颅脑损伤修复的分子机制

传统观念认为，周围神经损伤后可以再生，而中枢神经损伤后不能再生。近年的研究提示，在一定的条件下，中枢神经损伤后也是有再生潜力的，而神经元创伤后微环境对中枢神经再生起着重要作用。下面从中枢神经损伤后神经元及其轴突反应、胶质细胞反应、神经再生调控物质等与神经再生的关系进行回顾与分析。

（一）神经损伤后的神经元胞体反应

神经元轴突损伤后24h，神经元胞体即出现染色质溶解，胞体膨胀、核与核仁偏离中心，尼氏体消失。同时，核酸合成增加，蛋白质合成也出现变化。上述反应在中枢神经系统CNS与周围神经系统（perlpheral hervous systerrl，PNS）基本相同，但CNs胞体反应只持续于轴突损伤后1周左右。PNS轴突损伤中曾观察到，不伴胞体反应的轴突发芽不能继续存活和发展，说明神经元胞体反应是轴突再生的必需条件之一。

1．轴突损伤后影响神经元死亡或存活的因素轴突损伤后神经元转归变化极大，可以表现为完全恢复的暂时性反应，长时期的胞体萎缩或细胞死亡，这种死亡可以是凋亡（appotosis），也可以是坏死（necrosis）。研究影响轴突损伤后神经元不同转归的因素和条件是神经再生研究十分重要的一步。

（1）神经元类型：多数情况下，轴突损伤后有相似的神经元胞体反应者多具有共同的形态、功能、投射或发育特征。如老年动物运动神经元对轴突损伤有基本相同的胞体反应，同样小脑浦肯野细胞（Purkinje cell）与视网膜节细胞间也具有类似的损伤反应；但不同的细胞类型其反应则不一样，运动神经元轴突损伤后神经元多存活并可再生，浦肯野细胞损伤后可存活但不伴轴突再生，视网膜节细胞轴突伤后多死亡。特定的神经元轴突损伤后，类似反应的原因可能与特定的内部因素及相同的外部环境有关。然而相同的神经元中少数对轴突损伤不同反应者，更容易引起研究者的兴趣，如前脑胆碱能神经元在发育上有共同的起源及化学解剖特征，但其纤维则有不同的投射区域，这些不同的投射亚群神经元对轴突损伤的反应是不一样的，向海马投射的内侧隔区的胆碱能神经元轴突损伤后很快出现胆碱乙酰基转移酶（choline acetyltransferase，ChAT）及NGF受体的表达下调，并且多数神经元死亡，而向新皮质投射的基底核胆碱能神经元轴突损伤后则无ChAT及NGF受体的表达下调及神经元死亡。

（2）轴突的环境：轴突损伤后，其细胞外环境也是影响神经元存活与死亡的重要因素之一。成年动物大多数周围神经轴突损伤后神经元存活，条件适宜时神经可以再生，但迷走神经背核神经元所发出的轴突损伤后数周到数月后神经元死亡是一个明显的例外。多数情况下，成年动物NS神经元轴突损伤后神经元常死亡，CNS与PNS的这种差异是否是CNS内部环境不利于神经再生尚有待进一步证实。多数视网膜节细胞轴突损伤后发生死亡，但这种死亡可部分被周围神经移植所翻转并可诱导神经再生，提示损伤轴突的周围环境因素，并不是影响神经元存活的惟一因素。许多中枢神经元当其轴突在白质束内损伤后，其神经元出现死亡，包括视网膜节细胞、脊髓Clarke柱神经元、隔区胆碱能神经元和黑质神经元。而另外一些中枢神经元当其轴突损伤后神经元本身存活，如海马、红核和运动神经元等。

（3）从损伤区到神经元胞体的距离：1928年cajal就发现，脊髓损伤后损伤的轴突逆行变性到轴突出现第一个有效侧支为止，当该轴突无有效侧支时，变性继续到神经元胞体并出现神经元死亡，除非该神经元有新的轴突发出，上述特性已被不少实验证实。然而，目前常用的三种研究系统，隔区海马胆碱能系统、视网膜节细胞投射系统、小脑浦肯野细胞系统的研究表明，不仅神经轴突的侧支，而且轴突损伤部位与神经元胞体间的距离，也是影响神经元存活与死亡的重要因素。

啮齿类动物与非人灵长类动物实验证实，隔区海马传导束完全切断后，将有75%的隔区内胆碱能神经元丧失，且损伤部位越靠近隔区，丧失的神经元数量越多。在视觉系统中，视神经切断将引起视网膜神经元的逆行性变性，变性的程度与损伤部位和神经胞体的距离关系密切，与损伤部位越近，变性坏死的视网膜神经元越多，变性的速度也越快。而在小脑浦肯野细胞，即使轴突损伤的距离与其胞体仅100μm，神经元仍可存活，似与损伤部位无明显关系。

（4）神经元的活动性：神经元的活动性对轴突损伤后神经元的存活与死亡的影响报道不多，可能与实验技术上较为困难有关。神经垂体中分泌加压素的大细胞是目前研究的一种神经元模型，在血钠正常的情况下，轴突切断后约有2／3的大细胞死亡，而在药物诱发的低血钠条件下，轴突切断后几乎所有的加压素类神经元均死亡，提示降低神经元的活动性可能加重神经元对轴突损伤后神经元死亡的易感性。有趣的是，高血钠条件下并没有增加该类神经元轴突损伤后对神经元死亡的抗性。

2．神经损伤后存活神经元的分子、形态与功能改变。

（1）形态学改变：神经轴突损伤后其胞体急性期反应主要有尼氏体消失、细胞核偏移、胞体肿胀、突触终端的减少等，不论是否有轴突再生，在CNS与PNS这种形态学反应是相似的。但在慢性期，轴突损伤后神经元胞体反应是不同的。当运动神经元其轴突形成周围神经时，在神经再生期间，其胞体持续增大，细胞增多，代谢增强，蛋白合成增多；当运动神经元再生障碍或CNS神经元损伤周围环境不利于再生时，则损伤的神经元胞体无上述反应。另一方面，许多不能再生的神经元萎缩的程度与速度取决于本身的体积和树突的多少。而小脑浦肯野细胞轴突损伤后不能再生，但其胞体变化不大。

（2）神经元化学标志物的变化：不同的神经元轴突损伤后其生化或分子标志物的变化是不同的，轴突，损伤后可再生的运动神经元氧代谢率升高，代谢酶上调，微管相关蛋白和生长相关蛋白如GAP－43和神经营养因子受体p75等表达增多。大多数神经元轴突损伤后，神经肽和神经递质相关酶的表达均有变化。正常情况下，感觉、交感和运动神经元不表达甘丙肽（galanin）和血管活性肠肽（vasoactive intestinal pol－ypeptide，VIP），但在轴突损伤早期上述神经元有甘丙肽及VIP的表达。同时，生理情况下感觉及交感神经元正常表达的P物质（substance P，sP）和神经肽Y（neuropeptide Y，NPY）则表达下调。轴突损伤后，运动神经元和迷走神经元chAT表达迅速下调，但运动神经元ChAT可以恢复，而迷走神经元ChAT则不能恢复。儿茶酚胺类神经元轴突损伤后其酪氨酸羟化酶水平下调，但神经元可长时间存活。轴突损伤后隔内侧区胆碱能神经元可以存活，但ChAT表达下降，6个月后才逐渐恢复。并不是所有的轴突损伤的神经元都表现出显著的生化变化，如基底胆碱能神经元轴突损伤后可表现为胞体缩小或萎缩，但能继续表达ChAT。

（3）电生理学变化：大多数轴突损伤的神经元均表现为电活动的增强，轴突损伤的迷走神经元不能再生，但其膜通道的变化可引起细胞内钙离子的升高，进而导致神经元的死亡。实验显示，外周神经元轴突损伤后其电生理特性丧失或变化，但当轴突再生并与靶细胞接触后则其电生理活动可以恢复。

3．轴突损伤后神经元胞体周围胶质细胞的变化。轴突损伤后的逆向性变化不仅发生于神经元本身，而且也发生于这些神经元周围的细胞成分，损伤神经元传递的信号还可对周围的非神经元（如星形胶质细胞和小胶质细胞）形成影响。

（1）星形胶质细胞反应：运动神经元轴突损伤后，神经元胞体周围的星形胶质细胞体积增大且中间丝蛋白如胶质纤维酸性蛋白（glial cell line－derived neurotrophk：factor，GFAP）表达上调。若运动神经元轴突能再生，则星形胶质细胞反应逐渐恢复；若运动神经元轴突不能再生，则星形胶质细胞反应长时间存在。其他星形胶质细胞反应目前研究不多，但当前脑基底胆碱能神经元与皮质靶神经元轴突联系切断时，其周围星形细胞很快出现胞体增大和GFAP表达上调，这种反应可持续存在，当用胚胎皮质神经元移植代替宿主皮质神经元后，上述胶质细胞反应可完全消退。轴突损伤神经元周围星形胶质细胞反应的作用仍不清楚，可能与自然保护或调节再生环境有关，反应性星形胶质细胞可能分泌多种促神经元存活及再生的生长因子或细胞因子。此外，还可能通过中和细胞外液的离子及兴奋性氨基酸，以减轻神经兴奋毒性反应。

（2）小胶质细胞活化：成年动物神经轴突损伤后，神经元反应常伴有胞体周围小胶质细胞的快速分化，并分布于从胞体、树突到突触周围，参与溃变神经元的清除。活化的小胶质细胞还表达主要组织相容复合体（major histocompatibility conlplex，MHC）抗原。如视网膜节细胞轴突损伤引起逆行性细胞死亡后，小胶质细胞快速分化及活化，参与吞噬溃变神经元。

4．轴突损伤引起的神经元信号转导变化。目前认为轴突损伤后神经元反应的信号介导分子包括沿轴突向胞体逆行转运的大分子物质，神经元胞体周围胶质细胞源性物质，以及损伤轴突区离子内流引起的快速逆行性物质。

（1）靶源性物质的丧失：神经轴突损伤后靶细胞源性物质难以通过逆行性轴浆流到达神经元胞体，类似情况在神经发育的关键时期也可观察到，当神经轴突与靶细胞接触减少时神经元存活数量降低，当靶细胞体积增大或提供靶源性因子后存活神经元增多。目前的共识是，许多靶源性生长因子促进发育中的特异神经元存活，并可预防发育中神经元因轴突损伤而引起的逆行性神经元死亡。上述观察提示一些轴突损伤后神经元的死亡可能是由于靶源性因子所提供的逆行性信号丧失所致。

在成年动物，轴突损伤所引起的逆行性细胞死亡的潜在原因可能是不同的，有证据表明，许多成年神经元已丧失了对靶源性生长因子的存活依赖，可能是因细胞内分子的比例变化可调控细胞的程序性死亡（programmed cen death，PCD）。成年动物传入神经元对靶源性生长因子的依赖研究较多，如将前脑基底区胆碱能神经元与靶细胞选择性隔离后，靶结构产生的NGF和其他神经营养因子可诱导部分前脑基底区胆碱能神经元表达NGF受体，NGF可调控该区神经元的发育与存活。成年动物中，神经营养因子的剥夺是否是引起轴突损伤后逆行性细胞死亡的主要因素？一些研究表明，成年动物靶源性神经营养物质的丧失并不是轴突损伤后神经元死亡的直接原因。

（2）轴突损伤区新的大分子物质的逆行性转运：尽管不少研究集中于神经轴突损伤后逆行性信号的丧失，仍有证据表明轴突损伤区新的大分子物质逆向转运是引起神经元胞体变化的原因。许多不同的细胞因子及生长因子在轴突损伤区产生，可逆行性向胞体转运，损伤或断裂的轴突可逆行性转运辣根过氧化酶（horseradish peroxidase，HRP）、麦芽凝集束等示踪剂和生长因子等大分子物质。正常情况下，NGF受体p75NTR仅在神经发育过程时表达，但在轴突损伤后，p75NTR的再表达依赖于损伤区再生轴突的逆行性倍号，当再生部位的逆行性转运被抑制时，p75NTR的再表达也被抑制。

（3）损伤局部非神经细胞信号：如前所述，局部胶质细胞也是轴突损伤后神经元分子信号的产生源反应性胶质细胞可产生不同类型的生长因子和细胞因子。交感神经节轴突损伤可诱发胶质细胞产生生长因子如白血病抑制因子（1eukaemia inhibitory factor，LIF），LIF有调节成年交感神经节细胞肽类表达的能力。

（4）轴突损伤区离子与分子物质的内流：物理性轴突损伤伴有Na＋、Ca2＋离子的细胞内流，此类离子的内流将延长除极过程，Ca2＋可通过损伤区内流并逆行转运到神经元胞体，上述逆行损伤电流将引起一系列结构、功能及代谢变化，甚至引起细胞死亡。钙离子拮抗药可预防轴突损伤所致的交感神经细胞死亡。因逆向“损伤电流”所引起的持续除极，还可使能阻断NMDA通道的Mg2＋移位，使神经元对神经兴奋毒性更为敏感，NMDA通道拮抗药可降低神经元的死亡。然而，通过轴突损伤区内流的离子信号，不仅与神经溃变及死亡有关，同时也可能有触发神经再生反应的作用。

（5）神经元内源性毒性物质：神经元内源性毒性物质不仅包括兴奋性氨基酸、自由基、NO、胞内游离Ca2＋等，而且还包括特定蛋白质如β－淀粉样物质（βA）和部分细胞因子，上述物质多在神经损伤后产生并参与介导继发性损伤和细胞死亡。

（6）神经元内源性保护物质：目前已经证实，一些内源性物质如神经因子NGF、BDNF、NT－3、GDNF、FGF等，可以预防多种神经元轴突损伤所诱导逆行性细胞死亡或逆转神经元萎缩，但上述物质介导轴突损伤后的神经溃变与再生的机制尚不清楚，外源性生长因子的作用可能是药理性的，而不仅仅是替代生理需要。

（二）神经轴突对损伤的反应

神经轴突对损伤的反应的研究已有一个多世纪的历史，早在1928年，cajal就对轴突损伤及溃变的形态学特征进行了系统观察。近年来的研究主要集中于轴突损伤后相关的分子过程，包括轴突结构蛋白的变化，以及轴突损伤区与周围细胞环境间的关系。

1．轴突溃变（axonal degeneration）

（1）轴突损伤反应：研究表明PNS轴突损伤后存在着迅速有效的机制用于清除远端的轴突及髓鞘成分，为神经再生提供了有利的微环境，但在CNS内，类似机制既不完全且十分缓慢。George和Griff系统比较了脊髓内与外周感觉神经受损后神经溃变的差异，表明CNS与PNS具有相同的时间过程，但外周感觉神经损伤远端的轴突及髓鞘残留成分在伤后30d已被完全清除，而中枢神经系统内类似轴突及髓鞘成分在伤后90d仍然存在。这种差异至少有两种因素：PNS的神经膜细胞具有一定的吞噬能力，并对伤害性刺激有一定抵抗力，数量也较多，具有继续分裂增殖的能力，而CNS的少突胶质细胞则基本不具备上述能力；巨噬细胞在周围神经可迅速到达损伤区域，并迅速激活，将受损崩解的轴突及髓鞘残余物快速清除。而在CNS，外源性巨噬细胞难以迅速进入损伤区，单靠小胶质细胞的激活难以迅速、彻底地清除受损的轴突髓鞘残余物。提示虽然CNS与PNS损伤后轴突和髓鞘的反应是相似的，但损伤细胞的微环境存在着巨大差异。

（2）细胞骨架的变化：细胞骨架（cytoskeleton）是形成亚细胞构筑及胞质结构化的主要组分。实质性脑损伤后，可观察到神经丝（neurofilament）、血影蛋白（spectrin）和微管相关蛋白（microtllbule as sociated protel，MAPs）等细胞骨架蛋白的崩解，而这种改变可以被属中性蛋白酶的钙依赖的蛋白酶（calpain）抑制药抑制，提示损伤后Ca2＋内流激活了钙依赖的蛋白酶是轴突损伤重要机制之一。

2．轴突再生（axonal regeneration） CNS与PNS的再生能力存在着巨大差异，这种差异可以从内源性与外源性因素来讨论。内源性因素是指CNS或PNS神经元均具有形成新的轴突生长锥的能力，而外源性因素是指细胞外环境所提供的支持或抑制轴突再生的因素。

（1）轴突再生的内源性因素。

①逆向损伤信息：大量研究表明，轴突损伤信号的逆行性转导是调节早期神经元胞体代谢与再生的必需条件。最早的神经再生反应是由轴突损伤区将“损伤信息”逆行性转导至神经元胞体。在周围神经系统，当坐骨神经损伤后，背根神经节（dorsalroot ganglia，DRG）细胞快速出现早期反应基因c－jun在inRNA和蛋白质水平的表达上调，提示c－jun基因可能参与了损伤后的早期再生反应。c－jun基因的表达上调还与轴突损伤部位和胞体的距离有关。JNKs（cjun anlmo－terminaI kinases）是c－jun基因的转录激活蛋白，当坐骨神经损伤部位距DRG胞体1cm时，伤后30min可检测到JNK，而当损伤区离。DRG 4cm时，伤后4h才能检测出JNKs，提示损伤信号的逆行性转导与JNK有关，且其激活转导为快速的轴浆转导（每天50～400mm）。

在CNS受损轴突与其胞体间的距离也同样影响损伤信号的逆行性转导。Tseng等在C3水平切断红核脊髓束，可很快在红核检测到逆行性转导的染料，而在T10水平切断时，逆行性转导的染料则明显减少，提示CNS中轴突损伤部位与其胞体的距离，是损伤信息逆行性转导障碍的重要因素。皮质脊髓束损伤模型研究也提示，CNS内轴突损伤部位胞体间的距离是影响生长相关蛋白GAP－43的表达的重要因素。皮质下白质损伤后GAP－43的表达明显上调，当损伤位于延髓锥体时，则无GAP－43的表达。而PNS的研究已经证明，GAP－43的高表达与神经再生成功密切相关。

②为轴突生长合成细胞骨架成分：在发育过程中，细胞骨架成分的合成与转运是神经生长锥形成与延伸的重要条件，肌动蛋白（actin）、微管蛋白（tubulin）和神经丝蛋白（neu：rofila－ment）是轴突生长所必需的细胞骨架蛋白。在成年动物，也存在着损伤后细胞骨架成分的变化。在茎乳孔处切断面神经后，面神经运动核中微管蛋白与肌动蛋白合成明显增加，神经丝蛋白合成减少。内囊损伤后，在脑存活的神经元中β－微管蛋白合成增多。发育过程中的重要微管蛋白tubulin－α在成年动物坐骨神经和面神经损伤后表达迅速增多。提示肌动蛋白与微管蛋白表达上调是新的轴突生长所必需的细胞骨架成分，神经丝蛋白表达下调可能是为上述两类蛋白轴浆转运提供尽可能的交通。

但在中枢神经系统并未能观察到类似于周围神经损伤后所见到的细胞骨架蛋白合成增多现象。当红核脊髓束受损后，仅能观察到短暂的肌动蛋白和微管蛋白上调，损伤后8～14d其表达明显下调，并出现红核神经元的萎缩。但在其表达上调期间，可以观察到红核神经元的发芽，提示有短暂的轴突再生尝试。中枢神经内细胞骨架成分合成代谢不能持续现象究竟是神经再生失败的原因还是其他原因导致再生失败所致还不清楚。

③顺向轴浆运输：细胞骨架成分从神经元胞体向受损轴突转运是轴突再生的关键步骤。成年动物细胞骨架蛋白的运输主要是慢型轴浆转运，通常慢型转运成分有sca（slow componeInt“a”）和SCb（slow component“b”）两种。在CNS中，SCa主要转运大的细胞骨架蛋白如肌动蛋白、微管蛋白和神经丝蛋白，SCb主要转运其他蛋白质；在PNS中，SCa主要转运肌动蛋白和神经丝蛋白，SCb则转运微管蛋白。周围神经损伤后，SCb迅速大量将微管蛋白转运到轴突延伸区。而在CNS中，视神经损伤后，SCb转运微管蛋白迅速下降，其速度由每天0．5mm降至每天0．06mm，导致微管蛋白和神经丝蛋白难以到达损伤的视神经区域。但将外周神经移植到视神经损伤区后，视网膜节细胞轴突可成功通过移植体，并且SCb所转运速度也提高到每天1mm。这提示，无论是CNS还是DNS，慢型轴浆转运的恢复是轴突成功再生的条件。

④GAP－43的表达：GAP－43影响轴突生长的确切机制还未完全阐明。在发育过程中，GAP－43在轴突及生长锥均有较高的表达量。GAP－43是蛋白激酶－C（protein Kinase C，PKC）的作用底物，并可影响轴突内细胞骨架的重组。缺乏GAP－43的突变鼠发育过程中其轴突延伸异常；过多表达GAP－43的转基因动物中，其轴突可超越正常靶区生长。上述研究表明，GAP－43可以传递生长锥周围的微环境信息并参与轴突生长的寻路决定（pathfinding decision），还具有促进周围神经损伤后轴突发芽的能力，但在CNS，GAP－43过度表达并不能促进神经再生。

（2）轴突再生的外源性因素：CNS轴突的微环境与PNS明显不同，其轴突虽然也排列成束，少突胶质细胞形成髓鞘样结构，但缺乏外周神经的外膜、束膜和束膜样结构，损伤后不能形成相应的中空管道和Bungner带，难以提供轴突再生所需的空间。CNS不但缺乏许多像PNS一样的促再生条件，如各种神经营养物质，而且还存在着抑制轴突再生的物质，如白质相关抑制物和细胞外基质中的抑制物。

（三）胶质细胞在神经再生中的双相效应

传统观念认为，CNS损伤后形成的胶质瘢痕（glial scar）的机械屏障作用，是CNS轴突不能再生的原因。近年研究提示，CNS损伤后少突胶质细胞、星形胶质细胞及小胶质细胞对创伤的反应性，是轴突再生失败的重要因素。

1．成年动物CNS轴突有无较强的再生能力 虽然早在1958年Liu和Chambers的研究已显示脊髓损伤后其轴突具有侧发芽的能力，提示成年后CNS仍有一定的可塑性。但直到20世纪80年代，研究才证实损伤脊髓近端轴突可表现出有限的再生能力。1980年Aguayo等将外周神经移植到中枢，诱发了中枢再生，使再生的轴突长距离长入移植的神经节段中，提示PNS环境较CNS环境更有利于轴突再生，在一定条件下，CNS也具有一定的轴突长距离再生的能力。DRG细胞外周支损伤后轴突可成功再生，而当其中枢支损伤后，其轴突仅从DRG细胞长到脊髓表面后就停止生长，提示PNS与CNS细胞环境的差异是其再生流产的原因之一。

2．胶质细胞在CNS再生失败中的作用

（1）少突胶质细胞与髓鞘：少突胶质细胞对损伤反应的研究尚不广泛，虽然CNS损伤后其有一过性增殖反应，且对髓鞘蛋白的表达影响不大。一般认为，少突胶质细胞的细胞膜及成熟CNS中广泛存在的髓鞘是影响CNS再生的重要因素之一。许多研究表明，髓鞘对CNS轴突再生有制约作用。1992年Keirstead等发现，若在鸡CNS髓鞘形成前损伤脊髓，其脊髓功能可完全恢复，而鸡发育到髓鞘形成后，则上述脊髓功能恢复的能力就丧失。利用组织培养技术，Schwab等从CNS髓鞘中分离到两种分子量分别为35kD和250kD的蛋白质成分，其对CNS轴突的再生有明显的抑制作用，利用上述蛋白质制备的单克隆抗体如IN－1，可中和髓鞘对CNS轴突再生的抑制效应。如成年大鼠皮质脊髓束损伤实验中，将产生IN－1单克隆抗体的杂交瘤细胞植入大鼠体内后，动物存活2～5周时，再生的轴突可延伸到10mm以上，运动功能也明显恢复；而未植入IN－1抗体的对照组动物，其再生轴突延伸小于1mm。最新的研究证明，Nogo和髓鞘相关糖蛋白（myelinic associated glycoprotein，MAG）是两种主要的抑制CNS轴突再生的物质。但采用MAG缺陷的小鼠进行实验的结果表明，单纯缺少MAG不能翻转少突胶质细胞和髓鞘对CNS再生的抑制效应。新近的研究表明，采用抗正常髓鞘成分的抗体Gal－C或O4处理实验动物，也可看到其有促进CNS轴突再生的作用，提示适度的炎症反应和髓鞘的破坏有利于CNS再生。虽然上述研究已经表明，髓鞘相关的抑制物是CNS不能再生的关键因素之一，但新的研究表明上述抑制物并不是惟一的因素，且不同发育阶段的神经元或者不同类型的神经元对髓鞘相关抑制物的反应性也明显存在差异性。

（2）星形胶质细胞和胶质瘢痕：在许多实验模型中均可见到星形细胞对损伤的反应，这种反应被称为胶质细胞增生（gliosis或astrogliosis），表现为星形胶质细胞体积增大，中间丝成分如GFAP合成加快。哺乳动物CNS损伤后形成的胶质瘢痕（glial scar）的机械屏障作用是CNS再生失败的重要因素曾经获得广泛的认同，但在冬眠期松鼠脊髓损伤模型中，虽未形成致密的胶质瘢痕，但并未能观察到轴突再生，提示无胶质瘢痕的机械屏障作用并不能导致CNS轴突再生。目前对星形胶质细胞在CNS再生失败的作用有以下假说：未能提供轴突生长所需的细胞外基质、未能提供轴突生长的支持分子和产生轴突延伸的抑制物。

①星形胶质细胞提供轴突延伸的基质：成年哺乳动物CNS的损伤反应性可能部分与CNS再生障碍有关，更多的研究集中于星形胶质细胞为神经元生长所提供的基质作用。在神经系统的发育过程中，星形胶质细胞在神经元迁移与轴突延伸过程中起整合作用，新生的星形细胞在轴突生长中提供支持物质，同时反应性星形胶质细胞对轴突生长有负性作用。提示，CNS损伤后反应性星形胶质细胞产生的细胞环境可能不利于CNS轴突再生。有趣的是，虽然反应性星形胶质细胞不利于轴突的生长，但对树突的生长则影响不大，可能在损伤白质区附近一些有限的神经生长和发芽是树突的突起，而不是短的轴突。成年动物反应性胶质细胞对CNS再生的负性作用，可能与其产生抑制性物质或不能提供轴突再生所需的支撑环境有关由于轴突不能单纯在液体环境中生长，反应性星形胶质细胞可能未能给轴突延伸提供合适的基质。多年来人们已注意到，CNS损伤后可继发性产生一些囊腔，这些囊腔体积常大于原发损伤区，一般认为，囊腔的产生与缺血、神经元溶酶体活化、巨噬细胞浸润与炎症、血浆蛋白成分的渗出等因素所致的坏死过程有关。未来的研究中，上述缺少细胞成分的囊腔形成机制可能是重要的研究内容，因为液性环境缺乏轴突生长所需的支撑基础。

②星形胶质细胞产生轴突支持物质：星形胶质细胞不能产生轴突生长所需的支持分子可能也与CNS再生障碍有关。一些研究已经证实，在神经发育过程中，星形胶质细胞或其前体细胞可产生一些促轴突生长的因子，但在成年动物，星形胶质细胞不能产生类似的支持物质。体内与体外实验均表明，成年动物星形胶质细胞可产生层黏蛋白等促轴突生长物质，虽然反应性星形胶质细胞还可产生其他促轴突、再生的物质，问题是损伤区附近上述物质的表达是否在合适的时间或空间，是短暂的表达还是持续的表达，是否上述物质之间有协同作用等？通过外源性治疗性干预提高上述物质浓度，或结合神经因子对认识促再生物质的作用及评价其药理效应是非常必要的。1996年Olson等将半横断的大鼠脊髓用周围神经移植架桥，并用含有生长因子的胶将脊髓黏接，实验动物后肢的运动功能在术后6个月时部分恢复。还有一些实验证据显示，当给予外源性生长因子损伤后反应性胶质细胞，可促进成年动物轴突的生长。Fryer等发现损伤区星形胶质细胞上缺乏代谢域的神经营养因子TrkB受体表达增高，分析CNS内这种“截短型受体”形成“分子海绵”（moleculiar sponger），神经因子与此类受体结合后难以发挥其促再生效应。

③星形胶质细胞的抑制性物质：不少研究提示，星形胶质细胞产生的轴突抑制分子也是CNS再生失败的重要因素，尤其是细胞外基质（extraceuular matrix，ECM）分子tenascin，已经证明星形胶质细胞产生的tenascm、硫酸软骨素蛋白多糖（chondroitinsulfate proteoglycan，CS－PG）和硫酸角质素蛋白多糖（keratam sulfate proteoglycan，KS－PG）等。体外培养用这些蛋白多糖作培养基质时，神经元与胶质细胞内不易黏附，并限制细胞的迁移和抑制神经突起的生长。但在神经发育过程中却有促细胞迁移和假神经突起生长的作用。Mckeon等研究发现，成年动物CNS损伤后，胶质瘢痕及其周围上述蛋白多糖含量增多；体外实验中从新生动物损伤处得到的星形胶质细胞与神经细胞共培养时可促使神经生长，而成年动物则抑制神经生长；损伤诱导的蛋白多糖同时还可抑制层黏蛋白的促神经再生效应。在胚胎发育时期，星形胶质细胞产生的上述分子，其功能主要是在边界区中起定界作用，限制轴突越轨生长或迷路生长。在成年动物CNS损伤区边界区反应型星形胶质细胞所产生的这类蛋白多糖分子则变为限制轴突再生的屏障。新近的研究显示用酶去除胶质瘢痕中的糖链或中和性抗体可减缓蛋白多糖对轴突再生的抑制作用。应该指出的是，成年动物中正常的环境因子如蛋白多糖的存在，对防止轴突异常生长保持正常的突触联系也十分重要，CNS损伤后星形胶质细胞及其相联的蛋白多糖等分子，可能有防止轴突异常生长形成异制连结的作用，故其对轴突再生的抑制作用应是CNS对损伤正常反应的不良反应。

3．炎性反应在中枢神经再生中的作用 CNS对损伤的炎性反应主要包括两方面，其一是小胶质细胞的活化，其二是外周血液系统的炎性细胞浸润。一般而言，脑的化学性损伤主要是小胶质细胞的炎性反应，穿透伤则主要是外周单核细胞系统的浸润，而且炎性反应的程度取决于损伤的类型及程度。部分学者认为，外周巨噬细胞有限制及延迟进入CNS病灶所引起的受损髓鞘屏障降解，髓鞘成分在病灶区持续存在则是CNS再生障碍的原因之一。

CNS损伤后炎性反应是造成神经组织继发性损伤的原因之一，实验证明，小胶质细胞活化后分泌的细胞因子是重要的继发性损伤因子。中性粒细胞可增加CNS损伤后的炎性反应与坏死。小胶质细胞释放的神经毒性物质杀伤病灶区及其附近的神经元并破坏神经元间的正常联系，一些减轻小胶质细胞与巨噬细胞分泌活性的药物已被用来治疗CNS损伤后的继发性损害。

但从另一个角度看，炎性反应对CNS损伤的修复还有一定促进作用。研究表明，PNS损伤后再生轴突要进入CNS环境需要适量的炎性反应存在。巨噬细胞分泌的一些物质如NGF、NT－3、血小板因子、IL－2等其促进轴突再生，表明炎性细胞分泌适量的活性物质可促进轴突再生。Lazarov－Spiegler及Rab－ehevsky的实验显示，移植适量的外周巨噬细胞或小胶质细胞到CNS损伤区，均可促进轴突的再生。

巨噬细胞和小胶质细胞不仅可促进星形胶质细胞分泌细胞外基质（ECM）成分外，本身也是抑制性ECM成分蛋白多糖的来源之一，这些蛋白多糖可能还有保护其自身不被其分泌的酶降解的作用，但巨噬细胞分泌的蛋白多糖的作用尚需进一步研究。

（四）生长锥与轴突生长导向

1．生长锥的结构与前伸运动神经元像大多数细胞一样，从比较圆形的细胞开始，随着发育过程其轴突沿特定的路线生长、延长，逐渐向靶区神经元等的胞体、树突或轴突建立突触联系，轴突的生长具有严格的方向性。神经元发育或再生时，其突起末端膨大，呈扁形，被cajal称为生长锥。生长锥是可游动的末端，是引导轴突生长的一种感觉结构，轴突的形状记录了生长锥的历史。生长锥的功能与神经突起的生长、轴突特殊途径的选择、靶细胞的识别和突触的形成有关。神经突起的生长、伸长仅发生在生长锥，故生长锥是所有轴突、树突分支活跃生长的尖端。在培养液中，丝足不停地伸展和回缩，探索周围环境的信号，介导生长锥对周围环境信号的伸展和回缩反应，轴突的延伸实际上是生长锥尖端前伸和回缩反应相竞争的结果。生长锥对周围环境信号的反应分为3个阶段：探索周围的环境，并将信号转导细胞体；运动方向的选择；位置的稳定和轴突的塑形。故轴突生长的必须条件为：生长锥前伸，并在合适的环境中保持稳定。

轴突的生长需要神经元胞体合成、供应大量新物质，新合成的胞膜成分由快速轴浆输送至生长锥，所合成的细胞骨架蛋白多由慢速轴浆运输至生长锥，微管的聚合需在生长锥内进行。由于轴突的生长、延长所需的物质均来自神经元胞体，故生长锥的功能受其胞体的调控。但因从生长锥向胞体逆行运输的物质和从胞体向生长锥顺行运输的物质都需要较长的时间，故限制了胞体对生长锥活动的调节作用，生长锥的活动还受所处的局部环境因素调节，包括以下几方面：空间引导作用，轴生长方向上的组织结构如胶质、软骨、血管的被动引导（passive guidence），基底的形状具有“路标样”的作用常影响其延伸方向；电场可以使培养神经细胞的生长锥定向，所有类型轴突都转向阴极；生长锥板足与丝足与基底的黏着；化学趋向性引导，现已相继发现了多种轴突吸引因子（attractants）和排斥因子（repellents）这些因子在CNS发育和再生中，对轴突的正确寻路起着明显的诱向作用，故被称为神经轴突诱向因子。

2．调节轴突生长导向的有关分子现已相继发现了许多促使神经元存活和生长的多种神经因子，它们是多种神经元存活、分化和功能维持的必需因子，但是，单纯的神经因子并不能解释CNS中轴突投射的准确性和靶位选择的特异性。另外，一些实验与临床研究表明，中枢神经损伤后，单纯给予神经因子并不能取得明显的神经再生效果。这些结果高度提示，在CNS中还存在着其他信号分子，在轴突的导路和寻靶过程中起着关键作用，控制着中枢神经的再生。

（1）细胞外基质：细胞外基质（ECM）由胶原蛋白、蛋白多糖、弹性蛋白和细胞外间质糖蛋白组成。目前已发现的细胞外间质糖蛋白有10余种，其中以层粘连蛋白（lanainin）和纤维连接蛋白（fibronectin）对轴突生长的影响研究较多。细胞外基质不仅起支架作用，而且具有特殊的生理功能，各种基质成分之间相互关系密切，共同维持着组织的精密结构和微环境，控制着一定的生理功能。层粘连蛋白由3个亚单位组成一个十字架结构，形成3条短链或1条长链。实验显示，层粘连蛋白对培养的周围神经和某些中枢神经元的神经轴突的生长有强大的促进作用，但不能促进神经元的存活。用抗层粘连蛋白抗体阻断层粘连蛋白，可减缓轴突的生长和成熟，但不能阻断轴突的长出。纤维连接蛋白分子巨大，其分子的不同部位可以与其他分子结合，可促进培养的外周神经元突起的生长，但其作用较层粘连蛋白弱，且不能促进CNS神经元突起的生长。生长锥表面的整合素可识别上述蛋白分子上的Arg－Gly－Asp－ser（RGAS）多肽序列，使生长锥黏附于细胞外基质上，从而促进和引导轴突向一定方向生长。

（2）细胞黏附分子：细胞黏附分子可介导细胞－细胞、细胞－细胞外基质间相互识别、黏附和信号转导等，按其基因家族可分为免疫球蛋白（immunoglobuim）、钙黏素（eadherin）、整合素（integrin）、选择素（selectin）和定址素（addressin）5大类。可以通过同源粘连（homephilic）和异源粘连（hetero－philic）方式作用。一些细胞黏附分子在引导轴突生长过程中发挥接触介导吸引作用，如神经细胞黏附分子［（neutral cell adhesion molecules，N－CAM）和束素Ⅱ（fasciclinⅡ）］；一些可起接触介导排斥作用，如细胞表面的连接蛋白（connectin）；而另一些可起化学吸引作用，如网蛋白Ⅰ（netrinⅠ），而另一些可起化学排斥作用，如导向蛋白Ⅱ（samephorins／collapsins），以及新近发现的Slit等。在CNS中，对轴突的生长产生诱向作用的有4种信号因子，神经元表面产生的起短距离作用的排斥因子和吸引因子；可扩散的起长距离作用的化学排斥因子和吸引因子。在轴突生长过程中，这些信号因子在轴突周围不同时空范围内不均衡量地表达，轴突根据上述信号因子的相互作用的平衡来做出导路决定。现重点讨论参与长距离诱向作用的因子。

①网蛋白（netrins）家族：蛋白家族包括unc－6、netrinA、netrinB、netrin－1、netrin－2等，其结构同源，功能相似。Netrin－1是从胚胎鸡脑组织中提取的分子量为78kD的分泌型蛋白质。胚胎期表达在脊髓腹侧中线处底板（floor plate）细胞，可诱导原来在背侧的痛温觉神经元轴突向腹侧生长，而对背侧投射性的滑车神经元则有排斥作用。原位杂交结果显示，netrin－1在脊髓、延髓、中脑等部位的底板处都有高水平的表达。Netrin－2以较低的水平在底板临近区域表达，提示netrins在胚胎期CNS发育中是广泛存在的诱向因子。在体实验显示，联络神经元轴突在到达底板之前趋向于分泌netrin－1的底板生长，但当穿过底板以后则对底板分泌的netrin－1失去了敏感性，可能与netrin－1激活了底板细胞内信号传递系统，降低了CAMP的水平有关。这种敏感性的改变保证了联络神经元向底板方向投射而又不中止于底板，同时也说明了轴突的投射是一个多种因素共同作用的动态变化过程。

②导向蛋白（semaphorins／collapsins）家族：导向蛋白家族是一大类分泌型或跨膜型糖蛋白，其共同特点是N端都含有532个氨基酸残基组成的保守序列——sema区。该类因子与靶神经元共同培养时，可导致轴突的生长方向逆转和生长锥的萎陷（collapse），故又被称为萎陷蛋白（collapsins）。现已认为Sema区保守序列是致陷功能的关键部位，目前对semaphorineⅢ／collapsi－1（最新命名为semaphorine 3A）研究较深入。

collapsin－1是从成年鸡脑中提取的一种分泌型蛋白，分子量为100kD，包括N端的Sema区、2型Ig样区和c端功能未明的基本序列区（basic region）。体外实验证明，semaphorineⅢ／collapsin－1可特异性地抑制背根神经元和脑神经轴突的延伸，导致生长锥萎陷。原位杂交结果显示，在胚胎发育期，其mRNA水平高表达在脊髓腹侧半，并特异性地抑制背侧投射的皮肤感觉轴突向腹侧投射，而对腹侧投射的肌支则无作用。近年的研究发现。其mRNA在胚胎发育的脑白质、海马、小脑等都有较高水平的表达，提示在皮质向白质的投射、海马及小脑轴突网络的形成中都起着重要作用。Sema区是semaphorines生物学活性的必需部位，但单个的Sema区并不能表现生物学活性，必须通过位于Ig区和基本序列区之间的第723个半胱氨酸形成二聚体才能表现生物学活性。值得注意的是，semaphorines家族的大多数成员都在胚胎期CNS中呈高表达，出生后则表达水平明显下降甚至消失。而collapsine－1来源于成年鸡脑组织这一事说明，成年期动物CNS中也有少量导向蛋白表达，推测其表达可能与正常神经轴突环路的维持以及阻止异常轴突长出有关。同时，导向蛋白在阻止中枢神经再生中也起关键作用。

Slit分子：1999年，美国学者饶毅等在对神经轴突导向和神经细胞迁移研究中发现，一种被称为Slit的分泌性蛋白质，不仅可指导轴突的生长方向，而且Slit从细胞分泌出来后，其浓度梯度可引导神经细胞的迁移导向。Slit既可导向轴突生长，又可以导向神经细胞迁移的事实说明，轴突导向和神经细胞迁移在分子机制上是有共性的，在上述研究之间可以借鉴和移植。最新的研究表明，网蛋白（netrin）对小脑内一些神经细胞的迁移有吸引性。

总之，中枢神经系统的再生已成为神经科学研究的热点，脊髓损伤的修复治疗已成为神经再生研究的新靶点，著名科学家Schwab在Science杂志上预言：综合采用一定的细胞、神经生长调控物质及生物工程等综合策略，脊髓损伤后神经再生在不远的将来将成为现实。

（冯　华　朱　刚）