局灶性腦缺血再灌注后神經發生及藥物對其作用的研究進展

相婕,許棟明,王文,云彩麟,張麗,艾厚喜,李林

長期以來,普遍認為成年腦內的神經元缺乏再生能力,變性導致的神經細胞丟失是永久性的,神經功能的損傷不可逆轉。20世紀60年代初,A1tman[1]首次觀察到成年腦內神經發生現象。90年代初,Reynolds等從成年小鼠腦紋狀體分離出能在體外不斷分裂增殖、具有多種分化潛能的細胞群,提出神經干細胞(neural stem cells,NSCs)的概念。Mckay進一步證實,NSCs具有分化為神經元、星形膠質細胞、少突膠質細胞的能力,能自我更新并通過增殖得以提供大量腦組織的細胞[2]。近年來,無數證據都顯示,中樞神經系統是一個有活力的、可塑性的系統。本文就神經發生的機制和影響因素及缺血后神經發生對神經功能的恢復及近幾年的發展進行綜述。

1 神經發生的機制

神經發生是指NSCs或神經先祖細胞在誘導因素下產生的新神經元。成年人腦區的神經發生具有個體成長的功能和治療的意義。NSCs是指存在于神經系統中能夠分化成神經元、星形膠質細胞、少突膠質細胞的特定神經前體細胞。干細胞具有兩種潛能,即自我更新(self renewal)和多方向分化(multi directional differentiation),能分化成神經元、星形膠質細胞和少突膠質細胞。正常情況下,成年哺乳動物腦內NSCs處于靜息狀態,在一定的信號刺激下(腦缺血缺氧損傷、氧化應激損傷、運動、腦組織的機械損傷、癲癇發作等),腦內和損傷部位的NSCs數量開始增加[3]。在中樞神經系統的發育過程中,神經發生可分成3個階段:①增殖:即新的細胞產生出來;②向目標區域遷移;③最終分化成為特定表型。卒中后神經發生一般都是在腦缺血后1周左右開始的,其常見部位有腦室下區(SVZ)、齒狀回顆粒下區(SGZ)、大腦皮層、室管膜、室管膜下和脈絡叢細胞等區域。局灶性腦缺血不僅可以使同側NSCs增殖分化,而且對對側NSCs也有作用。

2 神經發生的影響因素

對中樞神經系統(CNS)發育過程的研究顯示,NSCs的增殖、遷移和分化是其內在特性和外在環境因素,如生長因子、細胞外基質、細胞與細胞之間協同作用的結果,而腦缺血后神經發生可能存在與神經系統發育過程相似的分子機制[4-6]。但相對于周圍神經系統,成年CNS神經發生之所以更為困難,不僅僅是由于神經生長因子等的缺乏,還因為NSCs微環境中存在著神經發生的抑制因素,主要包括神經生長抑制因子的直接抑制作用、缺血損傷后期膠質瘢痕的機械屏障作用。

2.1 環境因素 環境刺激是成年大鼠神經發生的首要調節因素,與糖皮質激素的分泌及谷氨酸能作用有關。優良環境[7-10]可促使成年、老年大鼠和幼年小鼠海馬齒狀回(DG)神經發生,增加新生細胞顆粒的存活數量和神經元總數,可能與祖細胞的分化及細胞凋亡誘導祖細胞發生等有關。

2.2 遺傳因素 不同基因型小鼠DG新生細胞的繁殖存活和分化能力有明顯的差別,Kempermann等比較幾個品系發現,C57BL/6小鼠前體細胞的增生能力最強,CD1小鼠新生細胞的存活率最高,但129/SvJ型小鼠新生細胞分化為神經元的能力明顯低于其他品系[11]。

2.3 年齡 海馬的神經發生在整個成年期均得到證實,但隨著年齡的增加而下降。Yagita等報道,腦缺血后,盡管年輕和老年大鼠的SGZ均發生NSCs增殖,但老齡大鼠的增殖細胞數量迅速減少,只有年輕大鼠的 NSCs向神經元和星形細胞分化[12]。Chen等對 3、6、10、12、18月齡的大鼠造成大腦中動脈栓塞(MCAO)模型,分別觀察其神經發生,結果18月齡的大鼠比3月齡的大鼠神經發生的增殖細胞數明顯降低[13],這說明老齡化將使腦組織逐漸喪失支持神經發生細胞生存的環境,使腦組織支持神經祖細胞增生和分化的能力下降,從而阻礙神經發生。

2.4 神經遞質和受體 興奮性神經遞質谷氨酸和天冬氨酸可與NMDA受體結合產生興奮性突觸后電位,抑制性遞質γ氨基丁酸(GABA)可與GABA受體結合產生抑制性突觸后電位,從而直接影響神經元的活動。腦梗死后,由于NMDA介導的興奮作用增強和GABA介導的抑制作用減弱,引起興奮性和抑制性突觸功能不平衡。一方面,這有利于加強神經元之間的聯系,促進皮質功能的重建;另一方面,高興奮性又可能使腦組織對局部理化環境的變動更為敏感,更易于損傷。其他神經調節系統釋放的遞質,如藍斑(去甲腎上腺素)、基底核(乙酰膽堿)、中腦外側腳蓋(多巴胺)、中縫核(5-羥色胺)及氮氧化物對腦皮質突觸功能的動態調節可能也起作用。許多內源性和外源性物質,如雌二醇、腦源性神經營養因子(BDNF)、地西泮等能夠有效地調節GABA能中間神經元,引起樹突棘密度的改變,改善記憶和運動功能。另外,近年來發現,雌激素[14]和睪酮[15]減少腦梗死體積及促進神經發生的作用。

2.5 炎癥與凋亡 阿司匹林[16]可以減少腦缺血后NSCs的增殖。凋亡[17]也可能在神經發生中發揮作用。Ekdahl等發現,Caspase通路的抑制劑可降低海馬齒狀核凋亡的發生,同時可以增加該區增殖細胞的數量[18]。

2.6 基因調節 目前已經發現有幾條重要信號通路調控CNS的發生、發育、分化、成熟,如 Notch信號通路、PI3K/Akt信號通路、bHLH基因家族、POU同源盒基因家族等。腦缺血后可引起一系列基因的表達和激活,如熱休克蛋白、原癌基因c-fos基因家族、凋亡相關基因 Bcl-2、β-NGF及其受體 trkA2和p75NGFR等。另外,Wnt通路是細胞增殖分化的關鍵調控環節,在胚胎發育和腫瘤發生中起著重要作用,Wnt途徑參與基因表達調節、細胞遷移黏附、細胞極化等過程,同時還與其他信號通路存在交叉協同。Wnt/β-catenin通路在進化過程中高度保守,此通路的主要分子構成及相關調控機制已得到基本闡明。對神經系統而言,已有足夠證據顯示此通路參與對神經前體細胞增殖、分化以及決定細胞命運的調控。近年更有研究顯示,Wnt/β-catenin途徑對神經系統的發育包括皮層模式建立,突觸形成等也是至關重要的[19]。

2.7 內源性神經因子:腦缺血后神經發生的研究結果表明,許多因子影響NSCs/祖細胞的增殖、遷移和分化,促進增殖的因子有堿性成纖維細胞生長因子(basic fibroblastgrowth factor,bFGF)、表皮生長因子(epider mal growth factor,EGF)、轉化生長因子(TGF)、胰島素樣生長因子(IGF)-1、血小板源生長因子(PDGF)、睫狀神經營養因子(CNTF)、膠質細胞源性神經營養因子(GDNF)、神經白細胞素等;抑制增殖的因子有勿動蛋白(NOGO)等;誘向因子有 BDNF 、NT 4/5、Slits、崩潰蛋白(collapsin)等。側腦室灌注EGF和bFGF能擴增室下區的細胞群,增加到達嗅球的神經元數量,且EGF能增加星形細胞的分化;側腦室內注射重組 BDNF腺病毒能誘導成年動物前腦內的NSCs分化成新紋狀體和嗅球內的神經元[20]。Sun等在大鼠缺血模型中發現給予bFGF的大鼠于SVZ區有顯著的神經細胞的增殖和分化[21]。

3 藥物促神經發生

目前,缺血性腦損傷治療主要有:細胞治療、激活內源性神經因子與基因調節、減少炎癥與凋亡。

3.1 細胞治療 腦缺血的細胞治療是將外源性NSCs移植到病變腦組織,取代功能障礙的神經元和膠質細胞從而發揮治療作用。Takahashi等成功地將NPCs移植到MCAO大鼠中,并觀察到其神經發生作用[22]。

3.2 激活內源性神經因子與基因治療 細胞因子在NSCs發育過程中的作用越來越受到重視,其中,bFGF和EGF的作用尤為重要。Wada等腦池內注入bFGF,可使腦缺血大鼠雙側DG區BrdU(+)細胞數峰值較對照組明顯增加,大多數增殖細胞在21 d時表達NeuN[23]。Teramoto等將EGF持續泵入腦缺血小鼠側腦室(0.5 μ l/h),連續7 d,發現與未注入 EGF組相比,缺血區BrdU(+)細胞數顯著增加,且其作用具有劑量依賴性[24]。

3.3 減少炎癥與凋亡 腦缺血損傷過程中導致細胞凋亡的基本機制至少有3個:興奮性毒性、離子失衡、氧化硝基化應激和凋亡樣細胞死亡。激活NM DA受體可減少正常動物腦內DG的神經元再生,而給予受體拮抗劑可促進DG干細胞的增殖。Arvidsson等發現,NMDA受體拮抗劑MK-801可以完全阻斷缺血2 h引起干細胞增殖,認為這可能是因為抑制了某些生長因子[26]。MK-801不僅對腦缺血后NSCs的增殖產生影響,還能抑制海馬CA3區突觸素-1的表達,阻斷新的突觸形成,從而抑制新生細胞分化成熟。

另外,中藥對神經發生的影響也受到越來越多人重視。例如,周永紅等研究了中藥復健片對大腦缺血后巢蛋白的影響,認為巢蛋白是神經發生的重要的標記物,其陽性細胞表明有神經發生現象,實驗結果表明中藥復健片對局部缺血腦有促進神經發生的作用[27]。目前,對于中藥中提取單體的研究也有很多,如人參皂甙Rg1(ginsenoside Rg1)是人參(Panaxginseng C.A.Meyer)的一種活性成分,具有一定的營養神經及抗衰老作用,崔榮太等就人參皂甙 Rg1是否具有神經保護作用進行探討,認為其對局灶性缺血的大鼠有神經發生促進作用[28]。這就為新的神經保護藥的開發提供新的思路。但是,中藥存在多靶點的特點,仍需進一步研究確認其促神經發生作用。

4 展望

腦血管疾病嚴重影響人類身體健康,目前臨床治療手段眾多,但是真正療效確切的治療措施非常缺乏。成年動物神經發生給腦缺血疾病提供了極具希望的治療策略,并且已經越來越受到關注。目前研究的主要內容包括移植外源性的NSCs以及體內自身內源性NSCs及神經發生相關因子的激活。這些新的神經元可能通過與宿主腦的神經回路整合,接受神經傳入,表達神經遞質和對靶區的投射;也可以通過分泌神經遞質和生長因子促進原有神經細胞的生存。對于NSCs移植已有大量的研究,但是由于如上所述的諸多原因,到目前為止這些研究成果的應用仍然困難重重;相比較而言,近幾年出現的促進機體自身神經發生具有更大的可控性,并且給機體帶來的可以預見的不良反應明顯減少,這也是人們對成年個體神經發生研究的意義所在,大家已經很高興地看到,生長因子(如VEGF)通過促進神經發生對腦缺血的治療有了非常肯定的效果,其他化合物的研究也在不斷展開。藥物促進神經發生的機制主要在于激活內源性神經生長因子,抑制凋亡基因,抑制炎癥的發生等。但是同時我們也看到,成年個體神經發生的確切生理功能有待進一步研究,缺血以后出現的神經發生現象與腦功能恢復之間的關系并不非常明確,缺血以后的神經發生與相伴隨的血管生成之間的聯系也有待深入研究,相信這些問題的解決會給腦缺血疾病的治療帶來更大的契機。

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