低氧預處理與高氧預處理在脊髓損傷后神經保護作用的相關研究進展①

張雯秀，張妍，張衍軍，吳啟超，劉亞東，劉宗建，關云，陳學明,b

1.首都醫科大學附屬北京潞河醫院，a.中心實驗室；b.脊柱外科，北京市101149

脊髓損傷后通常會發生一系列病理變化，包括血管系統崩解、水腫、免疫細胞浸潤、炎癥反應、神經膠質增生/膠質瘢痕形成、細胞凋亡和死亡以及脫髓鞘等[1]。長期激活的淋巴細胞、小膠質細胞和巨噬細胞等免疫細胞可導致神經系統發生繼發性損傷，從而引起受損局部微環境發生改變，并阻礙中樞神經系統(central nervous system,CNS)中軸突的再生[2]。CNS損傷后引起的缺血缺氧、興奮性氨基酸毒性作用、自由基及炎癥反應是造成繼發性損傷的主要原因。由此將脊髓損傷分為急性脊髓損傷和慢性脊髓損傷。急性脊髓損傷主要由原發性機械損傷造成，主要病理特點包括神經元壞死、軸突變性和脫髓鞘等；慢性脊髓損傷主要由繼發性損傷引起，主要是膠質瘢痕、炎癥及囊腔空洞形成[3]。

低氧及高氧預處理是指機體預先經過短暫的低氧或高氧刺激，再恢復其正常氧狀態，并反復多次，使機體對低氧或高氧產生適應，提高機體對氧的耐受。目前針對脊髓損傷治療的研究主要集中于藥物保護、干細胞治療以及組織工程治療等方面，應用物理手段研究脊髓損傷的報道較少。本文綜述近幾年關于應用低壓氧及高壓氧預處理探討脊髓損傷后保護作用的文獻，探討其對神經元的影響及對脊髓的營養和保護作用。

1 低氧預處理

1.1 重復性間歇性低氧(repeated acute intermittent hypoxia,RAIH)

低壓氧預處理作為一種有效的物理防御手段，在脊髓損傷的研究中鮮有報道。Satriotomo等[4]提出RAIH能增加運動神經元中生長因子與營養因子的表達，從而誘導呼吸運動的可塑性及神經保護。可塑性可在多個控制呼吸的神經系統發生，包括腦干整合神經元、外周化學感受器和呼吸運動神經核[5-7]。Satriotomo等提出RAIH能作為提高運動神經元存活率和細胞移植的預處理手段之一。

在細胞水平上，間歇性低氧能改變突觸可塑性和神經保護關鍵分子的表達。研究RAIH誘導突觸可塑性最常見的模型是膈神經長時程易化(phrenic long term facilitation,pLTF)伴急性間歇性缺氧(acute intermittent hypoxia,AIH)模型，需要脊髓中5-羥色胺受體激活后，與腦源性神經營養因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)結合，形成5-羥色胺依賴綜合體[7]。RAIH能引起膈神經運動核中多種分子pLTF后表達增加，包括BDNF、高親和性受體和酪氨酸激酶受體B(tyrosine receptor kinase B,TrkB)等[8-9]。Lovett-Barr等[8]和 Prosser-Loose等[10]發現，持續每天進行AIH能改善頸脊髓損傷大鼠的前肢運動功能，效果能持續數周。

在CNS中，BDNF是強大的神經元興奮和突觸傳遞的調節劑[11]，物理運動能增加腦和脊髓中BDNF的表達，而BDNF表達增加能反應運動功能的變化[12]。RAIH成為能夠誘發脊髓中BDNF和TrkB表達，開始逐漸被關注。

1.2 低氧預處理

低氧預處理能有效提高移植后骨髓間充質干細胞(bone marrow mesenchymal stem cells,BMSC)的存活率，并對神經功能有保護作用，使干細胞移植到缺血組織后能更好抵抗缺血狀態；它能抑制血脊髓屏障和細胞凋亡，抑制組織缺血再灌注所造成的組織損傷，并上調缺氧誘導因子-1(hypoxia inducible factor-1,HIF-1)在脊髓組織中的表達[13]。這能成功提高BMSC中的細胞含量以及宿主細胞的存活率[14]。

BMSC能有效抑制脊髓缺血再灌注損傷[15]。一些體內和體外研究證明，低氧預處理可能提高BMSC對低氧環境的適應性，并增加其細胞活性，從而很好抑制細胞凋亡[16-18]；使其分泌多種細胞因子、趨化因子和生長因子，促進組織修復[19]。

血脊髓屏障能調節和限制大分子物質進入CNS，保持脊髓正常微環境。原發性損傷會造成血脊髓屏障受損并改變其蛋白滲透性，炎性物質能夠自由進入，從而誘發和加重脊髓損傷。在心肌細胞研究中，低氧預處理能增強心肌組織中BMSC的修復能力，促進血管生成[20]；低氧預處理的BMSC能夠有效抑制缺血組織中細胞凋亡[21]。

基因修飾的神經干細胞(neural stem cell,NSC)能被移植進受損的脊髓中，促進運動功能恢復[22]。Oh等[23]將NSC與骨髓基質細胞(marrow-derived stroma cell,MSC)共培養，在培養過程中采用低氧預處理，發現低氧預處理不僅能在體外促進MSC與NSC共培養細胞的存活及報告基因的表達，在體內也能起同樣作用。

1.3 急性間歇性低氧

呼吸功能不全是高頸段脊髓損傷后死亡的主要原因。雖然呼吸運動可以隨時間逐漸恢復，但其自主恢復能力有限。Golder等[24]發現，在慢性脊髓損傷中，間歇性低氧能在大多數患者中有效誘導呼吸功能恢復，同時誘發自主呼吸功能恢復。

Blight[25]的關注重點在于急性脊髓損傷后如何修復脊髓軸突，從而引導神經通路修復。脊髓損傷通常是不完全的，受損的運動系統中通常能觀察到未受損的軸突神經，并為神經軸突自發放電功能的恢復提供酶作用物。但在長期脊髓損傷患者中，這種自發功能恢復的治療方案幾乎不存在。

慢性脊髓損傷的發病機制復雜，目前一般認為細胞凋亡和死亡是造成慢性脊髓損傷的主要原因。間歇性低氧可以誘發脊髓5-羥色胺依賴的可塑性，通過pLTF加強突觸與運動神經元之間的聯系。在pLTF過程中，脊髓損傷后4～8周，由5-羥色胺支配的膈運動神經元發生明顯變化[24]。目前認為，間歇性低氧在急性脊髓損傷后是增強呼吸運動的最佳方法之一，為脊髓損傷后功能的恢復提供了一種新的潛在治療方式。

2 高壓氧

高壓氧能改善脊髓損傷后肢體活動，并延緩病變發生；在受損的神經組織中減輕繼發性炎癥反應，提高氧分壓，抑制細胞凋亡，并促進神經組織再生；同時它能改善組織缺氧狀態，上調細胞中的線粒體酶活性，使損傷細胞得到修復，并促進正常代謝反應；另外，高壓氧能有效抑制活化的小膠質細胞分泌炎癥因子，從而調節小膠質細胞介導的免疫反應[26-29]。

高壓氧具有保護脊髓中細胞結構與組織結構完整性的作用，縮短受損神經細胞的再生周期，并促進神經纖維再生。目前，高壓氧干預在脊髓損傷治療中的作用已經在多項試驗中被證實，這一治療方式還被廣泛應用于各種特殊事故及神經類疾病中，包括一氧化碳中毒、氣體栓塞、減壓病等[30]。

Lu等[31]將高氧預處理作用于脊髓損傷大鼠，同時利用低氧預處理作為對照，發現無論高壓氧預處理還是低壓氧預處理都能促進神經功能恢復，抑制細胞凋亡，促進軸突再生和運動行為的恢復，能作為神經外科手術有效的預防措施。目前，低氧和高氧已經被廣泛應用于保護中樞神經系統的研究中。

3 HIF-1和血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)

HIF-1由兩種亞基組成，通過泛素蛋白酶途徑發揮作用，在低氧條件下穩定存在并發揮功能，但在常氧狀態下快速降解；其亞型HIF-1b卻在常氧中趨于穩定。HIF-1能激活轉錄基因編碼VEGF、紅細胞生成素、糖酵解酶、葡萄糖轉運蛋白等。脊髓損傷后，這些蛋白能增加氧氣運送，促進代謝反應[32]。

VEGF轉錄可上調HIF-1在5'啟動子區與低氧反應元件結合。在大多數低氧環境中，HIF-1能介導VEGF上調。白質損傷及前肢癱瘓后16～20周內，大量細胞表達HIF-1，VEGF迅速增加。脊髓損傷后，VEGF和HIF-1的表達均明顯上調。體外研究表明，低氧預處理的BMSC能促進HIF-1分泌，提高細胞對低氧環境的適應性，從而達到神經保護作用[33]。

4 展望

預處理是一種內源性保護措施，在循環系統、神經系統、器官移植中具有重要的臨床價值。低氧預處理和高氧預處理對中樞神經缺血再灌注損傷的保護作用已經得到較好證明[34]。

目前脊髓損傷的治療研究仍然集中于探討藥物或干細胞，很少從物理角度，包括低氧或高氧方面深入探討其神經保護作用和機制。本文從對低氧、高氧及低氧后一些重要的標志性因子進行探討，試圖將物理性保護引入脊髓損傷的研究中，為脊髓損傷的治療開辟一條新的途徑。

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