局灶性腦缺血再灌注后神經(jīng)發(fā)生及藥物對其作用的研究進(jìn)展

相婕,許棟明,王文,云彩麟,張麗,艾厚喜,李林

長期以來,普遍認(rèn)為成年腦內(nèi)的神經(jīng)元缺乏再生能力,變性導(dǎo)致的神經(jīng)細(xì)胞丟失是永久性的,神經(jīng)功能的損傷不可逆轉(zhuǎn)。20世紀(jì)60年代初,A1tman[1]首次觀察到成年腦內(nèi)神經(jīng)發(fā)生現(xiàn)象。90年代初,Reynolds等從成年小鼠腦紋狀體分離出能在體外不斷分裂增殖、具有多種分化潛能的細(xì)胞群,提出神經(jīng)干細(xì)胞(neural stem cells,NSCs)的概念。Mckay進(jìn)一步證實,NSCs具有分化為神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞的能力,能自我更新并通過增殖得以提供大量腦組織的細(xì)胞[2]。近年來,無數(shù)證據(jù)都顯示,中樞神經(jīng)系統(tǒng)是一個有活力的、可塑性的系統(tǒng)。本文就神經(jīng)發(fā)生的機(jī)制和影響因素及缺血后神經(jīng)發(fā)生對神經(jīng)功能的恢復(fù)及近幾年的發(fā)展進(jìn)行綜述。

1 神經(jīng)發(fā)生的機(jī)制

神經(jīng)發(fā)生是指NSCs或神經(jīng)先祖細(xì)胞在誘導(dǎo)因素下產(chǎn)生的新神經(jīng)元。成年人腦區(qū)的神經(jīng)發(fā)生具有個體成長的功能和治療的意義。NSCs是指存在于神經(jīng)系統(tǒng)中能夠分化成神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞的特定神經(jīng)前體細(xì)胞。干細(xì)胞具有兩種潛能,即自我更新(self renewal)和多方向分化(multi directional differentiation),能分化成神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞。正常情況下,成年哺乳動物腦內(nèi)NSCs處于靜息狀態(tài),在一定的信號刺激下(腦缺血缺氧損傷、氧化應(yīng)激損傷、運(yùn)動、腦組織的機(jī)械損傷、癲癇發(fā)作等),腦內(nèi)和損傷部位的NSCs數(shù)量開始增加[3]。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育過程中,神經(jīng)發(fā)生可分成3個階段:①增殖:即新的細(xì)胞產(chǎn)生出來;②向目標(biāo)區(qū)域遷移;③最終分化成為特定表型。卒中后神經(jīng)發(fā)生一般都是在腦缺血后1周左右開始的,其常見部位有腦室下區(qū)(SVZ)、齒狀回顆粒下區(qū)(SGZ)、大腦皮層、室管膜、室管膜下和脈絡(luò)叢細(xì)胞等區(qū)域。局灶性腦缺血不僅可以使同側(cè)NSCs增殖分化,而且對對側(cè)NSCs也有作用。

2 神經(jīng)發(fā)生的影響因素

對中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)發(fā)育過程的研究顯示,NSCs的增殖、遷移和分化是其內(nèi)在特性和外在環(huán)境因素,如生長因子、細(xì)胞外基質(zhì)、細(xì)胞與細(xì)胞之間協(xié)同作用的結(jié)果,而腦缺血后神經(jīng)發(fā)生可能存在與神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過程相似的分子機(jī)制[4-6]。但相對于周圍神經(jīng)系統(tǒng),成年CNS神經(jīng)發(fā)生之所以更為困難,不僅僅是由于神經(jīng)生長因子等的缺乏,還因為NSCs微環(huán)境中存在著神經(jīng)發(fā)生的抑制因素,主要包括神經(jīng)生長抑制因子的直接抑制作用、缺血損傷后期膠質(zhì)瘢痕的機(jī)械屏障作用。

2.1 環(huán)境因素 環(huán)境刺激是成年大鼠神經(jīng)發(fā)生的首要調(diào)節(jié)因素,與糖皮質(zhì)激素的分泌及谷氨酸能作用有關(guān)。優(yōu)良環(huán)境[7-10]可促使成年、老年大鼠和幼年小鼠海馬齒狀回(DG)神經(jīng)發(fā)生,增加新生細(xì)胞顆粒的存活數(shù)量和神經(jīng)元總數(shù),可能與祖細(xì)胞的分化及細(xì)胞凋亡誘導(dǎo)祖細(xì)胞發(fā)生等有關(guān)。

2.2 遺傳因素 不同基因型小鼠DG新生細(xì)胞的繁殖存活和分化能力有明顯的差別,Kempermann等比較幾個品系發(fā)現(xiàn),C57BL/6小鼠前體細(xì)胞的增生能力最強(qiáng),CD1小鼠新生細(xì)胞的存活率最高,但129/SvJ型小鼠新生細(xì)胞分化為神經(jīng)元的能力明顯低于其他品系[11]。

2.3 年齡 海馬的神經(jīng)發(fā)生在整個成年期均得到證實,但隨著年齡的增加而下降。Yagita等報道,腦缺血后,盡管年輕和老年大鼠的SGZ均發(fā)生NSCs增殖,但老齡大鼠的增殖細(xì)胞數(shù)量迅速減少,只有年輕大鼠的 NSCs向神經(jīng)元和星形細(xì)胞分化[12]。Chen等對 3、6、10、12、18月齡的大鼠造成大腦中動脈栓塞(MCAO)模型,分別觀察其神經(jīng)發(fā)生,結(jié)果18月齡的大鼠比3月齡的大鼠神經(jīng)發(fā)生的增殖細(xì)胞數(shù)明顯降低[13],這說明老齡化將使腦組織逐漸喪失支持神經(jīng)發(fā)生細(xì)胞生存的環(huán)境,使腦組織支持神經(jīng)祖細(xì)胞增生和分化的能力下降,從而阻礙神經(jīng)發(fā)生。

2.4 神經(jīng)遞質(zhì)和受體 興奮性神經(jīng)遞質(zhì)谷氨酸和天冬氨酸可與NMDA受體結(jié)合產(chǎn)生興奮性突觸后電位,抑制性遞質(zhì)γ氨基丁酸(GABA)可與GABA受體結(jié)合產(chǎn)生抑制性突觸后電位,從而直接影響神經(jīng)元的活動。腦梗死后,由于NMDA介導(dǎo)的興奮作用增強(qiáng)和GABA介導(dǎo)的抑制作用減弱,引起興奮性和抑制性突觸功能不平衡。一方面,這有利于加強(qiáng)神經(jīng)元之間的聯(lián)系,促進(jìn)皮質(zhì)功能的重建;另一方面,高興奮性又可能使腦組織對局部理化環(huán)境的變動更為敏感,更易于損傷。其他神經(jīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)釋放的遞質(zhì),如藍(lán)斑(去甲腎上腺素)、基底核(乙酰膽堿)、中腦外側(cè)腳蓋(多巴胺)、中縫核(5-羥色胺)及氮氧化物對腦皮質(zhì)突觸功能的動態(tài)調(diào)節(jié)可能也起作用。許多內(nèi)源性和外源性物質(zhì),如雌二醇、腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)、地西泮等能夠有效地調(diào)節(jié)GABA能中間神經(jīng)元,引起樹突棘密度的改變,改善記憶和運(yùn)動功能。另外,近年來發(fā)現(xiàn),雌激素[14]和睪酮[15]減少腦梗死體積及促進(jìn)神經(jīng)發(fā)生的作用。

2.5 炎癥與凋亡 阿司匹林[16]可以減少腦缺血后NSCs的增殖。凋亡[17]也可能在神經(jīng)發(fā)生中發(fā)揮作用。Ekdahl等發(fā)現(xiàn),Caspase通路的抑制劑可降低海馬齒狀核凋亡的發(fā)生,同時可以增加該區(qū)增殖細(xì)胞的數(shù)量[18]。

2.6 基因調(diào)節(jié) 目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有幾條重要信號通路調(diào)控CNS的發(fā)生、發(fā)育、分化、成熟,如 Notch信號通路、PI3K/Akt信號通路、bHLH基因家族、POU同源盒基因家族等。腦缺血后可引起一系列基因的表達(dá)和激活,如熱休克蛋白、原癌基因c-fos基因家族、凋亡相關(guān)基因 Bcl-2、β-NGF及其受體 trkA2和p75NGFR等。另外,Wnt通路是細(xì)胞增殖分化的關(guān)鍵調(diào)控環(huán)節(jié),在胚胎發(fā)育和腫瘤發(fā)生中起著重要作用,Wnt途徑參與基因表達(dá)調(diào)節(jié)、細(xì)胞遷移黏附、細(xì)胞極化等過程,同時還與其他信號通路存在交叉協(xié)同。Wnt/β-catenin通路在進(jìn)化過程中高度保守,此通路的主要分子構(gòu)成及相關(guān)調(diào)控機(jī)制已得到基本闡明。對神經(jīng)系統(tǒng)而言,已有足夠證據(jù)顯示此通路參與對神經(jīng)前體細(xì)胞增殖、分化以及決定細(xì)胞命運(yùn)的調(diào)控。近年更有研究顯示,Wnt/β-catenin途徑對神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育包括皮層模式建立,突觸形成等也是至關(guān)重要的[19]。

2.7 內(nèi)源性神經(jīng)因子:腦缺血后神經(jīng)發(fā)生的研究結(jié)果表明,許多因子影響NSCs/祖細(xì)胞的增殖、遷移和分化,促進(jìn)增殖的因子有堿性成纖維細(xì)胞生長因子(basic fibroblastgrowth factor,bFGF)、表皮生長因子(epider mal growth factor,EGF)、轉(zhuǎn)化生長因子(TGF)、胰島素樣生長因子(IGF)-1、血小板源生長因子(PDGF)、睫狀神經(jīng)營養(yǎng)因子(CNTF)、膠質(zhì)細(xì)胞源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(GDNF)、神經(jīng)白細(xì)胞素等;抑制增殖的因子有勿動蛋白(NOGO)等;誘向因子有 BDNF 、NT 4/5、Slits、崩潰蛋白(collapsin)等。側(cè)腦室灌注EGF和bFGF能擴(kuò)增室下區(qū)的細(xì)胞群,增加到達(dá)嗅球的神經(jīng)元數(shù)量,且EGF能增加星形細(xì)胞的分化;側(cè)腦室內(nèi)注射重組 BDNF腺病毒能誘導(dǎo)成年動物前腦內(nèi)的NSCs分化成新紋狀體和嗅球內(nèi)的神經(jīng)元[20]。Sun等在大鼠缺血模型中發(fā)現(xiàn)給予bFGF的大鼠于SVZ區(qū)有顯著的神經(jīng)細(xì)胞的增殖和分化[21]。

3 藥物促神經(jīng)發(fā)生

目前,缺血性腦損傷治療主要有:細(xì)胞治療、激活內(nèi)源性神經(jīng)因子與基因調(diào)節(jié)、減少炎癥與凋亡。

3.1 細(xì)胞治療 腦缺血的細(xì)胞治療是將外源性NSCs移植到病變腦組織,取代功能障礙的神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞從而發(fā)揮治療作用。Takahashi等成功地將NPCs移植到MCAO大鼠中,并觀察到其神經(jīng)發(fā)生作用[22]。

3.2 激活內(nèi)源性神經(jīng)因子與基因治療 細(xì)胞因子在NSCs發(fā)育過程中的作用越來越受到重視,其中,bFGF和EGF的作用尤為重要。Wada等腦池內(nèi)注入bFGF,可使腦缺血大鼠雙側(cè)DG區(qū)BrdU(+)細(xì)胞數(shù)峰值較對照組明顯增加,大多數(shù)增殖細(xì)胞在21 d時表達(dá)NeuN[23]。Teramoto等將EGF持續(xù)泵入腦缺血小鼠側(cè)腦室(0.5 μ l/h),連續(xù)7 d,發(fā)現(xiàn)與未注入 EGF組相比,缺血區(qū)BrdU(+)細(xì)胞數(shù)顯著增加,且其作用具有劑量依賴性[24]。

3.3 減少炎癥與凋亡 腦缺血損傷過程中導(dǎo)致細(xì)胞凋亡的基本機(jī)制至少有3個:興奮性毒性、離子失衡、氧化硝基化應(yīng)激和凋亡樣細(xì)胞死亡。激活NM DA受體可減少正常動物腦內(nèi)DG的神經(jīng)元再生,而給予受體拮抗劑可促進(jìn)DG干細(xì)胞的增殖。Arvidsson等發(fā)現(xiàn),NMDA受體拮抗劑MK-801可以完全阻斷缺血2 h引起干細(xì)胞增殖,認(rèn)為這可能是因為抑制了某些生長因子[26]。MK-801不僅對腦缺血后NSCs的增殖產(chǎn)生影響,還能抑制海馬CA3區(qū)突觸素-1的表達(dá),阻斷新的突觸形成,從而抑制新生細(xì)胞分化成熟。

另外,中藥對神經(jīng)發(fā)生的影響也受到越來越多人重視。例如,周永紅等研究了中藥復(fù)健片對大腦缺血后巢蛋白的影響,認(rèn)為巢蛋白是神經(jīng)發(fā)生的重要的標(biāo)記物,其陽性細(xì)胞表明有神經(jīng)發(fā)生現(xiàn)象,實驗結(jié)果表明中藥復(fù)健片對局部缺血腦有促進(jìn)神經(jīng)發(fā)生的作用[27]。目前,對于中藥中提取單體的研究也有很多,如人參皂甙Rg1(ginsenoside Rg1)是人參(Panaxginseng C.A.Meyer)的一種活性成分,具有一定的營養(yǎng)神經(jīng)及抗衰老作用,崔榮太等就人參皂甙 Rg1是否具有神經(jīng)保護(hù)作用進(jìn)行探討,認(rèn)為其對局灶性缺血的大鼠有神經(jīng)發(fā)生促進(jìn)作用[28]。這就為新的神經(jīng)保護(hù)藥的開發(fā)提供新的思路。但是,中藥存在多靶點的特點,仍需進(jìn)一步研究確認(rèn)其促神經(jīng)發(fā)生作用。

4 展望

腦血管疾病嚴(yán)重影響人類身體健康,目前臨床治療手段眾多,但是真正療效確切的治療措施非常缺乏。成年動物神經(jīng)發(fā)生給腦缺血疾病提供了極具希望的治療策略,并且已經(jīng)越來越受到關(guān)注。目前研究的主要內(nèi)容包括移植外源性的NSCs以及體內(nèi)自身內(nèi)源性NSCs及神經(jīng)發(fā)生相關(guān)因子的激活。這些新的神經(jīng)元可能通過與宿主腦的神經(jīng)回路整合,接受神經(jīng)傳入,表達(dá)神經(jīng)遞質(zhì)和對靶區(qū)的投射;也可以通過分泌神經(jīng)遞質(zhì)和生長因子促進(jìn)原有神經(jīng)細(xì)胞的生存。對于NSCs移植已有大量的研究,但是由于如上所述的諸多原因,到目前為止這些研究成果的應(yīng)用仍然困難重重;相比較而言,近幾年出現(xiàn)的促進(jìn)機(jī)體自身神經(jīng)發(fā)生具有更大的可控性,并且給機(jī)體帶來的可以預(yù)見的不良反應(yīng)明顯減少,這也是人們對成年個體神經(jīng)發(fā)生研究的意義所在,大家已經(jīng)很高興地看到,生長因子(如VEGF)通過促進(jìn)神經(jīng)發(fā)生對腦缺血的治療有了非?？隙ǖ男Ч?其他化合物的研究也在不斷展開。藥物促進(jìn)神經(jīng)發(fā)生的機(jī)制主要在于激活內(nèi)源性神經(jīng)生長因子,抑制凋亡基因,抑制炎癥的發(fā)生等。但是同時我們也看到,成年個體神經(jīng)發(fā)生的確切生理功能有待進(jìn)一步研究,缺血以后出現(xiàn)的神經(jīng)發(fā)生現(xiàn)象與腦功能恢復(fù)之間的關(guān)系并不非常明確,缺血以后的神經(jīng)發(fā)生與相伴隨的血管生成之間的聯(lián)系也有待深入研究,相信這些問題的解決會給腦缺血疾病的治療帶來更大的契機(jī)。

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