神经趋化性再生的分子基础

神经趋化性再生的分子基础

周围神经损伤的治疗是临床上的难题。神经损伤后的功能恢复取决于段端缺损是否良好地进行桥接修复，是否能有效抑制神经损伤后的生态速度，以及是否能正确地将再生轴插入原发病器官和与功能相关的组织。随着显微外科学、材料学及分子生物学的发展,在神经缺损的桥接吻合及促进神经的再生方面取得了一定的进展,但神经功能恢复的效果仍然不理想,原因是再生的神经未能准确地、选择性地再支配靶组织(运动终板和感觉神经末梢),即错向生长:感觉神经错向长入运动支的神经内膜管,运动神经错向长入感觉支的神经内膜管,神经错生长入瘢痕组织形成神经瘤。因此,充分理解神经再生趋化性的细胞和分子生物学基础,在治疗中运用神经再生趋化性理论,对促进神经功能恢复具有重要的意义。本文就周围神经再生趋化性理论及其细胞和分子生物学机制的研究进展作一综述。1神经趋化性理论神经趋化性再生理论的基本观点为:神经在再生的过程中,新生的轴突受到远端神经或靶组织所释放的化学物质的诱导作用而定向生长。Forssman(1898)最先发现,近端再生的神经纤维能跨过断端间较小的间隙而长入远端,认为远端对近端的再生神经纤维具有导向作用,并首次提出了“神经趋向性”(neurotropism)的概念。Cajal(1928)进一步研究发现,这种导向作用是由于远端分泌一些特殊物质并形成浓度梯度而产生,于是提出了“神经趋化性”(chemotaxis,chemotropism)的概念。然而,Weiss和Taylor(1944)对此观点持否定态度,认为轴突的生长是随机的、准确对合是偶然的,并支持His(1887)和Harrison(1912)所提出的“接触导向”(contactguidance)理论。此理论的基本观点为:神经生长锥(nervegrowthcone)沿着其所触及的底物(substratum)而延伸,这种生长过程受底物的形状、构造等理化因素的影响。目前学术界对趋化性理论和接触导向理论虽然仍存在争执,也有学者认为两种机制均起作用,但趋化性理论已得了学术界的基本承认。神经再生趋化性存在神经组织、局部解剖及靶组织特异性。神经组织特异性(nervetissuespecificity)指再生轴突向远端神经组织而不向其他组织生长;局部解剖特异性(topographicspecificity)指再生轴突向同名神经远端生长,或者感觉、运动轴突长入各自的神经内膜管,神经的错向生长是因为未能形成趋化性生长的微环境或者是人为的机械因素破坏了微环境。靶组织的特异性(targettissuespecificity)指再生的感觉和运动神经轴突分别趋向长入肌肉和皮肤组织靶组织。2神经过渡化的细胞和酶的机制2.1神经再生主要表现在细胞、生物学和营养方面完整未受损神经及受损神经近端并不支持神经的再生。Craig认为,存在于周围神经中的硫酸软骨素蛋白聚糖(chondroitinsulfateproteoglycans,CSPGs)对促进神经再生的基底膜素(basallaminin)起抑制作用。用硫酸软骨素酶降解CSPGs,神经再生速度及效果明显提高。神经受损后,神经远端发生一系列的细胞和分子生物学变化(Wallerian变性),包括轴突及其髓鞘的清除和施万细胞的增殖。这些未分化的施万细胞在基底膜管内形成Büngner带,并产生多种神经趋化因子和营养因子,而这些分子能够引导及促进神经的再生。因此,神经远端在趋化性再生中起至关重要作用。越来越多的证据表明,神经远端的细胞和分子生物学变化是神经再生的前提。在神经再生的过程中,成熟的施万细胞需转化为未分化成熟的状态,才能分泌趋化及营养分子。神经远端变性后,远端基底膜管得以保留,对轴突的再生起着支架和引导作用,这样,在Büngner带和基底膜管强有力的支撑和引导下,再生锥沿着在基底膜管内排列的Büngner带,由神经近端至远端长入靶组织。2.2背根神经参与活性及神经营养因子的影响施万细胞分泌神经趋化因子及神经营养因子,在神经趋化性再生中起引导和营养作用。此外,近、远端施万细胞均伸出突起,再生轴突在突起的引导下并沿着这些突起向远端延伸,施万细胞的突起起着引导和支持作用。实验表明,在缺乏施万细胞的情况下,神经再生不能发生。因此施万细胞在神经趋化性再生中起关键作用。但是,施万细胞分泌的趋化及神经营养因子在感觉及运动神经的表达和分布有所不同。如L2/HNK-1分子主要由运动神经中的施万细胞分泌,而很少由背根神经节或感觉神经中的施万细胞表达。Martini在培养基加入L2/HNK-1分子发现,此分子只影响运动神经神经元生长,而不影响感觉神经元。此外,施万细胞形成的神经内膜细胞外基质成分(endoneurialextracellularmatrix,ECM)在感觉和运动中也存在着质和量的差异。Dubov在用计算机结合免疫组化的方法分析了大鼠腹、背侧根ECM的组成,证实这种差异的存在。研究这些分子在运动和感觉神经中不同的表达和分布及神经内膜细胞外基质成分质和量的差异,对于理解把握感觉和运动神经趋化性再生有一定的临床意义。神经营养因子(neurotrophin,NT)家族包括神经生子因子(nervegrowthfactor,NGF)、脑源性神经营养因子(brain-derivedneurotrophicfactor,BDNF)、NT-3、NT-4/5及NT-6等,这些营养因子通过相应的受体-酪氨酸激酶A、B、C而起作用,这些分子促进神经的再生,引导轴突长入靶组织。体内外实验均表明,不同类型的感觉或运动神经元只对特定的神经营养因子起作用,且神经损伤后各种因子的表达时限也有差异。2.3施盛细胞生物学作用如前所述,基底膜管在轴突再生至神经远端的过程中起支架作用。此外,基底膜中的主要组成分子基底膜素(laminin,又称层粘蛋白)在促进轴突的生长及趋化性再生中均起到重要的作用。目前所知共有15种基底膜素亚型,每种亚型均系由α、β、γ3链组成的三聚体糖蛋白。通常,基底膜素具有许多生物学功能,如细胞的迁移、黏附、生长和分化,组织的再生等。在周围神经系统中,基底膜素由施旺细胞分泌,它对施旺细胞的迁移、分化和髓鞘化起重要作用,同时在促进轴突再生中中也起重要作用。活性施旺细胞持续表达基底膜素分子,并将其递送到基底膜用以作为基底膜的主要活性组份。Dubov证实,清除周围神经中的施旺细胞,会导致基底膜中基底膜素分子的逐渐减少。基底膜素分子的诱导作用受基底膜中其他大分子及其体内其他基质和信号的调控。例如,基底膜素1分子本身存在的抑制轴突生长的抑制位点;脊髓背根神经节分泌的抑制因子与基底膜素共同作用发挥抑制作用;基底膜素改变其他因子如神经生长因子1、SlitU和SlitN的诱导作用等。正是由于基底膜素的多样性(多种亚型)决定了其在神经再生中的趋化作用。Dubov用定量免疫组化的方法证实,不但损伤远端神经中基底膜素含量明显高于损伤近端神经,而且损伤远端神经中基底膜素1、基底膜素2含量明显高于未受损神经;进一步研究发现,运动神经内膜管中的基底膜素含量明显高于感觉神经内膜管中的基底膜素含量。2.4神经内皮ecm蛋白分子神经内膜包绕神经纤维并充填到神经纤维之间间隙。神经内膜细胞外基质由施万细胞和成纤维细胞分泌,这种分泌受轴突的控制。神经内膜ECM保护轴突的完整性从而保护神经功能,并在神经损伤后启动和促进神经再生。通常认为,神经内膜ECM对轴突的生长起双重作用,即基于不同条件起着抑制和促进的作用。近来研究表明,许多家族的细胞表面分子及神经内膜ECM分子都具有潜在的生长促进及生长抑制双重作用。在神经未受损情况下,这些分子表现生长抑制作用,避免郎飞节处芽生轴突侧枝,从而维护神经功能;而神经损伤后,经分子调控表现出生长促进作用,从而提供合适的条件,促进神经的再生。神经内膜ECM(包括基底膜管)分子为在Wallerian变性后的重建、再塑为神经再生创造了必要的条件。神经内膜ECM蛋白分子包括4类:胶原、非胶原性糖蛋白、氨基葡聚糖及蛋白聚糖。非胶原性糖蛋白包括基底膜素、纤连蛋白(fibronectin,FN)、tenascin、thrombospondin等。纤连蛋白是ECM中比较大的的糖蛋白,它是由多个重复、同源的肽序列组合而成,其功能区发挥着细胞间及细胞与基底膜间的粘附作用。纤连蛋白在神经再生过程中的作用是促进轴突再生及施万细胞迁移。Tenascin是ECM中的又一种糖蛋白,在神经发育及再生中,它的表达高度受限和动态变化,这种变化受tenascin分子中不同功能区的调控。Tenascins表达形式有同基质结合状态及溶解状态,分别在再生过程中发挥细胞黏附作用和对抗黏附作用。thrombospondin在神经发育及再生过程中始终表达,体内外试验均证实,thrombospondin有促进轴突生长的作用。Hoffman研究证实,成年大鼠的坐骨神经轴突、施万细胞、神经内膜、神经束膜均有较强的thrombospondin表达。神经内膜的蛋白聚糖主要是硫酸软骨素蛋白聚糖。它在神经内膜中广泛存在,具有抑制轴突生长及抑制ECM其他成分的促神经生长作用。在神经未受损伤时,这种抑制作用可以避免轴突的过度生长,从而促进神经的精确支配。但在神经受损伤时,硫酸软骨素蛋白聚糖出现了表达增加的现象,这不利于神经的再生恢复。Zuo认为,硫酸软骨素蛋白聚糖的这种抑制作用主要是通过对ECM组份层粘蛋白活性的抑制。Zuo、Ferguson和Craig证实,通过特异性酶降解硫酸软骨素蛋白聚糖后,层粘蛋白活性得到了极大的恢复,神经生长明显加快。3趋化性理论的临床应用基础尽管显微外科技术的发展对神经功能修复起到了极大的促进作用,但不可否认的是,相当一部分神经损伤后虽经精细的外科处理,功能恢复仍然不佳。这引起了学者们对趋化性再生的注意和重视。近来,神经趋化性再生方面的研究取得了一定的进展,也有学者开始尝试将趋化性理论应用于临床,例如在神经修复时,断端间余留一定的距离以便发挥趋化作用。但总的说来,根据趋化性理论来改变治疗策略,成熟应用于临床,还需较长的时间。在临床应用趋化性理论之前,需在下述基础问题作深入研究:①通过对胚胎及婴幼儿神经系统发育的研究,了解在神经轴突精确支配靶组织的过程中,各种促进因子和抑制因子的作用及其相互影响;②神经再生的过程中,各种神经营养因子和趋化因子的表