硫酸软骨素蛋白多糖对神经系统损伤修复的影响

杨子默,胡华杰,占琦,赵娜,王凤山

(山东大学 药学院，山东 济南 250012)



硫酸软骨素蛋白多糖对神经系统损伤修复的影响

杨子默,胡华杰,占琦,赵娜,王凤山Δ

(山东大学 药学院，山东 济南 250012)

硫酸软骨素蛋白多糖(chondroitin sulfate proteoglycans，CSPGs)是一组共价结合硫酸软骨素的蛋白质，其在中枢神经系统的发育和成熟以及在神经损伤的病理生理反应中均发挥着重要作用。本文就CSPGs在神经系统损伤及修复过程中发挥作用的功能性研究和机制性研究进行综述。

硫酸软骨素；硫酸软骨素蛋白多糖；神经系统；损伤；修复

硫酸软骨素(chondroitin sulfate，CS)是一种糖胺聚糖(glycosaminoglycan，GAG)，多从动物的喉骨、鼻中隔、气管等软骨组织中提取，相对分子质量(Mr)在10～50 kDa之间。CS的生物活性广泛，如神经保护[1]、免疫调节[2]、抗氧化和抗肝纤维化[3]、软骨保护[4]、抗动脉粥样硬化[5]等。

硫酸软骨素蛋白多糖(chondroitin sulfate proteoglycans，CSPGs)是一组共价结合CS的蛋白质，由核心蛋白和共价连接的一个或多个线性CS组成，广泛分布于神经组织、结缔组织等机体各处。CSPGs一般可分为Aggrecan家族(包括聚集蛋白聚糖、神经蛋白聚糖、短蛋白聚糖等)、NG2、phosphacan等，约有30多个成员，它们大多存在于细胞外基质(extracellular matrix，ECM)中，作为ECM内重要的抑制性组分；还有一部分则以穿膜蛋白形式存在。目前认为[6]，CSPGs在调节细胞与细胞以及细胞与ECM之间相互作用方面起重要作用，尤其是在中枢神经系统(central nervous system，CNS)的发育和成熟以及对病损的CNS病理生理反应中的作用更显突出。本文就CSPGs在CNS损伤及修复过程中发挥作用的功能性研究和机制性研究进行综述。

1 CSPGs对神经系统作用的功能性研究

研究表明[7-8]，CSPGs是阻碍CNS损伤后再生的化学屏障的最主要成分，其单独或与其它细胞外基质结合导致向损伤部位延伸的轴突在胶质瘢痕处停止，而且CSPGs在神经再生时间窗关键期末可降低轴突生长的可塑性。CSPGs无论是在发育过程中作为抑制性神经导向分子，还是在成年中枢神经系统损伤后再次发挥作用，其发挥主要作用的部分是CS链。

通过阻止CSPGs的合成、阻断其作用的途径或降解CS链等手段消除CSPGs对神经再生抑制作用，可促进神经损伤修复。已有研究表明[9-10]，通过消除脑、脊髓等处的CSPGs能有效地促进轴突的再生和功能的部分恢复。Moon等[10]最先在大鼠体内证实了通过硫酸软骨素酶ABC(chondroitinase ABC，ChABC)降解CSPGs可以改变损伤微环境，促进轴突生长。在黑质纹状体切断模型中，ChABC注射损伤部位再生轴突可以穿过损伤部位向后重新生长至黑质纹状体。黄玉笛等[11]研究发现，ChABC能通过降解大鼠变性视网膜异常沉积的CSPGs抑制光感受器细胞的凋亡，从而促进损伤视网膜的修复。Cafferty等[12]观察到，表达ChABC的转基因小鼠，其脊神经背根切断后仍有较强的轴突再生能力，运动功能恢复较快。

鉴于抑制CNS轴突再生的因素有很多，之后许多学者开始尝试联合ChABC和其他疗法促进CNS轴突的生长。Fouad等[13]应用周围神经支架、嗅鞘细胞和ChABC注射相结合治疗脊髓全横断损伤，这种联合疗法使轴突再生能力增强，并促进了运动功能的恢复。张宇等[14]证明，胶质细胞源性神经营养因子缓释微球及NogoA、ChABC缓释微球联合应用能有效促大鼠损伤脊髓再生神经功能的修复。王莹等[15]研究发现，化学萃取脱细胞方法得到的大鼠坐骨神经支架经ChABC处理注入骨髓间充质干细胞(mesenchymal stem cells，MSCs)后，可以修复大鼠缺损的坐骨神经。康思雯等[16]研究发现ChABC联合MSCs在修复神经缺损中能促进血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)的表达等。

2 CSPGs对神经系统作用的分子机制研究

通过早期的功能性研究至近期热门的分子机制研究，CSPGs对神经系统作用的机制已有进一步了解，近几年研究的较明确的机制主要为CSPGs在胶质瘢痕中发挥的作用。目前已证明，几种CSPGs在中枢神经系统损伤后形成的胶质瘢痕中表达显著上调，如磷酸蛋白聚糖、神经蛋白聚糖、短小蛋白聚糖、多功能蛋白聚糖和NG2，它们与胶质瘢痕抑制神经轴突再生的作用密切相关[17]。

中枢神经受损后星形胶质细胞大量、快速进入活化增殖期，而后与小胶质细胞、巨噬细胞和细胞外基质形成胶质瘢痕，细胞外基质主要是CSPGs。组织学上，胶质瘢痕由星形胶质细胞和结缔组织组成，胶质瘢痕是研究最多但又知之甚少的抑制中枢神经系统轴突再生的屏障。过去认为，胶质瘢痕是一个简单的机械屏障，但之后的研究表明，瘢痕的分子组成及星形胶质细胞产生的抑制因子在神经细胞再生中均发挥重要作用[18]。

2.1 CSPGs的机械屏障作用 在中枢神经系统的发育过程中，CSPGs在某些特定区域高效表达，形成分子屏障，阻止轴突在正确的位置形成突触。当延伸的轴突和迁移的神经母细胞遇到胶质瘢痕屏障时，沿原方向的生长和运动就会被阻止，导致神经细胞不能正常发育和导向，无法行使正常的神经冲动传导和信号转导功能[19]。Davis等[20]发现，周围神经系统神经元植入大鼠的脊髓后能够再生，但再生的轴突到达CSPGs丰富的损伤区后就停滞不前。

2.2 CSPGs的化学屏障作用 CSPGs是在神经中枢受损后由胶质细胞产生的细胞外物质，不同类型的CSPGs在胶质瘢痕中的作用是不同的[21]，以下为几种典型的CSPGs分子对神经系统作用的机制。

2.2.1 Aggrecan家族:Neurocan是aggrecan家族中一种重要的CSPG，通过与细胞黏附分子Ng-CAM/L1、N-CAM、多效蛋白/肝素结合生长相关因子(pleiotrophin，PTN / heparin binding-neural cell adhesion molecule,HB-CAM)、两性聚糖(amphotenrin)、韧黏聚糖(tenasic-C和tenascin-R)、TAG-1/轴突蛋白-1(axonin-1)等生物大分子的作用调节神经细胞间的连接，从而抑制轴突无序生长。Deguchi等[22]分析短暂性中脑动脉闭塞后的缺血性病变半影区发现，该部位存在全段neurocan的短暂表达，并于缺血后第4天达到了高峰，该现象表明脑损伤后全段neurocan的聚集可能是神经修复的重要过程之一；另外，neurocan在脑损伤神经修复过程中能够抑制神经轴突的外生长，从而消除错误分支，保证轴突生长方向的正确性，促进神经损伤的修复。

Versican同样是aggrecan家族中重要的成员，这种分子可以通过活化细胞上的表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor，EGFR)而发挥调节突触中信号传递、细胞间黏附以及轴突生长等作用。Versican与透明质酸在细胞表面连接，阻碍神经细胞的再生长，构成了生长抑制性环境。又有研究发现，versican也可以促进神经细胞再生长，Wu等[23]发现，versicanV1转染后的EGFR和整合素的表达增强，有利于细胞外信号转导途径的级联活化，可促进海马神经元轴突向外生长。

2.2.2 NG2分子：NG2是表达在某种少突胶质前体细胞的一种CSPGs。表达NG2的少突胶质细胞被称为NG2细胞。NG2细胞通过NG2分子可以募集肌腱蛋白、层粘连蛋白、人Ⅱ型胶原蛋白、人Ⅴ型胶原蛋白、人Ⅵ型胶原蛋白等细胞外基质的成分，调节细胞外基质分布的时空性。细胞必须通过与细胞外基质中的分子之间的黏附作用才能进行运动，NG2细胞通过NG2与细胞基质中的分子粘连，这些分子再通过与整合素相互作用，诱导整合素聚集形成黏附复合物，介导调节生长中的神经纤维导向迁移。目前研究发现[24]，NG2和整合素家族中的α3β1和α4β1之间存在协同作用，能够有效地提高整合素介导的细胞扩散和迁移，胶质瘤细胞在含有纤维蛋白连接片段、α4β1和anti-NG2抗体的基质中的扩散远远强于在只加有anti-NG2抗体的基质或只加有α4β1的基质中的扩散。可以推断，NG2对神经细胞的定向向外生长延伸具有促进作用。

2.2.3 Phosphacan：Phosphacan分子是受体蛋白酪氨酸磷酸酶β(receptor protein tyrosine phosphatase beta，RPTPβ)的一种可溶性剪接变体，主要由神经胶质细胞合成。同样，它对脑损伤后神经元轴突的延长既有促进作用又有抑制作用，其作用分别通过其CS链和核心蛋白的结构域实现。硫酸乙酰肝素糖蛋白(heparan sulfate proteoglycan，HSPG)和蛋白酪氨酸磷酸酶σ(protein tyrosine phosphatase sigma， PTPσ)均为phosphacan的受体，它们通过与CS链相互作用激活各种生长因子，影响神经细胞生长[25]。另外，Dobbertin等[26]研究发现，表皮生长因子(epidermal growth factor，EGF)和转化生长因子-α(transforming growth factor-α，TGF-α)可以促进phosphacan的表达，而肿瘤坏死因子-α (tumor necrosis factor-α，TNF-α)和干扰素-γ(Interferon-γ，IFN-γ)则抑制phosphacan的表达，其中未成熟少突胶质细胞表达的phosphacan多于星形胶质细胞[27]。

3 小结与展望

CSPGs在人体神经系统发挥着重要的生理学功能。作为细胞外基质的重要组成部分，CSPGs不仅发挥其大分子物理学屏障的作用，也通过与细胞生长因子、细胞因子、神经细胞导向分子相互作用，参与调节中枢神经系统的发育及损伤后再修复过程。在该过程中，CSPGs通过多种分子机制既可促进又可抑制神经细胞再生，而当置于整个机体或器官进行功能性研究时，CSPGs主要发挥其抑制作用阻止神经损伤修复。另外，目前仍没有研究能够明确地表明CSPGs的分子作用机制与功能性之间的对应关系，若可以知道这2者之间的对应性，我们便可以在功能性研究中使用更多的手段阻止CSPGs负性作用的发挥，同时促进其正性作用，这对临床中神经损伤的治疗具有重要意义。

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(编校：王俨俨)

Effect of chondroitin sulfate proteoglycans on the repair of nerve system injury

YANG Zi-mo,HU Hua-jie,ZHAN Qi,ZHAO Na,WANG Feng-shanΔ

(School of Pharmaceutical Sciences, Shandong University, Ji’nan 250012, China)

Chondroitin sulfate proteoglycans (CSPGs) is one kind of proteins that covalently bind with chondroitin sulfate. CSPGs play important roles in the growth and development of the central nervous system and the pathological reaction of nervous injury. This article reviews the functional and mechanism studies of CSPGs in the repair of nerve system injury.

chondroitin sulfate; chondroitin sulfate proteoglycans; nerve system; injury; repair

杨子默，女，本科，研究方向：微生物与生化药物，E-mail：18366116759@163.com；王凤山，通讯作者，男，教授，博士生导师，研究方向：生化与生物技术药物，E-mail：fswang@sdu.edu.cn。

R961

A

1005-1678(2015)03-0183-03