脊髓损伤后神经修复与再生研究进展

李鹏飞，高 枫

(1.延安大学医学院；2.延安市人民医院，陕西 延安 716000)

脊髓损伤(SCI)是由创伤、肿瘤或炎症等因素导致的脊髓完整性和连续性受到破坏，从而引起机体运动、感觉及自主功能障碍的疾病[1]。目前，全球范围内数百万人遭受着脊髓损伤带来的痛苦[2]。大多数脊髓损伤患者终生会出现功能障碍，这主要是由于鼻端和尾脊髓之间的白质束断开。SCI的生物学和功能修复需要轴突再生，重新连接到尾/鼻神经元并形成新的神经回路以恢复信号传导[3]。成年哺乳动物中枢神经系统中成熟神经元固有生长能力的降低、受损区域神经系统重塑困难及髓鞘再生能力薄弱是导致脊髓损伤修复失败的最主要因素。因此，本文主要针对脊髓损伤后神经元生长、神经系统重塑及髓鞘再生方面分子机理的研究进展进行综述。

1 神经元生长及再生

SCI后白质束断开是功能缺陷的基础。分化的神经元建立轴突生长程序，将轴突延伸至其细胞靶标并与适当的细胞靶标形成突触连接是功能修复的基础。如在培养的视网膜节细胞(RGC)[4]中，成熟的神经元的生长能力下降，并且在轴突切开后它们的轴突无法再生。近年来，已经报道了许多分子通过靶向多种信号传导途径和机制来调节成熟神经元的轴突生长能力，从而成为中枢神经系统损伤后神经修复的分子靶标。

1.1 肝激酶B1(LKB1)和单磷酸腺苷激活激酶(AMPK)途径

LKB1是一种主激酶，可靶向多种其他酶，包括AMPK和AMPK相关的蛋白激酶。LBK1对于介导细胞生长、代谢和细胞极性(包括轴突形成和发育过程中的分支)至关重要。激活LKB1是促进中枢神经轴突再生的高效策略。腺相关病毒2型(AAV2)载体在感觉运动皮层中过表达LKB1促进成年小鼠SCI后大量CST轴突再生[5]。通过全身注射突变体AAV9载体上调神经元中LKB1的特异性表达，可以刺激成年小鼠的尾脊髓长距离CST纤维再生。LKB1的皮质内或全身病毒传递促进SCI小鼠运动功能的恢复。因此，LKB1是SCI的重要治疗分子靶标。

1.2 PI3K和mTOR途径

PI3K/Akt途径对于调节轴突的形成和延伸至关重要[6]。由于磷酸酶(PTEN)通过使磷酸肌醇底物去磷酸化来抑制Akt活性。小鼠中PTEN的缺失会激活Akt途径，并刺激视网膜神经节细胞和皮质脊髓束(CST)轴突的再生[7]。损伤两天后，用选择性PTEN拮抗肽进行全身治疗，可通过增加运动评分、后肢运动和减少网格行走误差，促进SCI数周后小鼠尾脊髓中运动轴突的再生长并恢复运动功能。用双过氧钒(PTEN和其他蛋白酪氨酸磷酸酶(PTP)抑制剂)进行损伤后治疗，对中枢神经(CNS)损伤后的恢复具有有益作用[8]。同时，核糖体S6激酶抑制轴突生长，其选择性抑制剂可增强轴突向病变内外生长，并改善CST轴突横断后的功能恢复[9]。

1.3 转录因子(TF)

许多TF，包括ATF3，cAMP，c-myc，HIF-1α，cJun，Kruppel样因子(KLF)，Smad1，Sox11，STAT3，精氨酸酶1和与生长相关的蛋白质(GAP-43，CAP-23和SPRR1a)改变再生相关基因的表达并促进成熟神经元的再生[10]。尽管对神经元功能的理解不完全，但最近的研究支持其他几种TF在调节CNS神经元再生中的关键作用。信号转导和转录激活因子3(STAT3)的激活可能通过调节生长相关基因和细胞骨架蛋白的转录来促进视神经再生[11]。促进神经元生长的TF可能会相互作用。例如，p53结合STAT3、KLF6、Myc、ATF3、CREB、HIF1A和SMAD1，而STAT3结合KLF4、ATF3、SMAD1、p53和HIF1A。KLF4可能通过与STAT3相互作用并抑制其再生来抑制轴突再生。

1.4 跨膜和膜结合蛋白

通过其配体溶血磷脂酸活化溶血磷脂酸受体1抑制了轴突的生长[12]。敲除膜蛋白Rab27b，在脊髓横断后促进横纹肌束的生长和运动功能的恢复[13]。Cacna2d2基因编码的电压门控钙通道的Alpha2delta2亚基可抑制轴突生长。敲除或抑制Alpha2delta2能有效促进SCI后成年小鼠神经突触延伸和轴突再生[14]。

1.5 细胞骨架蛋白和线粒体转运

研究显示靶向细胞骨架和线粒体分子能有效治疗中枢神经系统病变。调节细胞生长的细胞外和细胞内分子最终会聚在细胞骨架蛋白肌动蛋白和微管(MT)上。某些维持微管稳定的化合物能抑制蛋白介导CNS轴突再生。Fidgetin是一种微管切断蛋白，可通过防止微管不稳定域的延长来抑制轴突生长。它的敲除或敲低促进硫酸软骨素蛋白聚糖(CSPG)的生长，并进一步促进受伤的感觉轴突穿过背根进入区进入脊髓[15]。抑制非肌肉肌球蛋白II有助于轴突的肌动蛋白和微观重组生长，在SCI后促进轴突再生[16]。在病变部位使用紫杉醇(一种经FDA批准的抗癌药)可通过减少TGFβ信号传导和疤痕形成来改善脊髓轴突再生和功能恢复。埃博霉素B(另一种临床抗癌药物)的全身给药可通过诱导协同的微管聚合进入轴突尖端并通过消除极化和形成疤痕的成纤维细胞迁移来抑制疤痕形成，从而促进轴突延长和功能恢复。由于轴突的再生需要局部产生的能量，线粒体转运蛋白也是神经元再生的重要蛋白。Armcx1的过表达改善了成年小鼠中线粒体的转运，促进RGC的存活和再生[17]。

2 神经系统重塑

轴突再生和病变周围受损神经回路的重新塑造对于恢复失去的功能至关重要。脊髓不完全损伤后，动物和患者都表现出自发的功能恢复，这至少部分归因于原脊神经元(PSN)网络的重组[18-19]，PSN中继连接绕过病灶形成神经元回路。Neuropilin-1是Sema3A的受体，在SCI后介导CST修剪和功能恢复。它的敲除或敲低能抑制SCI后的运动恢复[20]。此外，最近的研究表明，多种方法的联合使用可刺激PNS轴突进入多余的神经组织，并在病变之间传递电生理传导[21]。多种生长因子(成纤维细胞生长因子2，表皮生长因子和神经胶质来源的神经营养因子)与骨桥蛋白、IGF1和睫状源性神经营养因子结合使用能有效增强神经可塑性。

3 髓鞘再生

髓鞘的轴突再生是SCI后神经修复的重要表现。在SCI后数小时至数周，大量少突胶质细胞(OLs)通过凋亡而死亡(峰值水平：SCI后3～7 d)。OLs非常容易受到各种病理状况的影响，例如缺血、氧化损伤、炎症和兴奋性毒性。SCI后会发生脱髓鞘，髓鞘再生需要少突胶质前体细胞(OPC)激活，募集，分化和髓鞘化，并且受到许多外在和内在调节剂(细胞因子，神经营养蛋白，TF和髓磷脂调节因子)的严格控制。

3.1 细胞因子和神经营养蛋白

许多细胞因子和营养因子促进OPC增殖，OL分化和髓鞘再生。通常，损伤后炎症会清除髓磷脂碎片并刺激髓鞘再生。某些细胞因子(IL-1β和TNFα等)和TLR的激活增强了病变周围的OPC募集，分化和髓鞘再生。除神经胶质细胞外，白细胞和小胶质细胞还产生许多神经营养因子，包括神经调节蛋白1(Nrg1)、癌调节蛋白、骨桥蛋白、血小板衍生的生长因子、表皮生长因子、成纤维细胞生长因子-2、CNTF、激活素A、神经胶质衍生生长因子、内皮素2、IGF-1和BDNF。其中，Nrg-1与各种神经胶质细胞上的ErbB2/3受体相互作用，并通过Erk1/2和Stat3信号传导调节其功能。SCI后促进Nrg-1分泌，从而通过上调抗炎因子(IL-10和精氨酸酶-1等)并下调促炎性因子(IL-1β、TNFα、一氧化氮等)来保护病变周围的神经组织并促进功能的恢复。

3.2 跨膜受体

许多细胞外和细胞表面成分(轴突引导线索和髓磷脂轴突生长抑制剂的受体)能调节OPC/OL功能和影响髓鞘的再生。Sema4D及其受体plexinB1之间的相互作用抑制OPC分化，并用其抗体(称为VX15/2503)阻断后能明显促进OL的形成和髓鞘再生。Sema7A能抑制OL迁移到病变区域，因此阻断其功能也可能促进髓鞘再生。Lingo-1是一种富含跨膜亮氨酸的重复蛋白，被称为NgR1的共受体，可抑制OPC成熟和髓鞘形成。Lingo-1抗体在临床前研究中显示出多种有益作用，包括增强不同CNS病变模型中的髓鞘再生[22]。槲皮素是一种靶向γ-分泌酶介导的裂解的Notch抑制剂，可改善不同CNS脱髓鞘模型中的髓鞘再生。

3.3 组蛋白去乙酰化酶

组蛋白去乙酰化酶(HDAC)在OL分化中起着关键作用，但在中枢神经系统损伤后，暂时阻断HDAC通常具有神经保护作用。在脱髓鞘模型中，HDAC抑制可以减少炎症并增加髓鞘再生。HDAC抑制剂丙戊酸盐和甲状腺素(T3前体)抑制CD4+T细胞向CNS的浸润。TrichostatinA(另一种广泛的HDAC抑制剂)在EAE啮齿动物中显示出相似的有益作用。HDAC抑制剂丁酸钠还可以通过抑制炎症和增强OL的发生来防止脑缺血模型中的OL丢失。

3.4 miRNA

miRNA通过靶向多种基因来调节OL分化和髓鞘形成[23]。研究表明，Dicer1缺失会中断miR219和miR338介导的正常CNS髓鞘形成。miR219通过沉默SOX6、FOXJ3和锌指蛋白238促进OPC分化。miR338通过抑制HES5、SOX4和SOX6刺激OPC分化为成熟的OL。miR-219和miR-338通过靶向抑制性Lingo1和Etv5协同增强OPC向成熟OL的分化[24]。

4 结论

脊髓损伤的病理非常复杂，包括原发性损伤后神经组织的继发性损伤，神经元和神经胶质的丧失，疤痕的形成以及病变周围轴突束的永久性断开。目前，研究人员在开发各种治疗策略方面取得了令人瞩目的进展，但很少进入临床应用。SCI患者的治疗仅限于早期手术减压，严格的血压控制和少量类固醇药物可供选择。了解损伤机制(例如炎症，自噬和线粒体功能障碍)方面的最新进展有助于开发新颖有效的神经保护策略。近年来，随着研究人员对脊髓损伤的进一步研究，在脊髓损伤后神经元生长，神经系统重塑和髓鞘再生上获得了一定进展，这为脊髓损伤的治疗策略及药物开发提供了一定的基础。