脊髓損傷后膠質瘢痕形成的研究進展

鞏朝陽，劉開鑫，向高，張海鴻

蘭州大學第二醫院骨科，甘肅蘭州市730030

脊髓損傷是一種常見且具有破壞性的中樞神經系統(central nervous system,CNS)損傷性疾病，會引起不可逆的運動和感覺功能障礙，以及膀胱、腸道和性功能的喪失，導致生活質量顯著降低。對于脊髓損傷后的治療，目前依然沒有確切有效的治療方案。病理上，在嚴重脊髓損傷后，由于局部微環境的變化，星形膠質細胞轉化為反應性星形膠質細胞并發生劇烈的形態變化，與脊髓中的其他細胞一起參與膠質瘢痕的形成[1]。脊髓損傷后期膠質瘢痕的形成被大多數學者認為是阻礙哺乳動物CNS軸突再生和功能恢復的主要原因，膠質瘢痕中反應性星形膠質細胞產生的硫酸軟骨素和硫酸角質素蛋白聚糖是產生抑制性作用的主要分子。對膠質瘢痕的研究可能是將來治療脊髓損傷的另一個重要方向。本文就脊髓損傷后膠質瘢痕的形成及相關作用進行綜述。

1 膠質瘢痕細胞來源

創傷性脊髓損傷會使病灶區域形成瘢痕組織，包括纖維化瘢痕和膠質瘢痕[2]。膠質瘢痕的形成通常被稱為反應性星形膠質細胞增生，包括星形膠質細胞肥大、增殖、遷移以及星形膠質細胞表達的膠質纖維酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein,GFAP)、波形蛋白和巢蛋白的上調增加[3]。輕度星形膠質細胞增生通常不會發生顯著的增殖活動，這種類型的反應被稱為“同構性膠質增生”，可見于化學損傷、軸突切開術或輕度損傷。這些變化可以通過減弱上游信號分子的觸發效應來逆轉[4-5]。嚴重脊髓損傷后，隨著時間的推移，反應性星形膠質細胞表現出強烈的GFAP表達、明顯的肥大和一定程度的增殖，這些顯著變化導致星形膠質細胞個別區域的破壞并導致組織變形，還伴隨明顯的星形膠質細胞增殖。在此階段，形成包圍脊髓損傷中心的膠質瘢痕[6]。形成膠質瘢痕的星形膠質細胞主要有兩個來源。一是接近于病變區近端對細胞骨架蛋白有明顯上調作用，形成新的具有干細胞特性的星形膠質細胞祖細胞[7]。在急性脊髓損傷后的數小時內，Zhao等[8]發現許多增殖的膠質祖細胞與GFAP+的星形膠質細胞共同表達神經膠質抗原2(neuron-glial antigen 2,NG2)，這表明NG2+的祖細胞可能是反應性星形膠質細胞的一個來源。二是從遠端區域遷移到病灶部位的星形膠質細胞[9]。

星形膠質細胞是最豐富的神經膠質細胞，在CNS中扮演著重要的角色。生理狀態下，在發育和成人CNS中，參與處理、轉移及存儲神經元信息、引導神經元的發育、遷移及分化，介導突觸功能及可塑性，參與血脊柱屏障的形成及維護和提供能量等[10-13]。脊髓損傷后，星形膠質細胞的活化及反應性膠質細胞增生參與神經可塑性和CNS再生的各個方面[14-15]。

2 反應性星形膠質細胞增生的信號機制

脊髓損傷后膠質瘢痕形成的相關分子機制尚未完全闡明，星形膠質細胞參與膠質瘢痕形成涉及多個過程。本文僅介紹有關反應性星形膠質細胞增生的信號機制。

2.1 結構蛋白的上調及介導星形膠質細胞肥大

結構蛋白是形成細胞骨架結構的一部分，決定細胞形態和死亡率。反應性星形膠質細胞中結構蛋白的上調誘導星形膠質細胞骨架的重組，導致這些細胞肥大[16]。脊髓損傷后，反應性星形膠質細胞GFAP的表達比正常的星形膠質細胞上調，此外，波形蛋白和巢蛋白也表現出上調[17]。反應性星形膠質細胞增生的部分特征是免疫反應性GFAP的上調和星形膠質細胞肥大[18]。在敲除GFAP和波形蛋白表達的位點后，脊髓損傷小鼠未觀察到星形膠質細胞的活化和膠質瘢痕形成，這表明兩種結構蛋白都能補償彼此的功能，脊髓損傷后神經膠質瘢痕的形成需要增加GFAP和波形蛋白的表達[19]。

2008年Herrmann等[20]提出信號傳導及轉錄激活因子3(signal transducers and activators of transcription 3,STAT3)信號傳導參與脊髓損傷后星形膠質細胞結構蛋白的調節。在刪除細胞因子和生長因子信號轉導子STAT3的脊髓損傷小鼠中，與對照組相比，來自STAT3-/-的小鼠表現出GFAP上調減弱，星形膠質細胞肥大受阻以及脊髓損傷后膠質細胞瘢痕形成中斷。2013年Wanner等[21]提出脊髓損傷成熟膠質瘢痕邊界主要由新增的星形膠質細胞、圍繞炎癥細胞及纖維化的膠質細胞和其他細胞構成。從脊髓損傷星形膠質細胞中選擇性刪除STAT3，結果顯示星形膠質細胞進入瘢痕邊界及膠質細胞圍繞炎癥細胞的過程失敗，并且出現這些細胞的擴散和神經元的損失。

2.2 星形膠質細胞的增殖

靜息狀態下，成年大腦中的星形膠質細胞處于不增殖的狀態。嚴重脊髓損傷后，靜止狀態下的星形膠質細胞重新進入細胞周期[6]。星形膠質細胞的增殖是促成膠質瘢痕形成的一個重要方面，但星形膠質細胞增殖有關的信號傳導依然沒有明確的闡述。

2014年Hong等[22]通過刪除Dicer1基因編碼成熟miRNA產生所需的酶，來觀察Dicer1缺乏的反應性星形膠質細胞在脊髓損傷后小鼠中增殖，結果顯示Dicer缺乏的星形膠質細胞增殖被阻斷。通過對miR-17-5p在體外對反應性星形膠質細胞增殖作用的觀察，指出miR-17-5p模擬物能夠挽救Dicer缺乏星形膠質細胞的增殖缺陷，并且通過JAK/STAT3途徑由白血病抑制因子(leukemiainhitory factor,LIF)啟動反應性星形膠質細胞增殖。

膜聯蛋白A2(annexin A2,ANXA2)是Ca2+依賴性結合磷脂的蛋白，參與CNS的發育。2017年Chen等[23]發現在脊髓損傷后的大鼠ANXA2表達顯著上調，并且呈現動態變化。雙重免疫熒光染色顯示，用于評估細胞增殖的增殖細胞核抗原(proliferating cell nuclear antigen,PCNA)出現在許多表達ANXA2的細胞中；敲低脊髓損傷后星形膠質細胞ANXA2表達，導致脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)刺激后PCNA表達增加，表明ANXA2在炎癥后抑制星形膠質細胞增殖。

2.3 星形膠質細胞的遷移

在內皮素(endothelin,ET)、凝血酶和轉化生長因子-β1(transforming growth factor-β1,TGF-β1)等因子的刺激下，反應性星形膠質細胞發生遷移，導致它們在受損部位累積，從而形成膠質瘢痕[24-25]。

轉錄因子CCAAT增強子結合蛋白δ(human CCAAT/enhancer binding protein deta,C/EΒPδ)是對炎性因子有反應的基因調節蛋白。2016年Wang等[26]實驗發現，與C/EΒPδ正常小鼠相比，C/EΒPδ缺陷小鼠在脊髓損傷后28 d顯示膠質瘢痕形成減少，并且在體外白細胞介素(intertleukin,IL)-1β刺激后，反應性星形膠質細胞中C/EΒPδ的表達增加且抑制小G蛋白(ras homolog gene family,member A,RhoA)的表達，隨后抑制星形膠質細胞遷移。

Ski是一種進化保守的蛋白質，廣泛分布于各種組織和物種中的多功能轉錄調節因子。2017年Zhou等[27]首次發現Ski在脊髓損傷后的小鼠反應性星形膠質細胞中表達顯著上調。2017年Zhao等[28-29]又發現，在脊髓損傷小鼠中，當Ski被小干擾RNA(siRNA)敲低時，LPS誘導的星形膠質細胞的遷移減弱，這表明Ski在星形膠質細胞遷移中發揮重要作用。同時，當Ski被完全沉默時，GFAP的表達水平下降。Ski對星形膠質細胞遷移的調控作用可能是通過間接或直接抑制GFAP。

2.4 膠質瘢痕的形成

脊髓損傷后約14 d左右，大量增生的星形膠質細胞定向遷移到脊髓損傷區，與侵入病變區的成纖維細胞相互交織，形成膠質瘢痕。腫瘤壞死因子-α刺激基因6(tumor necrosisfactor alpha stimulated gene-6,TSG-6)能夠響應炎性細胞因子刺激迅速上調，保護組織免受炎癥的破壞。2016年Coulson-Thomas等[30]實驗發現，TSG-6僅在成熟大鼠的大腦和脊髓中由GFAP+和CD44+的星形膠質細胞表達。在脊髓損傷的大鼠中TSG-6表達急劇上調，并且TSG-6蛋白存在于膠質瘢痕內，表明TSG-6參與膠質瘢痕的形成并賦予抗炎特性。Chen等[31]指出，CAP-Gly結構域的細胞質連接蛋白3(CAP-Gly domain containing linker protein 3,CLIP3)在脊髓損傷第3天表達達到峰值，CLIP3和STAT3染色陽性細胞數量之間存在相關性，證實CLIP3在脊髓損傷后與STAT3相互作用，共同參與膠質瘢痕的形成。

3 膠質瘢痕對神經元軸突的影響

脊髓損傷后，反應性星形膠質細胞增生，形成膠質瘢痕，參與炎癥、免疫反應以及對神經元軸突再生產生影響。在CNS損傷后，受損軸突不能再生的主要原因是膠質瘢痕中反應性星形膠質細胞分泌的硫酸軟骨素和硫酸角質素蛋白聚糖的沉積，對神經元再生產生抑制作用[32-33]。2016年Anderson等[7]提出，膠質瘢痕的形成不是造成嚴重損傷后成熟CNS軸突再生的主要原因。星形膠質細胞可以支持在發育期或成熟CNS損傷后神經元軸突的生長[34]。嚴重的CNS損傷后，只有當形成瘢痕的星形膠質橋出現時，成熟神經元的軸突生長程序基因才會激活，引起損傷CNS的軸突再生[35-36]。目前，大多數學者認為，在CNS損傷后的急性期，膠質瘢痕可以通過預防炎性細胞和各種炎性因子的擴散，從而減輕損傷區組織炎性反應及保護原來完好的組織免于繼發性損傷[14,37]；后期，由于膠質瘢痕的形成，對神經元軸突再生構成障礙及釋放多種抑制性因子，如RhoA、硫酸軟骨素蛋白聚糖(chondroitin sulphate proteoglycan,CSPG)、人蛋白酪氨酸磷酸酶受體S(human protein tyrosine phosphatasereceptor type S,PTPRS)等[38-39]。

4 總結

嚴重脊髓損傷后運動及感覺功能的恢復依然是患者康復的重要指標，但目前仍沒有完善、明確、有效的治療方案。近年來，對于脊髓損傷后影響神經元再生的研究逐漸增多，但涉及的病理機制依然不夠明確。對嚴重脊髓損傷后膠質瘢痕形成機制及作用的研究，可能為將來嚴重CNS損傷后神經功能的恢復帶來希望。

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