脊髓损伤后自我修复的细胞与分子机制

黄腾立 郑宪友

哺乳动物体内不同部位的自我修复能力存在差异，其中神经系统的自我修复能力较弱，而中枢神经系统(CNS)的自我修复能力最为欠缺。脊髓作为CNS的重要组成部分，脊髓损伤(SCI)是常见的致残原因之一。SCI自我修复过程相当复杂，在多种信号通路的调控下，许多细胞参与相关进程中，参与细胞可大致分为3大类：①神经元细胞；②神经胶质细胞；③其他细胞(血管内皮细胞和血源性巨噬细胞等)。

1 SCI的病理生理及修复机制

SCI是由于外伤、肿瘤等多种因素造成的脊髓基本结构连续性及其功能的短暂或永久丧失。外伤等原因可导致脊柱机械分离与错位，造成脊髓压迫或离断，继而导致神经元及神经胶质细胞损伤或死亡[1]，血管损伤则可引起受损区域因血供不足而继发缺血坏死[2]。损伤可诱导受伤部位产生强烈的炎症反应，而由炎症反应、细胞通透性增加及血脑屏障受损等引起的脊髓水肿又会进一步压迫脊髓，加重损伤，最终形成恶性循环[3]。受损区域的自我修复包括局部神经再髓鞘化、血管重塑和细胞外基质改变等。CNS在自我修复过程中会形成特异性的胶质瘢痕，胶质瘢痕则是限制神经自我修复及再生的重要物理及生化障碍。SCI发生后局部自我修复效果不佳的原因也包括局部增生的小胶质细胞不足以完全清除附近的抑制性髓鞘碎片[4]或局部释放的细胞毒性产物通过激活细胞凋亡相关的信号转导通路等机制引起局部细胞死亡等。

2 SCI自我修复的相关调控细胞

在CNS损伤后的自我修复中，神经胶质细胞是最主要的参与细胞，包括小胶质细胞、少突胶质细胞、星形胶质细胞及NG2胶质细胞等。上述胶质细胞各具独特功能，生理条件下均有维持CNS正常功能的作用，而病理条件下亦会参与相关的损伤及修复机制。

2.1 小胶质细胞

小胶质细胞相当于定居在CNS内的巨噬细胞[5]，也是其中最重要的免疫调控细胞。正常生理状态下，小胶质细胞可搜索局部微环境内的细胞碎片及有害物质，并通过胞吞的方式将其清除，此时其活动性相对较低[6]。当CNS因感染、创伤等因素而处于病理状态时，小胶质细胞会迅速做出反应，发生一系列形态学和功能学的转变。各类蛋白、嘌呤代谢产物和脱氧核糖核酸等损伤相关分子(DAMP)可在SCI发生后生成并释放，它们可大幅激活小胶质细胞[7-9]。研究发现，小胶质细胞的激活是逐级进行的。不同激活等级下的小胶质细胞会产生不同程度的细胞毒性并释放出不同类型的炎症因子，造成局部病灶不同程度的损伤，从而进一步加重SCI。与外周循环中的巨噬细胞相似，小胶质细胞同样可分为两大亚型，即炎症相关(M1)亚型和抗炎修复(M2)亚型。M1亚型在被脂多糖、干扰素等激活后可产生一系列炎症因子及氧化代谢产物，从而进一步加重受损神经损伤[10]；M2亚型在被白细胞介素(IL)-4和IL-13等激活后则可抑制炎症反应，从而促进组织修复及伤口愈合[11]。局部募集浸润的小胶质细胞早期以M1亚型为主，M1亚型数量在损伤后第5天到达峰值，之后逐渐转变为以M2亚型为主[12]。激活后的小胶质细胞在损伤后数小时内被受损区域释放的三磷酸腺苷(ATP)所吸引，迁移至受损区域。在受伤脊髓进入慢性自我修复期后，受损区域的小胶质细胞可持续数周甚至数月处于激活状态，造成局部慢性炎症。

2.2 少突胶质细胞

正常情况下，少突胶质细胞由少突胶质细胞前体细胞(OPC，亦称NG2胶质细胞)分化而来，其主要功能是参与CNS神经髓鞘化[13]，在CNS中以表达硫酸软骨素蛋白多糖(CSPG)为主要特征。目前研究认为，NG2胶质细胞并非仅为OPC，而是一类胶质细胞。在SCI发生后，NG2胶质细胞不仅可能分化为少突胶质细胞，也可能分化为星形胶质细胞。

SCI可激活局部小胶质细胞，促使后者释放炎症细胞因子，从而诱导炎症反应发生。炎症反应造成的局部缺血、过氧化损伤及一系列细胞毒性因子释放可导致局部少突胶质细胞损伤或死亡。在小鼠SCI模型中，损伤发生后15 min内小鼠脊髓受损区域即开始出现少突胶质细胞死亡，该过程持续至少3周[14-15]。少突胶质细胞死亡可以造成局部急性脱髓鞘化，并引起神经纤维退变。在损伤发生数小时后受损神经脱髓鞘化即会出现，并持续存在2周，影响轴突的传导及神经功能[16]。SCI发生后，少突胶质细胞祖细胞增生现象可持续至少4周[17]。损伤后虽然大部分受累区域会发生再髓鞘化，但是人类CNS损伤后的再髓鞘化程度有限，因此修复效果较差。而OPC与少突胶质细胞均可通过分泌部分抑制性神经黏蛋白与多功能蛋白聚糖及参与形成胶质瘢痕等方式抑制神经修复[18]。

2.3 星形胶质细胞

星形胶质细胞在CNS全部细胞中占比为30%左右，具有参与突触形成、动作电位传导等重要功能。

SCI发生后形成的反应性星形胶质细胞反应程度可受多种因素影响[19-20]，而其反应程度又可影响其增生程度。损伤后5～14 d内，局部反应性星形胶质细胞可增生迁移，在受损区域包裹成纤维细胞和OPC等并与之形成胶质瘢痕[21-22]。近期研究发现,反应性星形胶质细胞可通过整合素-N-钙黏素信号转导通路与Ⅰ型胶原反应形成胶质瘢痕[23]。胶质瘢痕可防止损伤引起的细胞凋亡和坏死蔓延至周围组织，从而限制损伤扩大并进一步减轻局部功能障碍。实验研究发现，在小鼠体内抑制星形胶质细胞可抑制胶质瘢痕生成和轴突再生[24]，但同时胶质瘢痕又是抑制神经再生与修复的物理及生化障碍，其周围的CSPG与细胞外蛋白同样能够抑制轴突再生[25]。因此，星形胶质细胞对神经再生和修复的影响十分复杂，有待进一步研究。

3 SCI自我修复的分子调控与信号转导通路

3.1 SCI自我修复的分子调控

SCI发生后，受损区域的髓鞘碎片及细胞外基质等可分泌一系列的神经再生抑制因子，抑制脊髓自我修复，因此修复效果有限。其中，髓鞘相关糖蛋白(MAG)可抑制神经外生并诱导轴突生长束回缩[26-27]，轴突生长抑制因子A可抑制神经外生，诱导轴突生长束裂解并影响突触可塑性[28]，少突胶质相关髓鞘糖蛋白(OMgp)可抑制神经外生并抑制残端再生[29-30]，CSPG可限制轴突可塑性及其再髓鞘化。在SCI发生后的慢性修复期，受损区域内由星形胶质细胞与其他细胞共同形成的胶质瘢痕会分泌NG2糖蛋白等一系列抑制性蛋白及细胞因子，抑制轴突再生。因此，这些细胞因子和生长因子的传输尤为重要。外泌体具有双层囊泡结构，内含与来源细胞相似的细胞因子和生长因子等一系列生物活性因子及与来源细胞相关的rRNA和miRNA，上述内容物均可参与分子调控。研究发现，静脉移植骨髓间充质干细胞来源的外泌体可促进SCI后的运动功能恢复和相关神经功能修复[31],且可减少损伤区域反应性星形胶质细胞的数量[32]。另有研究发现，该外泌体可通过抑制SCI引发的局部炎症反应改善SCI发生后的神经功能恢复[33]。因此,外泌体移植有望作为干细胞移植的替代方案，成为SCI治疗方案之一。该方案的可行性及相关机制有待进一步研究。

3.2 SCI自我修复的信号转导通路

SCI发生后，多个功能不同的信号转导通路被激活并参与相关损伤及修复机制，这些通路形成了十分复杂的信号交互网络。目前部分通路的相关研究已相对完善，但丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号转导通路、Janus激酶/信号转导子和转录激活子(JAK/STAT)信号转导通路、哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信号转导通路的组成和作用尚待进一步研究。

3.2.1 MAPK信号转导通路

作为调控细胞增殖与凋亡的重要通路之一，MAPK信号转导通路可被SCI受损区域释放的炎症细胞因子和氧化应激产物等激活，参与损伤局部细胞的增殖与凋亡。

Liu等[34]研究发现,氯化锂可通过激活分裂原活化抑制剂(MEK)/细胞外调节蛋白激酶(ERK)信号转导通路促进细胞自噬，并由此改善SCI后小鼠运动功能的恢复情况。Fakhri等[35]研究发现,虾青素可通过抑制ERK1/2信号转导通路和激活蛋白激酶B(Akt)信号转导通路改善SCI小鼠运动功能，并减少其体质量下降幅度。

研究发现，p38 MAPK信号转导通路可参与调控并传导炎症反应、细胞凋亡相关信号[36-37]，其可能参与SCI后局部超氧化物的形成，从而进一步加重SCI[38]。但也有研究发现，在SCI发生后维持p38 MAPK活性有利于神经功能的恢复。由此可见，这类信号通路作用较为复杂，相关信号通路网络仍有待于进一步研究。

3.2.2 JAK/STAT信号转导通路

JAK/STAT信号转导通路是将信号从细胞表面传递至细胞核的重要通路，可参与调控细胞正常周期及各类免疫炎症反应。Yamauchi等[39]研究发现，SCI后JAK1及STAT3的表达会迅速上升，在12 h左右到达峰值，之后再缓慢下降，结果提示该通路与SCI有密切联系。Tapia等[40]以斑马鱼(一种具有较强的中枢神经系统再生能力的鱼类)建立SCI模型并进行相关实验后发现，JAK/STAT信号转导通路的短暂激活是损伤后神经再生所必需的过程。

在SCI自我修复过程中，血管新生是不可或缺的环节。You等[41]研究发现，SCI后IL-17会激活JAK/STAT信号转导通路，并通过该通路上调血管内皮生长因子(VEGF)的表达。近期，关于miRNA与SCI的相关研究发现，miRNA-125b等通过调节JAK/STAT信号转导通路促进损伤后脊髓的再生与修复[42]。虽然关于该通路的调控机制尚未完全得到揭示，但其仍可作为SCI的潜在治疗靶点。

3.2.3 mTOR信号转导通路

mTOR是一种结构复杂的丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶蛋白，可参与调控细胞的生长、分化，尤其是凋亡。细胞凋亡是SCI后重要的病理生理反应之一。

Wang等[43]研究发现，mTOR信号转导通路表达上升会增加脊髓受损处的细胞凋亡，并抑制局部细胞自噬。Zhou等[44]研究发现，普罗布考(具有抗氧化且抗炎症功能的一类调血脂药物)可通过抑制磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)/Akt/mTOR信号转导通路减少SCI后局部病灶处的细胞凋亡，并增加细胞自噬，从而改善神经功能恢复。目前认为，细胞自噬在SCI的自我修复中具有神经保护作用[45]。近期实验结果提示，mTOR相关通路在SCI后的细胞凋亡与自噬之间具有重要调控作用。Chen等[46]研究发现，SCI后第3天，星形胶质细胞内的P13K/Akt/mTOR信号转导通路被激活，并参与形成损伤处胶质瘢痕，而胶质瘢痕则阻碍SCI的自我修复。

4 结语

作为临床难题之一，SCI不仅会严重影响患者的生活质量，也会给社会造成巨大负担。因SCI的自我修复效果不理想，其相关机制的研究受到较多重视，但目前多集中于单一细胞或单一通路的研究。SCI的相关损伤及修复机制通常涉及多种细胞和多条通路的共同作用，进一步明确这些通路及细胞间的关系有助于相关治疗措施的研究与开发。已有的研究结果显示，参与其中的细胞及信号转导通路对损伤后的脊髓自我修复效果有利有弊，而不是单方面的促进或抑制作用。未来研究与临床治疗的目标应着眼于增强相关细胞和通路对SCI修复的促进作用并限制其抑制作用。