局灶性脑缺血再灌注后神经发生及药物对其作用的研究进展

相婕,许栋明,王文,云彩麟,张丽,艾厚喜,李林

长期以来,普遍认为成年脑内的神经元缺乏再生能力,变性导致的神经细胞丢失是永久性的,神经功能的损伤不可逆转。20世纪60年代初,A1tman[1]首次观察到成年脑内神经发生现象。90年代初,Reynolds等从成年小鼠脑纹状体分离出能在体外不断分裂增殖、具有多种分化潜能的细胞群,提出神经干细胞(neural stem cells,NSCs)的概念。Mckay进一步证实,NSCs具有分化为神经元、星形胶质细胞、少突胶质细胞的能力,能自我更新并通过增殖得以提供大量脑组织的细胞[2]。近年来,无数证据都显示,中枢神经系统是一个有活力的、可塑性的系统。本文就神经发生的机制和影响因素及缺血后神经发生对神经功能的恢复及近几年的发展进行综述。

1 神经发生的机制

神经发生是指NSCs或神经先祖细胞在诱导因素下产生的新神经元。成年人脑区的神经发生具有个体成长的功能和治疗的意义。NSCs是指存在于神经系统中能够分化成神经元、星形胶质细胞、少突胶质细胞的特定神经前体细胞。干细胞具有两种潜能,即自我更新(self renewal)和多方向分化(multi directional differentiation),能分化成神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞。正常情况下,成年哺乳动物脑内NSCs处于静息状态,在一定的信号刺激下(脑缺血缺氧损伤、氧化应激损伤、运动、脑组织的机械损伤、癫痫发作等),脑内和损伤部位的NSCs数量开始增加[3]。在中枢神经系统的发育过程中,神经发生可分成3个阶段:①增殖:即新的细胞产生出来;②向目标区域迁移;③最终分化成为特定表型。卒中后神经发生一般都是在脑缺血后1周左右开始的,其常见部位有脑室下区(SVZ)、齿状回颗粒下区(SGZ)、大脑皮层、室管膜、室管膜下和脉络丛细胞等区域。局灶性脑缺血不仅可以使同侧NSCs增殖分化,而且对对侧NSCs也有作用。

2 神经发生的影响因素

对中枢神经系统(CNS)发育过程的研究显示,NSCs的增殖、迁移和分化是其内在特性和外在环境因素,如生长因子、细胞外基质、细胞与细胞之间协同作用的结果,而脑缺血后神经发生可能存在与神经系统发育过程相似的分子机制[4-6]。但相对于周围神经系统,成年CNS神经发生之所以更为困难,不仅仅是由于神经生长因子等的缺乏,还因为NSCs微环境中存在着神经发生的抑制因素,主要包括神经生长抑制因子的直接抑制作用、缺血损伤后期胶质瘢痕的机械屏障作用。

2.1 环境因素 环境刺激是成年大鼠神经发生的首要调节因素,与糖皮质激素的分泌及谷氨酸能作用有关。优良环境[7-10]可促使成年、老年大鼠和幼年小鼠海马齿状回(DG)神经发生,增加新生细胞颗粒的存活数量和神经元总数,可能与祖细胞的分化及细胞凋亡诱导祖细胞发生等有关。

2.2 遗传因素 不同基因型小鼠DG新生细胞的繁殖存活和分化能力有明显的差别,Kempermann等比较几个品系发现,C57BL/6小鼠前体细胞的增生能力最强,CD1小鼠新生细胞的存活率最高,但129/SvJ型小鼠新生细胞分化为神经元的能力明显低于其他品系[11]。

2.3 年龄 海马的神经发生在整个成年期均得到证实,但随着年龄的增加而下降。Yagita等报道,脑缺血后,尽管年轻和老年大鼠的SGZ均发生NSCs增殖,但老龄大鼠的增殖细胞数量迅速减少,只有年轻大鼠的 NSCs向神经元和星形细胞分化[12]。Chen等对 3、6、10、12、18月龄的大鼠造成大脑中动脉栓塞(MCAO)模型,分别观察其神经发生,结果18月龄的大鼠比3月龄的大鼠神经发生的增殖细胞数明显降低[13],这说明老龄化将使脑组织逐渐丧失支持神经发生细胞生存的环境,使脑组织支持神经祖细胞增生和分化的能力下降,从而阻碍神经发生。

2.4 神经递质和受体 兴奋性神经递质谷氨酸和天冬氨酸可与NMDA受体结合产生兴奋性突触后电位,抑制性递质γ氨基丁酸(GABA)可与GABA受体结合产生抑制性突触后电位,从而直接影响神经元的活动。脑梗死后,由于NMDA介导的兴奋作用增强和GABA介导的抑制作用减弱,引起兴奋性和抑制性突触功能不平衡。一方面,这有利于加强神经元之间的联系,促进皮质功能的重建;另一方面,高兴奋性又可能使脑组织对局部理化环境的变动更为敏感,更易于损伤。其他神经调节系统释放的递质,如蓝斑(去甲肾上腺素)、基底核(乙酰胆碱)、中脑外侧脚盖(多巴胺)、中缝核(5-羟色胺)及氮氧化物对脑皮质突触功能的动态调节可能也起作用。许多内源性和外源性物质,如雌二醇、脑源性神经营养因子(BDNF)、地西泮等能够有效地调节GABA能中间神经元,引起树突棘密度的改变,改善记忆和运动功能。另外,近年来发现,雌激素[14]和睾酮[15]减少脑梗死体积及促进神经发生的作用。

2.5 炎症与凋亡 阿司匹林[16]可以减少脑缺血后NSCs的增殖。凋亡[17]也可能在神经发生中发挥作用。Ekdahl等发现,Caspase通路的抑制剂可降低海马齿状核凋亡的发生,同时可以增加该区增殖细胞的数量[18]。

2.6 基因调节 目前已经发现有几条重要信号通路调控CNS的发生、发育、分化、成熟,如 Notch信号通路、PI3K/Akt信号通路、bHLH基因家族、POU同源盒基因家族等。脑缺血后可引起一系列基因的表达和激活,如热休克蛋白、原癌基因c-fos基因家族、凋亡相关基因 Bcl-2、β-NGF及其受体 trkA2和p75NGFR等。另外,Wnt通路是细胞增殖分化的关键调控环节,在胚胎发育和肿瘤发生中起着重要作用,Wnt途径参与基因表达调节、细胞迁移黏附、细胞极化等过程,同时还与其他信号通路存在交叉协同。Wnt/β-catenin通路在进化过程中高度保守,此通路的主要分子构成及相关调控机制已得到基本阐明。对神经系统而言,已有足够证据显示此通路参与对神经前体细胞增殖、分化以及决定细胞命运的调控。近年更有研究显示,Wnt/β-catenin途径对神经系统的发育包括皮层模式建立,突触形成等也是至关重要的[19]。

2.7 内源性神经因子:脑缺血后神经发生的研究结果表明,许多因子影响NSCs/祖细胞的增殖、迁移和分化,促进增殖的因子有碱性成纤维细胞生长因子(basic fibroblastgrowth factor,bFGF)、表皮生长因子(epider mal growth factor,EGF)、转化生长因子(TGF)、胰岛素样生长因子(IGF)-1、血小板源生长因子(PDGF)、睫状神经营养因子(CNTF)、胶质细胞源性神经营养因子(GDNF)、神经白细胞素等;抑制增殖的因子有勿动蛋白(NOGO)等;诱向因子有 BDNF 、NT 4/5、Slits、崩溃蛋白(collapsin)等。侧脑室灌注EGF和bFGF能扩增室下区的细胞群,增加到达嗅球的神经元数量,且EGF能增加星形细胞的分化;侧脑室内注射重组 BDNF腺病毒能诱导成年动物前脑内的NSCs分化成新纹状体和嗅球内的神经元[20]。Sun等在大鼠缺血模型中发现给予bFGF的大鼠于SVZ区有显著的神经细胞的增殖和分化[21]。

3 药物促神经发生

目前,缺血性脑损伤治疗主要有:细胞治疗、激活内源性神经因子与基因调节、减少炎症与凋亡。

3.1 细胞治疗 脑缺血的细胞治疗是将外源性NSCs移植到病变脑组织,取代功能障碍的神经元和胶质细胞从而发挥治疗作用。Takahashi等成功地将NPCs移植到MCAO大鼠中,并观察到其神经发生作用[22]。

3.2 激活内源性神经因子与基因治疗 细胞因子在NSCs发育过程中的作用越来越受到重视,其中,bFGF和EGF的作用尤为重要。Wada等脑池内注入bFGF,可使脑缺血大鼠双侧DG区BrdU(+)细胞数峰值较对照组明显增加,大多数增殖细胞在21 d时表达NeuN[23]。Teramoto等将EGF持续泵入脑缺血小鼠侧脑室(0.5 μ l/h),连续7 d,发现与未注入 EGF组相比,缺血区BrdU(+)细胞数显著增加,且其作用具有剂量依赖性[24]。

3.3 减少炎症与凋亡 脑缺血损伤过程中导致细胞凋亡的基本机制至少有3个:兴奋性毒性、离子失衡、氧化硝基化应激和凋亡样细胞死亡。激活NM DA受体可减少正常动物脑内DG的神经元再生,而给予受体拮抗剂可促进DG干细胞的增殖。Arvidsson等发现,NMDA受体拮抗剂MK-801可以完全阻断缺血2 h引起干细胞增殖,认为这可能是因为抑制了某些生长因子[26]。MK-801不仅对脑缺血后NSCs的增殖产生影响,还能抑制海马CA3区突触素-1的表达,阻断新的突触形成,从而抑制新生细胞分化成熟。

另外,中药对神经发生的影响也受到越来越多人重视。例如,周永红等研究了中药复健片对大脑缺血后巢蛋白的影响,认为巢蛋白是神经发生的重要的标记物,其阳性细胞表明有神经发生现象,实验结果表明中药复健片对局部缺血脑有促进神经发生的作用[27]。目前,对于中药中提取单体的研究也有很多,如人参皂甙Rg1(ginsenoside Rg1)是人参(Panaxginseng C.A.Meyer)的一种活性成分,具有一定的营养神经及抗衰老作用,崔荣太等就人参皂甙 Rg1是否具有神经保护作用进行探讨,认为其对局灶性缺血的大鼠有神经发生促进作用[28]。这就为新的神经保护药的开发提供新的思路。但是,中药存在多靶点的特点,仍需进一步研究确认其促神经发生作用。

4 展望

脑血管疾病严重影响人类身体健康,目前临床治疗手段众多,但是真正疗效确切的治疗措施非常缺乏。成年动物神经发生给脑缺血疾病提供了极具希望的治疗策略,并且已经越来越受到关注。目前研究的主要内容包括移植外源性的NSCs以及体内自身内源性NSCs及神经发生相关因子的激活。这些新的神经元可能通过与宿主脑的神经回路整合,接受神经传入,表达神经递质和对靶区的投射;也可以通过分泌神经递质和生长因子促进原有神经细胞的生存。对于NSCs移植已有大量的研究,但是由于如上所述的诸多原因,到目前为止这些研究成果的应用仍然困难重重;相比较而言,近几年出现的促进机体自身神经发生具有更大的可控性,并且给机体带来的可以预见的不良反应明显减少,这也是人们对成年个体神经发生研究的意义所在,大家已经很高兴地看到,生长因子(如VEGF)通过促进神经发生对脑缺血的治疗有了非常肯定的效果,其他化合物的研究也在不断展开。药物促进神经发生的机制主要在于激活内源性神经生长因子,抑制凋亡基因,抑制炎症的发生等。但是同时我们也看到,成年个体神经发生的确切生理功能有待进一步研究,缺血以后出现的神经发生现象与脑功能恢复之间的关系并不非常明确,缺血以后的神经发生与相伴随的血管生成之间的联系也有待深入研究,相信这些问题的解决会给脑缺血疾病的治疗带来更大的契机。

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