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netrin-1在纳米材料修复神经损伤中的作用机制研究进展

2017-01-16贾正泰张志发赵钰琛刘美丽

中国药理学与毒理学杂志 2017年12期
关键词:轴突纳米材料毒性

贾正泰,张志发,赵钰琛,刘美丽

(北京航空航天大学1.生物与医学工程学院生物力学与力生物学教育部重点实验室,北京 100083;2.生物医学工程高精尖创新中心,北京 102402)

随着经济发展、老龄化社会的出现,阿尔茨海默病和帕金森病等引起的神经退行性变化,以及创伤性脑损伤、脊髓损伤(spinal cord injury,SCI)[1]等疾病的患者数量逐年增加,不仅会给患者本人带来身体和心理的严重伤害,还会对整个社会造成巨大的经济负担。针对神经损伤后神经元难以再生,不能正确地与下端神经元发生突触连接,因此,寻找到促进断裂的神经轴突连接和再生的方法成为修复神经损伤的关键和难点。

在寻找改善神经元功能的研究中,纳米材料尤其是纳米导电材料的问世为研究带来了新的突破。纳米材料因其具有较大的表面积与体积比,可显著增强化学和生物反应性而成为当今研发的热点[2]。近几年人们对纳米材料的应用越来越多,然而对纳米材料本身的毒性作用还缺乏系统了解。纳米材料本身的毒性作用主要集中于氧化应激和炎症反应2个方面[3],有些纳米材料甚至可激活细胞的自噬反应并引发细胞凋亡[4]。纳米材料的毒性效应衍生出了一个重要的分支:纳米毒理学[5]。纳米材料修复神经损伤的研究也越来越多,但有些纳米材料可激活机体产生分泌小分子蛋白如神经生长因子(nerve growth factor,NGF),导向分子等,引起损伤后的神经突起进行再生性连接。同时,如无外周神经膜细胞的营养支撑作用,石墨烯材料诱导神经突起连接时还是有很多细胞发生凋亡,不能正确地与下端神经元发生突触连接[6]。还有一些材料如碳纳米管(carbon nanotubes,CNT)等的应用,因为其有潜在的毒性作用,成为神经修复的瓶颈问题。研究发现,神经轴突导向因子(netrin-1)能有效减少因纳米材料本身的毒性效应而造成的细胞损伤,为细胞的功能性修复提供良好环境[7]。因此,在采用纳米材料修复神经损伤过程中,一些生长因子或导向分子可在一定程度上减弱纳米材料本身对机体的生物毒性,提高神经再生的效率。神经元的功能性源于神经突起连接形成的神经网络,因而采用神经元生长和突起导向因子修饰纳米材料,降低它们的毒性是纳米材料修复神经损伤的重点。本文就神经轴突导向因子在纳米材料修复神经损伤中的作用进行了综述,分别对纳米材料修复神经损伤的毒性作用和神经轴突导向因子netrin-1的分子机制进行了研究,为今后临床修复神经损伤提供科学依据。

1 纳米材料修复神经损伤过程中的毒性作用

纳米技术是21世纪自然科学的重大进步,在生活领域的多种应用也使得纳米技术为人们提供了更多的便捷,纳米材料的微观结构也使其具备了更好的功能。纳米材料的应用前景虽较乐观,可其安全性也不可忽视。已经有多种报道指出纳米材料能对神经元产生毒性作用,引发炎症反应或神经凋亡[8]。纳米二氧化钛(titanium dioxide nanoparticles,TiO2NP)应用极广,然而其安全性仍待评估,近年在对其神经毒性的研究中发现在多种神经细胞如U373,SHSY5Y,C6,P12和N27的体外培养中直接加入TiO2NP,神经细胞的形态和增殖受到显著影响,并被诱导了凋亡反应[9]。低剂量TiO2NP的直接加入会对斑马鱼的脑组织造成慢性损伤,导致空间认知能力和记忆水平的下降[10]。大鼠的海马神经元的原代培养加入TiO2NP后,细胞出现了典型的凋亡特征[11]。而在加入了抗氧化剂后,TiO2NP的毒性受到了抑制,细胞凋亡程度有所缓解,细胞活性有显著增加[12]。

近2年,研究纳米材料本身的神经毒性的报道有很多,纳米氧化锌会通过氧化应激和炎症反应破坏小鼠的血脑屏障(blood-brain barrier,BBB)[13];而纳米银会诱导大鼠大脑内星形胶质细胞活性氧的过量表达,导致细胞损伤[14]。因为纳米材料的毒性作用而造成神经元损伤的研究逐年增加,对神经元的再生修复成为研究纳米材料介入神经组织的关注点。

纳米材料尤其是一些导电材料在神经细胞中的应用越来越多,但其本身的毒性作用需要考虑。CNT因具有独特的化学和物理性质,已被广泛用于临床前试验以促进神经元分化和生长。然而,由于安全性考虑,关于CNT对原代神经细胞增殖的临床适用性的报道不多[15]。CNT与神经元长时间直接接触会引发神经炎症,潜在引发神经退行性疾病[16]。石墨烯因为优越的物理性质和电活性而用于神经再生,然而高剂量石墨烯对细胞具有毒性,石墨烯颗粒渗透到溶酶体、线粒体、内质网和细胞核中,会导致细胞黏附的显著下降[17]。石墨烯微片中通常存在的不规则边缘和突起可能会导致细胞骨架的破坏和运动受损[18]。因此,其适用性因毒性效应而受到了影响[19]。对纳米材料进行改良可有效地减少因其毒性作用而造成的细胞凋亡。如将石墨烯修饰为氧化石墨烯、羧基化石墨烯、氨基化石墨烯,将CNT螯合羟基磷灰石等,这些对纳米材料的改良已经获得了一定的成果。而近年来的研究发现,netrin-1在纳米材料修复神经损伤过程中会有高表达,因此,它是如何修饰纳米材料减弱纳米毒性的,这些科学问题已成为迫在眉睫的关键。

2 神经轴突导向因子netrin-1

netrin-1作为最先被人们认识的神经轴突导向因子,经过了20余年的研究,其分子结构与生物体内的作用机制已多为人们所熟知。它在神经轴突导向生长方面具有一定作用,对肿瘤的研究和治疗也有促进作用[20]。它通过与其受体的特异性结合,可诱导轴突的靶向生长和分支形成[21-22],促进神经细胞的迁移和存活[23-24],同时可抑制神经元凋亡[25]。在纳米材料因其毒性效应引起神经元损伤的过程中,netrin-1的表达对神经再生研究具有重要的意义。

netrin-1的英文名来源于梵语,以梵语词“netr”命名,意思是“指导者”。netrin-1的相对分子质量约为70~80 ku,有6个可识别的结构:1个信号肽、1个层连蛋白结构域、3个EGF重复结构域和1个羧基端。其由发育期的脊髓中线胶质细胞分泌,是一种结构高度保守、并具有导向轴突生长和诱导细胞迁移作用的轴突导向分子。netrin-1在1988年被Tessier-Lavigne发现,在1994年被Serafini等[26]从鸡胚脑组织中提取出来,被确定为一种神经导向因子,从而引发了人们对其在神经系统作用的研究。

2.1 netrin-1及其受体的功能

netrin-1在轴突导向方面是一种双向效应分子,其通过与受体结直肠癌缺失基因(deleted in colorectal carcinoma,DCC)和UNC5等进行结合以介导对轴突的吸引或排斥[27]。netrin-1与DCC的细胞外FNⅢ重复序列的结合使DCC受体在生长锥上形成受体簇,与相邻细胞质内DCC受体的P3基序相互作用并激活Src家族激酶与触发细胞骨架重排,从而介导其对轴突的吸引反应[28]。然而,当UNC5在细胞中与DCC共同表达时,netrin-1吸引作用被转换为朝向生长锥方向的排斥反应。它通过2个不同的受体结合位点结合DCC和UNC5,使得DCC的P1基序和UNC5的DB结构域之间的相互结合形成复合物,从而启动netrin-1排斥信号[29]。最近,有人从细胞膜动力的角度研究netrin-1对生长锥的影响,发现其调节生长锥的胞吐,需要激活ERK1/2和Src家族激酶通道[30],且钙浓度能调节其诱导效果[31]。netrin-1可能与其他的轴突导向分子以组合的方式来对神经轴突产生作用,如Slit1能使netrin-1产生对神经轴突的吸引和排斥反应[32],Shh和netrin-1组合能激活生长锥Src家族激酶活性,吸引生长锥向胚胎脊髓的底板生长[33]。

一直以来,人们认为神经系统中轴突引导的netrin-1是由底板细胞分泌,而netrin-1通过梯度浓度对神经元的轴突生长进行导向。然而这个理论在最近遭到了质疑,最新的研究发现,在底板未分泌netrin-1的情况下,后脑和脊髓轴突仍然正常发育[34]。此外,脑室区域的细胞高度表达netrin-1,并在与轴突结合时在其侧面释放netrin-1。从而推断出一个新的机制,即脑室分泌的netrin-1通过局部作用促进生长锥的生长和黏附[35]。

DCC是netrin-1诱导轴突导向中的吸引性受体。作为netrin-1膜结合的受体,DCC包含3个功能区:胞外区、跨膜区和胞内区[36]。netrin-1可刺激并激活在生长锥上表达的DCC,进而激活细胞内GTP酶Rac-1或下游信号通路,介导神经轴突向有netrin-1表达的方向生长,从而形成吸引作用。最新研究表明,在netrin-1的刺激下,三重基序蛋白9(the tripartite motif-containing protein 9,TRIM9)可促进DCC多聚化,抑制了TRIM9介导的DCC泛素化,从而促进黏着斑激酶(focal adhesion kinase,FAK)的激活和FAK活化后的作用,继而促进皮质神经元轴突的生长和发育[37]。

UNC-5同源蛋白是netrin-1的另一种受体,属Ⅰ型跨膜蛋白,其中膜外包含2个类Ig结构域和2个Ⅰ型血小板结构域,膜内包含ZU5结构域和死亡结构域[38]。与DCC不同的是,UNC-5介导神经元轴突的排斥作用。netrin-1减少了UNC-5与一种脑内的神经特异性微管亚基TUBB3的相互作用,促进轴突的排斥从而导向生长锥的生长。TUBB3或UNC5C的敲除也会阻断netrin-1介导的轴突排斥,并导致轴突的塌陷。因而证明在netrin-1介导的轴突排斥的过程中UNC5C和TUBB3起到了必不可少的作用[39]。

2.2 netrin-1在神经修复再生中的作用

神经导向小分子netrin-1是研究的热点,主要方向是研究netrin-1对生长锥的导向和对不同神经元的保护和修复作用。netrin-1可通过抑制神经元的凋亡而起到保护作用。研究表明,对蛛网膜下腔出血大鼠模型进行检测时发现netrin-1的含量明显增加,加入重组后人类的netrin-1可减缓神经元的凋亡,并改善神经元的生长状态,而netrin-1的敲除则加剧了神经损伤,表明外源性netrin-1可作为药物以减少神经凋亡并改善神经功能[25]。对神经瘤细胞SH-SY5Y进行低氧处理后,SH-SY5Y自噬增强,增殖活性降低。而给予netrin-1预处理后,自噬明显减弱并伴有增殖活性增强。且发现netrin-1仅减弱因过表达UNC-5而造成的自噬增强,表明netrin-1对神经元的保护作用有可能通过介导受体UNC-5实现[40]。

神经损伤后神经的结构功能难以恢复,轴突难以再生。轴突再生的机制十分复杂,因此也成为神经修复的热点和难点。神经损伤时神经元激活其可塑性,神经元之间发育成新的轴突及突触,从而恢复神经的功能。影响神经轴突再生的主要外在因素则是缺少轴突生长的微环境、底物和营养因子[41]。脂肪干细胞(adipose-derived stem cells,ADSC)可额外增加缺血脑组织中netrin-1的含量,在缺血性脑损伤模型大鼠的大脑侧室注射ADSC细胞悬液后,检测到netrin-1的表达量有额外的增加,继而促进轴突的再生和修复[42]。netrin-1是当下研究神经轴突再生的内在因素。研究表明,对大鼠进行动脉闭塞模型实验而造成脑梗死后,BBB在第8天和第14天被破坏,而注射了netrin-1后,BBB的破坏程度下降。脑梗死后神经功能的恢复也被改善,证明了netrin-1对BBB的调节和保护作用[43]。更有研究表明netrin-1能通过减少血管内皮细胞分泌的趋化因子以减少炎症细胞对BBB的破坏[44]。对因动脉闭塞而脑出血的小鼠注射携带netrin-1基因相关腺病毒使内源性netrin-1蛋白表达水平显着增加,促进神经干细胞在脑缺血后从室下区迁移,从而参与短暂性脑缺血损伤后的修复,表明netrin-1是局灶性脑缺血后神经修复和重塑的重点[45]。

作为残疾的主要原因,SCI通常会导致运动和感觉功能的严重丧失。研究表明,慢病毒介导的netrin-1的过表达可恢复调节受脊髓横断大鼠的运动和感觉功能,不仅可增强运动功能,还可降低热刺激和机械刺激的影响[28]。netrin-1通过激活脊髓损伤大鼠的AMPK/mTOR信号通路,通过改善细胞自噬以刺激神经功能的恢复[46]。因此,netrin-1可能为SCI的新型治疗方法提供理论基础。脊髓背角髓鞘传入纤维的异常发芽可导致如疱疹后神经痛(postherpetic neuralgia,PHN)之类的神经性机械疼痛。在神经瘤细胞SH-SY5Y的PHN模型中,背角神经元中netrin-1表达上升,UNC5H2表达降低,DCC表达增加;沉默netrin-1可减轻模型诱导的机械疼痛并减少有髓纤维生长至脊髓层Ⅱ。模型通过激活TRPV1受体上调netrin-1的表达,增加DCC表达将UNC5H2丰富的脊髓后角改变成适宜有髓传入神经生长的环境以促进神经生长[47]。所以netrin-1有助于减轻神经性疼痛[48]。

3 netrin-1在纳米材料修复神经损伤中的作用

由于神经损伤后难以再生,采用纳米导电材料诱导神经系统产生兴奋性,恢复神经功能,越来越多的研究关注在神经元兴奋性上,但忽略了纳米材料的毒性作用。因此,近几年的研究关注点转向采用诱导神经生长发育的因子修饰纳米材料表面,在不改变其导电性的前提下,降低纳米材料的毒性作用,但具体的分子作用机制尚不明确[6]。我们课题组在缓解纳米材料毒性,并诱导netrin-1表达,修复神经损伤方面取得一定的进展。在研究磁性纳米材料Fe3O4对神经修复作用时发现,Fe3O4因具有神经毒性、饱和磁化强度低等特性,难以刺激轴突的生长和修复,而用纳米羟基磷灰石(nano-hydroxyapatite,n-HA)包被的Fe3O4则可有效增加细胞活力,促进轴突生长。对netrin-1的检测发现,Fe3O4降低神经元活性的同时,抑制了netrin-1的表达。但n-HA包被的Fe3O4却刺激神经元活性增加、促进轴突导向生长,还刺激了netrin-1的表达[49]。可推测在纳米材料毒性引起的神经细胞凋亡中,netrin-1起到了重要的作用。在研究神经损伤修复的课题中,力生长因子与神经元直接作用,可增强神经损伤后的自我修复能力,同时也促进了netrin-1的表达,也证明了netrin-1在神经损伤修复中的作用[50]。我们在研究神经损伤修复的课题中,力生长因子与神经元直接作用可促进神经损伤后的自我修复能力,同时促进了netrin-1的表达,证明了netrin-1在神经损伤修复中的作用[50]。另外,我们课题组在研究CNT对神经元的作用中发现,n-HA能抑制CNT的毒性作用,并刺激netrin-1的表达,进一步验证netrin-1在神经再生中的作用[51]。

4 结语和展望

综上所述,netrin-1作为神经元轴突导向分子,其基本特征和生物学功能对神经轴突的导向生长和迁移具有显著的作用。未来将会采用纳米材料诱导神经轴突的导向生长,激活导向因子表达,抑制纳米材料毒性引起的细胞凋亡。此方面研究必将促进再生医学的发展,有望进一步应用于临床修复神经损伤。

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