MicroRNA和电刺激在周围神经再生修复中的研究进展

高 博, 于鸿伟, 杨 霄, 刘 庆, 王 培

(1.承德医学院, 河北 承德 067000 2.承德医学院附属医院手足外科, 河北 承德 067000)

1 miRNA参与周围神经再生

miRNAs是一类由内源基因编码的,长度约为22个核苷酸的单链非编码小RNA分子,其主要通过与靶基因mRNA的3'非翻译区(3'UTR)结合,导致靶基因的降解和翻译抑制,在转录后水平调控基因的表达,并在多种生理和病理过程中起到重要的作用[1,2]。雪旺细胞是外周神经系统中的主要神经胶质细胞,周围神经损伤后雪旺细胞被激活并转化为修复表型,经历细胞重编程过程,迁移到神经损伤部位帮助清除髓鞘和轴突碎片,引导轴突定向生长,为周围神经再生提供了良好的微环境,在神经再生中具有重要的作用[3]。近年来,研究表明,miRNAs在周围神经损伤后表达失调,参与调控雪旺细胞增殖和迁移等的表型变化,从而影响周围神经损伤后修复[4]。

1.1miRNAs可促进雪旺细胞的增殖和迁移:周围神经损伤后,miRNAs在神经组织中表达失调,失调的miRNAs可促进雪旺细胞的增殖和迁移,加速神经再生。Liu等在损伤的大鼠坐骨神经节段中鉴定出了许多差异表达的miRNAs,其中miR-3099在损伤后表达上调,EDU细胞增殖实验和Transwell小室实验结果显示上调miR-3099的表达可促进雪旺细胞的增殖和迁移。为了进一步研究miR-3099调控雪旺细胞增殖和迁移的机制,研究者利用生物信息学等工具对miR-3099的潜在靶基因进行了预测,发现miR-3099以Aqp4、St8sia2、Tnfsf15和Zbtb16等作为靶基因,促进雪旺细胞的增殖和迁移,参与周围神经再生修复[5]。研究表明,miR-sc14在大鼠坐骨神经损伤后第1天表达显著上调并在损伤后第7天表达呈下调趋势,体外EDU细胞增殖实验和Transwell小室实验结果表明,miR-sc14能够促进雪旺细胞的增殖和迁移。此外,采用生物信息学分析等发现成纤维细胞生长因子受体2可能是miR-sc14潜在的靶基因,表明miR-sc14可能通过调控成纤维细胞生长因子受体2实现对雪旺细胞的这种调控作用[6]。周围神经损伤后,miR-sc6在雪旺细胞中高度表达,并通过负向调控ErB4的表达促进雪旺细胞的增殖和迁移,进而促进周围神经再生修复[7]。揭示了miRNA调控雪旺细胞增殖和迁移的机制。

1.2miRNAs可调控雪旺细胞释放神经营养因子:miRNAs可调控雪旺细胞释放神经营养因子从而影响周围神经再生修复。脑源性神经营养因子(BDNF)有利于外周神经再生,Sheng等研究发现大鼠坐骨神经损伤后,在损伤神经中发现miR-1和BDNF的时间表达谱之间具有负相关关系,且过表达或沉默分别抑制或增强了雪旺细胞中BDNF的分泌,同时也分别抑制或促进了雪旺细胞的增殖和迁移,进一步研究发现miR-1通过与BDNF 3'-UTR端结合导致BDNF mRNA降解,抑制了雪旺细胞脑源性神经营养因子的释放,进而抑制了雪旺细胞的增殖和迁移[8]。

1.3miRNAs可调控神经损伤后轴突再生:miRNAs可调控神经轴突的再生,影响神经损伤后的功能恢复。Zhu等在体外建立背根神经节(DRG)神经元miR-129过表达或沉默模型,运用免疫荧光实验检测轴突的再生,发现上调或下调miR-129的表达分别抑制或促进了DRG神经元的轴突生长,体内实验进一步证实miR-129能够抑制神经损伤后轴突再生,双萤光素酶实验证实胰岛素样生长因子1(IGF-1)是miR-129的靶基因,IGF-1的表达上调可促进DRG神经元的轴突生长,表明神经损伤后下调的miR-129促进IGF-1的表达,进而促进神经轴突的再生[9]。Xin等建立体外DRG神经元与雪旺细胞共培养系统,其中DRG和基质凝胶的混合物接种在下腔室,雪旺细胞接种在上腔室,共培养7天后,运用共聚焦显微镜观察DRG神经元轴突的生长,结果发现雪旺细胞中miR-21的表达增加时促进了神经轴突的生长,即miR-21可促进轴突的再生,体内实验进一步证实了miR-21能够促进神经轴突的再生[10]。

1.4miRNAs是周围神经再生修复中重要的调控因子:丁香酸(SA)是体内具有神经保护活性的天然产物,Lin等采用600μM浓度的丁香酸处理雪旺细胞,EDU细胞增殖实验及Transwell小室实验显示丁香酸可显著促进雪旺细胞的增殖和迁移。研究者进一步利用miRNA微阵列分析识别了丁香酸处理雪旺细胞后差异表达的miRNA,发现有22个miRNAs表达下调,4个miRNAs表达上调,其中miR-451-5p表达下调且幅度最大,实验证实miR-451-5p可促进雪旺细胞的增殖和迁移,表明丁香酸通过下调miR-451-5p的表达实现对雪旺细胞的表型调控[11]。天麻素(GAS)可显著促进周围神经再生,研究证实天麻素通过抑制miR-497以增加雪旺细胞中脑源性神经营养因子的(BDNF)的表达来促进雪旺细胞的增殖迁移[12]。Xia等使用基于磁力的机械刺激(mechanical stimulation,MS)系统刺激雪旺细胞(SCs),并且从机械刺激的雪旺细胞(MS-SCs-EVs)和非机械刺激的雪旺细胞(SCs-EVs)中纯化细胞外囊泡(EVs),发现MS-SCs-EVs在体外及体内能够促进轴突伸长,研究发现miR-23b-3p与其靶基因神经肽1(Nrp1)是其发挥作用的重要的信号通路[13]。综上所述,周围神经损伤后机械刺激以及某些化合物如丁香酸、天麻素等同样可以促进周围神经损伤后修复,其共同机制皆是通过改变miRNAs的表达水平所实现。

2 电刺激参与周围神经损伤修复的调控

电刺激疗法是一种已知的可以促进周围神经再生,加速神经功能恢复的治疗手段,早在2000年Al-Majed等就证明短暂(1h)低频(20Hz)电刺激可加速损伤的周围神经再生修复[14]。截至目前,越来越多的研究发现电刺激可加速周围神经损伤后修复,例如电刺激可促进雪旺细胞的迁移,增强雪旺细胞释放更多的神经生长因子等以及促进神经损伤后轴突再生和功能恢复等。

2.1电刺激可引导雪旺细胞向神经损伤部位聚集:周围神经损伤后适当强度的电刺激可以加强雪旺细胞的聚集,促进周围神经再生。有研究者将雪旺细胞暴露在直流电场下(75mV/mm),观察雪旺细胞的排列以及迁移变化,发现雪旺细胞沿着垂直于电场线的方向重新排列且以更高的平均速率(7.5μm/h)向阴极移动[15]。这些数据表明当周围神经损伤时,可通过应用直流电场诱导雪旺细胞向神经损伤部位聚集,促进神经再生。

2.2电刺激可加速瓦勒氏变性并促进雪旺细胞释放神经营养因子:周围神经损伤后修复主要经历瓦勒氏变性、修复雪旺细胞形成以及“神经桥”的形成,其中瓦勒氏变性是在损伤后神经远端发生的轴突坏死、髓鞘分解等的现象,瓦勒氏变性可在损伤部位产生较多的轴突及髓鞘碎片,阻碍神经的再生[16]。因此,加速神经损伤后瓦勒氏变性过程可促进神经再生。神经营养因子在周围神经损伤后发挥重要的作用,有研究表明电刺激也可促进雪旺细胞释放神经营养因子。大鼠坐骨神经损伤后,在神经远端提供电刺激治疗,结果显示电刺激可显著促进轴突和髓鞘碎片的清除以及神经营养因子的分泌,加速瓦勒氏变性,促进周围神经再生[17]。Huang等利用具有对齐形貌的导电石墨烯基纤维支架模拟外周神经再生的电生理环境,雪旺细胞被接种到该支架上,并在体外接受10mv的电刺激,结果发现电刺激可显著促进雪旺细胞神经生长因子(NGF)的释放[18]。这表明电刺激促进周围神经再生可通过促进瓦勒氏变性和雪旺细胞释放神经营养因子来实现。

2.3电刺激可加速神经轴突再生并促进功能恢复:周围神经损伤后神经轴突断裂,神经传导功能丧失,导致该神经支配区域的肌肉萎缩,影响患者的神经功能恢复。电刺激已被证明可加速神经轴突生长并促进神经损伤后功能恢复。Junichi等在小鼠坐骨神经损伤模型中应用电刺激治疗(10min和60min),与对照组相比,发现10min电激组和60min电激组均加速轴突再生,并促进小鼠术后运动功能恢复[19]。重度的肘管综合征患者在常规手术治疗后通常预后不良,Hollie等进行了一项随机对照实验,实验共招募了31名患者,其中11名患者仅接受了肘管手术,20名患者接受肘管手术和术后电刺激治疗(1h 20Hz),术后第3年接受术后电刺激组的患者的复合肌肉动作电位、手指的握力及捏力等均较对照组有很大的改善,这表明术后电刺激显著增强了严重肘管综合征手术后的肌肉再支配和功能恢复[20]。

3 miRNAs可能参与电刺激促进周围神经损伤修复过程

电刺激可显著促进周围神经损伤后修复,但其具体机制尚不完全清楚。如前所述某些化合物如丁香酸、天麻素以及机械刺激等可通过改变雪旺细胞中miRNAs的组成促进周围神经再生,因此电刺激是否也可通过改变神经残端中miRNAs的组成来影响周围神经再生修复。近年来已有部分研究证实电刺激能够改变神经组织中miRNAs的组成调节周围神经再生。

在大鼠实验中电刺激可改变近端神经残端miRNAs的表达水平,其中miR-7b、miR-196a-3p、miR-881-3p、miR-743a-3p、miR-490-3p是表达差异相对较明显的miRNAs,然后通过生物信息学软件等进行可能的靶基因预测及功能分析,发现HMGA2可能为miR-490-3p的靶基因,因此miR-490-3p可能通过靶向调节HMGA2参与电刺激促进周围神经损伤的修复[21]。Xin等利用微阵列分析确定了电刺激治疗后背根神经节神经元(DRGNs)的miRNAs谱的变化,发现电刺激改变了16种已知miRNAs的表达变化,其中miRNA-363-5p的表达可被电刺激持续改变。在体外实验中沉默miR-363-5p可促进神经突起的生长,而上调miR-363-5p的表达则抑制了神经突起的生长,研究证实电刺激促进神经突起生长的潜在机制为miR-363-5p负调控双皮质样激酶(DCLK)实现[22]。

通过建立大鼠坐骨神经损伤模型并应用电针电刺激环跳穴(GB30)和足三里(ST36),每日1次,每周6天,共4周,发现电针治疗可下调局部损伤神经组织中miR-1b的表达。在体外实验中,miR-1b可抑制脑源性神经营养因子的释放,抑制雪旺细胞的增殖、迁移,促进雪旺细胞的凋亡。体内实验发现电针发挥促进神经再生作用依赖于miR-1b。这表明,电针促进周围神经再生修复是通过下调miR-1b的表达水平实现。以上提示了miRNAs可能为电刺激促进周围神经再生通路中重要的调控因子,揭示了电刺激促进周围神经损伤修复可能的潜在机制。

4 总结与展望

周围神经损伤后的神经再生以及功能恢复仍不理想,其治疗方式的选择依旧是难题。在本篇综述中,我们简要回顾了miRNAs和电刺激在周围神经损伤修复的作用及调控机制,发现周围神经损伤后miRNAs和电刺激均可通过影响雪旺细胞的表型变化及轴突再生等促进神经再生,且多已经被研究。电刺激是促进神经再生的有效手段,有研究证实电刺激促进神经再生依赖于神经组织中的miRNAs,miRNAs可能是电刺激促进神经再生过程中重要的调控因子,但目前相关文献报道较少。因此研究miRNAs与电刺激在周围神经再生中的关联是我们要进一步要研究的问题,有助于探索电刺激在分子水平促进神经修复的机制。