脊髓損傷后神經(jīng)修復(fù)與再生研究進展

李鵬飛，高 楓

(1.延安大學(xué)醫(yī)學(xué)院；2.延安市人民醫(yī)院，陜西 延安 716000)

脊髓損傷(SCI)是由創(chuàng)傷、腫瘤或炎癥等因素導(dǎo)致的脊髓完整性和連續(xù)性受到破壞，從而引起機體運動、感覺及自主功能障礙的疾病[1]。目前，全球范圍內(nèi)數(shù)百萬人遭受著脊髓損傷帶來的痛苦[2]。大多數(shù)脊髓損傷患者終生會出現(xiàn)功能障礙，這主要是由于鼻端和尾脊髓之間的白質(zhì)束斷開。SCI的生物學(xué)和功能修復(fù)需要軸突再生，重新連接到尾/鼻神經(jīng)元并形成新的神經(jīng)回路以恢復(fù)信號傳導(dǎo)[3]。成年哺乳動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)中成熟神經(jīng)元固有生長能力的降低、受損區(qū)域神經(jīng)系統(tǒng)重塑困難及髓鞘再生能力薄弱是導(dǎo)致脊髓損傷修復(fù)失敗的最主要因素。因此，本文主要針對脊髓損傷后神經(jīng)元生長、神經(jīng)系統(tǒng)重塑及髓鞘再生方面分子機理的研究進展進行綜述。

1 神經(jīng)元生長及再生

SCI后白質(zhì)束斷開是功能缺陷的基礎(chǔ)。分化的神經(jīng)元建立軸突生長程序，將軸突延伸至其細胞靶標(biāo)并與適當(dāng)?shù)募毎袠?biāo)形成突觸連接是功能修復(fù)的基礎(chǔ)。如在培養(yǎng)的視網(wǎng)膜節(jié)細胞(RGC)[4]中，成熟的神經(jīng)元的生長能力下降，并且在軸突切開后它們的軸突無法再生。近年來，已經(jīng)報道了許多分子通過靶向多種信號傳導(dǎo)途徑和機制來調(diào)節(jié)成熟神經(jīng)元的軸突生長能力，從而成為中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷后神經(jīng)修復(fù)的分子靶標(biāo)。

1.1 肝激酶B1(LKB1)和單磷酸腺苷激活激酶(AMPK)途徑

LKB1是一種主激酶，可靶向多種其他酶，包括AMPK和AMPK相關(guān)的蛋白激酶。LBK1對于介導(dǎo)細胞生長、代謝和細胞極性(包括軸突形成和發(fā)育過程中的分支)至關(guān)重要。激活LKB1是促進中樞神經(jīng)軸突再生的高效策略。腺相關(guān)病毒2型(AAV2)載體在感覺運動皮層中過表達LKB1促進成年小鼠SCI后大量CST軸突再生[5]。通過全身注射突變體AAV9載體上調(diào)神經(jīng)元中LKB1的特異性表達，可以刺激成年小鼠的尾脊髓長距離CST纖維再生。LKB1的皮質(zhì)內(nèi)或全身病毒傳遞促進SCI小鼠運動功能的恢復(fù)。因此，LKB1是SCI的重要治療分子靶標(biāo)。

1.2 PI3K和mTOR途徑

PI3K/Akt途徑對于調(diào)節(jié)軸突的形成和延伸至關(guān)重要[6]。由于磷酸酶(PTEN)通過使磷酸肌醇底物去磷酸化來抑制Akt活性。小鼠中PTEN的缺失會激活A(yù)kt途徑，并刺激視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞和皮質(zhì)脊髓束(CST)軸突的再生[7]。損傷兩天后，用選擇性PTEN拮抗肽進行全身治療，可通過增加運動評分、后肢運動和減少網(wǎng)格行走誤差，促進SCI數(shù)周后小鼠尾脊髓中運動軸突的再生長并恢復(fù)運動功能。用雙過氧釩(PTEN和其他蛋白酪氨酸磷酸酶(PTP)抑制劑)進行損傷后治療，對中樞神經(jīng)(CNS)損傷后的恢復(fù)具有有益作用[8]。同時，核糖體S6激酶抑制軸突生長，其選擇性抑制劑可增強軸突向病變內(nèi)外生長，并改善CST軸突橫斷后的功能恢復(fù)[9]。

1.3 轉(zhuǎn)錄因子(TF)

許多TF，包括ATF3，cAMP，c-myc，HIF-1α，cJun，Kruppel樣因子(KLF)，Smad1，Sox11，STAT3，精氨酸酶1和與生長相關(guān)的蛋白質(zhì)(GAP-43，CAP-23和SPRR1a)改變再生相關(guān)基因的表達并促進成熟神經(jīng)元的再生[10]。盡管對神經(jīng)元功能的理解不完全，但最近的研究支持其他幾種TF在調(diào)節(jié)CNS神經(jīng)元再生中的關(guān)鍵作用。信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子3(STAT3)的激活可能通過調(diào)節(jié)生長相關(guān)基因和細胞骨架蛋白的轉(zhuǎn)錄來促進視神經(jīng)再生[11]。促進神經(jīng)元生長的TF可能會相互作用。例如，p53結(jié)合STAT3、KLF6、Myc、ATF3、CREB、HIF1A和SMAD1，而STAT3結(jié)合KLF4、ATF3、SMAD1、p53和HIF1A。KLF4可能通過與STAT3相互作用并抑制其再生來抑制軸突再生。

1.4 跨膜和膜結(jié)合蛋白

通過其配體溶血磷脂酸活化溶血磷脂酸受體1抑制了軸突的生長[12]。敲除膜蛋白Rab27b，在脊髓橫斷后促進橫紋肌束的生長和運動功能的恢復(fù)[13]。Cacna2d2基因編碼的電壓門控鈣通道的Alpha2delta2亞基可抑制軸突生長。敲除或抑制Alpha2delta2能有效促進SCI后成年小鼠神經(jīng)突觸延伸和軸突再生[14]。

1.5 細胞骨架蛋白和線粒體轉(zhuǎn)運

研究顯示靶向細胞骨架和線粒體分子能有效治療中樞神經(jīng)系統(tǒng)病變。調(diào)節(jié)細胞生長的細胞外和細胞內(nèi)分子最終會聚在細胞骨架蛋白肌動蛋白和微管(MT)上。某些維持微管穩(wěn)定的化合物能抑制蛋白介導(dǎo)CNS軸突再生。Fidgetin是一種微管切斷蛋白，可通過防止微管不穩(wěn)定域的延長來抑制軸突生長。它的敲除或敲低促進硫酸軟骨素蛋白聚糖(CSPG)的生長，并進一步促進受傷的感覺軸突穿過背根進入?yún)^(qū)進入脊髓[15]。抑制非肌肉肌球蛋白II有助于軸突的肌動蛋白和微觀重組生長，在SCI后促進軸突再生[16]。在病變部位使用紫杉醇(一種經(jīng)FDA批準(zhǔn)的抗癌藥)可通過減少TGFβ信號傳導(dǎo)和疤痕形成來改善脊髓軸突再生和功能恢復(fù)。埃博霉素B(另一種臨床抗癌藥物)的全身給藥可通過誘導(dǎo)協(xié)同的微管聚合進入軸突尖端并通過消除極化和形成疤痕的成纖維細胞遷移來抑制疤痕形成，從而促進軸突延長和功能恢復(fù)。由于軸突的再生需要局部產(chǎn)生的能量，線粒體轉(zhuǎn)運蛋白也是神經(jīng)元再生的重要蛋白。Armcx1的過表達改善了成年小鼠中線粒體的轉(zhuǎn)運，促進RGC的存活和再生[17]。

2 神經(jīng)系統(tǒng)重塑

軸突再生和病變周圍受損神經(jīng)回路的重新塑造對于恢復(fù)失去的功能至關(guān)重要。脊髓不完全損傷后，動物和患者都表現(xiàn)出自發(fā)的功能恢復(fù)，這至少部分歸因于原脊神經(jīng)元(PSN)網(wǎng)絡(luò)的重組[18-19]，PSN中繼連接繞過病灶形成神經(jīng)元回路。Neuropilin-1是Sema3A的受體，在SCI后介導(dǎo)CST修剪和功能恢復(fù)。它的敲除或敲低能抑制SCI后的運動恢復(fù)[20]。此外，最近的研究表明，多種方法的聯(lián)合使用可刺激PNS軸突進入多余的神經(jīng)組織，并在病變之間傳遞電生理傳導(dǎo)[21]。多種生長因子(成纖維細胞生長因子2，表皮生長因子和神經(jīng)膠質(zhì)來源的神經(jīng)營養(yǎng)因子)與骨橋蛋白、IGF1和睫狀源性神經(jīng)營養(yǎng)因子結(jié)合使用能有效增強神經(jīng)可塑性。

3 髓鞘再生

髓鞘的軸突再生是SCI后神經(jīng)修復(fù)的重要表現(xiàn)。在SCI后數(shù)小時至數(shù)周，大量少突膠質(zhì)細胞(OLs)通過凋亡而死亡(峰值水平：SCI后3～7 d)。OLs非常容易受到各種病理狀況的影響，例如缺血、氧化損傷、炎癥和興奮性毒性。SCI后會發(fā)生脫髓鞘，髓鞘再生需要少突膠質(zhì)前體細胞(OPC)激活，募集，分化和髓鞘化，并且受到許多外在和內(nèi)在調(diào)節(jié)劑(細胞因子，神經(jīng)營養(yǎng)蛋白，TF和髓磷脂調(diào)節(jié)因子)的嚴(yán)格控制。

3.1 細胞因子和神經(jīng)營養(yǎng)蛋白

許多細胞因子和營養(yǎng)因子促進OPC增殖，OL分化和髓鞘再生。通常，損傷后炎癥會清除髓磷脂碎片并刺激髓鞘再生。某些細胞因子(IL-1β和TNFα等)和TLR的激活增強了病變周圍的OPC募集，分化和髓鞘再生。除神經(jīng)膠質(zhì)細胞外，白細胞和小膠質(zhì)細胞還產(chǎn)生許多神經(jīng)營養(yǎng)因子，包括神經(jīng)調(diào)節(jié)蛋白1(Nrg1)、癌調(diào)節(jié)蛋白、骨橋蛋白、血小板衍生的生長因子、表皮生長因子、成纖維細胞生長因子-2、CNTF、激活素A、神經(jīng)膠質(zhì)衍生生長因子、內(nèi)皮素2、IGF-1和BDNF。其中，Nrg-1與各種神經(jīng)膠質(zhì)細胞上的ErbB2/3受體相互作用，并通過Erk1/2和Stat3信號傳導(dǎo)調(diào)節(jié)其功能。SCI后促進Nrg-1分泌，從而通過上調(diào)抗炎因子(IL-10和精氨酸酶-1等)并下調(diào)促炎性因子(IL-1β、TNFα、一氧化氮等)來保護病變周圍的神經(jīng)組織并促進功能的恢復(fù)。

3.2 跨膜受體

許多細胞外和細胞表面成分(軸突引導(dǎo)線索和髓磷脂軸突生長抑制劑的受體)能調(diào)節(jié)OPC/OL功能和影響髓鞘的再生。Sema4D及其受體plexinB1之間的相互作用抑制OPC分化，并用其抗體(稱為VX15/2503)阻斷后能明顯促進OL的形成和髓鞘再生。Sema7A能抑制OL遷移到病變區(qū)域，因此阻斷其功能也可能促進髓鞘再生。Lingo-1是一種富含跨膜亮氨酸的重復(fù)蛋白，被稱為NgR1的共受體，可抑制OPC成熟和髓鞘形成。Lingo-1抗體在臨床前研究中顯示出多種有益作用，包括增強不同CNS病變模型中的髓鞘再生[22]。槲皮素是一種靶向γ-分泌酶介導(dǎo)的裂解的Notch抑制劑，可改善不同CNS脫髓鞘模型中的髓鞘再生。

3.3 組蛋白去乙?；?/h3>

組蛋白去乙酰化酶(HDAC)在OL分化中起著關(guān)鍵作用，但在中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷后，暫時阻斷HDAC通常具有神經(jīng)保護作用。在脫髓鞘模型中，HDAC抑制可以減少炎癥并增加髓鞘再生。HDAC抑制劑丙戊酸鹽和甲狀腺素(T3前體)抑制CD4+T細胞向CNS的浸潤。TrichostatinA(另一種廣泛的HDAC抑制劑)在EAE嚙齒動物中顯示出相似的有益作用。HDAC抑制劑丁酸鈉還可以通過抑制炎癥和增強OL的發(fā)生來防止腦缺血模型中的OL丟失。

3.4 miRNA

miRNA通過靶向多種基因來調(diào)節(jié)OL分化和髓鞘形成[23]。研究表明，Dicer1缺失會中斷miR219和miR338介導(dǎo)的正常CNS髓鞘形成。miR219通過沉默SOX6、FOXJ3和鋅指蛋白238促進OPC分化。miR338通過抑制HES5、SOX4和SOX6刺激OPC分化為成熟的OL。miR-219和miR-338通過靶向抑制性Lingo1和Etv5協(xié)同增強OPC向成熟OL的分化[24]。

4 結(jié)論

脊髓損傷的病理非常復(fù)雜，包括原發(fā)性損傷后神經(jīng)組織的繼發(fā)性損傷，神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)的喪失，疤痕的形成以及病變周圍軸突束的永久性斷開。目前，研究人員在開發(fā)各種治療策略方面取得了令人矚目的進展，但很少進入臨床應(yīng)用。SCI患者的治療僅限于早期手術(shù)減壓，嚴(yán)格的血壓控制和少量類固醇藥物可供選擇。了解損傷機制(例如炎癥，自噬和線粒體功能障礙)方面的最新進展有助于開發(fā)新穎有效的神經(jīng)保護策略。近年來，隨著研究人員對脊髓損傷的進一步研究，在脊髓損傷后神經(jīng)元生長，神經(jīng)系統(tǒng)重塑和髓鞘再生上獲得了一定進展，這為脊髓損傷的治療策略及藥物開發(fā)提供了一定的基礎(chǔ)。