新生兒缺氧缺血后腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重建機(jī)制研究進(jìn)展

李可心，鄭 陽(yáng)，王曉明

(中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院放射科，遼寧 沈陽(yáng) 110004)

新生兒缺氧缺血(hypoxic ischemia, HI)是導(dǎo)致新生兒神經(jīng)功能障礙的原因之一，發(fā)病率、致殘率均較高[1]；其所致神經(jīng)系統(tǒng)損傷主要包括興奮性氨基酸毒性損傷、氧化應(yīng)激及炎癥等，表現(xiàn)為神經(jīng)元破壞，進(jìn)而出現(xiàn)行為缺陷、癲癇、智力障礙及腦癱等一系列并發(fā)癥[2-3]。相比成人，發(fā)育中的大腦對(duì)外界刺激適應(yīng)性更強(qiáng)，稱(chēng)為神經(jīng)可塑性，包括分子層面、細(xì)胞水平調(diào)控及生理過(guò)程變化，以促進(jìn)大腦依據(jù)不同狀態(tài)改變組織結(jié)構(gòu)與功能[4]。本文分別從HI損傷后神經(jīng)干/祖細(xì)胞(neural stem/progenitor cell, NSPC)增殖與神經(jīng)元、膠質(zhì)細(xì)胞再生，神經(jīng)通路及腦內(nèi)微環(huán)境變化等重建機(jī)制進(jìn)行綜述。

1 新生兒HI后NSPC增殖與神經(jīng)元、膠質(zhì)細(xì)胞再生

1.1 新生兒HI后NSPC增殖 NSPC具有分化潛能，可自我更新，在體內(nèi)與體外環(huán)境均可增殖并分化為神經(jīng)元細(xì)胞系、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞系等多種細(xì)胞譜系[5]。哺乳動(dòng)物大腦內(nèi)有兩個(gè)神經(jīng)源性區(qū)域，即腦室管膜下區(qū)(subventricular zone, SVZ)和海馬齒狀回顆粒細(xì)胞下層(subgranular zone, SGZ)，其內(nèi)源性NSPC可增殖、遷移并分化為神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞(astrocyte, AS)及少突膠質(zhì)細(xì)胞[6]。HI損傷激活表皮生長(zhǎng)因子受體(epidermal growth factor receptor, EGFR)及Notch信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，促進(jìn)SVZ的NSPC增殖[7]。缺氧等病理因素可促進(jìn)海馬齒狀回NSPC增殖，且與年齡和損傷程度有關(guān)[8]。NSPC增殖這一特點(diǎn)可為研究HI損傷后NSPC修復(fù)機(jī)制及潛在治療靶點(diǎn)提供依據(jù)，但NSPC分化狀態(tài)對(duì)腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重建的影響還需明確。

1.2 新生兒HI損傷促進(jìn)神經(jīng)元及膠質(zhì)細(xì)胞再生 HI損傷后NSPC可分化成神經(jīng)元，但HI誘導(dǎo)神經(jīng)元遷移至損傷部位進(jìn)行修復(fù)的能力有限[9]。HI、卒中等損傷因素均能誘導(dǎo)海馬齒狀回神經(jīng)元再生[10]，但新生神經(jīng)元能否有效整合到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中并發(fā)揮作用尚需進(jìn)一步觀察。未成熟大腦HI損傷后，神經(jīng)元再生數(shù)量可能與年齡、受損部位及嚴(yán)重程度有關(guān)，且在早產(chǎn)兒和足月兒腦損傷程度亦不同。早產(chǎn)兒發(fā)生HI時(shí)腦組織中的少突膠質(zhì)細(xì)胞受損，進(jìn)而導(dǎo)致腦白質(zhì)損傷；足月兒HI后發(fā)生腦損傷部位包括基底節(jié)和丘腦區(qū)，可導(dǎo)致嚴(yán)重腦病或癲癇發(fā)作[11]。ZHU等[12]觀察小鼠HI模型，發(fā)現(xiàn)HI后腦損傷可刺激新生神經(jīng)元形成，出生9天小鼠神經(jīng)元增殖集中于腦內(nèi)紋狀體和皮層部位，而當(dāng)大腦發(fā)育成熟后，增殖僅存在于紋狀體。

此外，HI也可促進(jìn)神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞再生，新生小鼠HI 1周后腦組織內(nèi)少突膠質(zhì)細(xì)胞、AS及小膠質(zhì)細(xì)胞(microglia, MG)顯著增加，HI后第1、2周，少突膠質(zhì)細(xì)胞分別于皮層和紋狀體中增殖，與大腦發(fā)育過(guò)程中髓鞘形成時(shí)間相對(duì)應(yīng)。HI早期恢復(fù)過(guò)程中，未成熟腦紋狀體與皮層也可產(chǎn)生大量AS保護(hù)神經(jīng)系統(tǒng)；而MG釋放的炎性細(xì)胞因子可介導(dǎo)神經(jīng)元損傷，也可調(diào)節(jié)神經(jīng)元再生[12]。發(fā)生HI時(shí)，神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞可通過(guò)調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)傳遞、釋放細(xì)胞因子等影響神經(jīng)元再生及腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重建[13]。腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)整體，研究神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞及神經(jīng)元的相互作用對(duì)于探索HI損傷后腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)修復(fù)及重建機(jī)制具有重要意義。

2 新生兒HI損傷對(duì)腦神經(jīng)通路的影響

HI后神經(jīng)通路改變包括神經(jīng)通路重建與突觸可塑性[14]。研究[15]發(fā)現(xiàn)HI引起的新生兒腦部輕度/中度結(jié)構(gòu)異常如神經(jīng)元、膠質(zhì)細(xì)胞輕度受損等可使認(rèn)知能力明顯下降，可能是HI損傷導(dǎo)致額葉-海馬神經(jīng)通路連接異常所致，提示HI后腦神經(jīng)通路改變?yōu)橛绊懮窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)重建的重要因素。

2.1 新生兒HI后促使腦神經(jīng)通路重建 HI后腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改變是動(dòng)態(tài)且進(jìn)行性發(fā)生的。研究[16]發(fā)現(xiàn)新生小鼠HI后邊緣系統(tǒng)、海馬體、海馬傘及背外側(cè)隔核神經(jīng)纖維束呈進(jìn)行性減少，提示存在遲發(fā)性神經(jīng)通路發(fā)生改變。大鼠低氧狀態(tài)下顆粒細(xì)胞(granulocytel, GC)樹(shù)突長(zhǎng)度增加及新生GC自發(fā)性γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid, GABA)突觸后電流增強(qiáng)可能是缺氧狀態(tài)促使GABA能中間神經(jīng)元活性增強(qiáng)所致[8]。缺氧后70天，新生神經(jīng)元的樹(shù)突狀結(jié)構(gòu)多位于GC層之外，樹(shù)突總長(zhǎng)度減少，可能與GC層內(nèi)新生神經(jīng)元突觸活動(dòng)減少或細(xì)胞外環(huán)境中其他因素影響發(fā)育樹(shù)突變化有關(guān)[8]。雖然腦損傷可導(dǎo)致大量神經(jīng)元死亡，但仍有部分受損或未受損神經(jīng)元，軸突可通過(guò)尋找新的“靶細(xì)胞”建立新連接，重新支配病變周?chē)h(huán)境，進(jìn)而建立新的腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[17]。

利用多模態(tài)MR技術(shù)能夠觀察HI損傷后腦網(wǎng)絡(luò)的變化。新生大鼠HI損傷后，受損大腦半球功能可通過(guò)重建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移到未受傷大腦半球，神經(jīng)信號(hào)傳遞模式包括半球間轉(zhuǎn)移(病變部位對(duì)側(cè)同源區(qū)域功能恢復(fù))、半球內(nèi)轉(zhuǎn)移(功能可延伸至病灶健康周?chē)M織)及半球內(nèi)神經(jīng)連接重新分布或形成替代腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[18]。通常新生兒HI后腦損傷程度在雙側(cè)大腦半球間差異不顯著，故替代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可能是受損腦區(qū)主要的神經(jīng)重建模式。

2.2 新生兒HI損傷與突觸可塑性 突觸可塑性是神經(jīng)可塑性的重要體現(xiàn)之一，主要包括兩大機(jī)制：①穩(wěn)態(tài)可塑性機(jī)制促進(jìn)損傷后突觸恢復(fù)，負(fù)反饋調(diào)節(jié)突觸可塑性；②依據(jù)赫布理論，可塑性機(jī)制通過(guò)促進(jìn)突觸前成分及后成分變化正反饋調(diào)節(jié)突觸可塑性，增加突觸傳遞效率[19-20]。發(fā)育中的大腦受到如HI、感染或某些代謝紊亂等因素影響時(shí)，突觸可塑性機(jī)制也可能轉(zhuǎn)變?yōu)槟X損傷機(jī)制。

新生兒HI損傷可導(dǎo)致突觸丟失及突觸蛋白表達(dá)異常，突觸囊泡減少，從而促使突觸重建，這可能與神經(jīng)遞質(zhì)釋放和結(jié)合異常而加劇突觸功能障礙有關(guān)[21]。HI后突觸間隙谷氨酸代謝障礙，電壓依賴(lài)性N-甲基-D-天冬氨酸受體開(kāi)放，可增強(qiáng)未成熟大腦的可塑性，但也可損傷發(fā)育中神經(jīng)環(huán)路的興奮性[22]。谷氨酸受體過(guò)度激活能引起細(xì)胞內(nèi)、外病理變化，導(dǎo)致神經(jīng)傳遞和突觸功能障礙、少突膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元損傷，導(dǎo)致感覺(jué)運(yùn)動(dòng)傳導(dǎo)通路異常[23]。HI可誘發(fā)癲癇、海馬損傷及病變側(cè)海馬苔蘚纖維萌發(fā)，若伴有自發(fā)性或運(yùn)動(dòng)性癲癇發(fā)作，則于健側(cè)海馬也可觀察到苔蘚纖維發(fā)芽，提示其可能為突觸重建的標(biāo)志，且這種重建能夠增加自發(fā)運(yùn)動(dòng)性癲癇發(fā)作概率[24]。影像學(xué)檢查對(duì)評(píng)估HI后神經(jīng)功能障礙患者突觸變化具有重要價(jià)值，有研究[4]證實(shí)PET/CT可顯示HI后大腦感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮層和基底節(jié)的葡萄糖代謝增加，神經(jīng)元葡萄糖代謝區(qū)域變化與突觸活性有關(guān)。

3 新生兒HI后腦內(nèi)微環(huán)境改變對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重建的影響

NSPC所處微環(huán)境由神經(jīng)元、AS、MG、內(nèi)皮細(xì)胞及其他細(xì)胞因子共同組成，對(duì)細(xì)胞存活、增殖及分化具有重要作用[10]，HI損傷后，上述細(xì)胞做出不同反應(yīng)，使大腦微環(huán)境急劇改變，從而調(diào)節(jié)神經(jīng)可塑性，參與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重建。HI后腦內(nèi)酸堿度水平可影響神經(jīng)可塑性變化，此時(shí)線(xiàn)粒體中氧化磷酸化和三羧酸循環(huán)減少，導(dǎo)致乳酸無(wú)氧代謝增多，組織內(nèi)出現(xiàn)酸中毒[25]。缺氧條件下，乳酸不僅是人體活動(dòng)的重要能量代謝底物，也可作為信號(hào)分子參與細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。AS通過(guò)星形細(xì)胞-神經(jīng)元乳酸穿梭將乳酸轉(zhuǎn)運(yùn)到神經(jīng)元中，以產(chǎn)生三磷酸腺苷，激活細(xì)胞內(nèi)信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)，誘導(dǎo)凋亡抑制蛋白，早期生長(zhǎng)反應(yīng)蛋白1和腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor, BDNF)的表達(dá)參與調(diào)節(jié)神經(jīng)可塑性[26]。HI損傷后，乳酸變化可影響腦內(nèi)酸堿平衡、能量代謝及信息傳遞。

MG是大中樞神經(jīng)系統(tǒng)的固有免疫細(xì)胞，具有吞噬、釋放細(xì)胞因子和呈遞抗原的作用。腦缺血后，作為一把“雙刃劍”，MG激活效應(yīng)既能分泌基質(zhì)金屬蛋白酶-9、腫瘤壞死因子-α等因子誘導(dǎo)神經(jīng)元凋亡及抑制NSPC分化為神經(jīng)元[27]，也可合成并分泌胰島素樣生長(zhǎng)因子與BDNF等，刺激神經(jīng)元再生[10]。此外，趨化因子配體1介導(dǎo)的小膠質(zhì)細(xì)胞-神經(jīng)元相互作用可促進(jìn)神經(jīng)元和NSPC存活、增強(qiáng)突觸及重建網(wǎng)絡(luò)成熟度，從而影響神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重建[28]。脈管系統(tǒng)亦在調(diào)節(jié)神經(jīng)元再生中發(fā)揮重要作用，促血管內(nèi)皮生成因子(vascular endochelial growth factor, VEGF)可促進(jìn)NSPC增殖及神經(jīng)元再生[29]。腦缺血損傷后，血腦屏障被破壞，血液及腦組織內(nèi)VEGF水平升高，誘導(dǎo)細(xì)胞跨膜Notch配體4蛋白表達(dá)，激活Notch信號(hào)通路，進(jìn)而促進(jìn)SVZ區(qū)NSPC增殖[30]。

4 小結(jié)

HI是新生兒腦病發(fā)生和死亡的重要原因，研究HI后大腦網(wǎng)絡(luò)重建過(guò)程及神經(jīng)可塑性重要特點(diǎn)有助于進(jìn)一步理解疾病發(fā)生、發(fā)展過(guò)程及新生兒神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)機(jī)制，為治療HI后損傷提供理論基礎(chǔ)。