内源性保护在脊髓损伤中的研究进展

文应丹 刘矿嫔

脊髓损伤具有致残率高的特点，会造成细胞和神经功能损伤，进而影响患者的感觉能力或运动能力，最终导致截瘫或四肢瘫痪。全球有200万～300万人患有与脊髓损伤相关的残疾。脊髓损伤的病理生理学机制是复杂的，对于治疗脊髓损伤最关键的就是了解其复杂的病理生理机制[1-3]。在此基础上运用内源性保护性机制，能够为临床治疗脊髓损伤提供新线索。

1 脊髓损伤病理生理学机制

最初，研究总结脊髓损伤的病理生理学可分为急性撞击或压迫。急性撞击造成脊髓震荡，这种类型的损伤多发生在灰质，并导致出血性坏死，细胞内钙的增加和再灌注损伤在细胞损伤中起关键作用，并且在发生在损伤早期。坏死的程度取决于创伤受到的力量大小，是否涉及压迫、血流受阻及药物的使用情况；当肿块撞击脊髓导致实质压力增加时，就会发生脊髓压迫。组织反应发生在白质，包括神经胶质增生、脱髓鞘和轴突受损、血管源性水肿。血管源性水肿加剧脊髓实质内压力上升，最终导致功能障碍的快速进展[4]。现在的脊髓损伤指原发性和继发性损伤。原发性损伤多由于机械暴力所造成；继发性损伤基于原发性损伤，多见脊髓实质中的炎性因子造成的组织的水肿、缺血低氧、坏死等现象[5]。

1.1 血脊髓屏障（blood spinal cord barrier，BSCB）

脊髓损伤中的继发性损伤造成脊髓病变，影响脊髓功能，继发性损伤引起微血管变化，这种变化的机制与BSCB密切相关[6]。

BSCB是血液和脊髓实质之间的物理屏障，可防止毒素、血细胞和病原体进入脊髓，并在脊髓环境中严格控制化学平衡。脊髓的脉管系统在脊髓损伤和修复中起着至关重要的作用。损伤中心的血管破裂和剪切，以及周围组织中BSCB破裂的血管会导致出血和炎症，从而导致整体组织损伤。稳定的BSCB，促进新血管形成是脊髓修复的关键治疗靶点[7-8]。

BSCB中细胞的主要成分是星形胶质细胞（AS）和微血管内皮细胞（MEC）[9]。脊髓神经损伤的大鼠能够表现出明显的星形胶质细胞活化，同时活化区域出现明显的白蛋白渗漏，相应脊髓节段的BSCB功能缺陷[10]。

脊髓损伤后灰质和白质的主要BSCB超微结构变化包括含有自噬体的空泡内皮细胞、线粒体增大的周细胞变性、星形胶质细胞末端变性和血管周围水肿。这些成分密切相互作用，形成功能性“神经血管单元”。内皮细胞和其他细胞之间的交流增强了屏障功能，从而维持和完善了中枢神经稳态[11]。

1.2 炎症

脊髓损伤会诱发炎症的级联反应，激活星形胶质细胞、小胶质细胞和中性粒细胞、巨噬细胞浸润，释放炎性细胞因子、趋化因子、氧自由基等。实际上，研究表明在损伤早期炎症可以抑制胶质形成等积极反应。炎症细胞的各种表型在神经保护和损伤中起到不同作用，也间接展示了脊髓损伤的复杂性[12-13]。

1.3 细胞死亡

目前认为至少有3种细胞死亡方式参与了脊髓神经损伤：包括细胞凋亡、细胞坏死和自噬性细胞死亡[14]。细胞凋亡被认为在急性脊髓损伤的继发性损伤中具有主要作用，大量神经元细胞凋亡会影响脊髓损伤的自我修复[15]。

坏死较晚出现在脊髓继发损伤，脊髓受伤后，BSCB遭到破坏，会出现出血、水肿、细胞毒物聚积、炎症细胞浸润等过程直至完成坏死[16]。坏死性凋亡不同于传统的坏死和细胞凋亡，它是一种新兴的程序性坏死。探讨坏死性凋亡与脊髓损伤后细胞死亡发病机制之间的关系相关研究较为少见。

脊髓损伤后细胞自噬的研究成为近来的研究热点，自噬与继发性损伤密切相关。Kanno等[17]发现脊髓损伤后细胞自噬的激活，该研究在体内外实验中表明脊髓损伤后早期细胞自噬显著激活。自噬虽已被视为缓解脊髓损伤发病机制的治疗靶点，但是脊髓损伤后自噬激活的时空模式是矛盾的。只有进一步的研究才能明确自噬的治疗性激活或抑制是否对脊髓损伤临床模型的总体结果有益，自噬与细胞凋亡之间的相互作用也需要更多研究来证明[18]。目前，一项在大鼠脊髓损伤的荟萃分析中也表示自噬的调节可以改善神经功能，但是无论自噬上调或下调在脊髓损伤治疗中没有差异[19]。研究结果的差异可能与研究方法不同、脊髓损伤后自噬特征缺乏明确定义、自噬监测技术有限等有关。因此，应规范方法，并在未来的研究中关注自噬的动态调节。

2 内源性保护在脊髓损伤中的研究进展

2.1 保护性因子

内源性神经营养因子（endogenous neurotrophic factors，ENTFs）家族可以调节神经元生长、存活和分化[20]。赵彦平[21]的研究认为受伤脊髓中神经细胞可分泌神经生长因子（NGF），参与调节脊髓损伤后的修复功能。张峡等[22]研究认为内源性神经营养因子3（NT-3）能促进损伤脊髓内的感觉神经元形态和功能修复，有利于脊髓可塑性修复。同样，Dong等[23]的实验证明脊髓损伤后脊髓腹侧角和背角NT-3和神经营养因子4（NT-4）阳性神经元数量增加，提示内源性NT-3和NT-4在不同时间对感觉和运动神经元在脊髓损伤修复中的作用。邓盘月等[24]发现脊髓完全横断后原肌球蛋白受体激酶B（TrkB）和脑源性神经营养因子（BDNF）的表达逐渐增加，并在第21天达到峰值，第28天恢复正常水平。这两个因子的变化为脊髓后再生修复机制提供实验依据。

碱性成纤维细胞生长因子（bFGF）具有神经营养作用。脊髓损伤后内源性bFGF增加了神经元的存活率。bFGF的保护作用与下游信号磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）/蛋白激酶B（Akt）/糖原合成酶激酶（GSK）的激活有关[25]。赵斌[26]的研究发现内源性音猬因子对成年大鼠急性脊髓损伤后神经再生具有重要的作用，为脊髓损伤的治疗提供了更多线索。

2.2 腺苷

脊髓损伤后腺苷释放可能提供神经保护反馈的假设。在脊髓损伤后立即检测到腺苷的大量释放。Zhang等[27]通过观察大鼠脊髓损伤后内源性腺苷的变化，结果发现脊髓损伤后腺苷表达显著增加，腺苷浓度在受伤后1 h达到峰值，然后降至基础水平。腺苷升高与脊髓损伤严重程度呈正相关。内源性腺苷的变化可能参与继发性脊髓损伤的病理过程，可能对脊髓损伤起保护作用。

2.3 5-羟色胺

Huang等[28]的最新研究表明斑马鱼脊髓中内源性的5-羟色胺参与的促进神经轴突再生修复的机制。研究认为脊髓内特定水平的5-羟色胺能可以增强重建哺乳动物脊髓运动回路的潜力。体外研究表明，5-羟色胺受体激动剂促进神经突延长和培养的神经元的分支；利用斑马鱼脊髓损伤模型及其显著的再生能力，在体内研究5-羟色胺受体对特定脊髓中间神经元轴突再生的影响，通过基因敲除，证明了5-羟色胺受体的缺失损害了斑马鱼脊髓损伤后谷氨酸能兴奋性中间神经元的轴突再生和运动功能的恢复。

2.4 谷胱甘肽

内源性谷胱甘肽（glutathione，r-glutamyl cysteingl+glycine，GSH）对急性脊髓损伤大鼠的氧化应激可能起到某种保护的作用。脂质过氧化（LPO）被认为是脊髓损伤后损伤扩散的主要因素[29]。在Lucas等[30]的研究中，通过大鼠脊髓损伤模型研究了损伤后内源性抗氧化剂GSH对LPO的影响，结果表明增加GSH可能是减少急性期脊髓损伤中LPO介导的损伤的有效策略。GSH在神经系统中发挥多种作用，包括自由基清除剂、离子型受体活性的氧化还原调节剂和可能的神经递质，内源性GSH对脊髓损伤后的继发性损伤具有重要的保护作用。

2.5 激素

神经系统损伤后，性别差异在损伤的发生发展及神经功能恢复方面具有不同效果，研究发现雌激素和孕激素对神经系统具有保护作用[31]。使用大剂量17-β雌二醇治疗能够通过调控内源性巯醇抗氧化物来改善运动功能，抑制细胞凋亡，从而减轻脊髓损伤程度。所以内源性17-β雌二醇也为临床应用雌激素治疗脊髓损伤提供理论依据[32]。大鼠急性脊髓损伤后脊髓内有大量的促红细胞生成素和促红细胞生成素受体生成，前者能减少自由基和脂质过氧化的损伤，抑制细胞凋亡，对继发性脊髓损伤有保护作用；后者能够作为神经保护作用的分子基础[33]。

2.6 生存素

生存素（survivin）是凋亡抑制蛋白（IAP）家族的独特成员，在胚胎发育过程中表达。survivin在细胞增殖和凋亡细胞死亡中的重要作用，以及神经系统损伤治疗具有必要性。哺乳类动物急性脊髓损伤后survivin显著表达提示内源性保护和修复相关机制发生，且其表达程度与脊髓损伤的程度呈正相关[34]。

2.7 热休克蛋白27（HSP27）和脑红蛋白（Ngb）

HSP27是脊髓损伤后产生的一种重要的内源性保护因子。在脊髓损伤早期诱导内源性HSP27上调，从形态学上可能激发和增强受损中枢神经的自我保护和自我修复[35]。HSP27及Caspase-3共表达可能在脊髓损伤后细胞凋亡表达的过程中防止继发性损伤中发挥了重要作用[36]。

Ngb参与了脊髓损伤后星形胶质细胞的抗氧化应激，发挥内源性细胞保护作用。Ngb可以激活PI3K/Akt通路来抑制大鼠脊髓神经细胞的凋亡，因此对脊髓损伤发挥神经保护作用[37]。

2.8 内源性干细胞

神经干细胞包括内源性和外源性，其中，内源性神经干细胞源于个体内部。脊髓损伤后，内源性神经干细胞（endogenous neural stem cells，ENSCs）能分化成神经元促进脊髓愈合，但其分子机制没有确切证据来充分说明。ENSCs为脊髓损伤的再生修复带来希望。实验证实，ENSCs存在于脊髓中央管以及其周围。各种程度的脊髓损伤后，损伤部位的细胞表现出不同程度的增殖、迁移、分化等干细胞样反应。但是在未经干预的状态下，这些ENSCs迁移距离短，增殖有限，分化多见于胶质纤维酸性蛋白（GFAP）阳性的星形胶质细胞，而不是分化为功能性的神经元细胞来促进损伤的脊髓完全再生。因此，探究影响ENSCs增殖，分化的分子机制可为从分子水平上调控ENSCs以治疗脊髓损伤提供理论依据与实验依据[38]。

2.9 内源性信号通路

脊髓损伤后，内源性信号通路可以调控轴突再生，最常见的就是丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号通路和PI3K/Akt信号通路。它们在神经系统中可以促进细胞增殖，神经可塑性和细胞存活等[39]。

成人骨髓基质细胞（BMSC）在脊髓损伤的神经元中触发内源性存活信号通路，介导对凋亡损伤的保护，这种功能恢复是通过增强受损神经元的营养支持和改善神经元可塑性而不是由骨髓来源的干细胞替代组织来介导的。此外，应激神经元和BMSC之间的相互作用进一步放大了观察到的神经保护作用，这种保护作用是由于BMSC在受损脊髓中刺激内源性PI3K/Akt和MAPK信号通路介导的[40]。脊髓损伤后，内源性PI3K/Akt和MAPK信号通路的下游靶点被激活，即内皮一氧化氮合酶、糖原合酶激酶3、核因子-κB、细胞外信号调节激酶等，使神经元在损伤后存活。因此，这些发现表明内源性PI3K/Akt和MAPK信号通路在脊髓损伤中起关键作用，激活这两条通路可以抑制神经元细胞凋亡，对继发性脊髓损伤起到保护作用[41]。

3 内源性保护与外源性保护在脊髓损伤中的比较

内源性和外源性雌激素可对疼痛进行快速调节；雌激素可快速增强脊髓背角兴奋性突触传递，并对脊髓背角长时程增强（LTP）具有增强作用。内源性和外源性褪黑激素对脊髓损伤动物模型神经重建和功能恢复均是有益影响[42]。促进内外源性NTF表达，对脊髓损伤后运动和感觉神经功能的恢复具有积极意义。

多项研究指出联合治疗对于神经功能再生与恢复是非常有效的，比如细胞移植联合外源性神经营养因子治疗可以改善损伤区域的微环境[43]。在移植实验中，注射外源性BDNF可促进移植细胞向神经元样细胞分化；而内源性BDNF在细胞的增殖分化过程中也发挥重要作用。另外，联合移植外源性bFGF、血管内皮生长因子（VEGF）对干细胞增殖和向神经元方向分化具有促进作用，细胞移植和细胞因子具有协同作用[44]。

由此可见，外源性及内源性因素大部分情况下以协同的方式在脊髓损伤中起到保护作用。但是，脊髓损伤区域抑制性微环境是阻碍轴突再生的重要因素。虽然神经干细胞移植取得了不错的效果，但是外源性细胞存在伦理、细胞来源、免疫排斥、致瘤性等问题制约了临床转化。如何调控ENSCs已成为学者关注的焦点[45]。

内源性保护与损伤微环境状态息息相关；外源性保护通过遗传修饰后也显示出了治疗潜力。近年来，内外源性神经再生基因的相关研究，也为脊髓损伤后轴突再生的基础和临床研究提供新的研究方法。

综上所述，内源性因素虽然不再作为单一的修复手段，但是依然是修复的核心环节。