鞏朝陽，劉開鑫，向高，張海鴻

蘭州大學(xué)第二醫(yī)院骨科，甘肅蘭州市730030

脊髓損傷是一種常見且具有破壞性的中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system,CNS)損傷性疾病，會引起不可逆的運動和感覺功能障礙，以及膀胱、腸道和性功能的喪失，導(dǎo)致生活質(zhì)量顯著降低。對于脊髓損傷后的治療，目前依然沒有確切有效的治療方案。病理上，在嚴重脊髓損傷后，由于局部微環(huán)境的變化，星形膠質(zhì)細胞轉(zhuǎn)化為反應(yīng)性星形膠質(zhì)細胞并發(fā)生劇烈的形態(tài)變化，與脊髓中的其他細胞一起參與膠質(zhì)瘢痕的形成[1]。脊髓損傷后期膠質(zhì)瘢痕的形成被大多數(shù)學(xué)者認為是阻礙哺乳動物CNS軸突再生和功能恢復(fù)的主要原因，膠質(zhì)瘢痕中反應(yīng)性星形膠質(zhì)細胞產(chǎn)生的硫酸軟骨素和硫酸角質(zhì)素蛋白聚糖是產(chǎn)生抑制性作用的主要分子。對膠質(zhì)瘢痕的研究可能是將來治療脊髓損傷的另一個重要方向。本文就脊髓損傷后膠質(zhì)瘢痕的形成及相關(guān)作用進行綜述。

1 膠質(zhì)瘢痕細胞來源

創(chuàng)傷性脊髓損傷會使病灶區(qū)域形成瘢痕組織，包括纖維化瘢痕和膠質(zhì)瘢痕[2]。膠質(zhì)瘢痕的形成通常被稱為反應(yīng)性星形膠質(zhì)細胞增生，包括星形膠質(zhì)細胞肥大、增殖、遷移以及星形膠質(zhì)細胞表達的膠質(zhì)纖維酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein,GFAP)、波形蛋白和巢蛋白的上調(diào)增加[3]。輕度星形膠質(zhì)細胞增生通常不會發(fā)生顯著的增殖活動，這種類型的反應(yīng)被稱為“同構(gòu)性膠質(zhì)增生”，可見于化學(xué)損傷、軸突切開術(shù)或輕度損傷。這些變化可以通過減弱上游信號分子的觸發(fā)效應(yīng)來逆轉(zhuǎn)[4-5]。嚴重脊髓損傷后，隨著時間的推移，反應(yīng)性星形膠質(zhì)細胞表現(xiàn)出強烈的GFAP表達、明顯的肥大和一定程度的增殖，這些顯著變化導(dǎo)致星形膠質(zhì)細胞個別區(qū)域的破壞并導(dǎo)致組織變形，還伴隨明顯的星形膠質(zhì)細胞增殖。在此階段，形成包圍脊髓損傷中心的膠質(zhì)瘢痕[6]。形成膠質(zhì)瘢痕的星形膠質(zhì)細胞主要有兩個來源。一是接近于病變區(qū)近端對細胞骨架蛋白有明顯上調(diào)作用，形成新的具有干細胞特性的星形膠質(zhì)細胞祖細胞[7]。在急性脊髓損傷后的數(shù)小時內(nèi)，Zhao等[8]發(fā)現(xiàn)許多增殖的膠質(zhì)祖細胞與GFAP+的星形膠質(zhì)細胞共同表達神經(jīng)膠質(zhì)抗原2(neuron-glial antigen 2,NG2)，這表明NG2+的祖細胞可能是反應(yīng)性星形膠質(zhì)細胞的一個來源。二是從遠端區(qū)域遷移到病灶部位的星形膠質(zhì)細胞[9]。

星形膠質(zhì)細胞是最豐富的神經(jīng)膠質(zhì)細胞，在CNS中扮演著重要的角色。生理狀態(tài)下，在發(fā)育和成人CNS中，參與處理、轉(zhuǎn)移及存儲神經(jīng)元信息、引導(dǎo)神經(jīng)元的發(fā)育、遷移及分化，介導(dǎo)突觸功能及可塑性，參與血脊柱屏障的形成及維護和提供能量等[10-13]。脊髓損傷后，星形膠質(zhì)細胞的活化及反應(yīng)性膠質(zhì)細胞增生參與神經(jīng)可塑性和CNS再生的各個方面[14-15]。

2 反應(yīng)性星形膠質(zhì)細胞增生的信號機制

脊髓損傷后膠質(zhì)瘢痕形成的相關(guān)分子機制尚未完全闡明，星形膠質(zhì)細胞參與膠質(zhì)瘢痕形成涉及多個過程。本文僅介紹有關(guān)反應(yīng)性星形膠質(zhì)細胞增生的信號機制。

2.1 結(jié)構(gòu)蛋白的上調(diào)及介導(dǎo)星形膠質(zhì)細胞肥大

結(jié)構(gòu)蛋白是形成細胞骨架結(jié)構(gòu)的一部分，決定細胞形態(tài)和死亡率。反應(yīng)性星形膠質(zhì)細胞中結(jié)構(gòu)蛋白的上調(diào)誘導(dǎo)星形膠質(zhì)細胞骨架的重組，導(dǎo)致這些細胞肥大[16]。脊髓損傷后，反應(yīng)性星形膠質(zhì)細胞GFAP的表達比正常的星形膠質(zhì)細胞上調(diào)，此外，波形蛋白和巢蛋白也表現(xiàn)出上調(diào)[17]。反應(yīng)性星形膠質(zhì)細胞增生的部分特征是免疫反應(yīng)性GFAP的上調(diào)和星形膠質(zhì)細胞肥大[18]。在敲除GFAP和波形蛋白表達的位點后，脊髓損傷小鼠未觀察到星形膠質(zhì)細胞的活化和膠質(zhì)瘢痕形成，這表明兩種結(jié)構(gòu)蛋白都能補償彼此的功能，脊髓損傷后神經(jīng)膠質(zhì)瘢痕的形成需要增加GFAP和波形蛋白的表達[19]。

2008年Herrmann等[20]提出信號傳導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子3(signal transducers and activators of transcription 3,STAT3)信號傳導(dǎo)參與脊髓損傷后星形膠質(zhì)細胞結(jié)構(gòu)蛋白的調(diào)節(jié)。在刪除細胞因子和生長因子信號轉(zhuǎn)導(dǎo)子STAT3的脊髓損傷小鼠中，與對照組相比，來自STAT3-/-的小鼠表現(xiàn)出GFAP上調(diào)減弱，星形膠質(zhì)細胞肥大受阻以及脊髓損傷后膠質(zhì)細胞瘢痕形成中斷。2013年Wanner等[21]提出脊髓損傷成熟膠質(zhì)瘢痕邊界主要由新增的星形膠質(zhì)細胞、圍繞炎癥細胞及纖維化的膠質(zhì)細胞和其他細胞構(gòu)成。從脊髓損傷星形膠質(zhì)細胞中選擇性刪除STAT3，結(jié)果顯示星形膠質(zhì)細胞進入瘢痕邊界及膠質(zhì)細胞圍繞炎癥細胞的過程失敗，并且出現(xiàn)這些細胞的擴散和神經(jīng)元的損失。

2.2 星形膠質(zhì)細胞的增殖

靜息狀態(tài)下，成年大腦中的星形膠質(zhì)細胞處于不增殖的狀態(tài)。嚴重脊髓損傷后，靜止狀態(tài)下的星形膠質(zhì)細胞重新進入細胞周期[6]。星形膠質(zhì)細胞的增殖是促成膠質(zhì)瘢痕形成的一個重要方面，但星形膠質(zhì)細胞增殖有關(guān)的信號傳導(dǎo)依然沒有明確的闡述。

2014年Hong等[22]通過刪除Dicer1基因編碼成熟miRNA產(chǎn)生所需的酶，來觀察Dicer1缺乏的反應(yīng)性星形膠質(zhì)細胞在脊髓損傷后小鼠中增殖，結(jié)果顯示Dicer缺乏的星形膠質(zhì)細胞增殖被阻斷。通過對miR-17-5p在體外對反應(yīng)性星形膠質(zhì)細胞增殖作用的觀察，指出miR-17-5p模擬物能夠挽救Dicer缺乏星形膠質(zhì)細胞的增殖缺陷，并且通過JAK/STAT3途徑由白血病抑制因子(leukemiainhitory factor,LIF)啟動反應(yīng)性星形膠質(zhì)細胞增殖。

膜聯(lián)蛋白A2(annexin A2,ANXA2)是Ca2+依賴性結(jié)合磷脂的蛋白，參與CNS的發(fā)育。2017年Chen等[23]發(fā)現(xiàn)在脊髓損傷后的大鼠ANXA2表達顯著上調(diào)，并且呈現(xiàn)動態(tài)變化。雙重免疫熒光染色顯示，用于評估細胞增殖的增殖細胞核抗原(proliferating cell nuclear antigen,PCNA)出現(xiàn)在許多表達ANXA2的細胞中；敲低脊髓損傷后星形膠質(zhì)細胞ANXA2表達，導(dǎo)致脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)刺激后PCNA表達增加，表明ANXA2在炎癥后抑制星形膠質(zhì)細胞增殖。

2.3 星形膠質(zhì)細胞的遷移

在內(nèi)皮素(endothelin,ET)、凝血酶和轉(zhuǎn)化生長因子-β1(transforming growth factor-β1,TGF-β1)等因子的刺激下，反應(yīng)性星形膠質(zhì)細胞發(fā)生遷移，導(dǎo)致它們在受損部位累積，從而形成膠質(zhì)瘢痕[24-25]。

轉(zhuǎn)錄因子CCAAT增強子結(jié)合蛋白δ(human CCAAT/enhancer binding protein deta,C/EΒPδ)是對炎性因子有反應(yīng)的基因調(diào)節(jié)蛋白。2016年Wang等[26]實驗發(fā)現(xiàn)，與C/EΒPδ正常小鼠相比，C/EΒPδ缺陷小鼠在脊髓損傷后28 d顯示膠質(zhì)瘢痕形成減少，并且在體外白細胞介素(intertleukin,IL)-1β刺激后，反應(yīng)性星形膠質(zhì)細胞中C/EΒPδ的表達增加且抑制小G蛋白(ras homolog gene family,member A,RhoA)的表達，隨后抑制星形膠質(zhì)細胞遷移。

Ski是一種進化保守的蛋白質(zhì)，廣泛分布于各種組織和物種中的多功能轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子。2017年Zhou等[27]首次發(fā)現(xiàn)Ski在脊髓損傷后的小鼠反應(yīng)性星形膠質(zhì)細胞中表達顯著上調(diào)。2017年Zhao等[28-29]又發(fā)現(xiàn)，在脊髓損傷小鼠中，當Ski被小干擾RNA(siRNA)敲低時，LPS誘導(dǎo)的星形膠質(zhì)細胞的遷移減弱，這表明Ski在星形膠質(zhì)細胞遷移中發(fā)揮重要作用。同時，當Ski被完全沉默時，GFAP的表達水平下降。Ski對星形膠質(zhì)細胞遷移的調(diào)控作用可能是通過間接或直接抑制GFAP。

2.4 膠質(zhì)瘢痕的形成

脊髓損傷后約14 d左右，大量增生的星形膠質(zhì)細胞定向遷移到脊髓損傷區(qū)，與侵入病變區(qū)的成纖維細胞相互交織，形成膠質(zhì)瘢痕。腫瘤壞死因子-α刺激基因6(tumor necrosisfactor alpha stimulated gene-6,TSG-6)能夠響應(yīng)炎性細胞因子刺激迅速上調(diào)，保護組織免受炎癥的破壞。2016年Coulson-Thomas等[30]實驗發(fā)現(xiàn)，TSG-6僅在成熟大鼠的大腦和脊髓中由GFAP+和CD44+的星形膠質(zhì)細胞表達。在脊髓損傷的大鼠中TSG-6表達急劇上調(diào)，并且TSG-6蛋白存在于膠質(zhì)瘢痕內(nèi)，表明TSG-6參與膠質(zhì)瘢痕的形成并賦予抗炎特性。Chen等[31]指出，CAP-Gly結(jié)構(gòu)域的細胞質(zhì)連接蛋白3(CAP-Gly domain containing linker protein 3,CLIP3)在脊髓損傷第3天表達達到峰值，CLIP3和STAT3染色陽性細胞數(shù)量之間存在相關(guān)性，證實CLIP3在脊髓損傷后與STAT3相互作用，共同參與膠質(zhì)瘢痕的形成。

3 膠質(zhì)瘢痕對神經(jīng)元軸突的影響

脊髓損傷后，反應(yīng)性星形膠質(zhì)細胞增生，形成膠質(zhì)瘢痕，參與炎癥、免疫反應(yīng)以及對神經(jīng)元軸突再生產(chǎn)生影響。在CNS損傷后，受損軸突不能再生的主要原因是膠質(zhì)瘢痕中反應(yīng)性星形膠質(zhì)細胞分泌的硫酸軟骨素和硫酸角質(zhì)素蛋白聚糖的沉積，對神經(jīng)元再生產(chǎn)生抑制作用[32-33]。2016年Anderson等[7]提出，膠質(zhì)瘢痕的形成不是造成嚴重損傷后成熟CNS軸突再生的主要原因。星形膠質(zhì)細胞可以支持在發(fā)育期或成熟CNS損傷后神經(jīng)元軸突的生長[34]。嚴重的CNS損傷后，只有當形成瘢痕的星形膠質(zhì)橋出現(xiàn)時，成熟神經(jīng)元的軸突生長程序基因才會激活，引起損傷CNS的軸突再生[35-36]。目前，大多數(shù)學(xué)者認為，在CNS損傷后的急性期，膠質(zhì)瘢痕可以通過預(yù)防炎性細胞和各種炎性因子的擴散，從而減輕損傷區(qū)組織炎性反應(yīng)及保護原來完好的組織免于繼發(fā)性損傷[14,37]；后期，由于膠質(zhì)瘢痕的形成，對神經(jīng)元軸突再生構(gòu)成障礙及釋放多種抑制性因子，如RhoA、硫酸軟骨素蛋白聚糖(chondroitin sulphate proteoglycan,CSPG)、人蛋白酪氨酸磷酸酶受體S(human protein tyrosine phosphatasereceptor type S,PTPRS)等[38-39]。

4 總結(jié)

嚴重脊髓損傷后運動及感覺功能的恢復(fù)依然是患者康復(fù)的重要指標，但目前仍沒有完善、明確、有效的治療方案。近年來，對于脊髓損傷后影響神經(jīng)元再生的研究逐漸增多，但涉及的病理機制依然不夠明確。對嚴重脊髓損傷后膠質(zhì)瘢痕形成機制及作用的研究，可能為將來嚴重CNS損傷后神經(jīng)功能的恢復(fù)帶來希望。

[1]Βradbury EJ,Moon LD,Popat RJ,et al.Chondroitinase AΒC promotes functional recovery after spinal cord injury[J].Nature,2002,416(6881):636-640.

[2]Yuan YM,He C.The glial scar in spinal cord injury and repair[J].NeurosciΒull,2013,29(4):421-435.

[3]Karimi-Abdolrezaee S,Βillakanti R.Reactive astrogliosis after spinal cord injury-beneficial and detrimental effects[J].Mol Neurobiol,2012,46(2):251-264.

[4]Sofroniew MV,Vinters HV.Astrocytes:biology and pathology[J].Acta Neuropathol,2010,119(1):7-35.

[5]Seifert G,Schilling K,Steinh?user C.Astrocyte dysfunction in neurological disorders:a molecular perspective[J].Nat Rev Neurosci,2006,7(3):194-206.

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

[7]Anderson MA,Βurda JE,Ren Y,et al.Astrocyte scar formation aids central nervous system axon regeneration[J].Nature,2016,532(7598):195-200.

[8]Zhao JW,Raha-Chowdhury R,Fawcett JW,et al.Astrocytes and oligodendrocytes can be generated from NG2+progenitors after acute brain injury:intracellular localization of oligodendrocyte transcription factor 2 is associated with their fate choice[J].Eur JNeurosci,2009,29(9):1853-1869.

[9]Renault-Mihara F,Okada S,Shibata S,et al.Spinal cord injury:emerging beneficial role of reactive astrocytes'migration[J].Int JΒiochem CellΒiol,2008,40(9):1649-1653.

[10]Halassa MM,Fellin T,Haydon PG.The tripartite synapse:roles for gliotransmission in health and disease[J].Trends Mol Med,2007,13(2):54-63.

[11]Perea G,Navarrete M,Araque A.Tripartite synapses:astrocytes process and control synaptic information[J].Trends Neurosci,2009,32(8):421-431.

[12]Pellerin L,Βouzier-Sore AK,Aubert A,et al.Activity-dependent regulation of energy metabolism by astrocytes:an update[J].Glia,2007,55(12):1251-1262.

[13]Chung WS,Allen NJ,Eroglu C.Astrocytes control synapse formation,function,and elimination[J].Cold Spring Harb PerspectΒiol,2015,7(9):a020370.

[14]Pekny M,Pekna M.Astrocyte reactivity and reactive astrogliosis:costs and benefits[J].Physiol Rev,2014,94(4):1077-1098.

[15]Liddelow SA,ΒarresΒA.Reactive astrocytes:production,function,and therapeutic potential[J].Immunity,2017,46(6):957-967.

[16]Pekny M,Pekna M.Astrocyte intermediate filaments in CNS pathologies and regeneration[J].J Pathol,2004,204(4):428-437.

[17]Calvo JL,Carbonell AL,Βoya J.Co-expression of glial fibrillary acidic protein and vimentin in reactive astrocytes following brain injury in rats[J].Βrain Res,1991,566(1-2):333-336.

[18]Fawcett JW.Astrocytic and neuronal factors affecting axon regeneration in the damaged central nervous system[J].Cell Tissue Res,1997,290(2):371-377.

[19]Pekny M,Levéen P,Pekna M,et al.Mice lacking glial fibrillary acidic protein display astrocytes devoid of intermediate filaments but develop and reproduce normally[J].EMΒO J,1995,14(8):1590-1598.

[20]Herrmann JE,Imura T,SongΒ,et al.STAT3 is a critical regulator of astrogliosis and scar formation after spinal cord injury[J].JNeurosci,2008,28(28):7231-7243.

[21]Wanner IΒ,Anderson MA,Song Β,et al.Glial scar borders are formed by newly proliferated,elongated astrocytes that interact to corral inflammatory and fibrotic cells via STAT3-dependent mechanisms after spinal cord injury[J].J Neurosci,2013,33(31):12870-12886.

[22]Hong P,Jiang M,Li H.Functional requirement of dicer1 and miR-17-5p in reactive astrocyte proliferation after spinal cord injury in themouse[J].Glia,2014,62(12):2044-2060.

[23]Chen J,Cui Z,Yang S,et al.The upregulation of annexin A2 after spinal cord injury in rats may have implication for astrocyteproliferation[J].Neuropeptides,2017,61:67-76.

[24]Wang HH,Hsieh HL,Wu CY,et al.Endothelin-1 enhances cell migration via matrix metalloproteinase-9 up-regulation in brain astrocytes[J].JNeurochem,2010,113(5):1133-1149.

[25]Koyama Y,Takemura M,Fujiki K,et al.ΒQ788,an endothe-lin ET(Β)receptor antagonist,attenuates stab wound injury-induced reactive astrocytes in rat brain[J].Glia,1999,26(3):268-271.

[26]Wang SM,Hsu JC,Ko CY,et al.Astrocytic CCAAT/enhancer-binding protein delta contributes to glial scar formation and impairs functional recovery after spinal cord injury[J].Mol Neurobiol,2016,53(9):5912-5927.

[27]Zhou K,Nan W,Feng D,et al.Spatiotemporal expression of Ski after rat spinal cord injury[J].Neuroreport,2017,28(3):149-157.

[28]Zhao X,Wang XW,Zhou KS,et al.Expression of Ski and its role in astrocyte proliferation and migration[J].Neuroscience,2017,362:1-12.

[29]Zhao X,Zhou KS,Li ZH,et al.Knockdown of Ski decreased the reactive astrocytes proliferation in vitro induced by oxygen-glucose deprivation/reoxygenation[J].J CellΒiochem,2018,119(6):4548-4558.

[30]Coulson-Thomas VJ,Lauer ME,Soleman S,et al.Tumor necrosis factor-stimulated gene-6(TSG-6)is constitutively expressed in adult central nervous system(CNS)and associated with astrocyte-mediated glial scar formation following spinal cord injury[J].JΒiol Chem,2016,291(38):19939-19952.

[31]Chen X,Chen C,Hao J,et al.Effect of CLIP3 upregulation on astrocyte proliferation and subsequent glial scar formation in the rat spinal cord via stat3 pathway after injury[J].J Mol Neurosci,2018,64(1):117-128.

[32]LangΒT,Cregg JM,DePaul MA,et al.Modulation of theproteoglycan receptor PTPσpromotes recovery after spinal cord injury[J].Nature,2015,518(7539):404-408.

[33]Vadivelu S,Stewart TJ,Qu Y,et al.NG2+progenitors derived from embryonic stem cells penetrate glial scar and promote axonal outgrowth into white matter after spinal cord injury[J].Stem Cells Transl Med,2015,4(4):401-411.

[34]Lee JK,Chow R,Xie F,et al.Combined genetic attenuation of myelin and semaphorin-mediated growth inhibition is insufficient to promote serotonergic axon regeneration[J].JNeurosci,2010,30(32):10899-10904.

[35]Sun F,Park KK,Βelin S,et al.Sustained axon regeneration induced by co-deletion of PTEN and SOCS3[J].Nature,2011,480(7377):372-375.

[36]Zukor K,Βelin S,Wang C,et al.Short hairpin RNA against PTEN enhances regenerative growth of corticospinal tract axons after spinal cord injury[J].J Neurosci,2013,33(39):15350-15361.

[37]Pekny M,Wilhelmsson U,Pekna M.The dual role of astrocyte activation and reactive gliosis[J].Neurosci Lett,2014,565:30-38.

[38]Zou Y,Stagi M,Wang X,et al.Gene-silencing screen for mammalian axon regeneration identifies Inpp5f(Sac2)as an endogenous suppressor of repair after spinal cord injury[J].J Neurosci,2015,35(29):10429-10439.

[39]Hu J,Zhang G,Rodemer W,et al.The role of RhoA in retrograde neuronal death and axon regeneration after spinal cord injury[J].Neurobiol Dis,2017,98:25-35.