趙雪言,白文忠

(河北體育學院 運動人體科學系,石家莊 050041)

運動影響腦外傷后腦內神經干細胞增殖分化和細胞凋亡的研究進展

趙雪言,白文忠

(河北體育學院 運動人體科學系,石家莊 050041)

腦外傷后的神經細胞死亡,是多種腦外傷后功能障礙的重要原因。運動可在一定程度上促進腦外傷后的功能恢復,但其機制尚不十分清楚?；仡櫫私谘芯拷Y果,分析了運動訓練促進腦外傷后功能恢復的可能原因:運動可直接促進神經干細胞的增殖分化,提高某些可促進神經干細胞增殖分化的細胞因子的表達水平,如腦源性神經營養(yǎng)因子、胰島素樣生長因子1和堿性成纖維細胞生長因子及其介導的神經保護相關活動,運動還可抑制Caspase表達,并減少Bax/Bcl-2的比例,從而減少細胞凋亡。

腦外傷;運動;神經干細胞;細胞凋亡

腦外傷 (traumatic brain injury)通常指由撞擊及頭部突然加速或減速運動等外力作用所引起的腦部損傷。腦外傷可導致運動協(xié)調能力和平衡能力下降、視力模糊、味覺喪失、耳鳴等,還可導致認知及情感障礙,包括行為和心情的改變、記憶缺陷等。腦神經細胞的死亡,是造成上述功能障礙的原因,同時也是腦外傷后康復所面臨的最主要問題。腦外傷導致的局部或全腦血流量減少,在急性期會使細胞缺血性死亡,而在繼發(fā)性或遲發(fā)性腦外傷中則以神經細胞凋亡為主。目前關于腦外傷后神經系統(tǒng)恢復的研究,主要從兩方面入手,一是促進神經干細胞 (neural stem cell,NSC)增殖分化,二是抑制神經細胞凋亡。

近來的研究發(fā)現(xiàn),大強度耐力訓練可以增加健康人腦內的神經營養(yǎng)素含量,從而增加神經系統(tǒng)的可塑性;運動還可通過促進NSC增殖分化、抑制細胞凋亡,對腦外傷后的康復治療產生積極影響。

1 運動促進腦外傷后NSC的增殖分化

哺乳動物的神經細胞一度被認為是不可再生的,直到上世紀90年代初,才發(fā)現(xiàn)成年哺乳動物腦內存在NSC,并能夠增殖、分化[1]。NSC主要存在于成年哺乳動物側腦室的室管膜下區(qū)及海馬齒狀回顆粒下層,正常情況下處于蟄伏狀態(tài)。在缺血、缺氧等腦損傷狀況下,室管膜下區(qū)、海馬和脈絡膜叢等部位的內源性NSC可發(fā)生增殖、遷移,并分化為神經元和神經膠質細胞。

Yi等[2]對Ⅱ型糖尿病模型大鼠的研究發(fā)現(xiàn),在進行為期5周、每天1h、速度為22 m/min的跑臺訓練后,海馬齒狀回顆粒下層的NSC增殖和神經發(fā)生活動增強。Itoh等[3]對腦外傷模型大鼠從傷后翌日起進行跑臺訓練,速度為22 m/min,持續(xù)30min,連續(xù)7天,發(fā)現(xiàn)運動可促進損傷周邊部位的NSC的增殖,并且受損部位的星形膠質細胞活性明顯增加。星形膠質細胞可以在堿性成纖維細胞生長因子(basic fibroblast grow th facto r,bFGF)存在下發(fā)生胚細胞樣轉變,也可分化為有巢蛋白 (nestin)標記的NSC。腦外傷部位的NSC是由側腦室的室膜下區(qū)及海馬齒狀回顆粒下層移動到受損部位,還是由星形膠質細胞發(fā)生反向分化轉變而來尚不清楚。

NSC的增殖和分化,受多種細胞因子的調節(jié)。運動對NSC增殖與分化的影響可能與運動誘導腦源性神經營養(yǎng)因子 (brain derived neuro trophic facto r,BDNF)、b FGF、胰島素樣生長因子1(insulin-like grow th facto r 1,IGF-1)等的表達有關。

1.1 運動誘導的BDNF表達介導NSC的增殖分化

BDNF與其受體 TrkB廣泛分布于皮層、紋狀體、海馬、丘腦、小腦等部位,亞細胞定位于線粒體、內質網及核膜上。BDNF可促進NSC的增殖、遷移和分化,促進神經元的存活和生長發(fā)育,促進突觸的可塑性,增加突觸終末的密度和促進樹突和軸突的生長。BDNF連同其下游的效應蛋白——突觸蛋白I(Synapsin I)及cAMP反應元件結合蛋白(cyclic-AM P response-element-binding p ro tein,CREB),參與長時程增強 (long-term potentiation,LTP)效應,對學習和記憶有很大影響。BDNF可削弱腦外傷引起的細胞毒素、自由基、缺氧或外傷等相關因素所啟動的進一步腦損傷,其機制可能包括自由基代謝以及對鈣平衡的維持等。BDNF還參與成年神經系統(tǒng)中神經元的修復與重塑,誘導內源性神經前體細胞遷移至紋狀體等部位。因此,通過促進BDNF的表達,可以增加內源性神經祖細胞的存活率及增強神經細胞的再生。

然而,腦外傷后神經細胞對外源性BDNF并不敏感,所以,必須提高內源性BDNF的含量。Griesbach[4]的研究表明,腦外傷后24h到7天內,海馬中的BDNF m RNA含量增加40%—75%,而mRNA的翻譯過程則在腦外傷后的7—14天開始,這可能是機體對腦外傷的防御性措施。研究表明,運動可提高血漿和血清中的BDNF的含量,尤其是自主運動可增加BDNF及其他生長因子的含量[5-6],從而刺激神經發(fā)生,改善由于腦外傷導致的認知及學習障礙。

但是如果腦外傷后立即進行運動反而會降低BDNF的表達。Griesbach等[7]在對沖擊性腦損傷大鼠模型的研究中發(fā)現(xiàn),海馬回的BDNF表達量與損傷程度及損傷時間具有相關性,過早運動有可能推遲損傷愈合,而適當推遲功能鍛煉則有助于BDNF增量調節(jié)。一般自主性運動從創(chuàng)傷后的第14天開始[4]較為適宜。

運動還可通過增加BDNF的下游效應蛋白Synapsin I和CREB的分子磷酸化水平來增加其活性[8]。BDNF主要通過其受體TrkB介導而發(fā)揮生物學作用,BDNF特異性免疫粘附因子嵌合物 TrkB-IgG可選擇性阻斷BDNF的作用。近期Griesbach[9]又發(fā)現(xiàn),運動可增加 BDNF、Synapsin I和CREB的成熟性,而在腦外傷后的運動只增加了BDNF和CREB的數(shù)量。用 TrkB-IgG選擇性阻斷BDNF后,運動誘導的Synapsin I和CREB的增加受到了抑制,表明運動也可作為BDNF產生作用的調節(jié)因子發(fā)揮作用。

1.2 運動誘導bFGF的表達介導NSC的增殖分化

bFGF是一種促細胞分裂的肝素結合蛋白,可誘導腦內多種神經細胞的增殖和存活。在體外培養(yǎng)中,可促進多種神經前體細胞的增殖,還可刺激NSC分化為神經元和神經膠質細胞。

腦外傷后bFGF明顯增加,尤其病灶周圍的星形膠質細胞以及大腦皮層、室管膜和海馬神經元中最為顯著,且bFGF的表達量與腦外傷的嚴重程度成正相關[10]。自主性運動可增加bFGF的表達水平[11]。但 Itoh等[3]認為,運動導致的bFGF的增多,可能對新增殖的NSC的分化不利。

1.3 運動誘導的IGF-1介導NSC的增殖分化

IGF-1是一類氨基酸序列與胰島素類似的多肽,在細胞的分化、增殖及個體的生長發(fā)育中發(fā)揮重要作用。但與bFGF相比,IGF-1幾乎沒有促進有絲分裂的作用,但對有絲分裂后的細胞分化有很大影響。對各種生長因子的聯(lián)合作用的研究發(fā)現(xiàn),將 IGF-1與bFGF聯(lián)合時,對NSC的分化有明顯作用[12]。近期研究發(fā)現(xiàn) IGF-1還可促進海馬、下丘腦的神經發(fā)生[13],并可喚醒海馬的空間記憶。

在腦外傷后,77%的患者表現(xiàn)出IGF-1含量降低,但在10天之內趨于正常水平[14]。Rojas在對健康成人所做的運動實驗中發(fā)現(xiàn),高強度 (最大用力的110%)或低強度 (最大用力的40%)的抗阻訓練均可增加血清內IGF-1的含量,與運動前相比分別增加了16%和28%[15]。同樣,腦外傷后IGF-1的降低也可通過運動得到改善[16]。

L lo ren[17]發(fā)現(xiàn),運動可促進IGF-1參與介導的活動,如增強神經可塑性,促進海馬神經發(fā)生,改善腦外傷引發(fā)的短期記憶能力下降。Gozal[18]研究發(fā)現(xiàn),運動可以減少腦缺氧導致的空間認知障礙,并減少氧化應激,而這一機制可能是通過提高IGF-1丙氨酸氨基轉移酶信號通路實現(xiàn)的。運動對腦神經系統(tǒng)的多種保護作用都有IGF-1參與,在腦外傷后的神經系統(tǒng)恢復中,運動與IGF-1具有相互增益作用。

2 運動抑制腦外傷后神經細胞凋亡

細胞凋亡是一種程序性死亡,是機體內細胞生理性死亡的普遍形式,參與正常細胞更新、免疫系統(tǒng)功能、激素依賴性萎縮、胚胎發(fā)育及化學物質誘導的細胞死亡等生命過程,對維持機體細胞平衡起重要作用。然而,腦外傷引起的遲發(fā)性神經元死亡可能與神經細胞病理性的凋亡有關。Shojo[19]的研究結果表明,腦外傷后神經元凋亡與腦外傷造成的炎癥反應有關,一些炎癥反應使得與凋亡相關的基因改變,從而引發(fā)細胞凋亡。

細胞凋亡的典型特征是DNA的碎片化,它是由多基因控制的、一系列酶參與的過程,如Bcl-2家族、Caspase家族等。運動可通過調節(jié)細胞凋亡的機制,抑制神經細胞在腦外傷后的病理性凋亡[20]。

2.1 Caspase系蛋白

Caspase 3、6和7是能引起細胞程序性死亡的蛋白酶。它們通過限制性蛋白質水解酶激活下游的目標蛋白去氧核糖核酸酶或其它Caspase,并參與存在于細胞膜上的核纖肽以及構成細胞骨架成分之一的肌動蛋白的分解過程。Caspase可作用于幾種與細胞骨架調節(jié)有關的酶或蛋白,改變細胞結構,還能滅活或下調與DNA修復有關的酶、m RNA剪切蛋白和DNA交聯(lián)蛋白。DNA的修復會由于Caspase介導的阻抗反應而受到抑制。Caspase-3有調節(jié)核內的不同信號轉錄通路的功能,可最終誘導凋亡的形成。

腦外傷后,Caspase-3基因的表達增強。腦內的Caspase-3反應陽性細胞在6-12h開始逐步增加,并在48h時達到頂峰[4]。說明在腦外傷后短期時間內,細胞凋亡的相關程序就開始啟動。運動可在腦外傷后抑制Caspase蛋白表達,并抑制細胞色素C、Caspase-9、Caspase-3介導的細胞凋亡級聯(lián)反應。Um等[21]對用大鼠進行的研究發(fā)現(xiàn),運動可明顯降低Caspase-3在海馬結構的表達量,從而抑制細胞凋亡,恢復腦外傷后的認知水平及空間學習能力。

2.2 Bcl-2系蛋白

Bcl-2家族有眾多成員,如 M cl-1、NR-B、A 1、Bcl-w、Bcl-x、Bax、Bak、Bad、Bim等。最重要的促凋亡蛋白主要為Bax、Bak、Bid和Bad,而抑制細胞凋亡的蛋白質有Bcl-2和Bcl-xL。其中,Bax基因的表達在神經變性疾病中誘導細胞凋亡過程。Tehranian[22]在實驗中發(fā)現(xiàn),腦外傷后敲除Bax基因可緩解神經細胞在海馬部位的凋亡程度。Bcl-2在不同的細胞中可以定位于線粒體、內質網以及核膜上,并通過阻止線粒體細胞色素C的釋放而發(fā)揮抗凋亡作用[23]。Bcl-2的過度表達可引起細胞核谷胱苷肽 (GSH)的積聚,導致核內氧化還原平衡的改變,從而降低了Caspase的活性。因此,神經細胞凋亡的執(zhí)行主要取決于Bax/Bcl-2比值。

腦外傷后Bcl-2系的表達各有不同,而總體表現(xiàn)為Bax/Bcl-2比值增大[24]。腦外傷早期Bcl-2表達明顯增加,隨后穩(wěn)定上升,在傷后5天達到峰值[25],此時促細胞凋亡的Bax的表達量也迅速增加,神經細胞凋亡數(shù)量在傷后第3天達到高峰。在Um[22]的研究中還發(fā)現(xiàn)跑臺運動對Bcl-2有正調節(jié)的作用,同時可降低在海馬部位的細胞色素C和Bax的表達;Bax/Bcl-2的比例有所下降。終端dU TP缺口末端標記陽性 (TUNEL-positive)的細胞也在跑臺訓練之后明顯減少。Kim等[26]令大鼠在腦外傷后2天開始,連續(xù)進行10天,每天30 min的跑臺訓練,發(fā)現(xiàn)海馬部位DNA的碎片化、Caspase的表達程度降低,同時顯著地抑制了Bax表達,Bcl-2的表達量也有少許增加。

3 小結及展望

腦外傷引起的神經系統(tǒng)病理性變化是造成腦外傷后多種功能障礙的主要原因。因此,防止腦部由外傷引起的二次傷害及機體各功能的康復應從恢復神經系統(tǒng)功能入手。運動在腦外傷后神經系統(tǒng)的恢復中起重要作用,運動可直接促進NSC增殖分化,增加促進NSC增殖分化的BDNF、IGF-1、bFGF表達及其介導的神經保護相關活動,運動還可抑制Caspase表達,還可降低Bax/Bcl-2的比例[27]。

運動可促進腦外傷恢復,但在運動方式、運動強度、運動時間長度等方面都需進行進一步探討。在相關的動物實驗中,多以跑臺訓練為主要方法。Quadrilatero[28]對健康成人的研究結果顯示,盡管運動可促進機體代謝,但一次性長時間的中等強度有氧運動對細胞凋亡并沒有顯著地改善,抗細胞凋亡的Bcl-2以及促細胞凋亡的Bax、Caspase的含量均無明顯變化,推測在腦外傷患者的康復訓練中,一次性長時間中等強度的有氧運動可能不會有顯著效果。此外,有些研究發(fā)現(xiàn),巢蛋白標記的NSC數(shù)量在腦外傷后3—4天達到最大值,提示腦外傷后立即開始運動可能對NSC增殖分化有利。但在對BDNF的研究中發(fā)現(xiàn),腦外傷后立即進行自主運動反而會降低BDNF的表達,適當推遲進行功能鍛煉,則會有助于BDNF增量調節(jié)[7]。究竟腦外傷后何時開始訓練尚有待進一步研究。

對運動和腦外傷后恢復的相關研究,在臨床上有很重要的指導作用。運動療法以其副作用小且療效顯著的特點,成為各種創(chuàng)傷后的重要的輔助療法。探討運動對腦外傷后神經系統(tǒng)的恢復機制,并加以合理利用,可能使腦外傷后機體各功能完全恢復。

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Research on the Influence of Exercises on Proliferation and Differen tiation of Neural Stem Cellsand Apoptosisafter Traumatic Brain Injury

ZHAO Xue-yan,BA IWen-zhong
(Department of Human Sports Science,Hebei Institute of Physical Education,Shijiazhuang 050041,China)

Neural cell death follow ing traumatic brain injury(TBI)is considered as the majo r cause of dysfunction after many traumatic brain injuries.Physical exercise has been show n to be beneficial to functional recovery after TB Iw hereas the underlying mechanism is still unclear.This article reviewed latest discoveries and analyzed the possible reasons fo r the functional recovery of physical exercise to dysfunction induced by TBI:exercise directly p romotes p roliferation rate of neural stem cells(NSCs).In addition,exercise elevates the exp ressive level of some cytokines,such as brain derived neurotrophic factor,insulin-like grow th facto r 1,basic fibroblast grow th facto r thus encourages NSCs p roliferation and p rotects neuron.Furthermo re,exercise supp resses the exp ression of Caspase and reduces the ratio of Bax/Bcl-2 thereby reduces apop tosis.

traumatic brain injury;physical exercise;neural stem cell;apoptosis

G804.5

A

1008-3596(2011)04-0087-04

2011-04-11

趙雪言 (1990-),女,河北石家莊人,研究方向為運動人體科學。