神經(jīng)元軸突生長的力生物學*

孫艷麗 趙虎成 馮西橋

（清華大學航天航空學院工程力學系，生物力學與醫(yī)學工程研究所，北京 100084）

神經(jīng)元（neuron）是動物機體中結(jié)構(gòu)最為復雜的一類細胞，由胞體（soma）、樹突（dendrite）和軸突（axon）組成。在發(fā)育過程中，胞體和軸突都會進行長距離的遷移并精確地延伸到所需的位置。正在延伸的軸突最前端是一個高度動態(tài)的結(jié)構(gòu)，用于引導和控制神經(jīng)突（neurite）的前端生長，命名為生長錐（growth cone，GC）［1］。軸突用GC 來檢測環(huán)境信號、調(diào)整其生長速度與方向，進而尋找下一級神經(jīng)元的樹突或胞體。過去一直認為化學物質(zhì)濃度梯度決定軸突的最終延伸方向［2］。近期的研究發(fā)現(xiàn)，非洲爪蟾的視神經(jīng)發(fā)育過程中，力學因素對軸突的延伸方向起到直接的調(diào)控作用［3］。這種力學因素和化學信號的整合不僅對發(fā)育很重要，而且對病理過程也很重要。許多神經(jīng)退行性疾病伴隨著中樞神經(jīng)系統(tǒng)組織力學的變化，如體內(nèi)外實驗均顯示：細胞外基質(zhì)硬度可影響軸突的延伸方向與生長速度［3-4］。神經(jīng)元軸突生長是一個復雜的問題，涉及許多細胞內(nèi)和細胞外信號的相互協(xié)調(diào)，如細胞骨架主動收縮力、外部載荷和細胞外基質(zhì)剛度［5-6］。高度動態(tài)的GC通過軸突桿（axon shaft）與胞體連接（圖1），GC與軸突桿中的力對軸突的正常生長發(fā)育至關(guān)重要。GC 在軸向產(chǎn)生張力拉動神經(jīng)突軸延伸，軸突桿亦對GC 的前移有推動作用［6］。因此，軸突生長可認為是GC與神經(jīng)軸突桿之間的相互協(xié)同作用的結(jié)果。本文將結(jié)合自己的工作綜述內(nèi)力與外部載荷對軸突生長調(diào)控的最新進展。

Fig. 1 Origin of force in neuronal growth cones圖1 神經(jīng)元生長錐中力的分布

1 內(nèi)力驅(qū)動神經(jīng)元軸突生長

1.1 細胞骨架收縮與聚合產(chǎn)生的內(nèi)力驅(qū)動GC前移

GC 移動與軸突的生長依賴于細胞骨架。軸突內(nèi)的細胞骨架由肌動蛋白、微管、神經(jīng)細絲組成。為了深入理解軸突生長中力的平衡，研究人員將軸突的GC 與軸突桿看作是兩個獨立的部分（圖1）。GC 由中心區(qū)域（central domain）、片狀偽足（lamellipodium）、絲狀偽足（filopodia）組成［7］。GC 的偽足與其他類型細胞的偽足在形狀上相似，絲狀偽足與片狀偽足中充滿了致密的肌動蛋白。在靠近GC膜端的肌動蛋白絲聚合時可對細胞膜產(chǎn)生推動力［8］。由于布朗運動以及肌動蛋白絲與GC膜的振蕩，為肌動蛋白單體的進入提供了足夠的空間進而為絲狀偽足中肌動蛋白的聚合提供物質(zhì)基礎(chǔ)［9］。當聚合成彎曲的肌動蛋白絲變直時，肌動蛋白絲推動細胞膜使膜處于張力狀態(tài)下，張力的大小為10 μN/m［10］。肌動蛋白絲受到細胞膜同樣大小的反作用力。位于生長錐中心的肌球蛋白馬達可牽拉肌動蛋白絲產(chǎn)生收縮力，引起肌動蛋白向GC中心回流。但是在生長錐外周的肌動蛋白通過點黏附與細胞外基質(zhì)耦聯(lián)在一起。類似于其他類型細胞與細胞外基質(zhì)間的點黏附，神經(jīng)元與細胞外基質(zhì)的點黏附由整合素（integrins）、踝蛋白（talin）、黏著斑蛋白（inculin）、shootin1和皮層蛋白（cortactin）組成。通過這些分子將肌動蛋白與細胞外基質(zhì)動態(tài)的連接在一起，形成局部點黏附。點黏附作用越強，肌動蛋白與細胞外基質(zhì)的聯(lián)系就越緊密，在GC 中心產(chǎn)生的收縮力可以傳遞到細胞外基質(zhì)上。因此，由絲狀偽足邊緣形成的局部黏附可以抑制肌動蛋白的回流，而GC邊緣的肌動蛋白馬達收縮將中心部位向邊緣拉伸［11］。 外周神經(jīng)系統(tǒng)（peripheral nervous system）神經(jīng)元的GC 收縮力為40 Pa左右，中樞神經(jīng)系統(tǒng)（central nervous system）神經(jīng)元GC 的收縮力在10 Pa 左右［12］。肌動蛋白聚合可推動細胞膜向前移動，導致GC前移。肌動蛋白聚合產(chǎn)生的推動力在100 pN 左右［13］。由于肌動蛋白聚合作用產(chǎn)生的推動力與GC周邊的肌動蛋白馬達收縮產(chǎn)生拉伸作用導致GC 向前移動（圖1）。GC 的延伸與肌動蛋白回縮流的速率一般是相關(guān)聯(lián)的，GC 延伸快，肌動蛋白回縮慢。力的傳遞通過點黏附的形成、加強、解離的調(diào)控來實現(xiàn)。GC 的移動最終取決于所有力的平衡（圖1）。GC持續(xù)移動，依賴于纖維狀肌動蛋白（F-actin）與點黏附的恒定轉(zhuǎn)換。GC 中心的肌動蛋白絲需要解聚，為周邊的肌動蛋白聚合提供單體。點黏附要有足夠的強度來產(chǎn)生引起GC前移的收縮力，同樣需要點黏附動態(tài)的解聚與形成來拉動GC前移［14］。

總之，肌動蛋白在GC 外周聚合，在中心解聚，而肌球蛋白馬達向GC中心或者周邊拉伸依賴于局部黏附的動力學。弱的局部黏附，肌動蛋白回流率高（10 μm/h），GC 不再向前移動。隨著絲狀偽足周邊局部黏附強度的增強，肌動蛋白回流速率將降低，GC 外圍的收縮力增加。周邊由于大量肌動蛋白收縮導致的黏附與解黏附引起的牽拉與肌動蛋白聚合推動細胞膜前移動，每小時GC遷移可以達到幾十微米。局部黏附的動態(tài)調(diào)控來決定GC延伸或者停止以適應軸突外部的環(huán)境。

1.2 軸突桿中的力

成熟的軸突桿中細胞骨架的排列與GC中的細胞骨架排列存在明顯的差異。生長過程中的軸突桿中充滿了微管， 軸突成熟后神經(jīng)絲（neurofilament）再添加進去。在軸突中微管的伸長端朝向GC［15］。微管一般長時間保持幾百微米的長度，可以看作是軸突中剛性的桿。類似于微絲聚合對細胞膜產(chǎn)生的推動力，在軸突延伸時每根微管聚合端會對GC細胞骨架產(chǎn)生3~5 pN的推動力，分子馬達蛋白滑移引起的微管移動也可以對GC產(chǎn)生推動力［16］。微管聚合與滑移對GC推動力的大小取決于軸突的橫截面積、微管的長度、馬達蛋白的密度，總推動力為幾百pN到幾個nN。在軸突中，肌動蛋白以被血影蛋白（spectrin）間隔的垂直于微管的環(huán)狀排列形式存在（圖2）。肌動蛋白環(huán)之間的距離在190 nm 左右，肌球蛋白絲長度約為325 nm。因此，肌動蛋白絲可以連接肌動蛋白環(huán)，將它們牽拉而引起延軸突內(nèi)產(chǎn)生張力。在軸突中，肌球蛋白可以按照一定的角度排列，鑲嵌在相鄰肌動蛋白環(huán)間隙內(nèi)，并施加軸向和周向張力，因此收縮產(chǎn)生的力可在軸向與周向（圖2）［17］。血影蛋白是否起到力學作用，目前尚不清楚。在紅細胞膜下由于血影蛋白的存在，使紅細胞具有較好的彈性。最近的研究證實血影蛋白對維持軸突結(jié)構(gòu)的完整性具有重要的作用。血影蛋白可能是一個被壓縮的彈簧，來抵抗肌球蛋白牽拉微絲產(chǎn)生的收縮力［18］?？傊?，微管的推動力被沿著微管的肌動蛋白與肌球蛋白收縮產(chǎn)生的張力來平衡。肌動蛋白產(chǎn)生的收縮力、微管聚合產(chǎn)生的推動力、血影蛋白的被動抵抗力共同形成了軸突總的合力，推動GC向前延伸。

Fig. 2 The origin of force in neuronal axons圖2 神經(jīng)元軸突中的力

1.3 軸突中力的綜合作用決定其生長

GC 與軸突桿是如何協(xié)同調(diào)控軸突生長的？軸突的生長需要增加微管、細胞膜、細胞器的量。軸突的生長率取決于微管聚合與延伸的快慢。那么，是否軸突由微管的推動與GC 的拉伸而驅(qū)動生長呢？也有實驗證據(jù)提出新的觀點，支持微管作為軸突生長的主要推動力，去除微絲可引起軸突快速生長，應用紫杉醇來促進微管的聚合可增加推動力引起軸突的延伸速度增加［19］。這表明，軸突桿中肌動蛋白的收縮抵抗生長，微管聚合與滑移產(chǎn)生的推動力促進軸突生長。Lamoureux 等［1］將神經(jīng)元胞體從細胞外基質(zhì)剝離而GC保持黏附狀態(tài)，可以觀察到軸突繼續(xù)生長。如果用微吸管沿著GC方向反向拉伸，軸突依然保持生長。如何解釋這些實驗結(jié)果呢？簡單地說，在收縮力存在時，張力占主導，微管聚合或滑移產(chǎn)生的擠壓力可以忽略。例如，GC 停止了前進，微管繼續(xù)前移會導致微管在GC的聚集大于推動GC前移。只有干擾肌動蛋白骨架降低收縮力后，微管才轉(zhuǎn)變成力平衡的主要貢獻者。當不存在收縮力時，肌動蛋白網(wǎng)可以忽略，微管聚合的擠壓力占主導，可以推動生長錐，導致軸突快速生長。在這種情況下，微管前進是唯一限制軸突前進速度的因素，此時軸突前進速度是最大的。將未受擾動系統(tǒng)中的所有力分量加起來后，軸突桿中的總力和在生長錐中產(chǎn)生的凈力綜合作用決定軸突是否延伸。一個簡單的圖像是：GC 中存在濃密的肌動蛋白骨架將阻礙微管從軸突進入，微管產(chǎn)生的推動力對抗軸突的張力與回縮。有時也有少量的微管伸入到GC，進而幫助和加強生長（圖1）。如果GC 邊緣的收縮力較高，GC 中心被向周邊拉伸，為微管伸入產(chǎn)生了空間。GC 越是對軸突拉伸，越為微管的伸入騰出空間，加速軸突的延伸［20］。

目前描述軸突生長的快慢有兩種模型，即物質(zhì)擴散模型與力學模型。對于物質(zhì)擴散模型，強調(diào)可溶性的微管蛋白通過擴散或主動運輸?shù)捷S突末端來提供微管合成的物質(zhì)基礎(chǔ)。在早期的神經(jīng)突中，胞體提供細胞的組分，如微管蛋白和其他骨架蛋白，然后沿軸擴散和主動運輸，以到達軸突末端［21］。因此，生長速率可用微管蛋白濃度的擴散方程來描述。擴散模型將軸突視為兩個部分（胞體和GC），胞體中的微管蛋白濃度大于軸突桿與GC中的微管蛋白濃度。通過化學擴散或馬達蛋白的主動轉(zhuǎn)運來實現(xiàn)軸突生長［21］。實際上，生長中的軸突內(nèi)部不斷發(fā)生力變化與平衡。為此，力學模型引入了微管蛋白和肌動蛋白的質(zhì)量變化和動量平衡，建立了基于骨架成分的力學平衡模型［22］。微管主要分布在神經(jīng)軸突桿內(nèi)部，而肌動蛋白皮質(zhì)則分布于GC的外圍。肌動蛋白網(wǎng)收縮產(chǎn)生的張力與微管聚合延伸產(chǎn)生的機械力決定軸突的生長速度與方向?？梢?，機械力和物質(zhì)擴散分別代表了神經(jīng)突生長的兩個方面。在內(nèi)力和外力作用下，為了維持軸突快速伸長和適應力學作用的變化，胞體可能主動地調(diào)節(jié)細胞成分的合成和輸運，以支持生長所需的物質(zhì)和避免物質(zhì)匱乏造成的張力牽拉損傷。目前的研究證實，衰老與阿爾茨海默病患者腦組織的硬度明顯降低，其軸突GC 的主動收縮力明顯降低。GC 收縮力的變化與突觸數(shù)量的形成、突觸傳遞的效能密切相關(guān)［4］。因此，調(diào)控軸突延伸的內(nèi)力可能是治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病的潛在靶點。

2 外力刺激對軸突生長的調(diào)控

軸突生長可大致分為突起形成、分化、延伸、成束與突觸形成5個階段，是建立神經(jīng)網(wǎng)絡的關(guān)鍵過程。由于軸突具有感知和產(chǎn)生力的機制，因此人為施加力載荷可以影響軸突生長與發(fā)育的每個階段（圖3）［23-24］。

Fig. 3 Exogenous forces influences every phase of neuronal growth圖3 外力影響軸突生長發(fā)育的每個階段

2.1 外源性力誘導神經(jīng)突生成

培養(yǎng)的神經(jīng)元與基底接觸并貼壁后先伸出幾個短突起（神經(jīng)突），這個過程稱為神經(jīng)突起始階段［25］。最早有研究證實，對10~12 日齡雞胚的背根神經(jīng)節(jié)DRG 神經(jīng)元在彈性基底上進行培養(yǎng)，通過直徑較小的玻璃管張力拉伸與神經(jīng)元接觸的基底導致神經(jīng)突的產(chǎn)生［26-27］。隨后的實驗也證實，對神經(jīng)元細胞膜施加閾值以上的張力可以使貼壁后的神經(jīng)元延伸出神經(jīng)突，而與施加張力的方式無關(guān)，誘導神經(jīng)突產(chǎn)生通常需要張力的范圍在0.3~10 nN［27］。在牽拉作用下，誘導產(chǎn)生的神經(jīng)突可發(fā)育成正常的GC并能進行軸突延伸。Dominguez-Romero等［28］證明了雞胚前腦神經(jīng)元神經(jīng)突的形成是一個隨機過程，延伸速度隨外力作用的增加而增加。神經(jīng)突的萌生過程必需有新的物質(zhì)的補充。牽拉神經(jīng)突的速度大于0.5 μm/min由于不能保證充分的物質(zhì)供應而導致神經(jīng)突破壞［29-30］。

2.2 外力可誘導神經(jīng)突分化為軸突

當神經(jīng)突形成后，其經(jīng)歷著延伸與回縮的循環(huán)過程。在這一階段，神經(jīng)元顯示出極化狀態(tài)，但無論是形態(tài)上還上化學組分上這些神經(jīng)突并沒有明確的軸突與樹突之分［24］。大約24 h 后，其中的一個神經(jīng)突顯示出較快的生長速度而且具有軸突的特征，這一過程稱為軸突特化［30］。Magdesian 等［31］發(fā)現(xiàn)小的外部拉伸力可誘導培養(yǎng)的大鼠海馬神經(jīng)元小的神經(jīng)突分化為軸突。隨后發(fā)現(xiàn)由牽拉誘導形成的軸突與自發(fā)形成的軸突標志性蛋白完全一致［31］。Kunze 等［32］的研究證實，局部的外力刺激通過影響細胞骨架蛋白Tau在細胞內(nèi)的分布來誘導神經(jīng)元產(chǎn)生極性。Tau是神經(jīng)元產(chǎn)生極性的一個重要蛋白質(zhì)。盡管機械力可誘導神經(jīng)元產(chǎn)生極性，但詳細機制仍不清楚。神經(jīng)元極化后，這種極化并不是一成不變的，而是可逆的，其中力發(fā)揮重要的作用。典型的神經(jīng)元僅有一個軸突，但張力牽拉可誘導形成多個軸突［31］?，F(xiàn)在提出一種假說，軸突形成后會抑制其他小的神經(jīng)突生長，力學刺激可以減除這種抑制［33］，引起產(chǎn)生極化的效應器重新分布，進而誘導出多個軸突［33］。

2.3 外力作用促進軸突延伸

神經(jīng)元培養(yǎng)2~3 d 時，其他神經(jīng)突仍然處于靜止狀態(tài)或進行小幅度的生長，而軸突則處于持續(xù)無回縮的生長，這一階段稱為軸突延伸期［24］。早在1984年，Bray［26］就發(fā)現(xiàn)，如果沿著軸突機械拉伸持續(xù)30 min，可誘導其延伸超過300 μm。軸突除了增加長度外，還增加直徑，而且保持正常的超微結(jié)構(gòu)與縱向的微管、神經(jīng)絲排列［26-27］。在此過程中，神經(jīng)元能夠感受到力刺激并以增加新蛋白、膜脂以及細胞骨架成分作為響應［26］。最近發(fā)現(xiàn)所有類型的神經(jīng)元生長期間，軸突受到牽拉均會做出與刺激強度呈正相關(guān)的延伸。軸突受到拉伸時，其延伸速率要遠遠大于生理范圍內(nèi)的生長速率。例如，DRG 神經(jīng)元軸突受到牽拉時在兩個星期內(nèi)從100 μm伸長到10 cm，生長速度是300 μm/h，是正常生長速度的10倍［32］。也有研究發(fā)現(xiàn)，不同的拉伸方式引起軸突延伸的拉伸閾值不同。PC12 細胞與雞的感覺神經(jīng)元，用玻璃微管牽拉神經(jīng)元生長的基底引起神經(jīng)突生長的力學閾值為1 nN。雞的前腦神經(jīng)元黏附磁性小球后通過磁場施加磁性力（磁性微球），誘導神經(jīng)元延伸的閾值為15~100 pN。如果低于閾值，力學拉伸僅引起粘彈性變形，當外力釋放后軸突又發(fā)生回縮［26］。最近的研究發(fā)現(xiàn)，低于閾值的力長時間作用，同樣可以促進軸突的生長。一種可能的解釋是長時間低強度力學刺激影響的是軸突的黏性成分，短期的高強度力學刺激影響的是軸突的彈性成分［33］。

2.4 外力作用影響軸突延伸方向與軸突成束

軸突形成后要沿著一定的路線尋找下一級神經(jīng)元或目標細胞。軸突的GC 作為其延伸的導向器，檢測環(huán)境狀況并決定軸突的延伸方向。已有的實驗證據(jù)顯示，外力可以影響軸突的延伸方向。很早就發(fā)現(xiàn)，軸突的形成與延伸沿著外力的作用方向［34-35］。外力作用可引起細胞骨架重構(gòu)，以適應力學作用方向。軸突成束依賴于軸突膜上蛋白質(zhì)的相互作用。這種相互作用既可促進成束也可引起成束的軸突分離。Schelski 等［35］揭示了機械張力調(diào)控軸突成束的機制，即機械張力通過調(diào)控軸突間N鈣黏蛋白的相互作用來調(diào)節(jié)神經(jīng)元軸突的成束。

2.5 外力作用促進軸突的分叉和修剪

軸突的分叉與修剪是保證神經(jīng)系統(tǒng)形成正常突觸連接的前題條件。軸突的分叉為單個神經(jīng)元與多個神經(jīng)元建立突觸連接提供了保證。而軸突修剪又排除了過多與無效的軸突分支。De Vincentiis等［24］報道拉伸力可促進軸突分支的產(chǎn)生。在海馬神經(jīng)元上發(fā)現(xiàn)，對軸突施加10 pN 的拉伸力2 d 后可促進軸突二級與三級分支的增加。機制分析發(fā)現(xiàn)，力促進分支形成的早期階段依賴于促進肌動蛋白的聚合，后期則促進微管的聚合。也有的研究［36-37］認為，張力是軸突側(cè)枝生存所必須的信號，但是如果僅沿著一個側(cè)枝的方向施加張力不僅可以引起其穩(wěn)定性，也可引起回縮與消失。機械張力在軸突修剪中可穩(wěn)定其拉伸的側(cè)枝而促進附近的側(cè)枝回縮或者消失［38-41］。這些情況發(fā)生在機械力超過閾值，引起局部鈣離子濃度大幅度增加，生長錐塌陷，失去了與細胞外基質(zhì)間的黏附，側(cè)枝像彈簧一樣回縮，最后建立新的黏附。

2.6 外力可以促進突觸形成

GC 一旦到達靶細胞，可形成分叉并與下一級神經(jīng)元建立突觸連接，形成神經(jīng)網(wǎng)絡。沿著軸突方向的機械力可影響突觸的各個方面，包括突觸囊泡的動力學、突觸傳遞、興奮性與網(wǎng)絡形成［42-44］。其中，突觸形成的關(guān)鍵步驟是突觸囊泡在軸突末端的聚集。Siechen 等［44］發(fā)現(xiàn)囊泡在突觸前聚集依賴于機械拉伸。應用外科手術(shù)的辦法切斷的運動神經(jīng)元軸突末端，經(jīng)過機械拉伸后末梢仍可聚集突觸囊泡。5%的應變作用0.5 h，可引起囊泡的聚集增加兩倍。他們推測，可能是由于機械拉伸促進肌動蛋白的聚集，為囊泡的聚集提供了支架與軌道［44］。Ahmed等［43］也觀察到機械拉伸可影響局部和整個神經(jīng)元突觸囊泡聚集的動力學，但機制需要進一步研究。外力還可以影響突觸的功能，進而調(diào)控神經(jīng)元間信號傳遞。一些研究發(fā)現(xiàn)外力刺激可瞬間引起可逆的自發(fā)性與誘發(fā)性神經(jīng)遞質(zhì)的釋放增強。有趣的是，機械拉伸使突觸傳遞增強并不需要生理狀態(tài)Ca2+觸發(fā)的囊泡與突觸前膜融合這一步驟［43-44］，推測機械刺激可直接調(diào)控神經(jīng)遞質(zhì)釋放的通路。Fan等［45］發(fā)現(xiàn)力學刺激還可以調(diào)控突觸的興奮性，持續(xù)低強度的拉伸軸突可以增強神經(jīng)元的電活性，而周期性的拉伸每次拉伸后均可增強神經(jīng)元的興奮性。神經(jīng)元對過去所受的拉伸刺激保持有“記憶”，每次刺激由于前一次刺激的殘余而增強。De Vincentiis等［46］的研究結(jié)果也證實，機械拉伸明顯的增強自發(fā)性突觸后電流的頻率，但不影響幅值。長時間拉伸（14 d）神經(jīng)元，激發(fā)的突觸電流的頻率與幅值均明顯的增加［45，47］。Fan 等［45］推測，機械拉伸增強突觸囊泡的聚集可增強其與突觸前膜搭靠（docking）的頻率，進而促進囊泡的釋放率與釋放量。Roy 等［48］發(fā)現(xiàn)力刺激可引起神經(jīng)網(wǎng)絡的重構(gòu)，牽拉軸突或者樹突可促進新的分支形成，并在1 h 內(nèi)形成新的突觸連接。在這個過程中神經(jīng)突可伸長60 μm，直到與下一級軸突或樹突接觸，即力刺激可以引起新的有效突觸形成。但機械誘導產(chǎn)生與生理狀態(tài)下形成的突觸功能是否相同，目前尚不明確。

3 外力作用的分子效應

力學作用可引起化學物質(zhì)從軸丘向軸突末端轉(zhuǎn)運。力刺激需要持續(xù)一定的時間，如果刺激時間很短神經(jīng)突又回復到原來的生長模式［38-40］。誘導新的神經(jīng)突產(chǎn)生，力刺激強度需要超過一點的閾值。不同類型的神經(jīng)元力刺激的閾值不同，在幾百pN 到nN 范圍。軸突的生長率為0.1~0.3 μm·h-1·pN-1。也有人發(fā)現(xiàn)，足夠長的時間較小的力刺激也能誘發(fā)神經(jīng)突的形成［33-34］。當較大的力作用在神經(jīng)突上由于新物質(zhì)的增加不會引起斷裂，新增物質(zhì)可以由胞體轉(zhuǎn)運到神經(jīng)突末端。軸突的生長速度取決于神經(jīng)絲與微管的聚合速度，因為其作為物質(zhì)轉(zhuǎn)運的軌道。軸突的延伸速率不能超過物質(zhì)的轉(zhuǎn)運速率。物質(zhì)的移動速率為0.3~3 mm/d，以走走停停的方式轉(zhuǎn)運［41］。因此，長時間施加較大強度的力可以引起軸突斷裂。在力學加載促發(fā)的軸突延伸過程中，軸突桿直徑不變或變粗，但物質(zhì)如何沿著軸突補充而防止拉伸導致變細的機制依然不清楚［42］。在2011年，Suter 等［49-50］提出了牽拉生長模型（stretchgrowth model），認為在拉伸狀態(tài)下軸突物質(zhì)的增加可以發(fā)生在軸突的任何位置。這個假說與頂端生長模型（tip-growth model）不一致，頂端生長模型認為GC 為唯一的生長位置，物質(zhì)只在此位置增加［51-52］。拉伸生長模型不是頂端生長模型的替代，而是旨在提供一個統(tǒng)一的軸突生長模型。目前認為，GC 是物質(zhì)補充的主要部位，但施加力后其他部位也可能是物質(zhì)增加的位置［53-54］。拉伸促進生長是通過促進整體物質(zhì)沿軸突向前移動還是同時促進局部新物質(zhì)的合成組裝或者是影響物質(zhì)的轉(zhuǎn)運率來調(diào)控生長依然不清楚。

3.1 外力作用影響軸突中細胞骨架的動力學

細胞骨架除了提供結(jié)構(gòu)支持外，還調(diào)控局部蛋白質(zhì)、細胞器、囊泡的運輸。低強度的力加載可影響微管與微絲的動力學，涉及到GC的外周和中心部分［50］。大于閾值的機械拉伸可誘導肌動蛋白絲滑移，引起張力釋放［46］。機械力也可通過激活力敏感離子通道引起鈣離子內(nèi)流而促進肌動蛋白聚合，或者促進整合素介導的點黏附成熟或者抵消膜上存在的張力［47-52］。Baker等［53-56］報道局部施加力載荷可以加長絲狀偽足中的肌動蛋白骨架并誘導膜脂成分轉(zhuǎn)運到GC細胞膜。延伸的軸突中含有聚合的肌動蛋白絲，肌動蛋白絲施加與突觸延伸方向相反的回縮力。研究者認為，外力通過降低膜張力為肌動蛋白的聚合與肌動蛋白單體的插入提供了空間［56-57］。外力同樣影響微管的動力學，微管在外力拉伸方向聚合。機械力可引起微管滑移，因為分子馬達可以響應機械力［58］。拉伸GC，由于與肌動蛋白的耦聯(lián)，微管從中心結(jié)構(gòu)域向外周結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)移，但不改變微管的聚合與解聚速率［59］。拉伸整個軸突，從軸突桿到GC的整個軸突的微管密度顯著增加，但它們在結(jié)構(gòu)和極性上都是正常的［47］。有趣的是，研究發(fā)現(xiàn)用諾可達唑（nocodazole）使微管解聚阻斷了應力誘導軸突的生長，而用紫杉醇（paclitaxel）穩(wěn)定微管的合成保留了應力對軸突生長的促進作用，這表明微管聚合對維持拉伸誘導生長起至關(guān)重要的作用［47］。這種作用具有特異性，抑制肌球蛋白II和肌動蛋白聚合對拉伸促進生長沒有現(xiàn)顯著的影響。微管密度的增加有助于降低軸突桿內(nèi)的凈收縮力，改變力的平衡，刺激GC 向前運動。

3.2 外力作用影響軸突的物質(zhì)轉(zhuǎn)運

胞體向軸突進行囊泡、顆粒和細胞器轉(zhuǎn)運是神經(jīng)元維持正常功能的必須條件。對軸突施加張力可明顯的影響軸突的物質(zhì)轉(zhuǎn)運。在DRG 神經(jīng)元GC中線粒體的轉(zhuǎn)運明顯降低，但囊泡的轉(zhuǎn)運明顯增強［59-63］。張力可改變囊泡的轉(zhuǎn)運速度和方向，這可能是由于影響細胞骨架的重構(gòu)，進而促進了囊泡在GC的積累。張力也會影響軸突中分子馬達的活性，但張力影響哪一種馬達目前尚不清楚。另外，張力也可以直接影響囊泡的移動［59］。

3.3 外力作用影響軸突鈣離子內(nèi)流

機械力通過調(diào)控神經(jīng)元離子通道的活性來影響其功能、發(fā)育和生理狀態(tài)。機械拉伸可影響神經(jīng)元胞內(nèi)鈣濃度。低幅度的力刺激可引起細胞外鈣內(nèi)流和胞內(nèi)鈣瞬變。但細胞培養(yǎng)基中的鈣被去除后神經(jīng)突（包括GC）不再對力刺激響應［51-62］，表明力刺激引起神經(jīng)元的響應通過鈣離子來介導。Glogauer等［55］發(fā)現(xiàn)局部力刺激超過閾值（~274 pN）可激活機械力敏感的離子通道，導致鈣內(nèi)流進而引起神經(jīng)突回縮。增加的鈣離子從GC向軸突桿、其他側(cè)枝和胞體擴散，在20~30 s 內(nèi)消失。實驗還觀察到除了刺激GC，力作用神經(jīng)突的其他位置也可以引起細胞外鈣內(nèi)流，但刺激胞體僅引起胞體小幅度的鈣內(nèi)流［63-64］。Tay 等［64］發(fā)現(xiàn)，刺激強度從0.1 nN增加到1 nN 可誘導皮層神經(jīng)元網(wǎng)絡鈣內(nèi)流，增加了鈣波的頻率與幅值。力刺激可激活N 型鈣通道，引起的鈣濃度升高15 min 后恢復到基線水平，力長時間的刺激神經(jīng)元鈣恢復到基線水平主要原因是N型鈣通道的失活導致［56］。

4 總結(jié)與展望

本文系統(tǒng)地綜述了外力與自身內(nèi)力是如何調(diào)控軸突生長的，這一領(lǐng)域研究在神經(jīng)再生領(lǐng)域?qū)袧撛诘膽茫?5-66］。外力可以調(diào)控神經(jīng)元生長與發(fā)育的各個階段，不同大小和作用時間的力均可誘導軸突生長。外力還可以影響細胞骨架的重建、軸突物質(zhì)轉(zhuǎn)運、力敏感離子通道。力刺激可以影響腫瘤細胞、免疫細胞的遷移與干細胞的分化，其機制與力對神經(jīng)元的影響基本類似，但對力刺激的敏感程度明顯不同，具體機制需要進一步研究。另外，力學因素和生化信號的細胞內(nèi)信號通路之間相互影響，這些信號中任何一種的變化都可能改變細胞對另一種刺激的反應，即機械力與生化信號對于發(fā)育中的大腦中軸突生長一樣重要。因此，機械力也可能對于軸突再生過程至關(guān)重要［66］。本課題組過去的研究也發(fā)現(xiàn)，細胞外基質(zhì)硬度可以影響培養(yǎng)的神經(jīng)網(wǎng)絡的電活性，并具有細胞外基質(zhì)成分依賴性［67-68］。Koser等［3］確定力敏感離子通道Piezo1為神經(jīng)元對細胞外基質(zhì)的感受器關(guān)于力學刺激調(diào)控軸突生長與神經(jīng)網(wǎng)絡功能的詳細機制仍不清楚，需要進一步深入研究。另一個相關(guān)的問題是，如何通過機械力調(diào)控神經(jīng)元軸突生長來實現(xiàn)再生策略。近年來，隨著技術(shù)的進步，許多技術(shù)都可實現(xiàn)通過機械加載誘導軸突生長，這為體外定向培養(yǎng)神經(jīng)組織與受傷神經(jīng)組織的修復提供了物理方法，有著巨大的臨床應用潛力。然而，到目前為止，這些技術(shù)沒有一種處于臨床前階段。為了能在臨床上應用，還需要進一步地研究了解內(nèi)源性機械力如何在神經(jīng)系統(tǒng)中發(fā)生，以及外源性機械力如何在體內(nèi)或體外通過模仿發(fā)育過程來加速修復機制。