs向AS方向分化，進(jìn)而形成膠質(zhì)瘢痕，抑制神經(jīng)再生。

2 AS與膠質(zhì)瘢痕

AS是哺乳動(dòng)物中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)分布最廣泛的一類細(xì)胞，也是膠質(zhì)細(xì)胞中體積最大的一種。用經(jīng)典的金屬浸鍍技術(shù)(銀染色)顯示此類膠質(zhì)細(xì)胞呈星形，從胞體發(fā)出許多長(zhǎng)而分支的突起，伸展充填在神經(jīng)細(xì)胞的胞體及其突起之間，發(fā)揮支持和分隔神經(jīng)細(xì)胞的作用，膠質(zhì)瘢痕形成的基礎(chǔ)正是AS的活化。目前膠質(zhì)瘢痕對(duì)軸突再生的抑制作用已毋庸置疑，人們對(duì)AS活化后形成膠質(zhì)瘢痕并抑制軸突生長(zhǎng)這一認(rèn)識(shí)已有較長(zhǎng)的歷史。急性脊髓損傷發(fā)生后，損傷區(qū)周圍的細(xì)胞肥大、增生，不少學(xué)者報(bào)道早期激活增生的AS中神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子表達(dá)增高，這對(duì)神經(jīng)損傷后早期的神經(jīng)保護(hù)起到了積極作用，而損傷后期增生的膠質(zhì)細(xì)胞相互融合，最終形成膠質(zhì)瘢痕[13]。Sofroniew[14]研究報(bào)道，促進(jìn)AS活化的一系列生物分子包括神經(jīng)遞質(zhì)、細(xì)胞因子、代謝產(chǎn)物等。而AS在脊髓損傷以后會(huì)分泌有害因子，形成化學(xué)性膠質(zhì)屏障，影響神經(jīng)再生，阻礙軸突延長(zhǎng)[13]。存在于脊髓損傷內(nèi)及周圍的AS可抑制軸突生長(zhǎng)的蛋白聚糖表達(dá)，并且在瘢痕組織的形成中起主要作用[15]。膠質(zhì)細(xì)胞過(guò)度增生和膠質(zhì)瘢痕形成，會(huì)再次導(dǎo)致機(jī)械性障礙，影響軸突的再生與修復(fù)[16]。而對(duì)于膠質(zhì)瘢痕本身來(lái)說(shuō)又可以形成微血管套，微血管受壓，影響局部的血液供應(yīng)[17]。最后的反應(yīng)性AS產(chǎn)生的一氧化氮，通過(guò)對(duì)大分子特別是DNA的修飾產(chǎn)生毒性作用，最終可導(dǎo)致神經(jīng)元發(fā)生遲發(fā)性壞死[18]。

3 BMPs在AS及膠質(zhì)瘢痕中的表達(dá)

3.1BMPs在脊髓損傷前后的分布 Setoguchi等[19]的研究證實(shí)，正常情況下成年哺乳動(dòng)物中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的BMP2呈散在性低水平表達(dá)，但其表達(dá)在脊髓損傷后顯著上調(diào)。馬敏杰等[20]在研究大鼠脊髓免疫組織化學(xué)結(jié)果中提示，假手術(shù)組大鼠脊髓組織內(nèi)均有BMP2低水平散在表達(dá)；脊髓損傷各組脊髓組織中BMP2陽(yáng)性細(xì)胞數(shù)均顯著增高，且以損傷后1 d時(shí)增高最為顯著，隨著時(shí)間延長(zhǎng)其表達(dá)逐漸降低,但仍高于假手術(shù)組。進(jìn)一步證實(shí)了Setoguchi等[19]的研究結(jié)果。而張萌等[21]的研究再次發(fā)現(xiàn)，脊髓損傷后活化的AS表達(dá)的BMP7顯著增多，增多的BMP7作用于神經(jīng)系統(tǒng)中的前體細(xì)胞，使其向AS的方向分化，由于AS的大量增殖，促進(jìn)了反應(yīng)性膠質(zhì)炎及膠質(zhì)瘢痕的形成。BMP7的促進(jìn)神經(jīng)祖細(xì)胞向AS的分化，抑制了其向神經(jīng)元細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞的分化，抑制了神經(jīng)系統(tǒng)的修復(fù)和功能重建。

3.2BMPs在AS中的表達(dá)規(guī)律 脊髓損傷后BMPRⅠa在AS中表達(dá)，正常脊髓組織中，僅有少數(shù)AS表達(dá)BMPRⅠa，且表達(dá)較低，脊髓損傷后1～3 d，BMPRⅠa在AS表達(dá)顯著增加，但仍維持在較低水平，但損傷后第7日，表達(dá)顯著增強(qiáng)，強(qiáng)表達(dá)持續(xù)至損傷后30 d，此后至損傷后60 d下降[22]。脊髓損傷后能誘導(dǎo)BMPRⅠa在AS中強(qiáng)烈表達(dá)。這一發(fā)現(xiàn)也為進(jìn)一步研究BMPs信號(hào)的發(fā)生、發(fā)展機(jī)制提供了基礎(chǔ)。大鼠脊髓損傷模型中，BMP2促使局部神經(jīng)細(xì)胞信號(hào)的改變，增加膠質(zhì)瘢痕的形成，影響局部形態(tài)學(xué)改變與功能恢復(fù)[23]。而Parikh等[24]研究表明，BMPs的下游因子pSmad-1能調(diào)控和支配背根神經(jīng)節(jié)軸突的生長(zhǎng),下調(diào)這種信號(hào)通路能降低神經(jīng)軸突的生長(zhǎng)潛力，在成年的背角神經(jīng)元中激活pSmad-1能促使感覺神經(jīng)元的再生。也有研究發(fā)現(xiàn)，大幅上調(diào)的BMP2可通過(guò)調(diào)控BMPs信號(hào)通路誘導(dǎo)內(nèi)源性NSCs分化為AS，而AS促進(jìn)了膠質(zhì)瘢痕形成，進(jìn)而抑制神經(jīng)再生。Sahni 等[25]研究發(fā)現(xiàn)，在脊髓損傷急性期，BMPR Ⅰa和BMPR Ⅰb可抑制AS反應(yīng)性肥大，而在后期通過(guò)剔除BMPR Ⅰb基因小鼠中膠質(zhì)瘢痕顯著減弱。

這些研究均表明，BMPs能促使AS的增生、抑制神經(jīng)再生并阻止神經(jīng)功能的恢復(fù)。因此，研究BMPR在正常脊髓中的表達(dá)，以及脊髓損傷后BMPR的表達(dá)改變，進(jìn)一步闡明BMPs細(xì)胞信號(hào)在脊髓損傷與修復(fù)中的功能作用有重要意義。

4 抑制BMPs對(duì)膠質(zhì)瘢痕的影響

Noggin蛋白最早是由Smith等[26]于1992年從非洲爪蟾的胚胎中分離得到的，由于將其mRNA注射入爪蟾的胚胎，可使頭部明顯增大因而命名“頭蛋白”。Noggin的神經(jīng)誘導(dǎo)功能主要與其對(duì)BMPs的抑制作用有關(guān)，Noggin蛋白能直接與BMPs結(jié)合,抑制BMPs功能[27]。對(duì)于AS的活化及膠質(zhì)瘢痕的形成有著極為密切的關(guān)系。Noggin的神經(jīng)誘導(dǎo)功能與拮抗BMP4和BMP2的作用相關(guān)，Noggin與BMP2/BMP4的作用存在相應(yīng)的結(jié)合位點(diǎn)，由于Noggin阻滯BMP2/BMP4與其相應(yīng)的受體結(jié)合，抑制BMPR信號(hào)體內(nèi)通路，誘導(dǎo)神經(jīng)組織的形成。體外研究發(fā)現(xiàn)，Noggin能夠誘導(dǎo)從胚胎干細(xì)胞獲得的神經(jīng)管樣結(jié)構(gòu)向前腦分化[28]。Hampton等[29]研究發(fā)現(xiàn)，特異性抑制因子Noggin可以競(jìng)爭(zhēng)性地與BMPRⅠ、BMPRⅡ結(jié)合從而抑制BMPs轉(zhuǎn)導(dǎo)通路、阻斷BMP2誘導(dǎo)內(nèi)源性NSCs分化為AS。孫弦等[30]在構(gòu)建了Noggin基因的真核表達(dá)載體中，分離培養(yǎng)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)，通過(guò)脂質(zhì)體轉(zhuǎn)染Noggin基因進(jìn)入BMSCs內(nèi)轉(zhuǎn)錄表達(dá),誘導(dǎo)BMSCs分化為神經(jīng)元樣細(xì)胞。免疫細(xì)胞化學(xué)技術(shù)檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)誘導(dǎo)后細(xì)胞中均出現(xiàn)神經(jīng)元特異性烯醇化酶、微管相關(guān)蛋白2等表達(dá)，誘導(dǎo)后細(xì)胞中GFAP陰性表達(dá)，說(shuō)明誘導(dǎo)后細(xì)胞具有成熟神經(jīng)細(xì)胞的特征，并不具備神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞特點(diǎn)；而反轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈反應(yīng)結(jié)果提示分化細(xì)胞表達(dá)神經(jīng)細(xì)胞功能基因神經(jīng)細(xì)胞黏附分子、生長(zhǎng)相關(guān)蛋白43、突觸素1，但GFAP闕如進(jìn)一步提示Noggin有誘導(dǎo)BMSCs分化神經(jīng)元樣細(xì)胞的功能。因此，通過(guò)某種途徑抑制BMPs信號(hào)可以發(fā)揮神經(jīng)誘導(dǎo)的作用，進(jìn)而減少膠質(zhì)瘢痕的形成，也為神經(jīng)功能恢復(fù)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。最近研究發(fā)現(xiàn)，在脊髓損傷區(qū)周圍的少突膠質(zhì)細(xì)胞和AS的BMP2/4表達(dá)增加，而鞘內(nèi)注射BMPs拮抗劑Noggin卻可增加自發(fā)活動(dòng)并出現(xiàn)顯著的皮質(zhì)脊髓束再生，提示BMP2、BMP4可抑制中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷后軸突再生，同時(shí)也提示Noggin在脊髓損傷后具有重要的促進(jìn)神經(jīng)再生作用[3]。

5 結(jié) 語(yǔ)

脊髓損傷病理生理機(jī)制非常復(fù)雜,隨著近年來(lái)研究的不斷深入，人們對(duì)其發(fā)病機(jī)制認(rèn)識(shí)得越來(lái)越明確，膠質(zhì)瘢痕的形成對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷后神經(jīng)結(jié)構(gòu)和功能的重建起到了嚴(yán)重的阻礙作用。BMPs信號(hào)通路在其中的作用受到重視，針對(duì)BMPs的抑制性治療可以達(dá)到減少膠質(zhì)瘢痕形成的目的。抑制膠質(zhì)瘢痕形成是促進(jìn)神經(jīng)再生的關(guān)鍵，然而抑制膠質(zhì)瘢痕產(chǎn)生是否一定能促進(jìn)軸突生長(zhǎng)將是今后研究的目標(biāo)。

[1] Urist MR.Bone:formation by autoinduction[J].Science,1965,150(3698):893-899.

[2] Miyazono K,Maeda S,Imamura T.BMP receptor signaling:transcriptional targets,regulation of signals,and signaling cross-talk[J].Cytokine Growth Factor Rev,2005,16(3):251-263.

[3] Matsuura I,Taniguchi J,Hata K,etal.BMP inhibition enhances axonal growth and functional recovery after spinal cord injury[J].J Neurochem,2008,105(4):1471-1479.

[4] 王亞平.大鼠鈍性脊髓損傷后骨形態(tài)發(fā)生蛋白 (BMPs) 的表達(dá)分布及作用[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué),2007.

[5] Dewulf N,Verschueren K,Lonnoy O,etal.Distinct spatial and temporal expression patterns of two type I receptors for bone morphogenetic proteins during mouse embryogenesis[J].Endocrinology,1995,136(6):2652-2663.

[6] Zhang D,Mehler MF,Song Q,etal.Development of bone morphogenetic protein receptors in the nervous system and possible roles in regulating trkC expression[J].J Neurosci,1998,18(9):3314-3326.

[7] Panchision DM,Pickel JM,Studer L,etal.Sequential actions of BMP receptors control neural precursor cell production and fate[J].Genes Dev,2001,15(16):2094-2110.

[8] Mehler MF,Mabie PC,Zhu G,etal.Developmental changes in progenitor cell responsiveness to bone morphogenetic proteins differentially modulate progressive CNS lineage fate[J].Dev Neurosci,2000,22(1/2):74-85.

[9] Bonni A,Sun Y,Nadal-Vicens M,etal.Regulation of gliogenesis in the central nervous system by the JAK-STAT signaling pathway[J].Science,1997,278(5337):477-483.

[10] Nakashima K,Yanagisawa M,Arakawa H,etal.Synergistic signaling in fetal brain by STAT3-Smad1 complex bridged by p300[J].Science,1999,284(5413):479-482.

[11] Dmitriev AE,Farhang S,Lehman RA,etal.Bone morphogenetic protein-2 used in spinal fusion with spinal cord injury penetrates intrathecally and elicits a functional signaling cascade[J].Spine J,2010,10(1):16-25.

[12] Parr AM,Kulbatski I,Tator CH.Transplantation of adult rat spinal cord stem/progenitor cells for spinal cord injury[J].J Neurotrauma,2007,24(5):835-845.

[13] Hobohm C,Günther A,Grosche J,etal.Decomposition and long-lasting downregulation of extracellular matrix in perineuronal nets induced by focal cerebral ischemia in rats[J].J Neurosci Res,2005,80(4):539-548.

[14] Sofroniew MV.Molecular dissection of reactive astrogliosis and glial scar formation[J].Trends in neurosciences,2009,32(12):638-647.

[15] Berry M,Maxwell WL,Logan A,etal.Deposition of scar tissue in the central nervous system[J].Acta neurochir Suppl(Wien),1983,32:31-53.

[16] Alonso G.NG2 proteoglycan-expressing cells of the adult rat brain:possible involvement in the formation of glial scar astrocytes following stab wound[J].Glia,2005,49(3):318-338.

[17] West H，Richardson WD，F(xiàn)ruttiger M.Stabilization of the retinal vascular network by reciprocal feedback between blood vessels and astrocytes[J].Development,2005,132(8):1855-1862.

[18] Kozuka N,Itofusa R,Kudo Y,etal.Lipopolysaccharide and proinflammatory cytokines require different astrocyte states to induce nitric oxide production[J].J Neurosci Res,2005,82(5):717-728.

[19] Setoguchi T,Nakashima K,Takizawa T,etal.Treatment of spinal cord injury by transplantation of fetal neural precursor cells engineered to express BMP inhibitor[J].Exp Neurol,2004,189(1):33.

[20] 馬敏杰,賀西京,王國(guó)毓,等.大鼠脊髓損傷后骨形態(tài)發(fā)生蛋白2表達(dá)變化的規(guī)律及意義[J].中國(guó)脊柱脊髓雜志,2011,21(4):329-333.

[21] 張萌,張開放,趙海恩,等.大鼠脊髓損傷后BMP_7表達(dá)相關(guān)性研究[J].陜西中醫(yī),2012,33(8):1090-1091.

[22] 李華鳳,江興華,鄒定全,等.大鼠鈍性脊髓損傷后 BMPRIa型受體的表達(dá)[J].南方醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào),2011,31(7):1124-1130.

[23] Dmitriev AE,Castner S,Lehman RA,etal.Alterations in recovery from spinal cord injury in rats treated with recombinant human bone morphogenetic protein-2 for posterolateral arthrodesis[J].J Bone Joint Surg Am,2011,93(16):1488-1499.

[24] Parikh P,Hao Y,Hosseinkhani M,etal.Regeneration of axons in injured spinal cord by activation of bone morphogenetic protein/Smad1 signaling pathway in adult neurons[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2011,108(19):E99-E107.

[25] Sahni V,Mukhopadhyay A,Tysseling V,etal.BMPR1a and BMPR1b signaling exert opposing effects on gliosis after spinal cord injury[J].J Neurosci,2010,30(5):1839-1855.

[26] Smith WC,Harland RM.Expression cloning of noggin,a new dorsalizing factor localized to the Spemann organizer in Xenopus embryos[J].Cell,1992,70(5):829-840.

[27] Gazzerro E,Canalis E.Bone morphogenetic proteins and their antagonists[J].Rev Endocr Metab Disord,2006,7(1/2):51-65.

[28] Chiba S,Kurokawa MS,Yoshikawa H,etal.Noggin and basic FGF were implicated in forebrain fate and caudal fate,respectively,of the neural tube-like structures emerging in mouse ES cell culture[J].Exp Brain Res,2005,163(1):86-99.

[29] Hampton DW,Asher RA,Kondo T,etal.A potential role for bone morphogenetic protein signalling in glial cell fate determination following adult central nervous system injury in vivo[J].Eur J Neurosci,2007,26(11):3024-3035.

[30] 孫弦,周盛年,張明麗,等.轉(zhuǎn)染 Noggin 基因的骨髓基質(zhì)干細(xì)胞體外分化為神經(jīng)元樣細(xì)胞的研究[J].中國(guó)老年學(xué)雜志,2009,29(8):930-933.