施萬(wàn)細(xì)胞可塑性和自噬對(duì)周圍神經(jīng)損傷修復(fù)的作用

肖海麗,袁 真,魏 超,羅 軍

(南昌大學(xué)第二附屬醫(yī)院康復(fù)科,南昌 330006)

周圍神經(jīng)損傷(PNI)是全球范圍內(nèi)的發(fā)病率穩(wěn)步上升,其特征是進(jìn)行性感覺(jué)喪失、運(yùn)動(dòng)障礙、神經(jīng)病變疼痛或功能性殘疾的組合。雖然哺乳動(dòng)物的周圍神經(jīng)系統(tǒng)具有內(nèi)在的再生能力,支持軸突的伸長(zhǎng)和髓鞘化。但到目前為止,尚未尋求到可用的治療方案來(lái)完全恢復(fù)受損神經(jīng)的功能和結(jié)構(gòu)。周圍神經(jīng)再生涉及幾個(gè)關(guān)鍵事件,包括微環(huán)境的再創(chuàng)造和重新髓鞘化[1]。施萬(wàn)細(xì)胞(Schwann cell),曾稱雪旺細(xì)胞,其作為周圍神經(jīng)系統(tǒng)的主要組成細(xì)胞,廣泛參與了神經(jīng)損傷修復(fù)過(guò)程[1-2]。而自噬是用于處置并最終回收紊亂蛋白質(zhì)和丟棄細(xì)胞結(jié)構(gòu)的重要途徑,對(duì)于保持細(xì)胞穩(wěn)定性至關(guān)重要[3]。因此,在周圍神經(jīng)系統(tǒng)中了解施萬(wàn)細(xì)胞的可塑性和自噬非常重要。文章闡述周圍神經(jīng)損傷后施萬(wàn)細(xì)胞可塑性的作用及自噬活動(dòng),為進(jìn)一步研究施萬(wàn)細(xì)胞對(duì)周圍神經(jīng)損傷后的病理進(jìn)程影響,以便開(kāi)發(fā)和研究治療周圍神經(jīng)損傷修復(fù)的新策略提供參考。

1 施萬(wàn)細(xì)胞可塑性及其作用

損傷后的中樞神經(jīng)系統(tǒng)軸突修復(fù)極其有限。相比之下,周圍神經(jīng)系統(tǒng)損傷表現(xiàn)出較高的再生能力。在很大程度上,這種能力是得益于施萬(wàn)細(xì)胞顯著的可塑性。當(dāng)周圍神經(jīng)受傷時(shí),施萬(wàn)細(xì)胞會(huì)去分化并獲得新的功能,以協(xié)調(diào)神經(jīng)修復(fù),即為所謂的修復(fù)施萬(wàn)細(xì)胞。隨后,施萬(wàn)細(xì)胞激活或重新編程以延生成再生軸突[4]。最近有文獻(xiàn)報(bào)道[5]通過(guò)外源性提供內(nèi)皮細(xì)胞的外泌體來(lái)維持施萬(wàn)細(xì)胞的修復(fù)型促進(jìn)神經(jīng)再生。此外,還有新的研究發(fā)現(xiàn)使用超順磁性氧化鐵納米顆粒介導(dǎo)的磁驅(qū)動(dòng)通過(guò)誘導(dǎo)和保持施萬(wàn)細(xì)胞中的修復(fù)表型來(lái)促進(jìn)神經(jīng)再生[6]。由此可見(jiàn)對(duì)修復(fù)相關(guān)施萬(wàn)細(xì)胞表型的調(diào)節(jié)對(duì)促進(jìn)周圍神經(jīng)修復(fù)已然成為了新的研究熱點(diǎn)。

在發(fā)育過(guò)程中,有髓鞘的施萬(wàn)細(xì)胞與大口徑軸突形成一對(duì)一的關(guān)系并包裹在髓鞘中,而無(wú)髓鞘型施萬(wàn)細(xì)胞包裹著多個(gè)小口徑軸突而不產(chǎn)生髓鞘。在軸突損傷后,有髓鞘型和無(wú)髓鞘型施萬(wàn)細(xì)胞都經(jīng)歷了廣泛的重編程,從而促進(jìn)和指導(dǎo)軸突修復(fù)。神經(jīng)損傷后施萬(wàn)細(xì)胞與遠(yuǎn)端殘端軸突失去聯(lián)系而發(fā)生脫髓鞘,并轉(zhuǎn)化為修復(fù)表型。施萬(wàn)細(xì)胞重編程涉及多個(gè)基因的上調(diào)和多種轉(zhuǎn)錄機(jī)制的激活等[7]。其中,c-Jun、絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases,MAPK)通路、和染色質(zhì)修飾控制和調(diào)節(jié)修復(fù)程序[8]。首先,在周圍神經(jīng)受損時(shí),施萬(wàn)細(xì)胞會(huì)去分化形成修復(fù)型施萬(wàn)細(xì)胞來(lái)參與瓦勒變性(wallerian degeneration,WD)中受損軸突的解體和清除,并協(xié)助清除髓鞘碎片,營(yíng)造有利的再生環(huán)境。髓鞘碎片清除是通過(guò)施萬(wàn)細(xì)胞髓鞘吞噬作用消化內(nèi)源性和外源性髓鞘碎片,以及募集和激活入侵的巨噬細(xì)胞來(lái)實(shí)現(xiàn)[9]。隨后,施萬(wàn)細(xì)胞分泌營(yíng)養(yǎng)因子支持受損神經(jīng)元存活并促進(jìn)軸突再生[10]。修復(fù)型和無(wú)髓鞘型施萬(wàn)細(xì)胞也遷移并延伸形成Büngner帶,以引導(dǎo)再生軸突重新連接目標(biāo)器官[11]。最后,施萬(wàn)細(xì)胞增殖,并上調(diào)促髓鞘形成的基因,重新分化為有髓鞘的施萬(wàn)細(xì)胞以及使得再生軸突重新髓鞘化。

2 周圍神經(jīng)損傷后的自噬活動(dòng)

2.1 自噬以及自噬通量檢測(cè)

自噬是一種重要的細(xì)胞內(nèi)降解過(guò)程,對(duì)平衡發(fā)育過(guò)程中的能量來(lái)源至關(guān)重要。這一過(guò)程也有助于細(xì)胞在壓力環(huán)境下存活。通過(guò)分子研究發(fā)現(xiàn)了不同的自噬反應(yīng),如巨自噬、微自噬和伴侶介導(dǎo)的自噬[12]。由于巨自噬是自噬的最佳特征形式,所以也是目前研究最多和最為常見(jiàn)的一種。因此除非另有說(shuō)明,否則自噬是一般是指巨自噬。自噬過(guò)程包括4個(gè)基本步驟,誘導(dǎo);自噬體形成;自噬體-溶酶體融合(自噬溶酶體);自噬溶酶體的降解與回收。整個(gè)自噬過(guò)程稱為自噬流[13],代表了自噬從貨物被吞噬到其降解的整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。

目前有許多方法被用于評(píng)估自噬流[14]。監(jiān)測(cè)自噬最常見(jiàn)的方法之一是測(cè)量LC3-Ⅱ蛋白的周轉(zhuǎn)率,它被納入自噬體,再降解于溶酶體中。有許多不同的方法來(lái)測(cè)量LC3-Ⅱ蛋白水平,包括Western blot、熒光顯微鏡等。LC3-Ⅱ可以與自噬體膜結(jié)合并在溶酶體中傳遞和降解,由于LC3-Ⅱ水平與這一動(dòng)態(tài)進(jìn)程相聯(lián)系。所以,準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)LC3-Ⅱ水平的更可靠方法是使用溶酶體抑制劑,如BafA1(阻斷自噬體與溶酶體的融合)或氯喹(中和溶酶體pH),通過(guò)通量測(cè)定將自噬體的形成與其降解耦聯(lián)的變化。由于自噬通量是一個(gè)速率,LC3-Ⅱ和p62水平會(huì)隨時(shí)間的變化,因此,在存在和不存在溶酶體抑制劑的情況下,都需要分析。相比之下使用GFP-RFP-LC3雙標(biāo)熒光蛋白標(biāo)簽可以直接觀察自噬小體變化顯得尤為有價(jià)值。運(yùn)用GFP(酸性環(huán)境中淬滅)和RFP(酸性環(huán)境穩(wěn)定)的差異pH敏感性,直接評(píng)估自噬體(紅色和綠色)與溶酶體融合形成自噬溶酶體(僅紅色)。因此它被廣泛用于通過(guò)基于圖像的通量分析和活細(xì)胞顯微鏡來(lái)評(píng)估自噬通量。此外,不需要考慮時(shí)間維度時(shí)還可以利用透射電鏡可觀察體內(nèi)外的自噬囊泡,也是常用的監(jiān)測(cè)手段[15]。

2.2 周圍神經(jīng)受損后自噬的調(diào)節(jié)

周圍神經(jīng)損傷后,病變區(qū)域及其遠(yuǎn)端殘端經(jīng)歷了廣泛的形態(tài)和病理變化,包括軸突退化、脫髓鞘和髓鞘吞噬,這一過(guò)程被稱為瓦勒變性(WD)。WD期間髓鞘的分解將產(chǎn)生大量的髓鞘碎片,嚴(yán)重影響神經(jīng)再生和功能恢復(fù)。周圍神經(jīng)受損后自噬通過(guò)溶酶體降解調(diào)節(jié)了幾種生理和病理過(guò)程[16],如髓鞘降解、髓鞘發(fā)育、神經(jīng)再生和神經(jīng)病變疼痛等。由此可見(jiàn)周圍神經(jīng)受損后自噬的調(diào)節(jié)對(duì)神經(jīng)恢復(fù)發(fā)揮了重要作用。而自噬通常受到各種應(yīng)激的調(diào)節(jié),包括活性氧(reactive oxygen species,ROS)、線粒體毒性、炎癥和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(endoplasmic reticulum,ER)應(yīng)激等。這些應(yīng)力對(duì)自噬的影響已在神經(jīng)病變的諸多文獻(xiàn)中進(jìn)行了廣泛研究[17]。有研究[18]表明,神經(jīng)病變疼痛的動(dòng)物模型中存在自噬功能障礙。數(shù)據(jù)顯示,神經(jīng)擠壓損傷后導(dǎo)致自噬中斷,自噬流受阻,使用神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子。例如NGF(Nerve growth factor)、FGF21(Fibroblast growth factor 21)和bFGF(basic fibroblast growth factor)等,通過(guò)上調(diào)自噬水平來(lái)緩解神經(jīng)損傷[19]。有研究[20]發(fā)現(xiàn)NAD依賴性脫乙酰酶Sirt1(sirtuin-1)在調(diào)節(jié)自噬方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用,證據(jù)表明,通過(guò)Sirt1的過(guò)度表達(dá)激活自噬來(lái)促進(jìn)再生和功能恢復(fù)。此外,自噬受到神經(jīng)損傷后產(chǎn)生的髓鞘碎片以及缺血缺氧的影響,它可能對(duì)受損的神經(jīng)組織產(chǎn)生積極和/或消極的影響。雖然自噬的激活可以保護(hù)或破壞神經(jīng)元細(xì)胞,但顯然自噬流的水平?jīng)Q定了自噬的作用[21]。

3 自噬與施萬(wàn)細(xì)胞對(duì)周圍神經(jīng)損傷修復(fù)的作用

3.1 自噬促進(jìn)施萬(wàn)細(xì)胞促分化

周圍神經(jīng)損傷后,施萬(wàn)細(xì)胞去分化并獲得新的功能來(lái)協(xié)調(diào)神經(jīng)修復(fù),即所謂的修復(fù)施萬(wàn)細(xì)胞。隨后,施萬(wàn)細(xì)胞再分化為再生軸突的髓鞘。通過(guò)自噬實(shí)現(xiàn)的髓鞘蛋白合成和細(xì)胞器發(fā)育的質(zhì)量控制可能與髓鞘化過(guò)程或施萬(wàn)細(xì)胞分化密切相關(guān)[7]。有文獻(xiàn)[22]發(fā)現(xiàn)自噬似乎主要是在髓鞘形成已經(jīng)進(jìn)入晚期階段時(shí)被激活的。還有文獻(xiàn)[23]報(bào)道,當(dāng)施萬(wàn)細(xì)胞缺乏(mammalian target of rapamycin)mTOR時(shí),髓鞘阻滯和軸突生長(zhǎng)減少,從而確立了mTOR信號(hào)傳導(dǎo)在髓鞘化施萬(wàn)細(xì)胞的縱向和橫向生長(zhǎng)中的關(guān)鍵作用。此外,增強(qiáng)自噬可以保持微管穩(wěn)定,并促進(jìn)成人神經(jīng)系統(tǒng)的周圍神經(jīng)再生和功能恢復(fù)[24]。因此自噬也被視為神經(jīng)損傷后施萬(wàn)細(xì)胞結(jié)構(gòu)可塑性的調(diào)節(jié)機(jī)制。

3.2 自噬促進(jìn)施萬(wàn)細(xì)胞清除髓鞘碎片

有研究[25]表明,WD期間涉及受損髓鞘降解的細(xì)胞機(jī)制與施萬(wàn)細(xì)胞的自噬激活密切相關(guān)。施萬(wàn)細(xì)胞介導(dǎo)的髓鞘碎片清除發(fā)生在神經(jīng)損傷后的5～14 d[18]。自噬是一種保守的溶酶體降解途徑,可以消除受損的細(xì)胞器和病理蛋白質(zhì),以維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)。積累證據(jù)表明,髓鞘碎片清除與自噬有關(guān)。通過(guò)基因敲除或藥理學(xué)方法抑制自噬導(dǎo)致受傷外周神經(jīng)的髓鞘碎片清除延遲[27],髓鞘碎片是遠(yuǎn)端神經(jīng)軸突再生長(zhǎng)的屏障。此外,一項(xiàng)研究[22]結(jié)果顯示,初級(jí)髓磷脂卵圓體包含一個(gè)充滿液體的軸漿,具有致密的髓鞘和稀少的軸突細(xì)胞質(zhì),這些細(xì)胞質(zhì)形成P(Proximal近端)纖維。P纖維最終被D(Degeneration變性)纖維取代,D纖維被描述為含有數(shù)個(gè)與變性過(guò)程相關(guān)的小髓鞘囊泡的肥厚性施萬(wàn)細(xì)胞。抑制溶酶體功能的藥物可延遲P纖維向D纖維的轉(zhuǎn)化。這些發(fā)現(xiàn)表明,自噬對(duì)于周圍神經(jīng)損傷后髓鞘的及時(shí)清除至關(guān)重要;有研究[18]還發(fā)現(xiàn)這一過(guò)程不能完全由從循環(huán)中募集的巨噬細(xì)胞來(lái)完成。因此,特別是在早期階段,需要自噬性施萬(wàn)細(xì)胞來(lái)促進(jìn)髓鞘清除、髓鞘再生和瘢痕減少。

3.3 自噬調(diào)節(jié)軸突發(fā)生

對(duì)初級(jí)神經(jīng)元的研究[28]顯示,軸突末端有強(qiáng)大的自噬體生物發(fā)生。而關(guān)于在體內(nèi)神經(jīng)元中自噬體生物發(fā)生,對(duì)秀麗隱桿線蟲(chóng)的活體成像證明,在發(fā)育期間的突觸位點(diǎn)中可觀察到自噬體的生物發(fā)生[29]。在果蠅中,自噬體也在突觸處遠(yuǎn)端形成,而且當(dāng)收到饑餓或神經(jīng)元刺激都會(huì)增加運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的神經(jīng)肌肉連接處中自噬體的形成速度[30]。有文獻(xiàn)[22]指出,髓鞘成熟期間使用雷帕霉素處理使軸突細(xì)胞質(zhì)面積顯著減少,而雷帕霉素則是通過(guò)抑制mTOR活性而引起體內(nèi)細(xì)胞自噬活化的,軸突的這些變化至少部分依賴于細(xì)胞骨架調(diào)節(jié)蛋白和結(jié)構(gòu)的降解。有研究[31]指出,中藥也能調(diào)控自噬,從而調(diào)節(jié)軸突再生,例如槲皮素、姜黃素等通過(guò)調(diào)節(jié)自噬,改善神經(jīng)元損傷,促進(jìn)軸突再生。這些觀點(diǎn)都提示自噬與軸突發(fā)生存在著不可分割的聯(lián)系。

3.4 自噬與神經(jīng)生長(zhǎng)因子

周圍神經(jīng)損傷后遠(yuǎn)端神經(jīng)中的施萬(wàn)細(xì)胞分泌促進(jìn)軸突生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)因子,以及將免疫細(xì)胞招募到受傷神經(jīng)中的細(xì)胞因子和趨化因子。通過(guò)原位注射外源型神經(jīng)生長(zhǎng)因子來(lái)激活施萬(wàn)細(xì)胞自噬,來(lái)加速髓鞘碎片清除,以促進(jìn)軸突再生[32]。一般來(lái)說(shuō),神經(jīng)生長(zhǎng)因子的半衰期較短,很容易被各種蛋白酶在體內(nèi)滅活。這種原位注射的方式,不僅造成了二次傷害,也無(wú)法保證其利用率。因此,如果能使用合適的藥物載體來(lái)保持神經(jīng)生長(zhǎng)因子在神經(jīng)病變處的生物活性和可用性,并控制神經(jīng)生長(zhǎng)因子的緩慢釋放,那將大大提高其利用率。于是有研究設(shè)計(jì)了通過(guò)原位智能水凝膠注射持續(xù)提供基本成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(bFGF),激活施萬(wàn)細(xì)胞的自噬,并通過(guò)PAK-1信號(hào)通路改善面部神經(jīng)的生成,顯著恢復(fù)受傷面部神經(jīng)的形態(tài)和功能,這可以為神經(jīng)損傷的恢復(fù)提供更有希望的策略[33],但關(guān)于其是否能夠廣泛應(yīng)用于臨床還未可知。

4 小結(jié)與展望

與CNS的損傷不同,周圍神經(jīng)損傷受傷的神經(jīng)可以根據(jù)損傷的位置和嚴(yán)重程度有效地再生。研究表明這很大程度上源于施萬(wàn)細(xì)胞的可塑性,施萬(wàn)細(xì)胞又稱外周髓鞘細(xì)胞,參與了髓鞘碎片消除、修復(fù)和神經(jīng)再生整個(gè)過(guò)程。自噬是神經(jīng)元發(fā)育和生存所必需的細(xì)胞降解過(guò)程,尤其是在抵抗異常應(yīng)力時(shí),消除受損的蛋白質(zhì)和細(xì)胞器,維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)發(fā)揮了不可替代作用。不僅如此,自噬也被視為施萬(wàn)細(xì)胞的可塑性的調(diào)節(jié)機(jī)制。通過(guò)本文初步總結(jié)了施萬(wàn)細(xì)胞可塑性和自噬與周圍神經(jīng)損傷后再修復(fù)的關(guān)系,為開(kāi)發(fā)促進(jìn)周圍神經(jīng)損傷修復(fù)的各種藥物或途徑提供了研究思路和方向。