劉太聰, 賀雨晴, 史永強, 南 偉, 鞏朝陽, 趙光海, 周開升, 張海鴻

(1. 蘭州大學第二醫(yī)院 骨科, 甘肅 蘭州, 730000; 2. 甘肅省骨關節(jié)疾病研究重點實驗室, 甘肅 蘭州, 730000; 3. 湖南省株洲市中心醫(yī)院 病理科, 湖南 株洲, 412000)

脊髓損傷(SCI)是最嚴重的神經系統(tǒng)疾病之一，具有高發(fā)病率和高致殘率等特點[1]。全球每年有250 000～500 000人發(fā)生SCI, 其中創(chuàng)傷性SCI的個體平均治療成本為50萬美元～200萬美元，給患者家庭和社會造成了巨大的經濟負擔[2]。SCI患者抑郁癥和焦慮癥的患病率分別為22%和27%[3], 對患者的身心健康造成了嚴重損害。迄今為止, SCI后神經功能障礙尚無特效治療辦法(現(xiàn)有方法主要包括手術解除壓迫、藥物改善神經炎癥、預防組織水腫以及促進軸突生長等)，主要原因是SCI的病理機制尚未完全闡明[4], 故了解SCI的病理機制可為SCI的治療提供新方向。SCI后反應性星形膠質細胞增生在神經功能恢復中扮演著重要角色，故反應性星形膠質細胞一直是SCI領域的研究熱點之一。本文闡述了SCI的病理機制、正常情況下星形膠質細胞的作用、SCI后星形膠質細胞的變化及通路機制、針對星形膠質細胞的SCI療法，以期為SCI的治療提供新的思路及治療靶點。

1 SCI的病理機制

SCI是一種破壞性的神經狀態(tài)和病理狀態(tài)，會導致主要的運動、感覺和自主神經功能障礙，其病理生理學過程包括急性期和慢性期，還包含一系列破壞性事件，例如缺血、氧化應激、炎癥事件、凋亡途徑和運動功能障礙[5]。急性SCI通常是由脊柱的突然創(chuàng)傷引起，且同時伴有骨折和椎體移位。損傷后的初始階段稱為原發(fā)性損傷，可導致神經實質變性壞死、軸突網絡中斷、出血和神經膠質膜破壞[6]。急性SCI會引發(fā)繼發(fā)性損傷，對脊髓組織造成進一步的化學和機械損傷，由于細胞內鈣積累，會引起神經元興奮性毒性，并升高活性氧濃度和谷氨酸水平[7]。這些事件會損害潛在的核酸、蛋白質和磷脂，并導致神經功能障礙[8]。繼發(fā)性損傷包含多種病理過程且持續(xù)數(shù)周，主要包括細胞通透性增加、凋亡信號傳導、缺血、血管損傷、水腫、興奮性物質釋放、離子紊亂、炎癥反應、氧化應激、自由基形成、脫髓鞘和沃勒變性[9-10]。血管破裂會導致脊髓組織出血，隨后單核細胞、中性粒細胞、T淋巴細胞、B淋巴細胞以及巨噬細胞侵入脊髓組織[11]。這種現(xiàn)象也與損傷后 6～12 h后炎癥物質的釋放有關，如白細胞介素(IL)-1a、IL-1b、IL-6和腫瘤壞死因子(TNF)-α, 免疫細胞和炎性細胞因子的滲透促進了神經元的炎癥[12]。決定SCI嚴重程度的主要因素是脊髓初始破壞程度、持續(xù)時間以及與繼發(fā)性損傷相關的一系列事件，如神經組織內發(fā)生的生化、機械和生理變化的激活。在SCI后期，反應性星形膠質細胞增生并遷移至受損組織邊緣，參與膠質瘢痕形成，而膠質瘢痕是SCI后機體自我保護和損傷愈合的自然過程[13]。

2 中樞神經系統(tǒng)(CNS)中的星形膠質細胞

CNS中的星形膠質細胞具有多種生理功能，也是CNS疾病的重要參與者，其通過興奮性氨基酸轉運蛋白1(EAAT1)和興奮性氨基酸轉運蛋白2(EAAT2)攝取神經元釋放的興奮性氨基酸谷氨酸，降低谷氨酸對神經元的興奮性毒性[14]。星形膠質細胞表達連接蛋白43(Cx43)和水通道蛋白4(AQP4), 調節(jié)CNS水、電解質及離子穩(wěn)態(tài)。正常CNS中的星形膠質細胞還可與血管發(fā)生物理相互作用，并分泌化學物質改變血管直徑及血流量，從而調節(jié)局部血壓。星形膠質細胞分泌的抗氧化劑可抵消自由基引起的繼發(fā)性損傷[14]。此外，星形膠質細胞可產生、儲存和分配能量底物，控制神經元發(fā)育，引導突觸發(fā)生和維持突觸功能，參與神經系統(tǒng)防御(如脊髓血腦屏障)和神經遞質的再循環(huán)等[15]。星形膠質細胞功能異常與神經退行性疾病的發(fā)生發(fā)展有關，包括阿爾茨海默病、帕金森病、亨廷頓病和肌萎縮側索硬化癥等[16]。

3 星形膠質細胞與SCI

正常生理條件下, CNS的星形膠質細胞處于靜止狀態(tài)，在SCI后，急性細胞死亡或損傷會導致細胞源性和血液源性損傷相關的分子模式(DAMPs)、三磷酸腺苷(ATP)的釋放和氧化應激、興奮性毒性的失調，使星形膠質細胞轉變?yōu)榉磻獱顟B(tài)，在表型、基因表達、增殖方面發(fā)生一系列變化[17]。反應性星形膠質細胞的形態(tài)變化特征為細胞體和突起肥大，突起數(shù)量增多、變長，分子變化為中間絲蛋白膠質纖維酸性蛋白(GFAP)、波形蛋白和巢蛋白高表達。反應性星形膠質細胞在SCI后神經功能的恢復中發(fā)揮著重要的作用。在SCI早期，反應性星形膠質細胞的遷移及其分泌的抗炎因子可限制炎癥擴散，其還可釋放各種細胞因子發(fā)揮對神經細胞的保護作用[7], 避免SCI繼發(fā)性加重。然而，在SCI后期，反應性星形膠質細胞增生及分泌蛋白如硫酸軟骨素蛋白聚糖(CSPG)沉積在細胞外基質中，與脊髓中的其他神經膠質細胞參與膠質瘢痕形成[18]，阻止軸突的再生。此外，反應性星形膠質細胞CSPG可抑制少突前體細胞的生長和分化，使SCI后少突膠質細胞的數(shù)量進一步減少，阻礙SCI后髓鞘的形成[19]。

4 星形膠質細胞與信號通路

4.1 Janus激酶(JAK)/信號轉導和轉錄激活因子(STAT)通路

JAK/STAT信號轉導途徑由酪氨酸激酶相關受體、酪氨酸激酶JAK和轉錄因子STAT這3個部分組成，許多細胞因子和生長因子如IL-2、IL-7、粒細胞/巨噬細胞集落刺激因子、生長激素、上皮生長因子、血小板衍生生長因子及干擾素等，參與細胞增生、焦亡等多種生物學過程[20]。研究[21]表明, STAT3是CNS反應性星形膠質細胞和膠質瘢痕形成的關鍵因素, SCI模型中星形膠質細胞STAT3選擇性敲除，可減少GFAP的表達及膠質瘢痕的形成，導致?lián)p傷部位炎癥反應擴大，功能恢復減弱。微小RNA(microRNA)通過識別同源序列和干擾轉錄、翻譯或表觀遺傳過程來調節(jié)基因表達[22]。研究[23]顯示, micRNA-125b在受傷脊髓中下調，而micRNA-125b過表達可通過調節(jié)JAK/STAT通路促進SCI后的修復和再生。因此，開發(fā)STAT特異性靶向藥，可能是SCI治療的潛在靶點。

4.2 核因子-κB(NF-κB)通路

NF-κB家族是進化保守的轉錄因子家族，是由許多不同細胞的增殖、分化、死亡、炎癥及免疫反應介導的誘導型轉錄的常見下游靶標，在靜止細胞質中, NF-κB與NF-κB抑制蛋白(IκB)結合形成復合物，受刺激后IκB激酶誘導IκB蛋白磷酸化從而通過泛素-蛋白酶體途徑迅速降解，使得NF-κB二聚體進入細胞核并激活特定的靶基因表達[24]。SCI后, NF-κB信號通路對星形膠質細胞的生物學活性發(fā)揮著重要的調控作用，體外抑制NF-κB信號通路可抑制星形膠質細胞的活化，減少星形膠質細胞釋放的趨化因子、巨噬細胞和T細胞的浸潤，并減少細胞外基質CSPG的沉積，抑制膠質瘢痕的形成[25]。研究[26]發(fā)現(xiàn), miR-124-3p是神經元衍生的外泌體中最豐富的microRNA, SCI后miR-124-3p激活NF-κB通路，從而調控星形膠質細胞的活化。SCI后缺血性水腫是SCI繼發(fā)性損傷的原因之一，星形膠質細胞表達的AQP4在SCI缺血性水腫過程中發(fā)揮關鍵作用，核蛋白高遷移率族蛋白B1(HMGB1)存在于所有細胞類型中，在細胞內外發(fā)揮作用[27]。SCI后, HMGB1從細胞主動釋放或在細胞死亡后被動釋放，研究[28]證明HMGB1可通過靶向星形膠質細胞Toll樣受體4(TLR4)而激活NF-κB上調AQP4, 引起組織水腫。

4.3 Hippo/Yes相關蛋白(YAP)通路

Hippo途徑的下游靶點YAP是一種轉錄激活因子, Hippo信號傳導主要通過大腫瘤抑制激酶1(LATS1)和大腫瘤抑制激酶2(LATS2)的磷酸化來調節(jié)YAP。LATS激酶通過Ste20家族激酶(主要是MST1/2)的磷酸化激活，在控制細胞增殖、分化及凋亡等生物活性中發(fā)揮著重要作用[29]。在CNS中, YAP調節(jié)皮質星形膠質細胞的增殖和分化, SCI后YAP與星形膠質細胞增殖密切相關。雄性小鼠SCI模型中, YAP在星形膠質細胞中以Hippo激酶依賴性方式被上調并選擇性激活，在星形膠質細胞中有條件的YAP抑制可減少星形膠質細胞增殖，不利于神經功能恢復，而YAP的激活可促進星形膠質細胞增殖、神經膠質瘢痕形成及神經功能恢復[30], 成纖維細胞生長因子(FGF)在SCI后升高并控制星形膠質細胞的增殖[31](FGF升高激活YAP從而發(fā)揮對星形膠質細胞增殖的正調控)。此外，相關研究[32]表明, YAP的激活可減少星形膠質細胞釋放IL-1β、IL-6和TNF-α等炎癥因子，從而減輕炎癥反應。總之, Hippo/YAP信號通路在星形膠質細胞中扮演重要角色，可能是SCI潛在的治療靶點。

4.4 磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B(PI3K/AKT)通路

PI3K/AKT是哺乳動物至關重要的激酶，可通過多種細胞刺激如胰島素、胰島素樣生長因子-1(IGF-1)、FGF、表皮生長因子(EGF)、趨化因子及炎癥相關細胞因子激活并控制細胞的增殖、存活、轉錄、翻譯和生長等[33]。PI3K/AKT信號通路的激活與神經膠質細胞增生及膠質瘢痕形成有關，在大鼠SCI模型中抑制PI3K/AKT信號通路可減輕神經膠質細胞增生，減少膠質瘢痕形成，并促進軸突進入損傷部位改善運動功能[34]。損傷后，腦源性神經營養(yǎng)因子(BDNF)對各種神經元群體發(fā)揮神經保護和促進生長的作用。在脂多糖誘導的體外星形膠質細胞損傷模型中, miR-211/BDNF軸通過PI3K/AKT通路調控脂多糖誘導的星形膠質細胞增殖[35], 故miR-211/BDNF/PI3K/AKT軸可能成為抗SCI后反應性星形膠質細胞增殖策略中的一個有前景的靶點。

4.5 有絲分裂原激活的蛋白激酶(MAPK)通路

Ras/Raf/MEK/ERK(MAPK)信號傳導是調節(jié)細胞增殖、分化、凋亡及炎癥的主要途徑, MAPK主要有4個亞家族，分別是細胞外信號調節(jié)激酶(ERK)、p38絲裂原活化蛋白激酶(p38MAPK)、c-JUN氨基末端激酶(JNK)和ERK5[36]。研究[37]表明，Ras-pRaf1-ERK1/2信號通路在星形膠質細胞增殖中起重要作用，體外Ras-pRaf1-ERK1/2信號通路的下調可抑制星形膠質細胞增殖及活化，從而減少膠質瘢痕的形成。線粒體融合蛋白2(Mfn2)為GTP酶，在心臟、骨骼肌和大腦中高表達，其下調可導致增殖性疾病，是一種新發(fā)現(xiàn)的細胞增殖抑制劑。Mfn2的抗增殖作用主要通過阻滯細胞周期和抑制Ras-pRaf1-ERK1/2通路來介導[38]。實驗[39]證明, Mfn2過表達在體外抑制了Ras-pRaf1-ERK1/2通路的激活，從而抑制反應性星形膠質細胞增生。因此，調控Ras-pRaf1-ERK1/2信號通路可能是SCI治療的新思路。

5 針對星形膠質細胞的SCI治療策略

5.1 抑制星形膠質細胞活化

為了控制SCI后星形膠質細胞的活化，減少膠質瘢痕的產生，臨床已經開發(fā)出了許多策略。在大鼠SCI模型中，將GFAP和波形蛋白siRNAs應用于SCI部位，可抑制反應性星形膠質細胞的過度增殖，改善大鼠SCI相關的急性泌尿功能障礙[40]。轉化生長因子-β(TGF-β)信號傳導是星形膠質細胞活化劑膠質瘢痕形成中CSPG表達的關鍵上游觸發(fā)因素，有研究[41]向SCI大鼠注射抗TGF-β抗體減少反應性星形膠質細胞的數(shù)量，改善了大鼠運動功能。另外，表皮生長因子受體(EGFR)的激活可將SCI后星形膠質細胞轉變?yōu)榉磻孕切文z質細胞[42]。因此，抑制EGFR可有效減少星形膠質細胞的反應，使用特異性EGFR抑制劑PD168393注射至大鼠SCI部位，可抑制CSPG的產生和神經膠質瘢痕的形成，使脫髓鞘和神經元損失減少，改善大鼠后肢運動功能及膀胱功能[43]。反應性星形膠質細胞對于神經功能恢復有利也有弊，深入了解星形膠質細胞病理分子機制，在SCI的特定時間干預星形膠質細胞活化，可能是恢復SCI后神經功能的有前途的干預措施。

5.2 減少細胞外基質中的CSPG

星形膠質細胞分泌的CSPG可阻止軸突的延長，因此，抑制細胞外基質中CSPG是SCI潛在的治療靶點。軟骨素酶可以減弱CSPGs的抑制作用，從而促進軸突再生[44]。相關研究[45]將熱穩(wěn)定型脂質微管包埋的軟骨素酶注射至狗的SCI部位，改善了狗的運動功能及膀胱功能，表明脊髓內注射軟骨素酶對神經功能恢復有益。研究[46]發(fā)現(xiàn)，細胞內軟骨素酶對CSPG的抑制作用是通過Rho/Rho激酶(ROCK)途徑以及抑制AKT和ERK1/2磷酸化介導的, ROCK的阻滯減弱了CSPG的抑制作用。因此，調控CSPG相關的信號途徑可能是SCI神經功能恢復的治療新靶點。

5.3 對星形膠質細胞的基因調控

隨著基因工程的發(fā)展，在基因層面調控星形膠質細胞的生物學活性已經成為現(xiàn)實。轉錄因子CCAAT/增強子結合蛋白δ(C/EBPδ)是對炎癥因子有反應的基因調節(jié)蛋白。實驗[47]發(fā)現(xiàn), C/EBPδ主要在損傷相關的星形膠質細胞中表達, C/EBPδ缺損的小鼠在SCI后28 d與野生小鼠相比，顯示出膠質瘢痕的減少和更多的運動功能恢復，表明C/EBPδ可以調節(jié)星形膠質細胞的運動遷移，并且是SCI后神經膠質瘢痕形成不可或缺的部分，故可試圖抑制C/EBPδ或C/EBPδ介導的基因或蛋白質以調控星形膠質細胞的運動遷移來改善SCI患者的功能預后。Ski是一種進化保守蛋白，廣泛參與并調節(jié)不同物種中多種細胞的增殖、分化、轉化及腫瘤進展等過程。SCI后, Ski蛋白主要在星形膠質細胞中表達，并可調控星形膠質細胞的遷移和增殖[37]。通過基因工程技術敲除及過表達調控星形膠質細胞增殖及活性相關基因，可使星形膠質細胞在SCI后發(fā)揮有益作用，這可能是未來SCI治療的研究方向之一。

6 小結與展望

本文總結了SCI后星形膠質細胞的生物過程、通路機制、對神經功能的影響以及針對星形膠質細胞的SCI療法，旨在為SCI治療提供新的思路。雖然SCI神經功能恢復的病理分子機制已經逐漸被發(fā)現(xiàn)，但星形膠質細胞及其生物學過程非常復雜，未來還應繼續(xù)深入研究反應性星形膠質細胞及膠質瘢痕形成的分子機制(如DNA、RNA及蛋白質層面)，開發(fā)具有治療意義的藥物。聚合物納米顆粒是近年來的研究熱點之一，其在藥物遞送、提高藥物選擇性和控制釋放方面具有相當大的優(yōu)勢。通過聚合物納米顆粒將藥物內化到SCI部位，在SCI后特異性調控反應性星形膠質細胞及膠質瘢痕的形成，可對神經功能恢復發(fā)揮有利作用。然而，目前關于SCI的研究大多為細胞或動物實驗，未來研究的重點應轉移到臨床實驗，并努力開發(fā)出SCI的臨床療法。