低氧預(yù)處理與高氧預(yù)處理在脊髓損傷后神經(jīng)保護(hù)作用的相關(guān)研究進(jìn)展①

張?chǎng)┬悖瑥堝?，張衍軍，吳啟超，劉亞?wèn)|，劉宗建，關(guān)云，陳學(xué)明,b

1.首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京潞河醫(yī)院，a.中心實(shí)驗(yàn)室；b.脊柱外科，北京市101149

脊髓損傷后通常會(huì)發(fā)生一系列病理變化，包括血管系統(tǒng)崩解、水腫、免疫細(xì)胞浸潤(rùn)、炎癥反應(yīng)、神經(jīng)膠質(zhì)增生/膠質(zhì)瘢痕形成、細(xì)胞凋亡和死亡以及脫髓鞘等[1]。長(zhǎng)期激活的淋巴細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞和巨噬細(xì)胞等免疫細(xì)胞可導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)生繼發(fā)性損傷，從而引起受損局部微環(huán)境發(fā)生改變，并阻礙中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system,CNS)中軸突的再生[2]。CNS損傷后引起的缺血缺氧、興奮性氨基酸毒性作用、自由基及炎癥反應(yīng)是造成繼發(fā)性損傷的主要原因。由此將脊髓損傷分為急性脊髓損傷和慢性脊髓損傷。急性脊髓損傷主要由原發(fā)性機(jī)械損傷造成，主要病理特點(diǎn)包括神經(jīng)元壞死、軸突變性和脫髓鞘等；慢性脊髓損傷主要由繼發(fā)性損傷引起，主要是膠質(zhì)瘢痕、炎癥及囊腔空洞形成[3]。

低氧及高氧預(yù)處理是指機(jī)體預(yù)先經(jīng)過(guò)短暫的低氧或高氧刺激，再恢復(fù)其正常氧狀態(tài)，并反復(fù)多次，使機(jī)體對(duì)低氧或高氧產(chǎn)生適應(yīng)，提高機(jī)體對(duì)氧的耐受。目前針對(duì)脊髓損傷治療的研究主要集中于藥物保護(hù)、干細(xì)胞治療以及組織工程治療等方面，應(yīng)用物理手段研究脊髓損傷的報(bào)道較少。本文綜述近幾年關(guān)于應(yīng)用低壓氧及高壓氧預(yù)處理探討脊髓損傷后保護(hù)作用的文獻(xiàn)，探討其對(duì)神經(jīng)元的影響及對(duì)脊髓的營(yíng)養(yǎng)和保護(hù)作用。

1 低氧預(yù)處理

1.1 重復(fù)性間歇性低氧(repeated acute intermittent hypoxia,RAIH)

低壓氧預(yù)處理作為一種有效的物理防御手段，在脊髓損傷的研究中鮮有報(bào)道。Satriotomo等[4]提出RAIH能增加運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元中生長(zhǎng)因子與營(yíng)養(yǎng)因子的表達(dá)，從而誘導(dǎo)呼吸運(yùn)動(dòng)的可塑性及神經(jīng)保護(hù)?？伤苄钥稍诙鄠€(gè)控制呼吸的神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)生，包括腦干整合神經(jīng)元、外周化學(xué)感受器和呼吸運(yùn)動(dòng)神經(jīng)核[5-7]。Satriotomo等提出RAIH能作為提高運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元存活率和細(xì)胞移植的預(yù)處理手段之一。

在細(xì)胞水平上，間歇性低氧能改變突觸可塑性和神經(jīng)保護(hù)關(guān)鍵分子的表達(dá)。研究RAIH誘導(dǎo)突觸可塑性最常見(jiàn)的模型是膈神經(jīng)長(zhǎng)時(shí)程易化(phrenic long term facilitation,pLTF)伴急性間歇性缺氧(acute intermittent hypoxia,AIH)模型，需要脊髓中5-羥色胺受體激活后，與腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)結(jié)合，形成5-羥色胺依賴綜合體[7]。RAIH能引起膈神經(jīng)運(yùn)動(dòng)核中多種分子pLTF后表達(dá)增加，包括BDNF、高親和性受體和酪氨酸激酶受體B(tyrosine receptor kinase B,TrkB)等[8-9]。Lovett-Barr等[8]和 Prosser-Loose等[10]發(fā)現(xiàn)，持續(xù)每天進(jìn)行AIH能改善頸脊髓損傷大鼠的前肢運(yùn)動(dòng)功能，效果能持續(xù)數(shù)周。

在CNS中，BDNF是強(qiáng)大的神經(jīng)元興奮和突觸傳遞的調(diào)節(jié)劑[11]，物理運(yùn)動(dòng)能增加腦和脊髓中BDNF的表達(dá)，而B(niǎo)DNF表達(dá)增加能反應(yīng)運(yùn)動(dòng)功能的變化[12]。RAIH成為能夠誘發(fā)脊髓中BDNF和TrkB表達(dá)，開(kāi)始逐漸被關(guān)注。

1.2 低氧預(yù)處理

低氧預(yù)處理能有效提高移植后骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cells,BMSC)的存活率，并對(duì)神經(jīng)功能有保護(hù)作用，使干細(xì)胞移植到缺血組織后能更好抵抗缺血狀態(tài)；它能抑制血脊髓屏障和細(xì)胞凋亡，抑制組織缺血再灌注所造成的組織損傷，并上調(diào)缺氧誘導(dǎo)因子-1(hypoxia inducible factor-1,HIF-1)在脊髓組織中的表達(dá)[13]。這能成功提高BMSC中的細(xì)胞含量以及宿主細(xì)胞的存活率[14]。

BMSC能有效抑制脊髓缺血再灌注損傷[15]。一些體內(nèi)和體外研究證明，低氧預(yù)處理可能提高BMSC對(duì)低氧環(huán)境的適應(yīng)性，并增加其細(xì)胞活性，從而很好抑制細(xì)胞凋亡[16-18]；使其分泌多種細(xì)胞因子、趨化因子和生長(zhǎng)因子，促進(jìn)組織修復(fù)[19]。

血脊髓屏障能調(diào)節(jié)和限制大分子物質(zhì)進(jìn)入CNS，保持脊髓正常微環(huán)境。原發(fā)性損傷會(huì)造成血脊髓屏障受損并改變其蛋白滲透性，炎性物質(zhì)能夠自由進(jìn)入，從而誘發(fā)和加重脊髓損傷。在心肌細(xì)胞研究中，低氧預(yù)處理能增強(qiáng)心肌組織中BMSC的修復(fù)能力，促進(jìn)血管生成[20]；低氧預(yù)處理的BMSC能夠有效抑制缺血組織中細(xì)胞凋亡[21]。

基因修飾的神經(jīng)干細(xì)胞(neural stem cell,NSC)能被移植進(jìn)受損的脊髓中，促進(jìn)運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)[22]。Oh等[23]將NSC與骨髓基質(zhì)細(xì)胞(marrow-derived stroma cell,MSC)共培養(yǎng)，在培養(yǎng)過(guò)程中采用低氧預(yù)處理，發(fā)現(xiàn)低氧預(yù)處理不僅能在體外促進(jìn)MSC與NSC共培養(yǎng)細(xì)胞的存活及報(bào)告基因的表達(dá)，在體內(nèi)也能起同樣作用。

1.3 急性間歇性低氧

呼吸功能不全是高頸段脊髓損傷后死亡的主要原因。雖然呼吸運(yùn)動(dòng)可以隨時(shí)間逐漸恢復(fù)，但其自主恢復(fù)能力有限。Golder等[24]發(fā)現(xiàn)，在慢性脊髓損傷中，間歇性低氧能在大多數(shù)患者中有效誘導(dǎo)呼吸功能恢復(fù)，同時(shí)誘發(fā)自主呼吸功能恢復(fù)。

Blight[25]的關(guān)注重點(diǎn)在于急性脊髓損傷后如何修復(fù)脊髓軸突，從而引導(dǎo)神經(jīng)通路修復(fù)。脊髓損傷通常是不完全的，受損的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中通常能觀察到未受損的軸突神經(jīng)，并為神經(jīng)軸突自發(fā)放電功能的恢復(fù)提供酶作用物。但在長(zhǎng)期脊髓損傷患者中，這種自發(fā)功能恢復(fù)的治療方案幾乎不存在。

慢性脊髓損傷的發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，目前一般認(rèn)為細(xì)胞凋亡和死亡是造成慢性脊髓損傷的主要原因。間歇性低氧可以誘發(fā)脊髓5-羥色胺依賴的可塑性，通過(guò)pLTF加強(qiáng)突觸與運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元之間的聯(lián)系。在pLTF過(guò)程中，脊髓損傷后4～8周，由5-羥色胺支配的膈運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元發(fā)生明顯變化[24]。目前認(rèn)為，間歇性低氧在急性脊髓損傷后是增強(qiáng)呼吸運(yùn)動(dòng)的最佳方法之一，為脊髓損傷后功能的恢復(fù)提供了一種新的潛在治療方式。

2 高壓氧

高壓氧能改善脊髓損傷后肢體活動(dòng)，并延緩病變發(fā)生；在受損的神經(jīng)組織中減輕繼發(fā)性炎癥反應(yīng)，提高氧分壓，抑制細(xì)胞凋亡，并促進(jìn)神經(jīng)組織再生；同時(shí)它能改善組織缺氧狀態(tài)，上調(diào)細(xì)胞中的線粒體酶活性，使損傷細(xì)胞得到修復(fù)，并促進(jìn)正常代謝反應(yīng)；另外，高壓氧能有效抑制活化的小膠質(zhì)細(xì)胞分泌炎癥因子，從而調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的免疫反應(yīng)[26-29]。

高壓氧具有保護(hù)脊髓中細(xì)胞結(jié)構(gòu)與組織結(jié)構(gòu)完整性的作用，縮短受損神經(jīng)細(xì)胞的再生周期，并促進(jìn)神經(jīng)纖維再生。目前，高壓氧干預(yù)在脊髓損傷治療中的作用已經(jīng)在多項(xiàng)試驗(yàn)中被證實(shí)，這一治療方式還被廣泛應(yīng)用于各種特殊事故及神經(jīng)類疾病中，包括一氧化碳中毒、氣體栓塞、減壓病等[30]。

Lu等[31]將高氧預(yù)處理作用于脊髓損傷大鼠，同時(shí)利用低氧預(yù)處理作為對(duì)照，發(fā)現(xiàn)無(wú)論高壓氧預(yù)處理還是低壓氧預(yù)處理都能促進(jìn)神經(jīng)功能恢復(fù)，抑制細(xì)胞凋亡，促進(jìn)軸突再生和運(yùn)動(dòng)行為的恢復(fù)，能作為神經(jīng)外科手術(shù)有效的預(yù)防措施。目前，低氧和高氧已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于保護(hù)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的研究中。

3 HIF-1和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)

HIF-1由兩種亞基組成，通過(guò)泛素蛋白酶途徑發(fā)揮作用，在低氧條件下穩(wěn)定存在并發(fā)揮功能，但在常氧狀態(tài)下快速降解；其亞型HIF-1b卻在常氧中趨于穩(wěn)定。HIF-1能激活轉(zhuǎn)錄基因編碼VEGF、紅細(xì)胞生成素、糖酵解酶、葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白等。脊髓損傷后，這些蛋白能增加氧氣運(yùn)送，促進(jìn)代謝反應(yīng)[32]。

VEGF轉(zhuǎn)錄可上調(diào)HIF-1在5'啟動(dòng)子區(qū)與低氧反應(yīng)元件結(jié)合。在大多數(shù)低氧環(huán)境中，HIF-1能介導(dǎo)VEGF上調(diào)。白質(zhì)損傷及前肢癱瘓后16～20周內(nèi)，大量細(xì)胞表達(dá)HIF-1，VEGF迅速增加。脊髓損傷后，VEGF和HIF-1的表達(dá)均明顯上調(diào)。體外研究表明，低氧預(yù)處理的BMSC能促進(jìn)HIF-1分泌，提高細(xì)胞對(duì)低氧環(huán)境的適應(yīng)性，從而達(dá)到神經(jīng)保護(hù)作用[33]。

4 展望

預(yù)處理是一種內(nèi)源性保護(hù)措施，在循環(huán)系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、器官移植中具有重要的臨床價(jià)值。低氧預(yù)處理和高氧預(yù)處理對(duì)中樞神經(jīng)缺血再灌注損傷的保護(hù)作用已經(jīng)得到較好證明[34]。

目前脊髓損傷的治療研究仍然集中于探討藥物或干細(xì)胞，很少?gòu)奈锢斫嵌?，包括低氧或高氧方面深入探討其神?jīng)保護(hù)作用和機(jī)制。本文從對(duì)低氧、高氧及低氧后一些重要的標(biāo)志性因子進(jìn)行探討，試圖將物理性保護(hù)引入脊髓損傷的研究中，為脊髓損傷的治療開(kāi)辟一條新的途徑。

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