內源性保護在脊髓損傷中的研究進展

文應丹 劉礦嬪

脊髓損傷具有致殘率高的特點，會造成細胞和神經功能損傷，進而影響患者的感覺能力或運動能力，最終導致截癱或四肢癱瘓。全球有200萬～300萬人患有與脊髓損傷相關的殘疾。脊髓損傷的病理生理學機制是復雜的，對于治療脊髓損傷最關鍵的就是了解其復雜的病理生理機制[1-3]。在此基礎上運用內源性保護性機制，能夠為臨床治療脊髓損傷提供新線索。

1 脊髓損傷病理生理學機制

最初，研究總結脊髓損傷的病理生理學可分為急性撞擊或壓迫。急性撞擊造成脊髓震蕩，這種類型的損傷多發生在灰質，并導致出血性壞死，細胞內鈣的增加和再灌注損傷在細胞損傷中起關鍵作用，并且在發生在損傷早期。壞死的程度取決于創傷受到的力量大小，是否涉及壓迫、血流受阻及藥物的使用情況；當腫塊撞擊脊髓導致實質壓力增加時，就會發生脊髓壓迫。組織反應發生在白質，包括神經膠質增生、脫髓鞘和軸突受損、血管源性水腫。血管源性水腫加劇脊髓實質內壓力上升，最終導致功能障礙的快速進展[4]。現在的脊髓損傷指原發性和繼發性損傷。原發性損傷多由于機械暴力所造成；繼發性損傷基于原發性損傷，多見脊髓實質中的炎性因子造成的組織的水腫、缺血低氧、壞死等現象[5]。

1.1 血脊髓屏障（blood spinal cord barrier，BSCB）

脊髓損傷中的繼發性損傷造成脊髓病變，影響脊髓功能，繼發性損傷引起微血管變化，這種變化的機制與BSCB密切相關[6]。

BSCB是血液和脊髓實質之間的物理屏障，可防止毒素、血細胞和病原體進入脊髓，并在脊髓環境中嚴格控制化學平衡。脊髓的脈管系統在脊髓損傷和修復中起著至關重要的作用。損傷中心的血管破裂和剪切，以及周圍組織中BSCB破裂的血管會導致出血和炎癥，從而導致整體組織損傷。穩定的BSCB，促進新血管形成是脊髓修復的關鍵治療靶點[7-8]。

BSCB中細胞的主要成分是星形膠質細胞（AS）和微血管內皮細胞（MEC）[9]。脊髓神經損傷的大鼠能夠表現出明顯的星形膠質細胞活化，同時活化區域出現明顯的白蛋白滲漏，相應脊髓節段的BSCB功能缺陷[10]。

脊髓損傷后灰質和白質的主要BSCB超微結構變化包括含有自噬體的空泡內皮細胞、線粒體增大的周細胞變性、星形膠質細胞末端變性和血管周圍水腫。這些成分密切相互作用，形成功能性“神經血管單元”。內皮細胞和其他細胞之間的交流增強了屏障功能，從而維持和完善了中樞神經穩態[11]。

1.2 炎癥

脊髓損傷會誘發炎癥的級聯反應，激活星形膠質細胞、小膠質細胞和中性粒細胞、巨噬細胞浸潤，釋放炎性細胞因子、趨化因子、氧自由基等。實際上，研究表明在損傷早期炎癥可以抑制膠質形成等積極反應。炎癥細胞的各種表型在神經保護和損傷中起到不同作用，也間接展示了脊髓損傷的復雜性[12-13]。

1.3 細胞死亡

目前認為至少有3種細胞死亡方式參與了脊髓神經損傷：包括細胞凋亡、細胞壞死和自噬性細胞死亡[14]。細胞凋亡被認為在急性脊髓損傷的繼發性損傷中具有主要作用，大量神經元細胞凋亡會影響脊髓損傷的自我修復[15]。

壞死較晚出現在脊髓繼發損傷，脊髓受傷后，BSCB遭到破壞，會出現出血、水腫、細胞毒物聚積、炎癥細胞浸潤等過程直至完成壞死[16]。壞死性凋亡不同于傳統的壞死和細胞凋亡，它是一種新興的程序性壞死。探討壞死性凋亡與脊髓損傷后細胞死亡發病機制之間的關系相關研究較為少見。

脊髓損傷后細胞自噬的研究成為近來的研究熱點，自噬與繼發性損傷密切相關。Kanno等[17]發現脊髓損傷后細胞自噬的激活，該研究在體內外實驗中表明脊髓損傷后早期細胞自噬顯著激活。自噬雖已被視為緩解脊髓損傷發病機制的治療靶點，但是脊髓損傷后自噬激活的時空模式是矛盾的。只有進一步的研究才能明確自噬的治療性激活或抑制是否對脊髓損傷臨床模型的總體結果有益，自噬與細胞凋亡之間的相互作用也需要更多研究來證明[18]。目前，一項在大鼠脊髓損傷的薈萃分析中也表示自噬的調節可以改善神經功能，但是無論自噬上調或下調在脊髓損傷治療中沒有差異[19]。研究結果的差異可能與研究方法不同、脊髓損傷后自噬特征缺乏明確定義、自噬監測技術有限等有關。因此，應規范方法，并在未來的研究中關注自噬的動態調節。

2 內源性保護在脊髓損傷中的研究進展

2.1 保護性因子

內源性神經營養因子（endogenous neurotrophic factors，ENTFs）家族可以調節神經元生長、存活和分化[20]。趙彥平[21]的研究認為受傷脊髓中神經細胞可分泌神經生長因子（NGF），參與調節脊髓損傷后的修復功能。張峽等[22]研究認為內源性神經營養因子3（NT-3）能促進損傷脊髓內的感覺神經元形態和功能修復，有利于脊髓可塑性修復。同樣，Dong等[23]的實驗證明脊髓損傷后脊髓腹側角和背角NT-3和神經營養因子4（NT-4）陽性神經元數量增加，提示內源性NT-3和NT-4在不同時間對感覺和運動神經元在脊髓損傷修復中的作用。鄧盤月等[24]發現脊髓完全橫斷后原肌球蛋白受體激酶B（TrkB）和腦源性神經營養因子（BDNF）的表達逐漸增加，并在第21天達到峰值，第28天恢復正常水平。這兩個因子的變化為脊髓后再生修復機制提供實驗依據。

堿性成纖維細胞生長因子（bFGF）具有神經營養作用。脊髓損傷后內源性bFGF增加了神經元的存活率。bFGF的保護作用與下游信號磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）/蛋白激酶B（Akt）/糖原合成酶激酶（GSK）的激活有關[25]。趙斌[26]的研究發現內源性音猬因子對成年大鼠急性脊髓損傷后神經再生具有重要的作用，為脊髓損傷的治療提供了更多線索。

2.2 腺苷

脊髓損傷后腺苷釋放可能提供神經保護反饋的假設。在脊髓損傷后立即檢測到腺苷的大量釋放。Zhang等[27]通過觀察大鼠脊髓損傷后內源性腺苷的變化，結果發現脊髓損傷后腺苷表達顯著增加，腺苷濃度在受傷后1 h達到峰值，然后降至基礎水平。腺苷升高與脊髓損傷嚴重程度呈正相關。內源性腺苷的變化可能參與繼發性脊髓損傷的病理過程，可能對脊髓損傷起保護作用。

2.3 5-羥色胺

Huang等[28]的最新研究表明斑馬魚脊髓中內源性的5-羥色胺參與的促進神經軸突再生修復的機制。研究認為脊髓內特定水平的5-羥色胺能可以增強重建哺乳動物脊髓運動回路的潛力。體外研究表明，5-羥色胺受體激動劑促進神經突延長和培養的神經元的分支；利用斑馬魚脊髓損傷模型及其顯著的再生能力，在體內研究5-羥色胺受體對特定脊髓中間神經元軸突再生的影響，通過基因敲除，證明了5-羥色胺受體的缺失損害了斑馬魚脊髓損傷后谷氨酸能興奮性中間神經元的軸突再生和運動功能的恢復。

2.4 谷胱甘肽

內源性谷胱甘肽（glutathione，r-glutamyl cysteingl+glycine，GSH）對急性脊髓損傷大鼠的氧化應激可能起到某種保護的作用。脂質過氧化（LPO）被認為是脊髓損傷后損傷擴散的主要因素[29]。在Lucas等[30]的研究中，通過大鼠脊髓損傷模型研究了損傷后內源性抗氧化劑GSH對LPO的影響，結果表明增加GSH可能是減少急性期脊髓損傷中LPO介導的損傷的有效策略。GSH在神經系統中發揮多種作用，包括自由基清除劑、離子型受體活性的氧化還原調節劑和可能的神經遞質，內源性GSH對脊髓損傷后的繼發性損傷具有重要的保護作用。

2.5 激素

神經系統損傷后，性別差異在損傷的發生發展及神經功能恢復方面具有不同效果，研究發現雌激素和孕激素對神經系統具有保護作用[31]。使用大劑量17-β雌二醇治療能夠通過調控內源性巰醇抗氧化物來改善運動功能，抑制細胞凋亡，從而減輕脊髓損傷程度。所以內源性17-β雌二醇也為臨床應用雌激素治療脊髓損傷提供理論依據[32]。大鼠急性脊髓損傷后脊髓內有大量的促紅細胞生成素和促紅細胞生成素受體生成，前者能減少自由基和脂質過氧化的損傷，抑制細胞凋亡，對繼發性脊髓損傷有保護作用；后者能夠作為神經保護作用的分子基礎[33]。

2.6 生存素

生存素（survivin）是凋亡抑制蛋白（IAP）家族的獨特成員，在胚胎發育過程中表達。survivin在細胞增殖和凋亡細胞死亡中的重要作用，以及神經系統損傷治療具有必要性。哺乳類動物急性脊髓損傷后survivin顯著表達提示內源性保護和修復相關機制發生，且其表達程度與脊髓損傷的程度呈正相關[34]。

2.7 熱休克蛋白27（HSP27）和腦紅蛋白（Ngb）

HSP27是脊髓損傷后產生的一種重要的內源性保護因子。在脊髓損傷早期誘導內源性HSP27上調，從形態學上可能激發和增強受損中樞神經的自我保護和自我修復[35]。HSP27及Caspase-3共表達可能在脊髓損傷后細胞凋亡表達的過程中防止繼發性損傷中發揮了重要作用[36]。

Ngb參與了脊髓損傷后星形膠質細胞的抗氧化應激，發揮內源性細胞保護作用。Ngb可以激活PI3K/Akt通路來抑制大鼠脊髓神經細胞的凋亡，因此對脊髓損傷發揮神經保護作用[37]。

2.8 內源性干細胞

神經干細胞包括內源性和外源性，其中，內源性神經干細胞源于個體內部。脊髓損傷后，內源性神經干細胞（endogenous neural stem cells，ENSCs）能分化成神經元促進脊髓愈合，但其分子機制沒有確切證據來充分說明。ENSCs為脊髓損傷的再生修復帶來希望。實驗證實，ENSCs存在于脊髓中央管以及其周圍。各種程度的脊髓損傷后，損傷部位的細胞表現出不同程度的增殖、遷移、分化等干細胞樣反應。但是在未經干預的狀態下，這些ENSCs遷移距離短，增殖有限，分化多見于膠質纖維酸性蛋白（GFAP）陽性的星形膠質細胞，而不是分化為功能性的神經元細胞來促進損傷的脊髓完全再生。因此，探究影響ENSCs增殖，分化的分子機制可為從分子水平上調控ENSCs以治療脊髓損傷提供理論依據與實驗依據[38]。

2.9 內源性信號通路

脊髓損傷后，內源性信號通路可以調控軸突再生，最常見的就是絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）信號通路和PI3K/Akt信號通路。它們在神經系統中可以促進細胞增殖，神經可塑性和細胞存活等[39]。

成人骨髓基質細胞（BMSC）在脊髓損傷的神經元中觸發內源性存活信號通路，介導對凋亡損傷的保護，這種功能恢復是通過增強受損神經元的營養支持和改善神經元可塑性而不是由骨髓來源的干細胞替代組織來介導的。此外，應激神經元和BMSC之間的相互作用進一步放大了觀察到的神經保護作用，這種保護作用是由于BMSC在受損脊髓中刺激內源性PI3K/Akt和MAPK信號通路介導的[40]。脊髓損傷后，內源性PI3K/Akt和MAPK信號通路的下游靶點被激活，即內皮一氧化氮合酶、糖原合酶激酶3、核因子-κB、細胞外信號調節激酶等，使神經元在損傷后存活。因此，這些發現表明內源性PI3K/Akt和MAPK信號通路在脊髓損傷中起關鍵作用，激活這兩條通路可以抑制神經元細胞凋亡，對繼發性脊髓損傷起到保護作用[41]。

3 內源性保護與外源性保護在脊髓損傷中的比較

內源性和外源性雌激素可對疼痛進行快速調節；雌激素可快速增強脊髓背角興奮性突觸傳遞，并對脊髓背角長時程增強（LTP）具有增強作用。內源性和外源性褪黑激素對脊髓損傷動物模型神經重建和功能恢復均是有益影響[42]。促進內外源性NTF表達，對脊髓損傷后運動和感覺神經功能的恢復具有積極意義。

多項研究指出聯合治療對于神經功能再生與恢復是非常有效的，比如細胞移植聯合外源性神經營養因子治療可以改善損傷區域的微環境[43]。在移植實驗中，注射外源性BDNF可促進移植細胞向神經元樣細胞分化；而內源性BDNF在細胞的增殖分化過程中也發揮重要作用。另外，聯合移植外源性bFGF、血管內皮生長因子（VEGF）對干細胞增殖和向神經元方向分化具有促進作用，細胞移植和細胞因子具有協同作用[44]。

由此可見，外源性及內源性因素大部分情況下以協同的方式在脊髓損傷中起到保護作用。但是，脊髓損傷區域抑制性微環境是阻礙軸突再生的重要因素。雖然神經干細胞移植取得了不錯的效果，但是外源性細胞存在倫理、細胞來源、免疫排斥、致瘤性等問題制約了臨床轉化。如何調控ENSCs已成為學者關注的焦點[45]。

內源性保護與損傷微環境狀態息息相關；外源性保護通過遺傳修飾后也顯示出了治療潛力。近年來，內外源性神經再生基因的相關研究，也為脊髓損傷后軸突再生的基礎和臨床研究提供新的研究方法。

綜上所述，內源性因素雖然不再作為單一的修復手段，但是依然是修復的核心環節。