黃騰立 鄭憲友

哺乳動物體內(nèi)不同部位的自我修復(fù)能力存在差異，其中神經(jīng)系統(tǒng)的自我修復(fù)能力較弱，而中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)的自我修復(fù)能力最為欠缺。脊髓作為CNS的重要組成部分，脊髓損傷(SCI)是常見的致殘原因之一。SCI自我修復(fù)過程相當(dāng)復(fù)雜，在多種信號通路的調(diào)控下，許多細(xì)胞參與相關(guān)進(jìn)程中，參與細(xì)胞可大致分為3大類：①神經(jīng)元細(xì)胞；②神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞；③其他細(xì)胞(血管內(nèi)皮細(xì)胞和血源性巨噬細(xì)胞等)。

1 SCI的病理生理及修復(fù)機(jī)制

SCI是由于外傷、腫瘤等多種因素造成的脊髓基本結(jié)構(gòu)連續(xù)性及其功能的短暫或永久喪失。外傷等原因可導(dǎo)致脊柱機(jī)械分離與錯位，造成脊髓壓迫或離斷，繼而導(dǎo)致神經(jīng)元及神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞損傷或死亡[1]，血管損傷則可引起受損區(qū)域因血供不足而繼發(fā)缺血壞死[2]。損傷可誘導(dǎo)受傷部位產(chǎn)生強(qiáng)烈的炎癥反應(yīng)，而由炎癥反應(yīng)、細(xì)胞通透性增加及血腦屏障受損等引起的脊髓水腫又會進(jìn)一步壓迫脊髓，加重?fù)p傷，最終形成惡性循環(huán)[3]。受損區(qū)域的自我修復(fù)包括局部神經(jīng)再髓鞘化、血管重塑和細(xì)胞外基質(zhì)改變等。CNS在自我修復(fù)過程中會形成特異性的膠質(zhì)瘢痕，膠質(zhì)瘢痕則是限制神經(jīng)自我修復(fù)及再生的重要物理及生化障礙。SCI發(fā)生后局部自我修復(fù)效果不佳的原因也包括局部增生的小膠質(zhì)細(xì)胞不足以完全清除附近的抑制性髓鞘碎片[4]或局部釋放的細(xì)胞毒性產(chǎn)物通過激活細(xì)胞凋亡相關(guān)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路等機(jī)制引起局部細(xì)胞死亡等。

2 SCI自我修復(fù)的相關(guān)調(diào)控細(xì)胞

在CNS損傷后的自我修復(fù)中，神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞是最主要的參與細(xì)胞，包括小膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞及NG2膠質(zhì)細(xì)胞等。上述膠質(zhì)細(xì)胞各具獨特功能，生理條件下均有維持CNS正常功能的作用，而病理條件下亦會參與相關(guān)的損傷及修復(fù)機(jī)制。

2.1 小膠質(zhì)細(xì)胞

小膠質(zhì)細(xì)胞相當(dāng)于定居在CNS內(nèi)的巨噬細(xì)胞[5]，也是其中最重要的免疫調(diào)控細(xì)胞。正常生理狀態(tài)下，小膠質(zhì)細(xì)胞可搜索局部微環(huán)境內(nèi)的細(xì)胞碎片及有害物質(zhì)，并通過胞吞的方式將其清除，此時其活動性相對較低[6]。當(dāng)CNS因感染、創(chuàng)傷等因素而處于病理狀態(tài)時，小膠質(zhì)細(xì)胞會迅速做出反應(yīng)，發(fā)生一系列形態(tài)學(xué)和功能學(xué)的轉(zhuǎn)變。各類蛋白、嘌呤代謝產(chǎn)物和脫氧核糖核酸等損傷相關(guān)分子(DAMP)可在SCI發(fā)生后生成并釋放，它們可大幅激活小膠質(zhì)細(xì)胞[7-9]。研究發(fā)現(xiàn)，小膠質(zhì)細(xì)胞的激活是逐級進(jìn)行的。不同激活等級下的小膠質(zhì)細(xì)胞會產(chǎn)生不同程度的細(xì)胞毒性并釋放出不同類型的炎癥因子，造成局部病灶不同程度的損傷，從而進(jìn)一步加重SCI。與外周循環(huán)中的巨噬細(xì)胞相似，小膠質(zhì)細(xì)胞同樣可分為兩大亞型，即炎癥相關(guān)(M1)亞型和抗炎修復(fù)(M2)亞型。M1亞型在被脂多糖、干擾素等激活后可產(chǎn)生一系列炎癥因子及氧化代謝產(chǎn)物，從而進(jìn)一步加重受損神經(jīng)損傷[10]；M2亞型在被白細(xì)胞介素(IL)-4和IL-13等激活后則可抑制炎癥反應(yīng)，從而促進(jìn)組織修復(fù)及傷口愈合[11]。局部募集浸潤的小膠質(zhì)細(xì)胞早期以M1亞型為主，M1亞型數(shù)量在損傷后第5天到達(dá)峰值，之后逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐訫2亞型為主[12]。激活后的小膠質(zhì)細(xì)胞在損傷后數(shù)小時內(nèi)被受損區(qū)域釋放的三磷酸腺苷(ATP)所吸引，遷移至受損區(qū)域。在受傷脊髓進(jìn)入慢性自我修復(fù)期后，受損區(qū)域的小膠質(zhì)細(xì)胞可持續(xù)數(shù)周甚至數(shù)月處于激活狀態(tài)，造成局部慢性炎癥。

2.2 少突膠質(zhì)細(xì)胞

正常情況下，少突膠質(zhì)細(xì)胞由少突膠質(zhì)細(xì)胞前體細(xì)胞(OPC，亦稱NG2膠質(zhì)細(xì)胞)分化而來，其主要功能是參與CNS神經(jīng)髓鞘化[13]，在CNS中以表達(dá)硫酸軟骨素蛋白多糖(CSPG)為主要特征。目前研究認(rèn)為，NG2膠質(zhì)細(xì)胞并非僅為OPC，而是一類膠質(zhì)細(xì)胞。在SCI發(fā)生后，NG2膠質(zhì)細(xì)胞不僅可能分化為少突膠質(zhì)細(xì)胞，也可能分化為星形膠質(zhì)細(xì)胞。

SCI可激活局部小膠質(zhì)細(xì)胞，促使后者釋放炎癥細(xì)胞因子，從而誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)發(fā)生。炎癥反應(yīng)造成的局部缺血、過氧化損傷及一系列細(xì)胞毒性因子釋放可導(dǎo)致局部少突膠質(zhì)細(xì)胞損傷或死亡。在小鼠SCI模型中，損傷發(fā)生后15 min內(nèi)小鼠脊髓受損區(qū)域即開始出現(xiàn)少突膠質(zhì)細(xì)胞死亡，該過程持續(xù)至少3周[14-15]。少突膠質(zhì)細(xì)胞死亡可以造成局部急性脫髓鞘化，并引起神經(jīng)纖維退變。在損傷發(fā)生數(shù)小時后受損神經(jīng)脫髓鞘化即會出現(xiàn)，并持續(xù)存在2周，影響軸突的傳導(dǎo)及神經(jīng)功能[16]。SCI發(fā)生后，少突膠質(zhì)細(xì)胞祖細(xì)胞增生現(xiàn)象可持續(xù)至少4周[17]。損傷后雖然大部分受累區(qū)域會發(fā)生再髓鞘化，但是人類CNS損傷后的再髓鞘化程度有限，因此修復(fù)效果較差。而OPC與少突膠質(zhì)細(xì)胞均可通過分泌部分抑制性神經(jīng)黏蛋白與多功能蛋白聚糖及參與形成膠質(zhì)瘢痕等方式抑制神經(jīng)修復(fù)[18]。

2.3 星形膠質(zhì)細(xì)胞

星形膠質(zhì)細(xì)胞在CNS全部細(xì)胞中占比為30%左右，具有參與突觸形成、動作電位傳導(dǎo)等重要功能。

SCI發(fā)生后形成的反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞反應(yīng)程度可受多種因素影響[19-20]，而其反應(yīng)程度又可影響其增生程度。損傷后5～14 d內(nèi)，局部反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞可增生遷移，在受損區(qū)域包裹成纖維細(xì)胞和OPC等并與之形成膠質(zhì)瘢痕[21-22]。近期研究發(fā)現(xiàn),反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞可通過整合素-N-鈣黏素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路與Ⅰ型膠原反應(yīng)形成膠質(zhì)瘢痕[23]。膠質(zhì)瘢痕可防止損傷引起的細(xì)胞凋亡和壞死蔓延至周圍組織，從而限制損傷擴(kuò)大并進(jìn)一步減輕局部功能障礙。實驗研究發(fā)現(xiàn)，在小鼠體內(nèi)抑制星形膠質(zhì)細(xì)胞可抑制膠質(zhì)瘢痕生成和軸突再生[24]，但同時膠質(zhì)瘢痕又是抑制神經(jīng)再生與修復(fù)的物理及生化障礙，其周圍的CSPG與細(xì)胞外蛋白同樣能夠抑制軸突再生[25]。因此，星形膠質(zhì)細(xì)胞對神經(jīng)再生和修復(fù)的影響十分復(fù)雜，有待進(jìn)一步研究。

3 SCI自我修復(fù)的分子調(diào)控與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路

3.1 SCI自我修復(fù)的分子調(diào)控

SCI發(fā)生后，受損區(qū)域的髓鞘碎片及細(xì)胞外基質(zhì)等可分泌一系列的神經(jīng)再生抑制因子，抑制脊髓自我修復(fù)，因此修復(fù)效果有限。其中，髓鞘相關(guān)糖蛋白(MAG)可抑制神經(jīng)外生并誘導(dǎo)軸突生長束回縮[26-27]，軸突生長抑制因子A可抑制神經(jīng)外生，誘導(dǎo)軸突生長束裂解并影響突觸可塑性[28]，少突膠質(zhì)相關(guān)髓鞘糖蛋白(OMgp)可抑制神經(jīng)外生并抑制殘端再生[29-30]，CSPG可限制軸突可塑性及其再髓鞘化。在SCI發(fā)生后的慢性修復(fù)期，受損區(qū)域內(nèi)由星形膠質(zhì)細(xì)胞與其他細(xì)胞共同形成的膠質(zhì)瘢痕會分泌NG2糖蛋白等一系列抑制性蛋白及細(xì)胞因子，抑制軸突再生。因此，這些細(xì)胞因子和生長因子的傳輸尤為重要。外泌體具有雙層囊泡結(jié)構(gòu)，內(nèi)含與來源細(xì)胞相似的細(xì)胞因子和生長因子等一系列生物活性因子及與來源細(xì)胞相關(guān)的rRNA和miRNA，上述內(nèi)容物均可參與分子調(diào)控。研究發(fā)現(xiàn)，靜脈移植骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞來源的外泌體可促進(jìn)SCI后的運動功能恢復(fù)和相關(guān)神經(jīng)功能修復(fù)[31],且可減少損傷區(qū)域反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞的數(shù)量[32]。另有研究發(fā)現(xiàn)，該外泌體可通過抑制SCI引發(fā)的局部炎癥反應(yīng)改善SCI發(fā)生后的神經(jīng)功能恢復(fù)[33]。因此,外泌體移植有望作為干細(xì)胞移植的替代方案，成為SCI治療方案之一。該方案的可行性及相關(guān)機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

3.2 SCI自我修復(fù)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路

SCI發(fā)生后，多個功能不同的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路被激活并參與相關(guān)損傷及修復(fù)機(jī)制，這些通路形成了十分復(fù)雜的信號交互網(wǎng)絡(luò)。目前部分通路的相關(guān)研究已相對完善，但絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路、Janus激酶/信號轉(zhuǎn)導(dǎo)子和轉(zhuǎn)錄激活子(JAK/STAT)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路、哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的組成和作用尚待進(jìn)一步研究。

3.2.1 MAPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路

作為調(diào)控細(xì)胞增殖與凋亡的重要通路之一，MAPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路可被SCI受損區(qū)域釋放的炎癥細(xì)胞因子和氧化應(yīng)激產(chǎn)物等激活，參與損傷局部細(xì)胞的增殖與凋亡。

Liu等[34]研究發(fā)現(xiàn),氯化鋰可通過激活分裂原活化抑制劑(MEK)/細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(ERK)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路促進(jìn)細(xì)胞自噬，并由此改善SCI后小鼠運動功能的恢復(fù)情況。Fakhri等[35]研究發(fā)現(xiàn),蝦青素可通過抑制ERK1/2信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路和激活蛋白激酶B(Akt)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路改善SCI小鼠運動功能，并減少其體質(zhì)量下降幅度。

研究發(fā)現(xiàn)，p38 MAPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路可參與調(diào)控并傳導(dǎo)炎癥反應(yīng)、細(xì)胞凋亡相關(guān)信號[36-37]，其可能參與SCI后局部超氧化物的形成，從而進(jìn)一步加重SCI[38]。但也有研究發(fā)現(xiàn)，在SCI發(fā)生后維持p38 MAPK活性有利于神經(jīng)功能的恢復(fù)。由此可見，這類信號通路作用較為復(fù)雜，相關(guān)信號通路網(wǎng)絡(luò)仍有待于進(jìn)一步研究。

3.2.2 JAK/STAT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路

JAK/STAT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路是將信號從細(xì)胞表面?zhèn)鬟f至細(xì)胞核的重要通路，可參與調(diào)控細(xì)胞正常周期及各類免疫炎癥反應(yīng)。Yamauchi等[39]研究發(fā)現(xiàn)，SCI后JAK1及STAT3的表達(dá)會迅速上升，在12 h左右到達(dá)峰值，之后再緩慢下降，結(jié)果提示該通路與SCI有密切聯(lián)系。Tapia等[40]以斑馬魚(一種具有較強(qiáng)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)再生能力的魚類)建立SCI模型并進(jìn)行相關(guān)實驗后發(fā)現(xiàn)，JAK/STAT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的短暫激活是損傷后神經(jīng)再生所必需的過程。

在SCI自我修復(fù)過程中，血管新生是不可或缺的環(huán)節(jié)。You等[41]研究發(fā)現(xiàn)，SCI后IL-17會激活JAK/STAT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，并通過該通路上調(diào)血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)的表達(dá)。近期，關(guān)于miRNA與SCI的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，miRNA-125b等通過調(diào)節(jié)JAK/STAT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路促進(jìn)損傷后脊髓的再生與修復(fù)[42]。雖然關(guān)于該通路的調(diào)控機(jī)制尚未完全得到揭示，但其仍可作為SCI的潛在治療靶點。

3.2.3 mTOR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路

mTOR是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的絲氨酸-蘇氨酸蛋白激酶蛋白，可參與調(diào)控細(xì)胞的生長、分化，尤其是凋亡。細(xì)胞凋亡是SCI后重要的病理生理反應(yīng)之一。

Wang等[43]研究發(fā)現(xiàn)，mTOR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路表達(dá)上升會增加脊髓受損處的細(xì)胞凋亡，并抑制局部細(xì)胞自噬。Zhou等[44]研究發(fā)現(xiàn)，普羅布考(具有抗氧化且抗炎癥功能的一類調(diào)血脂藥物)可通過抑制磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)/Akt/mTOR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路減少SCI后局部病灶處的細(xì)胞凋亡，并增加細(xì)胞自噬，從而改善神經(jīng)功能恢復(fù)。目前認(rèn)為，細(xì)胞自噬在SCI的自我修復(fù)中具有神經(jīng)保護(hù)作用[45]。近期實驗結(jié)果提示，mTOR相關(guān)通路在SCI后的細(xì)胞凋亡與自噬之間具有重要調(diào)控作用。Chen等[46]研究發(fā)現(xiàn)，SCI后第3天，星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)的P13K/Akt/mTOR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路被激活，并參與形成損傷處膠質(zhì)瘢痕，而膠質(zhì)瘢痕則阻礙SCI的自我修復(fù)。

4 結(jié)語

作為臨床難題之一，SCI不僅會嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量，也會給社會造成巨大負(fù)擔(dān)。因SCI的自我修復(fù)效果不理想，其相關(guān)機(jī)制的研究受到較多重視，但目前多集中于單一細(xì)胞或單一通路的研究。SCI的相關(guān)損傷及修復(fù)機(jī)制通常涉及多種細(xì)胞和多條通路的共同作用，進(jìn)一步明確這些通路及細(xì)胞間的關(guān)系有助于相關(guān)治療措施的研究與開發(fā)。已有的研究結(jié)果顯示，參與其中的細(xì)胞及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路對損傷后的脊髓自我修復(fù)效果有利有弊，而不是單方面的促進(jìn)或抑制作用。未來研究與臨床治療的目標(biāo)應(yīng)著眼于增強(qiáng)相關(guān)細(xì)胞和通路對SCI修復(fù)的促進(jìn)作用并限制其抑制作用。