神经递质在脊髓神经再生中作用机制的研究进展

刘忠玲,张义群,姚美英,于 维

（1.吉林大学中日联谊医院科研部，吉林 长春130033；2.吉林大学中日联谊医院手外科,吉林 长春130033）

神经递质是一类由神经末梢释放的特殊化学物质，其通过作用于支配的神经元或效应细胞膜上的受体传递神经轴突内的化学信号，进而介导机体的生理功能和病理变化［1］。传统理论认为：哺乳动物的中枢神经再生仅发生于胚胎期和出生后早期，成年后中枢神经不再具备再生能力。但现代研究［2］显示：部分成年哺乳动物的的海马和嗅球等在整个成年生长期中枢神经可持续再生。作为神经元间信息传递的重要物质，神经递质按照化学结构可分为胆碱类、氨基酸类、单胺类和肽类等几大类，其中胆碱类神经递质中最经典的是乙酰胆碱（acetylcholine，Ach），氨基酸类神经递质可分为兴奋性和抑制性氨基酸神经递质，前者主要包括谷氨酸（glutamate，Glu）和天冬氨酸（aspartic acid，Asp），后者主要包括牛磺酸、甘氨酸（glycine，Gly）和γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）等；单胺类神经递质主要包括多巴胺（dopamine，DA）、去甲肾上腺素（noradrenaline，NA）和5-羟色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT）等；常见的肽类神经递质包括内源性阿片肽和P物质（substance P，SP）等。上述神经递质在维持机体状态的同时，也影响着脊髓损伤后的神经再生。脊髓损伤后神经递质的表达呈现出复杂性、持续性和连锁反应性等特点，其相互协同或拮抗地参与了整个神经轴突再生的过程。

神经损伤后神经递质的成分和含量都可发生明显变化，作为损伤的信号可引发神经系统一系列的继发性级联反应［3］。目前研究［4］表明：神经递质对神经损伤后的再生过程有重要影响，在脊髓神经损伤急性期，DA、5-HT和NA等单胺类神经递质和Ach含量异常升高，提示神经递质作为应激信号激发了机体对神经损伤的应激反应，并调控了随后的神经细胞变性和坏死过程。目前大多研究集中于一种或一类神经递质的研究和分析，尚无系统性综述回顾不同种类神经递质在脊髓损伤后的影响和作用机制。现结合国内外相关文献，总结神经递质在脊髓损伤后的含量变化及其在不同阶段参与神经再生的过程，分析其对神经再生的影响，旨在为神经损伤再生机理的进一步研究提供理论依据，为研究神经再生障碍的潜在治疗策略提供新的思路。

1 胆碱类神经递质参与脊髓神经损伤后再生过程的作用及其机制

Ach的化学名称为（2-乙酰氧基乙基）三甲基铵，是中枢神经系统内最重要的神经递质之一，既往研究［5］显示：Ach广泛参与了神经细胞的发育和神经损伤后的再生过程。脊髓中广泛存在胆碱能神经元，脊髓前角的α和γ运动神经元都属于胆碱能神经元，而分布于脊髓后角的胆碱能神经元与疼痛等感觉信号的传输和调节有密切关联。当脊髓神经损伤后，Ach大量释放后迅速下降，其早期释放的程度与损伤程度呈正相关关系。有研究［6-7］表明：早期过度释放的Ach是加重神经继发性损害的原因之一，其急剧升高的程度与预后呈负相关关系；而在神经恢复期Ach的表达可以对神经元起到重要的保护作用以及促神经再生。Ach是在胆碱能神经元兴奋后由突触前膜以胞吐的形式释放，再通过与细胞膜上的胆碱能受体结合，引起细胞去极化，完成神经冲动，最终引起肌肉收缩。Ach受体可以分为两大类，一类是烟碱型胆碱能受体（N-AchR），为离子通道型的快兴奋型受体，广泛分布于脊髓神经元胞体和树突等结构（神经型N1-AchR）和神经肌肉接头处的突触后膜（肌肉型N2-AchR）；N-AchR介导了Ach对脊髓运动神经元的兴奋作用，在脊髓损伤后的运动功能重建中扮演着重要角色。另一类是毒蕈碱型胆碱能受体，为G蛋白偶联型的慢兴奋型受体，其兴奋后通过N-甲基-D-天 冬 氨 酸（N-methyl-D-aspartate receptor，NMDA）和α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙 酸 受 体 （α-amino-3-hydroxy-5-methl-4-isoxazolepropionic acid，AMPA）等途径激活神经型兴奋性氨基酸神经递质的细胞毒作用［8］。脊髓损伤后，局部的神经元及其轴突发生广泛的华勒变性，Ach大量释放，活化的Ach通过激活巨噬细胞和中性粒细胞等炎性细胞，介导损伤区域内的炎症反应，从而加重了脊髓损伤后的继发性损害；而神经肌肉接头处的运动终板结构崩解，骨骼肌功能异常，骨骼肌突触后膜处的N2-AchR水平异常上调，表明发生各亚型的异化重构，加重神经肌肉功能紊乱。当神经损伤经过了急性期，Ach的释放则有利于局部胶质碎片的清除和诱导神经再生信号蛋白的聚集，增加神经功能突触可塑性，因此通过抑制急性炎症期Ach过度释放和提高神经恢复期Ach水平已成为提高脊髓神经再生效果的主要治疗策略之一［9］。

2 单胺类神经递质参与脊髓神经损伤后再生过程的作用及其机制

单胺类神经递质是中枢神经递质，主要包括儿茶酚胺和吲哚胺两类，其中就脊髓而言，包括DA、NA和吲哚胺（主要是5-HT）。

2.1 DA DA是中枢神经重要的神经递质，其化学名称4-（2-氨基乙基）-1，2-苯二酚。1958年瑞典学者首次确定了DA具有神经递质的功能，尤其在兴奋传导方面作用尤为明显。DA在DA神经元中合成，并释放到突触间隙，通过特异性激活位于突触后膜上的DA受体发挥作用。早期在动物模型实验中，通过注射外源性6-羟基多巴胺，可以影响神经损伤和再生过程，在神经损伤后早期小胶质细胞大量积聚情况下，仍可发现DA神经纤维再生［10］。传统观念认为，神经系统中DA能神经元仅存在于脑组织中，脊髓中的DA则是由脑组织分泌。近年来的研究［11-12］显示：脊髓中也存在DA能神经元，且脊髓损伤后DA能神经元参与了神经再生的调控和靶器官的功能重建。在脊髓损伤的动物模型中，相应脊髓节段内的DA释放量增多，其相应的DA 1受体（DA 1 receptor，DA 1R）水平亦明显升高，以便维持神经元状态与功能，进而通过激活节律运动的控制装置—中枢模式发生器达到肢体运动节律功能的恢复；同时，有学者［11］在此基础上通过持续注射DA的前体物质-左旋多巴胺，早期即能观察到运动单位的恢复，从而提高了肢体运动功能的恢复效果。在非脊椎动物的运动节律实验中，阻断DA的合成能干扰果蝇的飞行运动［12］。肢体节律运动支配的具体机制可能是由于DA 1R通过G蛋白偶联受体活化激活腺苷酸环化酶，增强了AMPA通道活性，使突触后膜AMPA通道表达时限延长；另外，DA 1R还可磷酸化NMDA离子通道，进而增加兴奋性神经递质的传输而起到保护神经元延迟性死亡和继发性损害的作用。

2.25 -HT5-HT是一种抑制性神经递质，1948年美国RAPPORT等［13］通过纯化分离牛血清得到一种血清素即为5-HT，可引起血管收缩。脊髓内的5-HT主要来源于大脑的中缝核团和延髓尾端，5-HT对于脊髓损伤后肌肉痉挛调控和运动功能的恢复具有重要意义［14-15］，主要通过与其受体相结合而发挥相应作用。有研究［16-17］表明：在脊髓损伤后可通过激活5-HT 1A受体（5-HT 1A receptor，5-HT 1AR）和5-HT 2受 体（5-HT 2 receptor，5-HT 2R）产生持续性内向电流，从而增加脊髓运动神经元前突触的兴奋性，进而产生自发性的肌肉痉挛。进一步的实验研究［18-19］显示：脊 髓 完 全横断后脊髓灰质内5-HT 1AR表达明显升高，通过外源性应用5-HT及其激动剂可以激活腰脊髓中枢模式发生器 （central pattern generator，CPG），从而调节肢体的运动节律和恢复效果，其机制可能是脊髓运动神经元内5-HT 1AR活化后可抑制K+离子样的TWIK相关的酸敏感钾离子通道（TWIK-related acid-sensitive K channel，TASK）产生去极化并增加输入电阻，也能够抑制钙离子（Ca2+）活化的钾离子（K+）通道产生后超级化，通过上述途径增加细胞的兴奋性，进而起到减少神经元继发性损害的作用。研究［20-21］显示：在脊髓损伤模型中，5-HT能纤维可作为脊髓损伤后的再生指标，其依据为5-HT的神经元在中缝大核内作用下行纤维形成下行抑制系统。

2.3 NANA是一种肾上腺素去掉N-甲基后形成的儿茶酚胺类结构物质，主要由交感节后神经元和脑内肾上腺素能神经末梢合成和分泌［22］。哺乳动物脊髓内广泛存在去NA能神经纤维，脊髓损伤后可激活NA受体1编码基因上调［23］，进而导致NA水平升高，使交感NA能神经系统活动增强，并且激活了脊髓前角运动神经元，进而对脊髓损伤后运动功能的恢复进行调控。有研究者［24］利用NA特异性的标志酶多巴胺β羟化酶对脊髓损伤后相应节段NA的水平进行检测并分析发现：脊髓损伤后相应节段NA的合成和释放明显增加，可能是由于损伤早期NA参与了机体对损伤性刺激的应激反应，以及参与了机体心血管功能和神经系统的自主功能的调控；脊髓损伤后期NA能神经元的增加和NA含量的升高，可能是由非NA能神经元转化而来，进而对脊髓损伤后的运动神经系统的重塑功能进行调控，最终促进了肢体运动功能的康复。

3 氨基酸类神经递质参与脊髓神经损伤后再生过程的作用及其机制

氨基酸在中枢神经系统中具有双重作用，既是中间代谢产物，又是神经递质。氨基酸类神经递质分成两大类：具有兴奋作用的Glu和Asp及具有抑制作用的GABA和Gly等。神经系统损伤后兴奋性和抑制性氨基酸类神经递质的失衡学说是神经系统损伤的重要机制之一。正常生理条件下，兴奋性氨基酸和抑制性氨基酸都存储于神经末梢的囊泡中，当神经冲动到达突触末端时存储的神经递质释放到突触间隙，与突触后受体结合，完成化学信号的传递。当脊髓神经损伤时，兴奋性氨基酸类神经递质增高，抑制性氨基酸类神经递质降低，二者的动态平衡被破坏，进而会启动一系列神经损伤，最终导致神经细胞的死亡。

3.1 兴奋性神经递质在脊髓神经损伤后的变化及在神经再生中的调控作用Glu是一类酸性氨基酸，化学名称为2-氨基戊二酸，与Asp［化学名称：L-（+）-氨基丁二酸］均是中枢神经系统中具有兴奋作用神经递质，并且是神经系统内含量最高、分布最广泛氨基酸类神经递质。兴奋性氨基酸类神经递质水平升高引起的兴奋毒性效应是脊髓损伤后神经元变性坏死的重要机制之一［25］，多年来以Glu为代表的兴奋性神经递质对神经系统损伤的作用及机制一直备受关注。近年来研究［26］显示：Glu在脊髓损伤后的兴奋毒性作用主要表现在两方面，一是Glu含量增加后其NMDA受体和AMPA受体过度表达，介导神经细胞通透性急性增加，钠离子（Na+）和氯离子（Cl－）被动内流，神经细胞毒性水肿；二是损伤后数小时至数日内产生Glu受体过度兴奋，使细胞外液中Ca2+大量内流引起细胞内Ca2+超载，进而激活大量的蛋白酶，不仅加速磷脂酶降解和蛋白质溶解，导致细胞蛋白结构破坏，而且抑制线粒体功能，加速能量代谢障碍，最终使神经元产生兴奋毒性而死亡。

3.2抑制性神经递质在脊髓神经损伤后的变化及在神经再生中的调控作用GABA化学名称为4-氨基丁酸，是中枢神经系统中重要的抑制性神经递质，介导30%～40%中枢神经系统神经元的功能，对神经元的活动具有较强的抑制作用。脊髓中GABA在后角的灰质浓度最高，其次是前角灰质内。GABA主要通过结合突触前膜或突触后膜上的GABA受体发挥其抑制性作用。GABA受体主要包括GABA A型和B型（GABAA和GABAB）受体，其中GABAA受体是氯离子通道门控受体，在脊髓的神经元中有表达，GABAA受体可以增加细胞膜对Cl－的通透性，使Cl－内流，引起突触后神经元超极化［27-28］，从而保护了神经元。GABAB型受体则通过激活膜上G蛋白抑制Ca2+内流，可对兴奋性神经递质产生抑制效应［29］。脊髓神经损伤后，GABA介导的抑制性功能失调。侯润宇等［30］通过免疫荧光染色测定脊髓损伤后Glu和GABA受体神经元个数及表达量，结果显示均明显降低；通过电刺激等手段进一步研究显示：GABA介导的抑制性突触传递则是步行活动中肌肉协调、控制速度和节律性的关键。此外，脊髓损伤后GABA可由抑制性作用转化为兴奋性作用，导致中枢神经敏化的形成，同时这种情况与膜蛋白氯钾协同转运蛋白2（K+-Cl－-cotransporter 2，KCC2）减少有关。生理情况下，神经元通过KCC2可以保持细胞内低氯离子浓度。当GABAA和Gly受体门控Cl－通道开放时，细胞外Cl－内流，Cl－平衡电位发生超极化，从而发挥抑制神经元的作用［31］。然而在病理状态下，KCC2低水平表达，导致神经元保持高Cl－浓度，此时GABAA受体调控的是去极化作用，因而起到兴奋神经元的作用［32］。因此，脊髓损伤后GABA神经元的死亡、GABA合成酶表达减少和GABA功能转变等导致细胞外GABA含量减少，其对兴奋毒性作用拮抗不足，从而导致运动神经元“去抑制”，进而出现神经的持续性放电，导致肌肉出现痉挛状态，呈现出硬瘫为主的截瘫特点。

Gly也称氨基乙酸，在脊髓中主要为抑制性神经递质，以Gly为递质的突触主要存在于脊髓中［33］。Gly对神经系统的作用有争议，一部分学者［34］认为其具有保护作用，当Gly升高时，可激活其受体-Cl－选择性跨膜通道，引起Cl－通道的开放，而后引起神经元超极化，阻止由兴奋性递质而引起的神经元去极。而另有研究者［35-36］则认为Gly有双相调节作用：Gly是导致NMDA受体Ca2+通道开放的辅助因子，当Gly和Glu同时作用于NMDA受体时，Ca2+通道大量开放，导致大量Ca2+内流而损害神经元，因此Gly被认为与Glu具有协同的毒性作用。

4 肽类神经递质参与脊髓神经损伤后再生过程的作用及其机制

肽类神经递质是一类分子较小的肽且具有神经活性，主要包括阿片样肽和SP等。

内源性阿片肽是一类神经调节物质，广泛分布于神经系统中。既往研究［37］表明：内源性阿片肽参与脊髓损伤后的病理生理变化。作为一种损害性因子，内源性阿片肽参与了脊髓损伤后的继发性损害，其中以强啡肽A（dynorphin A，DynA）的作用最明显。脊髓损伤后，相应节段的DynA含量持续增高，而且DynA增高的程度与脊髓损伤后功能预后呈负相关关系。当应用阿片受体拮抗剂后，脊髓损伤后神经功能有所改善，其机制可能是：当脊髓损伤后，DynA可通过促进兴奋性氨基酸类神经递质的释放，并激活NMDA受体，引发细胞内Ca2+超载，从而加重神经元的兴奋性神经毒作用，引起神经元的死亡［38］。

SP是一种主要的兴奋性递质，属于速激肽家族，是一个由11个氨基酸组成的多肽。SP在中枢和外周神经系统均有表达，广泛参与痛觉传递、肌肉收缩、炎性调节和免疫应答等过程［39］。SP在脊髓内存在于中间神经元和脑脊髓下行投射纤维末梢，当SP激活后可产生神经系统的促伤害作用。当脊髓损伤时，神经系统内SP含量增加，神经纤维末端释放SP，引起“神经性炎症”；在脊髓中SP的释放可促进兴奋性氨基酸类神经递质的释放，并且通过激活神经激肽1（neurokinin 1，NK1）受体引起神经元细胞膜的去极化，增加神经细胞的兴奋性，从而加重兴奋性神经毒作用［40-41］。

5 总结与展望

综上所述，不同种类的神经递质参与了脊髓神经损伤后的再生过程，并在神经再生过程中起着重要的调控作用。在脊髓神经损伤的急性期，DA和NA升高后很快在脊髓损伤近端、损伤区和损伤远端明显下降，5-HT在损伤区和损伤远端含量降低，而在损伤近端的含量则较长时间维持在高水平。其中部分神经递质可以作为损伤信号激发机体对神经损伤的应激反应，加速神经的再生过程，但同时这些神经递质的过度释放又是导致神经细胞继发性损害的原因之一；在脊髓神经再生过程中，兴奋性和抑制性神经递质的表达失衡严重影响着神经再生的效果。既往研究［42-43］显示：针对每个神经递质进行相应的干预治疗，通过刺激单个神经递质的分泌均有助于改善肢体运动功能的恢复，然而，神经递质对神经再生调控的具体机制仍有待于深入研究。因此，系统研究脊髓损伤后各个阶段神经递质的病理变化规律以及其参与调控神经再生的分子机制，将有利于从神经递质角度阐明中枢神经再生障碍的机制，为临床上突破脊髓神经再生障碍的潜在治疗策略提供一个崭新的思路。