脊髓損傷后修復(fù)與再生的研究進(jìn)展*

鄒 云， 余資江

(貴州醫(yī)科大學(xué) 人體解剖教研室， 貴州 貴陽 550004)

·特約專論·

脊髓損傷后修復(fù)與再生的研究進(jìn)展*

鄒 云， 余資江**

(貴州醫(yī)科大學(xué) 人體解剖教研室， 貴州 貴陽 550004)

脊髓損傷； 修復(fù)； 神經(jīng)再生； 軸突； 髓鞘

脊髓損傷(spinal cord injury，SCI)是一種嚴(yán)重的致殘性損傷，世界各國的脊髓損傷發(fā)病率基本相同，每年的發(fā)病率約30～40/1 000 000，并有逐年增高的趨勢[1]。SCI后，除損傷引起的椎骨骨折或脫位導(dǎo)致的脊髓原發(fā)性損傷外，后期的繼發(fā)性損傷才是造成脊髓功能障礙的主要原因。Carlson等[2]總結(jié)了繼發(fā)性脊髓損傷的機(jī)制，包括缺血、生化改變、程序性細(xì)胞死亡、能量耗竭、毒性刺激物、神經(jīng)遞質(zhì)的積聚、脂質(zhì)過氧化和自由基的產(chǎn)生及炎癥反應(yīng)等，認(rèn)為神經(jīng)功能最終缺陷是由于繼發(fā)性損傷不同復(fù)合機(jī)制所致。每年的脊髓損傷新增患病人數(shù)都在不斷攀升，SCI已然成為全球性的醫(yī)療社會問題。本文就近年來國內(nèi)外對中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷后的修復(fù)與再生機(jī)制的研究狀況予以綜述。

1 脊髓損傷概述

脊髓損傷是由于外傷、炎癥、腫瘤等原因引起脊髓橫貫性損害而出現(xiàn)損傷平面以下的運(yùn)動、感覺、括約肌及自主神經(jīng)等功能障礙。脊柱最易受傷部位依次是頸段(C5～C7)、中胸段(T4～T7)和胸腰段(T10～L2)。損傷時約63.0%患者是較年輕的從業(yè)者，但在受傷10年以后68.3%的截癱患者和73.6%的四肢癱患者轉(zhuǎn)為失業(yè)者，高昂的后續(xù)醫(yī)療保健花費(fèi)以及勞動生產(chǎn)力的缺失，給患者、家庭和社會帶來了沉重的負(fù)擔(dān)。盡管先進(jìn)的醫(yī)療救助和治療使患者的生命得以延長，但嚴(yán)重的殘疾帶來的心理、社會和經(jīng)濟(jì)壓力讓患者痛不欲生。

2 脊髓損傷的病理生理變化

脊髓損傷所引發(fā)的病理生理變化是一個復(fù)雜的級聯(lián)反應(yīng)[3]?，F(xiàn)已明確的脊髓損傷的發(fā)生發(fā)展過程包括兩種機(jī)制，一是原發(fā)性損傷，受傷瞬間外力或骨折脫位產(chǎn)生的機(jī)械力量造成神經(jīng)元和內(nèi)皮細(xì)胞的直接損傷，破壞發(fā)生于損傷后短時間內(nèi)，組織壞死、細(xì)胞死亡瞬間發(fā)生[4]；二是繼發(fā)性損傷，一般情況下，原發(fā)性損傷極少造成整個脊髓橫切面的完全損害，繼發(fā)性損傷才是脊髓損傷后神經(jīng)功能恢復(fù)的主要障礙，這一概念由Allen[5]于1911年首先提出，它是一個多因素、多途徑的損傷過程，在傷后數(shù)分鐘到數(shù)周內(nèi)，氧自由基產(chǎn)生、反應(yīng)性膠質(zhì)細(xì)胞增生、炎癥細(xì)胞侵入，接著損傷區(qū)域神經(jīng)再生的抑制因子增加，以上種種過程相互交織、相互影響，形成惡性循環(huán)，使脊髓組織發(fā)生變性、壞死，最終導(dǎo)致?lián)p傷區(qū)域逐漸擴(kuò)大。在脊髓挫傷中，脊髓灰質(zhì)損害重于白質(zhì)，白質(zhì)一部分功能得以保留；受傷幾分鐘后，神經(jīng)細(xì)胞會發(fā)生電解質(zhì)紊亂(細(xì)胞內(nèi)Na+濃度增加，細(xì)胞外K+濃度增加,細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度增加至中毒水平), 導(dǎo)致神經(jīng)功能衰竭和脊髓休克，并持續(xù)約24 h，這決定了脊髓損傷的程度；接著出血和局部水腫發(fā)生，由于血管痙攣、血栓形成和機(jī)械壓迫導(dǎo)致微循環(huán)障礙，血管自我調(diào)節(jié)機(jī)制紊亂，進(jìn)一步加重脊髓損傷，這種損傷大多不可逆轉(zhuǎn)，常會引起災(zāi)難性的截癱或四肢癱。

3 脊髓損傷后修復(fù)與再生的影響因素

脊髓損傷時神經(jīng)再生失敗的原因可以歸結(jié)為：神經(jīng)元缺乏再生能力，髓鞘再生困難，缺乏生長促進(jìn)因子，以及在脊髓中存在軸突生長抑制因素等阻礙了神經(jīng)再生[6-7]。

3.1 神經(jīng)元缺乏再生能力

脊髓損傷后神經(jīng)元死亡及原發(fā)、繼發(fā)的神經(jīng)元凋亡，使神經(jīng)元的數(shù)量急劇減少，影響脊髓自我修復(fù)。盡管成體脊髓內(nèi)有神經(jīng)干細(xì)胞存在，然而內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞缺乏在脊髓損傷時替代損傷細(xì)胞的能力。因為與胚胎時期相比，成年體內(nèi)神經(jīng)干細(xì)胞的分裂頻率非常低，要擴(kuò)充到能夠滿足再生需要的數(shù)量比較困難，而脊髓損傷后阻礙軸突再生的因素都能同時抑制內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞、神經(jīng)祖細(xì)胞和成熟神經(jīng)元的分裂和增殖。此外，cAMP水平的下降也能抑制神經(jīng)細(xì)胞的再生和分化進(jìn)程[8-10]。

3.2 髓鞘再生困難

髓鞘的作用主要是保護(hù)神經(jīng)元并使神經(jīng)沖動得到很快的傳遞，而髓鞘損傷后慢性的、進(jìn)行性的脫髓鞘病變一直存在[11]，髓鞘的脫失會引起神經(jīng)傳導(dǎo)的阻滯，從而喪失功能。細(xì)胞分裂是髓鞘再生的前提，內(nèi)源性少突膠質(zhì)細(xì)胞的前體細(xì)胞能對多種類型的損傷作出反應(yīng)，并增生、分化，盡管在轉(zhuǎn)錄水平上與發(fā)育時相比有些不同，髓鞘再生仍依賴于發(fā)育調(diào)節(jié)基因的重新表達(dá)，再生的髓鞘以薄而短為特征[12-13]。脊髓損傷后，少突膠質(zhì)細(xì)胞雖然能增生、分化，卻不能形成髓鞘。這是因為成熟的少突膠質(zhì)細(xì)胞不能使軸突再髓鞘化，也沒有證據(jù)表明已分化的少突膠質(zhì)細(xì)胞能回到其前體狀態(tài)。星形膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生瘢痕形成物理屏障，并阻斷少突膠質(zhì)細(xì)胞前體細(xì)胞的髓鞘再生，最終使髓鞘再生失敗。

3.3 缺乏神經(jīng)生長促進(jìn)因子

神經(jīng)營養(yǎng)因子是一類具有促進(jìn)和維持神經(jīng)細(xì)胞生長、存活和分化作用的特異性蛋白質(zhì)，是有力的神經(jīng)生長促進(jìn)因子[14-15]。目前已報道對脊髓運(yùn)動神經(jīng)元存活有關(guān)的神經(jīng)營養(yǎng)因子有：(1)神經(jīng)營養(yǎng)因子，包括BDNF,NT-3，neurotrophin4/5;(2)TGF-β超家族，包括GDNF，neurtrin, persephin和trtemin;(3)神經(jīng)毒性細(xì)胞因子，包括CNTF,LIF及心肌營養(yǎng)因子-1(cardioteophin-1);(4)肝細(xì)胞生長因子；(5)胰島素生長因子等。大量實驗證明，這些神經(jīng)營養(yǎng)因子不僅對正常的神經(jīng)系統(tǒng)有營養(yǎng)作用，而且在中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷的修復(fù)中起重要的作用，單純應(yīng)用神經(jīng)營養(yǎng)因子有誘導(dǎo)軸突再生的能力。但脊髓損傷后，星形膠質(zhì)細(xì)胞不能像施萬細(xì)胞那樣產(chǎn)生多種神經(jīng)營養(yǎng)因子，反而產(chǎn)生多種抑制物質(zhì)，形成不利于生長錐延伸的“非允許環(huán)境”(non-permissive environment)，使最初的再生反應(yīng)夭折。

3.4 軸突再生抑制因素

Cajal第一個提出中樞神經(jīng)系統(tǒng)環(huán)境能抑制損傷后軸突再生，但直到最近才確定中樞神經(jīng)系統(tǒng)的髓鞘所產(chǎn)生的許多抑制因子是導(dǎo)致軸突再生失敗的主要因素[16]。抑制因子還可來源于膠質(zhì)瘢痕中的細(xì)胞外基質(zhì)和化學(xué)排斥物分子[17]。來源于髓鞘的抑制因子主要有NogoA、髓鞘相關(guān)糖蛋白(myelin-associated glycoprotein，MAG)和少突膠質(zhì)細(xì)胞髓鞘糖蛋白(oligodendrocyte myelin glycoprotein，OMgp)；來源于脊髓損傷處膠質(zhì)瘢痕的有硫酸軟骨素蛋白多糖(chondroitin sulphate proteoglycans，CSPGs)，少突膠質(zhì)前體細(xì)胞產(chǎn)生的versican，phosphacan， 星形膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生的NG2，versican。這些髓鞘相關(guān)的軸突生長抑制分子的表達(dá)在脊髓損傷前后能維持相對的穩(wěn)定，其中Nogo-A，MAG和OMgp競爭同一個Nogo-66受體(Nogo-66 receptor，NgR)，介導(dǎo)抑制軸突生長的功能。

由星形膠質(zhì)細(xì)胞和結(jié)締組織成分構(gòu)成的神經(jīng)膠質(zhì)瘢痕是一個研究最多、但了解很少的阻礙脊髓損傷后軸突再生的屏障[18]。在很長一段時間里，膠質(zhì)瘢痕形成的機(jī)械阻礙被認(rèn)為是脊髓損傷后再生失敗的原因。然而，近來的研究顯示膠質(zhì)瘢痕遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是只起機(jī)械阻礙作用的物理瘢痕，膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生的抑制因子能與細(xì)胞相互作用，阻礙軸突生長[19-20]。膠質(zhì)瘢痕產(chǎn)生的軸突生長抑制分子能使一個延伸活躍的生長錐轉(zhuǎn)變?yōu)闋I養(yǎng)不良的軸突末端，從而喪失長距離再生能力。當(dāng)然，這種生長錐的營養(yǎng)不良也與脊髓中軸突生長抑制因子和脊髓再生的“非允許環(huán)境”有關(guān)。多種實驗?zāi)Ｐ途砻髂z質(zhì)瘢痕產(chǎn)生的抑制分子和由星形膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生的抑制性分子都是再生失敗的參與者。膠質(zhì)瘢痕中的反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞能上調(diào)Tenascin、Semaphorin3，Ephrin-B2、Slit priteins以及大量硫酸軟骨蛋白多糖，這些抑制因子即使在致密膠質(zhì)瘢痕沒有形成時，也能使軸突再生失敗。細(xì)胞增生和特異性蛋白表達(dá)變化是脊髓損傷后星形膠質(zhì)細(xì)胞激活的標(biāo)志。雖然人們對星形膠質(zhì)細(xì)胞特定的激活機(jī)制目前還不清楚，但根據(jù)已有的研究結(jié)果提出了好幾種因子可能參與星形膠質(zhì)細(xì)胞激活并形成膠質(zhì)瘤的假設(shè)。細(xì)胞因子或其他分子[21-22]，包括TNF-α、endothelin-1、IL-6、thrombin和CNTF可能觸發(fā)了膠質(zhì)瘢痕化。這些因子中有些可能最初來源于血清中溶解的因子，也可能直接由星形膠質(zhì)細(xì)胞、活化的小膠質(zhì)細(xì)胞或外周的巨噬細(xì)胞產(chǎn)生。

軸突再生的抑制因子大多為一些化學(xué)排斥性軸突導(dǎo)向分子，這些分子在體內(nèi)、體外排斥軸突，但在胚胎時期起軸突導(dǎo)向作用。規(guī)范的軸突導(dǎo)向分子包括導(dǎo)素(netrins)、slits、信號素(semaphorins)和ephrins，以及他們相應(yīng)的受體DCC/Unc5H、Robo、neuropilin-plexin及Eph受體。

4 問題和展望

SCI后造成的勞動能力喪失、生活不能自理、并發(fā)癥等嚴(yán)重問題困擾著患者及其家庭。SCI機(jī)制尚未完全清楚，隨著分子生物學(xué)技術(shù)以及醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，相信在未來隨著對SCI后的病理生理過程認(rèn)識不斷深入，必將改善脊髓損傷治療效果。

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(2015-06-10收稿，2015-07-04修回)

編輯： 周 凌

國家自然科學(xué)基金項目(81060108)

時間：2015-08-07

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R322.81

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