巨噬細(xì)胞調(diào)節(jié)膠質(zhì)瘢痕在脊髓損傷修復(fù)中的作用研究進(jìn)展

宋公宇 章 濤 張 潛

(遵義醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院人體解剖學(xué)教研室, 遵義 563003)

脊髓損傷(spinal cord injury,SCI)是常見的中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system, CNS)損傷性疾病,可導(dǎo)致?lián)p傷節(jié)段以下的感覺、運(yùn)動(dòng)功能喪失,已成為嚴(yán)重威脅人類健康的重大疾病之一,至今未找到確切的治愈方法[1]。有研究表明,脊髓損傷后軸突再生能力有限,主要與損傷后微環(huán)境中神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子缺乏及膠質(zhì)瘢痕的抑制作用等有關(guān),其中膠質(zhì)瘢痕的形成是SCI后軸突再生和功能恢復(fù)最主要的障礙[2,3]。近年來的研究表明,炎癥反應(yīng)是中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷后最為重要的病理過程之一,其中最為重要的炎癥細(xì)胞是巨噬細(xì)胞,加之有研究表明,巨噬細(xì)胞對(duì)膠質(zhì)瘢痕的形成有調(diào)節(jié)作用,因此現(xiàn)以巨噬細(xì)胞調(diào)節(jié)膠質(zhì)瘢痕在SCI組織修復(fù)過程中的作用綜述如下。

1 巨噬細(xì)胞在SCI中的作用

在SCI發(fā)生后,損傷局部微環(huán)境的改變可直接影響神經(jīng)元軸突再生及功能恢復(fù),其中免疫系統(tǒng)的參與發(fā)揮著重要作用[4-5]。炎癥細(xì)胞在受損的脊髓組織中發(fā)生級(jí)聯(lián)反應(yīng),此過程涉及嗜中性粒細(xì)胞浸潤(rùn)和小膠質(zhì)細(xì)胞活化,隨后出現(xiàn)單核細(xì)胞來源的巨噬細(xì)胞累積[6-7],之后淋巴細(xì)胞進(jìn)入病變部位,以清潔受損部位,防止暴露組織的潛在感染,并促進(jìn)組織再生[8]。在炎癥反應(yīng)過程中,損傷局部的小膠質(zhì)細(xì)胞和滲入到神經(jīng)系統(tǒng)的巨噬細(xì)胞[2,9],是CNS病變中最重要的免疫群體。

20世紀(jì)末,人們開始注意到巨噬細(xì)胞在神經(jīng)保護(hù)、軸突再生和組織修復(fù)方面的重要性[10-12]。在CNS中,London等[13]報(bào)道在視神經(jīng)損傷后抑制單核細(xì)胞浸潤(rùn)會(huì)減少睫狀體中視網(wǎng)膜祖細(xì)胞增殖的數(shù)量,而增加巨噬細(xì)胞的數(shù)量則會(huì)促進(jìn)視網(wǎng)膜祖細(xì)胞的存活和再生。Wong等[14]通過基因敲除的方式,成功阻斷了小鼠NRROS跨膜蛋白介導(dǎo)的通路,造成巨噬細(xì)胞功能缺陷,可導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙,這進(jìn)一步說明了巨噬細(xì)胞在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育及損傷修復(fù)時(shí)的重要作用。且有研究證明,SCI后巨噬細(xì)胞可增強(qiáng)軸突的再生,促進(jìn)脊髓中神經(jīng)元的存活和祖細(xì)胞再生[13,15],調(diào)節(jié)圍繞在損傷部位的細(xì)胞外基質(zhì)組成和膠質(zhì)瘢痕的形成[16]。而Wang等[17]報(bào)道小鼠創(chuàng)傷性腦損傷7d后同側(cè)大腦皮質(zhì)分離的巨噬細(xì)胞由于NADPH氧化酶2的表達(dá)被激活,可明顯抑制神經(jīng)元生長(zhǎng)并增強(qiáng)炎癥反應(yīng)發(fā)生。在SCI模型中,巨噬細(xì)胞的浸潤(rùn)限制了包括嗜中性粒細(xì)胞在內(nèi)的其他炎性白細(xì)胞的積累,并且通過表達(dá)抗炎細(xì)胞因子IL-10以抑制小膠質(zhì)細(xì)胞的促炎活性,以減少繼發(fā)性損害和促進(jìn)組織修復(fù)[13,18]。近期研究證明,通過激活巨噬細(xì)胞分泌基質(zhì)金屬蛋白酶9(matrix metalloproteinase 9, MMP-9),可調(diào)節(jié)細(xì)胞外基質(zhì)重塑,促進(jìn)SCI后組織修復(fù)[19]。值得注意的是，巨噬細(xì)胞可以分別獲得促炎和抗炎兩種活性[8],且其功能的改變高度依賴于進(jìn)入CNS的途徑,例如單核細(xì)胞通過腦的脈絡(luò)叢進(jìn)入CNS受損部位遇到腦脊液的抗炎環(huán)境,這將使其表型偏向M2型巨噬細(xì)胞極化[20];另一途徑,通過與損傷部位相鄰的軟腦膜進(jìn)入受損CNS的單核細(xì)胞會(huì)偏向M1表型巨噬細(xì)胞極化[6]。這兩種不同的進(jìn)入路線會(huì)引起巨噬細(xì)胞表型的改變,從而導(dǎo)致功能的不同,而在嚴(yán)重的病理?xiàng)l件下小膠質(zhì)細(xì)胞卻不能獲得這樣全面的活性。與此同時(shí),機(jī)體在損傷后即刻招募M1型巨噬細(xì)胞,隨后募集M2型,在不同時(shí)間募集特定的巨噬細(xì)胞亞群,以發(fā)揮不同的作用[8]。且有研究表明,物理因素中光線的強(qiáng)弱對(duì)骨髓來源巨噬細(xì)胞極化水平具有調(diào)控作用,從而影響脊髓損傷修復(fù)的過程[21]。進(jìn)一步研究顯示,M1型可通過產(chǎn)生排斥性導(dǎo)向分子a(repulsive guidance molecule a, RGMa)來抑制軸突生長(zhǎng),且RGMa抗體抑制劑可促進(jìn)神經(jīng)元存活,并增強(qiáng)皮質(zhì)脊髓束軸突再生的可塑性[22-23]?？傊奘杉?xì)胞在參與SCI修復(fù)的過程中,是保護(hù)組織、瘢痕調(diào)節(jié)和軸突再生的關(guān)鍵因素。

2 膠質(zhì)瘢痕與SCI修復(fù)

SCI后形成的膠質(zhì)瘢痕主要由活化、增殖的星形膠質(zhì)細(xì)胞(astrocytes, AS)及其分泌的硫酸軟骨素蛋白聚糖(chondroitin sulfate proteoglycans, CSPGs)組成[24]。這些反應(yīng)性AS會(huì)經(jīng)歷數(shù)次形態(tài)和代謝變化,包括肥大、病理性增生、分泌膠質(zhì)纖維酸性蛋白質(zhì)(glial fibrillary acidic protein, GFAP)等多種蛋白質(zhì)和CSPGs等細(xì)胞外基質(zhì)[3,25]。SCI中膠質(zhì)瘢痕的形成與非CNS的組織傷口愈合過程一樣,在損傷后的早期階段發(fā)揮著重要的作用。

2.1 膠質(zhì)瘢痕的不利影響

在受損神經(jīng)組織恢復(fù)的過程中,膠質(zhì)瘢痕是阻礙神經(jīng)元軸突再生的重要因素。其中反應(yīng)性AS肥大和增生,并高達(dá)表GFAP是其被激活的主要特征性表現(xiàn),也是阻礙神經(jīng)元軸突再生和生長(zhǎng)錐跨越的主要物理屏障[25]。Hara等[3]近期研究顯示,在SCI中AS向反應(yīng)性AS轉(zhuǎn)變的過程是可逆的,這種型別變化具有環(huán)境依賴性。進(jìn)一步研究表明在小鼠SCI模型中,膠質(zhì)瘢痕形成時(shí)期I型膠原在脊髓高表達(dá),并且通過整合素-N-鈣黏蛋白途徑誘導(dǎo)膠質(zhì)瘢痕形成,從而導(dǎo)致神經(jīng)元軸突再生障礙。與此同時(shí),激活的AS可分泌各種炎性介質(zhì)和CSPGs等細(xì)胞外基質(zhì),以影響神經(jīng)元軸突再生的微環(huán)境。CSPGs由核心蛋白質(zhì)及糖胺聚糖側(cè)鏈組成,其生成可影響神經(jīng)干/祖細(xì)胞的分化,AS的增殖和遷移,少突膠質(zhì)細(xì)胞成熟及髓鞘再生及軸突生長(zhǎng),甚至導(dǎo)致炎癥發(fā)生,是阻礙組織重構(gòu)及修復(fù)的主要化學(xué)屏障[26-27]。Takeuchi等[28]分別通過敲除硫酸軟骨素-N-乙酰氨半乳糖胺基轉(zhuǎn)移酶1的基因表達(dá)或者利用軟骨素酶預(yù)處理的方法抑制CSPGs的產(chǎn)生,在SCI后成功抑制了膠質(zhì)瘢痕的形成,促進(jìn)神經(jīng)元軸突再生,且提高了小鼠四肢的運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)。Vo等[29]研究證明,CSPGs通過抑制軸突導(dǎo)向蛋白Sema3A的表達(dá)過程,引起神經(jīng)元軸突的再生障礙和生長(zhǎng)錐塌陷。

2.2 膠質(zhì)瘢痕的有益作用

在SCI后受損組織會(huì)釋放出多種化學(xué)物質(zhì)和毒性分子,如興奮性氨基酸、活性氧和自由基等。此外,活化的小神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞和巨噬細(xì)胞可進(jìn)一步促進(jìn)神經(jīng)毒性微環(huán)境的產(chǎn)生,從而引起繼發(fā)性損傷。而膠質(zhì)瘢痕的形成可密封病變部位,防止毒性分子的擴(kuò)散,抑制繼發(fā)性損傷的發(fā)生。有研究顯示,在小鼠SCI模型中促進(jìn)硫酸乙酰肝素(heparin sulphate, HS)的表達(dá),有助于受損軸突的再生,而HS是CSPGs的組成成分之一[28]。Anderson等[4]近期研究證明,在小鼠SCI模型中利用基因靶向敲除的方法,通過抑制膠質(zhì)瘢痕形成、減弱膠質(zhì)瘢痕形成或切除膠質(zhì)瘢痕3種方式,均未能導(dǎo)致橫切的皮質(zhì)脊髓中感覺或5-羥色胺能神經(jīng)元軸突的自發(fā)再生長(zhǎng)。這說明在損傷后早期階段需要AS和CSPGs以促進(jìn)組織修復(fù)并保護(hù)組織免受損傷。而慢性期,當(dāng)瘢痕組織應(yīng)該由再生軸突和細(xì)胞更新代替時(shí),其存在會(huì)阻礙組織修復(fù)的進(jìn)行[21]。

總體而言,膠質(zhì)瘢痕在SCI后是恢復(fù)組織完整性的關(guān)鍵因素,但膠質(zhì)瘢痕的過度形成會(huì)阻礙脊髓損傷后神經(jīng)元的再生。且已有研究證明,在SCI后膠質(zhì)瘢痕的形成過程有巨噬細(xì)胞參與其中,這進(jìn)一步說明在脊髓組織中免疫細(xì)胞具有消除炎癥反應(yīng)和調(diào)節(jié)膠質(zhì)瘢痕形成的能力[14,16,30]。

3 巨噬細(xì)胞調(diào)節(jié)膠質(zhì)瘢痕的形成

巨噬細(xì)胞可通過調(diào)節(jié)膠質(zhì)瘢痕的形成間接影響SCI的愈合過程,但其對(duì)膠質(zhì)瘢痕形成的調(diào)節(jié)機(jī)制尚未闡明。在脊髓和視神經(jīng)損傷的模型中,人們觀察到巨噬細(xì)胞通過分泌基質(zhì)降解酶即基質(zhì)金屬蛋白酶13(matrix metalloproteinase 13, MMP-13)來參與組織的損傷修復(fù)[13,18]。研究表明,單核細(xì)胞衍生的巨噬細(xì)胞可以通過分泌MMP-13來降解CSPGs,抑制膠質(zhì)瘢痕的形成,為軸突再生創(chuàng)建有利環(huán)境以促進(jìn)功能恢復(fù)[31]。不同型別的巨噬細(xì)胞對(duì)瘢痕形成的調(diào)節(jié)也有所差異,Haan[32]等報(bào)道在SCI部位會(huì)出現(xiàn)M1和M2型巨噬細(xì)胞混雜并存的現(xiàn)象,其分別利用M1型和M2型巨噬細(xì)胞條件培養(yǎng)基與原代AS或者脊髓組織切片共培養(yǎng),證明M1型巨噬細(xì)胞條件培養(yǎng)基可促進(jìn)AS增殖和CSPGs的分泌,而M2型條件培養(yǎng)基對(duì)AS的增殖及代謝的影響不明顯。且研究顯示由M2型條件培養(yǎng)基誘導(dǎo)的AS可同時(shí)抑制M1和M2型巨噬細(xì)胞的增殖,并減少M(fèi)1型巨噬細(xì)胞中腫瘤壞死因子-α的產(chǎn)生。而Fearing等[33]通過將不同型別巨噬細(xì)胞條件培養(yǎng)基與AS共培養(yǎng),結(jié)果顯示在M1型條件培養(yǎng)基誘導(dǎo)的AS中GFAP的表達(dá)及CSPGs的分泌均顯著增加,M2型條件培養(yǎng)基誘導(dǎo)AS中GFAP及CSPGs的表達(dá)明顯被抑制。Fan等[34]進(jìn)一步研究表明,SCI后M1型巨噬細(xì)胞通過TLR/MyD88信號(hào)途徑誘導(dǎo)反應(yīng)性AS凋亡,并提示抑制星形膠質(zhì)細(xì)胞壞死可能有助于預(yù)防繼發(fā)性SCI。Gliem等[35]研究表明,巨噬細(xì)胞可通過分泌骨橋蛋白促進(jìn)AS高表達(dá)GFAP并誘導(dǎo)其向反應(yīng)性AS轉(zhuǎn)變。

綜上所述,多年來CNS損傷后的恢復(fù)過程被認(rèn)為是一種組織自主反應(yīng),而近些年研究表明,免疫細(xì)胞參與受損CNS的愈合過程十分必要。因此,以前認(rèn)為局部免疫反應(yīng)和膠質(zhì)瘢痕形成是CNS愈合過程中軸突再生主要障礙,現(xiàn)已被證明其同樣是關(guān)鍵的愈合反應(yīng)。然而,免疫反應(yīng)的發(fā)生及膠質(zhì)瘢痕的形成如果得不到及時(shí)的調(diào)控,同樣會(huì)對(duì)組織修復(fù)過程造成不利影響。巨噬細(xì)胞是參與SCI恢復(fù)過程中的重要免疫細(xì)胞,其功能廣泛且能夠調(diào)節(jié)膠質(zhì)瘢痕形成。損傷反應(yīng)初始階段的特征之一是形成保護(hù)性瘢痕組織,其通過將損傷部位與神經(jīng)毒性介質(zhì)密封來提供神經(jīng)保護(hù)作用,并誘導(dǎo)單核細(xì)胞衍生的巨噬細(xì)胞表型改變以發(fā)揮不同作用。在炎癥反應(yīng)消退后,膠質(zhì)瘢痕會(huì)抑制組織修復(fù)過程,而巨噬細(xì)胞可通過表達(dá)基質(zhì)降解酶如MMP-13,或通過TLR/MyD88信號(hào)途徑誘導(dǎo)反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞凋亡,以促進(jìn)瘢痕分解或抑制膠質(zhì)瘢痕形成,為軸突再生創(chuàng)造了有利的環(huán)境。最后,在受損的脊髓中巨噬細(xì)胞通過分泌誘導(dǎo)軸突再生的生長(zhǎng)因子,幫助形成有利于軸突再生的微環(huán)境。這種由巨噬細(xì)胞通過消除局部炎癥保護(hù)殘存神經(jīng)元,以及通過部分地消除瘢痕組織促進(jìn)軸突再生的現(xiàn)象,展示出其在脊髓愈合過程中的重要性。因此,對(duì)如何利用巨噬細(xì)胞調(diào)節(jié)膠質(zhì)瘢痕形成在SCI修復(fù)中的正向作用及深入了解其內(nèi)在機(jī)制,將為SCI后促進(jìn)軸突再生和功能恢復(fù)探尋新的、有效的治療方法奠定基礎(chǔ),對(duì)提高SCI患者預(yù)后的生活質(zhì)量具有重要意義。