劉太聰, 賀雨晴, 史永強(qiáng), 南 偉, 鞏朝陽(yáng), 趙光海, 周開升, 張海鴻
(1. 蘭州大學(xué)第二醫(yī)院 骨科, 甘肅 蘭州, 730000; 2. 甘肅省骨關(guān)節(jié)疾病研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州, 730000; 3. 湖南省株洲市中心醫(yī)院 病理科, 湖南 株洲, 412000)
脊髓損傷(SCI)是最嚴(yán)重的神經(jīng)系統(tǒng)疾病之一,具有高發(fā)病率和高致殘率等特點(diǎn)[1]。全球每年有250 000~500 000人發(fā)生SCI, 其中創(chuàng)傷性SCI的個(gè)體平均治療成本為50萬(wàn)美元~200萬(wàn)美元,給患者家庭和社會(huì)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[2]。SCI患者抑郁癥和焦慮癥的患病率分別為22%和27%[3], 對(duì)患者的身心健康造成了嚴(yán)重?fù)p害。迄今為止, SCI后神經(jīng)功能障礙尚無(wú)特效治療辦法(現(xiàn)有方法主要包括手術(shù)解除壓迫、藥物改善神經(jīng)炎癥、預(yù)防組織水腫以及促進(jìn)軸突生長(zhǎng)等),主要原因是SCI的病理機(jī)制尚未完全闡明[4], 故了解SCI的病理機(jī)制可為SCI的治療提供新方向。SCI后反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞增生在神經(jīng)功能恢復(fù)中扮演著重要角色,故反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞一直是SCI領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。本文闡述了SCI的病理機(jī)制、正常情況下星形膠質(zhì)細(xì)胞的作用、SCI后星形膠質(zhì)細(xì)胞的變化及通路機(jī)制、針對(duì)星形膠質(zhì)細(xì)胞的SCI療法,以期為SCI的治療提供新的思路及治療靶點(diǎn)。
SCI是一種破壞性的神經(jīng)狀態(tài)和病理狀態(tài),會(huì)導(dǎo)致主要的運(yùn)動(dòng)、感覺(jué)和自主神經(jīng)功能障礙,其病理生理學(xué)過(guò)程包括急性期和慢性期,還包含一系列破壞性事件,例如缺血、氧化應(yīng)激、炎癥事件、凋亡途徑和運(yùn)動(dòng)功能障礙[5]。急性SCI通常是由脊柱的突然創(chuàng)傷引起,且同時(shí)伴有骨折和椎體移位。損傷后的初始階段稱為原發(fā)性損傷,可導(dǎo)致神經(jīng)實(shí)質(zhì)變性壞死、軸突網(wǎng)絡(luò)中斷、出血和神經(jīng)膠質(zhì)膜破壞[6]。急性SCI會(huì)引發(fā)繼發(fā)性損傷,對(duì)脊髓組織造成進(jìn)一步的化學(xué)和機(jī)械損傷,由于細(xì)胞內(nèi)鈣積累,會(huì)引起神經(jīng)元興奮性毒性,并升高活性氧濃度和谷氨酸水平[7]。這些事件會(huì)損害潛在的核酸、蛋白質(zhì)和磷脂,并導(dǎo)致神經(jīng)功能障礙[8]。繼發(fā)性損傷包含多種病理過(guò)程且持續(xù)數(shù)周,主要包括細(xì)胞通透性增加、凋亡信號(hào)傳導(dǎo)、缺血、血管損傷、水腫、興奮性物質(zhì)釋放、離子紊亂、炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激、自由基形成、脫髓鞘和沃勒變性[9-10]。血管破裂會(huì)導(dǎo)致脊髓組織出血,隨后單核細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、T淋巴細(xì)胞、B淋巴細(xì)胞以及巨噬細(xì)胞侵入脊髓組織[11]。這種現(xiàn)象也與損傷后 6~12 h后炎癥物質(zhì)的釋放有關(guān),如白細(xì)胞介素(IL)-1a、IL-1b、IL-6和腫瘤壞死因子(TNF)-α, 免疫細(xì)胞和炎性細(xì)胞因子的滲透促進(jìn)了神經(jīng)元的炎癥[12]。決定SCI嚴(yán)重程度的主要因素是脊髓初始破壞程度、持續(xù)時(shí)間以及與繼發(fā)性損傷相關(guān)的一系列事件,如神經(jīng)組織內(nèi)發(fā)生的生化、機(jī)械和生理變化的激活。在SCI后期,反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞增生并遷移至受損組織邊緣,參與膠質(zhì)瘢痕形成,而膠質(zhì)瘢痕是SCI后機(jī)體自我保護(hù)和損傷愈合的自然過(guò)程[13]。
CNS中的星形膠質(zhì)細(xì)胞具有多種生理功能,也是CNS疾病的重要參與者,其通過(guò)興奮性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1(EAAT1)和興奮性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2(EAAT2)攝取神經(jīng)元釋放的興奮性氨基酸谷氨酸,降低谷氨酸對(duì)神經(jīng)元的興奮性毒性[14]。星形膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá)連接蛋白43(Cx43)和水通道蛋白4(AQP4), 調(diào)節(jié)CNS水、電解質(zhì)及離子穩(wěn)態(tài)。正常CNS中的星形膠質(zhì)細(xì)胞還可與血管發(fā)生物理相互作用,并分泌化學(xué)物質(zhì)改變血管直徑及血流量,從而調(diào)節(jié)局部血壓。星形膠質(zhì)細(xì)胞分泌的抗氧化劑可抵消自由基引起的繼發(fā)性損傷[14]。此外,星形膠質(zhì)細(xì)胞可產(chǎn)生、儲(chǔ)存和分配能量底物,控制神經(jīng)元發(fā)育,引導(dǎo)突觸發(fā)生和維持突觸功能,參與神經(jīng)系統(tǒng)防御(如脊髓血腦屏障)和神經(jīng)遞質(zhì)的再循環(huán)等[15]。星形膠質(zhì)細(xì)胞功能異常與神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生發(fā)展有關(guān),包括阿爾茨海默病、帕金森病、亨廷頓病和肌萎縮側(cè)索硬化癥等[16]。
正常生理?xiàng)l件下, CNS的星形膠質(zhì)細(xì)胞處于靜止?fàn)顟B(tài),在SCI后,急性細(xì)胞死亡或損傷會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞源性和血液源性損傷相關(guān)的分子模式(DAMPs)、三磷酸腺苷(ATP)的釋放和氧化應(yīng)激、興奮性毒性的失調(diào),使星形膠質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)榉磻?yīng)狀態(tài),在表型、基因表達(dá)、增殖方面發(fā)生一系列變化[17]。反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞的形態(tài)變化特征為細(xì)胞體和突起肥大,突起數(shù)量增多、變長(zhǎng),分子變化為中間絲蛋白膠質(zhì)纖維酸性蛋白(GFAP)、波形蛋白和巢蛋白高表達(dá)。反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞在SCI后神經(jīng)功能的恢復(fù)中發(fā)揮著重要的作用。在SCI早期,反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞的遷移及其分泌的抗炎因子可限制炎癥擴(kuò)散,其還可釋放各種細(xì)胞因子發(fā)揮對(duì)神經(jīng)細(xì)胞的保護(hù)作用[7], 避免SCI繼發(fā)性加重。然而,在SCI后期,反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞增生及分泌蛋白如硫酸軟骨素蛋白聚糖(CSPG)沉積在細(xì)胞外基質(zhì)中,與脊髓中的其他神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞參與膠質(zhì)瘢痕形成[18],阻止軸突的再生。此外,反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞CSPG可抑制少突前體細(xì)胞的生長(zhǎng)和分化,使SCI后少突膠質(zhì)細(xì)胞的數(shù)量進(jìn)一步減少,阻礙SCI后髓鞘的形成[19]。
JAK/STAT信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑由酪氨酸激酶相關(guān)受體、酪氨酸激酶JAK和轉(zhuǎn)錄因子STAT這3個(gè)部分組成,許多細(xì)胞因子和生長(zhǎng)因子如IL-2、IL-7、粒細(xì)胞/巨噬細(xì)胞集落刺激因子、生長(zhǎng)激素、上皮生長(zhǎng)因子、血小板衍生生長(zhǎng)因子及干擾素等,參與細(xì)胞增生、焦亡等多種生物學(xué)過(guò)程[20]。研究[21]表明, STAT3是CNS反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞和膠質(zhì)瘢痕形成的關(guān)鍵因素, SCI模型中星形膠質(zhì)細(xì)胞STAT3選擇性敲除,可減少GFAP的表達(dá)及膠質(zhì)瘢痕的形成,導(dǎo)致?lián)p傷部位炎癥反應(yīng)擴(kuò)大,功能恢復(fù)減弱。微小RNA(microRNA)通過(guò)識(shí)別同源序列和干擾轉(zhuǎn)錄、翻譯或表觀遺傳過(guò)程來(lái)調(diào)節(jié)基因表達(dá)[22]。研究[23]顯示, micRNA-125b在受傷脊髓中下調(diào),而micRNA-125b過(guò)表達(dá)可通過(guò)調(diào)節(jié)JAK/STAT通路促進(jìn)SCI后的修復(fù)和再生。因此,開發(fā)STAT特異性靶向藥,可能是SCI治療的潛在靶點(diǎn)。
NF-κB家族是進(jìn)化保守的轉(zhuǎn)錄因子家族,是由許多不同細(xì)胞的增殖、分化、死亡、炎癥及免疫反應(yīng)介導(dǎo)的誘導(dǎo)型轉(zhuǎn)錄的常見下游靶標(biāo),在靜止細(xì)胞質(zhì)中, NF-κB與NF-κB抑制蛋白(IκB)結(jié)合形成復(fù)合物,受刺激后IκB激酶誘導(dǎo)IκB蛋白磷酸化從而通過(guò)泛素-蛋白酶體途徑迅速降解,使得NF-κB二聚體進(jìn)入細(xì)胞核并激活特定的靶基因表達(dá)[24]。SCI后, NF-κB信號(hào)通路對(duì)星形膠質(zhì)細(xì)胞的生物學(xué)活性發(fā)揮著重要的調(diào)控作用,體外抑制NF-κB信號(hào)通路可抑制星形膠質(zhì)細(xì)胞的活化,減少星形膠質(zhì)細(xì)胞釋放的趨化因子、巨噬細(xì)胞和T細(xì)胞的浸潤(rùn),并減少細(xì)胞外基質(zhì)CSPG的沉積,抑制膠質(zhì)瘢痕的形成[25]。研究[26]發(fā)現(xiàn), miR-124-3p是神經(jīng)元衍生的外泌體中最豐富的microRNA, SCI后miR-124-3p激活NF-κB通路,從而調(diào)控星形膠質(zhì)細(xì)胞的活化。SCI后缺血性水腫是SCI繼發(fā)性損傷的原因之一,星形膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá)的AQP4在SCI缺血性水腫過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用,核蛋白高遷移率族蛋白B1(HMGB1)存在于所有細(xì)胞類型中,在細(xì)胞內(nèi)外發(fā)揮作用[27]。SCI后, HMGB1從細(xì)胞主動(dòng)釋放或在細(xì)胞死亡后被動(dòng)釋放,研究[28]證明HMGB1可通過(guò)靶向星形膠質(zhì)細(xì)胞Toll樣受體4(TLR4)而激活NF-κB上調(diào)AQP4, 引起組織水腫。
Hippo途徑的下游靶點(diǎn)YAP是一種轉(zhuǎn)錄激活因子, Hippo信號(hào)傳導(dǎo)主要通過(guò)大腫瘤抑制激酶1(LATS1)和大腫瘤抑制激酶2(LATS2)的磷酸化來(lái)調(diào)節(jié)YAP。LATS激酶通過(guò)Ste20家族激酶(主要是MST1/2)的磷酸化激活,在控制細(xì)胞增殖、分化及凋亡等生物活性中發(fā)揮著重要作用[29]。在CNS中, YAP調(diào)節(jié)皮質(zhì)星形膠質(zhì)細(xì)胞的增殖和分化, SCI后YAP與星形膠質(zhì)細(xì)胞增殖密切相關(guān)。雄性小鼠SCI模型中, YAP在星形膠質(zhì)細(xì)胞中以Hippo激酶依賴性方式被上調(diào)并選擇性激活,在星形膠質(zhì)細(xì)胞中有條件的YAP抑制可減少星形膠質(zhì)細(xì)胞增殖,不利于神經(jīng)功能恢復(fù),而YAP的激活可促進(jìn)星形膠質(zhì)細(xì)胞增殖、神經(jīng)膠質(zhì)瘢痕形成及神經(jīng)功能恢復(fù)[30], 成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(FGF)在SCI后升高并控制星形膠質(zhì)細(xì)胞的增殖[31](FGF升高激活YAP從而發(fā)揮對(duì)星形膠質(zhì)細(xì)胞增殖的正調(diào)控)。此外,相關(guān)研究[32]表明, YAP的激活可減少星形膠質(zhì)細(xì)胞釋放IL-1β、IL-6和TNF-α等炎癥因子,從而減輕炎癥反應(yīng)。總之, Hippo/YAP信號(hào)通路在星形膠質(zhì)細(xì)胞中扮演重要角色,可能是SCI潛在的治療靶點(diǎn)。
PI3K/AKT是哺乳動(dòng)物至關(guān)重要的激酶,可通過(guò)多種細(xì)胞刺激如胰島素、胰島素樣生長(zhǎng)因子-1(IGF-1)、FGF、表皮生長(zhǎng)因子(EGF)、趨化因子及炎癥相關(guān)細(xì)胞因子激活并控制細(xì)胞的增殖、存活、轉(zhuǎn)錄、翻譯和生長(zhǎng)等[33]。PI3K/AKT信號(hào)通路的激活與神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞增生及膠質(zhì)瘢痕形成有關(guān),在大鼠SCI模型中抑制PI3K/AKT信號(hào)通路可減輕神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞增生,減少膠質(zhì)瘢痕形成,并促進(jìn)軸突進(jìn)入損傷部位改善運(yùn)動(dòng)功能[34]。損傷后,腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(BDNF)對(duì)各種神經(jīng)元群體發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)和促進(jìn)生長(zhǎng)的作用。在脂多糖誘導(dǎo)的體外星形膠質(zhì)細(xì)胞損傷模型中, miR-211/BDNF軸通過(guò)PI3K/AKT通路調(diào)控脂多糖誘導(dǎo)的星形膠質(zhì)細(xì)胞增殖[35], 故miR-211/BDNF/PI3K/AKT軸可能成為抗SCI后反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞增殖策略中的一個(gè)有前景的靶點(diǎn)。
Ras/Raf/MEK/ERK(MAPK)信號(hào)傳導(dǎo)是調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、分化、凋亡及炎癥的主要途徑, MAPK主要有4個(gè)亞家族,分別是細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(ERK)、p38絲裂原活化蛋白激酶(p38MAPK)、c-JUN氨基末端激酶(JNK)和ERK5[36]。研究[37]表明,Ras-pRaf1-ERK1/2信號(hào)通路在星形膠質(zhì)細(xì)胞增殖中起重要作用,體外Ras-pRaf1-ERK1/2信號(hào)通路的下調(diào)可抑制星形膠質(zhì)細(xì)胞增殖及活化,從而減少膠質(zhì)瘢痕的形成。線粒體融合蛋白2(Mfn2)為GTP酶,在心臟、骨骼肌和大腦中高表達(dá),其下調(diào)可導(dǎo)致增殖性疾病,是一種新發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞增殖抑制劑。Mfn2的抗增殖作用主要通過(guò)阻滯細(xì)胞周期和抑制Ras-pRaf1-ERK1/2通路來(lái)介導(dǎo)[38]。實(shí)驗(yàn)[39]證明, Mfn2過(guò)表達(dá)在體外抑制了Ras-pRaf1-ERK1/2通路的激活,從而抑制反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞增生。因此,調(diào)控Ras-pRaf1-ERK1/2信號(hào)通路可能是SCI治療的新思路。
為了控制SCI后星形膠質(zhì)細(xì)胞的活化,減少膠質(zhì)瘢痕的產(chǎn)生,臨床已經(jīng)開發(fā)出了許多策略。在大鼠SCI模型中,將GFAP和波形蛋白siRNAs應(yīng)用于SCI部位,可抑制反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞的過(guò)度增殖,改善大鼠SCI相關(guān)的急性泌尿功能障礙[40]。轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β(TGF-β)信號(hào)傳導(dǎo)是星形膠質(zhì)細(xì)胞活化劑膠質(zhì)瘢痕形成中CSPG表達(dá)的關(guān)鍵上游觸發(fā)因素,有研究[41]向SCI大鼠注射抗TGF-β抗體減少反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞的數(shù)量,改善了大鼠運(yùn)動(dòng)功能。另外,表皮生長(zhǎng)因子受體(EGFR)的激活可將SCI后星形膠質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)榉磻?yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞[42]。因此,抑制EGFR可有效減少星形膠質(zhì)細(xì)胞的反應(yīng),使用特異性EGFR抑制劑PD168393注射至大鼠SCI部位,可抑制CSPG的產(chǎn)生和神經(jīng)膠質(zhì)瘢痕的形成,使脫髓鞘和神經(jīng)元損失減少,改善大鼠后肢運(yùn)動(dòng)功能及膀胱功能[43]。反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)于神經(jīng)功能恢復(fù)有利也有弊,深入了解星形膠質(zhì)細(xì)胞病理分子機(jī)制,在SCI的特定時(shí)間干預(yù)星形膠質(zhì)細(xì)胞活化,可能是恢復(fù)SCI后神經(jīng)功能的有前途的干預(yù)措施。
星形膠質(zhì)細(xì)胞分泌的CSPG可阻止軸突的延長(zhǎng),因此,抑制細(xì)胞外基質(zhì)中CSPG是SCI潛在的治療靶點(diǎn)。軟骨素酶可以減弱CSPGs的抑制作用,從而促進(jìn)軸突再生[44]。相關(guān)研究[45]將熱穩(wěn)定型脂質(zhì)微管包埋的軟骨素酶注射至狗的SCI部位,改善了狗的運(yùn)動(dòng)功能及膀胱功能,表明脊髓內(nèi)注射軟骨素酶對(duì)神經(jīng)功能恢復(fù)有益。研究[46]發(fā)現(xiàn),細(xì)胞內(nèi)軟骨素酶對(duì)CSPG的抑制作用是通過(guò)Rho/Rho激酶(ROCK)途徑以及抑制AKT和ERK1/2磷酸化介導(dǎo)的, ROCK的阻滯減弱了CSPG的抑制作用。因此,調(diào)控CSPG相關(guān)的信號(hào)途徑可能是SCI神經(jīng)功能恢復(fù)的治療新靶點(diǎn)。
隨著基因工程的發(fā)展,在基因?qū)用嬲{(diào)控星形膠質(zhì)細(xì)胞的生物學(xué)活性已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。轉(zhuǎn)錄因子CCAAT/增強(qiáng)子結(jié)合蛋白δ(C/EBPδ)是對(duì)炎癥因子有反應(yīng)的基因調(diào)節(jié)蛋白。實(shí)驗(yàn)[47]發(fā)現(xiàn), C/EBPδ主要在損傷相關(guān)的星形膠質(zhì)細(xì)胞中表達(dá), C/EBPδ缺損的小鼠在SCI后28 d與野生小鼠相比,顯示出膠質(zhì)瘢痕的減少和更多的運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù),表明C/EBPδ可以調(diào)節(jié)星形膠質(zhì)細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)遷移,并且是SCI后神經(jīng)膠質(zhì)瘢痕形成不可或缺的部分,故可試圖抑制C/EBPδ或C/EBPδ介導(dǎo)的基因或蛋白質(zhì)以調(diào)控星形膠質(zhì)細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)遷移來(lái)改善SCI患者的功能預(yù)后。Ski是一種進(jìn)化保守蛋白,廣泛參與并調(diào)節(jié)不同物種中多種細(xì)胞的增殖、分化、轉(zhuǎn)化及腫瘤進(jìn)展等過(guò)程。SCI后, Ski蛋白主要在星形膠質(zhì)細(xì)胞中表達(dá),并可調(diào)控星形膠質(zhì)細(xì)胞的遷移和增殖[37]。通過(guò)基因工程技術(shù)敲除及過(guò)表達(dá)調(diào)控星形膠質(zhì)細(xì)胞增殖及活性相關(guān)基因,可使星形膠質(zhì)細(xì)胞在SCI后發(fā)揮有益作用,這可能是未來(lái)SCI治療的研究方向之一。
本文總結(jié)了SCI后星形膠質(zhì)細(xì)胞的生物過(guò)程、通路機(jī)制、對(duì)神經(jīng)功能的影響以及針對(duì)星形膠質(zhì)細(xì)胞的SCI療法,旨在為SCI治療提供新的思路。雖然SCI神經(jīng)功能恢復(fù)的病理分子機(jī)制已經(jīng)逐漸被發(fā)現(xiàn),但星形膠質(zhì)細(xì)胞及其生物學(xué)過(guò)程非常復(fù)雜,未來(lái)還應(yīng)繼續(xù)深入研究反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞及膠質(zhì)瘢痕形成的分子機(jī)制(如DNA、RNA及蛋白質(zhì)層面),開發(fā)具有治療意義的藥物。聚合物納米顆粒是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)之一,其在藥物遞送、提高藥物選擇性和控制釋放方面具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)聚合物納米顆粒將藥物內(nèi)化到SCI部位,在SCI后特異性調(diào)控反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞及膠質(zhì)瘢痕的形成,可對(duì)神經(jīng)功能恢復(fù)發(fā)揮有利作用。然而,目前關(guān)于SCI的研究大多為細(xì)胞或動(dòng)物實(shí)驗(yàn),未來(lái)研究的重點(diǎn)應(yīng)轉(zhuǎn)移到臨床實(shí)驗(yàn),并努力開發(fā)出SCI的臨床療法。