巨噬细胞调节胶质瘢痕在脊髓损伤修复中的作用研究进展

宋公宇 章 涛 张 潜

(遵义医学院基础医学院人体解剖学教研室, 遵义 563003)

脊髓损伤(spinal cord injury,SCI)是常见的中枢神经系统(central nervous system, CNS)损伤性疾病,可导致损伤节段以下的感觉、运动功能丧失,已成为严重威胁人类健康的重大疾病之一,至今未找到确切的治愈方法[1]。有研究表明,脊髓损伤后轴突再生能力有限,主要与损伤后微环境中神经营养因子缺乏及胶质瘢痕的抑制作用等有关,其中胶质瘢痕的形成是SCI后轴突再生和功能恢复最主要的障碍[2,3]。近年来的研究表明,炎症反应是中枢神经系统损伤后最为重要的病理过程之一,其中最为重要的炎症细胞是巨噬细胞,加之有研究表明,巨噬细胞对胶质瘢痕的形成有调节作用,因此现以巨噬细胞调节胶质瘢痕在SCI组织修复过程中的作用综述如下。

1 巨噬细胞在SCI中的作用

在SCI发生后,损伤局部微环境的改变可直接影响神经元轴突再生及功能恢复,其中免疫系统的参与发挥着重要作用[4-5]。炎症细胞在受损的脊髓组织中发生级联反应,此过程涉及嗜中性粒细胞浸润和小胶质细胞活化,随后出现单核细胞来源的巨噬细胞累积[6-7],之后淋巴细胞进入病变部位,以清洁受损部位,防止暴露组织的潜在感染,并促进组织再生[8]。在炎症反应过程中,损伤局部的小胶质细胞和渗入到神经系统的巨噬细胞[2,9],是CNS病变中最重要的免疫群体。

20世纪末,人们开始注意到巨噬细胞在神经保护、轴突再生和组织修复方面的重要性[10-12]。在CNS中,London等[13]报道在视神经损伤后抑制单核细胞浸润会减少睫状体中视网膜祖细胞增殖的数量,而增加巨噬细胞的数量则会促进视网膜祖细胞的存活和再生。Wong等[14]通过基因敲除的方式,成功阻断了小鼠NRROS跨膜蛋白介导的通路,造成巨噬细胞功能缺陷,可导致神经系统功能障碍,这进一步说明了巨噬细胞在神经系统发育及损伤修复时的重要作用。且有研究证明,SCI后巨噬细胞可增强轴突的再生,促进脊髓中神经元的存活和祖细胞再生[13,15],调节围绕在损伤部位的细胞外基质组成和胶质瘢痕的形成[16]。而Wang等[17]报道小鼠创伤性脑损伤7d后同侧大脑皮质分离的巨噬细胞由于NADPH氧化酶2的表达被激活,可明显抑制神经元生长并增强炎症反应发生。在SCI模型中,巨噬细胞的浸润限制了包括嗜中性粒细胞在内的其他炎性白细胞的积累,并且通过表达抗炎细胞因子IL-10以抑制小胶质细胞的促炎活性,以减少继发性损害和促进组织修复[13,18]。近期研究证明,通过激活巨噬细胞分泌基质金属蛋白酶9(matrix metalloproteinase 9, MMP-9),可调节细胞外基质重塑,促进SCI后组织修复[19]。值得注意的是，巨噬细胞可以分别获得促炎和抗炎两种活性[8],且其功能的改变高度依赖于进入CNS的途径,例如单核细胞通过脑的脉络丛进入CNS受损部位遇到脑脊液的抗炎环境,这将使其表型偏向M2型巨噬细胞极化[20];另一途径,通过与损伤部位相邻的软脑膜进入受损CNS的单核细胞会偏向M1表型巨噬细胞极化[6]。这两种不同的进入路线会引起巨噬细胞表型的改变,从而导致功能的不同,而在严重的病理条件下小胶质细胞却不能获得这样全面的活性。与此同时,机体在损伤后即刻招募M1型巨噬细胞,随后募集M2型,在不同时间募集特定的巨噬细胞亚群,以发挥不同的作用[8]。且有研究表明,物理因素中光线的强弱对骨髓来源巨噬细胞极化水平具有调控作用,从而影响脊髓损伤修复的过程[21]。进一步研究显示,M1型可通过产生排斥性导向分子a(repulsive guidance molecule a, RGMa)来抑制轴突生长,且RGMa抗体抑制剂可促进神经元存活,并增强皮质脊髓束轴突再生的可塑性[22-23]。总之，巨噬细胞在参与SCI修复的过程中,是保护组织、瘢痕调节和轴突再生的关键因素。

2 胶质瘢痕与SCI修复

SCI后形成的胶质瘢痕主要由活化、增殖的星形胶质细胞(astrocytes, AS)及其分泌的硫酸软骨素蛋白聚糖(chondroitin sulfate proteoglycans, CSPGs)组成[24]。这些反应性AS会经历数次形态和代谢变化,包括肥大、病理性增生、分泌胶质纤维酸性蛋白质(glial fibrillary acidic protein, GFAP)等多种蛋白质和CSPGs等细胞外基质[3,25]。SCI中胶质瘢痕的形成与非CNS的组织伤口愈合过程一样,在损伤后的早期阶段发挥着重要的作用。

2.1 胶质瘢痕的不利影响

在受损神经组织恢复的过程中,胶质瘢痕是阻碍神经元轴突再生的重要因素。其中反应性AS肥大和增生,并高达表GFAP是其被激活的主要特征性表现,也是阻碍神经元轴突再生和生长锥跨越的主要物理屏障[25]。Hara等[3]近期研究显示,在SCI中AS向反应性AS转变的过程是可逆的,这种型别变化具有环境依赖性。进一步研究表明在小鼠SCI模型中,胶质瘢痕形成时期I型胶原在脊髓高表达,并且通过整合素-N-钙黏蛋白途径诱导胶质瘢痕形成,从而导致神经元轴突再生障碍。与此同时,激活的AS可分泌各种炎性介质和CSPGs等细胞外基质,以影响神经元轴突再生的微环境。CSPGs由核心蛋白质及糖胺聚糖侧链组成,其生成可影响神经干/祖细胞的分化,AS的增殖和迁移,少突胶质细胞成熟及髓鞘再生及轴突生长,甚至导致炎症发生,是阻碍组织重构及修复的主要化学屏障[26-27]。Takeuchi等[28]分别通过敲除硫酸软骨素-N-乙酰氨半乳糖胺基转移酶1的基因表达或者利用软骨素酶预处理的方法抑制CSPGs的产生,在SCI后成功抑制了胶质瘢痕的形成,促进神经元轴突再生,且提高了小鼠四肢的运动功能恢复。Vo等[29]研究证明,CSPGs通过抑制轴突导向蛋白Sema3A的表达过程,引起神经元轴突的再生障碍和生长锥塌陷。

2.2 胶质瘢痕的有益作用

在SCI后受损组织会释放出多种化学物质和毒性分子,如兴奋性氨基酸、活性氧和自由基等。此外,活化的小神经胶质细胞和巨噬细胞可进一步促进神经毒性微环境的产生,从而引起继发性损伤。而胶质瘢痕的形成可密封病变部位,防止毒性分子的扩散,抑制继发性损伤的发生。有研究显示,在小鼠SCI模型中促进硫酸乙酰肝素(heparin sulphate, HS)的表达,有助于受损轴突的再生,而HS是CSPGs的组成成分之一[28]。Anderson等[4]近期研究证明,在小鼠SCI模型中利用基因靶向敲除的方法,通过抑制胶质瘢痕形成、减弱胶质瘢痕形成或切除胶质瘢痕3种方式,均未能导致横切的皮质脊髓中感觉或5-羟色胺能神经元轴突的自发再生长。这说明在损伤后早期阶段需要AS和CSPGs以促进组织修复并保护组织免受损伤。而慢性期,当瘢痕组织应该由再生轴突和细胞更新代替时,其存在会阻碍组织修复的进行[21]。

总体而言,胶质瘢痕在SCI后是恢复组织完整性的关键因素,但胶质瘢痕的过度形成会阻碍脊髓损伤后神经元的再生。且已有研究证明,在SCI后胶质瘢痕的形成过程有巨噬细胞参与其中,这进一步说明在脊髓组织中免疫细胞具有消除炎症反应和调节胶质瘢痕形成的能力[14,16,30]。

3 巨噬细胞调节胶质瘢痕的形成

巨噬细胞可通过调节胶质瘢痕的形成间接影响SCI的愈合过程,但其对胶质瘢痕形成的调节机制尚未阐明。在脊髓和视神经损伤的模型中,人们观察到巨噬细胞通过分泌基质降解酶即基质金属蛋白酶13(matrix metalloproteinase 13, MMP-13)来参与组织的损伤修复[13,18]。研究表明,单核细胞衍生的巨噬细胞可以通过分泌MMP-13来降解CSPGs,抑制胶质瘢痕的形成,为轴突再生创建有利环境以促进功能恢复[31]。不同型别的巨噬细胞对瘢痕形成的调节也有所差异,Haan[32]等报道在SCI部位会出现M1和M2型巨噬细胞混杂并存的现象,其分别利用M1型和M2型巨噬细胞条件培养基与原代AS或者脊髓组织切片共培养,证明M1型巨噬细胞条件培养基可促进AS增殖和CSPGs的分泌,而M2型条件培养基对AS的增殖及代谢的影响不明显。且研究显示由M2型条件培养基诱导的AS可同时抑制M1和M2型巨噬细胞的增殖,并减少M1型巨噬细胞中肿瘤坏死因子-α的产生。而Fearing等[33]通过将不同型别巨噬细胞条件培养基与AS共培养,结果显示在M1型条件培养基诱导的AS中GFAP的表达及CSPGs的分泌均显著增加,M2型条件培养基诱导AS中GFAP及CSPGs的表达明显被抑制。Fan等[34]进一步研究表明,SCI后M1型巨噬细胞通过TLR/MyD88信号途径诱导反应性AS凋亡,并提示抑制星形胶质细胞坏死可能有助于预防继发性SCI。Gliem等[35]研究表明,巨噬细胞可通过分泌骨桥蛋白促进AS高表达GFAP并诱导其向反应性AS转变。

综上所述,多年来CNS损伤后的恢复过程被认为是一种组织自主反应,而近些年研究表明,免疫细胞参与受损CNS的愈合过程十分必要。因此,以前认为局部免疫反应和胶质瘢痕形成是CNS愈合过程中轴突再生主要障碍,现已被证明其同样是关键的愈合反应。然而,免疫反应的发生及胶质瘢痕的形成如果得不到及时的调控,同样会对组织修复过程造成不利影响。巨噬细胞是参与SCI恢复过程中的重要免疫细胞,其功能广泛且能够调节胶质瘢痕形成。损伤反应初始阶段的特征之一是形成保护性瘢痕组织,其通过将损伤部位与神经毒性介质密封来提供神经保护作用,并诱导单核细胞衍生的巨噬细胞表型改变以发挥不同作用。在炎症反应消退后,胶质瘢痕会抑制组织修复过程,而巨噬细胞可通过表达基质降解酶如MMP-13,或通过TLR/MyD88信号途径诱导反应性星形胶质细胞凋亡,以促进瘢痕分解或抑制胶质瘢痕形成,为轴突再生创造了有利的环境。最后,在受损的脊髓中巨噬细胞通过分泌诱导轴突再生的生长因子,帮助形成有利于轴突再生的微环境。这种由巨噬细胞通过消除局部炎症保护残存神经元,以及通过部分地消除瘢痕组织促进轴突再生的现象,展示出其在脊髓愈合过程中的重要性。因此,对如何利用巨噬细胞调节胶质瘢痕形成在SCI修复中的正向作用及深入了解其内在机制,将为SCI后促进轴突再生和功能恢复探寻新的、有效的治疗方法奠定基础,对提高SCI患者预后的生活质量具有重要意义。