內(nèi)源性保護(hù)在脊髓損傷中的研究進(jìn)展

文應(yīng)丹 劉礦嬪

脊髓損傷具有致殘率高的特點(diǎn)，會造成細(xì)胞和神經(jīng)功能損傷，進(jìn)而影響患者的感覺能力或運(yùn)動能力，最終導(dǎo)致截癱或四肢癱瘓。全球有200萬～300萬人患有與脊髓損傷相關(guān)的殘疾。脊髓損傷的病理生理學(xué)機(jī)制是復(fù)雜的，對于治療脊髓損傷最關(guān)鍵的就是了解其復(fù)雜的病理生理機(jī)制[1-3]。在此基礎(chǔ)上運(yùn)用內(nèi)源性保護(hù)性機(jī)制，能夠?yàn)榕R床治療脊髓損傷提供新線索。

1 脊髓損傷病理生理學(xué)機(jī)制

最初，研究總結(jié)脊髓損傷的病理生理學(xué)可分為急性撞擊或壓迫。急性撞擊造成脊髓震蕩，這種類型的損傷多發(fā)生在灰質(zhì)，并導(dǎo)致出血性壞死，細(xì)胞內(nèi)鈣的增加和再灌注損傷在細(xì)胞損傷中起關(guān)鍵作用，并且在發(fā)生在損傷早期。壞死的程度取決于創(chuàng)傷受到的力量大小，是否涉及壓迫、血流受阻及藥物的使用情況；當(dāng)腫塊撞擊脊髓導(dǎo)致實(shí)質(zhì)壓力增加時，就會發(fā)生脊髓壓迫。組織反應(yīng)發(fā)生在白質(zhì)，包括神經(jīng)膠質(zhì)增生、脫髓鞘和軸突受損、血管源性水腫。血管源性水腫加劇脊髓實(shí)質(zhì)內(nèi)壓力上升，最終導(dǎo)致功能障礙的快速進(jìn)展[4]。現(xiàn)在的脊髓損傷指原發(fā)性和繼發(fā)性損傷。原發(fā)性損傷多由于機(jī)械暴力所造成；繼發(fā)性損傷基于原發(fā)性損傷，多見脊髓實(shí)質(zhì)中的炎性因子造成的組織的水腫、缺血低氧、壞死等現(xiàn)象[5]。

1.1 血脊髓屏障（blood spinal cord barrier，BSCB）

脊髓損傷中的繼發(fā)性損傷造成脊髓病變，影響脊髓功能，繼發(fā)性損傷引起微血管變化，這種變化的機(jī)制與BSCB密切相關(guān)[6]。

BSCB是血液和脊髓實(shí)質(zhì)之間的物理屏障，可防止毒素、血細(xì)胞和病原體進(jìn)入脊髓，并在脊髓環(huán)境中嚴(yán)格控制化學(xué)平衡。脊髓的脈管系統(tǒng)在脊髓損傷和修復(fù)中起著至關(guān)重要的作用。損傷中心的血管破裂和剪切，以及周圍組織中BSCB破裂的血管會導(dǎo)致出血和炎癥，從而導(dǎo)致整體組織損傷。穩(wěn)定的BSCB，促進(jìn)新血管形成是脊髓修復(fù)的關(guān)鍵治療靶點(diǎn)[7-8]。

BSCB中細(xì)胞的主要成分是星形膠質(zhì)細(xì)胞（AS）和微血管內(nèi)皮細(xì)胞（MEC）[9]。脊髓神經(jīng)損傷的大鼠能夠表現(xiàn)出明顯的星形膠質(zhì)細(xì)胞活化，同時活化區(qū)域出現(xiàn)明顯的白蛋白滲漏，相應(yīng)脊髓節(jié)段的BSCB功能缺陷[10]。

脊髓損傷后灰質(zhì)和白質(zhì)的主要BSCB超微結(jié)構(gòu)變化包括含有自噬體的空泡內(nèi)皮細(xì)胞、線粒體增大的周細(xì)胞變性、星形膠質(zhì)細(xì)胞末端變性和血管周圍水腫。這些成分密切相互作用，形成功能性“神經(jīng)血管單元”。內(nèi)皮細(xì)胞和其他細(xì)胞之間的交流增強(qiáng)了屏障功能，從而維持和完善了中樞神經(jīng)穩(wěn)態(tài)[11]。

1.2 炎癥

脊髓損傷會誘發(fā)炎癥的級聯(lián)反應(yīng)，激活星形膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞和中性粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞浸潤，釋放炎性細(xì)胞因子、趨化因子、氧自由基等。實(shí)際上，研究表明在損傷早期炎癥可以抑制膠質(zhì)形成等積極反應(yīng)。炎癥細(xì)胞的各種表型在神經(jīng)保護(hù)和損傷中起到不同作用，也間接展示了脊髓損傷的復(fù)雜性[12-13]。

1.3 細(xì)胞死亡

目前認(rèn)為至少有3種細(xì)胞死亡方式參與了脊髓神經(jīng)損傷：包括細(xì)胞凋亡、細(xì)胞壞死和自噬性細(xì)胞死亡[14]。細(xì)胞凋亡被認(rèn)為在急性脊髓損傷的繼發(fā)性損傷中具有主要作用，大量神經(jīng)元細(xì)胞凋亡會影響脊髓損傷的自我修復(fù)[15]。

壞死較晚出現(xiàn)在脊髓繼發(fā)損傷，脊髓受傷后，BSCB遭到破壞，會出現(xiàn)出血、水腫、細(xì)胞毒物聚積、炎癥細(xì)胞浸潤等過程直至完成壞死[16]。壞死性凋亡不同于傳統(tǒng)的壞死和細(xì)胞凋亡，它是一種新興的程序性壞死。探討壞死性凋亡與脊髓損傷后細(xì)胞死亡發(fā)病機(jī)制之間的關(guān)系相關(guān)研究較為少見。

脊髓損傷后細(xì)胞自噬的研究成為近來的研究熱點(diǎn)，自噬與繼發(fā)性損傷密切相關(guān)。Kanno等[17]發(fā)現(xiàn)脊髓損傷后細(xì)胞自噬的激活，該研究在體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)中表明脊髓損傷后早期細(xì)胞自噬顯著激活。自噬雖已被視為緩解脊髓損傷發(fā)病機(jī)制的治療靶點(diǎn)，但是脊髓損傷后自噬激活的時空模式是矛盾的。只有進(jìn)一步的研究才能明確自噬的治療性激活或抑制是否對脊髓損傷臨床模型的總體結(jié)果有益，自噬與細(xì)胞凋亡之間的相互作用也需要更多研究來證明[18]。目前，一項(xiàng)在大鼠脊髓損傷的薈萃分析中也表示自噬的調(diào)節(jié)可以改善神經(jīng)功能，但是無論自噬上調(diào)或下調(diào)在脊髓損傷治療中沒有差異[19]。研究結(jié)果的差異可能與研究方法不同、脊髓損傷后自噬特征缺乏明確定義、自噬監(jiān)測技術(shù)有限等有關(guān)。因此，應(yīng)規(guī)范方法，并在未來的研究中關(guān)注自噬的動態(tài)調(diào)節(jié)。

2 內(nèi)源性保護(hù)在脊髓損傷中的研究進(jìn)展

2.1 保護(hù)性因子

內(nèi)源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（endogenous neurotrophic factors，ENTFs）家族可以調(diào)節(jié)神經(jīng)元生長、存活和分化[20]。趙彥平[21]的研究認(rèn)為受傷脊髓中神經(jīng)細(xì)胞可分泌神經(jīng)生長因子（NGF），參與調(diào)節(jié)脊髓損傷后的修復(fù)功能。張峽等[22]研究認(rèn)為內(nèi)源性神經(jīng)營養(yǎng)因子3（NT-3）能促進(jìn)損傷脊髓內(nèi)的感覺神經(jīng)元形態(tài)和功能修復(fù)，有利于脊髓可塑性修復(fù)。同樣，Dong等[23]的實(shí)驗(yàn)證明脊髓損傷后脊髓腹側(cè)角和背角NT-3和神經(jīng)營養(yǎng)因子4（NT-4）陽性神經(jīng)元數(shù)量增加，提示內(nèi)源性NT-3和NT-4在不同時間對感覺和運(yùn)動神經(jīng)元在脊髓損傷修復(fù)中的作用。鄧盤月等[24]發(fā)現(xiàn)脊髓完全橫斷后原肌球蛋白受體激酶B（TrkB）和腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（BDNF）的表達(dá)逐漸增加，并在第21天達(dá)到峰值，第28天恢復(fù)正常水平。這兩個因子的變化為脊髓后再生修復(fù)機(jī)制提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

堿性成纖維細(xì)胞生長因子（bFGF）具有神經(jīng)營養(yǎng)作用。脊髓損傷后內(nèi)源性bFGF增加了神經(jīng)元的存活率。bFGF的保護(hù)作用與下游信號磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）/蛋白激酶B（Akt）/糖原合成酶激酶（GSK）的激活有關(guān)[25]。趙斌[26]的研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)源性音猬因子對成年大鼠急性脊髓損傷后神經(jīng)再生具有重要的作用，為脊髓損傷的治療提供了更多線索。

2.2 腺苷

脊髓損傷后腺苷釋放可能提供神經(jīng)保護(hù)反饋的假設(shè)。在脊髓損傷后立即檢測到腺苷的大量釋放。Zhang等[27]通過觀察大鼠脊髓損傷后內(nèi)源性腺苷的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)脊髓損傷后腺苷表達(dá)顯著增加，腺苷濃度在受傷后1 h達(dá)到峰值，然后降至基礎(chǔ)水平。腺苷升高與脊髓損傷嚴(yán)重程度呈正相關(guān)。內(nèi)源性腺苷的變化可能參與繼發(fā)性脊髓損傷的病理過程，可能對脊髓損傷起保護(hù)作用。

2.3 5-羥色胺

Huang等[28]的最新研究表明斑馬魚脊髓中內(nèi)源性的5-羥色胺參與的促進(jìn)神經(jīng)軸突再生修復(fù)的機(jī)制。研究認(rèn)為脊髓內(nèi)特定水平的5-羥色胺能可以增強(qiáng)重建哺乳動物脊髓運(yùn)動回路的潛力。體外研究表明，5-羥色胺受體激動劑促進(jìn)神經(jīng)突延長和培養(yǎng)的神經(jīng)元的分支；利用斑馬魚脊髓損傷模型及其顯著的再生能力，在體內(nèi)研究5-羥色胺受體對特定脊髓中間神經(jīng)元軸突再生的影響，通過基因敲除，證明了5-羥色胺受體的缺失損害了斑馬魚脊髓損傷后谷氨酸能興奮性中間神經(jīng)元的軸突再生和運(yùn)動功能的恢復(fù)。

2.4 谷胱甘肽

內(nèi)源性谷胱甘肽（glutathione，r-glutamyl cysteingl+glycine，GSH）對急性脊髓損傷大鼠的氧化應(yīng)激可能起到某種保護(hù)的作用。脂質(zhì)過氧化（LPO）被認(rèn)為是脊髓損傷后損傷擴(kuò)散的主要因素[29]。在Lucas等[30]的研究中，通過大鼠脊髓損傷模型研究了損傷后內(nèi)源性抗氧化劑GSH對LPO的影響，結(jié)果表明增加GSH可能是減少急性期脊髓損傷中LPO介導(dǎo)的損傷的有效策略。GSH在神經(jīng)系統(tǒng)中發(fā)揮多種作用，包括自由基清除劑、離子型受體活性的氧化還原調(diào)節(jié)劑和可能的神經(jīng)遞質(zhì)，內(nèi)源性GSH對脊髓損傷后的繼發(fā)性損傷具有重要的保護(hù)作用。

2.5 激素

神經(jīng)系統(tǒng)損傷后，性別差異在損傷的發(fā)生發(fā)展及神經(jīng)功能恢復(fù)方面具有不同效果，研究發(fā)現(xiàn)雌激素和孕激素對神經(jīng)系統(tǒng)具有保護(hù)作用[31]。使用大劑量17-β雌二醇治療能夠通過調(diào)控內(nèi)源性巰醇抗氧化物來改善運(yùn)動功能，抑制細(xì)胞凋亡，從而減輕脊髓損傷程度。所以內(nèi)源性17-β雌二醇也為臨床應(yīng)用雌激素治療脊髓損傷提供理論依據(jù)[32]。大鼠急性脊髓損傷后脊髓內(nèi)有大量的促紅細(xì)胞生成素和促紅細(xì)胞生成素受體生成，前者能減少自由基和脂質(zhì)過氧化的損傷，抑制細(xì)胞凋亡，對繼發(fā)性脊髓損傷有保護(hù)作用；后者能夠作為神經(jīng)保護(hù)作用的分子基礎(chǔ)[33]。

2.6 生存素

生存素（survivin）是凋亡抑制蛋白（IAP）家族的獨(dú)特成員，在胚胎發(fā)育過程中表達(dá)。survivin在細(xì)胞增殖和凋亡細(xì)胞死亡中的重要作用，以及神經(jīng)系統(tǒng)損傷治療具有必要性。哺乳類動物急性脊髓損傷后survivin顯著表達(dá)提示內(nèi)源性保護(hù)和修復(fù)相關(guān)機(jī)制發(fā)生，且其表達(dá)程度與脊髓損傷的程度呈正相關(guān)[34]。

2.7 熱休克蛋白27（HSP27）和腦紅蛋白（Ngb）

HSP27是脊髓損傷后產(chǎn)生的一種重要的內(nèi)源性保護(hù)因子。在脊髓損傷早期誘導(dǎo)內(nèi)源性HSP27上調(diào)，從形態(tài)學(xué)上可能激發(fā)和增強(qiáng)受損中樞神經(jīng)的自我保護(hù)和自我修復(fù)[35]。HSP27及Caspase-3共表達(dá)可能在脊髓損傷后細(xì)胞凋亡表達(dá)的過程中防止繼發(fā)性損傷中發(fā)揮了重要作用[36]。

Ngb參與了脊髓損傷后星形膠質(zhì)細(xì)胞的抗氧化應(yīng)激，發(fā)揮內(nèi)源性細(xì)胞保護(hù)作用。Ngb可以激活PI3K/Akt通路來抑制大鼠脊髓神經(jīng)細(xì)胞的凋亡，因此對脊髓損傷發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用[37]。

2.8 內(nèi)源性干細(xì)胞

神經(jīng)干細(xì)胞包括內(nèi)源性和外源性，其中，內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞源于個體內(nèi)部。脊髓損傷后，內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞（endogenous neural stem cells，ENSCs）能分化成神經(jīng)元促進(jìn)脊髓愈合，但其分子機(jī)制沒有確切證據(jù)來充分說明。ENSCs為脊髓損傷的再生修復(fù)帶來希望。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，ENSCs存在于脊髓中央管以及其周圍。各種程度的脊髓損傷后，損傷部位的細(xì)胞表現(xiàn)出不同程度的增殖、遷移、分化等干細(xì)胞樣反應(yīng)。但是在未經(jīng)干預(yù)的狀態(tài)下，這些ENSCs遷移距離短，增殖有限，分化多見于膠質(zhì)纖維酸性蛋白（GFAP）陽性的星形膠質(zhì)細(xì)胞，而不是分化為功能性的神經(jīng)元細(xì)胞來促進(jìn)損傷的脊髓完全再生。因此，探究影響ENSCs增殖，分化的分子機(jī)制可為從分子水平上調(diào)控ENSCs以治療脊髓損傷提供理論依據(jù)與實(shí)驗(yàn)依據(jù)[38]。

2.9 內(nèi)源性信號通路

脊髓損傷后，內(nèi)源性信號通路可以調(diào)控軸突再生，最常見的就是絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）信號通路和PI3K/Akt信號通路。它們在神經(jīng)系統(tǒng)中可以促進(jìn)細(xì)胞增殖，神經(jīng)可塑性和細(xì)胞存活等[39]。

成人骨髓基質(zhì)細(xì)胞（BMSC）在脊髓損傷的神經(jīng)元中觸發(fā)內(nèi)源性存活信號通路，介導(dǎo)對凋亡損傷的保護(hù)，這種功能恢復(fù)是通過增強(qiáng)受損神經(jīng)元的營養(yǎng)支持和改善神經(jīng)元可塑性而不是由骨髓來源的干細(xì)胞替代組織來介導(dǎo)的。此外，應(yīng)激神經(jīng)元和BMSC之間的相互作用進(jìn)一步放大了觀察到的神經(jīng)保護(hù)作用，這種保護(hù)作用是由于BMSC在受損脊髓中刺激內(nèi)源性PI3K/Akt和MAPK信號通路介導(dǎo)的[40]。脊髓損傷后，內(nèi)源性PI3K/Akt和MAPK信號通路的下游靶點(diǎn)被激活，即內(nèi)皮一氧化氮合酶、糖原合酶激酶3、核因子-κB、細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶等，使神經(jīng)元在損傷后存活。因此，這些發(fā)現(xiàn)表明內(nèi)源性PI3K/Akt和MAPK信號通路在脊髓損傷中起關(guān)鍵作用，激活這兩條通路可以抑制神經(jīng)元細(xì)胞凋亡，對繼發(fā)性脊髓損傷起到保護(hù)作用[41]。

3 內(nèi)源性保護(hù)與外源性保護(hù)在脊髓損傷中的比較

內(nèi)源性和外源性雌激素可對疼痛進(jìn)行快速調(diào)節(jié)；雌激素可快速增強(qiáng)脊髓背角興奮性突觸傳遞，并對脊髓背角長時程增強(qiáng)（LTP）具有增強(qiáng)作用。內(nèi)源性和外源性褪黑激素對脊髓損傷動物模型神經(jīng)重建和功能恢復(fù)均是有益影響[42]。促進(jìn)內(nèi)外源性NTF表達(dá)，對脊髓損傷后運(yùn)動和感覺神經(jīng)功能的恢復(fù)具有積極意義。

多項(xiàng)研究指出聯(lián)合治療對于神經(jīng)功能再生與恢復(fù)是非常有效的，比如細(xì)胞移植聯(lián)合外源性神經(jīng)營養(yǎng)因子治療可以改善損傷區(qū)域的微環(huán)境[43]。在移植實(shí)驗(yàn)中，注射外源性BDNF可促進(jìn)移植細(xì)胞向神經(jīng)元樣細(xì)胞分化；而內(nèi)源性BDNF在細(xì)胞的增殖分化過程中也發(fā)揮重要作用。另外，聯(lián)合移植外源性bFGF、血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）對干細(xì)胞增殖和向神經(jīng)元方向分化具有促進(jìn)作用，細(xì)胞移植和細(xì)胞因子具有協(xié)同作用[44]。

由此可見，外源性及內(nèi)源性因素大部分情況下以協(xié)同的方式在脊髓損傷中起到保護(hù)作用。但是，脊髓損傷區(qū)域抑制性微環(huán)境是阻礙軸突再生的重要因素。雖然神經(jīng)干細(xì)胞移植取得了不錯的效果，但是外源性細(xì)胞存在倫理、細(xì)胞來源、免疫排斥、致瘤性等問題制約了臨床轉(zhuǎn)化。如何調(diào)控ENSCs已成為學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)[45]。

內(nèi)源性保護(hù)與損傷微環(huán)境狀態(tài)息息相關(guān)；外源性保護(hù)通過遺傳修飾后也顯示出了治療潛力。近年來，內(nèi)外源性神經(jīng)再生基因的相關(guān)研究，也為脊髓損傷后軸突再生的基礎(chǔ)和臨床研究提供新的研究方法。

綜上所述，內(nèi)源性因素雖然不再作為單一的修復(fù)手段，但是依然是修復(fù)的核心環(huán)節(jié)。