腦缺血后運動療法的神經再生與血管再生機制

翟志永，馮娟

神經元在傳統意義上被看作哺乳動物中樞神經系統最重要的細胞，因為它是神經傳導的基本單位，神經元的死亡或功能障礙都會引起腦功能的缺失[1]。因此，神經保護在邏輯上成為治療的目的。然而，目前幾乎所有卒中后神經保護3期臨床試驗沒有證實對患者有益，提示單純拯救神經元是不夠的[2]。近年來提出的“神經血管單元（neurovascular unit，NVU）”的概念強調神經與血管之間的相互作用，突出血管再生在神經修復中的重要作用[3-4]。

1 神經再生與血管再生

成年人中樞神經系統中存在兩個神經再生功能的腦區[5]：室管膜下（subvenricular zone，SVZ）和海馬齒狀回的顆粒下層（subgramilar zone，SGZ）。Arvidsson等[6]研究發現，缺血性卒中能刺激SVZ和SGZ的神經細胞再生。這些成神經細胞不斷生成直到卒中后4個月，它們可以發育成成熟的神經元并通過釋放神經營養激素和其他因子來維持神經元存活[7]。

成年腦血管系統在正常條件下是穩定的，在病理情況下（如卒中）可以反應性激活重構[8]。成年血管重構包括由成熟內皮細胞產生的血管再生（從已有血管生長出毛細血管）和由內皮祖細胞（endothelial progenitor cells，EPCs）生成血管的血管新生。血管再生主要通過以下途徑發揮作用：首先，生長因子的表達可提高半暗帶區內皮細胞、膠質細胞和神經元的存活[9-10]；其次，新血管形成有助于清除壞死組織[11]；另外，這種促血管生成狀態創建了“血管龕”結構，血管龕有助于神經干細胞產生和遷移[12]。

近年來對神經元、膠質細胞和血管內皮細胞、周細胞等組成的復合體——NVU[13]成為卒中后病理生理、藥物治療等方面的研究熱點。NVU中神經元、膠質細胞和血管內皮細胞之間通過細胞-細胞間信號、神經血管偶聯等機制，共同調節神經遞質的動態平衡，維護血-腦屏障的穩定。腦缺血損傷修復階段，NVU中多種細胞之間又通過偶聯、串話（crosstalk）等方式共同參與神經血管的重塑[14]。在NVU中，新生的不成熟的神經干/祖細胞與重構的血管密切關聯，新生血管促進神經修復過程（神經再生和突觸發生），進而促進神經功能的恢復[15-16]。而神經再生也可能促進血管再生[17]。

2 運動療法的作用機制

運動療法是以中樞神經系統可塑性為基礎發展起來的一種康復治療技術，是指利用器械、徒手或患者自身力量，通過某些運動方式（主動或被動運動等），使患者獲得全身或局部運動功能、感覺功能恢復的訓練方法[18]。血管再生在運動療法中的作用越來越重要。2.1 運動療法與腦的可塑性和功能重組 Nudo等[19]使用皮質內微電極刺激的方法在成年松鼠猴體內研究了腦損傷后皮質重組的情況，結果顯示，松鼠猴患側前肢訓練后可促進明顯的皮質功能重組，特別是缺血區周圍的皮質功能重組。Traversa等[20]應用局部經顱磁刺激圖探討了慢性卒中患者在強制性運動治療后腦的可塑性改變，發現治療后運動閾值無變化，但運動誘發電位（motor evoked potential，MEP）波幅明顯增高，皮質運動輸出區擴大，興奮區重心轉移，提示手皮質運動區的興奮性升高和鄰近中樞的再募集，這和癱瘓肢體運動功能的提高一致。Kim等[21]采用功能磁共振成像（functional magenetic resonance imaging，fMRI）研究5例慢性卒中患者接受強制性運動療法（constraint induced movement therapy，CIMT）治療前后運動網絡的激活情況，所有患者治療后上肢功能都得到了顯著改善，3例患者治療后在損傷對側大腦半球主要運動區有激活現象，另外2例患者損傷同側的皮層運動區和輔助運動區激活增加。Levy等[22]利用fMRI觀察到，2例患者治療前僅在病變側半球出現散在的激活點；CIMT治療后，病變邊緣可見大量激活區，而且在病變同側感覺運動區、補充運動區、運動前區，甚至病變對側半球都可見到廣泛的激活。這些研究提示CIMT能明顯促進腦損傷后的功能重組和神經再生。運動無論對于功能性的可塑性還是結構上的可塑性都是非常重要的。

從細胞分子水平探討運動療法對腦缺血后神經再生相關機制的研究較少。有研究發現，腦缺血后的為期3周的CIMT可使大鼠腦內基質細胞衍生因子-1（stromal cell derived factor 1，SDF-1）蛋白的表達明顯上調[23]。離體實驗證實SDF-1能夠通過抑制Rho激酶活性來促進神經元軸突延伸[24]。膠質細胞生成的神經軸突生長抑制劑A（neurite outgrowth inhibitor-A, Nogo-A）、髓鞘相關蛋白、少突膠質細胞髓鞘糖蛋白等均能抑制受損神經元軸突的再生。上述各種物質在與Nogo受體結合后激活Rho激酶而發揮其抑制作用[25-26]。注射Nogo信號下游分子Rho激酶的小分子抑制因子Y27632于脊髓損傷部位可導致類似于Nogo或其受體失活時觀察到的促再生效應[27]。Zhao等[28-29]發現CIMT顯著降低梗死周圍皮質Nogo-A及RhoA的表達。

2.2 運動療法與血管再生 運動維持和改善腦血流灌注的方式包括側支循環的建立和微血管再生。越來越多的證據表明，運動鍛煉可能對腦血管病、血管性癡呆起到預防作用[30-31]。腦缺血前運動可通過很多機制誘導腦對缺血的耐受，包括上調血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）、刺激血管和神經再生等機制[32]。側支動脈向外生長所致的“動脈生成”也參與到運動所致的血管生成過程。

動物實驗表明運動能促進大鼠齒狀回的神經和血管再生[33]。Pereira等[34]應用MRI顯示運動也能增加成人齒狀回的腦血容量，而皮質腦血容量的增加與缺血后血管再生有相關性[35]。規范的運動鍛煉可影響NVU中神經和血管再生間的復雜作用，能增強腦神經血管網絡的功能。有研究發現[36]，運動療法能減小大腦中動脈閉塞大鼠腦缺血后的梗死體積，降低其神經功能缺損程度，減輕腦損傷。并且，這與內皮型一氧化氮合酶（endothelial nitric oxide

synthase，eNOS）表達增加、一氧化氮依賴的血管舒張及局部腦血流量增加有關。大鼠卒中后運動能促進血管再生和改善長期的神經功能預后，而且抑制內皮的NOS或血管生成效應會消除運動鍛煉對神經修復的有益作用[37]。運動療法還能通過降低大鼠細胞間黏附分子1（intercellular adhesion molecule 1，ICAM-1）的表達導致腦源性神經營養因子（brainderived neurotrophic factor，BDNF）過表達來抑制炎癥損傷[38]。還有研究表明，大鼠在急性腦缺血之前的自發運動鍛煉可增加VEGF水平，后者可激活eNOS。短期的運動鍛煉即能增加人血液循環中EPCs的數量[39]，大鼠4周的鍛煉就可導致持久的循環EPCs增加[40]。Gertz等[37]通過大鼠大腦中動脈缺血再灌注模型發現運動能促進循環中的EPCs進入缺血區，通過血管再生和血管舒張來增加微血管的密度和腦血流量，改善長期的預后。運動訓練還能促進有缺血癥狀的患者循環中趨化性細胞因子受體4（chemotaxis cytokines receptors 4，CXCR4）的表達，后者可促進和提高EPCs進入內皮網絡[41]。

目前大量研究表明，EPCs、VEGF、BDNF等的表達可能會從細胞分子水平闡明腦缺血后血管再生的相關機制。腦缺血損傷是解剖結構上的，而其功能恢復卻可通過運動鍛煉重新獲得。因此，現代神經發育理論已不再將注意力集中在損傷的部位和喪失的功能上，而是強調什么功能尚保留，什么功能可通過訓練重新獲得。運動療法不受窄的時間窗的限制，能使更多患者獲益。運動療法通過刺激卒中后修復機制可以促進內源性神經干細胞的激活、血管再生、神經軸突的再生，有可能達到治療缺血性腦損傷的目的，但各種細胞因子之間具體的誘導過程，以及還有哪些神經遞質和神經傳導途徑參與神經功能恢復，還有待進一步研究。

1 于頻. 系統解剖學[M]. 4版. 北京:人民衛生出版社,1999:264.

2 Ginsberg MD. Neuroprotection for ischemic stroke: past, present and future[J].Neuropharmacology, 2008, 55:363-389.

3 陳萍, 陳立云, 王擁軍. 缺血性卒中的神經血管單元保護研究進展[J]. 中國卒中雜志, 2007, 2:1003-1008.

4 Navarro-Sobrino M, Rosell A, Hernandez-Guillamon M, et al. A large screening of angiogenesis biomarkers and their association with neurological outcome after ischemic stroke[J]. Atherosclerosis, 2011, 216:205-211.

5 Hagg T. From neurotransmitters to neurotrophic factors to neurogenesis[J]. Neuroscientist,2009, 15:20-27.

6 Arvidsson A, Collin T, Kirik D, et al.Neuronal replacement from endogenous precursors in the adult brain after stroke[J].Nat Med, 2002, 8:963-970.

7 Thored P, Arvidsson A, Cacci E, et al.Persistent production of neurons from adult brain stem cells during recovery after stroke[J]. Stem Cells, 2006, 24:739-747.

8 Greenberg DA, Jin K. From angiogenesis to neuropathology[J]. Nature, 2005, 438:954-959.

9 Ding J, Cheng Y, Gao S, et al. Effects of nerve growth factor and noggin-modified bone marrow stromal cells on stroke in rats[J]. J Neurosci Res, 2011, 89:222-230.

10 Jiang WL, Zhang SP, Zhu HB, et al. Effect of 8-o-acetyl shanzhiside methylester increases angiogenesis and improves functional recovery after stroke[J]. Basic Clin Pharmacol Toxicol,2011, 108:21-27.

11 Manoonkitiwongsa PS, Jackson-Friedman C, McMillan PJ, et al. Angiogenesis after stroke is correlated with increased numbers of macrophages:The clean-up hypothesis[J]. J Cereb Blood Flow Metab, 2001, 21:1223-1231.

12 Petraglia AL, Marky AH, Walker C, et al.Activated protein C is neuroprotective and mediates new blood vessel formation and neurogenesis after controlled cortical impact[J]. Neurosurgery, 2010, 66:165-171.

13 Stroke Progress Review Group of National Institute of Neurological Disorders and Stroke.Report of the Stroke Progress Review Group of 2002[EB/OL]. http://www.ninds.nih.gov/about_ninds/groups.[2002-04-14](2014-03-20).

14 Palmer TD, Willhoite AR, Gage FH. Vascular niche for adult hippocampal neurogenesis[J]. J Comp Neurol, 2000, 425:479-494.

15 Beck H, Plate KH. Angiogenesis after cerebral ischemia[J]. Acta Neuropathol, 2009, 117:481-496.

16 Li Y, Chopp M. Marrow stromal cell transplantation in stroke and traumatic brain injury[J]. Neurosci Lett, 2009, 456:120-123.

17 Taguchi A, Soma T, Tanaka H, et al.Administration of CD34+cells after stroke enhances neurogenesis via angiogenesis in a mouse model[J]. J Clin Invest, 2004, 114:330-338.

18 中村隆一. 腦卒中康復[M]. 朱裕祥, 譯. 上海:華東師范大學出版社, 1994:89.

19 Nudo RJ, Wise BM, Sifuentes F, et al.Neursubsratees for the effects of rehabilitative training on motor recover following ischemic infarct[J]. Science, 1996, 272:1791-1794.

20 Traversa R, Cicinelli P, Bassi A, et al. Mapping of motor cortical reorganization after stroke:a brain stimulation study with focal magnetic pulses[J]. Stroke, 1997, 28:110-117.

21 Kim YH, Park JW, Ko MH, et al. Plastic changes of motor network after constraint-induced movement therapy[J]. Yonsei Med J, 2004, 45:241-246.

22 Levy CE, Nichols DS, Schmalbrok PM, et al. Functional MRI evidence of cortical reorganizition in upper-limb stroke hemiplegia treated with constraint-induced movement therapy[J]. Am J Phys Med Rehabit, 2001, 80:4-12.

23 趙傳勝, 戚其學, 趙珊珊, 等. 腦缺血后強制性運動療法對內源性神經干細胞及基質細胞衍生因子-1水平的影響[J]. 中國血液流變學雜志, 2007, 17:521-524.

24 Chalasani SH, Sabelko KA, Sunshine MJ, et al. A chemokine, SDF-1, reduces the effectiveness of multiple axonal repellents and is required for normal axon pathfinding[J]. J Neurosci, 2003,23:1360-1371.

25 Schwab ME. Nogo and axon regeneration[J]. Curr Opin Neurobiol, 2004, 14:118-124.

26 He Z, Koprivica V. The nogo signaling pathway for regeneration block[J]. Annu Rev Neurosci,2004, 27:341-368.

27 Fournier AE, Takizawa BT, Strittmatter SM. Rho kinase inhibition enhances axonal regeneration in the injured CNS[J]. J Neurosci, 2003, 23:1416-1423.

28 Zhao S, Zhao M, Xiao T, et al. Constraintinduced movement therapy overcomes the intrinsic axonal growth-inhibitory signals in stroke rats[J]. Stroke, 2013, 44:1698-1705.

29 翟志永, 聶瑩雪, 趙傳勝, 等. 強制性運動療法對大鼠腦缺血再灌注后神經修復及Rho激酶表達的影響[J].中國醫科大學學報, 2008, 37:295-298.

30 Rolland Y, van Kan GA, Vellas B. Healthy brain aging:role of exercise and physical activity[J].Clin Geriatr Med, 2010, 26:75-87.

31 Leung FP, Yung LM, Laher I, et al. Exercise,vascular wall and cardiovascular diseases:an update. Part 1[J]. Sports Med, 2008, 38:1009-1024.

32 Zhang F, Wu Y, Jia J. Exercise preconditioning and brain ischemic tolerance[J]. Neuroscience,2011, 177:170-176.

33 Vander Borght K, Kóbor-Nyakas DE, Klauke K, et al. Physical exercise leads to rapid adaptations in hippocampal vasculature:temporal dynamics and relationship to cell proliferation and neurogenesis[J]. Hippocampus, 2009, 19:928-936.

34 Pereira AC, Huddleston DE, Brickman AM, et al. An in vivo correlate of exercise-induced neurogenesis in the adult dentate gyrus[J].Proc Natl Acad Sci USA, 2007, 104:5638-5643.

35 Seevinck PR, Deddens LH, Dijkhuizen RM. Magnetic resonance imaging of brain angiogenesis after stroke[J]. Angiogenesis,2010, 13:101-111.

36 Endres M, Gertz K, Lindauer U, et al.Mechanisms of stroke protection by physical activity[J]. Ann Neurol, 2003, 54:582-590.

37 Gertz K, Priller J, Kronenberg G, et al.Physical activity improves long-term stroke outcome via endothelial nitric oxide synthasedependent augmentation of neovascularization and cerebral blood flow[J]. Circ Res, 2006,99:1132-1140.

38 Ding YH, Young CN, Luan X, et al. Exercise preconditioning ameliorates inflammatory injury in ischemic rats during reperfusion[J]. Acta Neuropathol, 2005, 109:237-246.

39 Rehman J, Li J, Parvathaneni L, et al. Exercise acutely increases circulating endothelial progenitor cells and monocyte/macrophagederived angiogenic cells[J]. J Am Coll Cardiol,2004, 43:2314-2318.

40 Laufs U, Werner N, Link A, et al. Physical training increases endothelial progenitor cells,inhibits neointima formation, and enhances angiogenesis[J]. Circulation, 2004, 109:220-226.

41 Sandri M, Adams V, Gielen S, et al. Effects of exercise and ischemia on mobilization and functional activation of blood-derived progenitor cells in patients with ischemic syndromes:results of 3 randomized studies[J].Circulation, 2005, 111:3391-3399.