创伤性急性脊髓损伤病理生理特点及损伤分子机制研究进展

李士利（天津市武清区第二人民医院,天津 301700）

流行病学数据显示，北美每年有12500例SCI新发病例[1]。病因学上，超过90%的SCI病例是创伤性的，由交通事故、暴力、运动或跌倒等事件引发。SCI的男女比例为2∶1，与儿童相比，成人发生率更高。从人口统计上看，60岁以上发生SCI的成年人病情与年轻患者相比更严重，他们的损伤通常由跌倒和与年龄相关的骨质疏松引起。下胸椎损伤可导致截瘫，而下颈椎的损伤往往导致四肢瘫痪。澳大利亚的研究表明，1955年-2006年间脊髓损伤患者四肢瘫痪和截瘫的发生率分别为91.2%和95.9%[2]。上述脊髓损伤人群40年生存率分别为47%和50%。SCI患者的预期寿命在很大程度上取决于SCI损伤水平和保留功能。治疗经济学研究提示，在美国，每个脊髓损伤患者的生命周期成本为235万美元[3]。因此，阐明脊髓损伤的细胞和分子机制并为这种毁灭性的疾病开发新的有效治疗方法十分重要。在过去的几十年里，我国进行了大量的脊髓损伤基础和临床研究，希望进一步明确脊髓损伤的分子机制，从而找到新的治疗方法，从整体上改善患者的预后[4]。

1 SCI的损伤及其特征

脊髓损伤通常是由于暴力创伤性影响所致脊椎骨折或脱臼，从而导致的急性创伤性损伤。最初的机械破坏力传递到脊髓引起的损伤称为原发性损伤，移位的骨碎片、椎间盘往往是造成脊髓受压的重要因素。创伤性脊髓损伤机制主要有以下3个特点[5]：①脊髓受到持续外力挤压；②单独冲击和瞬态冲击挤压；③撕裂/横断性损伤。最常见的原发性损伤形式是冲击加损伤持久挤压，大多数情况下是由于骨碎片压迫脊髓所造成。撕裂伤和横断伤损伤、严重脱位或尖锐骨碎片脱位、从轻伤到完全横断等损伤特点造成的脊髓损伤程度存在较大差异。与日常生活所造成的创伤性脊髓损伤相比，爆炸损伤是战场上脊髓损伤的常见原因并涉及多个脊髓节段，病情往往更为复杂，预后更差。2001年-2009年，世卫组织调查发现，在战区遭受的SCI与常规发生的SCI相比，严重程度增加，神经功能恢复较差[6]。此外，下腰椎爆裂性骨折致使腰骶分离在战斗中更为常见。无论原发性损伤的形式如何，造成脊髓损伤的外力会直接对脊髓造成不可逆的损伤，进而破坏血管和细胞膜，引起脊髓休克、全身性低血压、血管痉挛，缺血、离子失衡和神经递质积累。迄今为止，最有效的临床治疗是早期手术，以减轻对脊髓组织的进一步压迫。这种减压手术应在24h内完成，越早手术预后可能越好。总体来讲，原发性损伤的程度决定了SCI的严重程度和患者的预后[7]。

2 SCI后患者神经功能

在SCI的临床治疗中，神经系统损伤情况大多在伤后72小时使用ASIA评分进行评价。这一时间节点已被证明能为SCI后的神经损伤情况进行精确评估。神经功能恢复的一个重要预测因素是确定患者为不完全受伤还是完全受伤[8]。随着时间的推移，SCI患者经历了一些自发的感觉功能和运动功能恢复，大部分功能恢复发生在手术后最初的3个月到9个月的稳定期。SCI的远期预后与损伤严重程度密切相关。根据脊髓损伤程度不同，患者会出现截瘫或四肢瘫痪。截瘫往往是指下肢感觉或运动功能丧失。不完全性截瘫患者一般预后良好，大约四分之三的患者可部分恢复运动能力。然而，完全性截瘫患者的肢体功能恢复有限。四肢瘫痪是指部分或全部丧失四肢的感觉或运动功能[9-10]。不完全性四肢瘫痪比完全性四肢瘫痪的神经功能恢复要稍好，且最初的肌力是功能恢复的重要预测指标。

3 继发损伤机制

继发性损伤在初始的原发性损伤发生后几分钟内便已开始，持续数周或数月。继发性损伤往往导致病变周围脊髓组织的进行性损伤。继发性脊髓损伤的概念是由艾伦在1911年提出的[12]。在研究狗的SCI时，他观察到创伤后血肿的清除改善了神经功能的恢复情况。继发性损伤涉及一系列持续存在的细胞、分子和生物化学改变，导致脊髓组织受到进一步的损害而加重神经系统功能的缺损。继发性损伤在时间上可分为急性期、亚急性期和慢性期[11]。急性期是SCI开始后立即发生，包括血管损伤、离子失衡、神经递质积累（兴奋毒性）、自由基形成、钙内流、脂质过氧化、炎症、水肿和坏死细胞死亡。随着损伤的进展，亚急性损伤阶段开始，包括细胞凋亡、存活轴突脱髓鞘、轴突坏死、基质重塑和进化损伤部位周围的胶质瘢痕[12]。进一步的变化发生在慢性损伤阶段，包括形成囊腔、进行性轴索回缩、神经细胞成熟胶质瘢痕等病理生理改变。

3.1 缺血缺氧损伤 脊髓血管供应中断和低灌注是原发性损伤的早期后果之一。脊髓损伤患者的低血容量和血流动力学休克、出血和神经源性休克会导致损害脊髓灌注和缺血。组织压力增加脊髓水肿性损伤和出血性损伤，血管痉挛会进一步扰乱流向血管的血流，从而加重脊髓缺血[13]。在大鼠脊髓损伤模型中，在受伤后的最初几个小时内，损伤部位的血流逐渐减少，并保持低位达24小时[14]。与白质相比，脊髓灰质更容易发生缺血性损伤，脊髓灰质密度高出5倍毛细血管床，其对血液供应的需求更高。损伤后，白质血流量增加，通常在受伤后15分钟内恢复到正常水平，而灰质和脑干则在损伤后可出现明显的出血改变。血管损伤、出血和缺血最终导致细胞死亡和组织破坏，这些损伤的内在分子机制包括缺氧、三磷酸腺苷（ATP），兴奋毒性、离子失衡、自由基形成和坏死细胞死亡。此外，缺血组织中血流的重建导致产生自由基和引发一系列炎症反应也是缺血性氧损伤的重要机制。

3.2 氧化及离子失衡损伤 在原发性脊髓损伤后几分钟内，直接细胞损伤和缺血/缺氧引起细胞外谷氨酸显著升高，谷氨酸与离子型（NMDA）红藻氨酸受体结合，导致细胞内钙内流，从而引发神经细胞的损伤[15]。当细胞内Ca2+水平升高时，星形胶质细胞也能释放过量的谷氨酸，活化星形胶质细胞谷氨酸再摄取能力降低，从而导致SCI环境中谷氨酸的进一步积累。谷氨酸含量增加是在脊髓损伤后的最初20-30分钟内，60分钟后恢复到基础水平。钙离子浓度的长期异常升高往往对胞质溶胶、线粒体或内质网产生有害作用。在神经元中，在谷氨酸诱导的兴奋毒性过程中，NMDA受体过度激活导致线粒体钙超载，从而导致神经元凋亡或坏死细胞死亡[16]。SCI之后不久，钙离子通过线粒体钙离子通道进入线粒体，导致钙超载。钙超载进一步激活了一系列蛋白激酶以及产生钙蛋白酶介导蛋白的磷脂酶线粒体失效，从而引起氧化损伤。线粒体钙超载也会阻碍线粒体功能呼吸和导致ATP耗竭，使Na+/K丧失功能。过剩细胞内Na+逆转Na+/Ca2+交换体的活性允许更多的钙离子流入，进一步加重细胞损伤。细胞去极化激活导致Cl进入的电压门控Na+通道并和水与钠离子一起进入细胞，导致肿胀和水肿加速细胞破裂死亡。

3.3 神经细胞凋亡和自噬损伤 细胞凋亡是脊髓损伤后研究最多的细胞死亡机制。细胞凋亡是一个程序化的、能量依赖的过程，并在原发性损伤数小时内开始的细胞死亡模式。这一过程发生在原代细胞存活的细胞中。在凋亡过程中，细胞收缩并最终被免疫细胞吞噬，而不引起炎症反应。细胞凋亡通常以延迟的方式发生在某些区域，而此区域往往距离受伤部位较远，脊髓损伤后受其影响最为严重的是少突胶质细胞[17]。在大鼠脊髓损伤中，细胞凋亡最早发生在伤后4小时，7天达到高峰。损伤后7天内，大多数少突胶质细胞丢失。细胞凋亡是通过外在和内在途径诱导并由相关触发机制所引发的程序性细胞死亡过程。外在途径，由死亡受体如Fas和Fas的激活触发TNFR1，最终激活半胱天冬酶8，引发细胞凋亡[18]。在脊髓损伤中，细胞凋亡主要是由于损伤诱导的Ca2+内流引发，激活半胱天冬酶和钙蛋白酶，从而引发细胞蛋白质分解，启动细胞凋亡过程。

Fas介导细胞死亡，被认为是脊髓内损伤过程中细胞凋亡的关键机制，缺陷小鼠表现出显著的SCI后功能恢复改善[19]，提示Fas基因可能是脊髓损伤后抗凋亡策略的重要研发方向。正常地自噬在维持细胞凋亡中起着重要作用，通过帮助蛋白质的周转来维持细胞的内环境稳定。在自噬过程中，通过溶酶体依赖机制细胞降解有害的、有缺陷的蛋白质或不必要的细胞质蛋白质和细胞器。自噬的过程发生始于自噬体的形成，随后形成吞噬体与溶酶体，并开启自噬过程。现有证据表明SCI后自噬具有神经保护作用[20]。此类患者体内自噬水平明显减低。自噬通过细胞凋亡促进细胞消除有毒蛋白质和受损线粒体。同时，自噬在细胞骨架中也至关重要，通过降解蛋白质重塑和稳定神经元微管SCG10，参与细胞骨架的稳定性。

3.4 免疫应对损伤 神经炎症是继发性脊髓伤的关键因素，且具有局部和系统损伤的特点。炎症最初被认为是有害的激素损伤后反应[21]。炎症的第一阶段（受伤后0-2天），主要表现为小胶质细胞和星形胶质细胞的趋化和血源性损伤部位的中性粒细胞浸润。第二阶段，损伤后约3天开始出现炎症反应，涉及血源性巨噬细胞、B淋巴细胞和T淋巴细胞募集到受伤部位。T淋巴细胞通过以下方式激活抗原呈递：巨噬细胞、小胶质细胞和其他抗原呈递细胞（APCs）。CD4+辅助性T细胞产生的细胞因子刺激B细胞抗体产生并激活吞噬细胞。在脊髓损伤中，B细胞产生抗SCI的自身抗体让脊髓组织受损，加重神经炎症并导致组织破坏。

3.5 免疫细胞浸润损伤 脊髓受伤后的最初几个小时内，中性粒细胞从血液中渗入并在趋化作用下聚集到脊髓损伤部位，并在伤后24小时内达到峰值。中性粒细胞的存在主要局限于SCI的急性期，因为它们很少出现在受伤脊髓的亚急性期。脊髓损伤后中性粒细胞浸润的病理生理学作用仍然存在争议[22]。中性粒细胞通常与组织损伤有关，但过低的中性粒细胞浸润会影响治疗效果并阻碍神经功能恢复。虽然中性粒细胞最初被认为在SCI中是有害的，但新出现的证据表明它们在修复过程中起着关键作用。因此，仍需要进一步的调查来阐明SCI病理生理学中的中性粒细胞的生物学功能。

巨噬细胞和小胶质细胞在中枢神经系统再生中起着重要的作用。它们通过表达促生长因子促进修复过程神经生长因子（NGF）、神经营养素-3（NT）、血栓反应蛋白来促进神经细胞修复。巨噬细胞和小胶质细胞对于SCI后的愈合十分重要，可以吞噬和清除受损细胞，降低继发损伤程度。巨噬细胞/小胶质细胞可极化为促炎细胞或促炎细胞（M1样）或抗炎促再生（M2样）表型，从而对脊髓损伤后的修复过程起到促进作用[23]。然而，是否小胶质细胞和巨噬细胞都具有极化能力或者主要是单核细胞来源的巨噬细胞具有此特性，这仍然是一个有争议的问题。一些证据表明促炎因子M1-与小胶质细胞/巨噬细胞一样，也可诱导产生巨噬细胞针对Th1特异性细胞因子和TNF-α。TNF-α和细胞内铁的积累驱动损伤后巨噬细胞的M1样促炎表型受伤。

IL-10是一种有效的免疫调节因子，在创伤后修复和再生中发挥积极作用。IL-10基因敲除小鼠表现出较高的免疫活性，能够促炎症和氧化应激介质的产生。IL-10的缺乏也与促凋亡因子（如Bax）表达上调有关。最近的研究表明IL-10极化的M2小胶质细胞显示出增强吞噬作用[24]。研究还发现M2极化的小胶质细胞可增强神经前体细胞的免疫调节能力，可能与IL-10介导的少突胶质细胞分化机制有关[25]。除了免疫调节外，M2类小胶质细胞/巨噬细胞促进轴突再生。然而，与延长M1的有害影响类似巨噬细胞反应，过度的M2样活性促进纤维化瘢痕形成，不利于脊髓损伤后修复。因此，促炎症M1和促再生M1之间的平衡及M2巨噬细胞/小胶质细胞反应有利于脊髓损伤的修复。

4 展望

创伤性脊髓损伤是一种异质性和复杂性的病理生理学改变。虽然经过业内人士一个多世纪的不懈努力，SCI的临床前研究一直在进行中，但是取得的进展却并非令人十分满意。学界对SCI机制在过去几年中有了新的认识，这主要是得益于新的生物学机制的发展、转基因和临床前动物模型的进步。虽然脊髓损伤研究取得了一定的进步，但其确切的分子机制、损伤-继发损伤-修复等病理生理过程仍未完全明晰。大量的临床及临床前研究仍然需要开展，进一步探讨其分子机制，为临床急性脊髓损伤的治疗提供方向。