神經(jīng)調(diào)節(jié)素-1在神經(jīng)損傷修復中的作用機制及研究現(xiàn)狀

姚麗紅，徐婉秋，許曉航，薛 冰，席花蕾，王秀梅

廣義上的“神經(jīng)”是一個系統(tǒng)性的概念，由最基礎的神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)構成，即神經(jīng)系統(tǒng)。從組織解剖上看，其可以分為中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system, CNS)和周圍神經(jīng)系統(tǒng)(peripheral nervous system, PNS)。當神經(jīng)截斷性損傷后，軸突近端通常可以存活，而遠端受損則會迅速閉合并在損傷后3 d內(nèi)發(fā)生強制性沃勒變性(Wallerian degeneration)，使目標組織在神經(jīng)支配發(fā)生前出現(xiàn)不可逆性的萎縮[1]。而正在興起的組織工程療法將從根本上解決組織和器官缺損所致的功能障礙或喪失治療等問題，它主要包含三大要素：細胞、支架和生長信息，其中細胞是一切生物組織最基本的結構單位，干細胞是人體內(nèi)一種有潛力能夠分化為其他類型細胞的特別細胞，也是生物工程廣泛研究和利用的一種手段。支架是用于支撐細胞成長為一個完整組織的框架材料。生長信息是用于引導和協(xié)調(diào)組織內(nèi)細胞活動的各種方法，目前已知的能夠影響細胞活動的生長信息包括各種蛋白質(zhì)因子和電信號。NRG-1作為一種神經(jīng)調(diào)節(jié)蛋白，應用到組織工程上可以調(diào)節(jié)細胞表型及分化，并通過相關信號通路發(fā)揮促進神經(jīng)損傷的作用。

1 NRG-1的結構和分型

NRG-1是一組含有表皮樣生長因子(epidermal growth factor, EGF)結構域的蛋白，主要包含一個細胞外表皮生長因子樣結構域和一個細胞內(nèi)結構域[2]。它是生長因子神經(jīng)調(diào)節(jié)素家族的成員，現(xiàn)在已知六種不同類型的NRG-1(NRG-1 Ⅰ～Ⅵ型)和超過30種的亞型，但它們各自的具體功能仍不完全明確。Ⅰ型NRG-1包括神經(jīng)分化因子(neu differentiation factor, NDF)、神經(jīng)調(diào)節(jié)蛋白(heregulins, HRGs)、乙酰膽堿受體誘導活性因子(acetylcholine recepotor inducing activity, ARIA)；Ⅱ型NRG-1包括膠質(zhì)細胞生長因子(glial growth factor, GGFs)；Ⅲ型NRG-1包括感覺和運動神經(jīng)元衍生因子(sensory and motor neuron-derived factor, SMDF)；Ⅳ型、Ⅴ型和Ⅵ型在人類及鼠類體內(nèi)均有表達，但是它們發(fā)揮的生物學機制尚不清楚。其中Ⅰ型和Ⅲ型主要分布于神經(jīng)組織(如施萬細胞、脊神經(jīng)細胞)中，Ⅲ型NRG-1是施萬細胞增殖、分化、軸突髓鞘再生必不可少的，二者都與周圍神經(jīng)生長有著密切的關系。

2 NRG-1在神經(jīng)損傷中的促進作用

中樞機制與周圍機制在PNI后疼痛病因中的相對重要性一直是人們爭論的焦點，研究表明，PNS和CNS均為此作出了貢獻[3]。神經(jīng)損傷很常見，其修復是一個極其復雜且緩慢的過程，主要包括：沃勒變性過程、軸突再生過程、施萬細胞(Schwann cells, SCs)轉(zhuǎn)化和分化過程以及細胞外基質(zhì)(extracellular matrix, ECM)重塑過程。已知NRG-1能通過復雜的蛋白酪氨酸激酶受體(receptor protein tyrosine kinase, RPTKs)、酪氨酸激酶受體2(receptor protein tyrosine kinase 2, ErbB2)、酪氨酸激酶受體3(receptor protein tyrosine kinase 3, ErbB3)、酪氨酸激酶受體4(receptor protein tyrosine kinase 4, ErbB4)和多種細胞內(nèi)途徑傳遞信號，并在神經(jīng)發(fā)育中起重要作用，包括神經(jīng)遷移、神經(jīng)分化、髓鞘的形成以及突觸和神經(jīng)肌肉連接的形成[4]。

2.1 NRG-1在PNS中的促進作用

PNI的修復是一個高度異質(zhì)性的過程，涉及SCs表型的改變、巨噬細胞的激活和血管網(wǎng)絡的重建[5]。NRG-1作為PNS發(fā)育所必需的神經(jīng)膠質(zhì)信號，越來越多的證據(jù)表明其也是有效修復神經(jīng)損傷所必需的。神經(jīng)損傷后，PNS的軸突在沃勒變性過程中發(fā)生再生，但再生過程是不完整的，系統(tǒng)通常不能完全恢復。而為軸突再生創(chuàng)造合適環(huán)境的關鍵步驟是SCs的轉(zhuǎn)化、分化和ECM的重塑，在PNS中，NRG-1信號傳導是SCs分化、髓鞘形成和神經(jīng)肌肉連接的基礎[4]。通過在翻譯后水平上控制NRG-1活性，調(diào)節(jié)分泌酶之間的協(xié)同作用，最終能夠平衡生理髓鞘化和再髓鞘化所必需的激活和抑制信號[6]。

組織層面，有研究表明，在面神經(jīng)核行切除術后1d的反應性星形膠質(zhì)細胞中觀察到NRG-1 mRNA的上調(diào)，可能是NRG-1Ⅰ型α。而NRG-1 Ⅲ型和剪接變異體β1和β5則顯著下調(diào)[4]。另有將面神經(jīng)干全切除后，將斷端進行端端吻合，并在受傷部位局部注入浸有NRG-1的水凝膠，通過檢測發(fā)現(xiàn)模擬肌功能恢復明顯加快，面神經(jīng)直徑增大、軸突密度增高，同側面神經(jīng)核中逆行標記的神經(jīng)元數(shù)量增多，這是因為通過將浸有NRG-1的水凝膠局部注入小鼠體內(nèi)，使NRG-1在體內(nèi)持續(xù)釋放，從而促進面神經(jīng)的再生[7]，因此可以得出結論，NRG-1與PNI修復密切相關，它可以促進PNI的恢復。

細胞層面，NRG-1是坐骨神經(jīng)條件介質(zhì)中的活性成分。它是一種生長和分化因子，已被證明對神經(jīng)細胞的形成和存活有影響。有研究表明，NRG-1(β1亞型)長期處理的PC12細胞在低血清(2.5%胎牛血清和1.25%馬血清)和血清剝奪條件下增殖增加，但沒有可見的形態(tài)變化[8]。同時體外培養(yǎng)骨髓間充質(zhì)干細胞(bone mesenchymal stem cells, BMSC)，通過向培養(yǎng)基中添加NRG-1及2-巰基乙醇 (2-mercaptoethanol, 2-ME)、全反式維甲酸(retinonic acid, RA)、毛喉素(frskolin, FSK)、重組小鼠堿性成纖維生長因子(basic fibroblast growth factor, bFGF)和血小板衍生生長因子(platelet derived growth factor, PDGF)進行誘導后發(fā)現(xiàn)NRG-1能夠促進骨髓間充質(zhì)干細胞向神經(jīng)樣細胞分化[9]，這些結果表明NRG-1能夠誘導細胞功能發(fā)生改變，但其本身不足以對細胞形態(tài)產(chǎn)生影響[8]。

一些人周圍神經(jīng)鞘腫瘤(malignant peripheral nerve sheath tumor, MPNST)中也存在高水平的NRG樣活性表達，這表明NRG-1亞型可能參與了這些腫瘤的發(fā)展。通過檢測NRG-1及其受體ErbB在JS1細胞系中的表達，JS1細胞是化學誘導的大鼠惡性MPNST中快速增殖的細胞系，結果支持了NRG-1亞型和ErbB激酶在JS1細胞中促進有絲分裂的假設。然而在JS1細胞中沒有表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor, EGFR)的表達，這表明NRG-1/ErbB信號通路是導致MPNST的另一種途徑[10]。

2.2 NRG-1在CNS中的促進作用

在CNS中，NRG-1在神經(jīng)元遷移、分化和少突膠質(zhì)細胞存活中發(fā)揮重要作用。NRG-1基因編碼至少15種不同的亞型，可根據(jù)其分子結構進行分類[11]。NRG-1在脊髓損傷和局性脫髓鞘病變調(diào)節(jié)免疫反應中發(fā)揮積極作用[12-13]，脊髓損傷導致脊髓中神經(jīng)源性NRG-1的急性和永久性損耗，通過急性鞘內(nèi)NRG-1增加來調(diào)節(jié)NRG-1失調(diào)水平，可促進脊髓損傷大鼠內(nèi)源性細胞替代、促進蛋白質(zhì)保存和功能恢復[14]。

組織層面，成人脊髓運動和背根神經(jīng)節(jié)(dorsal root ganglia, DRG)感覺神經(jīng)元表達多種NRG-1亞型，作為軸突相關因子促進神經(jīng)肌肉連接的形成和SCs的增殖和分化。NRG-1異構體也在肌肉細胞和SCs中表達，這表明運動神經(jīng)元和感覺神經(jīng)元本身受其周圍目標產(chǎn)生的NRG-1異構體的作用，投射到坐骨神經(jīng)的感覺和運動神經(jīng)元表達多個ErbB受體，并可能對NRG-1有反應[15]。

細胞層面，有研究表明NRG-1在保護正常視神經(jīng)功能方面是非常有效的，并且對于視神經(jīng)損傷后的組織修復也是必不可少的。因此，NRG-1的表達對急性視神經(jīng)損傷的修復具有劑量依賴性的保護作用[16]。NRG-1在調(diào)節(jié)神經(jīng)損傷后常駐星形膠質(zhì)細胞和小膠質(zhì)細胞的活性中具有神經(jīng)保護作用[17]。新的證據(jù)表明NRG-1促進了脊髓損傷后的免疫再生反應，在脊髓損傷急性和慢性階段，NRG-1刺激T細胞和B細胞的調(diào)節(jié)表型，并增加脊髓和血液中的M2型巨噬細胞的數(shù)量。重要的是，NRG-1通過降低抗體沉積和促炎細胞因子和趨化因子的表達，同時上調(diào)促再生介質(zhì)，在損傷脊髓中促進了一個更加平衡的微環(huán)境，確立了全身NRG-1治療作為創(chuàng)傷性脊髓損傷和其他中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥的候選免疫療法的前景[14]。

3 NRG-1修復神經(jīng)損傷的機制

關于NRG-1/ErbB2對PNS影響的研究是近年來才出現(xiàn)的[18]。先前有研究表明NRG-1的生長和分化及其ErbB受體通過尚不清楚的機制促進胚胎海馬神經(jīng)元分化，它能增加E18海馬神經(jīng)元的初級神經(jīng)突生長、神經(jīng)突面積、總神經(jīng)突長度和神經(jīng)分支，且與ErbB2結合后，激動下游的Ras蛋白/絲裂原活化蛋白激酶(ras protein-mitogen-activated protein kinase, Ras-MAPK)和磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B(phosphatidylinositol 3-phosphate kinase-protein kinase B, PI3K-AKT)信號通路，從而促進SCs分化、增殖和遷移、髓鞘形成及神經(jīng)修復。另有研究表明，NRG-1在視神經(jīng)損傷大鼠視網(wǎng)膜組織中明顯高表達。NRG-1過表達能成功抑制RhoA(ras homolog family member A, RhoA)活性和肌動蛋白素(cofilin)的磷酸化，并促進了肌動蛋白(F-actin)的表達，通過NRG-1/RhoA/Cofilin/F-actin通路起到促進視神經(jīng)損傷修復的功能[19]。除此之外，我們還發(fā)現(xiàn)NRG-1通過降低小膠質(zhì)細胞中腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor-α, TNF-α)的表達，脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)或干擾素γ(interferon-γ, IFNγ)+TNF-α同時處理導致NRG-1的下調(diào)，而LPS處理輕微增加星形膠質(zhì)細胞中NRG-1的表達，至少部分增強了促炎小膠質(zhì)細胞和神經(jīng)干細胞/祖細胞(neural progenitor cells, NPCs)的相互作用。miR-223-5p抑制劑抑制炎癥反應，增強NRG-1水平，減少膠質(zhì)細胞反應和神經(jīng)元凋亡[12,20-21]。從機制上講，NRG-1對活化膠質(zhì)細胞的作用是通過ErbB2/3異源二聚體復合物中的ErbB2酪氨酸磷酸化介導的。此外，NRG-1通過下調(diào)Toll樣受體(toll-like receptors, TLP)下游髓樣分化因子(myeloid differentiation factor 88, MyD88)，以及增加Erk1/2和信號轉(zhuǎn)導與轉(zhuǎn)錄激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3, STAT3)的磷酸化來發(fā)揮其作用[13]。這些發(fā)現(xiàn)確定了在CNS損傷和神經(jīng)炎癥條件下再生過程中優(yōu)化這一重要的交叉干擾的新的潛在靶點。

NRG-1是參與能量穩(wěn)態(tài)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的關鍵神經(jīng)營養(yǎng)因子，NRG-1信號受損與神經(jīng)功能障礙有關。神經(jīng)功能障礙是非活性鈷胺素(cobalamin, Cbl)缺乏的主要臨床表現(xiàn)。有研究表明，NRG-1通過促進Cbl物種向活性Cbl物種的轉(zhuǎn)化和增加神經(jīng)元對Cbl的攝取來刺激兩種生物活性Cbl物種腺苷鈷胺素(adenosine cobalamin, Ado-Cbl)和甲基鈷胺素(methylcobalamin, Me-Cbl)的合成?；钚訡bls的形成依賴于谷胱甘肽(glutathione, GSH)，而NRG-1啟動的增加依賴于興奮性谷氨酸轉(zhuǎn)運蛋白3 (excitatory amino acid transporters 3, EAAT3)刺激半胱氨酸攝取，導致GSH增加。NRG-1對細胞Cbl攝取的促進作用與巨蛋白(megalin)表達的增加有關，眾所周知megalin促進了Cbl在回腸和腎臟中的運輸，Me-Cbl是蛋氨酸合成酶(MS)必需的輔助因子[22]，這說明NRG-1的神經(jīng)保護作用，包括刺激抗氧化合成和促進活性Cbl的形成。

4 總結與展望

NRG-1不僅能夠促進橫斷傷的面神經(jīng)、坐骨神經(jīng)、脊髓神經(jīng)和視神經(jīng)的損傷修復，誘導細胞功能發(fā)生改變，并且通過復雜的PTK、ErbB2、ErbB3、ErbB4和多種細胞內(nèi)途徑傳遞信號，對神經(jīng)遷移、神經(jīng)分化、髓鞘形成以及突觸和神經(jīng)肌肉連接的形成、神經(jīng)細胞的形成和存活產(chǎn)生影響，還能作為一種旁分泌系統(tǒng)，調(diào)節(jié)成纖維細胞以及巨噬細胞的功能，抑制血管平滑肌細胞擴散，在乳腺癌的治療上也有很大幫助。

NRG-1作為神經(jīng)調(diào)節(jié)素家族中的一員，不僅在CNI修復中發(fā)揮作用，同時在PNI的修復過程中也起到至關重要的作用。它是促進神經(jīng)損傷修復的較好選擇，但其結構復雜，分型較多，具體亞型對神經(jīng)損傷修復的作用及影響尚不明確，仍需要更多的體內(nèi)、體外實驗進一步驗證，同時有實驗證明NRG-1可能與MPNST的發(fā)生相關，這有望成為未來治療神經(jīng)性疾病及損傷的新靶點，為神經(jīng)損傷修復的治療提供參考意義，為推動神經(jīng)學科的發(fā)展奠定堅實的基礎。