运动影响脑外伤后脑内神经干细胞增殖分化和细胞凋亡的研究进展

赵雪言,白文忠

(河北体育学院 运动人体科学系,石家庄 050041)

运动影响脑外伤后脑内神经干细胞增殖分化和细胞凋亡的研究进展

赵雪言,白文忠

(河北体育学院 运动人体科学系,石家庄 050041)

脑外伤后的神经细胞死亡,是多种脑外伤后功能障碍的重要原因。运动可在一定程度上促进脑外伤后的功能恢复,但其机制尚不十分清楚。回顾了近期研究结果,分析了运动训练促进脑外伤后功能恢复的可能原因:运动可直接促进神经干细胞的增殖分化,提高某些可促进神经干细胞增殖分化的细胞因子的表达水平,如脑源性神经营养因子、胰岛素样生长因子1和碱性成纤维细胞生长因子及其介导的神经保护相关活动,运动还可抑制Caspase表达,并减少Bax/Bcl-2的比例,从而减少细胞凋亡。

脑外伤;运动;神经干细胞;细胞凋亡

脑外伤 (traumatic brain injury)通常指由撞击及头部突然加速或减速运动等外力作用所引起的脑部损伤。脑外伤可导致运动协调能力和平衡能力下降、视力模糊、味觉丧失、耳鸣等,还可导致认知及情感障碍,包括行为和心情的改变、记忆缺陷等。脑神经细胞的死亡,是造成上述功能障碍的原因,同时也是脑外伤后康复所面临的最主要问题。脑外伤导致的局部或全脑血流量减少,在急性期会使细胞缺血性死亡,而在继发性或迟发性脑外伤中则以神经细胞凋亡为主。目前关于脑外伤后神经系统恢复的研究,主要从两方面入手,一是促进神经干细胞 (neural stem cell,NSC)增殖分化,二是抑制神经细胞凋亡。

近来的研究发现,大强度耐力训练可以增加健康人脑内的神经营养素含量,从而增加神经系统的可塑性;运动还可通过促进NSC增殖分化、抑制细胞凋亡,对脑外伤后的康复治疗产生积极影响。

1 运动促进脑外伤后NSC的增殖分化

哺乳动物的神经细胞一度被认为是不可再生的,直到上世纪90年代初,才发现成年哺乳动物脑内存在NSC,并能够增殖、分化[1]。NSC主要存在于成年哺乳动物侧脑室的室管膜下区及海马齿状回颗粒下层,正常情况下处于蛰伏状态。在缺血、缺氧等脑损伤状况下,室管膜下区、海马和脉络膜丛等部位的内源性NSC可发生增殖、迁移,并分化为神经元和神经胶质细胞。

Yi等[2]对Ⅱ型糖尿病模型大鼠的研究发现,在进行为期5周、每天1h、速度为22 m/min的跑台训练后,海马齿状回颗粒下层的NSC增殖和神经发生活动增强。Itoh等[3]对脑外伤模型大鼠从伤后翌日起进行跑台训练,速度为22 m/min,持续30min,连续7天,发现运动可促进损伤周边部位的NSC的增殖,并且受损部位的星形胶质细胞活性明显增加。星形胶质细胞可以在碱性成纤维细胞生长因子(basic fibroblast grow th facto r,bFGF)存在下发生胚细胞样转变,也可分化为有巢蛋白 (nestin)标记的NSC。脑外伤部位的NSC是由侧脑室的室膜下区及海马齿状回颗粒下层移动到受损部位,还是由星形胶质细胞发生反向分化转变而来尚不清楚。

NSC的增殖和分化,受多种细胞因子的调节。运动对NSC增殖与分化的影响可能与运动诱导脑源性神经营养因子 (brain derived neuro trophic facto r,BDNF)、b FGF、胰岛素样生长因子1(insulin-like grow th facto r 1,IGF-1)等的表达有关。

1.1 运动诱导的BDNF表达介导NSC的增殖分化

BDNF与其受体 TrkB广泛分布于皮层、纹状体、海马、丘脑、小脑等部位,亚细胞定位于线粒体、内质网及核膜上。BDNF可促进NSC的增殖、迁移和分化,促进神经元的存活和生长发育,促进突触的可塑性,增加突触终末的密度和促进树突和轴突的生长。BDNF连同其下游的效应蛋白——突触蛋白I(Synapsin I)及cAMP反应元件结合蛋白(cyclic-AM P response-element-binding p ro tein,CREB),参与长时程增强 (long-term potentiation,LTP)效应,对学习和记忆有很大影响。BDNF可削弱脑外伤引起的细胞毒素、自由基、缺氧或外伤等相关因素所启动的进一步脑损伤,其机制可能包括自由基代谢以及对钙平衡的维持等。BDNF还参与成年神经系统中神经元的修复与重塑,诱导内源性神经前体细胞迁移至纹状体等部位。因此,通过促进BDNF的表达,可以增加内源性神经祖细胞的存活率及增强神经细胞的再生。

然而,脑外伤后神经细胞对外源性BDNF并不敏感,所以,必须提高内源性BDNF的含量。Griesbach[4]的研究表明,脑外伤后24h到7天内,海马中的BDNF m RNA含量增加40%—75%,而mRNA的翻译过程则在脑外伤后的7—14天开始,这可能是机体对脑外伤的防御性措施。研究表明,运动可提高血浆和血清中的BDNF的含量,尤其是自主运动可增加BDNF及其他生长因子的含量[5-6],从而刺激神经发生,改善由于脑外伤导致的认知及学习障碍。

但是如果脑外伤后立即进行运动反而会降低BDNF的表达。Griesbach等[7]在对冲击性脑损伤大鼠模型的研究中发现,海马回的BDNF表达量与损伤程度及损伤时间具有相关性,过早运动有可能推迟损伤愈合,而适当推迟功能锻炼则有助于BDNF增量调节。一般自主性运动从创伤后的第14天开始[4]较为适宜。

运动还可通过增加BDNF的下游效应蛋白Synapsin I和CREB的分子磷酸化水平来增加其活性[8]。BDNF主要通过其受体TrkB介导而发挥生物学作用,BDNF特异性免疫粘附因子嵌合物 TrkB-IgG可选择性阻断BDNF的作用。近期Griesbach[9]又发现,运动可增加 BDNF、Synapsin I和CREB的成熟性,而在脑外伤后的运动只增加了BDNF和CREB的数量。用 TrkB-IgG选择性阻断BDNF后,运动诱导的Synapsin I和CREB的增加受到了抑制,表明运动也可作为BDNF产生作用的调节因子发挥作用。

1.2 运动诱导bFGF的表达介导NSC的增殖分化

bFGF是一种促细胞分裂的肝素结合蛋白,可诱导脑内多种神经细胞的增殖和存活。在体外培养中,可促进多种神经前体细胞的增殖,还可刺激NSC分化为神经元和神经胶质细胞。

脑外伤后bFGF明显增加,尤其病灶周围的星形胶质细胞以及大脑皮层、室管膜和海马神经元中最为显著,且bFGF的表达量与脑外伤的严重程度成正相关[10]。自主性运动可增加bFGF的表达水平[11]。但 Itoh等[3]认为,运动导致的bFGF的增多,可能对新增殖的NSC的分化不利。

1.3 运动诱导的IGF-1介导NSC的增殖分化

IGF-1是一类氨基酸序列与胰岛素类似的多肽,在细胞的分化、增殖及个体的生长发育中发挥重要作用。但与bFGF相比,IGF-1几乎没有促进有丝分裂的作用,但对有丝分裂后的细胞分化有很大影响。对各种生长因子的联合作用的研究发现,将 IGF-1与bFGF联合时,对NSC的分化有明显作用[12]。近期研究发现 IGF-1还可促进海马、下丘脑的神经发生[13],并可唤醒海马的空间记忆。

在脑外伤后,77%的患者表现出IGF-1含量降低,但在10天之内趋于正常水平[14]。Rojas在对健康成人所做的运动实验中发现,高强度 (最大用力的110%)或低强度 (最大用力的40%)的抗阻训练均可增加血清内IGF-1的含量,与运动前相比分别增加了16%和28%[15]。同样,脑外伤后IGF-1的降低也可通过运动得到改善[16]。

L lo ren[17]发现,运动可促进IGF-1参与介导的活动,如增强神经可塑性,促进海马神经发生,改善脑外伤引发的短期记忆能力下降。Gozal[18]研究发现,运动可以减少脑缺氧导致的空间认知障碍,并减少氧化应激,而这一机制可能是通过提高IGF-1丙氨酸氨基转移酶信号通路实现的。运动对脑神经系统的多种保护作用都有IGF-1参与,在脑外伤后的神经系统恢复中,运动与IGF-1具有相互增益作用。

2 运动抑制脑外伤后神经细胞凋亡

细胞凋亡是一种程序性死亡,是机体内细胞生理性死亡的普遍形式,参与正常细胞更新、免疫系统功能、激素依赖性萎缩、胚胎发育及化学物质诱导的细胞死亡等生命过程,对维持机体细胞平衡起重要作用。然而,脑外伤引起的迟发性神经元死亡可能与神经细胞病理性的凋亡有关。Shojo[19]的研究结果表明,脑外伤后神经元凋亡与脑外伤造成的炎症反应有关,一些炎症反应使得与凋亡相关的基因改变,从而引发细胞凋亡。

细胞凋亡的典型特征是DNA的碎片化,它是由多基因控制的、一系列酶参与的过程,如Bcl-2家族、Caspase家族等。运动可通过调节细胞凋亡的机制,抑制神经细胞在脑外伤后的病理性凋亡[20]。

2.1 Caspase系蛋白

Caspase 3、6和7是能引起细胞程序性死亡的蛋白酶。它们通过限制性蛋白质水解酶激活下游的目标蛋白去氧核糖核酸酶或其它Caspase,并参与存在于细胞膜上的核纤肽以及构成细胞骨架成分之一的肌动蛋白的分解过程。Caspase可作用于几种与细胞骨架调节有关的酶或蛋白,改变细胞结构,还能灭活或下调与DNA修复有关的酶、m RNA剪切蛋白和DNA交联蛋白。DNA的修复会由于Caspase介导的阻抗反应而受到抑制。Caspase-3有调节核内的不同信号转录通路的功能,可最终诱导凋亡的形成。

脑外伤后,Caspase-3基因的表达增强。脑内的Caspase-3反应阳性细胞在6-12h开始逐步增加,并在48h时达到顶峰[4]。说明在脑外伤后短期时间内,细胞凋亡的相关程序就开始启动。运动可在脑外伤后抑制Caspase蛋白表达,并抑制细胞色素C、Caspase-9、Caspase-3介导的细胞凋亡级联反应。Um等[21]对用大鼠进行的研究发现,运动可明显降低Caspase-3在海马结构的表达量,从而抑制细胞凋亡,恢复脑外伤后的认知水平及空间学习能力。

2.2 Bcl-2系蛋白

Bcl-2家族有众多成员,如 M cl-1、NR-B、A 1、Bcl-w、Bcl-x、Bax、Bak、Bad、Bim等。最重要的促凋亡蛋白主要为Bax、Bak、Bid和Bad,而抑制细胞凋亡的蛋白质有Bcl-2和Bcl-xL。其中,Bax基因的表达在神经变性疾病中诱导细胞凋亡过程。Tehranian[22]在实验中发现,脑外伤后敲除Bax基因可缓解神经细胞在海马部位的凋亡程度。Bcl-2在不同的细胞中可以定位于线粒体、内质网以及核膜上,并通过阻止线粒体细胞色素C的释放而发挥抗凋亡作用[23]。Bcl-2的过度表达可引起细胞核谷胱苷肽 (GSH)的积聚,导致核内氧化还原平衡的改变,从而降低了Caspase的活性。因此,神经细胞凋亡的执行主要取决于Bax/Bcl-2比值。

脑外伤后Bcl-2系的表达各有不同,而总体表现为Bax/Bcl-2比值增大[24]。脑外伤早期Bcl-2表达明显增加,随后稳定上升,在伤后5天达到峰值[25],此时促细胞凋亡的Bax的表达量也迅速增加,神经细胞凋亡数量在伤后第3天达到高峰。在Um[22]的研究中还发现跑台运动对Bcl-2有正调节的作用,同时可降低在海马部位的细胞色素C和Bax的表达;Bax/Bcl-2的比例有所下降。终端dU TP缺口末端标记阳性 (TUNEL-positive)的细胞也在跑台训练之后明显减少。Kim等[26]令大鼠在脑外伤后2天开始,连续进行10天,每天30 min的跑台训练,发现海马部位DNA的碎片化、Caspase的表达程度降低,同时显著地抑制了Bax表达,Bcl-2的表达量也有少许增加。

3 小结及展望

脑外伤引起的神经系统病理性变化是造成脑外伤后多种功能障碍的主要原因。因此,防止脑部由外伤引起的二次伤害及机体各功能的康复应从恢复神经系统功能入手。运动在脑外伤后神经系统的恢复中起重要作用,运动可直接促进NSC增殖分化,增加促进NSC增殖分化的BDNF、IGF-1、bFGF表达及其介导的神经保护相关活动,运动还可抑制Caspase表达,还可降低Bax/Bcl-2的比例[27]。

运动可促进脑外伤恢复,但在运动方式、运动强度、运动时间长度等方面都需进行进一步探讨。在相关的动物实验中,多以跑台训练为主要方法。Quadrilatero[28]对健康成人的研究结果显示,尽管运动可促进机体代谢,但一次性长时间的中等强度有氧运动对细胞凋亡并没有显著地改善,抗细胞凋亡的Bcl-2以及促细胞凋亡的Bax、Caspase的含量均无明显变化,推测在脑外伤患者的康复训练中,一次性长时间中等强度的有氧运动可能不会有显著效果。此外,有些研究发现,巢蛋白标记的NSC数量在脑外伤后3—4天达到最大值,提示脑外伤后立即开始运动可能对NSC增殖分化有利。但在对BDNF的研究中发现,脑外伤后立即进行自主运动反而会降低BDNF的表达,适当推迟进行功能锻炼,则会有助于BDNF增量调节[7]。究竟脑外伤后何时开始训练尚有待进一步研究。

对运动和脑外伤后恢复的相关研究,在临床上有很重要的指导作用。运动疗法以其副作用小且疗效显著的特点,成为各种创伤后的重要的辅助疗法。探讨运动对脑外伤后神经系统的恢复机制,并加以合理利用,可能使脑外伤后机体各功能完全恢复。

[1] Reynolds B A,Weiss S.Generation of neurons and astrocytes from isolated cellsof the adultmammalian central nervous system[J].Science,1992,255(5052):1707-1710.

[2] Yi S S,Hwang I K,Yoo K Y,et al.Effects of treadmill exercise on cell p roliferation and differentiation in the subgranular zone of the dentate gyrus in a ratmodel of typeⅡdiabetes[J].Neurochem Research,2009,34(6):1039-1046.

[3] Itoh T,Imano M,Nishida S,et al.Exercise increases neural stem cell p roliferation surrounding the area of damage follow ing rat traumatic brain injury[J].J Neural Transm,2011,118(2):193-202.

[4] Griesbach G S,Hovda D A,Molteni R,et al.A lterations in BDNF and synapsin Iw ithin the occipital cortex and hippocampusaftermild traumatic brain injury in the developing rat:reflections of injury-induced neurop lasticity[J].J Neurotrauma,2002,19(7):803-814.

[5] Zoladz J A,Pilc A.The effect of physical activity on the brain derived neurotrophic facto r:from animal to human studies[J].J Physiol Pharmacol,2010,61(5):533-541.

[6] Cotman CW,Berchtold N C.Exercise:a behavioral intervention to enhance brain health and p lasticity[J].Trends Neuroscience,2002,25(6):295-301.

[7] Griesbach G S,Hovda D A,Molteni R,et al.Voluntary exercise follow ing traumatic brain injury:brain-derived neurotrophic facto r up regulation and recovery of function[J].J Neuroscience,2004,125(1):129-139.

[8] Moltein R,Wu A,Vaynman S,et al.Exercise reverse the harmful effects of consump tion of a high-fat diet on synap tic and behavioral p lasticity associated to the action of brain-derived neurotrophic factor[J].Neuroscience,2004,123(2):429-440.

[9] Griesbach G S,Hovda D A,Gomez-Pinilla F.Exerciseinduced imp rovement in cognitive perfo rmance after traumatic brain-injury in rats is dependenton BDNFActivation[J].Brain Res,2009,1288:105-115.

[10] Mahmood A,Lu D,Chopp M.Intravenous administration of marrow stromal cells(MSCs)increases the exp ression of grow th factors in rat brain after traumatic brain injury[J].J Neurotrauma,2004,21(1):33-39.

[11] Haastert K,Ying Z,Grothe C,et al.The effects of FGF-2 gene therapy combined w ith voluntary exercise on axonal regeneration across peripheral nerve gaps[J].Neurosci Lett,2008,443(3):179-183.

[12] Choi K C,Yoo D S,Cho K S,et al.Effect of single grow th facto r and grow th factor combinations on differentiation of neural stem cells[J].J Korean Neurosurg Soc,2008,44(6):375-381.

[13] Pérez-Martín M,Cifuentes M,Grondona J M,et al.IGF-I stimulates neurogenesis in the hypothalamus of adult rats[J].Neuroscience,2010,31(9):1533-1548.

[14] Wagner J,Dusick J R,M cA rthur D L,et al.Acute go-nadotroph and somatotroph hormonal supp ression after traumatic brain injury[J].J Neurotrauma,2010,27(6):1007-1019.

[15] Rojas V S,Knicker A,Hollmann W,et al.Effect of resistance exerciseon serum levelsof grow th factors in humans[J].Ho rm Metab Res,2010,42(13):982-986.

[16] 卿前东.运动训练与谷氨酰胺代谢研究进展[J].河北体育学院学报,2010,24(6):74-79.

[17] L lo rens-Martin M,Torres-A leman I,Trejo J L.Exercise modulates insulin-like grow th factor 1-dependent and-independent effects on adult hippocampal neurogenesis and behaviour[J].Mol Cell Neurosci,2010,44(2):109-117.

[18] Gozal D,Nair D,Goldbart A D.Physical activity attenuates intermittent hypoxia-induced spatial learning deficits and oxidative stress[J].Am J Respir Crit Care Med,2010,182(1):104-112.

[19] Shojo H,Kaneko Y,Mabuchi T,et al.Genetic and histologic evidence imp licates role of inflammation in traumatic brain injury-induced apop tosis in the rat cerebral co rtex follow ing moderate fluid percussion injury[J].Neuroscience,2010,171(10):1273-1282.

[20] 张军波,王滔,马锋.阻力运动致骨骼肌肥大的分子生物学机制研究进展[J].河北体育学院学报,2010,24(1):86-90.

[21] Um H S,Kang EB,Koo J H,et al.Treadmill exercise rep resses neuronal cell death in an aged transgenic mouse model of A lzheimer’s disease[J].J Neurosci Research.2011,69(2):161-173.

[22] Tehranian R,Rose M E,Vagni V,et al.Disruption of Bax p rotein p revents neuronal cell death but p roduces cognitive impairment in mice follow ing traumatic brain injury[J].J Neurotrauma,2008,25(7):755-767.

[23] 赵永寿.运动、线粒体及细胞凋亡[J].河北体育学院学报,2007,21(1):71-73.

[24] Raghupathi R,Strauss K I,Zhang C,et,al.Tempo ral alterations in cellular Bax:Bcl-2 ratio follow ing traumatic brain injury in the rat[J].J Neurotrauma,2003,20(5):421-435.

[25] Graham S H,Chen J,Clark R S.Bcl-2 family gene p roducts in cerebral ischemia and traumatic brain injury[J].Neurotrauma,2000,17(10):831-841.

[26] Kim D H,Ko IG,Kim B K,et al.Treadmill exercise inhibits traumatic brain injury-induced hippocampal apop tosis[J].Physiol Behav,2010,101(5):660-665.

[27] 李哲,陈岩.运动与心肌细胞凋亡[J].河北体育学院学报,2007,21(1):74-76.

[28] Quadrilatero J,Bombardier E,No rris SM,et al.Prolonged moderate-intensity aerobic exercise does not alter apop to tic signaling and DNA fragmentation in human skeletal muscle[J].Am J Physiol Endocrinol M etab,2010,298(3):534-547.

Research on the Influence of Exercises on Proliferation and Differen tiation of Neural Stem Cellsand Apoptosisafter Traumatic Brain Injury

ZHAO Xue-yan,BA IWen-zhong
(Department of Human Sports Science,Hebei Institute of Physical Education,Shijiazhuang 050041,China)

Neural cell death follow ing traumatic brain injury(TBI)is considered as the majo r cause of dysfunction after many traumatic brain injuries.Physical exercise has been show n to be beneficial to functional recovery after TB Iw hereas the underlying mechanism is still unclear.This article reviewed latest discoveries and analyzed the possible reasons fo r the functional recovery of physical exercise to dysfunction induced by TBI:exercise directly p romotes p roliferation rate of neural stem cells(NSCs).In addition,exercise elevates the exp ressive level of some cytokines,such as brain derived neurotrophic factor,insulin-like grow th facto r 1,basic fibroblast grow th facto r thus encourages NSCs p roliferation and p rotects neuron.Furthermo re,exercise supp resses the exp ression of Caspase and reduces the ratio of Bax/Bcl-2 thereby reduces apop tosis.

traumatic brain injury;physical exercise;neural stem cell;apoptosis

G804.5

A

1008-3596(2011)04-0087-04

2011-04-11

赵雪言 (1990-),女,河北石家庄人,研究方向为运动人体科学。