季宇彬 邵鈺瑩,2 王 群 郭安臣
(1 哈爾濱商業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與環(huán)境科學(xué)研究中心,黑龍江 哈爾濱 150076;2 北京腦重大疾病研究院,北京 100069;3 首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院,北京 100050;4 國家神經(jīng)系統(tǒng)疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心,北京 100076;5 腦血管病轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)北京市重點實驗室,北京 100076)
腦卒中(cerebral stroke)又稱“中風(fēng)”、“腦血管意外”(cerebr alvascular accident,CVA),以急性起病,局灶性彌漫性腦功能缺失為特征[1-2],是由于腦部血管突然破裂或因血管阻塞導(dǎo)致血液不能流入大腦實質(zhì)而引起腦組織損傷的一組疾病,包括缺血性和出血性腦卒中。缺血性腦卒中的發(fā)病率高于出血性卒中,缺血性卒中占腦卒中的60%~80%,腦卒中是威脅人類健康的疾病,具有患病率高、復(fù)發(fā)率高、致殘率高、病死率高的特點。近年的研究表明缺血腦卒中的損傷機制主要涉及腦缺血缺氧后能量供應(yīng)不足、合成障礙,氧化應(yīng)激,興奮性毒性氨基酸的作用,免疫炎性反應(yīng)[3-4],鈣超載[5-6]以及游離鋅離子濃度升高和低氧誘導(dǎo)因子-1的激活[7]等。缺血性腦卒中主要導(dǎo)致腦實質(zhì)損傷。近年來,不同原因所導(dǎo)致的腦卒中均被視為大腦NVU參與的反應(yīng)損傷過程。反應(yīng)累及神經(jīng)元及其支持系統(tǒng),包括小膠質(zhì)細胞、少突膠質(zhì)細胞和星形膠質(zhì)細胞,以及神經(jīng)元軸突和為神經(jīng)組織提供能量的微血管的內(nèi)皮細胞及縫隙連接、緊密連接,水通道,周細胞(pericyte)等。以往對腦卒中的研究主要傾向于灰質(zhì)神經(jīng)元及部分白質(zhì)成分;而據(jù)近年國內(nèi)外文獻報道,對白質(zhì)損傷的機制的深入研究對腦卒中的恢復(fù)意義重大:白質(zhì)在嚙齒動物腦體積中占10%,而在人體中占大腦體積的50%左右,用對嚙齒動物的研究來評估人體腦卒中需更進一步深入的探討;越來越多的研究表明,周細胞在缺血性腦卒中的各種損傷和保護機制中扮演了越來越重要的作用。腦卒中的內(nèi)源性保護與損傷機制復(fù)雜,故對其治療方面的研究亦層出不窮,但尚未發(fā)現(xiàn)特效療法,不過近年也有新的進展。
少突膠質(zhì)細胞在形態(tài)學(xué)方面具有高度異質(zhì)性,也存在不同的細胞亞類[8]。少突膠質(zhì)細胞在腦白質(zhì)及灰質(zhì)中均有分布。在白質(zhì)中,大部分少突膠質(zhì)細胞在軸突纖維之間以水平排列的方式形成束狀形態(tài)。少突膠質(zhì)細胞是典型的物種進化產(chǎn)物。為了適應(yīng)選擇性壓力,例如逃避襲擊等,大腦需要作出迅速反應(yīng),因此需要加快神經(jīng)信息的傳遞速度。無脊椎動物通過增加軸突直徑來實驗這一目的。但這一方法并不適用于脊椎動物,脊椎動物體型較大,神經(jīng)系統(tǒng)更為復(fù)雜,所含有的神經(jīng)纖維較無脊椎動物更多,而提供給神經(jīng)系統(tǒng)的空間卻相對較小。因此,很難通過增加軸突直徑及長度滿足速度傳輸?shù)囊?。在這種情況下,少突膠質(zhì)細胞應(yīng)運而生[9]。少突膠質(zhì)細胞是腦內(nèi)的髓鞘生成細胞,其產(chǎn)生的髓鞘包繞神經(jīng)元軸突,形成“郎飛氏結(jié)”,使神經(jīng)元軸突相互絕緣,并使得神經(jīng)信息呈跳躍式傳導(dǎo),加快神經(jīng)信息傳遞。髓鞘形成受到多方面的調(diào)控,一方面,少突膠質(zhì)細胞能夠識別具有合適直徑的神經(jīng)元軸突,啟動髓鞘生成活動。另一方面,神經(jīng)系統(tǒng)微環(huán)境中的神經(jīng)活動及某些信號也參與調(diào)控髓鞘生成活動的時化和程度。在髓鞘形成過程中,少突膠質(zhì)細胞延伸形成膜狀并包繞軸突。少突膠質(zhì)細胞包繞軸突的數(shù)量不定,1個或幾個,最多甚至能包繞50個左右的軸突段。髓鞘的存在使得神經(jīng)信息的傳遞速度可以增加50~100倍[10]。在髓鞘生成過程中,少突膠質(zhì)細胞需要大量的營養(yǎng)及代謝支持。因此,少突膠質(zhì)細胞需要與神經(jīng)血管建立密切的聯(lián)系,以維持髓鞘生成以及維持軸突功能的完整性[10]。而當(dāng)腦組織受到損傷時,即使只損傷單個少突膠質(zhì)細胞,也可能造成多個神經(jīng)元軸突的損傷,從而影響神經(jīng)功能。
腦白質(zhì)是中樞神經(jīng)系統(tǒng)重要組分,其基礎(chǔ)代謝率高。因此,即使是輕微缺血也會造成腦白質(zhì)損傷。缺血缺氧是造成腦白質(zhì)損傷的常見原因。缺血缺氧對白質(zhì)造成的損傷貫穿整個生命過程,包括新生兒時期的腦室周圍白質(zhì)軟化癥[11-13],成年時期的缺血性腦卒中及老年時期的血管性癡呆等等都會導(dǎo)致腦白質(zhì)損傷[14]。
2.1 缺血性卒中后白質(zhì)損傷:缺血性腦卒中是白質(zhì)損傷的一個非常主要的原因,大腦深穿支小血管梗死或大的煩巧動脈梗死均可造成白質(zhì)損傷[15-16]。白質(zhì)含有主要的上行和下行神經(jīng)傳導(dǎo)纖維,因此白質(zhì)損傷會引起多種運動感覺神經(jīng)功能受損,神經(jīng)功能缺失綜合征及認知功能障礙等癥狀[17-19]。研究發(fā)現(xiàn),幾乎所有的煩內(nèi)大動脈阻塞造成的缺血性腦卒中都會傷及白質(zhì),白質(zhì)梗死體積大約占腦梗死體積的一半[20]。CT及磁共振等影像學(xué)檢查能夠有效辨別白質(zhì)損傷。例如,白質(zhì)損傷在磋共振上主要表現(xiàn)為T2加權(quán)上高信號。已有研究結(jié)果顯示,白質(zhì)高信號的程度是缺血性卒中預(yù)后的一個獨立危險因素。此外,多種先進影像學(xué)檢查方法和巧術(shù)能夠更精確得檢測白質(zhì)損傷。如磁共振彌散加權(quán)技術(shù)能夠清晰辨別早期皮質(zhì)下梗死及彌漫性腦缺血引發(fā)的白質(zhì)損傷,而利用正電子磁共振波普方法測量腦內(nèi)N-乙酰天門冬氨酸(N-acetyl aspartate,NAA)水平可以間接檢測出軸突受損情況[21]。
缺血性卒中會立即引發(fā)白質(zhì)損傷,病理學(xué)方法可觀察到少突膠質(zhì)細胞的形態(tài)學(xué)在缺血早期即有改變。最早在缺血發(fā)生30 min內(nèi),有些少突膠質(zhì)細胞即出現(xiàn)細胞質(zhì)腫脹表現(xiàn)。在缺血發(fā)生3 h后,大部分少突膠質(zhì)細胞出現(xiàn)水腫及核固縮現(xiàn)象,并伴有髓鞘染色脫失情況。髓鞘在缺血3 h后會出現(xiàn)空洞。隨著缺血進展,在缺血6 h后,空洞的髓鞘會從軸突上脫離[16]。在某些腦區(qū),例如大腦皮質(zhì)及下丘腦處,少突膠質(zhì)細胞對缺血敏感性比神經(jīng)元還明顯[22]。缺血發(fā)生后,少突膠質(zhì)細胞的亞細胞結(jié)構(gòu),如高爾基體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)也會發(fā)生形態(tài)學(xué)的改變。此外,微管蛋白異常是少突膠質(zhì)細胞缺血后的一個顯著變化。少突膠質(zhì)細胞富含微管結(jié)構(gòu),主要負責(zé)運輸必需的髓鞘相關(guān)蛋白至細胞終端的突起[23-24]。研究發(fā)現(xiàn),在缺血發(fā)生后40 min之內(nèi),微管相關(guān)蛋白-Tau蛋白的免疫活性即可增加到可以檢測的水平,提示少突膠質(zhì)細胞對缺血高度敏感[25]。
目前研究發(fā)現(xiàn),介導(dǎo)缺血后白質(zhì)損傷的機制主要包括以下幾個方面[25-27]。①鈣離子超載引發(fā)的軸突功能障礙。使用大鼠視神經(jīng)作為研究對象的研究結(jié)果顯示,供能不足會激活軸突上電壓依賴性鈉離子及鈣離子通道,導(dǎo)致軸突間鈣離子聚集,并進而激活鈣離子依賴性通路,最終導(dǎo)致軸突功能障礙。②低血糖。血糖是白質(zhì)主要供能來源,低血糖引發(fā)白質(zhì)損傷。雖然糖原可以保護白質(zhì)免受缺血損傷,但是在腦內(nèi),只有星形膠質(zhì)細胞可以產(chǎn)生糖原。血糖降低時,星形膠質(zhì)細胞內(nèi)的糖原轉(zhuǎn)化成乳酸,彌散至細胞外間隙營養(yǎng)鄰近的神經(jīng)元軸突。在軸突內(nèi),乳酸轉(zhuǎn)化為丙酮酸促進氧化產(chǎn)能從而維持軸突的功能。星形膠質(zhì)細胞內(nèi)糖原提供的能量僅能保護軸突免受饑餓損傷最長至30 min[28]。提高星形膠質(zhì)細胞內(nèi)糖原的含量可以延長其功能時間,是保護缺血性白質(zhì)損傷的一個潛在治療措施。③少突膠質(zhì)細胞損傷。少突膠質(zhì)細胞損傷是白質(zhì)損傷的一個重要組成部分。少突膠質(zhì)細胞對缺血缺氧及氧化應(yīng)激高度敏感,多種因素參與介導(dǎo)缺血缺氧對少突膠質(zhì)細胞造成的損傷,例如氧化應(yīng)激、興奮性毒性作用及細胞凋亡等。少突膠質(zhì)細胞富含脂質(zhì)及鐵但其抗氧化能力卻較低。研究發(fā)現(xiàn),少突膠質(zhì)細胞內(nèi)的抗氧化應(yīng)激因子一谷肌甘膚含量較低,降低細胞內(nèi)谷膚甘肚含量會導(dǎo)致少突膠質(zhì)細胞損傷或加重其他損傷造成的傷害。相反,補充谷膚甘膚可增加少突膠質(zhì)細胞對上述損傷的抵抗力。氧化應(yīng)激會導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化、DNA損傷及其他存活必須的關(guān)鍵分子的損傷。其次,谷氨酸介導(dǎo)的興奮性毒性作用是少突膠質(zhì)細胞損傷的主要原因之一。少突膠質(zhì)細胞表達多種離子型谷氨酸受體,包括N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartic acid receptor,NMDA)受體、海人藻酸(Kainate)受體和α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxa-zolep-propionate,AMPA)受體[29]。過渡激活谷氨酸受體引發(fā)的興奮性毒性作用會造成少突膠質(zhì)細胞損傷,繼而造成髓鞘損傷。體內(nèi)研究提示,AMPA/kainate受體拮抗劑能夠減輕大鼠脊髓缺血損傷及短暫性腦缺血引發(fā)的白質(zhì)損傷。此外,大量研究結(jié)果提示新生兒時期的少突膠質(zhì)細胞對缺血缺氧更為敏感。究其原因包括兩個方面,一是相較于經(jīng)典的神經(jīng)元NMDA受體,新生兒時期的少突膠質(zhì)細胞NMDA受體對鎂離子介導(dǎo)的電壓依賴性阻斷僅有輕度影響,說明這些受體在缺血誘導(dǎo)的谷氨酸釋放及細胞膜去極化過程中允許鈣離子通過的電流更大[29]。二是新生兒時期的少突膠質(zhì)細胞AMPA/Kainate受體所表達的GluR2亞基較少,導(dǎo)致其對鈣離子的通透性增加,而缺糖缺氧會進一步減少該亞基的表達,增加其對缺血缺氧的敏感性[30]。
2.2 缺血性卒中后白質(zhì)損傷修復(fù):NG2硫酸軟骨素蛋白多糖及血小板源性生長因子受體α(plate derived growth factor receptor α,PDGFRα)是少突膠質(zhì)前體細胞標(biāo)志物,占成人中樞神經(jīng)系統(tǒng)總數(shù)的3%~9%,也是腦內(nèi)主要的增殖細胞[31]。在成熟腦內(nèi)的白質(zhì)及灰質(zhì)均存在OPC,OPC能夠分化為成熟的具有髓鞘生成功能的少突膠質(zhì)細胞[32-34]。OPC散在分布于胼胝體、紋狀體及皮層,也能夠由室下區(qū)的神經(jīng)前體細胞分化而來。室下區(qū)含有表達GFAP的神經(jīng)干細胞,這些神經(jīng)干細胞能夠產(chǎn)生中間型前體細胞[35]。利用逆轉(zhuǎn)錄病毒進行追蹤發(fā)現(xiàn),盡管大部分神經(jīng)前體細胞只分化產(chǎn)生神經(jīng)元集落,有些神經(jīng)前體細胞也能夠分化為OPC[36]。這些分化而來的OPC能夠向胼胝體及紋狀體遷移。采用誘導(dǎo)型Cre重組轉(zhuǎn)基因小鼠進行的研究發(fā)現(xiàn),Ascl1及nestin陽性的神經(jīng)干細胞及神經(jīng)前體細胞都能夠分化出OPC[37]。逆轉(zhuǎn)錄追蹤實驗顯示,成年室下區(qū)神經(jīng)干細胞分化成OPC的能力受限[36]。然而,另一項研究發(fā)現(xiàn),在生理情況下,有相當(dāng)一部分OPC是由室下區(qū)nestin陽性的神經(jīng)干細胞及神經(jīng)前體細胞分化而來的[38]。體外研究發(fā)現(xiàn),成年神經(jīng)干細胞具有分化為OPC的能力[39]。分化的方式分為兩種,一種是對稱性分化為NG2陽性的OPC,另一種是非對稱性分化為NG2陽性的OPC和GFAP陽性的細胞。但是,少突膠質(zhì)細胞源性克隆不能夠生成OPC及神經(jīng)元集落。這說明,成年神經(jīng)前體細胞含有少突膠質(zhì)細胞源性及神經(jīng)元源性細胞系,這兩種細胞系是不同的,且功能不存在互相重合。
缺血性卒中發(fā)生后,能夠迅速導(dǎo)致成熟少突膠質(zhì)細胞發(fā)生損傷,并引發(fā)繼發(fā)的軸突損傷。缺血性卒中恢復(fù)期,在缺血性梗死周圍區(qū),包括白質(zhì)及灰質(zhì),均可以看到OPC細胞數(shù)目顯著增加,其中有些分化成為成熟的具有髓鞘生成功能的少突膠質(zhì)細胞。同時,在這些區(qū)域還能觀察到出芽軸突生成情況[40]。缺血性卒中后,少突膠質(zhì)細胞數(shù)目的增加可能是因為有一部分OPC分化為成熟的少突膠質(zhì)細胞。采用轉(zhuǎn)基因小鼠研究發(fā)現(xiàn),白質(zhì)及灰質(zhì)區(qū)域的OPC以及室下區(qū)的OPC都能夠分化成熟為少突膠質(zhì)細胞。在缺血后2周內(nèi),在缺血梗死周圍區(qū),OPC陽性細胞數(shù)目顯著增加。然而,2個月后,缺血梗死周圍區(qū)的少突膠質(zhì)細胞系在形態(tài)學(xué)上表現(xiàn)為髓鞘膜樣的形態(tài),且表達成熟髓鞘標(biāo)記,包括CNPase及MBP[41]。除了白質(zhì)區(qū)的OPC以外,缺血性腦損傷也會誘導(dǎo)、募集室下區(qū)OPC參與缺血梗死周圍胼胝體及紋狀體處少突膠質(zhì)細胞再生的過程[41]。盡管在生理情況下,室下區(qū)神經(jīng)干細胞具有神經(jīng)元系及少突膠質(zhì)細胞系兩種不同類別,但目前不確定在脫髓鞘病變發(fā)生后,室下區(qū)的神經(jīng)前體細胞是否同時具有神經(jīng)元及少突膠質(zhì)細胞再生能力。采用溶血卵磷脂誘導(dǎo)脫服體脫髓鞘病變,能夠引發(fā)室下區(qū)雙層皮蛋白陽性的神經(jīng)母細胞分化出OPC[42]。然而,在缺血性腦卒中模型中,盡管缺血誘發(fā)了室下區(qū)雙層皮蛋白陽性神經(jīng)母細胞數(shù)目的增加,但并沒有引發(fā)OPC數(shù)目的增加[43]。這些研究結(jié)果說明,缺血性卒中能夠誘導(dǎo)白質(zhì)及灰質(zhì)的OPC分化成為成熟的少突膠質(zhì)細胞,也能夠誘導(dǎo)室下區(qū)的神經(jīng)前體細胞分化為OPC。在人體內(nèi),相關(guān)研究也發(fā)現(xiàn),脫髓鞘病變能夠引發(fā)室下區(qū)OPC數(shù)目表達增加[44]。研究發(fā)現(xiàn),缺血梗死邊界激活的大腦內(nèi)皮細胞分泌的基質(zhì)細胞衍生因子1α及血管內(nèi)皮生長因子參與OPC遷移及分化過程[45]。胼胝體內(nèi)受損軸突的谷氨酸能信號也參與募集室下區(qū)OPC遷移至缺血梗死周圍區(qū)域[46]。盡管缺血性損傷能夠誘發(fā)內(nèi)源性少突膠質(zhì)細胞再生過程,但這一過程并不足以彌補缺血導(dǎo)致的少突膠質(zhì)細胞死亡及白質(zhì)損傷。因此,眾多研究致力于發(fā)現(xiàn)能夠促進缺血性腦損傷發(fā)生后的內(nèi)源性少突膠質(zhì)細胞再生過程的治療方法。研究發(fā)現(xiàn),多種細胞療法或藥物療法如果在卒中后最初幾天應(yīng)用的話,能夠促進缺血性卒中后的少突膠質(zhì)細胞再生及軸突再生。
從腦缺血后神經(jīng)功能恢復(fù)的角度來看,所有與缺血有關(guān)的腦區(qū)、細胞類型和細胞成分都應(yīng)受到保護,這些治療可歸類為腦白質(zhì)保護、腦缺血遠隔部位損害的保護、全身保護治療[47]。其中腦白質(zhì)保護又可從改善腦白質(zhì)區(qū)血液灌注及增加供血供氧、抑制炎性膠質(zhì)細胞反應(yīng)增生、保護神經(jīng)元軸突和少突膠質(zhì)細胞幾方面進行[48]。
3.1 Nogo-A對腦白質(zhì)保護的研究:Nogo-A是中樞神經(jīng)系統(tǒng)髓磷脂中發(fā)現(xiàn)的一種抑制軸突生長的蛋白,在中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷后軸突再生中具有抑制作用。Huber等[49]通過用共聚焦免疫電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)Nogo-A在大鼠發(fā)育過程中表達于少突膠質(zhì)細胞和投射神經(jīng)元,尤其是在發(fā)育中的皮質(zhì)、脊髓、小腦的有絲分裂后細胞,這也較好地解釋了其抑制軸突再生的作用和結(jié)構(gòu)上的可塑性。Nogo-A是CNS神經(jīng)元軸突生長抑制的最重要的因子,具有以下特點:①Nogo-A主要存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元和少突膠質(zhì)細胞中;②Nogo-A抑制背根神經(jīng)節(jié)(DRG)神經(jīng)元軸突生長及3T3成纖維細胞延伸;③Nogo-A的單克隆抗體IN-1可中和Nogo-A的軸突生長抑制作用,從而促進損傷后神經(jīng)元軸突再生[50]。進一步研究發(fā)現(xiàn)Nogo-A有兩個完全獨立的抑制結(jié)構(gòu)域:一個是可能位于細胞表面的Nogo-66;另一個是長的氨基端區(qū)段(NiG)。這兩個結(jié)構(gòu)域在抑制軸突生長方面發(fā)揮著協(xié)同作用。
3.2 GAP-43對腦白質(zhì)保護的研究:GAP-43是神經(jīng)組織特有的生長相關(guān)蛋白,廣泛分布于大小腦、脊髓、背根節(jié)和自主神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)元內(nèi)以及再生的施旺細胞和神經(jīng)膠質(zhì)細胞。GAP-43及其mRNA在神經(jīng)系統(tǒng)的表達分布特點說明它對神經(jīng)發(fā)育和可塑性有重要作用,可促進神經(jīng)元的生長發(fā)育、再生及突觸的重構(gòu)。部分研究結(jié)果提示GAP-43參與了神經(jīng)元突觸重組和神經(jīng)環(huán)路的構(gòu)建,并為神經(jīng)功能的恢復(fù)奠定了基礎(chǔ)。神經(jīng)損傷后GAP-43在末端施旺細胞和軸突的表達表明它與軸突-施旺細胞在再生中的相互作用密切相關(guān)。
3.3 梓醇對腦白質(zhì)保護的研究:梓醇是從地黃根部分離得到的一種小分子環(huán)烯醚萜類化合物,是地黃的主要有效活性成分之一,具有利尿、緩瀉、降血糖及保肝等多種藥理學(xué)作用[51]。梓醇對正常大鼠腦白質(zhì)的少突膠質(zhì)細胞和髓鞘無明顯影響,但可明顯緩解慢性腦缺血誘導(dǎo)的腦白質(zhì)的病理學(xué)改變,減輕神經(jīng)纖維和髓鞘的潰變,降低腦白質(zhì)的囊泡面積,減輕有髓神經(jīng)纖維的損傷數(shù)目。慢性腦缺血可誘導(dǎo)胼胝體少突膠質(zhì)前體細胞的增殖,梓醇治療后少突膠質(zhì)前體細胞數(shù)明顯下降至缺血前水平。梓醇可抑制慢性腦缺血誘導(dǎo)的腦白質(zhì)星形膠質(zhì)細胞和小膠質(zhì)細胞的增生活化,抑制炎性因子TNF-α的釋放。這表明梓醇對腦白質(zhì)少突膠質(zhì)細胞和髓鞘的保護作用與其抗炎癥效應(yīng)有關(guān)。
腦卒中的損傷是一個復(fù)雜的過程,是多種因素、多環(huán)節(jié)、多靶點共同作用的結(jié)果,因此,治療缺血性腦卒中后功能恢復(fù)也是一個復(fù)雜的過程,需要多環(huán)節(jié)、多靶點來調(diào)控損傷過程。挽救局部白質(zhì)結(jié)構(gòu)直接相關(guān)的神經(jīng)功能損失;打破不同白質(zhì)結(jié)構(gòu)損害的共扼關(guān)系;終止交互惡性循環(huán);協(xié)助神經(jīng)灰質(zhì)的保護過程,著眼于完善神經(jīng)功能,實現(xiàn)各環(huán)節(jié)的保護;減少卒中累及灰白質(zhì)相關(guān)的遠隔部位損害,利于卒中后腦組織(尤其是梗死性周邊的結(jié)構(gòu))改變和功能重塑及全腦功能的恢復(fù)。