運動訓練促進脊髓損傷修復機制的研究進展*

施曉會 綜述，李 青 審校

(1.貴州醫(yī)科大學臨床醫(yī)學院,貴陽 550001；2.貴州醫(yī)科大學附屬醫(yī)院康復醫(yī)學科,貴陽 550004;3.貴州醫(yī)科大學附屬醫(yī)院創(chuàng)傷骨科,貴陽 550004 )

脊髓損傷(spinal cord injury,SCI)是一種可導致感覺、運動、自主神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙的損傷性疾病，具有極高致殘率。目前，SCI尚無徹底治愈的有效方法，患者往往遺留有永久性殘疾，對自身、家庭及社會都產(chǎn)生了巨大的影響，成為亟待解決的重大醫(yī)學難題[1]。近年來，生物醫(yī)學技術發(fā)展迅速，康復治療成為臨床治療SCI患者不可或缺的一部分。眾多研究表明SCI后早期的運動訓練可以加速運動和感覺功能的恢復[2]，其機制可能是通過減少神經(jīng)膠質(zhì)瘢痕和脊髓空洞區(qū)域的形成，促進突觸和軸突再生，構建新的神經(jīng)回路，進而促進SCI動物或患者整體功能的恢復[3-4]，降低SCI后相關并發(fā)癥的發(fā)生[5]。也可能與SCI患者運動訓練后神經(jīng)營養(yǎng)因子表達增加有關[6-7]，如神經(jīng)生長因子(nerve growth factor，NGF)、神經(jīng)營養(yǎng)因子-3(neurotrophic factor-3，NT-3)、腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)等，上述營養(yǎng)因子的增加可減輕遠端神經(jīng)元的繼發(fā)性損害，有助于恢復遠端脊髓的形態(tài)。但是目前關于運動訓練參與SCI修復的確切機制尚不十分明確。本文將根據(jù)最新文獻就運動訓練促進SCI修復的相關機制進行綜述，為SCI患者后期康復治療方法的選定提供參考。

1 運動訓練可以減輕SCI后的繼發(fā)性損傷

SCI的病理過程主要包括脊髓組織遭受機械性外力造成的原發(fā)性損傷，以及由此繼發(fā)的脊髓缺血、水腫、炎性反應、脂質(zhì)過氧化、細胞凋亡等級聯(lián)反應引起的繼發(fā)性損傷。繼發(fā)性損傷病程較原發(fā)性損傷長且不斷進展，可產(chǎn)生一系列并發(fā)癥，具有高致殘率。多項研究[8-11]認為脊髓組織的原發(fā)性損傷不可修復，而繼發(fā)性損傷的過程是可逆的，且具有被調(diào)控性，因此目前SCI治療的方向主要是通過人為干預減輕繼發(fā)性損傷，并在最大程度上保留脊髓殘存功能。李萌等[12]發(fā)現(xiàn)早期跑臺訓練可能通過減輕脊髓水腫的程度，減少細胞凋亡和炎性反應，促進SCI大鼠后肢運動功能的恢復。趙素香等[13]和潘孟驍?shù)萚14]分別通過實驗證明跑臺訓練、減重平板訓練等可刺激血管內(nèi)皮細胞的有絲分裂活性，影響毛細血管的存活、增殖、黏附、遷移和形成，減輕組織缺血、水腫。COBIANCHI等[15]的實驗表明運動訓練可顯著降低白細胞介素-6(IL-6)、IL-8、C反應蛋白(CRP)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)等炎性因子的表達，抑制小膠質(zhì)細胞反應。SUN等[16]則通過被動步行運動訓練抑制炎性細胞因子釋放及降低Toll樣受體4/核因子-κB(TLR4/NF-κB)通路的激活，減少炎癥和膠質(zhì)細胞的活化，促進SCI的康復。另有研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)自行車運動訓練的動物可能通過對多個miRNA及其靶標起作用，抑制細胞凋亡[17]，減少組織損傷，增強SCI后功能的恢復。

2 運動訓練可以減少SCI后的神經(jīng)再生障礙

2.1 運動訓練可以減少物理性的神經(jīng)再生障礙

SCI后損傷部位會出現(xiàn)一系列繼發(fā)性的病理生理反應，進而引起軸突和髓鞘分解，甚至造成神經(jīng)細胞的死亡。此過程中，在損傷部位周圍被激活的小膠質(zhì)細胞、星形膠質(zhì)細胞等形成膠質(zhì)瘢痕，而在損傷中心則形成纖維化瘢痕[18]。損傷嚴重的患者中，這些瘢痕將貫穿整個脊髓，并可延伸到其他多個節(jié)段。但是目前關于膠質(zhì)瘢痕的作用存在著爭議，其一直被認為是阻礙神經(jīng)軸突再生的障礙。

在SCI的早期階段，機體內(nèi)退變的軸突與髓鞘碎片被星型膠質(zhì)細胞吞噬，并分泌出神經(jīng)營養(yǎng)素促進神經(jīng)再生。但是在SCI后期階段，膠質(zhì)細胞反應性增生，形成了所謂的物理屏障，影響神經(jīng)纖維的再生。與此同時，蛋白多糖和髓磷脂成分分泌顯著增多，進而使得軸突的延伸受到抑制，導致局部空洞的形成。研究發(fā)現(xiàn)規(guī)律運動平板訓練可使膠質(zhì)纖維酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein,GFAP)的表達高峰延遲，其可能原因是運動平板訓練使得星形膠質(zhì)細胞反應性增生的程度大大降低，減少了膠質(zhì)瘢痕的形成，從而顯著改善了SCI后期神經(jīng)纖維再生的微環(huán)境[19]。PARK等[20]研究發(fā)現(xiàn)粒細胞集落刺激因子(GCSF)聯(lián)合跑臺訓練，可增加腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)表達，降低GFAP表達，使得神經(jīng)膠質(zhì)疤痕形成減少，促進SCI大鼠運動功能的恢復。

2.2 運動訓練可以減少化學性的神經(jīng)再生障礙

SCI后在一系列因素影響下，存在著一個化學上“不允許”的環(huán)境阻礙神經(jīng)再生，該環(huán)境富含抑制肽，如信號蛋白、髓鞘源性神經(jīng)抑制因子(myelin-associated neurite outgrowth inhibitor,Nogo-A)、硫酸軟骨素蛋白聚糖(chondroitin sulfate proteoglycans,CSPGs)和其他蛋白多糖等。Nogo-A是成人中樞神經(jīng)系統(tǒng)中已知最強的髓鞘源性抑制物，其主要作用是抑制軸突再生和發(fā)芽[21]。髓鞘相關糖蛋白(myelin-associated glycoprotein,MAG)是從中樞神經(jīng)系統(tǒng)的髓鞘中分離出來的一種分子，它不僅可以維持髓鞘的完整性，還能抑制中樞神經(jīng)系統(tǒng)的軸突生長[22]。NogoA與少突膠質(zhì)細胞髓鞘糖蛋白(oligodendrocyte-myelin glycoprotein,OMgp)及MAG等多種抑制蛋白一起，通過誘導生長錐塌陷和抑制軸突導向，導致成年中樞神經(jīng)系統(tǒng)無法再生[23]。周治來等[24]和GHIANI等[25]報道，跑臺訓練、滾筒式網(wǎng)狀訓練及自發(fā)性轉籠訓練能減少Nogo-A、MAG及其mRNA的表達，恢復髓鞘的部分屬性，促進軸突生長，加速SCI后肢體功能的恢復。CSPGs主要由反應性星形膠質(zhì)細胞產(chǎn)生，其可以有效地抑制受損軸突在病變內(nèi)部和外部的再生。軟骨素酶ABC介導的CSPGs消化促進了軸突萌發(fā)、髓鞘重新形成。有研究發(fā)現(xiàn)將硫酸軟骨素酶與運動訓練相結合，可以顯著提高SCI后特定功能的恢復[26]。

3 運動訓練可以促進SCI后神經(jīng)生長因子的分泌

眾所周知，在成年哺乳動物中，其中樞神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)再生能力有限。主要原因包括軸突生長抑制劑的存在及促進軸突生長的營養(yǎng)因子的缺乏等多重因素。因此，對SCI后的微環(huán)境進行調(diào)控，如減少抑制性因子、增加相關營養(yǎng)因子的分泌可減少對神經(jīng)元的損害，促進新神經(jīng)回路的形成。運動訓練可以通過對脊髓組織微壞境中不利因子與有利因子的分泌進行調(diào)控，構建一個適宜的微環(huán)境，進而增強軸突的再生能力。動物實驗研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過各種運動訓練的SCI大鼠，其脊髓內(nèi)BDNF、神經(jīng)生長導向因子Slit2、人生長相關蛋白-43(growth associated protein 43,GAP-43)、GFAP等的表達均明顯改善[27]。

BDNF是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中水平最高的神經(jīng)營養(yǎng)因子，參與損傷脊髓神經(jīng)元的保護和修復。研究表明BDNF在SCI修復中可減輕神經(jīng)元繼發(fā)性損傷，促進突觸重構、軸突生長，為神經(jīng)的生長創(chuàng)建一個更好的微環(huán)境[28]。此外，BDNF還是一種活動依賴性的神經(jīng)生長因子，跑臺訓練可刺激BDNF在神經(jīng)系統(tǒng)中的表達[4]。賀曉玉[29]的實驗證明滾筒式網(wǎng)狀訓練和減重平板訓練可以誘導SCI大鼠脊髓內(nèi)BDNF及其受體TrkB的表達，從而有助于運動功能恢復。

Slits是一種細胞外基質(zhì)蛋白，主要由神經(jīng)膠質(zhì)細胞分泌，它通過排斥導向作用影響軸突生長方向，指導神經(jīng)發(fā)育中其前體細胞的遷移[30]，在軸突再生修復中發(fā)揮著重要作用。在脊椎動物中，已經(jīng)確定了有3個同系物，即Slit1、Slit2、Slit3，其中Slit2已被確認為背根神經(jīng)節(jié)軸突分支和伸長的正調(diào)節(jié)因子。雷曉婷等[19]研究發(fā)現(xiàn)運動訓練可促進Slit2表達，表明Slit2可能在神經(jīng)損傷后的再生修復過程中發(fā)揮作用，引導軸突建立特異的神經(jīng)通路。

GAP-43是一種可以參與神經(jīng)細胞再生、突觸發(fā)育的軸突膜蛋白[31]。研究表明運動訓練可使皮質(zhì)GAP-43表達增加，在病變中心的喙側促進受損皮質(zhì)脊髓束纖維發(fā)芽[32]。循環(huán)運動增強了本體脊髓神經(jīng)元的再生，并且這種再生反應增加與再生相關基因GAP-43、β肌動蛋白和神經(jīng)肽的mRNA水平上調(diào)相關[33]。

此外，細胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(Erk)[34]、絲氨酸-蘇氨酸激酶5(Cdk5)[25]也與SCI修復具有緊密聯(lián)系，相關研究均證實運動訓練在其中發(fā)揮著重要作用。

4 運動訓練可以促進SCI后神經(jīng)干細胞的表達

目前研究發(fā)現(xiàn)在成年哺乳動物中樞系統(tǒng)中存在一些內(nèi)源性神經(jīng)干細胞(endogenous neural stem cells,ENSCs)，它們具有分化為神經(jīng)元的潛能，ENSCs主要分布在海馬齒狀回的顆粒下層(subgranular zone,SGZ)及側腦室壁的室管膜下區(qū)(subventricular zone,SVZ)，也有一定數(shù)量的ENSCs分布于白質(zhì)和脊髓室管膜區(qū)[35]。ENSCs在生理情況下處于靜止狀態(tài)，在受到各種生理和病理條件的刺激時，如SCI、體育鍛煉等，即可被激活，然后進一步增殖、分化為神經(jīng)細胞或瘢痕細胞，填補受損組織，使機體機能得到恢復[36]。此外，這些重新增殖分化的細胞還可提供神經(jīng)營養(yǎng)與內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定因子，協(xié)助改善神經(jīng)生物微環(huán)境。根據(jù)目前研究發(fā)現(xiàn)，運動訓練是激活ENSCs的重要因素之一。室管膜/室管膜下細胞是成年哺乳動物ENSCs的主要來源之一[37]，廣泛分布于脊髓中央管周圍[38]。跑臺訓練可誘導內(nèi)源性室管膜細胞反應，使其增殖和分化增加，促進運動功能的恢復[39]。相關研究表明運動訓練在促進ENSCs增殖的過程中也產(chǎn)生了許多神經(jīng)營養(yǎng)因子，如GDNF和BDNF，這些因子反過來介導神經(jīng)可塑性，從而改善運動功能[40]。此外，ENSCs在發(fā)揮神經(jīng)保護作用的同時也參與了免疫調(diào)節(jié)，可以減輕繼發(fā)性損傷和星形膠質(zhì)細胞的增生程度，以及因炎性反應引起的細胞凋亡[17]。

5 運動訓練可以誘導SCI后組織的可塑性

5.1 運動訓練可以誘導脊髓的可塑性

人們對SCI后神經(jīng)及功能恢復的研究發(fā)現(xiàn)中樞神經(jīng)系統(tǒng)具有一定程度的可塑性，即當遭受損傷、周圍環(huán)境發(fā)生異?；蛘吒杏X運動學習時，會本能地做出反應，依靠未損傷的神經(jīng)元或發(fā)芽的軸突與創(chuàng)傷后丟失神經(jīng)支配的組織重新構建新的神經(jīng)環(huán)路，代替原有已經(jīng)損傷的神經(jīng)組織發(fā)揮作用，促進損傷部位運動和感知功能的恢復。脊髓的可塑性主要包括神經(jīng)發(fā)生、突觸重構和軸突發(fā)芽3個部分。其中，軸突發(fā)芽為SCI后突觸適應及代償?shù)闹饕绞剑磽p傷的軸突通過側支發(fā)芽生長、延伸的方式[41]很好地避開了SCI后星形膠質(zhì)瘢痕所形成的物理和化學障礙。延長樹突或軸突，重建感覺運動皮層-丘腦-腦干-損傷脊髓神經(jīng)組織這一神經(jīng)環(huán)路是SCI后治療的核心。目前的實驗研究表明運動訓練有助于脊髓可塑性改變，加快軸突側枝發(fā)芽，縮短神經(jīng)環(huán)路的重建進程。FAKHOURY等[42]和MARTINEZ等[43]相繼報道減重平板訓練可促進SCI小鼠脊髓內(nèi)的軸突再生發(fā)芽，增加突觸的密度，誘發(fā)形成多個下行通路，形成新的適應性改變，改善小鼠SCI后的運動功能。此外，跑臺訓練可明顯增高大鼠脊髓運動神經(jīng)元腹角周圍區(qū)域突觸素和PSD-95的表達，同時激活運動神經(jīng)元N-甲基-D-天冬氨酸(N-methy-D-asparicacid,NMDA)受體，激活的NMDA受體進一步調(diào)節(jié)神經(jīng)元存活、樹突結構、突觸可塑性和神經(jīng)元回路。

5.2 運動訓練可以誘導周圍神經(jīng)的可塑性

SCI后周圍神經(jīng)往往會產(chǎn)生退行性變，加上中樞神經(jīng)元受到抑制、壞死或凋亡，導致周圍神經(jīng)軸突的再生能力明顯受限，嚴重影響SCI后運動功能的恢復效果[44]。運動學習的關鍵是感覺信息，運動訓練通過提供最佳的感覺暗示從而激活脊髓網(wǎng)絡，促進周圍神經(jīng)軸突的再生，增強感官功能的恢復。ARMADA-DA-SILVA等[45]報道跑臺訓練對周圍神經(jīng)軸突及感覺神經(jīng)元再生有積極影響，神經(jīng)元的再生可能最直接地受到肢體運動的感覺反饋影響。THEISEN等[46]進一步認為跑臺訓練可能是通過上調(diào)神經(jīng)營養(yǎng)因子、增加神經(jīng)活動來促進周圍神經(jīng)系統(tǒng)軸突再生。SACHDEVA等[33]則發(fā)現(xiàn)循環(huán)運動對脊髓提供有節(jié)律的感覺刺激，可以增加脊髓內(nèi)神經(jīng)營養(yǎng)素的水平和mTOR下游核糖體蛋白S6的磷酸化，該實驗不僅表明神經(jīng)保護和促再生作用可以促進軸突向周圍神經(jīng)移植物(peripheral nerve grafts,PNG)的延伸，而且還可能增強突觸活性和神經(jīng)可塑性，從而增加軸突生長和與PNG以外靶點的重新連接。

5.3 運動訓練可以誘導外周效應器的可塑性

許多患者在SCI后會發(fā)生肌肉痙攣，而且損傷后可因骨骼肌缺失神經(jīng)營養(yǎng)支持與自身廢用易引起肌肉萎縮。SCI患者運動功能的恢復與肌肉質(zhì)量、功能的恢復密切相關。HOU等[47]的研究提示跑臺訓練聯(lián)合經(jīng)顱磁刺激可以顯著改善大鼠后肢運動，并阻斷SCI后而引發(fā)的痙攣，這些步態(tài)和痙攣的改善可能與GABAb受體、GAD6、DβH及BDNF的顯著上調(diào)有關。另外，運動訓練可以通過重塑骨骼肌結構和肌纖維類型，調(diào)節(jié)脊髓運動神經(jīng)元的生理和代謝功能，從骨骼肌等末端執(zhí)行器官到大腦皮層不同程度地改善功能[2]。除此之外，運動訓練也能減輕肌肉萎縮。跑臺訓練增加了小鼠損傷部位近端的軸突再生和側枝萌發(fā)，增加了脊髓中BDNF的表達，改善了中度挫傷大鼠的肌肉萎縮，并改變了脊髓運動神經(jīng)元的特性。也有研究發(fā)現(xiàn)SCI后的運動訓練可增強衛(wèi)星細胞活性，促進肌纖維形成。LIU等[48]報道跑臺訓練減輕了SCI大鼠肌肉萎縮。SCI后訓練引起肌肉再生與纖維增粗可能與胰島素生長因子(IGF-1)、配對盒(Pax7)陽性細胞核的增加及肌源性調(diào)節(jié)因子(MRFs)的上調(diào)有關。

目前，較為常見的運動訓練方式有跑臺訓練、滾筒式網(wǎng)狀訓練、樓梯攀爬訓練、網(wǎng)格步行、游泳訓練、減重平板訓練、機器人輔助訓練[27]、虛擬現(xiàn)實等[5]，它們通過上述的一種甚至多種機制共同作用促進SCI的修復。但對于何種運動訓練方式對SCI的修復更為有效還需進一步實驗研究。目前的研究越來越傾向于多運動訓練方式聯(lián)合，多治療模式的組合來治療完全或不完全SCI[49]。SCI后為取得最佳的康復效果,可根據(jù)恢復過程將不同運動訓練方法聯(lián)合，合理搭配訓練強度,通過多種機制盡可能全面地恢復機體感覺、運動及自主神經(jīng)功能，與此同時最大限度地減少長時間單一運動訓練引起的不良反應。此外，也可以通過將運動訓練與細胞療法、激光針灸、電刺激及神經(jīng)康復等多種模式組合起來，實現(xiàn)更大程度的功能恢復。研究表明[50]神經(jīng)康復與基于腦機接口的步態(tài)訓練方案對SCI患者行走能力的恢復有幫助。通過電刺激植入的電極能強化神經(jīng)康復,使得慢性完全性SCI患者的站立和行走能力得到部分恢復[51-52],極大改善日常生活質(zhì)量。

綜上所述，運動訓練作為治療SCI患者的重要康復手段之一，主要通過減輕SCI后的繼發(fā)性損傷，減少神經(jīng)再生障礙，促進神經(jīng)生長因子分泌，進而促進內(nèi)源性神經(jīng)干細胞的表達及誘導組織可塑性等機制，有效改善SCI患者的功能。如何最大化地發(fā)揮運動訓練在SCI后功能恢復的作用仍需進一步探索：(1)到底哪種訓練方式、何種強度最為有效？(2)如何將不同運動方式、不同治療模式合理組合達到最佳治療效果？(3)運動訓練在完全性與不完全性SCI中的作用有何不同？期待著更多的相關研究能早日應用于臨床，造福廣大的SCI患者。