電針對脊髓損傷后抑制神經(jīng)再生微環(huán)境的影響及相關(guān)信號通路的研究進(jìn)展

徐海鵬,馬睿杰,2,胡蓉,陳怡,吳磊,2,何克林,2

(1.浙江中醫(yī)藥大學(xué)第三臨床醫(yī)學(xué)院,杭州 310053;2.浙江中醫(yī)藥大學(xué)附屬第三醫(yī)院,杭州 310005)

脊髓損傷(spinal cord injury,SCI)是由于脊髓部分神經(jīng)功能喪失而引起的中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病,可導(dǎo)致機(jī)體運動、感覺和日常生活等多方面的功能障礙。據(jù)報道,全世界每年新增SCI患者為13.3～22.6萬人。在美國,與 SCI相關(guān)的治療成本每年高達(dá) 970萬美元[1-2],較高的致殘率和昂貴的治療費用給家庭和社會造成巨大的負(fù)擔(dān)。因此,深入揭示SCI的發(fā)病機(jī)制并尋求有效的治療手段一直是醫(yī)學(xué)界研究的熱點和難點。

SCI發(fā)病機(jī)制包括原發(fā)性損傷和繼發(fā)性損傷兩大類,相較于原發(fā)性損傷的不可預(yù)見性,繼發(fā)性損傷機(jī)制是研究SCI的重點[3]。其中,SCI后形成的抑制神經(jīng)再生微環(huán)境在SCI繼發(fā)性損傷機(jī)制中占有重要地位。SCI后,不同階段和損傷部位的細(xì)胞、分子等多種因素會逐漸出現(xiàn)失衡的現(xiàn)象,從而導(dǎo)致一系列的病理和生理變化,這些變化會使得受損的局部形成抑制神經(jīng)再生的微環(huán)境,限制脊髓功能的恢復(fù),通過調(diào)節(jié)神經(jīng)再生的微環(huán)境的平衡,激發(fā)神經(jīng)細(xì)胞和軸突的生長潛力,能在一定程度上,恢復(fù)成年軸突和神經(jīng)元再生功能[4]。因此,改善 SCI后的微環(huán)境失衡,對脊髓神經(jīng)功能的恢復(fù)具有重要的意義。電針療法作為中醫(yī)學(xué)和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)相結(jié)合的治療手段,目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于臨床,筆者就近年來電針對SCI后抑制神經(jīng)再生的微環(huán)境的影響以及其相關(guān)的信號通路的作用機(jī)制進(jìn)行總結(jié)和歸納。

1 電針對SCI后抑制神經(jīng)再生微環(huán)境的影響

1.1 電針通過減少膠質(zhì)瘢痕的形成調(diào)節(jié)抑制神經(jīng)再生的微環(huán)境

膠質(zhì)細(xì)胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中最豐富的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞,在脊髓微環(huán)境中發(fā)揮必不可少的生理功能,但在病理狀態(tài)下,膠質(zhì)細(xì)胞則能誘導(dǎo)膠質(zhì)瘢痕的過度增生[5]。在SCI的早期,星型膠質(zhì)細(xì)胞會發(fā)生沉淀,但是隨著時間的推移,星型膠質(zhì)細(xì)胞會發(fā)生表型和形態(tài)的改變,出現(xiàn)持續(xù)增生的現(xiàn)象,在增生的過程中表達(dá)抑制類的蛋白,這些蛋白能促進(jìn)膠質(zhì)瘢痕的形成。膠質(zhì)纖維酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein,GFAP)作為重要抑制蛋白,與星形膠質(zhì)細(xì)胞活性密切相關(guān),是膠質(zhì)瘢痕形成的重要標(biāo)志[6]。星型膠質(zhì)細(xì)胞分泌的GFAP能與其他細(xì)胞結(jié)合,形成物理屏障,具有防止損傷部位的炎癥擴(kuò)散的功能,但這種物理屏障也會限制軸突的生長[7]。蘇標(biāo)瑞等[8]研究發(fā)現(xiàn)電針可以顯著抑制 SCI后GFAP的表達(dá),增加星型膠質(zhì)細(xì)胞的逆分化,從而促進(jìn)SCI功能的恢復(fù)。WEI Z等[9]研究發(fā)現(xiàn)電針刺激夾脊穴可通過促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞黏附分子表達(dá)和干細(xì)胞的有益激活從而差異性地調(diào)節(jié)GFAP表達(dá),改善小鼠的運動功能。另外,電針刺激雙側(cè)足三里、內(nèi)庭穴,能減少脊髓白質(zhì)空洞形成,抑制膠質(zhì)瘢痕增生,促進(jìn)下肢功能恢復(fù)[10]。

SCI之后,參與瘢痕形成的反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞、少突前體細(xì)胞等也會分泌另一個重要的抑制因子,即硫酸軟骨素蛋白聚糖(chondroitin sulfate proteoglycans,CSPGs),參與細(xì)胞外基質(zhì)的形成。當(dāng) CSPGs大量聚集在損傷部位,軸突的生長會受到明顯的抑制,而使用硫酸軟骨素酶進(jìn)行干預(yù),可降低 CSPGs對軸突的抑制作用,促進(jìn)神經(jīng)軸突的生長[11]。電針刺激 SCI模型大鼠的督脈穴,能有效降低CSGPs表達(dá),促進(jìn)神經(jīng)軸突的再生,改善受損的神經(jīng)功能[12]。

1.2 電針通過促進(jìn)軸突再髓鞘化調(diào)節(jié)抑制神經(jīng)再生的微環(huán)境

在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中,少突膠質(zhì)細(xì)胞負(fù)責(zé)生產(chǎn)和維持軸突的髓鞘段,SCI之后,由于直接損傷和局部微環(huán)境因子的失衡,軸突會出現(xiàn)脫髓鞘的現(xiàn)象。目前認(rèn)為,少突膠質(zhì)細(xì)胞的壞死和凋亡是軸突脫髓鞘的主要原因,少突膠質(zhì)細(xì)胞的持續(xù)丟失也是影響SCI功能恢復(fù)的主要障礙[13-14]。神經(jīng)突增生抑制劑A(Nogo-A)、少突膠質(zhì)細(xì)胞髓鞘糖蛋白和髓磷脂相關(guān)糖蛋白是參與脫髓鞘的3種典型的髓鞘相關(guān)蛋白,在SCI后的表達(dá)增多會導(dǎo)致生長錐的塌陷,限制神經(jīng)突的生長[15]。因此,SCI之后出現(xiàn)的軸突再髓鞘化現(xiàn)象的實質(zhì)是少突膠質(zhì)細(xì)胞替換的過程[16]。髓鞘堿性蛋白(myelin basic protein,MBP)是一種由少突膠質(zhì)細(xì)胞分泌的髓鞘蛋白,它可以通過恢復(fù)軸突的髓鞘化,幫助受損脊髓功能的重建[17]。電針能促進(jìn) SCI后各個時期的少突膠質(zhì)細(xì)胞的形成,抑制其凋亡,保護(hù)殘余的神經(jīng)纖維[18]。馬睿杰等[19]研究發(fā)現(xiàn),電針干預(yù) SCI模型大鼠受損水平上下兩個節(jié)段的雙側(cè)夾脊穴,能促進(jìn)MBP的表達(dá),加強(qiáng)軸突的再髓鞘化,有助于SCI后運動功能的恢復(fù)。楊成等[20]選取督脈電針治療,通過觀察髓鞘、少突膠質(zhì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的變化以及 MBP的表達(dá)的變化,發(fā)現(xiàn)電針能促進(jìn)少突膠質(zhì)細(xì)胞的增生,增強(qiáng)MBP表達(dá),實現(xiàn)軸突的再髓鞘化。李曉寧等[21]研究發(fā)現(xiàn),夾脊電針可能通過降低 SCI微環(huán)境中的Nogo-A的表達(dá),從而促進(jìn)軸突的再生。

1.3 電針通過促進(jìn)神經(jīng)干細(xì)胞的分化調(diào)節(jié)抑制神經(jīng)再生的微環(huán)境

神經(jīng)干細(xì)胞(neural stem cell,NSCs)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中可以增殖、遷移及分化為相應(yīng)的神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞。既往研究發(fā)現(xiàn)[22-23],神經(jīng)元的喪失是SCI恢復(fù)受限的主要原因,神經(jīng)干細(xì)胞和神經(jīng)元的比例直接影響SCI后的恢復(fù),NSCs在SCI部位具有分化為神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞的潛力,不僅能起到橋接脊髓斷端、重建神經(jīng)傳導(dǎo)通路,而且還能分泌多種神經(jīng)營養(yǎng)因子,改善脊髓局部微環(huán)境,促進(jìn)神經(jīng)軸突再生,改善損傷平面以下的運動及感覺功能的作用。巢蛋白(nestin)作為神經(jīng)干細(xì)胞的標(biāo)志性蛋白,電針刺激雙側(cè)夾脊穴能促進(jìn)SCI后神經(jīng)干細(xì)胞的分化和神經(jīng)功能的恢復(fù)[24]。此外,電針治療對大鼠SCI后遠(yuǎn)端脊髓的NSCs增殖具有促進(jìn)作用[25]。

1.4 電針通過上調(diào)神經(jīng)營養(yǎng)因子的表達(dá)調(diào)節(jié)抑制神經(jīng)再生的微環(huán)境

SCI后生長促進(jìn)因子和生長抑制因子之間存在著不平衡的現(xiàn)象,這也是導(dǎo)致神經(jīng)元和少突膠質(zhì)細(xì)胞死亡以及軸突變性的主要原因之一[26]。神經(jīng)營養(yǎng)因子家族由腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)、神經(jīng)生長因子(nerve growth factor,NGF)、神經(jīng)營養(yǎng)素3(neurotrophin-3,NT-3)組成,這些神經(jīng)營養(yǎng)因子可促進(jìn) SCI后神經(jīng)元細(xì)胞存活、增殖和軸突再生,并在細(xì)胞死亡中起著重要作用[27]。

BDNF是一類促進(jìn)神經(jīng)元分化并誘導(dǎo)軸突再生的神經(jīng)營養(yǎng)因子,以髓鞘為媒介,通過調(diào)節(jié)突觸的可塑性從而影響軸突的傳遞[28]。督脈電針能誘導(dǎo)BDNF的表達(dá)對神經(jīng)元的存活和軸突的修復(fù)具有積極作用[29]。此外,電針“長強(qiáng)穴”同樣能提高BDNF表達(dá),修復(fù)損傷神經(jīng)[30]。

NGF作為一種典型的神經(jīng)營養(yǎng)因子,可與Trk受體和神經(jīng)營養(yǎng)蛋白受體結(jié)合,在維持和促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞的存活和延展軸突的生長方面發(fā)揮重要作用[26]。有文獻(xiàn)[30]報道,電針刺激“長強(qiáng)穴”可能通過促進(jìn)NGF的表達(dá),從而促進(jìn)大鼠運動功能的恢復(fù)。此外,電針能通過上調(diào)NGF及其高親和力受體TrkA表達(dá)以改善局部微環(huán)境,從而達(dá)到促進(jìn)神經(jīng)元功能恢復(fù)的目的[31]。

NT-3主要表達(dá)于脊髓和大腦的運動神經(jīng)元中,在神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育過程發(fā)揮重要的作用。Chen J等[32]觀察電針對NT-3的作用并證實,電針刺激脊髓背根神經(jīng)節(jié)可上調(diào)NT-3的表達(dá),促進(jìn)脊髓功能的恢復(fù)。此外,研究發(fā)現(xiàn),電針刺激大椎和命門穴可上調(diào)NT-3的表達(dá),在神經(jīng)元的存活、軸突再生、改善脊髓脫髓鞘的病變和保護(hù)神經(jīng)等方面均發(fā)揮積極作用[33]。

1.5 電針通過降低促炎因子的分泌調(diào)節(jié)抑制神經(jīng)再生微環(huán)境

促炎因子參與神經(jīng)變性、神經(jīng)炎癥和神經(jīng)病理性疼痛等多種病理變化。在SCI之后,炎癥細(xì)胞會大量分泌促炎因子,如IL-1、IL-6、TNF-α、GM-GSF和LIF,這些促炎因子參與SCI后微環(huán)境的動態(tài)變化[26]。電針刺激夾脊穴和督脈穴位,能抑制IL-1β、IL-6及TNF-α的表達(dá),減輕脊髓受損部位炎癥反應(yīng),保護(hù)神經(jīng)元[34-35]。

2 電針調(diào)節(jié)抑制神經(jīng)再生的微環(huán)境相關(guān)信號通路

2.1 電針可能通過抑制Rho/Rock信號通路參與抑制神經(jīng)再生的微環(huán)境的調(diào)節(jié)

Rho/Rock信號通路與神經(jīng)細(xì)胞遷移、樹突發(fā)育和軸突延伸等密切相關(guān)。Rho/Rock信號通路既可通過使神經(jīng)生長錐中肌動蛋白細(xì)胞骨架發(fā)生改變,導(dǎo)致生長錐塌陷、回縮,阻礙SCI后軸突的再生修復(fù),也能參與SCI后炎癥反應(yīng)、膠質(zhì)瘢痕過度增生、神經(jīng)細(xì)胞的凋亡以及形成抑制神經(jīng)再生微環(huán)境等系列病理變化[36-37]。電針SCI模型大鼠“夾脊穴”和“督脈穴位”后,大鼠脊髓誘發(fā)電位和下肢功能得到改善,伴有RhoA表達(dá)下降,提示電針可能通過下調(diào) RhoA表達(dá),促進(jìn)軸突再生[38],參與抑制神經(jīng)再生微環(huán)境的調(diào)節(jié)。

2.2 電針可能通過活化 Wnt信號通路參與抑制神經(jīng)再生微環(huán)境的調(diào)節(jié)

Wnt信號通路作為SCI修復(fù)的重要信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)之一,廣泛存在于真核細(xì)胞中,參與胚胎的發(fā)育、腫瘤的生長等一系列生物反應(yīng)[39]。Wnt信號通路主要分為4種不同的信號通路[40],①經(jīng)典的 Wnt-β-catenin信號通路;②Wnt-polarity通路;③Wnt-Ca通路;④調(diào)節(jié)紡錘體定向和不對稱細(xì)胞分裂的通路。其中經(jīng)典的Wntβ-catenin信號通路與SCI后的神經(jīng)干細(xì)胞的分化、神經(jīng)元的存活及軸突的導(dǎo)向密切相關(guān)。Wnt蛋白家族不僅在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育早期階段的神經(jīng)元分化、神經(jīng)元存活、軸突再生等方面扮演重要的角色,同時也參與SCI后的病理變化的過程。研究[41]發(fā)現(xiàn),電針刺激督脈可上調(diào) SCI大鼠模型不同時間點的 Wnt1、Wnt3a和β-catenin的表達(dá),可能是通過活化Wnt信號通路,促進(jìn)ENSCs的分化,從而促進(jìn)受損神經(jīng)功能的修復(fù)。

2.3 電針可能通過調(diào)控 Notch信號通路參與抑制神經(jīng)再生微環(huán)境的調(diào)節(jié)

Notch信號通路可調(diào)控相鄰的細(xì)胞參與多種組織和器官的的早期發(fā)育,對細(xì)胞的增殖、發(fā)育、凋亡具有重要的作用[42]。Notch信號通路也能促進(jìn)神經(jīng)干細(xì)胞向星形膠質(zhì)細(xì)胞分化,并抑制神經(jīng)干細(xì)胞向神經(jīng)元細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞分化,對神經(jīng)元的再生起到負(fù)向調(diào)節(jié)。學(xué)者[43]通過檢測Notch信號通路相關(guān)分子,認(rèn)為電針可能是通過抑制Notch信號通路,誘導(dǎo)ENSCs增殖分化為功能性神經(jīng)元,從而促進(jìn)神經(jīng)元的再生。

2.4 電針可能通過干預(yù)絲裂原活化蛋白激酶信號通路參與抑制神經(jīng)再生微環(huán)境的調(diào)節(jié)

絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)信號途徑作為第二信使通路,廣泛參與信號跨膜傳遞,與細(xì)胞增殖、分化、炎癥、凋亡等的生物學(xué)效應(yīng)息息相關(guān),是介導(dǎo)外刺激傳導(dǎo)至細(xì)胞內(nèi)重要信號傳導(dǎo)通路。在哺乳動物細(xì)胞中,MAPK家族主要包括ERK、JNK、p38MAPK等通路,其中ERK信號途徑可以在酪氨酸激酶受體、G蛋白耦聯(lián)受體和其他細(xì)胞因子激活下,以細(xì)胞外的受體為媒介,將信號傳導(dǎo)至細(xì)胞內(nèi)相關(guān)的細(xì)胞因子,參與細(xì)胞增殖、分化和凋亡等過程。Lee JY等[44]研究發(fā)現(xiàn),電針刺激水溝和陽陵泉穴可下調(diào)膠質(zhì)纖維酸性蛋白和細(xì)胞內(nèi)JNK通路相關(guān)分子的表達(dá),認(rèn)為電針可以通過調(diào)控 JNK信號通路達(dá)到抑制SCI后星形膠質(zhì)細(xì)胞的活化增生的目的。Yune TY等[45]探究p38MAPK通路與SCI后小膠質(zhì)細(xì)胞活的關(guān)系,并證實在p38MAPK信號通路異常活躍時,小膠質(zhì)細(xì)胞加速分泌大量的參與SCI后抑制神經(jīng)再生微環(huán)境的炎癥介質(zhì)。電針能有效下調(diào)損傷局部小膠質(zhì)細(xì)胞漿內(nèi)p38MAPK的磷酸化水平,抑制小膠質(zhì)細(xì)胞的活化,減少神經(jīng)細(xì)胞的凋亡和脫髓鞘的發(fā)生,促進(jìn)神經(jīng)再生[46]。

3 總結(jié)

綜上,SCI后微環(huán)境平衡會遭到破壞,逐漸形成抑制神經(jīng)再生的微環(huán)境,主要包括,①受損部位膠質(zhì)瘢痕形成,CSPGs和GFAP表達(dá)增多,形成物理或化學(xué)屏障,限制神經(jīng)的再生;②參與脫髓鞘的髓鞘相關(guān)蛋白抑制神經(jīng)軸突的再生;③SCI后的神經(jīng)受損部位,神經(jīng)元缺失和分化受限,抑制神經(jīng)再生;④SCI部位促神經(jīng)再生的營養(yǎng)因子缺乏,促炎因子分泌增多導(dǎo)致神經(jīng)元受損。

電針能從多方面改善抑制神經(jīng)再生的微環(huán)境,促進(jìn)神經(jīng)元的再生,并且所涉及到的通路也逐漸受到學(xué)者的關(guān)注,但SCI后的病理機(jī)制十分復(fù)雜,涉及到的信號傳導(dǎo)往往錯綜復(fù)雜。因此,在未來的研究中,只有進(jìn)一步加深電針對SCI發(fā)病機(jī)制的探討才能有助于制定基于機(jī)制的精準(zhǔn)的電針干預(yù)策略,從而更好地促進(jìn)受損的神經(jīng)功能恢復(fù),幫助SCI的患者獲得更好的結(jié)局。