MicroRNA和電刺激在周?chē)窠?jīng)再生修復(fù)中的研究進(jìn)展

高 博, 于鴻偉, 楊 霄, 劉 慶, 王 培

(1.承德醫(yī)學(xué)院, 河北 承德 067000 2.承德醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院手足外科, 河北 承德 067000)

1 miRNA參與周?chē)窠?jīng)再生

miRNAs是一類(lèi)由內(nèi)源基因編碼的,長(zhǎng)度約為22個(gè)核苷酸的單鏈非編碼小RNA分子,其主要通過(guò)與靶基因mRNA的3'非翻譯區(qū)(3'UTR)結(jié)合,導(dǎo)致靶基因的降解和翻譯抑制,在轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控基因的表達(dá),并在多種生理和病理過(guò)程中起到重要的作用[1,2]。雪旺細(xì)胞是外周神經(jīng)系統(tǒng)中的主要神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞,周?chē)窠?jīng)損傷后雪旺細(xì)胞被激活并轉(zhuǎn)化為修復(fù)表型,經(jīng)歷細(xì)胞重編程過(guò)程,遷移到神經(jīng)損傷部位幫助清除髓鞘和軸突碎片,引導(dǎo)軸突定向生長(zhǎng),為周?chē)窠?jīng)再生提供了良好的微環(huán)境,在神經(jīng)再生中具有重要的作用[3]。近年來(lái),研究表明,miRNAs在周?chē)窠?jīng)損傷后表達(dá)失調(diào),參與調(diào)控雪旺細(xì)胞增殖和遷移等的表型變化,從而影響周?chē)窠?jīng)損傷后修復(fù)[4]。

1.1miRNAs可促進(jìn)雪旺細(xì)胞的增殖和遷移:周?chē)窠?jīng)損傷后,miRNAs在神經(jīng)組織中表達(dá)失調(diào),失調(diào)的miRNAs可促進(jìn)雪旺細(xì)胞的增殖和遷移,加速神經(jīng)再生。Liu等在損傷的大鼠坐骨神經(jīng)節(jié)段中鑒定出了許多差異表達(dá)的miRNAs,其中miR-3099在損傷后表達(dá)上調(diào),EDU細(xì)胞增殖實(shí)驗(yàn)和Transwell小室實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示上調(diào)miR-3099的表達(dá)可促進(jìn)雪旺細(xì)胞的增殖和遷移。為了進(jìn)一步研究miR-3099調(diào)控雪旺細(xì)胞增殖和遷移的機(jī)制,研究者利用生物信息學(xué)等工具對(duì)miR-3099的潛在靶基因進(jìn)行了預(yù)測(cè),發(fā)現(xiàn)miR-3099以Aqp4、St8sia2、Tnfsf15和Zbtb16等作為靶基因,促進(jìn)雪旺細(xì)胞的增殖和遷移,參與周?chē)窠?jīng)再生修復(fù)[5]。研究表明,miR-sc14在大鼠坐骨神經(jīng)損傷后第1天表達(dá)顯著上調(diào)并在損傷后第7天表達(dá)呈下調(diào)趨勢(shì),體外EDU細(xì)胞增殖實(shí)驗(yàn)和Transwell小室實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,miR-sc14能夠促進(jìn)雪旺細(xì)胞的增殖和遷移。此外,采用生物信息學(xué)分析等發(fā)現(xiàn)成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子受體2可能是miR-sc14潛在的靶基因,表明miR-sc14可能通過(guò)調(diào)控成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子受體2實(shí)現(xiàn)對(duì)雪旺細(xì)胞的這種調(diào)控作用[6]。周?chē)窠?jīng)損傷后,miR-sc6在雪旺細(xì)胞中高度表達(dá),并通過(guò)負(fù)向調(diào)控ErB4的表達(dá)促進(jìn)雪旺細(xì)胞的增殖和遷移,進(jìn)而促進(jìn)周?chē)窠?jīng)再生修復(fù)[7]。揭示了miRNA調(diào)控雪旺細(xì)胞增殖和遷移的機(jī)制。

1.2miRNAs可調(diào)控雪旺細(xì)胞釋放神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子:miRNAs可調(diào)控雪旺細(xì)胞釋放神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子從而影響周?chē)窠?jīng)再生修復(fù)。腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(BDNF)有利于外周神經(jīng)再生,Sheng等研究發(fā)現(xiàn)大鼠坐骨神經(jīng)損傷后,在損傷神經(jīng)中發(fā)現(xiàn)miR-1和BDNF的時(shí)間表達(dá)譜之間具有負(fù)相關(guān)關(guān)系,且過(guò)表達(dá)或沉默分別抑制或增強(qiáng)了雪旺細(xì)胞中BDNF的分泌,同時(shí)也分別抑制或促進(jìn)了雪旺細(xì)胞的增殖和遷移,進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)miR-1通過(guò)與BDNF 3'-UTR端結(jié)合導(dǎo)致BDNF mRNA降解,抑制了雪旺細(xì)胞腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的釋放,進(jìn)而抑制了雪旺細(xì)胞的增殖和遷移[8]。

1.3miRNAs可調(diào)控神經(jīng)損傷后軸突再生:miRNAs可調(diào)控神經(jīng)軸突的再生,影響神經(jīng)損傷后的功能恢復(fù)。Zhu等在體外建立背根神經(jīng)節(jié)(DRG)神經(jīng)元miR-129過(guò)表達(dá)或沉默模型,運(yùn)用免疫熒光實(shí)驗(yàn)檢測(cè)軸突的再生,發(fā)現(xiàn)上調(diào)或下調(diào)miR-129的表達(dá)分別抑制或促進(jìn)了DRG神經(jīng)元的軸突生長(zhǎng),體內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)miR-129能夠抑制神經(jīng)損傷后軸突再生,雙螢光素酶實(shí)驗(yàn)證實(shí)胰島素樣生長(zhǎng)因子1(IGF-1)是miR-129的靶基因,IGF-1的表達(dá)上調(diào)可促進(jìn)DRG神經(jīng)元的軸突生長(zhǎng),表明神經(jīng)損傷后下調(diào)的miR-129促進(jìn)IGF-1的表達(dá),進(jìn)而促進(jìn)神經(jīng)軸突的再生[9]。Xin等建立體外DRG神經(jīng)元與雪旺細(xì)胞共培養(yǎng)系統(tǒng),其中DRG和基質(zhì)凝膠的混合物接種在下腔室,雪旺細(xì)胞接種在上腔室,共培養(yǎng)7天后,運(yùn)用共聚焦顯微鏡觀察DRG神經(jīng)元軸突的生長(zhǎng),結(jié)果發(fā)現(xiàn)雪旺細(xì)胞中miR-21的表達(dá)增加時(shí)促進(jìn)了神經(jīng)軸突的生長(zhǎng),即miR-21可促進(jìn)軸突的再生,體內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了miR-21能夠促進(jìn)神經(jīng)軸突的再生[10]。

1.4miRNAs是周?chē)窠?jīng)再生修復(fù)中重要的調(diào)控因子:丁香酸(SA)是體內(nèi)具有神經(jīng)保護(hù)活性的天然產(chǎn)物,Lin等采用600μM濃度的丁香酸處理雪旺細(xì)胞,EDU細(xì)胞增殖實(shí)驗(yàn)及Transwell小室實(shí)驗(yàn)顯示丁香酸可顯著促進(jìn)雪旺細(xì)胞的增殖和遷移。研究者進(jìn)一步利用miRNA微陣列分析識(shí)別了丁香酸處理雪旺細(xì)胞后差異表達(dá)的miRNA,發(fā)現(xiàn)有22個(gè)miRNAs表達(dá)下調(diào),4個(gè)miRNAs表達(dá)上調(diào),其中miR-451-5p表達(dá)下調(diào)且幅度最大,實(shí)驗(yàn)證實(shí)miR-451-5p可促進(jìn)雪旺細(xì)胞的增殖和遷移,表明丁香酸通過(guò)下調(diào)miR-451-5p的表達(dá)實(shí)現(xiàn)對(duì)雪旺細(xì)胞的表型調(diào)控[11]。天麻素(GAS)可顯著促進(jìn)周?chē)窠?jīng)再生,研究證實(shí)天麻素通過(guò)抑制miR-497以增加雪旺細(xì)胞中腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的(BDNF)的表達(dá)來(lái)促進(jìn)雪旺細(xì)胞的增殖遷移[12]。Xia等使用基于磁力的機(jī)械刺激(mechanical stimulation,MS)系統(tǒng)刺激雪旺細(xì)胞(SCs),并且從機(jī)械刺激的雪旺細(xì)胞(MS-SCs-EVs)和非機(jī)械刺激的雪旺細(xì)胞(SCs-EVs)中純化細(xì)胞外囊泡(EVs),發(fā)現(xiàn)MS-SCs-EVs在體外及體內(nèi)能夠促進(jìn)軸突伸長(zhǎng),研究發(fā)現(xiàn)miR-23b-3p與其靶基因神經(jīng)肽1(Nrp1)是其發(fā)揮作用的重要的信號(hào)通路[13]。綜上所述,周?chē)窠?jīng)損傷后機(jī)械刺激以及某些化合物如丁香酸、天麻素等同樣可以促進(jìn)周?chē)窠?jīng)損傷后修復(fù),其共同機(jī)制皆是通過(guò)改變miRNAs的表達(dá)水平所實(shí)現(xiàn)。

2 電刺激參與周?chē)窠?jīng)損傷修復(fù)的調(diào)控

電刺激療法是一種已知的可以促進(jìn)周?chē)窠?jīng)再生,加速神經(jīng)功能恢復(fù)的治療手段,早在2000年Al-Majed等就證明短暫(1h)低頻(20Hz)電刺激可加速損傷的周?chē)窠?jīng)再生修復(fù)[14]。截至目前,越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)電刺激可加速周?chē)窠?jīng)損傷后修復(fù),例如電刺激可促進(jìn)雪旺細(xì)胞的遷移,增強(qiáng)雪旺細(xì)胞釋放更多的神經(jīng)生長(zhǎng)因子等以及促進(jìn)神經(jīng)損傷后軸突再生和功能恢復(fù)等。

2.1電刺激可引導(dǎo)雪旺細(xì)胞向神經(jīng)損傷部位聚集:周?chē)窠?jīng)損傷后適當(dāng)強(qiáng)度的電刺激可以加強(qiáng)雪旺細(xì)胞的聚集,促進(jìn)周?chē)窠?jīng)再生。有研究者將雪旺細(xì)胞暴露在直流電場(chǎng)下(75mV/mm),觀察雪旺細(xì)胞的排列以及遷移變化,發(fā)現(xiàn)雪旺細(xì)胞沿著垂直于電場(chǎng)線的方向重新排列且以更高的平均速率(7.5μm/h)向陰極移動(dòng)[15]。這些數(shù)據(jù)表明當(dāng)周?chē)窠?jīng)損傷時(shí),可通過(guò)應(yīng)用直流電場(chǎng)誘導(dǎo)雪旺細(xì)胞向神經(jīng)損傷部位聚集,促進(jìn)神經(jīng)再生。

2.2電刺激可加速瓦勒氏變性并促進(jìn)雪旺細(xì)胞釋放神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子:周?chē)窠?jīng)損傷后修復(fù)主要經(jīng)歷瓦勒氏變性、修復(fù)雪旺細(xì)胞形成以及“神經(jīng)橋”的形成,其中瓦勒氏變性是在損傷后神經(jīng)遠(yuǎn)端發(fā)生的軸突壞死、髓鞘分解等的現(xiàn)象,瓦勒氏變性可在損傷部位產(chǎn)生較多的軸突及髓鞘碎片,阻礙神經(jīng)的再生[16]。因此,加速神經(jīng)損傷后瓦勒氏變性過(guò)程可促進(jìn)神經(jīng)再生。神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子在周?chē)窠?jīng)損傷后發(fā)揮重要的作用,有研究表明電刺激也可促進(jìn)雪旺細(xì)胞釋放神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子。大鼠坐骨神經(jīng)損傷后,在神經(jīng)遠(yuǎn)端提供電刺激治療,結(jié)果顯示電刺激可顯著促進(jìn)軸突和髓鞘碎片的清除以及神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的分泌,加速瓦勒氏變性,促進(jìn)周?chē)窠?jīng)再生[17]。Huang等利用具有對(duì)齊形貌的導(dǎo)電石墨烯基纖維支架模擬外周神經(jīng)再生的電生理環(huán)境,雪旺細(xì)胞被接種到該支架上,并在體外接受10mv的電刺激,結(jié)果發(fā)現(xiàn)電刺激可顯著促進(jìn)雪旺細(xì)胞神經(jīng)生長(zhǎng)因子(NGF)的釋放[18]。這表明電刺激促進(jìn)周?chē)窠?jīng)再生可通過(guò)促進(jìn)瓦勒氏變性和雪旺細(xì)胞釋放神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.3電刺激可加速神經(jīng)軸突再生并促進(jìn)功能恢復(fù):周?chē)窠?jīng)損傷后神經(jīng)軸突斷裂,神經(jīng)傳導(dǎo)功能喪失,導(dǎo)致該神經(jīng)支配區(qū)域的肌肉萎縮,影響患者的神經(jīng)功能恢復(fù)。電刺激已被證明可加速神經(jīng)軸突生長(zhǎng)并促進(jìn)神經(jīng)損傷后功能恢復(fù)。Junichi等在小鼠坐骨神經(jīng)損傷模型中應(yīng)用電刺激治療(10min和60min),與對(duì)照組相比,發(fā)現(xiàn)10min電激組和60min電激組均加速軸突再生,并促進(jìn)小鼠術(shù)后運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)[19]。重度的肘管綜合征患者在常規(guī)手術(shù)治療后通常預(yù)后不良,Hollie等進(jìn)行了一項(xiàng)隨機(jī)對(duì)照實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)共招募了31名患者,其中11名患者僅接受了肘管手術(shù),20名患者接受肘管手術(shù)和術(shù)后電刺激治療(1h 20Hz),術(shù)后第3年接受術(shù)后電刺激組的患者的復(fù)合肌肉動(dòng)作電位、手指的握力及捏力等均較對(duì)照組有很大的改善,這表明術(shù)后電刺激顯著增強(qiáng)了嚴(yán)重肘管綜合征手術(shù)后的肌肉再支配和功能恢復(fù)[20]。

3 miRNAs可能參與電刺激促進(jìn)周?chē)窠?jīng)損傷修復(fù)過(guò)程

電刺激可顯著促進(jìn)周?chē)窠?jīng)損傷后修復(fù),但其具體機(jī)制尚不完全清楚。如前所述某些化合物如丁香酸、天麻素以及機(jī)械刺激等可通過(guò)改變雪旺細(xì)胞中miRNAs的組成促進(jìn)周?chē)窠?jīng)再生,因此電刺激是否也可通過(guò)改變神經(jīng)殘端中miRNAs的組成來(lái)影響周?chē)窠?jīng)再生修復(fù)。近年來(lái)已有部分研究證實(shí)電刺激能夠改變神經(jīng)組織中miRNAs的組成調(diào)節(jié)周?chē)窠?jīng)再生。

在大鼠實(shí)驗(yàn)中電刺激可改變近端神經(jīng)殘端miRNAs的表達(dá)水平,其中miR-7b、miR-196a-3p、miR-881-3p、miR-743a-3p、miR-490-3p是表達(dá)差異相對(duì)較明顯的miRNAs,然后通過(guò)生物信息學(xué)軟件等進(jìn)行可能的靶基因預(yù)測(cè)及功能分析,發(fā)現(xiàn)HMGA2可能為miR-490-3p的靶基因,因此miR-490-3p可能通過(guò)靶向調(diào)節(jié)HMGA2參與電刺激促進(jìn)周?chē)窠?jīng)損傷的修復(fù)[21]。Xin等利用微陣列分析確定了電刺激治療后背根神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元(DRGNs)的miRNAs譜的變化,發(fā)現(xiàn)電刺激改變了16種已知miRNAs的表達(dá)變化,其中miRNA-363-5p的表達(dá)可被電刺激持續(xù)改變。在體外實(shí)驗(yàn)中沉默miR-363-5p可促進(jìn)神經(jīng)突起的生長(zhǎng),而上調(diào)miR-363-5p的表達(dá)則抑制了神經(jīng)突起的生長(zhǎng),研究證實(shí)電刺激促進(jìn)神經(jīng)突起生長(zhǎng)的潛在機(jī)制為miR-363-5p負(fù)調(diào)控雙皮質(zhì)樣激酶(DCLK)實(shí)現(xiàn)[22]。

通過(guò)建立大鼠坐骨神經(jīng)損傷模型并應(yīng)用電針電刺激環(huán)跳穴(GB30)和足三里(ST36),每日1次,每周6天,共4周,發(fā)現(xiàn)電針治療可下調(diào)局部損傷神經(jīng)組織中miR-1b的表達(dá)。在體外實(shí)驗(yàn)中,miR-1b可抑制腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的釋放,抑制雪旺細(xì)胞的增殖、遷移,促進(jìn)雪旺細(xì)胞的凋亡。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電針發(fā)揮促進(jìn)神經(jīng)再生作用依賴(lài)于miR-1b。這表明,電針促進(jìn)周?chē)窠?jīng)再生修復(fù)是通過(guò)下調(diào)miR-1b的表達(dá)水平實(shí)現(xiàn)。以上提示了miRNAs可能為電刺激促進(jìn)周?chē)窠?jīng)再生通路中重要的調(diào)控因子,揭示了電刺激促進(jìn)周?chē)窠?jīng)損傷修復(fù)可能的潛在機(jī)制。

4 總結(jié)與展望

周?chē)窠?jīng)損傷后的神經(jīng)再生以及功能恢復(fù)仍不理想,其治療方式的選擇依舊是難題。在本篇綜述中,我們簡(jiǎn)要回顧了miRNAs和電刺激在周?chē)窠?jīng)損傷修復(fù)的作用及調(diào)控機(jī)制,發(fā)現(xiàn)周?chē)窠?jīng)損傷后miRNAs和電刺激均可通過(guò)影響雪旺細(xì)胞的表型變化及軸突再生等促進(jìn)神經(jīng)再生,且多已經(jīng)被研究。電刺激是促進(jìn)神經(jīng)再生的有效手段,有研究證實(shí)電刺激促進(jìn)神經(jīng)再生依賴(lài)于神經(jīng)組織中的miRNAs,miRNAs可能是電刺激促進(jìn)神經(jīng)再生過(guò)程中重要的調(diào)控因子,但目前相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道較少。因此研究miRNAs與電刺激在周?chē)窠?jīng)再生中的關(guān)聯(lián)是我們要進(jìn)一步要研究的問(wèn)題,有助于探索電刺激在分子水平促進(jìn)神經(jīng)修復(fù)的機(jī)制。