中枢神经损伤后的神经再生与修复策略

中枢神经损伤后的神经再生与修复策略江基尧包映辉一、概述全世界每年因车祸死亡人数近50万人，伤残者1300万。美国每年约125000人致残。由于治疗技术的进步，早期死亡率有所下降，但后期的康复和护理已成为家庭和社会的沉重负担。目前针对CNS损伤后的神经再生修复和功能重建仍缺乏有效的治疗手段。人类大脑和脊髓组成的中枢神经系统（CNS）缺乏自我再生和修复能力一直是长期困扰神经科学界的一大难题。由于CNS损伤后缺乏再生能力，不能产生新的神经元或再生新的轴突，因而导致外伤对CNS的损害尤为严重，诸如脑皮层功能受损或消失、脊髓瘫痪等。对高等脊椎动物成熟期CNS损伤后再生障碍原因的推测有以下几种：1.神经元本身再生能力有限；2.神经营养因子生成不足；3.细胞外基质不适宜；4.损伤产生了抑制神经元生长的因子；5.损伤局部胶质细胞形成坚硬的瘢痕妨碍轴突生长穿过。但机体中枢神经再生失败的主要原因和完整机制远未阐明。二十世纪八十年代，成年哺乳动物CNS损伤后不能再生和恢复的理论受到挑战。这种概念上的突破主要基于两方面的实验事实：1.把外周神经节段移植进脊髓，观察到损伤的脊髓神经纤维能够长距离地延伸。这一发现清楚地显示成年哺乳动物的脊髓神经元仍然保持着再生的能力，从根本上改变了人们对整个神经再生领域的认识。2.人们注意到CNS内的微环境对受损神经的存活和再生至关重要。因而中枢神经系统轴突再生失败从大的方面来说有两个原因：1.损伤的神经元存在内在的再生能力的缺陷；2.中枢微环境不适合轴突再生。其中，抑制性因素被认为可能起着更重要的作用。目前我们知道在CNS髓鞘（myelin）中，成熟的寡突胶质细胞表达的髓鞘相关蛋白MAG和Nogo就可以阻止神经生长。近些年来，已经有许多抑制分子被鉴定,像蛋白多糖如phosphacan、versican、brevican、neurocan等，生长锥抑制因子如Netrin-1、EphB3、Semaphorin3A等和细胞外基质分子Tenascin-R等。当然，中枢微环境中除了抑制因子外，还存在像神经生长因子、粘附分子和轴突诱向分子等诱导生长的因子，他们又可以克服脊髓的抑制环境。成功的神经再生必须达到以下条件：1.必须有一定数量的神经元成活，因这轴突再生所需的结构和功能性物质只能在细胞体内合成。2.再生的轴突必须生长足够的距离，穿过受损的部位。3.再生的轴突必须定位于合适的靶细胞，形成功能性连接。还有研究表明，在大鼠和猫中，脊髓损伤后只要有10%的轴突保留下来，即可能恢复一定的运动功能。这就提示只要少量的轴突能保存，恢复或再生就可能支持脊髓一定的功能。基于以上因素，目前促进神经再生与修复的策略也主要是通过促进内在的再生能力和消除外在的抑制因素两大途径。在CNS再生研究过程中，也就形成了两个重要的研究方向。一个是研究和改变中枢神经内在的生长能力。在这个方向上，目前的研究主要是试图了解控制CNS和PNS神经元存活和轴突生长的信号途径，从而对细胞内的信号途径实现干预。另外一个是解决CNS再生的环境问题，例如利用移植的细胞或神经块，提供损伤神经元再生长的合适环境，试图增强受损神经的再生。在过去的二十年内，对CNS发育和损伤的动物研究，获得了许多令人瞩目的进展，为今后临床上更好地促进CNS再生带来了希望。二、神经营养因子（NTF）中枢神经有限的内在生长能力，是影响中枢神经再生修复的一个重要障碍。中枢神经有限的内在生长能力包含两方面的意思：第一，成熟分化的神经元自身生长潜力很有限，体外培养的生后15-17天的脊髓神经元就开始表现出生长能力的急剧下降；第二，成熟分化的神经元对营养因子等的刺激缺乏有效的反应。应用神经营养因子已成为增强中枢神经元再生能力的首选手段。目前根据其分子结构、受体和生物学功能分为：①神经营养素（neurotrophins）家族，有神经生长因子（nervegrowthfactor,NGF）、脑源性神经生长因子（brain-derivedneurotrophicfactor,BDNF）、神经营养素3（neurotrophin-3,NT-3）、神经营养素4/5（NT-4/5）等；②细胞因子家族，有睫状神经营养因子（ciliaryneurotrophicfactor,CNTF）、白细胞抑制因子(leukemiainhibitoryfactor,LIF)、白细胞介素6(interleukin-6)；③成纤维细胞生长因子家族，包括碱性成纤维细胞生长因子(basicfibroblastgrowthfactor,bFGF)和酸性成纤维生长因子(acidfibroblastgrowthfactor,aFGF)两种;④胶质细胞源性神经营养因子（glialcellline-derivedneurotrophicfactor，GDNF）；⑤细胞外基质分子，如N-CAM，L1。神经营养因子的作用包括：1.神经再生作用：⑴直接作用于再生轴突，通过受体介导细胞内信号传导，激活各种分化分子，发挥神经趋化作用，引导和加快轴突生长；⑵调控雪旺细胞的增殖和分化；⑶炎症细胞趋化作用和促进再生神经的血管形成；2.促进神经的芽生作用；3.保护受损的神经元：减少受损神经元的死亡和调控受损神经元的基因表达。同时随着生物技术的进步，NTF的给予途径也由最初的局部灌流发展到转基因技术，目前的NTF基因治疗分为两种，一种是向脊髓内植入可分泌神经营养因子的基因修饰细胞（离体靶细胞基因治疗）；另一种是直接以神经营养因子基因转染（通常通过病毒载体）宿主原位组织细胞（在体靶细胞基因治疗）。这方面研究起步不久，其效果有待观察。三．消除髓鞘蛋白的抑制作用目前已有共识，CNS的髓鞘是抑制神经再生的一个主要障碍。组成CNS和PNS的胶质细胞的不同可能决定了两者存活和再生能力的差异，PNS的髓鞘是雪旺氏细胞（Schwanncell），产生更多的神经营养因子，可促进PNS轴突生长；但CNS的髓鞘是少突胶质细胞（oligodendrocyte），产生更多的神经生长抑制因子，不利于CNS轴突的再生。目前发现的神经再生抑制性髓鞘蛋白已有很多，除髓鞘相关蛋白MAG、最近发现的Nogo和少枝胶质细胞糖蛋白OMgp外，还有许多由胶质细胞神经元本身产生的蛋白多糖(phosphacan、versican、brevican、neurocan)和细胞外基质分子Tenascin-R以及生长锥抑制因子如EphB3、semaphorin3A及Slit家族分子等等。它们中的大多数分子能够在脊髓损伤或胶质瘢痕形成过程中被诱导表达。Nogo的发现过程清楚地体现了神经科学工作者在探索CNS再生和修复研究中的大量艰辛工作和不懈努力：Δ1988年，Schwab等发现两个抑制哺乳动物损伤脊髓轴突生长的髓鞘相关蛋白，NI-250和NI-35。这是一个革命性的发现。在当时，人们普遍认为，损伤脊髓不能再生仅仅在于神经营养因子的缺乏。在1988和1989两年间，Schwab等做了很多的工作证实NI-250和NI-35的重要性，尽管当时人们对它们的本质不清楚。1990年，Schwab等用NI-250和NI-35的单抗－IN-1，证实可以诱导损伤脊髓的神经再生。用IN-1处理的大鼠，再生的轴突达到11mm,而对照组，轴突延伸长度甚至没有1mm。1994年，Schwab等联合IN-1和NT-3，使部分损伤的大鼠脊髓的神经发生显著的再生长。事实上，1990年至1994年这个时期的研究，倾向于IN-1对再生的作用主要是由于它诱导的轴突sprouting，而在这个问题上有争议，因为有多种抗髓鞘成分的抗体都能诱导轴突发生sprouting。1995年，Schwab等观察到IN-1不仅诱导轴突发生长距离的延伸，而且可以引起的损伤脊髓特定的反射(reflex)和运动功能(locomotorfunctions)的恢复。1998年，Schwab等报告，注射IN-1单抗到啮齿动物损伤的脊髓，引起肢体运动功能的明显恢复。这个工作真正奠定了Nogo分子是中枢再生中最重要的抑制因子的地位。2000年初，Schwab、Strittmatter、Walsh三家实验室同时报告了IN-1的抗原－Nogo分子的克隆成功。论文分别在国际权威杂志《Nature》和《Science》上发表，从真正意义上开始认识这个长期以来大家期望的最主要的抑制因子。Nogo的发现引起了神经科学界对轴突再生抑制性蛋白的高度重视，被誉为是“探索脊髓损伤和中风病人治疗漫长道路中的一个里程碑”。2001年初，Strittmatter实验室又率先克隆成功Nogo-66的受体分子－NgR。Nogo受体的克隆是深入认识Nogo分子抑制性作用机制的基础，NgR可能是干预Nogo分子抑制性作用新的靶分子。目前认为，Nogo很可能对应于以前发现的NI-250和bNI-220，理由如下：1.Nogo含有与NI-250和bNI-220相同的6肽氨基酸序列；2.其轴突生长抑制活性可被NI-250的特异抗体IN-1阻断；3.和NI-250和bNI-220一样，Nogo位于CNS鞘磷脂和少突胶质细胞，PNS中不存在。由于启动子和剪切方式不同，Nogo编码3种蛋白质:Nogo－A、Nogo-B和Nogo-C。人的Nogo－A由1192个氨基酸残基组成，包含一个由1024个残基组成的胞间结构域，7个N糖基化位点，多个O糖基化位点，二或三个跨膜结构域和一个短的胞内区。与Nogo－A相比，Nogo－B缺少了186～1004残基，相当于大鼠的NI－35。而Nogo－C在相同位置缺少了相同数目的残基，但氨基端更短，故分子质量最小，相当于以往描述的大鼠的VP20和Foocens。3种Nogo的氨基端没有同源性，也没有通常作为信号肽的疏水区。但它们具有相同的羧基端，由188个残基组成，包含两个疏水结构域，二者被一包含66个残基的亲水结构域(Nogo66)分开，这一点与网状蛋白质Reticulon家族成员极其相似，且Nogo主要存在于CNS少突胶质细胞内质网，故认为Nogo是网状蛋白质家族的第四个成员———网状蛋白4A。Nogo的拓扑结构目前认为有3种可能:1.Nogo的氨基端和羧基端位于胞液中,Nogo66位于内质网腔或胞外，2.Nogo66位于胞液中，其余部分位于内质网腔或胞外；3.Nogo66与其氨基端位于胞液中，其余部分位于内质网腔或胞外。若把Nogo分子(Nogo-A,-B,-C)与已知的突起生长相关分子，如细胞粘附分子，细胞外基质分子，轴突诱向或者生长锥排斥分子等进行氨基酸序列的同源性比较，未见它们之间具有显著的同源性，在Nogo分子中，也未找到Ig,FibronectinIII或者表皮生长因子样结构。Nogo分子独特的结构特点提示，Nogo分子表现出的强烈的突起生长抑制作用方式可能与已知的分子不同。令人费解的是Nogo蛋白具有两个完全独立的具有抑制活性的结构域：amino-Nogo和Nogo-66。amino-Nogo包括从Nogo-A氨基端到第一个疏水区的氨基酸序列，在体外实验中，髓鞘的抑制活性可被针对这一片段的抗体部分中和。Strittmatter实验室的最近研究结果证明可溶性重组amino-Nogo和Nogo-66都具有独立的抑制活性，两者在靶细胞特异性方面有所不同。amino-Nogo不仅可以抑制神经元细胞的生长，还能抑制成纤维细胞的生长；而Nogo-66只能抑制神经元细胞的生长。amino-Nogo可以作用于多种细胞，而且其氨基酸序列中富含脯氨酸和负电荷，提示它可能是通过与Nogo-66不同的特异受体起作用，或是它的受体分布于多种细胞。由于Nogo－66直接表达于细胞表面，而amino-Nogo要易位于细胞表面，必须通过特殊的目前尚未发现的易位信号传导途径或少突胶质细胞破裂（如CNS损伤时）从而释放amino-Nogo，说明Nogo－66与amino-Nogo在细胞内外可能有不同的功能，或者它们互为增效剂发挥协同作用。2001年Strittmatter实验室采用碱性磷酸酶（AP）融合蛋白法检测到一种AP