硫酸軟骨素蛋白多糖對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)損傷修復(fù)的影響

楊子默,胡華杰,占琦,趙娜,王鳳山

(山東大學(xué) 藥學(xué)院，山東 濟(jì)南 250012)

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硫酸軟骨素蛋白多糖對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)損傷修復(fù)的影響

楊子默,胡華杰,占琦,趙娜,王鳳山Δ

(山東大學(xué) 藥學(xué)院，山東 濟(jì)南 250012)

硫酸軟骨素蛋白多糖(chondroitin sulfate proteoglycans，CSPGs)是一組共價(jià)結(jié)合硫酸軟骨素的蛋白質(zhì)，其在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育和成熟以及在神經(jīng)損傷的病理生理反應(yīng)中均發(fā)揮著重要作用。本文就CSPGs在神經(jīng)系統(tǒng)損傷及修復(fù)過程中發(fā)揮作用的功能性研究和機(jī)制性研究進(jìn)行綜述。

硫酸軟骨素；硫酸軟骨素蛋白多糖；神經(jīng)系統(tǒng)；損傷；修復(fù)

硫酸軟骨素(chondroitin sulfate，CS)是一種糖胺聚糖(glycosaminoglycan，GAG)，多從動(dòng)物的喉骨、鼻中隔、氣管等軟骨組織中提取，相對(duì)分子質(zhì)量(Mr)在10～50 kDa之間。CS的生物活性廣泛，如神經(jīng)保護(hù)[1]、免疫調(diào)節(jié)[2]、抗氧化和抗肝纖維化[3]、軟骨保護(hù)[4]、抗動(dòng)脈粥樣硬化[5]等。

硫酸軟骨素蛋白多糖(chondroitin sulfate proteoglycans，CSPGs)是一組共價(jià)結(jié)合CS的蛋白質(zhì)，由核心蛋白和共價(jià)連接的一個(gè)或多個(gè)線性CS組成，廣泛分布于神經(jīng)組織、結(jié)締組織等機(jī)體各處。CSPGs一般可分為Aggrecan家族(包括聚集蛋白聚糖、神經(jīng)蛋白聚糖、短蛋白聚糖等)、NG2、phosphacan等，約有30多個(gè)成員，它們大多存在于細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix，ECM)中，作為ECM內(nèi)重要的抑制性組分；還有一部分則以穿膜蛋白形式存在。目前認(rèn)為[6]，CSPGs在調(diào)節(jié)細(xì)胞與細(xì)胞以及細(xì)胞與ECM之間相互作用方面起重要作用，尤其是在中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system，CNS)的發(fā)育和成熟以及對(duì)病損的CNS病理生理反應(yīng)中的作用更顯突出。本文就CSPGs在CNS損傷及修復(fù)過程中發(fā)揮作用的功能性研究和機(jī)制性研究進(jìn)行綜述。

1 CSPGs對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)作用的功能性研究

研究表明[7-8]，CSPGs是阻礙CNS損傷后再生的化學(xué)屏障的最主要成分，其單獨(dú)或與其它細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)合導(dǎo)致向損傷部位延伸的軸突在膠質(zhì)瘢痕處停止，而且CSPGs在神經(jīng)再生時(shí)間窗關(guān)鍵期末可降低軸突生長的可塑性。CSPGs無論是在發(fā)育過程中作為抑制性神經(jīng)導(dǎo)向分子，還是在成年中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷后再次發(fā)揮作用，其發(fā)揮主要作用的部分是CS鏈。

通過阻止CSPGs的合成、阻斷其作用的途徑或降解CS鏈等手段消除CSPGs對(duì)神經(jīng)再生抑制作用，可促進(jìn)神經(jīng)損傷修復(fù)。已有研究表明[9-10]，通過消除腦、脊髓等處的CSPGs能有效地促進(jìn)軸突的再生和功能的部分恢復(fù)。Moon等[10]最先在大鼠體內(nèi)證實(shí)了通過硫酸軟骨素酶ABC(chondroitinase ABC，ChABC)降解CSPGs可以改變損傷微環(huán)境，促進(jìn)軸突生長。在黑質(zhì)紋狀體切斷模型中，ChABC注射損傷部位再生軸突可以穿過損傷部位向后重新生長至黑質(zhì)紋狀體。黃玉笛等[11]研究發(fā)現(xiàn)，ChABC能通過降解大鼠變性視網(wǎng)膜異常沉積的CSPGs抑制光感受器細(xì)胞的凋亡，從而促進(jìn)損傷視網(wǎng)膜的修復(fù)。Cafferty等[12]觀察到，表達(dá)ChABC的轉(zhuǎn)基因小鼠，其脊神經(jīng)背根切斷后仍有較強(qiáng)的軸突再生能力，運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)較快。

鑒于抑制CNS軸突再生的因素有很多，之后許多學(xué)者開始嘗試聯(lián)合ChABC和其他療法促進(jìn)CNS軸突的生長。Fouad等[13]應(yīng)用周圍神經(jīng)支架、嗅鞘細(xì)胞和ChABC注射相結(jié)合治療脊髓全橫斷損傷，這種聯(lián)合療法使軸突再生能力增強(qiáng)，并促進(jìn)了運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)。張宇等[14]證明，膠質(zhì)細(xì)胞源性神經(jīng)營養(yǎng)因子緩釋微球及NogoA、ChABC緩釋微球聯(lián)合應(yīng)用能有效促大鼠損傷脊髓再生神經(jīng)功能的修復(fù)。王瑩等[15]研究發(fā)現(xiàn)，化學(xué)萃取脫細(xì)胞方法得到的大鼠坐骨神經(jīng)支架經(jīng)ChABC處理注入骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells，MSCs)后，可以修復(fù)大鼠缺損的坐骨神經(jīng)?？邓荐┑萚16]研究發(fā)現(xiàn)ChABC聯(lián)合MSCs在修復(fù)神經(jīng)缺損中能促進(jìn)血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)的表達(dá)等。

2 CSPGs對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)作用的分子機(jī)制研究

通過早期的功能性研究至近期熱門的分子機(jī)制研究，CSPGs對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)作用的機(jī)制已有進(jìn)一步了解，近幾年研究的較明確的機(jī)制主要為CSPGs在膠質(zhì)瘢痕中發(fā)揮的作用。目前已證明，幾種CSPGs在中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷后形成的膠質(zhì)瘢痕中表達(dá)顯著上調(diào)，如磷酸蛋白聚糖、神經(jīng)蛋白聚糖、短小蛋白聚糖、多功能蛋白聚糖和NG2，它們與膠質(zhì)瘢痕抑制神經(jīng)軸突再生的作用密切相關(guān)[17]。

中樞神經(jīng)受損后星形膠質(zhì)細(xì)胞大量、快速進(jìn)入活化增殖期，而后與小膠質(zhì)細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)形成膠質(zhì)瘢痕，細(xì)胞外基質(zhì)主要是CSPGs。組織學(xué)上，膠質(zhì)瘢痕由星形膠質(zhì)細(xì)胞和結(jié)締組織組成，膠質(zhì)瘢痕是研究最多但又知之甚少的抑制中樞神經(jīng)系統(tǒng)軸突再生的屏障。過去認(rèn)為，膠質(zhì)瘢痕是一個(gè)簡單的機(jī)械屏障，但之后的研究表明，瘢痕的分子組成及星形膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生的抑制因子在神經(jīng)細(xì)胞再生中均發(fā)揮重要作用[18]。

2.1 CSPGs的機(jī)械屏障作用 在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育過程中，CSPGs在某些特定區(qū)域高效表達(dá)，形成分子屏障，阻止軸突在正確的位置形成突觸。當(dāng)延伸的軸突和遷移的神經(jīng)母細(xì)胞遇到膠質(zhì)瘢痕屏障時(shí)，沿原方向的生長和運(yùn)動(dòng)就會(huì)被阻止，導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞不能正常發(fā)育和導(dǎo)向，無法行使正常的神經(jīng)沖動(dòng)傳導(dǎo)和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)功能[19]。Davis等[20]發(fā)現(xiàn)，周圍神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元植入大鼠的脊髓后能夠再生，但再生的軸突到達(dá)CSPGs豐富的損傷區(qū)后就停滯不前。

2.2 CSPGs的化學(xué)屏障作用 CSPGs是在神經(jīng)中樞受損后由膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生的細(xì)胞外物質(zhì)，不同類型的CSPGs在膠質(zhì)瘢痕中的作用是不同的[21]，以下為幾種典型的CSPGs分子對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)作用的機(jī)制。

2.2.1 Aggrecan家族:Neurocan是aggrecan家族中一種重要的CSPG，通過與細(xì)胞黏附分子Ng-CAM/L1、N-CAM、多效蛋白/肝素結(jié)合生長相關(guān)因子(pleiotrophin，PTN / heparin binding-neural cell adhesion molecule,HB-CAM)、兩性聚糖(amphotenrin)、韌黏聚糖(tenasic-C和tenascin-R)、TAG-1/軸突蛋白-1(axonin-1)等生物大分子的作用調(diào)節(jié)神經(jīng)細(xì)胞間的連接，從而抑制軸突無序生長。Deguchi等[22]分析短暫性中腦動(dòng)脈閉塞后的缺血性病變半影區(qū)發(fā)現(xiàn)，該部位存在全段neurocan的短暫表達(dá)，并于缺血后第4天達(dá)到了高峰，該現(xiàn)象表明腦損傷后全段neurocan的聚集可能是神經(jīng)修復(fù)的重要過程之一；另外，neurocan在腦損傷神經(jīng)修復(fù)過程中能夠抑制神經(jīng)軸突的外生長，從而消除錯(cuò)誤分支，保證軸突生長方向的正確性，促進(jìn)神經(jīng)損傷的修復(fù)。

Versican同樣是aggrecan家族中重要的成員，這種分子可以通過活化細(xì)胞上的表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor，EGFR)而發(fā)揮調(diào)節(jié)突觸中信號(hào)傳遞、細(xì)胞間黏附以及軸突生長等作用。Versican與透明質(zhì)酸在細(xì)胞表面連接，阻礙神經(jīng)細(xì)胞的再生長，構(gòu)成了生長抑制性環(huán)境。又有研究發(fā)現(xiàn)，versican也可以促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞再生長，Wu等[23]發(fā)現(xiàn)，versicanV1轉(zhuǎn)染后的EGFR和整合素的表達(dá)增強(qiáng)，有利于細(xì)胞外信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的級(jí)聯(lián)活化，可促進(jìn)海馬神經(jīng)元軸突向外生長。

2.2.2 NG2分子：NG2是表達(dá)在某種少突膠質(zhì)前體細(xì)胞的一種CSPGs。表達(dá)NG2的少突膠質(zhì)細(xì)胞被稱為NG2細(xì)胞。NG2細(xì)胞通過NG2分子可以募集肌腱蛋白、層粘連蛋白、人Ⅱ型膠原蛋白、人Ⅴ型膠原蛋白、人Ⅵ型膠原蛋白等細(xì)胞外基質(zhì)的成分，調(diào)節(jié)細(xì)胞外基質(zhì)分布的時(shí)空性。細(xì)胞必須通過與細(xì)胞外基質(zhì)中的分子之間的黏附作用才能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，NG2細(xì)胞通過NG2與細(xì)胞基質(zhì)中的分子粘連，這些分子再通過與整合素相互作用，誘導(dǎo)整合素聚集形成黏附復(fù)合物，介導(dǎo)調(diào)節(jié)生長中的神經(jīng)纖維導(dǎo)向遷移。目前研究發(fā)現(xiàn)[24]，NG2和整合素家族中的α3β1和α4β1之間存在協(xié)同作用，能夠有效地提高整合素介導(dǎo)的細(xì)胞擴(kuò)散和遷移，膠質(zhì)瘤細(xì)胞在含有纖維蛋白連接片段、α4β1和anti-NG2抗體的基質(zhì)中的擴(kuò)散遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于在只加有anti-NG2抗體的基質(zhì)或只加有α4β1的基質(zhì)中的擴(kuò)散?？梢酝茢?，NG2對(duì)神經(jīng)細(xì)胞的定向向外生長延伸具有促進(jìn)作用。

2.2.3 Phosphacan：Phosphacan分子是受體蛋白酪氨酸磷酸酶β(receptor protein tyrosine phosphatase beta，RPTPβ)的一種可溶性剪接變體，主要由神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞合成。同樣，它對(duì)腦損傷后神經(jīng)元軸突的延長既有促進(jìn)作用又有抑制作用，其作用分別通過其CS鏈和核心蛋白的結(jié)構(gòu)域?qū)崿F(xiàn)。硫酸乙酰肝素糖蛋白(heparan sulfate proteoglycan，HSPG)和蛋白酪氨酸磷酸酶σ(protein tyrosine phosphatase sigma， PTPσ)均為phosphacan的受體，它們通過與CS鏈相互作用激活各種生長因子，影響神經(jīng)細(xì)胞生長[25]。另外，Dobbertin等[26]研究發(fā)現(xiàn)，表皮生長因子(epidermal growth factor，EGF)和轉(zhuǎn)化生長因子-α(transforming growth factor-α，TGF-α)可以促進(jìn)phosphacan的表達(dá)，而腫瘤壞死因子-α (tumor necrosis factor-α，TNF-α)和干擾素-γ(Interferon-γ，IFN-γ)則抑制phosphacan的表達(dá)，其中未成熟少突膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá)的phosphacan多于星形膠質(zhì)細(xì)胞[27]。

3 小結(jié)與展望

CSPGs在人體神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)揮著重要的生理學(xué)功能。作為細(xì)胞外基質(zhì)的重要組成部分，CSPGs不僅發(fā)揮其大分子物理學(xué)屏障的作用，也通過與細(xì)胞生長因子、細(xì)胞因子、神經(jīng)細(xì)胞導(dǎo)向分子相互作用，參與調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育及損傷后再修復(fù)過程。在該過程中，CSPGs通過多種分子機(jī)制既可促進(jìn)又可抑制神經(jīng)細(xì)胞再生，而當(dāng)置于整個(gè)機(jī)體或器官進(jìn)行功能性研究時(shí)，CSPGs主要發(fā)揮其抑制作用阻止神經(jīng)損傷修復(fù)。另外，目前仍沒有研究能夠明確地表明CSPGs的分子作用機(jī)制與功能性之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，若可以知道這2者之間的對(duì)應(yīng)性，我們便可以在功能性研究中使用更多的手段阻止CSPGs負(fù)性作用的發(fā)揮，同時(shí)促進(jìn)其正性作用，這對(duì)臨床中神經(jīng)損傷的治療具有重要意義。

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(編校：王儼儼)

Effect of chondroitin sulfate proteoglycans on the repair of nerve system injury

YANG Zi-mo,HU Hua-jie,ZHAN Qi,ZHAO Na,WANG Feng-shanΔ

(School of Pharmaceutical Sciences, Shandong University, Ji’nan 250012, China)

Chondroitin sulfate proteoglycans (CSPGs) is one kind of proteins that covalently bind with chondroitin sulfate. CSPGs play important roles in the growth and development of the central nervous system and the pathological reaction of nervous injury. This article reviews the functional and mechanism studies of CSPGs in the repair of nerve system injury.

chondroitin sulfate; chondroitin sulfate proteoglycans; nerve system; injury; repair

楊子默，女，本科，研究方向：微生物與生化藥物，E-mail：18366116759@163.com；王鳳山，通訊作者，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：生化與生物技術(shù)藥物，E-mail：fswang@sdu.edu.cn。

R961

A

1005-1678(2015)03-0183-03