高壓氧對脊髓損傷后凋亡相關基因影響的研究進展

張建軍，王 東

·綜 述·

高壓氧對脊髓損傷后凋亡相關基因影響的研究進展

張建軍，王 東

脊髓損傷(spinal cord injury，SCI)可以分為原發(fā)性的損傷與繼發(fā)性損傷兩大類。目前SCI的治療方法可以有很多種，如手術(shù)治療、高壓氧治療、基因治療及藥物治療等。其中，高壓氧治療方式在臨床中的應用已有較長的歷史，也取得了一些可喜的成就；同時，高壓氧可以使SCI引起的神經(jīng)細胞出現(xiàn)凋亡這一過程發(fā)生逆轉(zhuǎn)。作者主要論述高壓氧對SCI后凋亡相關基因影響的研究進展。

脊髓損傷；高壓氧；凋亡；基因

脊髓損傷(spinal cord injury，SCI)是指由于各種原因?qū)е录顾璋l(fā)生損傷，致使損傷部位的運動能力以及感知能力等出現(xiàn)障礙，SCI包括原發(fā)性損傷與繼發(fā)性損傷兩大類。原發(fā)性損傷的原因包括交通事故、工傷事故、運動失誤以及火器或銳器傷等[1]，最主要的原因是交通事故；繼發(fā)性損傷是由于炎癥反應、Ca2＋超載、水腫、局部缺血等[2]，致使神經(jīng)細胞發(fā)生凋亡，在一定時間內(nèi)進行治療凋亡是一個可逆的過程[3]。細胞凋亡是指由基因控制的細胞程序性自我破壞的過程，其主要目的是為了維持內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定，這個過程受多種基因的控制，如B細胞淋巴瘤因子-2(B-cell lymphoma-2，Bcl-2)家族、蛋白酶Caspase家族、癌基因(如C-myc)及抑癌基因p53等，而Bcl-2家族或蛋白酶Caspase家族或自噬基因-1(Beclin-1)等與SCI后凋亡有關聯(lián)。目前SCI的治療方法有很多種，如手術(shù)治療、高壓氧治療、基因治療以及藥物治療等。其中高壓氧治療屬于傳統(tǒng)治療方法的一種，也應用了較長的時間，治療上確實取得了一些可喜的成績；同時，它可以使SCI引起的神經(jīng)細胞出現(xiàn)凋亡這一過程發(fā)生逆轉(zhuǎn)。作者主要論述高壓氧對SCI后凋亡相關基因影響的研究進展。

1 高壓氧治療SCI

高壓氧治療方式在臨床中的應用已有較長的歷史，也取得了一些可喜的成就，1965年，Maeda[4]首次對SCI患者進行高壓氧治療，且臨床療效顯著。高壓氧治療的主要機制是增加機體的血氧含量，使得損傷的脊髓組織局部的血氧含量增加、局部有氧代謝增強，抑制機體氧自由基的形成。一者可以減輕脊髓發(fā)生的水腫，從而保護脊髓組織以及細胞等[5]；二者通過改善病變部位缺氧的狀態(tài)，使SCI部位的膠原纖維增多，同時神經(jīng)軸突的再生功能也可恢復，以恢復機體的運動能力。同時，高壓氧治療還可以預防某些疾病的發(fā)生，如SCI、肝臟的損傷及心腦血管的損傷等。

Lu等[6]認為SCI后高壓氧治療可以通過制止神經(jīng)細胞內(nèi)有關基因發(fā)生凋亡的形式，以恢復脊髓神經(jīng)原有的功能。李洪鵬等[7]通過在脊髓全橫斷模型中分3組進行研究，對照組不行高壓氧治療，試驗組包括2個組即為手術(shù)后8 h左右行高壓氧治療5 d、手術(shù)后24 h左右行高壓氧治療5 d；試驗結(jié)果為行高壓氧治療組凋亡的神經(jīng)元細胞明顯少于對照組，故可以得出高壓氧治療能夠?qū)ι窠?jīng)元細胞起到保護的作用，同時可以觀察到手術(shù)后24 h左右行高壓氧治療的結(jié)果更好。李榮銳等[8]研究認為，SCI后大鼠行高壓氧治療，細胞凋亡的水平明顯降低，SCI部位的膠原纖維明顯增多，神經(jīng)軸突的再生功能得以恢復，提高大鼠肌力，保護脊髓組織細胞等，恢復大鼠的運動能力。劉士臣等[9]認為高壓氧治療可以促使SCI大鼠的脊髓恢復功能，其作用機制可能與SCI大鼠組織內(nèi)的突觸素Ⅰ信使RNA(messenger RNA，mRNA)基因的表達有關聯(lián)。王國璽等[10]認為施萬細胞可以分泌各種各樣的細胞基質(zhì)、營養(yǎng)因子以及細胞黏附因子，從而使損傷的中樞神經(jīng)系統(tǒng)得以修復。高壓氧治療可以減少SCI后神經(jīng)細胞的凋亡，制止病情的進一步惡化，兩者聯(lián)合應用可使神經(jīng)軸突的再生功能得以恢復，大鼠的肢體功能活動以及電生理功能都得到了更好的改善，使SCI的治療方法又有了新的突破和思路。

2 高壓氧治療對SCI后基因的影響

Bcl-2家族包括很多種基因，主要分為兩大類，即細胞凋亡抑制因子和細胞凋亡促進因子；前者主要包括Bcl-2和Bcl-xL，后者主要包括Bcl-2相關X蛋白(Bcl-2 associated X protein，Bax)、Bcl-2 同源拮抗劑以及Bcl-xS等。Bcl-2家族中的代表性基因為Bcl-2與Bax，細胞是否會發(fā)生凋亡主要決定于兩者的比率。Bcl-2主要位于機體細胞的線粒體內(nèi)，為細胞相關基因凋亡的抑制因子，可抑制細胞發(fā)生凋亡，從而延長其壽命，但它并不會影響細胞的分化和細胞的周期。其作用機制是:①制止細胞凋亡促進因子信息的傳遞，或制止一些特殊基因發(fā)生表達；②制止內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)的Ca2＋向外釋放；③抑制氧自由基的形成。與Bcl-2相對應的蛋白為Bax，其為細胞相關基因凋亡的促進因子，可以促進細胞發(fā)生凋亡現(xiàn)象。其作用機制:①Bax可以與Bcl-2發(fā)生結(jié)合，使得機體內(nèi)的Bcl-2基因減少，從而可促進細胞發(fā)生凋亡；②Bax能夠使細胞色素C從線粒體內(nèi)釋放出來，而Caspase基因與細胞色素C有關，細胞色素C可激活Caspase基因，從而可促進細胞發(fā)生凋亡。通過線粒體途徑發(fā)生的凋亡，高壓氧治療可使其被抑制，從而使得SCI處神經(jīng)細胞的凋亡被抑制，抑制Bax蛋白物質(zhì)的表達，促進耐缺血缺氧Bcl-2、抗氧化物酶等蛋白物質(zhì)的表達，對神經(jīng)元細胞起到保護的作用。張玉強等[11]認為，高壓氧治療組的大鼠模型中，脊髓組織內(nèi)的Bcl-2基因表達能力增加了，且在SCI后的第7天達到了高峰；相反地，Bax基因表達卻減少了；對照組的大鼠模型中，脊髓組織內(nèi)的Bcl-2與Bax基因表達均減少了。另有研究[12]對60只Wistar成年大鼠進行實驗，實驗組Bcl-2蛋白基因不僅使神經(jīng)元軸突的表達能力提高，而且主要體現(xiàn)在膠質(zhì)細胞內(nèi)的表達；與此同時，Bax基因表達減少，根據(jù)大鼠脊髓損傷評分標準的評分規(guī)則，大鼠體內(nèi)神經(jīng)細胞的凋亡現(xiàn)象顯著降低，且神經(jīng)功能也得到了恢復。

近幾年，蛋白酶Caspase家族中發(fā)現(xiàn)一種半胱氨酸蛋白酶，其具有特異性，主要存在于機體的胞質(zhì)溶膠內(nèi)，這些蛋白酶都存在一個共同點，即半胱氨酸存在于它們的活性位點上，且可使天冬氨酸位點上的肽鍵發(fā)生斷裂，使得肽鍵上的蛋白發(fā)生了裂解，細胞比較容易發(fā)生凋亡，蛋白酶Caspase家族中的Caspase-3可以直接使細胞發(fā)生解體以及功能蛋白變性等。趙柏松等[13]發(fā)現(xiàn)神經(jīng)病理性的疼痛可致使脊髓神經(jīng)組織發(fā)生損傷，細胞發(fā)生凋亡的可能性也增加，且Caspase-3 mRNA基因的表達能力上調(diào)，同時顯微鏡觀察到細胞核發(fā)生了碎裂和溶解，說明Caspase-3 mRNA基因的表達能力上調(diào)，可使大鼠脊髓神經(jīng)細胞發(fā)生凋亡。高壓氧治療使神經(jīng)病理性的疼痛減輕，使神經(jīng)組織及細胞的凋亡受到抑制，均可能與Caspase-3 mRNA基因的表達有關聯(lián)。

自噬是指進化保守的溶酶體發(fā)生依賴性的分解代謝途徑，它可以維持細胞的穩(wěn)定，且很多疾病的發(fā)生與其有關聯(lián)，但其作用機制目前還不是很清楚。若機體發(fā)生了自噬現(xiàn)象，Beclin-1則非常的關鍵，細胞的凋亡或產(chǎn)生以及自噬活性的調(diào)節(jié)均與其有關聯(lián)，能夠與Bcl-2家族的蛋白基因相結(jié)合，兩者的結(jié)合可以對自噬的發(fā)生進行調(diào)控，兩者結(jié)合的水平可能對細胞最終是走向凋亡還是走向自噬有著非常重要的作用。SCI后，脊髓神經(jīng)細胞的凋亡受到Beclin-1基因的抑制，以保護脊髓組織細胞等。喬蘇遲等[14]認為高壓氧治療聯(lián)合甲潑尼龍可以顯著抑制Beclin-1基因的表達，使得SCI后的大鼠細胞發(fā)生凋亡時受到了一定程度的抑制，兩者的聯(lián)合應用還對大鼠體內(nèi)發(fā)生的炎性反應起到了一定程度的抑制作用，從而不僅可以減輕脊髓的損傷，還可以防止脊髓損傷后產(chǎn)生瘢痕組織。

3 討論

全球每年因SCI而遭受折磨的患者約有幾萬，有較高的致殘率，若治療不正確極易導致患者癱瘓，給患者及其家屬帶來無盡的痛苦，因此及時準確地治療SCI是非常重要的。不僅能夠使患者得到有效的治療，減輕患者的經(jīng)濟壓力，還可以提高患者以后的生活質(zhì)量。SCI一般損傷的范圍不大，但比較容易發(fā)生擴展。急性期SCI由于損傷部位的神經(jīng)纖維出現(xiàn)了缺血缺氧，致使血管、膠質(zhì)細胞及神經(jīng)元也受到了損傷，引起機體產(chǎn)生繼發(fā)性損傷，繼而可因炎癥反應、Ca2＋超載、水腫、局部缺血缺氧等使得機體快速形成氧自由基，使機體組織發(fā)生過氧化，引起神經(jīng)細胞發(fā)生凋亡或死亡，這樣有可能導致脊髓的部分功能喪失，甚至功能完全喪失。因此，SCI后治療最為關鍵的就是使缺血缺氧部位的損傷得以恢復，盡可能地恢復神經(jīng)細胞的功能，在治療時還需要注意相關基因的影響，Bcl-2家族或蛋白酶Caspase家族或Beclin-1等與SCI后凋亡有關聯(lián)。

相關的動物實驗也證明，高壓氧治療主要是通過改善病變部位缺氧狀態(tài)，從而使損傷的神經(jīng)元得以恢復；同時，神經(jīng)纖維也發(fā)生再生，以保護脊髓組織細胞等[15]。高壓氧治療可抑制該家族基因的表達，使得SCI減輕。SCI結(jié)合高氧壓治療，Beclin-1可以進一步抑制脊髓神經(jīng)細胞的凋亡，減緩脊髓損傷進一步的加重。

傳統(tǒng)的高壓氧治療SCI已取得了不錯的臨床效果，但若結(jié)合神經(jīng)保護劑(如神經(jīng)節(jié)苷脂等)療效將更好。研究報道，針對SCI的患者選用高壓氧治療結(jié)合神經(jīng)節(jié)苷脂，取得了顯著的療效；神經(jīng)節(jié)苷脂的主要作用是減輕機體的水腫，改善腦組織局部缺血的狀態(tài)，同時機體的運動能力和感知能力的評分也明顯上升了[16]。

綜上所述，SCI后，高壓氧治療可以抑制或促進Bcl-2/Bax、蛋白酶 Caspase家族以及 Beclin-1等相關基因的表達，進而抑制脊髓神經(jīng)細胞的凋亡，從而改善SCI的狀態(tài)。當前，還有很多相關的基因并不為人所知，為了更好地治療SCI，還需為此作出更多的努力。

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The progress of the effects of hyperbaric oxygen on apoptosis-related genes after spinal cord injury

ZHANG Jianjun，WANG Dong
(Department of Neurosurgery， Tianjin Fourth Central Hospital， Tianjin 300140， China)

Spinal cord injury(SCI)can be divided into two categories:primary and secondary injury.There are many ways to treat SCI， such as surgical treatment， hyperbaric oxygen therapy， drug therapy， gene therapy， etc.Hyperbaric oxygen as a noninvasive treatment has a long history， and clinical treatment has also made a certain achievements， which can reverse the SCI caused by nerve cell apoptosis process.This study focuses on the effects of hyperbaric oxygen on apoptosisrelated genes after SCI.

Spinal cord injury(SCI)； Hyperbaric oxygen； Apoptosis； Gene

R651.2

A

2095-3097(2017)05-0306-03

10.3969/j.issn.2095-3097.2017.05.013

天津市自然科學基金(12JCYBJC18000)

300140天津，天津市第四中心醫(yī)院神經(jīng)外科(張建軍，王 東)

王 東，Email:phoenix.55＠163.com

2017-03-27 本文編輯:張在文)