氧化應(yīng)激在脊髓損傷中的作用及機(jī)制研究進(jìn)展

馬春偉，張海鴻

1. 蘭州大學(xué)第二醫(yī)院骨科（蘭州 730030）

2. 蘭州大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院（蘭州 730030）

脊髓損傷（spinal cord injury, SCI）是中樞神經(jīng)系統(tǒng)（central nervous system, CNS）的一種嚴(yán)重創(chuàng)傷性疾病，可導(dǎo)致受傷平面以下感覺、運(yùn)動(dòng)和括約肌功能障礙，進(jìn)而引發(fā)截癱、排尿和排便功能障礙等臨床表現(xiàn)[1]。全球每年約25～50 萬人受SCI 的影響，導(dǎo)致200～300 萬人致殘[2]，給社會(huì)和患者帶來巨大負(fù)擔(dān)。SCI 是一種具有破壞性的神經(jīng)病理狀態(tài)，其病理生理學(xué)包括急性和慢性階段，并涉及缺血、氧化應(yīng)激、炎癥、細(xì)胞凋亡和運(yùn)動(dòng)功能障礙等一系列破壞性事件[3]。氧化應(yīng)激是指活性氧（reactive oxygen, ROS）產(chǎn)生與機(jī)體抗氧化防御之間平衡失調(diào)的狀態(tài)[4]。作為SCI 重要的損傷標(biāo)志和病理過程，減輕氧化應(yīng)激有助于改善SCI 后的癥狀和功能恢復(fù)。本文綜述了SCI 后氧化應(yīng)激的作用及其相關(guān)機(jī)制，旨在為SCI 的治療提供新的思路。

1 脊髓損傷后氧化應(yīng)激的發(fā)生機(jī)制

SCI 的病理過程分為原發(fā)性和繼發(fā)性損傷。原發(fā)性損傷是由外力直接造成的脊髓組織和細(xì)胞破壞[3]。繼發(fā)性損傷是原發(fā)性損傷引發(fā)的級聯(lián)反應(yīng)，進(jìn)一步導(dǎo)致脊髓組織損害和大量ROS 的產(chǎn)生[5]。ROS 既包括自由基，如超氧化物和羥基，也包括非自由基，如過氧化氫（H2O2）和單線態(tài)氧[4]。正常情況下，細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生適量ROS，以維持平衡并修復(fù)損傷[6]。但在SCI 中，ROS 的過量生成打破了這一平衡，引發(fā)氧化應(yīng)激[7]。SCI 后谷氨酸水平上升，導(dǎo)致鈣離子流入細(xì)胞并引發(fā)鈣超載，激活線粒體內(nèi)的NADPH 氧化酶（reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase,Nox），產(chǎn)生更多ROS 和活性氮（reactive nitrogen species, RNS）[8]，加劇線粒體功能障礙和氧化應(yīng)激。ROS 的其他來源包括細(xì)胞內(nèi)的過氧化物體、溶酶體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和氧化酶[9-10]。SCI 引起的過量ROS 和RNS 對細(xì)胞DNA、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)造成損害，引發(fā)細(xì)胞損傷和死亡，加劇了SCI 的嚴(yán)重性[2]。

2 脊髓損傷后氧化應(yīng)激對神經(jīng)元及膠質(zhì)細(xì)胞的影響

2.1 活性氧促進(jìn)細(xì)胞凋亡

細(xì)胞凋亡，作為一種常見的程序性細(xì)胞死亡方式，是SCI 后繼發(fā)性損傷的主要病理特征，并對SCI 的進(jìn)展和恢復(fù)具有關(guān)鍵影響[11]。在SCI 中，過量的ROS 導(dǎo)致神經(jīng)元凋亡，因此控制ROS 水平對神經(jīng)元保護(hù)極為重要[12]。Liu 等[13]研究發(fā)現(xiàn)，在SCI 模型大鼠中，伊馬替尼激活Nrf2/HO-1 通路，有效減輕了氧化應(yīng)激、細(xì)胞凋亡和炎癥。同樣，Rao 等[14]研究顯示，通過減少ROS 生成，可以減輕PC12 細(xì)胞的凋亡和細(xì)胞周期停滯，增強(qiáng)存活率。因此，控制ROS 產(chǎn)生以減少神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞的凋亡成為SCI 治療的重要研究方向。

2.2 抑制活性氧可減輕炎癥

炎癥是身體對SCI 的自然響應(yīng)，目的是清除壞死的組織和細(xì)胞。然而，炎癥標(biāo)志物的增加會(huì)形成有毒的微環(huán)境，導(dǎo)致脊髓組織的細(xì)胞凋亡、空腔形成和神經(jīng)膠質(zhì)疤痕，加劇SCI 并妨礙神經(jīng)功能的恢復(fù)。氧化應(yīng)激在促進(jìn)炎癥中扮演重要角色[15]。Liu 等[16]發(fā)現(xiàn)，晚期氧化蛋白產(chǎn)物（advanced oxidation protein products，AOPP）通過激活Nox，使BV2 細(xì)胞產(chǎn)生過量的ROS，并通過Nox4-ROSMAPK-NF-κB 信號通路誘導(dǎo)炎癥。降低ROS 水平能有效抑制SCI 炎癥[17]。Li 等[18]研究表明，鋅可減輕小鼠SCI 后的ROS 生成和氧化應(yīng)激，抑制NLRP3 炎癥小體的活化。因此，有效控制ROS 的產(chǎn)生和清除對于減輕SCI 后的炎癥和促進(jìn)功能恢復(fù)具有重要意義。

2.3 活性氧與鐵死亡

鐵死亡作為一種新近發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞死亡方式，與細(xì)胞凋亡、自噬、壞死等有所不同。鐵死亡是由鐵依賴的脂質(zhì)過氧化引起，其特征包括線粒體體積縮小、膜密度增加、嵴減少或消失，以及膜外壁破裂等[19-20]。Ge 等[21]研究表明，在小鼠SCI 模型中，NRF2 / HO-1 和GPX4 通路能降低丙二醛（MDA）、ROS 和脂質(zhì)過氧化物水平，減輕神經(jīng)元鐵死亡和脊髓損傷。另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，血紅素處理可誘導(dǎo)神經(jīng)元鐵死亡，而生長分化因子15（growth differentiation factor15, GDF15）減少氧化應(yīng)激后可降低此類死亡[22]。因此，在SCI治療中，控制ROS 的過量產(chǎn)生和脂質(zhì)過氧化是關(guān)鍵，這有可能成為未來促進(jìn)神經(jīng)功能恢復(fù)的新靶點(diǎn)。

2.4 活性氧參與軸突變性

SCI 發(fā)生后，原發(fā)性機(jī)械損傷及繼發(fā)性病理反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)軸突損壞和神經(jīng)功能受損。氧化應(yīng)激作為神經(jīng)退行性途徑的一個(gè)誘導(dǎo)因素，會(huì)引起神經(jīng)元死亡和神經(jīng)軸突變性[23]。小膠質(zhì)細(xì)胞和巨噬細(xì)胞等反應(yīng)性細(xì)胞上調(diào)Nox 等，產(chǎn)生ROS 和RNS，進(jìn)而損傷軸突，加劇神經(jīng)變性[15]。Wang等[24]研究發(fā)現(xiàn)，在SCI 大鼠模型和H2O2誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激小膠質(zhì)細(xì)胞中，抑制小膠質(zhì)細(xì)胞活化可減輕氧化應(yīng)激，進(jìn)而促進(jìn)軸突再生和功能恢復(fù)。Zheng 等[25]利用H2O2處理神經(jīng)元以模擬SCI 后的氧化應(yīng)激環(huán)境，通過光生物調(diào)節(jié)（photobiomodulation, PBM）降低ROS 水平，促進(jìn)神經(jīng)元存活和軸突再生。然而，Hervera 等[26]的研究表明，適度的ROS 通過NOX2-PI3K-p-Akt信號通路促進(jìn)背根神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（dorsal root ganglion,DRG）軸突再生，這與先前的研究結(jié)果相悖。表明適量的ROS 可能促進(jìn)軸突再生，而過量的ROS 可能導(dǎo)致神經(jīng)元凋亡和軸突變性。未來應(yīng)進(jìn)一步探索ROS 在軸突再生中的作用機(jī)制，并驗(yàn)證調(diào)節(jié)ROS水平是否有助于預(yù)防軸突變性和促進(jìn)軸突再生。

2.5 其他方面

神經(jīng)病理性疼痛（neuropathic pain, NP）作為SCI 的一種常見并發(fā)癥，影響著多達(dá)60%的SCI 患者[27]。ROS 在NP 的發(fā)生中發(fā)揮關(guān)鍵作用，SCI 導(dǎo)致的過量ROS 會(huì)激活細(xì)胞內(nèi)磷酸化鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶II（P-CamKII），導(dǎo)致神經(jīng)元過度興奮和疼痛[28-29]。降低氧化應(yīng)激有助于減輕SCI 后的超敏反應(yīng)和痛覺異常[30]。因此，控制ROS 和脂質(zhì)過氧化在SCI 治療中對緩解NP 至關(guān)重要。

3 調(diào)控脊髓損傷氧化應(yīng)激的相關(guān)通路

脊髓損傷后的氧化應(yīng)激不僅加劇了神經(jīng)組織的損害，而且影響了損傷后的恢復(fù)過程。大量研究證明，可以通過調(diào)控Nrf-2 等相關(guān)信號通路來有效緩解脊髓損傷后的氧化應(yīng)激（圖1）。

圖1 相關(guān)信號通路在脊髓損傷后發(fā)揮抗氧化應(yīng)激作用Figure1. Related signaling pathways play an anti-oxidative stress role after spinal cord injury

3.1 Nrf-2信號通路

核因子紅細(xì)胞系2 相關(guān)因子2（Nrf-2）是一種關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，參與調(diào)控多種ROS 解毒酶。在氧化應(yīng)激下，Nrf-2 從KEAP-1 中解離并遷移到細(xì)胞核，與抗氧化反應(yīng)元件（ARE）結(jié)合，調(diào)控包括血紅素加氧酶-1（HO-1）和醌氧化還原酶-1（NQO-1）在內(nèi)的抗氧化基因和酶的表達(dá)，以消除ROS 并減輕氧化應(yīng)激[31]。Nrf-2 途徑在抗氧化應(yīng)激中扮演著重要角色。Li 等[32]的研究發(fā)現(xiàn)，在用H2O2處理的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（bone marrow stem cell, BMSC）模擬SCI 氧化應(yīng)激模型和SCI 大鼠中，輔酶Q10 能通過上調(diào)Nrf-2/ NQO-1 的表達(dá)來抑制氧化應(yīng)激和減少細(xì)胞凋亡。Xia 等[33]的研究也表明，靶向上調(diào)Nrf-2 的表達(dá)可以減少脂多糖（lipopolysaccharide, LPS）誘導(dǎo)的星形膠質(zhì)細(xì)胞的氧化應(yīng)激、炎癥和凋亡。因此，Nrf-2 作為一條經(jīng)典的抗氧化應(yīng)激通路，其靶向干預(yù)能有效調(diào)控SCI 后的氧化應(yīng)激水平，減少細(xì)胞損傷，并促進(jìn)SCI 的恢復(fù)。

3.2 PI3K/AKT信號通路

PI3K/AKT 信號通路由磷脂酰肌醇3 激酶（PI3K）和下游的蛋白激酶B（AKT）構(gòu)成，是細(xì)胞生理和病理過程中的一條關(guān)鍵途徑。PI3K 分為I類、II 類和III 類三種亞型，其中I 類研究最為廣泛。在此通路中，PI3K 將磷脂酰肌醇（3，4）-二磷酸二鈉（PIP2）轉(zhuǎn)化為磷脂酰肌醇（3，4，5）-三磷酸（PIP3），從而激活A(yù)KT。激活的AKT 通過磷酸化級聯(lián)反應(yīng)調(diào)控下游效應(yīng)分子，此過程受脂質(zhì)和蛋白質(zhì)磷酸酶的調(diào)節(jié)[34]。PI3K/AKT 通路在SCI后的炎癥、細(xì)胞死亡和膠質(zhì)瘢痕形成中發(fā)揮著重要作用[35]。例如，He 等[36]發(fā)現(xiàn)，在乙醇誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激模型中，激活PI3K/AKT 通路可以減少ROS 的生成，從而緩解氧化應(yīng)激，減輕神經(jīng)元的氧化損傷。Li 等[37]發(fā)現(xiàn)，上調(diào)AKT 的磷酸化能夠減少ROS生成，而用抑制劑阻斷PI3K/AKT 通路會(huì)逆轉(zhuǎn)這種保護(hù)效果。這些發(fā)現(xiàn)表明，PI3K/AKT 通路在調(diào)節(jié)SCI 的細(xì)胞炎癥和凋亡以及氧化應(yīng)激中發(fā)揮重要作用，為SCI 氧化應(yīng)激的治療提供新的靶點(diǎn)。

3.3 TLR4 / MyD88信號通路

Toll 樣受體（Toll-like receptor, TLR）是一組能夠響應(yīng)病原體、細(xì)胞因子和各類應(yīng)激源刺激的模式識別受體，它們激活MyD88 依賴性途徑和MyD88 非依賴性途徑兩個(gè)主要的下游途徑[38]。SCI 后，激活的TLR4 / MyD88 信號通路會(huì)增加炎癥相關(guān)基因的表達(dá)，從而引發(fā)炎癥[39]。此外，TLR4 / MyD88 途徑不僅參與炎癥反應(yīng)，還與SCI中的氧化應(yīng)激密切相關(guān)。Li 等[40]的研究顯示，H2O2可在體外誘導(dǎo)神經(jīng)干/祖細(xì)胞（NSPC）的氧化應(yīng)激和凋亡，而使用TLR4/MyD88 抑制劑TAK-242 可顯著減少NSPC 產(chǎn)生的ROS，并增加抗氧化酶表達(dá)和細(xì)胞存活率。Zhang 等[41]也發(fā)現(xiàn)，TLR4 抑制劑TLR4-IN-C34 顯著減少了LPS 誘導(dǎo)的小膠質(zhì)細(xì)胞中的ROS 產(chǎn)生。這些研究表明，活化的TLR4 / MyD88 通路促進(jìn)ROS 產(chǎn)生，因此，作為一個(gè)潛在的靶點(diǎn)，未來有必要更深入探究該通路在氧化應(yīng)激中的作用機(jī)制。

3.4 Notch信號通路

Notch 信號通路作為一種在進(jìn)化上高度保守的機(jī)制，參與多種正常生理和病理過程。在Notch 通路中，經(jīng)過三次裂解的受體直接進(jìn)入細(xì)胞核，調(diào)控靶基因的表達(dá)[42]。Notch 在SCI 繼發(fā)性損傷中扮演著關(guān)鍵角色，影響神經(jīng)元分化、神經(jīng)炎癥和軸突再生等過程[43]。Li 等[44]的研究顯示，H2O2處理的星形膠質(zhì)細(xì)胞在經(jīng)歷氧化應(yīng)激和細(xì)胞凋亡增加后，使用Notch 抑制劑DAPT 可以有效逆轉(zhuǎn)這些現(xiàn)象。同樣，Lv 等[45]發(fā)現(xiàn)，激活的Notch 通路會(huì)提高氧化應(yīng)激水平。因此，Notch通路在SCI 后的氧化應(yīng)激響應(yīng)中發(fā)揮顯著作用，是一個(gè)重要的研究焦點(diǎn)和潛在的治療靶標(biāo)。

3.5 JNK/p66信號通路

C-Jun 氨基末端蛋白激酶（JNK）是絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）家族的一部分，分為三個(gè)主要亞型：JNK1 和JNK2 廣泛分布于多種組織，而JNK3 主要存在于大腦、心肌、平滑肌和睪丸[46]。特定刺激激活MAP3K，進(jìn)而導(dǎo)致MAP2K 和JNK的連續(xù)磷酸化，激活的JNK 隨后介導(dǎo)p66 的磷酸化[46-47]。研究表明，激活的JNK/p66 信號通路能誘導(dǎo)大量ROS 的產(chǎn)生，加劇氧化應(yīng)激下的細(xì)胞損傷[47]。Cheng 等[48]的研究發(fā)現(xiàn)，在SCI 大鼠模型中，激活JNK/p66 通路導(dǎo)致了ROS 的過量產(chǎn)生和氧化應(yīng)激損傷。因此，將JNK/p66 通路作為干預(yù)靶點(diǎn)，減少ROS 的產(chǎn)生，可能有助于減輕SCI 中由氧化應(yīng)激引起的損害。

4 活性氧作為脊髓損傷后的治療靶點(diǎn)

4.1 抗氧化劑

在SCI 治療中，眾多天然化合物已顯示出顯著的抗氧化、抗炎和抗凋亡效果[49]。例如，研究表明迷迭香酸（RA），一種水溶性多酚類植物化學(xué)物質(zhì)，在SCI 大鼠模型中展現(xiàn)出這些特性，并促進(jìn)了功能恢復(fù)，體外實(shí)驗(yàn)亦證實(shí)了其效果[50]。同樣，青藤堿，從中草藥提取的一種生物堿，在SCI 治療中同樣能減輕氧化應(yīng)激和炎癥[51]。這些發(fā)現(xiàn)突顯了天然化合物在SCI 治療中的潛力。

微小RNA（microRNA, miRNA）和長鏈非編碼RNA（lncRNA）作為基因調(diào)控的非編碼RNA，在SCI 治療中顯示了較大潛力[52]。例如，miRNA 可以調(diào)節(jié)SCI 導(dǎo)致的氧化應(yīng)激和炎癥，如過表達(dá)microRNA-299a-5p 減輕了小鼠SCI 的癥狀[53]。同樣，lncRNA 如CASC9 可減輕LPS 誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激和細(xì)胞凋亡[54]。這些研究結(jié)果表明，非編碼RNA 是治療SCI 后氧化應(yīng)激有希望的干預(yù)靶點(diǎn)。

Sirtuins，一組NAD 依賴的蛋白脫乙酰酶（SIRT1-7），在調(diào)節(jié)SCI 相關(guān)氧化還原通路中發(fā)揮關(guān)鍵作用[12]。Chen 等[55]的研究發(fā)現(xiàn)，SCI大鼠中SIRT6 表達(dá)降低，而上調(diào)SIRT6 能明顯減輕氧化應(yīng)激、炎癥和細(xì)胞凋亡。Li 等[56]的研究則表明SIRT4 通過改善線粒體功能，有助于改善MDA、乳酸脫氫酶（LDH）和ROS 的代謝，促進(jìn)SCI 恢復(fù)。這些研究表明Sirtuins 在改善SCI 后的氧化應(yīng)激和功能恢復(fù)方面具有潛力。

微量元素，如鋅和硒，在人體中具有重要生物學(xué)功能。研究顯示，它們能降低SCI 后ROS 的產(chǎn)生，從而減輕氧化應(yīng)激損傷[18,57]。在SCI 治療中，提升抗氧化劑的溶解度、生物利用度和生物相容性是較大挑戰(zhàn)。近期，納米顆粒和外泌體的應(yīng)用被發(fā)現(xiàn)能有效提高抗氧化劑的治療效果，代表了治療SCI 的新方向[58-59]。

4.2 線粒體移植

線粒體在細(xì)胞的病理生理活動(dòng)中扮演著關(guān)鍵角色，特別是在維持三磷酸腺苷（ATP）生成和細(xì)胞穩(wěn)態(tài)方面。SCI 導(dǎo)致線粒體功能障礙，引發(fā)ROS 過量產(chǎn)生、線粒體DNA 損傷和ATP 生成減少等問題。新型線粒體移植策略已被提出以改善這些問題[60]。Lin 等[61]的研究通過向SCI 大鼠受損部位移植同種異體線粒體，發(fā)現(xiàn)可以顯著改善炎癥和氧化應(yīng)激，促進(jìn)細(xì)胞存活和功能恢復(fù)。此外，線粒體移植在改善脊髓缺血再灌注損傷方面也顯示出潛力[62]，其可能成為治療SCI 的一個(gè)有希望的策略。

4.3 針灸治療

針灸，作為中醫(yī)的重要組成部分，擁有悠久的歷史，并適用于治療多種疾病。針灸通過在特定穴位插針，結(jié)合多種操作手段來進(jìn)行治療[63]。研究表明，針灸能促進(jìn)SCI 功能恢復(fù)。Cheng 等[48]研究表明，電針能激活JNK/p66 途徑，抑制ROS生成，從而改善SCI 后的功能恢復(fù)。同樣，Dai 等[64]研究指出，電針通過激活Nrf2 / HO-1 途徑，有助于SCI 的恢復(fù)。作為一種非侵入性治療，針灸副作用較少，因此在SCI 治療中具有潛在的價(jià)值。

5 結(jié)語

SCI 會(huì)導(dǎo)致不可逆的損害，目前研究重點(diǎn)在于減少SCI 后的繼發(fā)性損傷，特別是氧化應(yīng)激這一關(guān)鍵領(lǐng)域。眾多研究顯示，氧化應(yīng)激對SCI 的進(jìn)展有重大影響，因此改善氧化應(yīng)激是治療SCI的關(guān)鍵方向。本文詳細(xì)闡述了SCI 后氧化應(yīng)激的影響、相關(guān)信號通路的干預(yù)機(jī)制及治療方法。Nrf-2、PI3K/AKT、TLR4 / MyD88、Notch、JNK/p66 等信號通路在調(diào)控SCI 的氧化應(yīng)激中發(fā)揮著作用。研發(fā)針對這些通路的特異性激活劑或抑制劑，是未來治療SCI 的一個(gè)重要方向。天然化合物因其多樣的藥理作用、易獲取性、低成本及顯著療效，在治療SCI 方面具有巨大潛力，并有望在臨床應(yīng)用中發(fā)揮作用。線粒體移植作為一種新興治療策略，通過替換受損細(xì)胞中的線粒體，減少ROS 的產(chǎn)生，增加能量生成，從而挽救受損細(xì)胞。盡管如此，線粒體移植的來源和方法仍存在爭議，需要更多的研究來解決。目前，SCI 氧化應(yīng)激的研究主要局限于實(shí)驗(yàn)室，還缺乏臨床證據(jù)支持其有效性和可行性，因此未來需要開展更多臨床試驗(yàn)來發(fā)展相關(guān)藥物和治療方法。