骨形態(tài)發(fā)生蛋白在急性脊髓損傷發(fā)病機制中的研究進(jìn)展

劉 禹(綜述)，余化霖，李經(jīng)輝(審校)

(昆明醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院神經(jīng)外二科，昆明 650500)

急性脊髓損傷是一種極其嚴(yán)重的神經(jīng)系統(tǒng)創(chuàng)傷，雖然臨床工作者竭盡全力地?fù)尵戎委?，降低了病死率，但神?jīng)損傷后的功能恢復(fù)仍不能令人滿意，脊髓損傷包括原發(fā)性損傷和繼發(fā)性損傷。繼發(fā)性損傷指脊髓受損后，損傷局部水腫、炎性反應(yīng)、局部缺血、缺氧等血管、電解質(zhì)、生化的改變，以及能量代謝的紊亂對脊髓在原發(fā)性損傷后產(chǎn)生的毒害作用。了解繼發(fā)性脊髓損傷的分子機制，對于脊髓損傷的治療具有重要意義。骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic proteins，BMPs)于1965年由Urist[1]在脫鈣骨基質(zhì)的成骨研究中發(fā)現(xiàn)，是一種低分子量的糖蛋白。在動物的生長發(fā)育過程中，BMPs及其受體幾乎遍布動物機體的各個臟器，具有誘導(dǎo)細(xì)胞分化、增殖等各種功能[2]，與中樞神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展也有密切的關(guān)系[3]。較多的動物實驗研究證明[4]，BMPs信號系統(tǒng)可能促進(jìn)炎性反應(yīng)，抑制神經(jīng)軸突再生而導(dǎo)致神經(jīng)功能異常。

1 BMPs信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路

成熟的BMPs通過聯(lián)系BMP受體(bone morphogenetic protein receptor，BMPR)的旁分泌與自分泌發(fā)揮作用。BMPs是一種二聚化合物，而BMPR是一種四聚化合物，由Ⅰ型與Ⅱ型絲氨酸/蘇氨酸亞單元激酶受體組成[5]。當(dāng)受體鑲嵌在細(xì)胞膜上時，BMPs與其中一個受體亞單元發(fā)生聯(lián)系，與另一個受體結(jié)合成復(fù)合物，每一種BMPs與固定的受體相結(jié)合。如BMP2和BMP4優(yōu)先于Ⅰ型受體(BMPRⅠa/Alk3和BMPRⅠb/Alk6)和Ⅱ型受體(BMPRⅡ)。BMPRⅡ是一種持續(xù)活性激酶，與配體結(jié)合后通過轉(zhuǎn)磷酸作用同時激活Ⅰ型受體。Ⅰ型受體使細(xì)胞內(nèi)的靶點磷酸化后調(diào)節(jié)它們下游的因子。三種BMPR(BMPRⅠa、BMPRⅠb、BMPRⅡ)并不是同時表達(dá)，而是隨著其發(fā)展不斷變化。BMPRⅠa與BMPRⅠb盡管結(jié)構(gòu)相似，但是在哺乳類動物的神經(jīng)系統(tǒng)中有不同的表型。在原胚層形成以后，BMPRⅠa在神經(jīng)管增殖區(qū)域表達(dá)，而BMPRⅠb直到胚胎期第9日才在神經(jīng)管的背角中發(fā)現(xiàn)[6]。在胚胎的形成過程中，BMPRⅡ表達(dá)被限制在中樞神經(jīng)系統(tǒng)增殖區(qū)域內(nèi)[7]。而這三種受體也能夠在成人中表達(dá)，與其他兩種相比，BMPRⅠa表達(dá)更強。不同受體的表達(dá)形式代表著各自的功能，BMPRⅠa信號保持前體細(xì)胞的增殖與BMPRⅠb的表達(dá)。BMPRⅠb信號通過分化與凋亡阻滯有絲分裂的正常運行[8]。在胚胎后期與出生后，BMPs信號通路促使星形膠質(zhì)細(xì)胞(astrocytes，AS)的分化[9]。同樣，睫狀神經(jīng)營養(yǎng)因子-白血病抑制因子的細(xì)胞家族促使AS分化，它們是通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄活化(Janus kinase-signal transducer and activator of transcription,JAK-STAT)信號通路實施的[10]。JAK-STAT3與BMPs-Smad信號通路通過STAT3-p300/CREB結(jié)合蛋白-Smad1復(fù)合物激活膠質(zhì)纖維酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein,GFAP)因子，促使星型膠質(zhì)細(xì)胞的分化[11]。p300和CREB結(jié)合蛋白可使多元轉(zhuǎn)換因子之間相互作用，提高目標(biāo)基因的表達(dá)。白血病抑制因子和BMPs信號產(chǎn)生不同類型的AS，白血病抑制因子信號能促使GFAP與AS前體細(xì)胞的生成，而BMPs信號促使GFAP與AS的成熟，但是BMPs調(diào)節(jié)星型膠質(zhì)細(xì)胞生長的程度沒有統(tǒng)一認(rèn)識。Parr等[12]研究發(fā)現(xiàn)，BMP2可通過廣泛表達(dá)于神經(jīng)干細(xì)胞(neuralstemcell，NSCs)胞膜上及胞質(zhì)中的BMPR實現(xiàn)對神經(jīng)發(fā)育后期NSCs分化的多元性調(diào)控，從而導(dǎo)致內(nèi)源性殘留的NSCs向AS方向分化，進(jìn)而形成膠質(zhì)瘢痕，抑制神經(jīng)再生。

2 AS與膠質(zhì)瘢痕

AS是哺乳動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)分布最廣泛的一類細(xì)胞，也是膠質(zhì)細(xì)胞中體積最大的一種。用經(jīng)典的金屬浸鍍技術(shù)(銀染色)顯示此類膠質(zhì)細(xì)胞呈星形，從胞體發(fā)出許多長而分支的突起，伸展充填在神經(jīng)細(xì)胞的胞體及其突起之間，發(fā)揮支持和分隔神經(jīng)細(xì)胞的作用，膠質(zhì)瘢痕形成的基礎(chǔ)正是AS的活化。目前膠質(zhì)瘢痕對軸突再生的抑制作用已毋庸置疑，人們對AS活化后形成膠質(zhì)瘢痕并抑制軸突生長這一認(rèn)識已有較長的歷史。急性脊髓損傷發(fā)生后，損傷區(qū)周圍的細(xì)胞肥大、增生，不少學(xué)者報道早期激活增生的AS中神經(jīng)營養(yǎng)因子表達(dá)增高，這對神經(jīng)損傷后早期的神經(jīng)保護(hù)起到了積極作用，而損傷后期增生的膠質(zhì)細(xì)胞相互融合，最終形成膠質(zhì)瘢痕[13]。Sofroniew[14]研究報道，促進(jìn)AS活化的一系列生物分子包括神經(jīng)遞質(zhì)、細(xì)胞因子、代謝產(chǎn)物等。而AS在脊髓損傷以后會分泌有害因子，形成化學(xué)性膠質(zhì)屏障，影響神經(jīng)再生，阻礙軸突延長[13]。存在于脊髓損傷內(nèi)及周圍的AS可抑制軸突生長的蛋白聚糖表達(dá)，并且在瘢痕組織的形成中起主要作用[15]。膠質(zhì)細(xì)胞過度增生和膠質(zhì)瘢痕形成，會再次導(dǎo)致機械性障礙，影響軸突的再生與修復(fù)[16]。而對于膠質(zhì)瘢痕本身來說又可以形成微血管套，微血管受壓，影響局部的血液供應(yīng)[17]。最后的反應(yīng)性AS產(chǎn)生的一氧化氮，通過對大分子特別是DNA的修飾產(chǎn)生毒性作用，最終可導(dǎo)致神經(jīng)元發(fā)生遲發(fā)性壞死[18]。

3 BMPs在AS及膠質(zhì)瘢痕中的表達(dá)

3.1BMPs在脊髓損傷前后的分布 Setoguchi等[19]的研究證實，正常情況下成年哺乳動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的BMP2呈散在性低水平表達(dá)，但其表達(dá)在脊髓損傷后顯著上調(diào)。馬敏杰等[20]在研究大鼠脊髓免疫組織化學(xué)結(jié)果中提示，假手術(shù)組大鼠脊髓組織內(nèi)均有BMP2低水平散在表達(dá)；脊髓損傷各組脊髓組織中BMP2陽性細(xì)胞數(shù)均顯著增高，且以損傷后1 d時增高最為顯著，隨著時間延長其表達(dá)逐漸降低,但仍高于假手術(shù)組。進(jìn)一步證實了Setoguchi等[19]的研究結(jié)果。而張萌等[21]的研究再次發(fā)現(xiàn)，脊髓損傷后活化的AS表達(dá)的BMP7顯著增多，增多的BMP7作用于神經(jīng)系統(tǒng)中的前體細(xì)胞，使其向AS的方向分化，由于AS的大量增殖，促進(jìn)了反應(yīng)性膠質(zhì)炎及膠質(zhì)瘢痕的形成。BMP7的促進(jìn)神經(jīng)祖細(xì)胞向AS的分化，抑制了其向神經(jīng)元細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞的分化，抑制了神經(jīng)系統(tǒng)的修復(fù)和功能重建。

3.2BMPs在AS中的表達(dá)規(guī)律 脊髓損傷后BMPRⅠa在AS中表達(dá)，正常脊髓組織中，僅有少數(shù)AS表達(dá)BMPRⅠa，且表達(dá)較低，脊髓損傷后1～3 d，BMPRⅠa在AS表達(dá)顯著增加，但仍維持在較低水平，但損傷后第7日，表達(dá)顯著增強，強表達(dá)持續(xù)至損傷后30 d，此后至損傷后60 d下降[22]。脊髓損傷后能誘導(dǎo)BMPRⅠa在AS中強烈表達(dá)。這一發(fā)現(xiàn)也為進(jìn)一步研究BMPs信號的發(fā)生、發(fā)展機制提供了基礎(chǔ)。大鼠脊髓損傷模型中，BMP2促使局部神經(jīng)細(xì)胞信號的改變，增加膠質(zhì)瘢痕的形成，影響局部形態(tài)學(xué)改變與功能恢復(fù)[23]。而Parikh等[24]研究表明，BMPs的下游因子pSmad-1能調(diào)控和支配背根神經(jīng)節(jié)軸突的生長,下調(diào)這種信號通路能降低神經(jīng)軸突的生長潛力，在成年的背角神經(jīng)元中激活pSmad-1能促使感覺神經(jīng)元的再生。也有研究發(fā)現(xiàn)，大幅上調(diào)的BMP2可通過調(diào)控BMPs信號通路誘導(dǎo)內(nèi)源性NSCs分化為AS，而AS促進(jìn)了膠質(zhì)瘢痕形成，進(jìn)而抑制神經(jīng)再生。Sahni 等[25]研究發(fā)現(xiàn)，在脊髓損傷急性期，BMPR Ⅰa和BMPR Ⅰb可抑制AS反應(yīng)性肥大，而在后期通過剔除BMPR Ⅰb基因小鼠中膠質(zhì)瘢痕顯著減弱。

這些研究均表明，BMPs能促使AS的增生、抑制神經(jīng)再生并阻止神經(jīng)功能的恢復(fù)。因此，研究BMPR在正常脊髓中的表達(dá)，以及脊髓損傷后BMPR的表達(dá)改變，進(jìn)一步闡明BMPs細(xì)胞信號在脊髓損傷與修復(fù)中的功能作用有重要意義。

4 抑制BMPs對膠質(zhì)瘢痕的影響

Noggin蛋白最早是由Smith等[26]于1992年從非洲爪蟾的胚胎中分離得到的，由于將其mRNA注射入爪蟾的胚胎，可使頭部明顯增大因而命名“頭蛋白”。Noggin的神經(jīng)誘導(dǎo)功能主要與其對BMPs的抑制作用有關(guān)，Noggin蛋白能直接與BMPs結(jié)合,抑制BMPs功能[27]。對于AS的活化及膠質(zhì)瘢痕的形成有著極為密切的關(guān)系。Noggin的神經(jīng)誘導(dǎo)功能與拮抗BMP4和BMP2的作用相關(guān)，Noggin與BMP2/BMP4的作用存在相應(yīng)的結(jié)合位點，由于Noggin阻滯BMP2/BMP4與其相應(yīng)的受體結(jié)合，抑制BMPR信號體內(nèi)通路，誘導(dǎo)神經(jīng)組織的形成。體外研究發(fā)現(xiàn)，Noggin能夠誘導(dǎo)從胚胎干細(xì)胞獲得的神經(jīng)管樣結(jié)構(gòu)向前腦分化[28]。Hampton等[29]研究發(fā)現(xiàn)，特異性抑制因子Noggin可以競爭性地與BMPRⅠ、BMPRⅡ結(jié)合從而抑制BMPs轉(zhuǎn)導(dǎo)通路、阻斷BMP2誘導(dǎo)內(nèi)源性NSCs分化為AS。孫弦等[30]在構(gòu)建了Noggin基因的真核表達(dá)載體中，分離培養(yǎng)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)，通過脂質(zhì)體轉(zhuǎn)染Noggin基因進(jìn)入BMSCs內(nèi)轉(zhuǎn)錄表達(dá),誘導(dǎo)BMSCs分化為神經(jīng)元樣細(xì)胞。免疫細(xì)胞化學(xué)技術(shù)檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)誘導(dǎo)后細(xì)胞中均出現(xiàn)神經(jīng)元特異性烯醇化酶、微管相關(guān)蛋白2等表達(dá)，誘導(dǎo)后細(xì)胞中GFAP陰性表達(dá)，說明誘導(dǎo)后細(xì)胞具有成熟神經(jīng)細(xì)胞的特征，并不具備神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞特點；而反轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈反應(yīng)結(jié)果提示分化細(xì)胞表達(dá)神經(jīng)細(xì)胞功能基因神經(jīng)細(xì)胞黏附分子、生長相關(guān)蛋白43、突觸素1，但GFAP闕如進(jìn)一步提示Noggin有誘導(dǎo)BMSCs分化神經(jīng)元樣細(xì)胞的功能。因此，通過某種途徑抑制BMPs信號可以發(fā)揮神經(jīng)誘導(dǎo)的作用，進(jìn)而減少膠質(zhì)瘢痕的形成，也為神經(jīng)功能恢復(fù)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。最近研究發(fā)現(xiàn)，在脊髓損傷區(qū)周圍的少突膠質(zhì)細(xì)胞和AS的BMP2/4表達(dá)增加，而鞘內(nèi)注射BMPs拮抗劑Noggin卻可增加自發(fā)活動并出現(xiàn)顯著的皮質(zhì)脊髓束再生，提示BMP2、BMP4可抑制中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷后軸突再生，同時也提示Noggin在脊髓損傷后具有重要的促進(jìn)神經(jīng)再生作用[3]。

5 結(jié) 語

脊髓損傷病理生理機制非常復(fù)雜,隨著近年來研究的不斷深入，人們對其發(fā)病機制認(rèn)識得越來越明確，膠質(zhì)瘢痕的形成對中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷后神經(jīng)結(jié)構(gòu)和功能的重建起到了嚴(yán)重的阻礙作用。BMPs信號通路在其中的作用受到重視，針對BMPs的抑制性治療可以達(dá)到減少膠質(zhì)瘢痕形成的目的。抑制膠質(zhì)瘢痕形成是促進(jìn)神經(jīng)再生的關(guān)鍵，然而抑制膠質(zhì)瘢痕產(chǎn)生是否一定能促進(jìn)軸突生長將是今后研究的目標(biāo)。

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