骨形态发生蛋白在急性脊髓损伤发病机制中的研究进展

刘 禹(综述)，余化霖，李经辉(审校)

(昆明医科大学第一附属医院神经外二科，昆明 650500)

急性脊髓损伤是一种极其严重的神经系统创伤，虽然临床工作者竭尽全力地抢救治疗，降低了病死率，但神经损伤后的功能恢复仍不能令人满意，脊髓损伤包括原发性损伤和继发性损伤。继发性损伤指脊髓受损后，损伤局部水肿、炎性反应、局部缺血、缺氧等血管、电解质、生化的改变，以及能量代谢的紊乱对脊髓在原发性损伤后产生的毒害作用。了解继发性脊髓损伤的分子机制，对于脊髓损伤的治疗具有重要意义。骨形态发生蛋白(bone morphogenetic proteins，BMPs)于1965年由Urist[1]在脱钙骨基质的成骨研究中发现，是一种低分子量的糖蛋白。在动物的生长发育过程中，BMPs及其受体几乎遍布动物机体的各个脏器，具有诱导细胞分化、增殖等各种功能[2]，与中枢神经系统的发生、发展也有密切的关系[3]。较多的动物实验研究证明[4]，BMPs信号系统可能促进炎性反应，抑制神经轴突再生而导致神经功能异常。

1 BMPs信号转导通路

成熟的BMPs通过联系BMP受体(bone morphogenetic protein receptor，BMPR)的旁分泌与自分泌发挥作用。BMPs是一种二聚化合物，而BMPR是一种四聚化合物，由Ⅰ型与Ⅱ型丝氨酸/苏氨酸亚单元激酶受体组成[5]。当受体镶嵌在细胞膜上时，BMPs与其中一个受体亚单元发生联系，与另一个受体结合成复合物，每一种BMPs与固定的受体相结合。如BMP2和BMP4优先于Ⅰ型受体(BMPRⅠa/Alk3和BMPRⅠb/Alk6)和Ⅱ型受体(BMPRⅡ)。BMPRⅡ是一种持续活性激酶，与配体结合后通过转磷酸作用同时激活Ⅰ型受体。Ⅰ型受体使细胞内的靶点磷酸化后调节它们下游的因子。三种BMPR(BMPRⅠa、BMPRⅠb、BMPRⅡ)并不是同时表达，而是随着其发展不断变化。BMPRⅠa与BMPRⅠb尽管结构相似，但是在哺乳类动物的神经系统中有不同的表型。在原胚层形成以后，BMPRⅠa在神经管增殖区域表达，而BMPRⅠb直到胚胎期第9日才在神经管的背角中发现[6]。在胚胎的形成过程中，BMPRⅡ表达被限制在中枢神经系统增殖区域内[7]。而这三种受体也能够在成人中表达，与其他两种相比，BMPRⅠa表达更强。不同受体的表达形式代表着各自的功能，BMPRⅠa信号保持前体细胞的增殖与BMPRⅠb的表达。BMPRⅠb信号通过分化与凋亡阻滞有丝分裂的正常运行[8]。在胚胎后期与出生后，BMPs信号通路促使星形胶质细胞(astrocytes，AS)的分化[9]。同样，睫状神经营养因子-白血病抑制因子的细胞家族促使AS分化，它们是通过信号转导与转录活化(Janus kinase-signal transducer and activator of transcription,JAK-STAT)信号通路实施的[10]。JAK-STAT3与BMPs-Smad信号通路通过STAT3-p300/CREB结合蛋白-Smad1复合物激活胶质纤维酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein,GFAP)因子，促使星型胶质细胞的分化[11]。p300和CREB结合蛋白可使多元转换因子之间相互作用，提高目标基因的表达。白血病抑制因子和BMPs信号产生不同类型的AS，白血病抑制因子信号能促使GFAP与AS前体细胞的生成，而BMPs信号促使GFAP与AS的成熟，但是BMPs调节星型胶质细胞生长的程度没有统一认识。Parr等[12]研究发现，BMP2可通过广泛表达于神经干细胞(neuralstemcell，NSCs)胞膜上及胞质中的BMPR实现对神经发育后期NSCs分化的多元性调控，从而导致内源性残留的NSCs向AS方向分化，进而形成胶质瘢痕，抑制神经再生。

2 AS与胶质瘢痕

AS是哺乳动物中枢神经系统内分布最广泛的一类细胞，也是胶质细胞中体积最大的一种。用经典的金属浸镀技术(银染色)显示此类胶质细胞呈星形，从胞体发出许多长而分支的突起，伸展充填在神经细胞的胞体及其突起之间，发挥支持和分隔神经细胞的作用，胶质瘢痕形成的基础正是AS的活化。目前胶质瘢痕对轴突再生的抑制作用已毋庸置疑，人们对AS活化后形成胶质瘢痕并抑制轴突生长这一认识已有较长的历史。急性脊髓损伤发生后，损伤区周围的细胞肥大、增生，不少学者报道早期激活增生的AS中神经营养因子表达增高，这对神经损伤后早期的神经保护起到了积极作用，而损伤后期增生的胶质细胞相互融合，最终形成胶质瘢痕[13]。Sofroniew[14]研究报道，促进AS活化的一系列生物分子包括神经递质、细胞因子、代谢产物等。而AS在脊髓损伤以后会分泌有害因子，形成化学性胶质屏障，影响神经再生，阻碍轴突延长[13]。存在于脊髓损伤内及周围的AS可抑制轴突生长的蛋白聚糖表达，并且在瘢痕组织的形成中起主要作用[15]。胶质细胞过度增生和胶质瘢痕形成，会再次导致机械性障碍，影响轴突的再生与修复[16]。而对于胶质瘢痕本身来说又可以形成微血管套，微血管受压，影响局部的血液供应[17]。最后的反应性AS产生的一氧化氮，通过对大分子特别是DNA的修饰产生毒性作用，最终可导致神经元发生迟发性坏死[18]。

3 BMPs在AS及胶质瘢痕中的表达

3.1BMPs在脊髓损伤前后的分布 Setoguchi等[19]的研究证实，正常情况下成年哺乳动物中枢神经系统中的BMP2呈散在性低水平表达，但其表达在脊髓损伤后显著上调。马敏杰等[20]在研究大鼠脊髓免疫组织化学结果中提示，假手术组大鼠脊髓组织内均有BMP2低水平散在表达；脊髓损伤各组脊髓组织中BMP2阳性细胞数均显著增高，且以损伤后1 d时增高最为显著，随着时间延长其表达逐渐降低,但仍高于假手术组。进一步证实了Setoguchi等[19]的研究结果。而张萌等[21]的研究再次发现，脊髓损伤后活化的AS表达的BMP7显著增多，增多的BMP7作用于神经系统中的前体细胞，使其向AS的方向分化，由于AS的大量增殖，促进了反应性胶质炎及胶质瘢痕的形成。BMP7的促进神经祖细胞向AS的分化，抑制了其向神经元细胞和少突胶质细胞的分化，抑制了神经系统的修复和功能重建。

3.2BMPs在AS中的表达规律 脊髓损伤后BMPRⅠa在AS中表达，正常脊髓组织中，仅有少数AS表达BMPRⅠa，且表达较低，脊髓损伤后1～3 d，BMPRⅠa在AS表达显著增加，但仍维持在较低水平，但损伤后第7日，表达显著增强，强表达持续至损伤后30 d，此后至损伤后60 d下降[22]。脊髓损伤后能诱导BMPRⅠa在AS中强烈表达。这一发现也为进一步研究BMPs信号的发生、发展机制提供了基础。大鼠脊髓损伤模型中，BMP2促使局部神经细胞信号的改变，增加胶质瘢痕的形成，影响局部形态学改变与功能恢复[23]。而Parikh等[24]研究表明，BMPs的下游因子pSmad-1能调控和支配背根神经节轴突的生长,下调这种信号通路能降低神经轴突的生长潜力，在成年的背角神经元中激活pSmad-1能促使感觉神经元的再生。也有研究发现，大幅上调的BMP2可通过调控BMPs信号通路诱导内源性NSCs分化为AS，而AS促进了胶质瘢痕形成，进而抑制神经再生。Sahni 等[25]研究发现，在脊髓损伤急性期，BMPR Ⅰa和BMPR Ⅰb可抑制AS反应性肥大，而在后期通过剔除BMPR Ⅰb基因小鼠中胶质瘢痕显著减弱。

这些研究均表明，BMPs能促使AS的增生、抑制神经再生并阻止神经功能的恢复。因此，研究BMPR在正常脊髓中的表达，以及脊髓损伤后BMPR的表达改变，进一步阐明BMPs细胞信号在脊髓损伤与修复中的功能作用有重要意义。

4 抑制BMPs对胶质瘢痕的影响

Noggin蛋白最早是由Smith等[26]于1992年从非洲爪蟾的胚胎中分离得到的，由于将其mRNA注射入爪蟾的胚胎，可使头部明显增大因而命名“头蛋白”。Noggin的神经诱导功能主要与其对BMPs的抑制作用有关，Noggin蛋白能直接与BMPs结合,抑制BMPs功能[27]。对于AS的活化及胶质瘢痕的形成有着极为密切的关系。Noggin的神经诱导功能与拮抗BMP4和BMP2的作用相关，Noggin与BMP2/BMP4的作用存在相应的结合位点，由于Noggin阻滞BMP2/BMP4与其相应的受体结合，抑制BMPR信号体内通路，诱导神经组织的形成。体外研究发现，Noggin能够诱导从胚胎干细胞获得的神经管样结构向前脑分化[28]。Hampton等[29]研究发现，特异性抑制因子Noggin可以竞争性地与BMPRⅠ、BMPRⅡ结合从而抑制BMPs转导通路、阻断BMP2诱导内源性NSCs分化为AS。孙弦等[30]在构建了Noggin基因的真核表达载体中，分离培养骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)，通过脂质体转染Noggin基因进入BMSCs内转录表达,诱导BMSCs分化为神经元样细胞。免疫细胞化学技术检测结果发现诱导后细胞中均出现神经元特异性烯醇化酶、微管相关蛋白2等表达，诱导后细胞中GFAP阴性表达，说明诱导后细胞具有成熟神经细胞的特征，并不具备神经胶质细胞特点；而反转录聚合酶链反应结果提示分化细胞表达神经细胞功能基因神经细胞黏附分子、生长相关蛋白43、突触素1，但GFAP阙如进一步提示Noggin有诱导BMSCs分化神经元样细胞的功能。因此，通过某种途径抑制BMPs信号可以发挥神经诱导的作用，进而减少胶质瘢痕的形成，也为神经功能恢复提供了物质基础。最近研究发现，在脊髓损伤区周围的少突胶质细胞和AS的BMP2/4表达增加，而鞘内注射BMPs拮抗剂Noggin却可增加自发活动并出现显著的皮质脊髓束再生，提示BMP2、BMP4可抑制中枢神经系统损伤后轴突再生，同时也提示Noggin在脊髓损伤后具有重要的促进神经再生作用[3]。

5 结 语

脊髓损伤病理生理机制非常复杂,随着近年来研究的不断深入，人们对其发病机制认识得越来越明确，胶质瘢痕的形成对中枢神经系统损伤后神经结构和功能的重建起到了严重的阻碍作用。BMPs信号通路在其中的作用受到重视，针对BMPs的抑制性治疗可以达到减少胶质瘢痕形成的目的。抑制胶质瘢痕形成是促进神经再生的关键，然而抑制胶质瘢痕产生是否一定能促进轴突生长将是今后研究的目标。

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