施万细胞可塑性和自噬对周围神经损伤修复的作用

肖海丽,袁 真,魏 超,罗 军

(南昌大学第二附属医院康复科,南昌 330006)

周围神经损伤(PNI)是全球范围内的发病率稳步上升,其特征是进行性感觉丧失、运动障碍、神经病变疼痛或功能性残疾的组合。虽然哺乳动物的周围神经系统具有内在的再生能力,支持轴突的伸长和髓鞘化。但到目前为止,尚未寻求到可用的治疗方案来完全恢复受损神经的功能和结构。周围神经再生涉及几个关键事件,包括微环境的再创造和重新髓鞘化[1]。施万细胞(Schwann cell),曾称雪旺细胞,其作为周围神经系统的主要组成细胞,广泛参与了神经损伤修复过程[1-2]。而自噬是用于处置并最终回收紊乱蛋白质和丢弃细胞结构的重要途径,对于保持细胞稳定性至关重要[3]。因此,在周围神经系统中了解施万细胞的可塑性和自噬非常重要。文章阐述周围神经损伤后施万细胞可塑性的作用及自噬活动,为进一步研究施万细胞对周围神经损伤后的病理进程影响,以便开发和研究治疗周围神经损伤修复的新策略提供参考。

1 施万细胞可塑性及其作用

损伤后的中枢神经系统轴突修复极其有限。相比之下,周围神经系统损伤表现出较高的再生能力。在很大程度上,这种能力是得益于施万细胞显著的可塑性。当周围神经受伤时,施万细胞会去分化并获得新的功能,以协调神经修复,即为所谓的修复施万细胞。随后,施万细胞激活或重新编程以延生成再生轴突[4]。最近有文献报道[5]通过外源性提供内皮细胞的外泌体来维持施万细胞的修复型促进神经再生。此外,还有新的研究发现使用超顺磁性氧化铁纳米颗粒介导的磁驱动通过诱导和保持施万细胞中的修复表型来促进神经再生[6]。由此可见对修复相关施万细胞表型的调节对促进周围神经修复已然成为了新的研究热点。

在发育过程中,有髓鞘的施万细胞与大口径轴突形成一对一的关系并包裹在髓鞘中,而无髓鞘型施万细胞包裹着多个小口径轴突而不产生髓鞘。在轴突损伤后,有髓鞘型和无髓鞘型施万细胞都经历了广泛的重编程,从而促进和指导轴突修复。神经损伤后施万细胞与远端残端轴突失去联系而发生脱髓鞘,并转化为修复表型。施万细胞重编程涉及多个基因的上调和多种转录机制的激活等[7]。其中,c-Jun、丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases,MAPK)通路、和染色质修饰控制和调节修复程序[8]。首先,在周围神经受损时,施万细胞会去分化形成修复型施万细胞来参与瓦勒变性(wallerian degeneration,WD)中受损轴突的解体和清除,并协助清除髓鞘碎片,营造有利的再生环境。髓鞘碎片清除是通过施万细胞髓鞘吞噬作用消化内源性和外源性髓鞘碎片,以及募集和激活入侵的巨噬细胞来实现[9]。随后,施万细胞分泌营养因子支持受损神经元存活并促进轴突再生[10]。修复型和无髓鞘型施万细胞也迁移并延伸形成Büngner带,以引导再生轴突重新连接目标器官[11]。最后,施万细胞增殖,并上调促髓鞘形成的基因,重新分化为有髓鞘的施万细胞以及使得再生轴突重新髓鞘化。

2 周围神经损伤后的自噬活动

2.1 自噬以及自噬通量检测

自噬是一种重要的细胞内降解过程,对平衡发育过程中的能量来源至关重要。这一过程也有助于细胞在压力环境下存活。通过分子研究发现了不同的自噬反应,如巨自噬、微自噬和伴侣介导的自噬[12]。由于巨自噬是自噬的最佳特征形式,所以也是目前研究最多和最为常见的一种。因此除非另有说明,否则自噬是一般是指巨自噬。自噬过程包括4个基本步骤,诱导;自噬体形成;自噬体-溶酶体融合(自噬溶酶体);自噬溶酶体的降解与回收。整个自噬过程称为自噬流[13],代表了自噬从货物被吞噬到其降解的整个动态过程。

目前有许多方法被用于评估自噬流[14]。监测自噬最常见的方法之一是测量LC3-Ⅱ蛋白的周转率,它被纳入自噬体,再降解于溶酶体中。有许多不同的方法来测量LC3-Ⅱ蛋白水平,包括Western blot、荧光显微镜等。LC3-Ⅱ可以与自噬体膜结合并在溶酶体中传递和降解,由于LC3-Ⅱ水平与这一动态进程相联系。所以,准确监测LC3-Ⅱ水平的更可靠方法是使用溶酶体抑制剂,如BafA1(阻断自噬体与溶酶体的融合)或氯喹(中和溶酶体pH),通过通量测定将自噬体的形成与其降解耦联的变化。由于自噬通量是一个速率,LC3-Ⅱ和p62水平会随时间的变化,因此,在存在和不存在溶酶体抑制剂的情况下,都需要分析。相比之下使用GFP-RFP-LC3双标荧光蛋白标签可以直接观察自噬小体变化显得尤为有价值。运用GFP(酸性环境中淬灭)和RFP(酸性环境稳定)的差异pH敏感性,直接评估自噬体(红色和绿色)与溶酶体融合形成自噬溶酶体(仅红色)。因此它被广泛用于通过基于图像的通量分析和活细胞显微镜来评估自噬通量。此外,不需要考虑时间维度时还可以利用透射电镜可观察体内外的自噬囊泡,也是常用的监测手段[15]。

2.2 周围神经受损后自噬的调节

周围神经损伤后,病变区域及其远端残端经历了广泛的形态和病理变化,包括轴突退化、脱髓鞘和髓鞘吞噬,这一过程被称为瓦勒变性(WD)。WD期间髓鞘的分解将产生大量的髓鞘碎片,严重影响神经再生和功能恢复。周围神经受损后自噬通过溶酶体降解调节了几种生理和病理过程[16],如髓鞘降解、髓鞘发育、神经再生和神经病变疼痛等。由此可见周围神经受损后自噬的调节对神经恢复发挥了重要作用。而自噬通常受到各种应激的调节,包括活性氧(reactive oxygen species,ROS)、线粒体毒性、炎症和内质网(endoplasmic reticulum,ER)应激等。这些应力对自噬的影响已在神经病变的诸多文献中进行了广泛研究[17]。有研究[18]表明,神经病变疼痛的动物模型中存在自噬功能障碍。数据显示,神经挤压损伤后导致自噬中断,自噬流受阻,使用神经营养因子。例如NGF(Nerve growth factor)、FGF21(Fibroblast growth factor 21)和bFGF(basic fibroblast growth factor)等,通过上调自噬水平来缓解神经损伤[19]。有研究[20]发现NAD依赖性脱乙酰酶Sirt1(sirtuin-1)在调节自噬方面发挥着关键作用,证据表明,通过Sirt1的过度表达激活自噬来促进再生和功能恢复。此外,自噬受到神经损伤后产生的髓鞘碎片以及缺血缺氧的影响,它可能对受损的神经组织产生积极和/或消极的影响。虽然自噬的激活可以保护或破坏神经元细胞,但显然自噬流的水平决定了自噬的作用[21]。

3 自噬与施万细胞对周围神经损伤修复的作用

3.1 自噬促进施万细胞促分化

周围神经损伤后,施万细胞去分化并获得新的功能来协调神经修复,即所谓的修复施万细胞。随后,施万细胞再分化为再生轴突的髓鞘。通过自噬实现的髓鞘蛋白合成和细胞器发育的质量控制可能与髓鞘化过程或施万细胞分化密切相关[7]。有文献[22]发现自噬似乎主要是在髓鞘形成已经进入晚期阶段时被激活的。还有文献[23]报道,当施万细胞缺乏(mammalian target of rapamycin)mTOR时,髓鞘阻滞和轴突生长减少,从而确立了mTOR信号传导在髓鞘化施万细胞的纵向和横向生长中的关键作用。此外,增强自噬可以保持微管稳定,并促进成人神经系统的周围神经再生和功能恢复[24]。因此自噬也被视为神经损伤后施万细胞结构可塑性的调节机制。

3.2 自噬促进施万细胞清除髓鞘碎片

有研究[25]表明,WD期间涉及受损髓鞘降解的细胞机制与施万细胞的自噬激活密切相关。施万细胞介导的髓鞘碎片清除发生在神经损伤后的5～14 d[18]。自噬是一种保守的溶酶体降解途径,可以消除受损的细胞器和病理蛋白质,以维持细胞内稳态。积累证据表明,髓鞘碎片清除与自噬有关。通过基因敲除或药理学方法抑制自噬导致受伤外周神经的髓鞘碎片清除延迟[27],髓鞘碎片是远端神经轴突再生长的屏障。此外,一项研究[22]结果显示,初级髓磷脂卵圆体包含一个充满液体的轴浆,具有致密的髓鞘和稀少的轴突细胞质,这些细胞质形成P(Proximal近端)纤维。P纤维最终被D(Degeneration变性)纤维取代,D纤维被描述为含有数个与变性过程相关的小髓鞘囊泡的肥厚性施万细胞。抑制溶酶体功能的药物可延迟P纤维向D纤维的转化。这些发现表明,自噬对于周围神经损伤后髓鞘的及时清除至关重要;有研究[18]还发现这一过程不能完全由从循环中募集的巨噬细胞来完成。因此,特别是在早期阶段,需要自噬性施万细胞来促进髓鞘清除、髓鞘再生和瘢痕减少。

3.3 自噬调节轴突发生

对初级神经元的研究[28]显示,轴突末端有强大的自噬体生物发生。而关于在体内神经元中自噬体生物发生,对秀丽隐杆线虫的活体成像证明,在发育期间的突触位点中可观察到自噬体的生物发生[29]。在果蝇中,自噬体也在突触处远端形成,而且当收到饥饿或神经元刺激都会增加运动神经元的神经肌肉连接处中自噬体的形成速度[30]。有文献[22]指出,髓鞘成熟期间使用雷帕霉素处理使轴突细胞质面积显著减少,而雷帕霉素则是通过抑制mTOR活性而引起体内细胞自噬活化的,轴突的这些变化至少部分依赖于细胞骨架调节蛋白和结构的降解。有研究[31]指出,中药也能调控自噬,从而调节轴突再生,例如槲皮素、姜黄素等通过调节自噬,改善神经元损伤,促进轴突再生。这些观点都提示自噬与轴突发生存在着不可分割的联系。

3.4 自噬与神经生长因子

周围神经损伤后远端神经中的施万细胞分泌促进轴突生长的营养因子,以及将免疫细胞招募到受伤神经中的细胞因子和趋化因子。通过原位注射外源型神经生长因子来激活施万细胞自噬,来加速髓鞘碎片清除,以促进轴突再生[32]。一般来说,神经生长因子的半衰期较短,很容易被各种蛋白酶在体内灭活。这种原位注射的方式,不仅造成了二次伤害,也无法保证其利用率。因此,如果能使用合适的药物载体来保持神经生长因子在神经病变处的生物活性和可用性,并控制神经生长因子的缓慢释放,那将大大提高其利用率。于是有研究设计了通过原位智能水凝胶注射持续提供基本成纤维细胞生长因子(bFGF),激活施万细胞的自噬,并通过PAK-1信号通路改善面部神经的生成,显著恢复受伤面部神经的形态和功能,这可以为神经损伤的恢复提供更有希望的策略[33],但关于其是否能够广泛应用于临床还未可知。

4 小结与展望

与CNS的损伤不同,周围神经损伤受伤的神经可以根据损伤的位置和严重程度有效地再生。研究表明这很大程度上源于施万细胞的可塑性,施万细胞又称外周髓鞘细胞,参与了髓鞘碎片消除、修复和神经再生整个过程。自噬是神经元发育和生存所必需的细胞降解过程,尤其是在抵抗异常应力时,消除受损的蛋白质和细胞器,维持细胞稳态发挥了不可替代作用。不仅如此,自噬也被视为施万细胞的可塑性的调节机制。通过本文初步总结了施万细胞可塑性和自噬与周围神经损伤后再修复的关系,为开发促进周围神经损伤修复的各种药物或途径提供了研究思路和方向。