脑缺血后运动疗法的神经再生与血管再生机制

翟志永，冯娟

神经元在传统意义上被看作哺乳动物中枢神经系统最重要的细胞，因为它是神经传导的基本单位，神经元的死亡或功能障碍都会引起脑功能的缺失[1]。因此，神经保护在逻辑上成为治疗的目的。然而，目前几乎所有卒中后神经保护3期临床试验没有证实对患者有益，提示单纯拯救神经元是不够的[2]。近年来提出的“神经血管单元（neurovascular unit，NVU）”的概念强调神经与血管之间的相互作用，突出血管再生在神经修复中的重要作用[3-4]。

1 神经再生与血管再生

成年人中枢神经系统中存在两个神经再生功能的脑区[5]：室管膜下（subvenricular zone，SVZ）和海马齿状回的颗粒下层（subgramilar zone，SGZ）。Arvidsson等[6]研究发现，缺血性卒中能刺激SVZ和SGZ的神经细胞再生。这些成神经细胞不断生成直到卒中后4个月，它们可以发育成成熟的神经元并通过释放神经营养激素和其他因子来维持神经元存活[7]。

成年脑血管系统在正常条件下是稳定的，在病理情况下（如卒中）可以反应性激活重构[8]。成年血管重构包括由成熟内皮细胞产生的血管再生（从已有血管生长出毛细血管）和由内皮祖细胞（endothelial progenitor cells，EPCs）生成血管的血管新生。血管再生主要通过以下途径发挥作用：首先，生长因子的表达可提高半暗带区内皮细胞、胶质细胞和神经元的存活[9-10]；其次，新血管形成有助于清除坏死组织[11]；另外，这种促血管生成状态创建了“血管龛”结构，血管龛有助于神经干细胞产生和迁移[12]。

近年来对神经元、胶质细胞和血管内皮细胞、周细胞等组成的复合体——NVU[13]成为卒中后病理生理、药物治疗等方面的研究热点。NVU中神经元、胶质细胞和血管内皮细胞之间通过细胞-细胞间信号、神经血管偶联等机制，共同调节神经递质的动态平衡，维护血-脑屏障的稳定。脑缺血损伤修复阶段，NVU中多种细胞之间又通过偶联、串话（crosstalk）等方式共同参与神经血管的重塑[14]。在NVU中，新生的不成熟的神经干/祖细胞与重构的血管密切关联，新生血管促进神经修复过程（神经再生和突触发生），进而促进神经功能的恢复[15-16]。而神经再生也可能促进血管再生[17]。

2 运动疗法的作用机制

运动疗法是以中枢神经系统可塑性为基础发展起来的一种康复治疗技术，是指利用器械、徒手或患者自身力量，通过某些运动方式（主动或被动运动等），使患者获得全身或局部运动功能、感觉功能恢复的训练方法[18]。血管再生在运动疗法中的作用越来越重要。2.1 运动疗法与脑的可塑性和功能重组 Nudo等[19]使用皮质内微电极刺激的方法在成年松鼠猴体内研究了脑损伤后皮质重组的情况，结果显示，松鼠猴患侧前肢训练后可促进明显的皮质功能重组，特别是缺血区周围的皮质功能重组。Traversa等[20]应用局部经颅磁刺激图探讨了慢性卒中患者在强制性运动治疗后脑的可塑性改变，发现治疗后运动阈值无变化，但运动诱发电位（motor evoked potential，MEP）波幅明显增高，皮质运动输出区扩大，兴奋区重心转移，提示手皮质运动区的兴奋性升高和邻近中枢的再募集，这和瘫痪肢体运动功能的提高一致。Kim等[21]采用功能磁共振成像（functional magenetic resonance imaging，fMRI）研究5例慢性卒中患者接受强制性运动疗法（constraint induced movement therapy，CIMT）治疗前后运动网络的激活情况，所有患者治疗后上肢功能都得到了显著改善，3例患者治疗后在损伤对侧大脑半球主要运动区有激活现象，另外2例患者损伤同侧的皮层运动区和辅助运动区激活增加。Levy等[22]利用fMRI观察到，2例患者治疗前仅在病变侧半球出现散在的激活点；CIMT治疗后，病变边缘可见大量激活区，而且在病变同侧感觉运动区、补充运动区、运动前区，甚至病变对侧半球都可见到广泛的激活。这些研究提示CIMT能明显促进脑损伤后的功能重组和神经再生。运动无论对于功能性的可塑性还是结构上的可塑性都是非常重要的。

从细胞分子水平探讨运动疗法对脑缺血后神经再生相关机制的研究较少。有研究发现，脑缺血后的为期3周的CIMT可使大鼠脑内基质细胞衍生因子-1（stromal cell derived factor 1，SDF-1）蛋白的表达明显上调[23]。离体实验证实SDF-1能够通过抑制Rho激酶活性来促进神经元轴突延伸[24]。胶质细胞生成的神经轴突生长抑制剂A（neurite outgrowth inhibitor-A, Nogo-A）、髓鞘相关蛋白、少突胶质细胞髓鞘糖蛋白等均能抑制受损神经元轴突的再生。上述各种物质在与Nogo受体结合后激活Rho激酶而发挥其抑制作用[25-26]。注射Nogo信号下游分子Rho激酶的小分子抑制因子Y27632于脊髓损伤部位可导致类似于Nogo或其受体失活时观察到的促再生效应[27]。Zhao等[28-29]发现CIMT显著降低梗死周围皮质Nogo-A及RhoA的表达。

2.2 运动疗法与血管再生 运动维持和改善脑血流灌注的方式包括侧支循环的建立和微血管再生。越来越多的证据表明，运动锻炼可能对脑血管病、血管性痴呆起到预防作用[30-31]。脑缺血前运动可通过很多机制诱导脑对缺血的耐受，包括上调血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）、刺激血管和神经再生等机制[32]。侧支动脉向外生长所致的“动脉生成”也参与到运动所致的血管生成过程。

动物实验表明运动能促进大鼠齿状回的神经和血管再生[33]。Pereira等[34]应用MRI显示运动也能增加成人齿状回的脑血容量，而皮质脑血容量的增加与缺血后血管再生有相关性[35]。规范的运动锻炼可影响NVU中神经和血管再生间的复杂作用，能增强脑神经血管网络的功能。有研究发现[36]，运动疗法能减小大脑中动脉闭塞大鼠脑缺血后的梗死体积，降低其神经功能缺损程度，减轻脑损伤。并且，这与内皮型一氧化氮合酶（endothelial nitric oxide

synthase，eNOS）表达增加、一氧化氮依赖的血管舒张及局部脑血流量增加有关。大鼠卒中后运动能促进血管再生和改善长期的神经功能预后，而且抑制内皮的NOS或血管生成效应会消除运动锻炼对神经修复的有益作用[37]。运动疗法还能通过降低大鼠细胞间黏附分子1（intercellular adhesion molecule 1，ICAM-1）的表达导致脑源性神经营养因子（brainderived neurotrophic factor，BDNF）过表达来抑制炎症损伤[38]。还有研究表明，大鼠在急性脑缺血之前的自发运动锻炼可增加VEGF水平，后者可激活eNOS。短期的运动锻炼即能增加人血液循环中EPCs的数量[39]，大鼠4周的锻炼就可导致持久的循环EPCs增加[40]。Gertz等[37]通过大鼠大脑中动脉缺血再灌注模型发现运动能促进循环中的EPCs进入缺血区，通过血管再生和血管舒张来增加微血管的密度和脑血流量，改善长期的预后。运动训练还能促进有缺血症状的患者循环中趋化性细胞因子受体4（chemotaxis cytokines receptors 4，CXCR4）的表达，后者可促进和提高EPCs进入内皮网络[41]。

目前大量研究表明，EPCs、VEGF、BDNF等的表达可能会从细胞分子水平阐明脑缺血后血管再生的相关机制。脑缺血损伤是解剖结构上的，而其功能恢复却可通过运动锻炼重新获得。因此，现代神经发育理论已不再将注意力集中在损伤的部位和丧失的功能上，而是强调什么功能尚保留，什么功能可通过训练重新获得。运动疗法不受窄的时间窗的限制，能使更多患者获益。运动疗法通过刺激卒中后修复机制可以促进内源性神经干细胞的激活、血管再生、神经轴突的再生，有可能达到治疗缺血性脑损伤的目的，但各种细胞因子之间具体的诱导过程，以及还有哪些神经递质和神经传导途径参与神经功能恢复，还有待进一步研究。

1 于频. 系统解剖学[M]. 4版. 北京:人民卫生出版社,1999:264.

2 Ginsberg MD. Neuroprotection for ischemic stroke: past, present and future[J].Neuropharmacology, 2008, 55:363-389.

3 陈萍, 陈立云, 王拥军. 缺血性卒中的神经血管单元保护研究进展[J]. 中国卒中杂志, 2007, 2:1003-1008.

4 Navarro-Sobrino M, Rosell A, Hernandez-Guillamon M, et al. A large screening of angiogenesis biomarkers and their association with neurological outcome after ischemic stroke[J]. Atherosclerosis, 2011, 216:205-211.

5 Hagg T. From neurotransmitters to neurotrophic factors to neurogenesis[J]. Neuroscientist,2009, 15:20-27.

6 Arvidsson A, Collin T, Kirik D, et al.Neuronal replacement from endogenous precursors in the adult brain after stroke[J].Nat Med, 2002, 8:963-970.

7 Thored P, Arvidsson A, Cacci E, et al.Persistent production of neurons from adult brain stem cells during recovery after stroke[J]. Stem Cells, 2006, 24:739-747.

8 Greenberg DA, Jin K. From angiogenesis to neuropathology[J]. Nature, 2005, 438:954-959.

9 Ding J, Cheng Y, Gao S, et al. Effects of nerve growth factor and noggin-modified bone marrow stromal cells on stroke in rats[J]. J Neurosci Res, 2011, 89:222-230.

10 Jiang WL, Zhang SP, Zhu HB, et al. Effect of 8-o-acetyl shanzhiside methylester increases angiogenesis and improves functional recovery after stroke[J]. Basic Clin Pharmacol Toxicol,2011, 108:21-27.

11 Manoonkitiwongsa PS, Jackson-Friedman C, McMillan PJ, et al. Angiogenesis after stroke is correlated with increased numbers of macrophages:The clean-up hypothesis[J]. J Cereb Blood Flow Metab, 2001, 21:1223-1231.

12 Petraglia AL, Marky AH, Walker C, et al.Activated protein C is neuroprotective and mediates new blood vessel formation and neurogenesis after controlled cortical impact[J]. Neurosurgery, 2010, 66:165-171.

13 Stroke Progress Review Group of National Institute of Neurological Disorders and Stroke.Report of the Stroke Progress Review Group of 2002[EB/OL]. http://www.ninds.nih.gov/about_ninds/groups.[2002-04-14](2014-03-20).

14 Palmer TD, Willhoite AR, Gage FH. Vascular niche for adult hippocampal neurogenesis[J]. J Comp Neurol, 2000, 425:479-494.

15 Beck H, Plate KH. Angiogenesis after cerebral ischemia[J]. Acta Neuropathol, 2009, 117:481-496.

16 Li Y, Chopp M. Marrow stromal cell transplantation in stroke and traumatic brain injury[J]. Neurosci Lett, 2009, 456:120-123.

17 Taguchi A, Soma T, Tanaka H, et al.Administration of CD34+cells after stroke enhances neurogenesis via angiogenesis in a mouse model[J]. J Clin Invest, 2004, 114:330-338.

18 中村隆一. 脑卒中康复[M]. 朱裕祥, 译. 上海:华东师范大学出版社, 1994:89.

19 Nudo RJ, Wise BM, Sifuentes F, et al.Neursubsratees for the effects of rehabilitative training on motor recover following ischemic infarct[J]. Science, 1996, 272:1791-1794.

20 Traversa R, Cicinelli P, Bassi A, et al. Mapping of motor cortical reorganization after stroke:a brain stimulation study with focal magnetic pulses[J]. Stroke, 1997, 28:110-117.

21 Kim YH, Park JW, Ko MH, et al. Plastic changes of motor network after constraint-induced movement therapy[J]. Yonsei Med J, 2004, 45:241-246.

22 Levy CE, Nichols DS, Schmalbrok PM, et al. Functional MRI evidence of cortical reorganizition in upper-limb stroke hemiplegia treated with constraint-induced movement therapy[J]. Am J Phys Med Rehabit, 2001, 80:4-12.

23 赵传胜, 戚其学, 赵珊珊, 等. 脑缺血后强制性运动疗法对内源性神经干细胞及基质细胞衍生因子-1水平的影响[J]. 中国血液流变学杂志, 2007, 17:521-524.

24 Chalasani SH, Sabelko KA, Sunshine MJ, et al. A chemokine, SDF-1, reduces the effectiveness of multiple axonal repellents and is required for normal axon pathfinding[J]. J Neurosci, 2003,23:1360-1371.

25 Schwab ME. Nogo and axon regeneration[J]. Curr Opin Neurobiol, 2004, 14:118-124.

26 He Z, Koprivica V. The nogo signaling pathway for regeneration block[J]. Annu Rev Neurosci,2004, 27:341-368.

27 Fournier AE, Takizawa BT, Strittmatter SM. Rho kinase inhibition enhances axonal regeneration in the injured CNS[J]. J Neurosci, 2003, 23:1416-1423.

28 Zhao S, Zhao M, Xiao T, et al. Constraintinduced movement therapy overcomes the intrinsic axonal growth-inhibitory signals in stroke rats[J]. Stroke, 2013, 44:1698-1705.

29 翟志永, 聂莹雪, 赵传胜, 等. 强制性运动疗法对大鼠脑缺血再灌注后神经修复及Rho激酶表达的影响[J].中国医科大学学报, 2008, 37:295-298.

30 Rolland Y, van Kan GA, Vellas B. Healthy brain aging:role of exercise and physical activity[J].Clin Geriatr Med, 2010, 26:75-87.

31 Leung FP, Yung LM, Laher I, et al. Exercise,vascular wall and cardiovascular diseases:an update. Part 1[J]. Sports Med, 2008, 38:1009-1024.

32 Zhang F, Wu Y, Jia J. Exercise preconditioning and brain ischemic tolerance[J]. Neuroscience,2011, 177:170-176.

33 Vander Borght K, Kóbor-Nyakas DE, Klauke K, et al. Physical exercise leads to rapid adaptations in hippocampal vasculature:temporal dynamics and relationship to cell proliferation and neurogenesis[J]. Hippocampus, 2009, 19:928-936.

34 Pereira AC, Huddleston DE, Brickman AM, et al. An in vivo correlate of exercise-induced neurogenesis in the adult dentate gyrus[J].Proc Natl Acad Sci USA, 2007, 104:5638-5643.

35 Seevinck PR, Deddens LH, Dijkhuizen RM. Magnetic resonance imaging of brain angiogenesis after stroke[J]. Angiogenesis,2010, 13:101-111.

36 Endres M, Gertz K, Lindauer U, et al.Mechanisms of stroke protection by physical activity[J]. Ann Neurol, 2003, 54:582-590.

37 Gertz K, Priller J, Kronenberg G, et al.Physical activity improves long-term stroke outcome via endothelial nitric oxide synthasedependent augmentation of neovascularization and cerebral blood flow[J]. Circ Res, 2006,99:1132-1140.

38 Ding YH, Young CN, Luan X, et al. Exercise preconditioning ameliorates inflammatory injury in ischemic rats during reperfusion[J]. Acta Neuropathol, 2005, 109:237-246.

39 Rehman J, Li J, Parvathaneni L, et al. Exercise acutely increases circulating endothelial progenitor cells and monocyte/macrophagederived angiogenic cells[J]. J Am Coll Cardiol,2004, 43:2314-2318.

40 Laufs U, Werner N, Link A, et al. Physical training increases endothelial progenitor cells,inhibits neointima formation, and enhances angiogenesis[J]. Circulation, 2004, 109:220-226.

41 Sandri M, Adams V, Gielen S, et al. Effects of exercise and ischemia on mobilization and functional activation of blood-derived progenitor cells in patients with ischemic syndromes:results of 3 randomized studies[J].Circulation, 2005, 111:3391-3399.