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1、中枢神经系统的损伤与修复神经系统的功能主要是由亿万神经细胞的胞体及其突起组成复杂的网络来完成的。其中，神经元即神经细胞是神经系统结构和功能的基本单位，也是神经系统损伤修复研究的重要环节。由于中枢神经系统(CentralNervousSystem，CNS)的神经元损伤后极难再生，1906年诺贝尔医学生理学奖获得者、西班牙著名的神经组织学家Cajar就曾断言哺乳动物CNS不具备再生能力。直到1958年，Liu和Chambers第一次证实成年哺乳动物CNS损伤后仍具有可塑性后，才使人们重新将目光真正聚焦在CNS损伤后的再生修复问题上来。在各国医学家们的努力下，CNS的可塑性研究有了一些突破性进展，但
2、是目前尚不能取得满意的临床疗效。中枢神经系统疾病是当今社会最具破坏力的疾病之一。美国每年有超过1万例新发偏瘫及四肢瘫患者，超过10万永久神经功能缺失病例。如何促进中枢神经再生提高损伤修复临床治疗效果，是神经科学研究者迫切需要回答的问题。因此，进行神经细胞的损伤修复研究具有十分重要的理论及现实意义。第一节神经细胞损伤后的反应尽管原发性机械损伤使部分神经元直接死亡，但48小时后的继发反应导致大量的神经元死亡，触发神经元死亡的最主要因素是损伤后继发缺血所致的一系列分子和细胞水平的级联反应，进而导致整个神经元直接发生不可逆的死亡崩解，树突、轴突溃变死亡；当轴突切断损伤后神经元形态的变化被描述为轴突反应
3、、或逆行性反应(如图3-1)。轴突损伤后，急性期的逆行性反应的形态特征为整个神经细胞肿胀，细胞核从胞浆中央移向周围，尼氏体溶解消失。然而急性期后，能够恢复的神经元在轴突再生过程中始终保持肥大，游离核糖体以及内质网等细胞器增加，以合成与细胞代谢、修复相关的蛋白质。如果神经元不能恢复，许多细胞将缓慢萎缩或崩解死亡。轴突切断损伤后多种酶、神经递质、骨架蛋白、生长相关蛋白(GAP43)、神经营养因子受体等表达都发生了明显变化。目前所报道的神经元损伤病理生理变化大多来自动物试验。细胞膜受损导致兴奋性氨基酸和与氧自由基的释放，以及由于Na+-Ca2+交换增加导致钙离子超载进一步使细胞肿胀，同时钙离子依赖的
4、酶类释放并水解磷脂。LehotskyJ等研究认为，神经细胞损伤后内质网贮存Ca2+超载及细胞应激反应所造成的内质网功能紊乱是神经元死亡的重要原因之一。JordanJ等研究发现，遗传或功能性线粒体改变能启动程序化细胞死亡。在急性神经元损伤过程中，线粒体被认为是激活细胞应激信号的主要环节，以线粒体渗透性转换孔(mitochondrialpermeabilitytransitionpore,MPTP)为代表的一些蛋白可以调节线粒体膜内外渗透性的增加，这个过程能触发线粒体释放介导细胞死亡的因子，如细胞色素C、凋亡介导因子(AIF)和Caspase等,它们能使线粒体跨膜电位改变，ATP损耗、氧自由基增加
5、，故设计干预MPTP功能的药物可能对急慢性神经元损伤的治疗是一种新方法。另外，有研究者发现PARP-1(Poly(ADP-ribose)polymerase-1)的活化可以使NAD+水解成为烟碱，并能将ADP核糖单位转移到包括组蛋白和PARP-1在内的很多核蛋白，这个过程可以促进受损DNA的修复，但氧自由基和兴奋性氨基酸对神经细胞的损伤会使PARP-1过度活化，导致NAD、ATP耗竭和细胞死亡。原发性脑实质损伤后数小时可以观察到巨噬细胞、小胶质细胞迁移到损伤区产生大量毒性细胞因子和氧自由基，导致继发的兴奋性毒性脑损伤，而整合素CD11a可以调控小胶质细胞的迁移过程，由于PARP-1可以调节CD
6、11a的表达，因此，PARP-1下调可能减轻神经细胞继发性损伤。PARP-1还作为基本调制器参与了核因子kappaB及P53的转录程序，在细胞生存死亡过程中发挥重要作用。此外，CNS损伤后引起包括DNA降解和细胞膜磷脂酰丝氨酸残基的早期暴露在内的一系列程序性细胞死亡的病理过程，进而加重神经元继发损伤。钝性脑外伤剪切力导致神经元胞体细胞膜、血管床原发和继发性损伤；而缺血引起的神经损伤，主要表现为代谢应激、离子紊乱、生物化学及分子生物学瀑布样事件，最终导致神经元死亡。但两者发病机制有些相似性，使缺血后神经保护治疗策略对外伤所致神经细胞损伤也有效。上述所有这一系列自杀性事件都与损伤部位神经元的死亡和
7、轴突的损毁有关，表现出相当复杂的病理生理变化过程。一、轴突对损伤的反应损伤后早期断端两侧的轴突发生变性崩解。断端远侧的轴突变性，称为Wallerian变性或顺行性变性；而发生在与胞体相连的近端轴突变性称为逆行性变性。后者通常只累及少数郎飞结。同时在轴突切断后的几小时内，髓鞘也开始收缩、肿胀、断裂，最后崩解为脂质颗粒。中枢神经髓鞘由少突胶质细胞构成，缺乏雪旺细胞的吞噬活性。周围神经系统(PeripheralNervousSystem,PNS)损伤后13天可见巨噬细胞活化清理轴突和髓鞘崩解碎片，而CNS至损伤后20天才可见来源于单核巨噬细胞和小胶质细胞的巨噬细胞样的细胞。由于小胶质细胞向吞噬细胞转
8、变的延迟不利于改善再生微环境。因此，CNS轴突再生远较PNS者困难。广泛轴索损伤后轴突运输中断，引起受损轴突0-淀粉前体蛋白及水解产物和神经丝蛋白大量堆积，轴突损伤端的钙内流还将激活磷酸酯酶A2，由磷酸酯酶A2介导轴突断端生长锥(growthcone)的形成，再生纤维的生长锥释放一种蛋白酶溶解基质，为介导断端近侧的轴突出芽创造一种微环境，生长锥还可以对轴突生长起导向作用。二、神经细胞损伤后的炎症反应中枢神经系统损伤后早期炎症反应主要由小胶质细胞和巨噬细胞介导，包括血管通透性增加，炎性细胞浸润，以及炎症介质的释放等。尽管最近有研究表明CNS炎症有利于神经损伤修复，但炎症介质的释放也导致了损伤，因
9、此调控及减轻炎症反应有助于神经功能恢复。近年还发现，部分由星形胶质细胞和免疫细胞产生的细胞因子可介导神经营养因子诸如NGF在脑损伤后表达增加，从而参与免疫功能调节。中枢神经系统多发性硬化和自身免疫性脑脊髓炎等病中NGF及其它营养因子的产生亦明显增加，而NGF增加有利于抑制炎症反应。因此，在成年CNS，营养因子网络不仅保护损伤神经元和轴突髓鞘，而且还有利于维持大脑免疫豁免，控制炎症反应。而免疫系统细胞在中枢神经损伤后可以分泌许多神经营养素如NGF、NT3、NT4/5,并表达Trk受体家族如TrkA、TrkB、TrkC，在损伤区通过自分泌和旁分泌机制最终调节神经元功能。炎症因子、神经保护因子和神经
10、毒性因子(NTFs、自由基、及其它)之间存在复杂的信号联系。而改善免疫细胞和神经细胞在中枢损伤后的平衡是新的神经保护治疗策略。补体活化对中枢神经损伤有正反两方面的作用，适当活化可以促进神经元存活和重塑，参与宿主对病原体的防御反应，补体调理素(C1q、C3b、iC3b)还可与效应细胞膜受体相互作用，吞噬细菌。而补体过敏素C3a、C5a能启动局部炎症反应，最终发挥神经保护效应。损伤部位延迟的小胶质细胞和巨噬细胞浸润可能导致髓鞘崩解产物不能及时清除，从而抑制神经再生。损伤灶局部的炎症因子、氧自由基、兴奋性氨基酸等也可造成继发性神经元胞体和轴突的损伤；但炎症反应中巨噬细胞也可分泌一些促神经再生的因子，
11、如NGF、BDNF、NT-3等。此外，巨噬细胞不仅具有降解蛋白聚糖的功能，并且还能诱导其他细胞降解蛋白聚糖。因此有学者认为适度的炎症反应可能会有利于中枢神经系统的再生修复。第二节胶质细胞对损伤的反应近些年来，随着研究的不断深入，人们发现CNS损伤后之所以比PNS难以修复，原因之一是CNS有不利于神经再生的微环境，尤其胶质细胞在阻碍神经损伤修复的过程中扮演了重要角色。因此，许多科学家纷纷把目光集中到胶质细胞与CNS可塑性之间的关系上来。一、少突胶质细胞对损伤的反应中枢神经系统损伤后，少突胶质细胞有一过性的增殖反应，目前许多证据表明少突胶质细胞及其髓鞘是CNS难以再生的重要原因之一。20世纪80年
12、代，David和Aguayo发现中枢神经细胞的轴突可以长入周围神经之中，长度达23cm。由此推断CNS的微环境不利于轴突再生。以后许多学者研究了中枢神经系统阻碍轴突再生的因素，发现了许多重要的抑制性生物大分子。在神经元和少突胶质细胞共同培养的实验中，当神经元轴突接触到少突胶质细胞时就停止生长，提示中枢神经系统内可能存在抑制神经再生的物质。随后的研究发现，成年哺乳动物CNS髓鞘内能分离出一种抑制轴突生长的分子，称髓鞘相关糖蛋白(myelin-associatedglycoprotein，MAG)。2000年Schwab研究小组分离纯化了NI-250和NI-220(bNI-220)即NogoA，并
13、利用NogoA克隆出Nogo基因。Nogo主要在中枢的少突胶质细胞表达，具有抑制中枢神经系统轴突生长锥的能力。目前，人类的Nogo基因已被分离并克隆表达出NogoA、NogoB、NogoC三种不同结构的蛋白，NogoA主要分布于少突胶质细胞的内质网、高尔基体和细胞表面。研究观察到NI250的抗体IN-1可中和NogoA抑制轴突生长的作用，明显诱导神经纤维在中枢神经系统白质内的生长。二、星形胶质细胞对损伤的反应神经系统在发育过程中，星形胶质细胞可以作为神经元迁移和轴突向靶细胞延伸的基质，并合成分泌多种细胞因子及基质分子促进轴突生长；在成体，星形胶质细胞不仅对神经元有营养支持作用，而且通过ATP和
14、谷氨酸介导胶质-神经元的信息传递。但在中枢神经系统损伤后，星形胶质细胞可起到一定的促进轴突再生的作用，它合成的载脂蛋白E(ApoE)不仅在神经元之间传输胆固醇和其它脂质类，还参与了神经损伤修复过程。但星形胶质细胞还对神经再生有以下方面的不利作用：首先损伤灶周围星形胶质细胞、小胶质细胞以及侵入的炎症细胞能产生IL-1、IL-6、CNTF、TNF等细胞因子，活化、引发胶质细胞反应，表现为星形胶质细胞肥大增生，胶质纤维酸性蛋白(GFAP)合成增加，炎性细胞浸润，从而形成胶质瘢痕阻碍神经再生；此外星形胶质细胞也能合成一些抑制轴突再生的基质分子如蛋白聚糖、韧粘素等。巨噬细胞、小胶质细胞除了能介导星形胶质
15、细胞合成蛋白聚糖之外，其本身也能产生蛋白聚糖。近期的研究显示,硫酸软骨素蛋白聚糖在CNS损伤后表达持续增加，胶质细胞硫酸软骨素蛋白聚糖的合成增加与损伤部位血脑屏障破坏、巨噬细胞侵入有关。蛋白聚糖抑制神经再生的作用主要是由于它们形成了不适合轴突生长的微环境。第三节中枢神经损伤修复策略成年哺乳动物CNS轴突损伤后，由于不能进行有实质意义的再生形成功能性突触联系，往往导致永久的神经功能缺失。中枢神经系统再生困难的原因至少有以下几个方面：CNS损伤后神经元极易死亡；CNS神经细胞的外部微环境含有多种抑制因子，不允许轴突再生；有丝分裂后的神经细胞其内在生长能力减弱。神经损伤修复涉及神经元胞体、再生轴突、
16、通道和靶之间的相互联系和作用，需具备两个基本条件：一是损伤区尚存有生长潜能的神经元，且存活的神经元可以提供轴突再生所需的结构和功能物质；二是有营养因素、细胞外基质等引导再生轴突延伸的神经再生微环境。再生的轴突必须穿越胶质瘢痕并沿正确途径延伸到达损伤区的远侧端与相应靶建立特异性功能联系。再生轴突与靶连接的正确性称为再生特异性，是功能修复的关键。因此，CNS损伤修复策略应包括多因素联合才能解决这个难题，包括使残留CNS神经元最大限度的存活及功能保存，促进神经保护和再生以及阻断抑制轴突再生的因素等。神经营养因子在脑室内、鞘内及局部应用后能被转运到损伤区域促进损伤神经元的存活再生。目前，科学家们正在研究将神经营养因子基因转导到病毒载体如单纯疱疹病毒、腺相关病毒、慢病毒和莫尼氏白血病毒，以寻求新的在中枢神经系统高效表达营养因子的方法。其优点在于体外转染NTFs基因的细胞移植可以替代损伤及死亡的神经元，局部持续表达的NTFs可以为神经再生提供营养支持并促进轴突再生。因此，转基因神经细胞移植在促进中枢神经损伤修复策略
