神經(jīng)趨化性再生的分子基礎(chǔ)

神經(jīng)趨化性再生的分子基礎(chǔ)

周圍神經(jīng)損傷的治療是臨床上的難題。神經(jīng)損傷后的功能恢復(fù)取決于段端缺損是否良好地進行橋接修復(fù)，是否能有效抑制神經(jīng)損傷后的生態(tài)速度，以及是否能正確地將再生軸插入原發(fā)病器官和與功能相關(guān)的組織。隨著顯微外科學、材料學及分子生物學的發(fā)展,在神經(jīng)缺損的橋接吻合及促進神經(jīng)的再生方面取得了一定的進展,但神經(jīng)功能恢復(fù)的效果仍然不理想,原因是再生的神經(jīng)未能準確地、選擇性地再支配靶組織(運動終板和感覺神經(jīng)末梢),即錯向生長:感覺神經(jīng)錯向長入運動支的神經(jīng)內(nèi)膜管,運動神經(jīng)錯向長入感覺支的神經(jīng)內(nèi)膜管,神經(jīng)錯生長入瘢痕組織形成神經(jīng)瘤。因此,充分理解神經(jīng)再生趨化性的細胞和分子生物學基礎(chǔ),在治療中運用神經(jīng)再生趨化性理論,對促進神經(jīng)功能恢復(fù)具有重要的意義。本文就周圍神經(jīng)再生趨化性理論及其細胞和分子生物學機制的研究進展作一綜述。1神經(jīng)趨化性理論神經(jīng)趨化性再生理論的基本觀點為:神經(jīng)在再生的過程中,新生的軸突受到遠端神經(jīng)或靶組織所釋放的化學物質(zhì)的誘導(dǎo)作用而定向生長。Forssman(1898)最先發(fā)現(xiàn),近端再生的神經(jīng)纖維能跨過斷端間較小的間隙而長入遠端,認為遠端對近端的再生神經(jīng)纖維具有導(dǎo)向作用,并首次提出了“神經(jīng)趨向性”(neurotropism)的概念。Cajal(1928)進一步研究發(fā)現(xiàn),這種導(dǎo)向作用是由于遠端分泌一些特殊物質(zhì)并形成濃度梯度而產(chǎn)生,于是提出了“神經(jīng)趨化性”(chemotaxis,chemotropism)的概念。然而,Weiss和Taylor(1944)對此觀點持否定態(tài)度,認為軸突的生長是隨機的、準確對合是偶然的,并支持His(1887)和Harrison(1912)所提出的“接觸導(dǎo)向”(contactguidance)理論。此理論的基本觀點為:神經(jīng)生長錐(nervegrowthcone)沿著其所觸及的底物(substratum)而延伸,這種生長過程受底物的形狀、構(gòu)造等理化因素的影響。目前學術(shù)界對趨化性理論和接觸導(dǎo)向理論雖然仍存在爭執(zhí),也有學者認為兩種機制均起作用,但趨化性理論已得了學術(shù)界的基本承認。神經(jīng)再生趨化性存在神經(jīng)組織、局部解剖及靶組織特異性。神經(jīng)組織特異性(nervetissuespecificity)指再生軸突向遠端神經(jīng)組織而不向其他組織生長;局部解剖特異性(topographicspecificity)指再生軸突向同名神經(jīng)遠端生長,或者感覺、運動軸突長入各自的神經(jīng)內(nèi)膜管,神經(jīng)的錯向生長是因為未能形成趨化性生長的微環(huán)境或者是人為的機械因素破壞了微環(huán)境。靶組織的特異性(targettissuespecificity)指再生的感覺和運動神經(jīng)軸突分別趨向長入肌肉和皮膚組織靶組織。2神經(jīng)過渡化的細胞和酶的機制2.1神經(jīng)再生主要表現(xiàn)在細胞、生物學和營養(yǎng)方面完整未受損神經(jīng)及受損神經(jīng)近端并不支持神經(jīng)的再生。Craig認為,存在于周圍神經(jīng)中的硫酸軟骨素蛋白聚糖(chondroitinsulfateproteoglycans,CSPGs)對促進神經(jīng)再生的基底膜素(basallaminin)起抑制作用。用硫酸軟骨素酶降解CSPGs,神經(jīng)再生速度及效果明顯提高。神經(jīng)受損后,神經(jīng)遠端發(fā)生一系列的細胞和分子生物學變化(Wallerian變性),包括軸突及其髓鞘的清除和施萬細胞的增殖。這些未分化的施萬細胞在基底膜管內(nèi)形成Büngner帶,并產(chǎn)生多種神經(jīng)趨化因子和營養(yǎng)因子,而這些分子能夠引導(dǎo)及促進神經(jīng)的再生。因此,神經(jīng)遠端在趨化性再生中起至關(guān)重要作用。越來越多的證據(jù)表明,神經(jīng)遠端的細胞和分子生物學變化是神經(jīng)再生的前提。在神經(jīng)再生的過程中,成熟的施萬細胞需轉(zhuǎn)化為未分化成熟的狀態(tài),才能分泌趨化及營養(yǎng)分子。神經(jīng)遠端變性后,遠端基底膜管得以保留,對軸突的再生起著支架和引導(dǎo)作用,這樣,在Büngner帶和基底膜管強有力的支撐和引導(dǎo)下,再生錐沿著在基底膜管內(nèi)排列的Büngner帶,由神經(jīng)近端至遠端長入靶組織。2.2背根神經(jīng)參與活性及神經(jīng)營養(yǎng)因子的影響施萬細胞分泌神經(jīng)趨化因子及神經(jīng)營養(yǎng)因子,在神經(jīng)趨化性再生中起引導(dǎo)和營養(yǎng)作用。此外,近、遠端施萬細胞均伸出突起,再生軸突在突起的引導(dǎo)下并沿著這些突起向遠端延伸,施萬細胞的突起起著引導(dǎo)和支持作用。實驗表明,在缺乏施萬細胞的情況下,神經(jīng)再生不能發(fā)生。因此施萬細胞在神經(jīng)趨化性再生中起關(guān)鍵作用。但是,施萬細胞分泌的趨化及神經(jīng)營養(yǎng)因子在感覺及運動神經(jīng)的表達和分布有所不同。如L2/HNK-1分子主要由運動神經(jīng)中的施萬細胞分泌,而很少由背根神經(jīng)節(jié)或感覺神經(jīng)中的施萬細胞表達。Martini在培養(yǎng)基加入L2/HNK-1分子發(fā)現(xiàn),此分子只影響運動神經(jīng)神經(jīng)元生長,而不影響感覺神經(jīng)元。此外,施萬細胞形成的神經(jīng)內(nèi)膜細胞外基質(zhì)成分(endoneurialextracellularmatrix,ECM)在感覺和運動中也存在著質(zhì)和量的差異。Dubov在用計算機結(jié)合免疫組化的方法分析了大鼠腹、背側(cè)根ECM的組成,證實這種差異的存在。研究這些分子在運動和感覺神經(jīng)中不同的表達和分布及神經(jīng)內(nèi)膜細胞外基質(zhì)成分質(zhì)和量的差異,對于理解把握感覺和運動神經(jīng)趨化性再生有一定的臨床意義。神經(jīng)營養(yǎng)因子(neurotrophin,NT)家族包括神經(jīng)生子因子(nervegrowthfactor,NGF)、腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derivedneurotrophicfactor,BDNF)、NT-3、NT-4/5及NT-6等,這些營養(yǎng)因子通過相應(yīng)的受體-酪氨酸激酶A、B、C而起作用,這些分子促進神經(jīng)的再生,引導(dǎo)軸突長入靶組織。體內(nèi)外實驗均表明,不同類型的感覺或運動神經(jīng)元只對特定的神經(jīng)營養(yǎng)因子起作用,且神經(jīng)損傷后各種因子的表達時限也有差異。2.3施盛細胞生物學作用如前所述,基底膜管在軸突再生至神經(jīng)遠端的過程中起支架作用。此外,基底膜中的主要組成分子基底膜素(laminin,又稱層粘蛋白)在促進軸突的生長及趨化性再生中均起到重要的作用。目前所知共有15種基底膜素亞型,每種亞型均系由α、β、γ3鏈組成的三聚體糖蛋白。通常,基底膜素具有許多生物學功能,如細胞的遷移、黏附、生長和分化,組織的再生等。在周圍神經(jīng)系統(tǒng)中,基底膜素由施旺細胞分泌,它對施旺細胞的遷移、分化和髓鞘化起重要作用,同時在促進軸突再生中中也起重要作用?；钚允┩毎掷m(xù)表達基底膜素分子,并將其遞送到基底膜用以作為基底膜的主要活性組份。Dubov證實,清除周圍神經(jīng)中的施旺細胞,會導(dǎo)致基底膜中基底膜素分子的逐漸減少。基底膜素分子的誘導(dǎo)作用受基底膜中其他大分子及其體內(nèi)其他基質(zhì)和信號的調(diào)控。例如,基底膜素1分子本身存在的抑制軸突生長的抑制位點;脊髓背根神經(jīng)節(jié)分泌的抑制因子與基底膜素共同作用發(fā)揮抑制作用;基底膜素改變其他因子如神經(jīng)生長因子1、SlitU和SlitN的誘導(dǎo)作用等。正是由于基底膜素的多樣性(多種亞型)決定了其在神經(jīng)再生中的趨化作用。Dubov用定量免疫組化的方法證實,不但損傷遠端神經(jīng)中基底膜素含量明顯高于損傷近端神經(jīng),而且損傷遠端神經(jīng)中基底膜素1、基底膜素2含量明顯高于未受損神經(jīng);進一步研究發(fā)現(xiàn),運動神經(jīng)內(nèi)膜管中的基底膜素含量明顯高于感覺神經(jīng)內(nèi)膜管中的基底膜素含量。2.4神經(jīng)內(nèi)皮ecm蛋白分子神經(jīng)內(nèi)膜包繞神經(jīng)纖維并充填到神經(jīng)纖維之間間隙。神經(jīng)內(nèi)膜細胞外基質(zhì)由施萬細胞和成纖維細胞分泌,這種分泌受軸突的控制。神經(jīng)內(nèi)膜ECM保護軸突的完整性從而保護神經(jīng)功能,并在神經(jīng)損傷后啟動和促進神經(jīng)再生。通常認為,神經(jīng)內(nèi)膜ECM對軸突的生長起雙重作用,即基于不同條件起著抑制和促進的作用。近來研究表明,許多家族的細胞表面分子及神經(jīng)內(nèi)膜ECM分子都具有潛在的生長促進及生長抑制雙重作用。在神經(jīng)未受損情況下,這些分子表現(xiàn)生長抑制作用,避免郎飛節(jié)處芽生軸突側(cè)枝,從而維護神經(jīng)功能;而神經(jīng)損傷后,經(jīng)分子調(diào)控表現(xiàn)出生長促進作用,從而提供合適的條件,促進神經(jīng)的再生。神經(jīng)內(nèi)膜ECM(包括基底膜管)分子為在Wallerian變性后的重建、再塑為神經(jīng)再生創(chuàng)造了必要的條件。神經(jīng)內(nèi)膜ECM蛋白分子包括4類:膠原、非膠原性糖蛋白、氨基葡聚糖及蛋白聚糖。非膠原性糖蛋白包括基底膜素、纖連蛋白(fibronectin,FN)、tenascin、thrombospondin等。纖連蛋白是ECM中比較大的的糖蛋白,它是由多個重復(fù)、同源的肽序列組合而成,其功能區(qū)發(fā)揮著細胞間及細胞與基底膜間的粘附作用。纖連蛋白在神經(jīng)再生過程中的作用是促進軸突再生及施萬細胞遷移。Tenascin是ECM中的又一種糖蛋白,在神經(jīng)發(fā)育及再生中,它的表達高度受限和動態(tài)變化,這種變化受tenascin分子中不同功能區(qū)的調(diào)控。Tenascins表達形式有同基質(zhì)結(jié)合狀態(tài)及溶解狀態(tài),分別在再生過程中發(fā)揮細胞黏附作用和對抗黏附作用。thrombospondin在神經(jīng)發(fā)育及再生過程中始終表達,體內(nèi)外試驗均證實,thrombospondin有促進軸突生長的作用。Hoffman研究證實,成年大鼠的坐骨神經(jīng)軸突、施萬細胞、神經(jīng)內(nèi)膜、神經(jīng)束膜均有較強的thrombospondin表達。神經(jīng)內(nèi)膜的蛋白聚糖主要是硫酸軟骨素蛋白聚糖。它在神經(jīng)內(nèi)膜中廣泛存在,具有抑制軸突生長及抑制ECM其他成分的促神經(jīng)生長作用。在神經(jīng)未受損傷時,這種抑制作用可以避免軸突的過度生長,從而促進神經(jīng)的精確支配。但在神經(jīng)受損傷時,硫酸軟骨素蛋白聚糖出現(xiàn)了表達增加的現(xiàn)象,這不利于神經(jīng)的再生恢復(fù)。Zuo認為,硫酸軟骨素蛋白聚糖的這種抑制作用主要是通過對ECM組份層粘蛋白活性的抑制。Zuo、Ferguson和Craig證實,通過特異性酶降解硫酸軟骨素蛋白聚糖后,層粘蛋白活性得到了極大的恢復(fù),神經(jīng)生長明顯加快。3趨化性理論的臨床應(yīng)用基礎(chǔ)盡管顯微外科技術(shù)的發(fā)展對神經(jīng)功能修復(fù)起到了極大的促進作用,但不可否認的是,相當一部分神經(jīng)損傷后雖經(jīng)精細的外科處理,功能恢復(fù)仍然不佳。這引起了學者們對趨化性再生的注意和重視。近來,神經(jīng)趨化性再生方面的研究取得了一定的進展,也有學者開始嘗試將趨化性理論應(yīng)用于臨床,例如在神經(jīng)修復(fù)時,斷端間余留一定的距離以便發(fā)揮趨化作用。但總的說來,根據(jù)趨化性理論來改變治療策略,成熟應(yīng)用于臨床,還需較長的時間。在臨床應(yīng)用趨化性理論之前,需在下述基礎(chǔ)問題作深入研究:①通過對胚胎及嬰幼兒神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的研究,了解在神經(jīng)軸突精確支配靶組織的過程中,各種促進因子和抑制因子的作用及其相互影響;②神經(jīng)再生的過程中,各種神經(jīng)營養(yǎng)因子和趨化因子的表