硬腦膜在顱骨/腦膜/腦組織系統(tǒng)生長發(fā)育中的作用機(jī)制研究進(jìn)展

摘要：硬腦膜是貼覆在顱骨內(nèi)表面且包繞大腦的一層質(zhì)韌的纖維結(jié)締組織膜，作為腦組織與顱骨間的緩沖性橋梁結(jié)構(gòu)，其生理功能及在顱骨發(fā)育和修復(fù)中的作用一直是研究的熱點(diǎn)。近年來研究發(fā)現(xiàn)，硬腦膜在顱骨的生長過程中不僅直接參與顱骨的發(fā)育，還分泌多種控制中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的細(xì)胞因子，兩者間有豐富的物質(zhì)交換與細(xì)胞遷移。該文從硬腦膜在顱骨發(fā)育及修復(fù)中的作用進(jìn)行綜述，為進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)硬腦膜在顱骨發(fā)育及修復(fù)中的相關(guān)機(jī)制提供線索。

關(guān)鍵詞：硬腦膜；顱骨發(fā)育；顱骨損傷修復(fù)

中圖分類號：R651.1+9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.11958/20240842

Research progress on the mechanism of dura mater in the growth and development of skull/meninges/brain tissue system

LIU Song1， LI Wenbin1， SHAO Guo2， ZHANG Chunyang2， FENG Shijun2△

1 The First Affiliated Hospital of Baotou Medical College， Inner Mongolia University of Science and Technology，

Baotou 014010， China; 2 Engineering Technology Center for Bone Tissue Regeneration and

Injury Repair in Inner Mongolia Autonomous Region

△Corresponding Author E-mail： fsj18047211139@126.com

Abstract：" Dura mater is a tough collagen connective tissue attached to inner surface of skull and wrapped around brain. As a buffer bridge between brain tissue and skull， its physiological function and role in skull development and repair have always been a focus of research. Recent studies have found that dura mater not only directly participates in skull development during skull growth， but also secretes a variety of cytokines that control the development of central nervous system. There are abundant material exchange and cell communication between the two. This article reviews the role of dura in development and repair of skull， and provides clues for further discovery of the relevant mechanisms of dura in development and repair of skull.

Key words： dura mater; skull development; skull injury repair

硬腦膜是貼覆在顱骨內(nèi)表面且包繞大腦的一層質(zhì)韌的纖維結(jié)締組織膜，在腦組織和顱骨的發(fā)育過程中發(fā)揮著重要的作用，尤其是未成熟的硬腦膜可分泌多種信號因子，促使成骨細(xì)胞轉(zhuǎn)化為骨細(xì)胞，調(diào)節(jié)顱骨發(fā)育與重塑［1-2］。硬腦膜生理結(jié)構(gòu)完整性及血腦屏障功能性對維持顱骨、硬腦膜及顱腦組織之間的細(xì)胞遷移至關(guān)重要。顱骨缺損后會啟動缺損修復(fù)機(jī)制，誘導(dǎo)硬腦膜分泌、募集骨形態(tài)發(fā)生蛋白（bBMP）、成纖維細(xì)胞生長因子（FGF）、Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2（Runx2）、骨鈣蛋白（osteocalcin，OCN）等成骨相關(guān)因子與成骨相關(guān)細(xì)胞加速骨再生，啟動炎癥防御反應(yīng)及缺損區(qū)域血管再生，誘導(dǎo)缺損部位形成骨化中心以加速膜內(nèi)成骨，實(shí)現(xiàn)顱骨缺損修復(fù)及骨重塑［3-4］。硬腦膜和顱骨在來源上高度相似，位置分布又極為緊密，因此兩者在生長發(fā)育及損傷修復(fù)的過程中必然有著密切的細(xì)胞遷移和廣泛的物質(zhì)聯(lián)系，但目前對其中涉及的具體分子機(jī)制尚不明確。本文擬對現(xiàn)有的研究進(jìn)行總結(jié)，為進(jìn)一步了解硬腦膜在顱骨發(fā)育及修復(fù)中的作用提供線索。

1 腦膜的生理學(xué)概述

1.1 腦膜生理結(jié)構(gòu) 成人腦膜為環(huán)繞大腦的3層具有不同生物學(xué)特性的膜性結(jié)構(gòu)，由外及內(nèi)為硬腦膜、蛛網(wǎng)膜和軟腦膜，在顱骨與腦組織之間起到重要緩沖作用。最外層的硬腦膜又分為兩部分，厚且致密與顱骨附著緊密的是外層硬腦膜，膜內(nèi)富含血管，參與顱骨內(nèi)表面骨膜發(fā)育與顱骨供血；貼近腦組織的硬腦膜稱為內(nèi)層硬腦膜，參與顱骨靜脈引流與硬膜反射活動；兩者僅在矢狀竇等靜脈竇血管走行的位置分離成明顯的兩層，形成硬腦膜反折［5］。硬腦膜反折延伸向顱腔深處，在空間上將顱腔分隔為左右大腦半球、小腦幕上下4個隔室。蛛網(wǎng)膜是主要由膠原纖維和成纖維細(xì)胞組成的海綿狀結(jié)締組織，外層類似顆粒狀，內(nèi)層是蛛網(wǎng)膜小梁。軟腦膜是緊密黏附在大腦表面的單細(xì)胞膜，最靠近腦組織的分化為軟腦膜基底部，其細(xì)胞外基質(zhì)中富含層黏連蛋白、膠原蛋白Ⅳ［6-7］。腦膜的反折處形成硬膜外腔、硬膜下間隙與蛛網(wǎng)膜下腔，在蛛網(wǎng)膜下腔中有腦脊液穿行。硬腦膜包繞在中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）的外表面，是3層腦膜結(jié)構(gòu)中質(zhì)地最堅韌的一層，在CNS中發(fā)揮了重要作用［8］。

1.2 腦淋巴系統(tǒng) 腦淋巴系統(tǒng)主要是指星形膠質(zhì)細(xì)胞末端足包裹血管壁形成的環(huán)形血管周圍空間間隙（perivascular space，PVS），該系統(tǒng)對維持顱內(nèi)穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要［9］。Louveau等［10］發(fā)現(xiàn)膠質(zhì)淋巴系統(tǒng)（GS）和腦膜淋巴管（MLVs）共同形成一條顱腦向外周的腦脊液（CSF）循環(huán)引流通路，可以更高效地將顱內(nèi)大分子代謝廢物由MLVs運(yùn)輸?shù)筋i深部淋巴結(jié)（dCLNs）及頸淺部淋巴結(jié)（ssCLNs）。同時，硬腦膜含有大量長期駐留的免疫細(xì)胞，這些免疫細(xì)胞介導(dǎo)顱內(nèi)免疫監(jiān)測和防御［11-12］。MLVs的發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展了對顱腔內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的傳統(tǒng)認(rèn)知。創(chuàng)傷性腦損傷、腦出血等誘發(fā)的急性炎癥反應(yīng)會降低腦膜淋巴系統(tǒng)的清除效率，加重腦源性腦水腫的程度，隨后腦實(shí)質(zhì)中膠質(zhì)纖維酸性蛋白（GFAP）、星形膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞等免疫細(xì)胞表達(dá)量會相應(yīng)升高，分泌更多促淋巴管增生的mRNA、蛋白質(zhì)等物質(zhì)，促進(jìn)MLVs新生和重塑，增強(qiáng)MLVs對顱內(nèi)異源物質(zhì)的清除能力［13］。另有研究表明，硬腦膜淋巴系統(tǒng)對α-突觸核蛋白" " " （α-syn）、β-淀粉樣蛋白（Aβ）和Tau蛋白等毒性蛋白有清除作用，這些毒性蛋白與阿爾茨海默病的發(fā)病機(jī)制密切相關(guān)［14］。由此可知硬腦膜淋巴系統(tǒng)在維持顱腔內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

1.3 硬腦膜發(fā)育的分子學(xué)和細(xì)胞學(xué)機(jī)制 硬腦膜的發(fā)育是多細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路共同調(diào)控的結(jié)果，其中叉頭盒C1（FOXC1）、黏著斑激酶（fFAK）、視黃酸（retinoic acid，RA）和轉(zhuǎn)化生長因子-β（TGF-β）等參與硬腦膜的發(fā)育過程，見表1。

2 硬腦膜參與顱骨形成和發(fā)育

2.1 硬腦膜與顱骨的形成 對顱骨-硬腦膜-大腦發(fā)育體系的發(fā)育過程已有諸多研究，在哺乳動物胚胎發(fā)育的第5周（E 5），MSCs由后腦枕葉大量增殖分化并向中腦和前腦擴(kuò)展延伸，最后包繞整個大腦形成一層間充質(zhì)鞘，這是顱骨及頭皮的原始形態(tài)，稱為初級腦膜。隨后，初級腦膜分化成硬腦膜、軟腦膜及蛛網(wǎng)膜，并在胚胎發(fā)育的第6周（E 6）逐漸形成神經(jīng)血管叢、腦細(xì)胞及腦膜內(nèi)淋巴管結(jié)構(gòu)［30］。已有研究證實(shí)前腦的硬腦膜由神經(jīng)嵴分化而來，而中腦和后腦的硬腦膜則由中胚層分化而來［1］。

通過小鼠胚胎發(fā)育模型觀察到，胚胎E 8.5和E 9.5，來自中后腦域的神經(jīng)嵴細(xì)胞與近軸中胚層細(xì)胞在Wnt/β-catenin信號傳導(dǎo)通路和下游因子介導(dǎo)下一起遷移到眶上嵴，在眶上間充質(zhì)（supraorbital mesenchyme，SOM）中形成顱骨祖細(xì)胞池，E 10.5和E 12.5時神經(jīng)嵴細(xì)胞與近軸中胚層細(xì)胞衍生的OPC在SOM中凝結(jié)［31］。OPC經(jīng)表面外胚層的經(jīng)典Wnt信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路激活，增殖分化表達(dá)Twist1、堿性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）和Runx2等細(xì)胞因子，促進(jìn)顱骨形成［29-30］。同時β-catenin激活OPC中的Twist1，以解除Twist1對Runx2的活性抑制，且OPC以囊膜的形式緊密排列在發(fā)育中的硬腦膜表面［31］。外間充質(zhì)層通過膜內(nèi)骨化形式，由基底部逐步向上分化，在頂端以擴(kuò)展延伸的方式覆蓋大腦，促進(jìn)顱骨穹窿的發(fā)育和頂端擴(kuò)張；顱基底部和頜面部以軟骨化成骨的形式向上發(fā)育［31-32］。顱骨縫線的發(fā)育融合過程主要是由硬腦膜調(diào)節(jié)，硬腦膜與顱骨穹窿上覆組織間相互作用并提供了諸多重要的生長調(diào)節(jié)因子、機(jī)械信號以及轉(zhuǎn)化遷移的細(xì)胞，任一環(huán)節(jié)異常均可導(dǎo)致發(fā)育異常。

2.2 硬腦膜對顱骨發(fā)育的作用 顱骨與硬腦膜在結(jié)構(gòu)上緊密并行排列，兩者在顱骨的形成和發(fā)育過程中存在廣泛的物質(zhì)交換與細(xì)胞遷移。將胚胎期大鼠提取的硬腦膜細(xì)胞與OPC體外共培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，顱骨祖細(xì)胞的增殖較單獨(dú)培養(yǎng)時顯著增加［33］。小兒硬腦膜發(fā)育先于顱骨發(fā)育，嬰兒的后囟門、前外側(cè)囟門、后外側(cè)囟門、前囟門在出生后2、3、12、24個月依次閉合，額縫、失狀縫、冠狀縫和人字縫則在2、22、24、26個月依次閉合，顱縫的閉合時間稍遲于囟門，此時顱骨內(nèi)外板間無板障結(jié)構(gòu)［34］；14～16歲所有顱縫閉合，顱縫停止發(fā)育［35］。這可能為兩者間的細(xì)胞遷移提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)?？苷鄣龋?6］進(jìn)一步證實(shí)，當(dāng)硬腦膜人字縫與顱骨骨縫的位置對應(yīng)關(guān)系被破壞后，骨縫會提前閉合，導(dǎo)致顱骨骨化遲緩甚至終止。這充分證明了硬腦膜生理結(jié)構(gòu)和功能完整性，尤其是顱縫縫線下方的硬腦膜在維持顱縫開放狀態(tài)上起到了重要作用，是顱骨形成與發(fā)育、損傷與修復(fù)的必要條件。

2.3 硬腦膜參與顱骨發(fā)育的相關(guān)分子機(jī)制 顱骨祖細(xì)胞沒有特異性合成FOXC1、TGF-β和BMP等多種成骨細(xì)胞調(diào)節(jié)因子的潛力，上述細(xì)胞因子由硬腦膜分泌后遷移至顱骨，調(diào)控顱骨的形成（圖1），此過程經(jīng)歷3個關(guān)鍵時期：（1）胚胎期（硬腦膜開始形成至胎兒分娩）。此時期成骨特點(diǎn)是“從無到有”，主要節(jié)點(diǎn)有OPC在SOM中凝結(jié)、膜內(nèi)骨化形成顱蓋骨雛形、部分顱底骨軟骨化成骨、顱骨頂端化擴(kuò)張和延伸［28-30］。（2）嬰兒期（0～3周歲）：胎兒分娩后解除子宮容積限制至3周歲前各囟門和主要顱骨縫線未閉合期間，硬腦膜與顱骨間充分的物質(zhì)交換和細(xì)胞遷移促進(jìn)顱骨快速發(fā)育［17，33］。（3）青春期前（3～16周歲）：16歲所有顱縫閉合，顱骨間板障結(jié)構(gòu)形成，顱腔容積基本固定，為適應(yīng)生存與發(fā)育的需要，顱骨生長表現(xiàn)形式為顱骨塑形和增強(qiáng)硬度［34-35］。3個時期描述見表2、3。

3 硬腦膜促進(jìn)顱骨損傷修復(fù)

硬腦膜在創(chuàng)傷、腫瘤、先天性疾病等原因?qū)е碌娘B骨缺損修復(fù)中發(fā)揮著重要的作用。在小鼠顱骨缺損模型發(fā)現(xiàn)，有硬腦膜貼附的骨缺損處修復(fù)效率遠(yuǎn)高于硬腦膜缺失處［35］。將Gli-1作為MSCs的細(xì)胞譜系追蹤標(biāo)志物，發(fā)現(xiàn)損傷發(fā)生后MSCs中Gli-1細(xì)胞調(diào)控Hh信號通路轉(zhuǎn)導(dǎo)靶基因和Hedgehog相互作用蛋白1（Hedgehog interacting protein-1，Hhip-1）結(jié)合、增殖分化，遷移到骨缺損區(qū)域分化為骨膜、硬腦膜和骨細(xì)胞［49-50］?？梢娤谛∈驧SCs中的Gli-1細(xì)胞后不會阻礙顱骨生長，而是阻礙顱骨損傷后修復(fù)的能力，由此可以推斷硬腦膜與顱骨存在密切的細(xì)胞遷移，硬腦膜促進(jìn)顱骨損傷修復(fù)。張瑞欣等［53］發(fā)現(xiàn)，長鏈非編碼RNA（long non-coding RNA，lnc RNA）與miRNA結(jié)合形成內(nèi)源競爭性RNA（competing endogenous RNA，ceRNA）調(diào)控下游靶基因，從而調(diào)控MSCs成骨分化過程。后續(xù)研究表明，顱骨損傷后會釋放多種炎性信號因子，其中腫瘤壞死因子α（TNF-α）與損傷修復(fù)關(guān)系密切，能夠刺激MSCs產(chǎn)生并釋放大量外泌體［54］；外泌體攜帶大量功能性微小核糖核酸分子（microRNA，miR），如miR-23a-3p可加快小鼠缺損修復(fù)進(jìn)程。這意味著硬腦膜與顱骨間的細(xì)胞遷移對促進(jìn)顱骨缺損區(qū)域的損傷修復(fù)至關(guān)重要［55］。

4 硬腦膜對顱腦發(fā)育的影響

顱骨-硬腦膜-大腦在生理結(jié)構(gòu)上的并行排列構(gòu)成了一個整體結(jié)構(gòu)單元，腦組織的正常發(fā)育依賴于硬腦膜發(fā)育速率、顱骨發(fā)育速率、顱縫閉合速率、顱底和穹窿部融合速率之間協(xié)調(diào)同步的結(jié)果。在0～3歲的顱骨骨折患兒中，由于患兒顱腦發(fā)育較快，大腦的快速發(fā)育以及顱腔內(nèi)外壓力差共同導(dǎo)致顱骨缺損局部一直存在向外的擴(kuò)張力；與此同時，顱腔內(nèi)壓與外界大氣壓壓力差變化激活顱蓋骨局部的FAK-磷脂酰肌醇3-激酶/絲氨酸蘇氨酸蛋白激酶（PI3K/AKT）信號通路，增加下游相關(guān)因子的表達(dá)和質(zhì)膜通透性［56-57］。硬腦膜除了分泌細(xì)胞因子促進(jìn)顱骨發(fā)育外，似乎也與神經(jīng)元發(fā)育有關(guān)。BMP除前文提到的可以促進(jìn)皮質(zhì)形成和皮質(zhì)神經(jīng)元的遷移外，高表達(dá)的BMP結(jié)構(gòu)亞型BMP-2和BMP-4還可促進(jìn)大腦靜脈血管的形成和側(cè)支循環(huán)的建立［58］。最后，對硬腦膜細(xì)胞譜系追蹤與單細(xì)胞DNA測序發(fā)現(xiàn)，硬腦膜參與皮質(zhì)神經(jīng)元干細(xì)胞庫的建立，深入影響了顱內(nèi)血管化與神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育［59］。顱骨-硬腦膜-大腦體系三者間的物質(zhì)交換與細(xì)胞遷移協(xié)調(diào)著其整體的發(fā)育，當(dāng)這種協(xié)調(diào)性失去，會導(dǎo)致三者的發(fā)育異常。

5 總結(jié)與展望

硬腦膜分泌的細(xì)胞因子不僅直接參與調(diào)控與維持顱骨發(fā)育的整個過程，還參與顱腦的神經(jīng)元建立、局部血管化修復(fù)受損的神經(jīng)系統(tǒng)以及向顱骨缺損局部遷移，促進(jìn)缺損區(qū)域的骨再生與骨重塑，并對胚胎腦膜的功能表征——調(diào)節(jié)蛛網(wǎng)膜屏障細(xì)胞的發(fā)育、分泌大腦發(fā)育的因子以及產(chǎn)生構(gòu)成軟腦膜BM的細(xì)胞外基質(zhì)蛋白，強(qiáng)調(diào)了顱骨-硬腦膜-大腦體系同步協(xié)調(diào)發(fā)育的重要性。隨著單細(xì)胞DNA測序、細(xì)胞譜系追蹤、腦成像工具、基因編碼傳感器和細(xì)胞特異性標(biāo)記相結(jié)合技術(shù)的進(jìn)步，顱骨-硬腦膜-大腦體系的新特征會逐步被發(fā)現(xiàn)。今后尚需深入探索硬腦膜與顱骨、顱腦間涉及的物質(zhì)信息傳遞與細(xì)胞遷移的方式，明確硬腦膜分泌的不同細(xì)胞因子靶點(diǎn)作用的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的分子機(jī)制，針對性地應(yīng)用分子靶向藥物，定向作用于腦卒中、創(chuàng)傷性腦損傷及阿爾茲海默病等神經(jīng)系統(tǒng)常見疾病的神經(jīng)功能修復(fù)，為相關(guān)臨床診治提供新方向。

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（2024-06-27收稿 2024-08-10修回）

（本文編輯 胡小寧）