脊髓损伤后胶质瘢痕形成的研究进展

巩朝阳，刘开鑫，向高，张海鸿

兰州大学第二医院骨科，甘肃兰州市730030

脊髓损伤是一种常见且具有破坏性的中枢神经系统(central nervous system,CNS)损伤性疾病，会引起不可逆的运动和感觉功能障碍，以及膀胱、肠道和性功能的丧失，导致生活质量显著降低。对于脊髓损伤后的治疗，目前依然没有确切有效的治疗方案。病理上，在严重脊髓损伤后，由于局部微环境的变化，星形胶质细胞转化为反应性星形胶质细胞并发生剧烈的形态变化，与脊髓中的其他细胞一起参与胶质瘢痕的形成[1]。脊髓损伤后期胶质瘢痕的形成被大多数学者认为是阻碍哺乳动物CNS轴突再生和功能恢复的主要原因，胶质瘢痕中反应性星形胶质细胞产生的硫酸软骨素和硫酸角质素蛋白聚糖是产生抑制性作用的主要分子。对胶质瘢痕的研究可能是将来治疗脊髓损伤的另一个重要方向。本文就脊髓损伤后胶质瘢痕的形成及相关作用进行综述。

1 胶质瘢痕细胞来源

创伤性脊髓损伤会使病灶区域形成瘢痕组织，包括纤维化瘢痕和胶质瘢痕[2]。胶质瘢痕的形成通常被称为反应性星形胶质细胞增生，包括星形胶质细胞肥大、增殖、迁移以及星形胶质细胞表达的胶质纤维酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein,GFAP)、波形蛋白和巢蛋白的上调增加[3]。轻度星形胶质细胞增生通常不会发生显著的增殖活动，这种类型的反应被称为“同构性胶质增生”，可见于化学损伤、轴突切开术或轻度损伤。这些变化可以通过减弱上游信号分子的触发效应来逆转[4-5]。严重脊髓损伤后，随着时间的推移，反应性星形胶质细胞表现出强烈的GFAP表达、明显的肥大和一定程度的增殖，这些显著变化导致星形胶质细胞个别区域的破坏并导致组织变形，还伴随明显的星形胶质细胞增殖。在此阶段，形成包围脊髓损伤中心的胶质瘢痕[6]。形成胶质瘢痕的星形胶质细胞主要有两个来源。一是接近于病变区近端对细胞骨架蛋白有明显上调作用，形成新的具有干细胞特性的星形胶质细胞祖细胞[7]。在急性脊髓损伤后的数小时内，Zhao等[8]发现许多增殖的胶质祖细胞与GFAP+的星形胶质细胞共同表达神经胶质抗原2(neuron-glial antigen 2,NG2)，这表明NG2+的祖细胞可能是反应性星形胶质细胞的一个来源。二是从远端区域迁移到病灶部位的星形胶质细胞[9]。

星形胶质细胞是最丰富的神经胶质细胞，在CNS中扮演着重要的角色。生理状态下，在发育和成人CNS中，参与处理、转移及存储神经元信息、引导神经元的发育、迁移及分化，介导突触功能及可塑性，参与血脊柱屏障的形成及维护和提供能量等[10-13]。脊髓损伤后，星形胶质细胞的活化及反应性胶质细胞增生参与神经可塑性和CNS再生的各个方面[14-15]。

2 反应性星形胶质细胞增生的信号机制

脊髓损伤后胶质瘢痕形成的相关分子机制尚未完全阐明，星形胶质细胞参与胶质瘢痕形成涉及多个过程。本文仅介绍有关反应性星形胶质细胞增生的信号机制。

2.1 结构蛋白的上调及介导星形胶质细胞肥大

结构蛋白是形成细胞骨架结构的一部分，决定细胞形态和死亡率。反应性星形胶质细胞中结构蛋白的上调诱导星形胶质细胞骨架的重组，导致这些细胞肥大[16]。脊髓损伤后，反应性星形胶质细胞GFAP的表达比正常的星形胶质细胞上调，此外，波形蛋白和巢蛋白也表现出上调[17]。反应性星形胶质细胞增生的部分特征是免疫反应性GFAP的上调和星形胶质细胞肥大[18]。在敲除GFAP和波形蛋白表达的位点后，脊髓损伤小鼠未观察到星形胶质细胞的活化和胶质瘢痕形成，这表明两种结构蛋白都能补偿彼此的功能，脊髓损伤后神经胶质瘢痕的形成需要增加GFAP和波形蛋白的表达[19]。

2008年Herrmann等[20]提出信号传导及转录激活因子3(signal transducers and activators of transcription 3,STAT3)信号传导参与脊髓损伤后星形胶质细胞结构蛋白的调节。在删除细胞因子和生长因子信号转导子STAT3的脊髓损伤小鼠中，与对照组相比，来自STAT3-/-的小鼠表现出GFAP上调减弱，星形胶质细胞肥大受阻以及脊髓损伤后胶质细胞瘢痕形成中断。2013年Wanner等[21]提出脊髓损伤成熟胶质瘢痕边界主要由新增的星形胶质细胞、围绕炎症细胞及纤维化的胶质细胞和其他细胞构成。从脊髓损伤星形胶质细胞中选择性删除STAT3，结果显示星形胶质细胞进入瘢痕边界及胶质细胞围绕炎症细胞的过程失败，并且出现这些细胞的扩散和神经元的损失。

2.2 星形胶质细胞的增殖

静息状态下，成年大脑中的星形胶质细胞处于不增殖的状态。严重脊髓损伤后，静止状态下的星形胶质细胞重新进入细胞周期[6]。星形胶质细胞的增殖是促成胶质瘢痕形成的一个重要方面，但星形胶质细胞增殖有关的信号传导依然没有明确的阐述。

2014年Hong等[22]通过删除Dicer1基因编码成熟miRNA产生所需的酶，来观察Dicer1缺乏的反应性星形胶质细胞在脊髓损伤后小鼠中增殖，结果显示Dicer缺乏的星形胶质细胞增殖被阻断。通过对miR-17-5p在体外对反应性星形胶质细胞增殖作用的观察，指出miR-17-5p模拟物能够挽救Dicer缺乏星形胶质细胞的增殖缺陷，并且通过JAK/STAT3途径由白血病抑制因子(leukemiainhitory factor,LIF)启动反应性星形胶质细胞增殖。

膜联蛋白A2(annexin A2,ANXA2)是Ca2+依赖性结合磷脂的蛋白，参与CNS的发育。2017年Chen等[23]发现在脊髓损伤后的大鼠ANXA2表达显著上调，并且呈现动态变化。双重免疫荧光染色显示，用于评估细胞增殖的增殖细胞核抗原(proliferating cell nuclear antigen,PCNA)出现在许多表达ANXA2的细胞中；敲低脊髓损伤后星形胶质细胞ANXA2表达，导致脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)刺激后PCNA表达增加，表明ANXA2在炎症后抑制星形胶质细胞增殖。

2.3 星形胶质细胞的迁移

在内皮素(endothelin,ET)、凝血酶和转化生长因子-β1(transforming growth factor-β1,TGF-β1)等因子的刺激下，反应性星形胶质细胞发生迁移，导致它们在受损部位累积，从而形成胶质瘢痕[24-25]。

转录因子CCAAT增强子结合蛋白δ(human CCAAT/enhancer binding protein deta,C/EΒPδ)是对炎性因子有反应的基因调节蛋白。2016年Wang等[26]实验发现，与C/EΒPδ正常小鼠相比，C/EΒPδ缺陷小鼠在脊髓损伤后28 d显示胶质瘢痕形成减少，并且在体外白细胞介素(intertleukin,IL)-1β刺激后，反应性星形胶质细胞中C/EΒPδ的表达增加且抑制小G蛋白(ras homolog gene family,member A,RhoA)的表达，随后抑制星形胶质细胞迁移。

Ski是一种进化保守的蛋白质，广泛分布于各种组织和物种中的多功能转录调节因子。2017年Zhou等[27]首次发现Ski在脊髓损伤后的小鼠反应性星形胶质细胞中表达显著上调。2017年Zhao等[28-29]又发现，在脊髓损伤小鼠中，当Ski被小干扰RNA(siRNA)敲低时，LPS诱导的星形胶质细胞的迁移减弱，这表明Ski在星形胶质细胞迁移中发挥重要作用。同时，当Ski被完全沉默时，GFAP的表达水平下降。Ski对星形胶质细胞迁移的调控作用可能是通过间接或直接抑制GFAP。

2.4 胶质瘢痕的形成

脊髓损伤后约14 d左右，大量增生的星形胶质细胞定向迁移到脊髓损伤区，与侵入病变区的成纤维细胞相互交织，形成胶质瘢痕。肿瘤坏死因子-α刺激基因6(tumor necrosisfactor alpha stimulated gene-6,TSG-6)能够响应炎性细胞因子刺激迅速上调，保护组织免受炎症的破坏。2016年Coulson-Thomas等[30]实验发现，TSG-6仅在成熟大鼠的大脑和脊髓中由GFAP+和CD44+的星形胶质细胞表达。在脊髓损伤的大鼠中TSG-6表达急剧上调，并且TSG-6蛋白存在于胶质瘢痕内，表明TSG-6参与胶质瘢痕的形成并赋予抗炎特性。Chen等[31]指出，CAP-Gly结构域的细胞质连接蛋白3(CAP-Gly domain containing linker protein 3,CLIP3)在脊髓损伤第3天表达达到峰值，CLIP3和STAT3染色阳性细胞数量之间存在相关性，证实CLIP3在脊髓损伤后与STAT3相互作用，共同参与胶质瘢痕的形成。

3 胶质瘢痕对神经元轴突的影响

脊髓损伤后，反应性星形胶质细胞增生，形成胶质瘢痕，参与炎症、免疫反应以及对神经元轴突再生产生影响。在CNS损伤后，受损轴突不能再生的主要原因是胶质瘢痕中反应性星形胶质细胞分泌的硫酸软骨素和硫酸角质素蛋白聚糖的沉积，对神经元再生产生抑制作用[32-33]。2016年Anderson等[7]提出，胶质瘢痕的形成不是造成严重损伤后成熟CNS轴突再生的主要原因。星形胶质细胞可以支持在发育期或成熟CNS损伤后神经元轴突的生长[34]。严重的CNS损伤后，只有当形成瘢痕的星形胶质桥出现时，成熟神经元的轴突生长程序基因才会激活，引起损伤CNS的轴突再生[35-36]。目前，大多数学者认为，在CNS损伤后的急性期，胶质瘢痕可以通过预防炎性细胞和各种炎性因子的扩散，从而减轻损伤区组织炎性反应及保护原来完好的组织免于继发性损伤[14,37]；后期，由于胶质瘢痕的形成，对神经元轴突再生构成障碍及释放多种抑制性因子，如RhoA、硫酸软骨素蛋白聚糖(chondroitin sulphate proteoglycan,CSPG)、人蛋白酪氨酸磷酸酶受体S(human protein tyrosine phosphatasereceptor type S,PTPRS)等[38-39]。

4 总结

严重脊髓损伤后运动及感觉功能的恢复依然是患者康复的重要指标，但目前仍没有完善、明确、有效的治疗方案。近年来，对于脊髓损伤后影响神经元再生的研究逐渐增多，但涉及的病理机制依然不够明确。对严重脊髓损伤后胶质瘢痕形成机制及作用的研究，可能为将来严重CNS损伤后神经功能的恢复带来希望。

[1]Βradbury EJ,Moon LD,Popat RJ,et al.Chondroitinase AΒC promotes functional recovery after spinal cord injury[J].Nature,2002,416(6881):636-640.

[2]Yuan YM,He C.The glial scar in spinal cord injury and repair[J].NeurosciΒull,2013,29(4):421-435.

[3]Karimi-Abdolrezaee S,Βillakanti R.Reactive astrogliosis after spinal cord injury-beneficial and detrimental effects[J].Mol Neurobiol,2012,46(2):251-264.

[4]Sofroniew MV,Vinters HV.Astrocytes:biology and pathology[J].Acta Neuropathol,2010,119(1):7-35.

[5]Seifert G,Schilling K,Steinhäuser C.Astrocyte dysfunction in neurological disorders:a molecular perspective[J].Nat Rev Neurosci,2006,7(3):194-206.

[6]Sofroniew MV.Molecular dissection of reactive astrogliosis and glial scar formation[J].Trends Neurosci,2009,32(12):638-647.

[7]Anderson MA,Βurda JE,Ren Y,et al.Astrocyte scar formation aids central nervous system axon regeneration[J].Nature,2016,532(7598):195-200.

[8]Zhao JW,Raha-Chowdhury R,Fawcett JW,et al.Astrocytes and oligodendrocytes can be generated from NG2+progenitors after acute brain injury:intracellular localization of oligodendrocyte transcription factor 2 is associated with their fate choice[J].Eur JNeurosci,2009,29(9):1853-1869.

[9]Renault-Mihara F,Okada S,Shibata S,et al.Spinal cord injury:emerging beneficial role of reactive astrocytes'migration[J].Int JΒiochem CellΒiol,2008,40(9):1649-1653.

[10]Halassa MM,Fellin T,Haydon PG.The tripartite synapse:roles for gliotransmission in health and disease[J].Trends Mol Med,2007,13(2):54-63.

[11]Perea G,Navarrete M,Araque A.Tripartite synapses:astrocytes process and control synaptic information[J].Trends Neurosci,2009,32(8):421-431.

[12]Pellerin L,Βouzier-Sore AK,Aubert A,et al.Activity-dependent regulation of energy metabolism by astrocytes:an update[J].Glia,2007,55(12):1251-1262.

[13]Chung WS,Allen NJ,Eroglu C.Astrocytes control synapse formation,function,and elimination[J].Cold Spring Harb PerspectΒiol,2015,7(9):a020370.

[14]Pekny M,Pekna M.Astrocyte reactivity and reactive astrogliosis:costs and benefits[J].Physiol Rev,2014,94(4):1077-1098.

[15]Liddelow SA,ΒarresΒA.Reactive astrocytes:production,function,and therapeutic potential[J].Immunity,2017,46(6):957-967.

[16]Pekny M,Pekna M.Astrocyte intermediate filaments in CNS pathologies and regeneration[J].J Pathol,2004,204(4):428-437.

[17]Calvo JL,Carbonell AL,Βoya J.Co-expression of glial fibrillary acidic protein and vimentin in reactive astrocytes following brain injury in rats[J].Βrain Res,1991,566(1-2):333-336.

[18]Fawcett JW.Astrocytic and neuronal factors affecting axon regeneration in the damaged central nervous system[J].Cell Tissue Res,1997,290(2):371-377.

[19]Pekny M,Levéen P,Pekna M,et al.Mice lacking glial fibrillary acidic protein display astrocytes devoid of intermediate filaments but develop and reproduce normally[J].EMΒO J,1995,14(8):1590-1598.

[20]Herrmann JE,Imura T,SongΒ,et al.STAT3 is a critical regulator of astrogliosis and scar formation after spinal cord injury[J].JNeurosci,2008,28(28):7231-7243.

[21]Wanner IΒ,Anderson MA,Song Β,et al.Glial scar borders are formed by newly proliferated,elongated astrocytes that interact to corral inflammatory and fibrotic cells via STAT3-dependent mechanisms after spinal cord injury[J].J Neurosci,2013,33(31):12870-12886.

[22]Hong P,Jiang M,Li H.Functional requirement of dicer1 and miR-17-5p in reactive astrocyte proliferation after spinal cord injury in themouse[J].Glia,2014,62(12):2044-2060.

[23]Chen J,Cui Z,Yang S,et al.The upregulation of annexin A2 after spinal cord injury in rats may have implication for astrocyteproliferation[J].Neuropeptides,2017,61:67-76.

[24]Wang HH,Hsieh HL,Wu CY,et al.Endothelin-1 enhances cell migration via matrix metalloproteinase-9 up-regulation in brain astrocytes[J].JNeurochem,2010,113(5):1133-1149.

[25]Koyama Y,Takemura M,Fujiki K,et al.ΒQ788,an endothe-lin ET(Β)receptor antagonist,attenuates stab wound injury-induced reactive astrocytes in rat brain[J].Glia,1999,26(3):268-271.

[26]Wang SM,Hsu JC,Ko CY,et al.Astrocytic CCAAT/enhancer-binding protein delta contributes to glial scar formation and impairs functional recovery after spinal cord injury[J].Mol Neurobiol,2016,53(9):5912-5927.

[27]Zhou K,Nan W,Feng D,et al.Spatiotemporal expression of Ski after rat spinal cord injury[J].Neuroreport,2017,28(3):149-157.

[28]Zhao X,Wang XW,Zhou KS,et al.Expression of Ski and its role in astrocyte proliferation and migration[J].Neuroscience,2017,362:1-12.

[29]Zhao X,Zhou KS,Li ZH,et al.Knockdown of Ski decreased the reactive astrocytes proliferation in vitro induced by oxygen-glucose deprivation/reoxygenation[J].J CellΒiochem,2018,119(6):4548-4558.

[30]Coulson-Thomas VJ,Lauer ME,Soleman S,et al.Tumor necrosis factor-stimulated gene-6(TSG-6)is constitutively expressed in adult central nervous system(CNS)and associated with astrocyte-mediated glial scar formation following spinal cord injury[J].JΒiol Chem,2016,291(38):19939-19952.

[31]Chen X,Chen C,Hao J,et al.Effect of CLIP3 upregulation on astrocyte proliferation and subsequent glial scar formation in the rat spinal cord via stat3 pathway after injury[J].J Mol Neurosci,2018,64(1):117-128.

[32]LangΒT,Cregg JM,DePaul MA,et al.Modulation of theproteoglycan receptor PTPσpromotes recovery after spinal cord injury[J].Nature,2015,518(7539):404-408.

[33]Vadivelu S,Stewart TJ,Qu Y,et al.NG2+progenitors derived from embryonic stem cells penetrate glial scar and promote axonal outgrowth into white matter after spinal cord injury[J].Stem Cells Transl Med,2015,4(4):401-411.

[34]Lee JK,Chow R,Xie F,et al.Combined genetic attenuation of myelin and semaphorin-mediated growth inhibition is insufficient to promote serotonergic axon regeneration[J].JNeurosci,2010,30(32):10899-10904.

[35]Sun F,Park KK,Βelin S,et al.Sustained axon regeneration induced by co-deletion of PTEN and SOCS3[J].Nature,2011,480(7377):372-375.

[36]Zukor K,Βelin S,Wang C,et al.Short hairpin RNA against PTEN enhances regenerative growth of corticospinal tract axons after spinal cord injury[J].J Neurosci,2013,33(39):15350-15361.

[37]Pekny M,Wilhelmsson U,Pekna M.The dual role of astrocyte activation and reactive gliosis[J].Neurosci Lett,2014,565:30-38.

[38]Zou Y,Stagi M,Wang X,et al.Gene-silencing screen for mammalian axon regeneration identifies Inpp5f(Sac2)as an endogenous suppressor of repair after spinal cord injury[J].J Neurosci,2015,35(29):10429-10439.

[39]Hu J,Zhang G,Rodemer W,et al.The role of RhoA in retrograde neuronal death and axon regeneration after spinal cord injury[J].Neurobiol Dis,2017,98:25-35.