硫酸软骨素蛋白多糖与脊髓损伤修复

作者：陈德纯,任先军  【关键词】  脊髓损伤；轴突生长抑制因子；硫酸软骨素蛋白多糖

　　摘要：  脊髓损伤（SCI）的治疗一直未获突破性进展，近年研究认为，SCI后分泌了大量抑制因子，阻碍了轴突有效再生和功能恢复。其中硫酸软骨素蛋白多糖（CSPGs）是由胶质瘢痕为主分泌的一种重要轴突生长抑制因子，随着研究的深入其越来越多的功能被发现。本文就CSPGs以及它在脊髓损伤后抑制作用的研究进展情况作如下综述。

　　关键词：脊髓损伤；轴突生长抑制因子；硫酸软骨素蛋白多糖

　　Relationship between chondroitin sulfate proteoglycans and the recovery of spinal cord injury

　　CHEN Dechun,REN Xianjun

　　（Department of Orthopedics,Xinqiao Hospital,Third Military Medical University,Chongqing  400037,China)

　　Abstract：  There is no further progression in the healing for spinal cord injury.Recent researchs indicated that lots of inhibition factors were discovered after SCI which inhibit the regeneration of ganglion axons.The chondroitin sulfate proteoglycans(CSPGs) is an important one of them,which was excreted from glial scar.The author reviews some recent progress of the CSPGs and its inhibition after SCI.

　　Key words:spinal cord injury;axonal growth inhibitors;chordroitin sulfate proteoglycans    　　脊髓损伤致残率非常高，其治疗一直是现代医学的难题，此方面的研究较多，但均没有获得突破性进展。脊髓损伤后，减少脊髓继发损伤，促进功能恢复主要面临以下几个问题：神经细胞的存活与再生、神经轴突的再生及髓鞘化和再生轴突的正确靶向问题以及建立正确的有功能的突触联系，其中轴突不能有效再生是致残率较高的最主要原因［1］。

　　1  概况

　　哺乳动物中枢神经系统（CNS）损伤后，神经元轴突很难再生，导致了所支配的组织功能的永久丢失，但周围神经系统不同，损伤的轴突可以再生且可以重塑突触与组织的连接功能。脊髓损伤（SCI）后轴突缺乏再生能力主要是因为再生环境不支持轴突的延伸和生长：（1）神经营养因子和支持引导神经生长的基质成分缺乏；（2）在脊髓断端出现的空腔和瘢痕组织；（3）以瘢痕组织为主分泌的一些抑制因子等抑制了轴突生长。因此目前认为改变其周围微环境可以促进SCI后受损区神经元的再生和轴突的生长［2，3］。中枢神经系统损伤后，星形胶质细胞(AST)激活,活化的AST又激活其他胶质细胞一起形成胶质瘢痕。以前认为胶质瘢痕以物理方式阻碍神经细胞和轴突的再生，但是近年的研究发现，瘢痕中由星形胶质和少突胶质等细胞为主产生的细胞表面和胞外基质分子可能会阻碍轴突的再生［4］。进一步研究发现硫酸软骨素蛋白多糖（CSPGs）是瘢痕中最重要的再生抑制物之一。

　　2  CSPGs的结构和表达

　　CSPGs主要由核心蛋白和氨基葡胺聚糖（GAG）链以共价键连接组成，蛋白核心通过N端和O端与不同种类和数量的寡糖或多糖相连接。因此根据蛋白和糖链的不同，CSPGs家族有30多种成员，如Neurocan （神经蛋白聚糖）、Aggrecan（聚集蛋白聚糖）、Versican（多功能蛋白聚糖）、Phosphacan/DSD1（磷酸肌酸蛋白聚糖）、Brevican和NG2等。但是，这些成员在中枢的不同组织和不同时间表达均不同。如Neurocan在成年大鼠白质的AST中表达，但在少突胶质前体（OP）细胞中则没有；NG2在成年CNS的OP细胞及一些中枢血管膜和脑脊膜的内膜细胞分泌；Phosphaca/DSD1主要在贝格曼神经胶质和出生后小脑胶质细胞中表达，在大脑和脊髓中也少量存在。Brevican在整个CNS中均有分布，且主要由AST分泌。Versican、Brevican和Aggrecan在成年神经组织中比发育期表达多。另外，髓磷脂也可部分的产生CSPGs［5］。

　　3  CSPGs的作用及作用机制

　　CSPGs在中枢神经系统有广泛表达，且在神经组织发育成熟及衰老等各阶段均有表达，CSPGs对细胞及细胞基质之间的信息转导和交流起至关重要的作用，它几乎参与着中枢神经系统发育成熟的全过程，如对细胞增值、迁移、细胞分化、轴突延长、轴突的路径选择的影响；以及通过与生长因子一起影响突触的发生；调节胞外基质和细胞黏附分子及细胞支架的组成等，而且还可以通过在轴突周围形成神经网调整神经细胞的可塑性［6，14］。

　　3.1  CSPGs在神经发育中的作用  一般认为,CSPGs在CNS发育过程中,具有多种屏障作用，调节细胞增生、迁徙和分化、轴突的生长和路径的选择，以及突触的形成和成熟等,最终促成CNS 的解剖和功能分层。神经元的迁徙分化及其轴突的生长、延伸需要精确的调节调控机制,以产生靶位置的正确定向投射和功能定位，CSPGs能够提供这种指引信息。在囊胚期，CSPGs可以抑制细胞的异常分化，在神经细胞的增殖过成中担任重要角色，例如Phosphacan在胚胎的脑组织细胞增生活跃区分布较多，特别在神经节隆起的脑室区和脊髓中央管的室管膜区。一般来说，神经的生长是由所在路径细胞发出吸引或排斥信号以引导神经细胞的迁移，其中许多排斥信号就是由硫酸软骨素糖链所释放。特别是神经管嵴细胞，可绕开含有硫酸软骨素的区域生长，到达目的地。如果抑制了软骨素的合成可以使细胞生长的通路紊乱［7，8］。另外，硫酸软骨素糖链可以为轴突的形成和延伸提供生长界面，如脊索，其CSPGs的含量丰富，为轴突的延伸起到生长屏障作用，如果抑制了CSPGs作用，胚胎的运动和背根神经节的轴突将是一种无序的生长［9］。因此认为，CSPGs是胚胎期CNS 发育的重要分子机制之一。

　　3.2  CSPGs在脊髓损伤修复中的抑制作用  CSPGs在中枢神经系统损伤后分泌明显增强。脊髓损伤刺激了星型胶质细胞、小胶质细胞、少突胶质前体细胞的增殖和迁移分化，形成胶质瘢痕组织。瘢痕组织内许多胞外基质分子包括CSPGs表达上调。如Neurocan作为CSPGs的主要成员之一，人胎儿期其表达达到高峰，它的裂解过程和发育期相关，在幼稚期中枢神经系统中有全段和部分片段Neurocan的神经蛋白聚糖链，而在成年人中枢神经系统中只有部分片段的糖链。当成年人中枢神经系统损伤后，又可有全长的糖链出现，由此说明在CNS损伤后，神经蛋白多糖表达合成能力增强［10］。一般认为脊髓损伤后瘢痕组织所分泌的部分蛋白多糖可能对损伤组织具有保护作用，但其中的CSPGs和瘢痕本身对受损神经元轴突再生恢复是一种重要的抑制因素。Davie等［11］将背根神经元的生长轴突植入含丰富CSPGs的瘢痕周围，当再生轴突达到瘢痕表面，接触到瘢痕中的CSPGs后即停止了生长,因此认为CSPGs参与了神经损伤的发病机制和修复过程,抑制了轴突再生和SCI后神经功能恢复。CSPGs的这种抑制作用可应用阻断CSPGs功能的方法来证实。目前有多种方法抑制CSPGs的作用，主要有2种：（1）抑制CSPGs合成，如抑制核心蛋白或硫酸软骨素的合成。Davies等［12］将核心蛋白多糖加入损伤后脊髓中，可以抑制几种CSPGs，如Neurocan、Brevican、磷酸肌酸蛋白多糖（phosphacan）和NG2的合成。Tang等［10］用木糖基转移酶破坏硫酸软骨素的DNA合成链，阻止了硫酸软骨素的合成，也可达到抑制CSPGs合成的目的。但是分泌CSPSs的细胞和CSPGs家族成员较多，不能用这种方法阻断所有的途径，而且同时可能会抑制了其他蛋白的合成，因此在实际应用中比较困难。（2）打断葡胺聚糖（GAG）链。虽然CSPGs家族成员多，空间结构和组成也不同，但它们的抑制作用大部分是通过由硫化糖形成的葡胺聚糖（GAG）链这一共同途径完成的［3，13］ 。并且许多实验已证明，除去GAG链或阻断其合成均能促进轴突再生和通过胶质瘢痕。如目前研究较多的软骨素酶ABC（ChABC），可以打断CSPGs的GAG链，抑制CSPGs的作用，促进神经功能恢复。Bradbury等［14］在脊髓损伤后给予ChABC治疗，用抗体2B6来观测损伤部位CSGAG的降解情况，抗体2B6的特点是可以识别CSPGs中心蛋白的表位抗原但不损伤CS-GAG的完整性。实验结果提示在损伤处及其周围ChABC可以成功解除CSPGs的GAG链。并且应用ChABC治疗后，能上调受损神经元生长相关蛋白(GAP43)的表达；促进上行感觉和下行皮质脊髓束的再生；电生理检查发现可以恢复损伤面以下的突触后活性，提高运动功能和本体感觉行为的恢复。Clarke's核神经元（CN）轴突主要形成了背侧脊髓小脑束，它在CNS损伤后的成功再生对感觉的功能恢复非常重要。Yick等［6］在新生和成年大鼠脊髓半切后局部注射软骨素酶ABC，应用荧光标记损伤下段的CN，对照组没有发现有标记的CN轴突通过瘢痕，而在治疗组，有标记的轴突生长过瘢痕组织，而且感觉功能恢复明显好于对照组。另外，该实验在大鼠脊髓半切后分别给予断端移植周围神经（PN）、PN移植＋脑源性神经营养因子（BDGF）、PN+软骨素酶ABC比较，结果发现CN轴突在单纯PN组和PN＋BDGF组均不能生长入移植的PN，而加有软骨素酶的ChABC组可以长入移植的PN［15］。因此，以上观点说明了CSPGs是脊髓损伤后胶质瘢痕中重要的抑制分子，对其进一步的研究对治疗人脊髓损伤前景远大。

　3.3  CSPGs抑制作用机制  研究证实CSPGs有非常强的抑制轴突再生功能，但是对其抑制轴突再生的作用机制仍不完全清楚。前面已述，CSPGs的抑制作用大部分是通过GAG糖链介导，另外一些则靠GAG链和核心蛋白共同完成。目前研究认为其抑制机制可能为：（1）与几种生长因子相结合，抑制生长因子的作用［16］；（2）CSGAG链与肝素结合因子、一些成纤维细胞生长因子（FGF）家族成员结合，可能阻止了这些因子与相应的受体结合；（3）CSPGs与信号因子5A的血小板反应素区域结合，改变了局部的结构,发挥抑制作用［7］；（4）CSPGs与胞外基质中的黏附因子NCAM、CollagenⅠ/Ⅱ/Ⅵ、Fibronectin、Tenacin、HA等作用，有可能通过这些因子影响了轴突再生。如神经细胞黏附因子NCAM具有较强的促进神经细胞和轴突再生的能力，可以抑制损伤后星型胶质细胞的增生，CSPGs与NCAM结合后抑制了其功能［5］；（5）Zuo等［17］研究发现CSPGs可以抑制生长蛋白GAP43和层黏连蛋白（laminin）的表达及作用。近年来研究认为，Rho/ROCK通路与CSPG的信号传导有关，例如小鸡的背根神经节神经元神经蛋白聚糖底物可以刺激GTPase家族的Rho/ROCK通路。通过特殊的阻滞剂Y27632阻滞Rho激酶ROCK后，可以减轻神经蛋白聚糖的抑制作用［18］。应用特殊的Rho阻滞剂C3转移酶，也可以阻断CSPGs抑制视网膜视神经节细胞轴突再生的功能。虽然以上的一些机制可以部分的解释CSPGs的抑制功能,但其抑制是一个复杂的分子间相互作用过程，因此这些仍不足以解释它的各种抑制机制，需在以后的研究中继续探讨。

　　4  总结

　　CSPGs是一种较强的抑制轴突再生的因子,在脊髓损伤后由胶质瘢痕中大量分泌,近些年对其在脊髓损伤后的抑制功能研究增多,但是其抑制机制仍未完全清楚。脊髓损伤后应用ChABC阻断CSPGs的作用,可以引导轴突的再生和修复,有非常好的治疗前景。但是脊髓损伤的修复受诸多因素的影响，应用单一药物作用有限，与其他药物联合治疗，如营养因子、IN1（nogoA阻断剂）、基因治疗、细胞组织移植等，会有更好的结果。

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