电针对脊髓损伤后抑制神经再生微环境的影响及相关信号通路的研究进展

徐海鹏,马睿杰,2,胡蓉,陈怡,吴磊,2,何克林,2

(1.浙江中医药大学第三临床医学院,杭州 310053;2.浙江中医药大学附属第三医院,杭州 310005)

脊髓损伤(spinal cord injury,SCI)是由于脊髓部分神经功能丧失而引起的中枢神经系统疾病,可导致机体运动、感觉和日常生活等多方面的功能障碍。据报道,全世界每年新增SCI患者为13.3～22.6万人。在美国,与 SCI相关的治疗成本每年高达 970万美元[1-2],较高的致残率和昂贵的治疗费用给家庭和社会造成巨大的负担。因此,深入揭示SCI的发病机制并寻求有效的治疗手段一直是医学界研究的热点和难点。

SCI发病机制包括原发性损伤和继发性损伤两大类,相较于原发性损伤的不可预见性,继发性损伤机制是研究SCI的重点[3]。其中,SCI后形成的抑制神经再生微环境在SCI继发性损伤机制中占有重要地位。SCI后,不同阶段和损伤部位的细胞、分子等多种因素会逐渐出现失衡的现象,从而导致一系列的病理和生理变化,这些变化会使得受损的局部形成抑制神经再生的微环境,限制脊髓功能的恢复,通过调节神经再生的微环境的平衡,激发神经细胞和轴突的生长潜力,能在一定程度上,恢复成年轴突和神经元再生功能[4]。因此,改善 SCI后的微环境失衡,对脊髓神经功能的恢复具有重要的意义。电针疗法作为中医学和现代医学相结合的治疗手段,目前已经广泛应用于临床,笔者就近年来电针对SCI后抑制神经再生的微环境的影响以及其相关的信号通路的作用机制进行总结和归纳。

1 电针对SCI后抑制神经再生微环境的影响

1.1 电针通过减少胶质瘢痕的形成调节抑制神经再生的微环境

胶质细胞是中枢神经系统中最丰富的神经胶质细胞,在脊髓微环境中发挥必不可少的生理功能,但在病理状态下,胶质细胞则能诱导胶质瘢痕的过度增生[5]。在SCI的早期,星型胶质细胞会发生沉淀,但是随着时间的推移,星型胶质细胞会发生表型和形态的改变,出现持续增生的现象,在增生的过程中表达抑制类的蛋白,这些蛋白能促进胶质瘢痕的形成。胶质纤维酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein,GFAP)作为重要抑制蛋白,与星形胶质细胞活性密切相关,是胶质瘢痕形成的重要标志[6]。星型胶质细胞分泌的GFAP能与其他细胞结合,形成物理屏障,具有防止损伤部位的炎症扩散的功能,但这种物理屏障也会限制轴突的生长[7]。苏标瑞等[8]研究发现电针可以显著抑制 SCI后GFAP的表达,增加星型胶质细胞的逆分化,从而促进SCI功能的恢复。WEI Z等[9]研究发现电针刺激夹脊穴可通过促进神经细胞黏附分子表达和干细胞的有益激活从而差异性地调节GFAP表达,改善小鼠的运动功能。另外,电针刺激双侧足三里、内庭穴,能减少脊髓白质空洞形成,抑制胶质瘢痕增生,促进下肢功能恢复[10]。

SCI之后,参与瘢痕形成的反应性星形胶质细胞、少突前体细胞等也会分泌另一个重要的抑制因子,即硫酸软骨素蛋白聚糖(chondroitin sulfate proteoglycans,CSPGs),参与细胞外基质的形成。当 CSPGs大量聚集在损伤部位,轴突的生长会受到明显的抑制,而使用硫酸软骨素酶进行干预,可降低 CSPGs对轴突的抑制作用,促进神经轴突的生长[11]。电针刺激 SCI模型大鼠的督脉穴,能有效降低CSGPs表达,促进神经轴突的再生,改善受损的神经功能[12]。

1.2 电针通过促进轴突再髓鞘化调节抑制神经再生的微环境

在中枢神经系统中,少突胶质细胞负责生产和维持轴突的髓鞘段,SCI之后,由于直接损伤和局部微环境因子的失衡,轴突会出现脱髓鞘的现象。目前认为,少突胶质细胞的坏死和凋亡是轴突脱髓鞘的主要原因,少突胶质细胞的持续丢失也是影响SCI功能恢复的主要障碍[13-14]。神经突增生抑制剂A(Nogo-A)、少突胶质细胞髓鞘糖蛋白和髓磷脂相关糖蛋白是参与脱髓鞘的3种典型的髓鞘相关蛋白,在SCI后的表达增多会导致生长锥的塌陷,限制神经突的生长[15]。因此,SCI之后出现的轴突再髓鞘化现象的实质是少突胶质细胞替换的过程[16]。髓鞘碱性蛋白(myelin basic protein,MBP)是一种由少突胶质细胞分泌的髓鞘蛋白,它可以通过恢复轴突的髓鞘化,帮助受损脊髓功能的重建[17]。电针能促进 SCI后各个时期的少突胶质细胞的形成,抑制其凋亡,保护残余的神经纤维[18]。马睿杰等[19]研究发现,电针干预 SCI模型大鼠受损水平上下两个节段的双侧夹脊穴,能促进MBP的表达,加强轴突的再髓鞘化,有助于SCI后运动功能的恢复。杨成等[20]选取督脉电针治疗,通过观察髓鞘、少突胶质细胞结构的变化以及 MBP的表达的变化,发现电针能促进少突胶质细胞的增生,增强MBP表达,实现轴突的再髓鞘化。李晓宁等[21]研究发现,夹脊电针可能通过降低 SCI微环境中的Nogo-A的表达,从而促进轴突的再生。

1.3 电针通过促进神经干细胞的分化调节抑制神经再生的微环境

神经干细胞(neural stem cell,NSCs)在中枢神经系统中可以增殖、迁移及分化为相应的神经元和神经胶质细胞。既往研究发现[22-23],神经元的丧失是SCI恢复受限的主要原因,神经干细胞和神经元的比例直接影响SCI后的恢复,NSCs在SCI部位具有分化为神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞的潜力,不仅能起到桥接脊髓断端、重建神经传导通路,而且还能分泌多种神经营养因子,改善脊髓局部微环境,促进神经轴突再生,改善损伤平面以下的运动及感觉功能的作用。巢蛋白(nestin)作为神经干细胞的标志性蛋白,电针刺激双侧夹脊穴能促进SCI后神经干细胞的分化和神经功能的恢复[24]。此外,电针治疗对大鼠SCI后远端脊髓的NSCs增殖具有促进作用[25]。

1.4 电针通过上调神经营养因子的表达调节抑制神经再生的微环境

SCI后生长促进因子和生长抑制因子之间存在着不平衡的现象,这也是导致神经元和少突胶质细胞死亡以及轴突变性的主要原因之一[26]。神经营养因子家族由脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)、神经生长因子(nerve growth factor,NGF)、神经营养素3(neurotrophin-3,NT-3)组成,这些神经营养因子可促进 SCI后神经元细胞存活、增殖和轴突再生,并在细胞死亡中起着重要作用[27]。

BDNF是一类促进神经元分化并诱导轴突再生的神经营养因子,以髓鞘为媒介,通过调节突触的可塑性从而影响轴突的传递[28]。督脉电针能诱导BDNF的表达对神经元的存活和轴突的修复具有积极作用[29]。此外,电针“长强穴”同样能提高BDNF表达,修复损伤神经[30]。

NGF作为一种典型的神经营养因子,可与Trk受体和神经营养蛋白受体结合,在维持和促进神经细胞的存活和延展轴突的生长方面发挥重要作用[26]。有文献[30]报道,电针刺激“长强穴”可能通过促进NGF的表达,从而促进大鼠运动功能的恢复。此外,电针能通过上调NGF及其高亲和力受体TrkA表达以改善局部微环境,从而达到促进神经元功能恢复的目的[31]。

NT-3主要表达于脊髓和大脑的运动神经元中,在神经系统的发育过程发挥重要的作用。Chen J等[32]观察电针对NT-3的作用并证实,电针刺激脊髓背根神经节可上调NT-3的表达,促进脊髓功能的恢复。此外,研究发现,电针刺激大椎和命门穴可上调NT-3的表达,在神经元的存活、轴突再生、改善脊髓脱髓鞘的病变和保护神经等方面均发挥积极作用[33]。

1.5 电针通过降低促炎因子的分泌调节抑制神经再生微环境

促炎因子参与神经变性、神经炎症和神经病理性疼痛等多种病理变化。在SCI之后,炎症细胞会大量分泌促炎因子,如IL-1、IL-6、TNF-α、GM-GSF和LIF,这些促炎因子参与SCI后微环境的动态变化[26]。电针刺激夹脊穴和督脉穴位,能抑制IL-1β、IL-6及TNF-α的表达,减轻脊髓受损部位炎症反应,保护神经元[34-35]。

2 电针调节抑制神经再生的微环境相关信号通路

2.1 电针可能通过抑制Rho/Rock信号通路参与抑制神经再生的微环境的调节

Rho/Rock信号通路与神经细胞迁移、树突发育和轴突延伸等密切相关。Rho/Rock信号通路既可通过使神经生长锥中肌动蛋白细胞骨架发生改变,导致生长锥塌陷、回缩,阻碍SCI后轴突的再生修复,也能参与SCI后炎症反应、胶质瘢痕过度增生、神经细胞的凋亡以及形成抑制神经再生微环境等系列病理变化[36-37]。电针SCI模型大鼠“夹脊穴”和“督脉穴位”后,大鼠脊髓诱发电位和下肢功能得到改善,伴有RhoA表达下降,提示电针可能通过下调 RhoA表达,促进轴突再生[38],参与抑制神经再生微环境的调节。

2.2 电针可能通过活化 Wnt信号通路参与抑制神经再生微环境的调节

Wnt信号通路作为SCI修复的重要信号转导系统之一,广泛存在于真核细胞中,参与胚胎的发育、肿瘤的生长等一系列生物反应[39]。Wnt信号通路主要分为4种不同的信号通路[40],①经典的 Wnt-β-catenin信号通路;②Wnt-polarity通路;③Wnt-Ca通路;④调节纺锤体定向和不对称细胞分裂的通路。其中经典的Wntβ-catenin信号通路与SCI后的神经干细胞的分化、神经元的存活及轴突的导向密切相关。Wnt蛋白家族不仅在神经系统发育早期阶段的神经元分化、神经元存活、轴突再生等方面扮演重要的角色,同时也参与SCI后的病理变化的过程。研究[41]发现,电针刺激督脉可上调 SCI大鼠模型不同时间点的 Wnt1、Wnt3a和β-catenin的表达,可能是通过活化Wnt信号通路,促进ENSCs的分化,从而促进受损神经功能的修复。

2.3 电针可能通过调控 Notch信号通路参与抑制神经再生微环境的调节

Notch信号通路可调控相邻的细胞参与多种组织和器官的的早期发育,对细胞的增殖、发育、凋亡具有重要的作用[42]。Notch信号通路也能促进神经干细胞向星形胶质细胞分化,并抑制神经干细胞向神经元细胞和少突胶质细胞分化,对神经元的再生起到负向调节。学者[43]通过检测Notch信号通路相关分子,认为电针可能是通过抑制Notch信号通路,诱导ENSCs增殖分化为功能性神经元,从而促进神经元的再生。

2.4 电针可能通过干预丝裂原活化蛋白激酶信号通路参与抑制神经再生微环境的调节

丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)信号途径作为第二信使通路,广泛参与信号跨膜传递,与细胞增殖、分化、炎症、凋亡等的生物学效应息息相关,是介导外刺激传导至细胞内重要信号传导通路。在哺乳动物细胞中,MAPK家族主要包括ERK、JNK、p38MAPK等通路,其中ERK信号途径可以在酪氨酸激酶受体、G蛋白耦联受体和其他细胞因子激活下,以细胞外的受体为媒介,将信号传导至细胞内相关的细胞因子,参与细胞增殖、分化和凋亡等过程。Lee JY等[44]研究发现,电针刺激水沟和阳陵泉穴可下调胶质纤维酸性蛋白和细胞内JNK通路相关分子的表达,认为电针可以通过调控 JNK信号通路达到抑制SCI后星形胶质细胞的活化增生的目的。Yune TY等[45]探究p38MAPK通路与SCI后小胶质细胞活的关系,并证实在p38MAPK信号通路异常活跃时,小胶质细胞加速分泌大量的参与SCI后抑制神经再生微环境的炎症介质。电针能有效下调损伤局部小胶质细胞浆内p38MAPK的磷酸化水平,抑制小胶质细胞的活化,减少神经细胞的凋亡和脱髓鞘的发生,促进神经再生[46]。

3 总结

综上,SCI后微环境平衡会遭到破坏,逐渐形成抑制神经再生的微环境,主要包括,①受损部位胶质瘢痕形成,CSPGs和GFAP表达增多,形成物理或化学屏障,限制神经的再生;②参与脱髓鞘的髓鞘相关蛋白抑制神经轴突的再生;③SCI后的神经受损部位,神经元缺失和分化受限,抑制神经再生;④SCI部位促神经再生的营养因子缺乏,促炎因子分泌增多导致神经元受损。

电针能从多方面改善抑制神经再生的微环境,促进神经元的再生,并且所涉及到的通路也逐渐受到学者的关注,但SCI后的病理机制十分复杂,涉及到的信号传导往往错综复杂。因此,在未来的研究中,只有进一步加深电针对SCI发病机制的探讨才能有助于制定基于机制的精准的电针干预策略,从而更好地促进受损的神经功能恢复,帮助SCI的患者获得更好的结局。