李士利(天津市武清區(qū)第二人民醫(yī)院,天津 301700)
流行病學(xué)數(shù)據(jù)顯示,北美每年有12500例SCI新發(fā)病例[1]。病因?qū)W上,超過90%的SCI病例是創(chuàng)傷性的,由交通事故、暴力、運動或跌倒等事件引發(fā)。SCI的男女比例為2∶1,與兒童相比,成人發(fā)生率更高。從人口統(tǒng)計上看,60歲以上發(fā)生SCI的成年人病情與年輕患者相比更嚴(yán)重,他們的損傷通常由跌倒和與年齡相關(guān)的骨質(zhì)疏松引起。下胸椎損傷可導(dǎo)致截癱,而下頸椎的損傷往往導(dǎo)致四肢癱瘓。澳大利亞的研究表明,1955年-2006年間脊髓損傷患者四肢癱瘓和截癱的發(fā)生率分別為91.2%和95.9%[2]。上述脊髓損傷人群40年生存率分別為47%和50%。SCI患者的預(yù)期壽命在很大程度上取決于SCI損傷水平和保留功能。治療經(jīng)濟學(xué)研究提示,在美國,每個脊髓損傷患者的生命周期成本為235萬美元[3]。因此,闡明脊髓損傷的細(xì)胞和分子機制并為這種毀滅性的疾病開發(fā)新的有效治療方法十分重要。在過去的幾十年里,我國進行了大量的脊髓損傷基礎(chǔ)和臨床研究,希望進一步明確脊髓損傷的分子機制,從而找到新的治療方法,從整體上改善患者的預(yù)后[4]。
脊髓損傷通常是由于暴力創(chuàng)傷性影響所致脊椎骨折或脫臼,從而導(dǎo)致的急性創(chuàng)傷性損傷。最初的機械破壞力傳遞到脊髓引起的損傷稱為原發(fā)性損傷,移位的骨碎片、椎間盤往往是造成脊髓受壓的重要因素。創(chuàng)傷性脊髓損傷機制主要有以下3個特點[5]:①脊髓受到持續(xù)外力擠壓;②單獨沖擊和瞬態(tài)沖擊擠壓;③撕裂/橫斷性損傷。最常見的原發(fā)性損傷形式是沖擊加損傷持久擠壓,大多數(shù)情況下是由于骨碎片壓迫脊髓所造成。撕裂傷和橫斷傷損傷、嚴(yán)重脫位或尖銳骨碎片脫位、從輕傷到完全橫斷等損傷特點造成的脊髓損傷程度存在較大差異。與日常生活所造成的創(chuàng)傷性脊髓損傷相比,爆炸損傷是戰(zhàn)場上脊髓損傷的常見原因并涉及多個脊髓節(jié)段,病情往往更為復(fù)雜,預(yù)后更差。2001年-2009年,世衛(wèi)組織調(diào)查發(fā)現(xiàn),在戰(zhàn)區(qū)遭受的SCI與常規(guī)發(fā)生的SCI相比,嚴(yán)重程度增加,神經(jīng)功能恢復(fù)較差[6]。此外,下腰椎爆裂性骨折致使腰骶分離在戰(zhàn)斗中更為常見。無論原發(fā)性損傷的形式如何,造成脊髓損傷的外力會直接對脊髓造成不可逆的損傷,進而破壞血管和細(xì)胞膜,引起脊髓休克、全身性低血壓、血管痙攣,缺血、離子失衡和神經(jīng)遞質(zhì)積累。迄今為止,最有效的臨床治療是早期手術(shù),以減輕對脊髓組織的進一步壓迫。這種減壓手術(shù)應(yīng)在24h內(nèi)完成,越早手術(shù)預(yù)后可能越好??傮w來講,原發(fā)性損傷的程度決定了SCI的嚴(yán)重程度和患者的預(yù)后[7]。
在SCI的臨床治療中,神經(jīng)系統(tǒng)損傷情況大多在傷后72小時使用ASIA評分進行評價。這一時間節(jié)點已被證明能為SCI后的神經(jīng)損傷情況進行精確評估。神經(jīng)功能恢復(fù)的一個重要預(yù)測因素是確定患者為不完全受傷還是完全受傷[8]。隨著時間的推移,SCI患者經(jīng)歷了一些自發(fā)的感覺功能和運動功能恢復(fù),大部分功能恢復(fù)發(fā)生在手術(shù)后最初的3個月到9個月的穩(wěn)定期。SCI的遠(yuǎn)期預(yù)后與損傷嚴(yán)重程度密切相關(guān)。根據(jù)脊髓損傷程度不同,患者會出現(xiàn)截癱或四肢癱瘓。截癱往往是指下肢感覺或運動功能喪失。不完全性截癱患者一般預(yù)后良好,大約四分之三的患者可部分恢復(fù)運動能力。然而,完全性截癱患者的肢體功能恢復(fù)有限。四肢癱瘓是指部分或全部喪失四肢的感覺或運動功能[9-10]。不完全性四肢癱瘓比完全性四肢癱瘓的神經(jīng)功能恢復(fù)要稍好,且最初的肌力是功能恢復(fù)的重要預(yù)測指標(biāo)。
繼發(fā)性損傷在初始的原發(fā)性損傷發(fā)生后幾分鐘內(nèi)便已開始,持續(xù)數(shù)周或數(shù)月。繼發(fā)性損傷往往導(dǎo)致病變周圍脊髓組織的進行性損傷。繼發(fā)性脊髓損傷的概念是由艾倫在1911年提出的[12]。在研究狗的SCI時,他觀察到創(chuàng)傷后血腫的清除改善了神經(jīng)功能的恢復(fù)情況。繼發(fā)性損傷涉及一系列持續(xù)存在的細(xì)胞、分子和生物化學(xué)改變,導(dǎo)致脊髓組織受到進一步的損害而加重神經(jīng)系統(tǒng)功能的缺損。繼發(fā)性損傷在時間上可分為急性期、亞急性期和慢性期[11]。急性期是SCI開始后立即發(fā)生,包括血管損傷、離子失衡、神經(jīng)遞質(zhì)積累(興奮毒性)、自由基形成、鈣內(nèi)流、脂質(zhì)過氧化、炎癥、水腫和壞死細(xì)胞死亡。隨著損傷的進展,亞急性損傷階段開始,包括細(xì)胞凋亡、存活軸突脫髓鞘、軸突壞死、基質(zhì)重塑和進化損傷部位周圍的膠質(zhì)瘢痕[12]。進一步的變化發(fā)生在慢性損傷階段,包括形成囊腔、進行性軸索回縮、神經(jīng)細(xì)胞成熟膠質(zhì)瘢痕等病理生理改變。
3.1 缺血缺氧損傷 脊髓血管供應(yīng)中斷和低灌注是原發(fā)性損傷的早期后果之一。脊髓損傷患者的低血容量和血流動力學(xué)休克、出血和神經(jīng)源性休克會導(dǎo)致?lián)p害脊髓灌注和缺血。組織壓力增加脊髓水腫性損傷和出血性損傷,血管痙攣會進一步擾亂流向血管的血流,從而加重脊髓缺血[13]。在大鼠脊髓損傷模型中,在受傷后的最初幾個小時內(nèi),損傷部位的血流逐漸減少,并保持低位達(dá)24小時[14]。與白質(zhì)相比,脊髓灰質(zhì)更容易發(fā)生缺血性損傷,脊髓灰質(zhì)密度高出5倍毛細(xì)血管床,其對血液供應(yīng)的需求更高。損傷后,白質(zhì)血流量增加,通常在受傷后15分鐘內(nèi)恢復(fù)到正常水平,而灰質(zhì)和腦干則在損傷后可出現(xiàn)明顯的出血改變。血管損傷、出血和缺血最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡和組織破壞,這些損傷的內(nèi)在分子機制包括缺氧、三磷酸腺苷(ATP),興奮毒性、離子失衡、自由基形成和壞死細(xì)胞死亡。此外,缺血組織中血流的重建導(dǎo)致產(chǎn)生自由基和引發(fā)一系列炎癥反應(yīng)也是缺血性氧損傷的重要機制。
3.2 氧化及離子失衡損傷 在原發(fā)性脊髓損傷后幾分鐘內(nèi),直接細(xì)胞損傷和缺血/缺氧引起細(xì)胞外谷氨酸顯著升高,谷氨酸與離子型(NMDA)紅藻氨酸受體結(jié)合,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鈣內(nèi)流,從而引發(fā)神經(jīng)細(xì)胞的損傷[15]。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)Ca2+水平升高時,星形膠質(zhì)細(xì)胞也能釋放過量的谷氨酸,活化星形膠質(zhì)細(xì)胞谷氨酸再攝取能力降低,從而導(dǎo)致SCI環(huán)境中谷氨酸的進一步積累。谷氨酸含量增加是在脊髓損傷后的最初20-30分鐘內(nèi),60分鐘后恢復(fù)到基礎(chǔ)水平。鈣離子濃度的長期異常升高往往對胞質(zhì)溶膠、線粒體或內(nèi)質(zhì)網(wǎng)產(chǎn)生有害作用。在神經(jīng)元中,在谷氨酸誘導(dǎo)的興奮毒性過程中,NMDA受體過度激活導(dǎo)致線粒體鈣超載,從而導(dǎo)致神經(jīng)元凋亡或壞死細(xì)胞死亡[16]。SCI之后不久,鈣離子通過線粒體鈣離子通道進入線粒體,導(dǎo)致鈣超載。鈣超載進一步激活了一系列蛋白激酶以及產(chǎn)生鈣蛋白酶介導(dǎo)蛋白的磷脂酶線粒體失效,從而引起氧化損傷。線粒體鈣超載也會阻礙線粒體功能呼吸和導(dǎo)致ATP耗竭,使Na+/K喪失功能。過剩細(xì)胞內(nèi)Na+逆轉(zhuǎn)Na+/Ca2+交換體的活性允許更多的鈣離子流入,進一步加重細(xì)胞損傷。細(xì)胞去極化激活導(dǎo)致Cl進入的電壓門控Na+通道并和水與鈉離子一起進入細(xì)胞,導(dǎo)致腫脹和水腫加速細(xì)胞破裂死亡。
3.3 神經(jīng)細(xì)胞凋亡和自噬損傷 細(xì)胞凋亡是脊髓損傷后研究最多的細(xì)胞死亡機制。細(xì)胞凋亡是一個程序化的、能量依賴的過程,并在原發(fā)性損傷數(shù)小時內(nèi)開始的細(xì)胞死亡模式。這一過程發(fā)生在原代細(xì)胞存活的細(xì)胞中。在凋亡過程中,細(xì)胞收縮并最終被免疫細(xì)胞吞噬,而不引起炎癥反應(yīng)。細(xì)胞凋亡通常以延遲的方式發(fā)生在某些區(qū)域,而此區(qū)域往往距離受傷部位較遠(yuǎn),脊髓損傷后受其影響最為嚴(yán)重的是少突膠質(zhì)細(xì)胞[17]。在大鼠脊髓損傷中,細(xì)胞凋亡最早發(fā)生在傷后4小時,7天達(dá)到高峰。損傷后7天內(nèi),大多數(shù)少突膠質(zhì)細(xì)胞丟失。細(xì)胞凋亡是通過外在和內(nèi)在途徑誘導(dǎo)并由相關(guān)觸發(fā)機制所引發(fā)的程序性細(xì)胞死亡過程。外在途徑,由死亡受體如Fas和Fas的激活觸發(fā)TNFR1,最終激活半胱天冬酶8,引發(fā)細(xì)胞凋亡[18]。在脊髓損傷中,細(xì)胞凋亡主要是由于損傷誘導(dǎo)的Ca2+內(nèi)流引發(fā),激活半胱天冬酶和鈣蛋白酶,從而引發(fā)細(xì)胞蛋白質(zhì)分解,啟動細(xì)胞凋亡過程。
Fas介導(dǎo)細(xì)胞死亡,被認(rèn)為是脊髓內(nèi)損傷過程中細(xì)胞凋亡的關(guān)鍵機制,缺陷小鼠表現(xiàn)出顯著的SCI后功能恢復(fù)改善[19],提示Fas基因可能是脊髓損傷后抗凋亡策略的重要研發(fā)方向。正常地自噬在維持細(xì)胞凋亡中起著重要作用,通過幫助蛋白質(zhì)的周轉(zhuǎn)來維持細(xì)胞的內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定。在自噬過程中,通過溶酶體依賴機制細(xì)胞降解有害的、有缺陷的蛋白質(zhì)或不必要的細(xì)胞質(zhì)蛋白質(zhì)和細(xì)胞器。自噬的過程發(fā)生始于自噬體的形成,隨后形成吞噬體與溶酶體,并開啟自噬過程。現(xiàn)有證據(jù)表明SCI后自噬具有神經(jīng)保護作用[20]。此類患者體內(nèi)自噬水平明顯減低。自噬通過細(xì)胞凋亡促進細(xì)胞消除有毒蛋白質(zhì)和受損線粒體。同時,自噬在細(xì)胞骨架中也至關(guān)重要,通過降解蛋白質(zhì)重塑和穩(wěn)定神經(jīng)元微管SCG10,參與細(xì)胞骨架的穩(wěn)定性。
3.4 免疫應(yīng)對損傷 神經(jīng)炎癥是繼發(fā)性脊髓傷的關(guān)鍵因素,且具有局部和系統(tǒng)損傷的特點。炎癥最初被認(rèn)為是有害的激素?fù)p傷后反應(yīng)[21]。炎癥的第一階段(受傷后0-2天),主要表現(xiàn)為小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞的趨化和血源性損傷部位的中性粒細(xì)胞浸潤。第二階段,損傷后約3天開始出現(xiàn)炎癥反應(yīng),涉及血源性巨噬細(xì)胞、B淋巴細(xì)胞和T淋巴細(xì)胞募集到受傷部位。T淋巴細(xì)胞通過以下方式激活抗原呈遞:巨噬細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞和其他抗原呈遞細(xì)胞(APCs)。CD4+輔助性T細(xì)胞產(chǎn)生的細(xì)胞因子刺激B細(xì)胞抗體產(chǎn)生并激活吞噬細(xì)胞。在脊髓損傷中,B細(xì)胞產(chǎn)生抗SCI的自身抗體讓脊髓組織受損,加重神經(jīng)炎癥并導(dǎo)致組織破壞。
3.5 免疫細(xì)胞浸潤損傷 脊髓受傷后的最初幾個小時內(nèi),中性粒細(xì)胞從血液中滲入并在趨化作用下聚集到脊髓損傷部位,并在傷后24小時內(nèi)達(dá)到峰值。中性粒細(xì)胞的存在主要局限于SCI的急性期,因為它們很少出現(xiàn)在受傷脊髓的亞急性期。脊髓損傷后中性粒細(xì)胞浸潤的病理生理學(xué)作用仍然存在爭議[22]。中性粒細(xì)胞通常與組織損傷有關(guān),但過低的中性粒細(xì)胞浸潤會影響治療效果并阻礙神經(jīng)功能恢復(fù)。雖然中性粒細(xì)胞最初被認(rèn)為在SCI中是有害的,但新出現(xiàn)的證據(jù)表明它們在修復(fù)過程中起著關(guān)鍵作用。因此,仍需要進一步的調(diào)查來闡明SCI病理生理學(xué)中的中性粒細(xì)胞的生物學(xué)功能。
巨噬細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞在中樞神經(jīng)系統(tǒng)再生中起著重要的作用。它們通過表達(dá)促生長因子促進修復(fù)過程神經(jīng)生長因子(NGF)、神經(jīng)營養(yǎng)素-3(NT)、血栓反應(yīng)蛋白來促進神經(jīng)細(xì)胞修復(fù)。巨噬細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞對于SCI后的愈合十分重要,可以吞噬和清除受損細(xì)胞,降低繼發(fā)損傷程度。巨噬細(xì)胞/小膠質(zhì)細(xì)胞可極化為促炎細(xì)胞或促炎細(xì)胞(M1樣)或抗炎促再生(M2樣)表型,從而對脊髓損傷后的修復(fù)過程起到促進作用[23]。然而,是否小膠質(zhì)細(xì)胞和巨噬細(xì)胞都具有極化能力或者主要是單核細(xì)胞來源的巨噬細(xì)胞具有此特性,這仍然是一個有爭議的問題。一些證據(jù)表明促炎因子M1-與小膠質(zhì)細(xì)胞/巨噬細(xì)胞一樣,也可誘導(dǎo)產(chǎn)生巨噬細(xì)胞針對Th1特異性細(xì)胞因子和TNF-α。TNF-α和細(xì)胞內(nèi)鐵的積累驅(qū)動損傷后巨噬細(xì)胞的M1樣促炎表型受傷。
IL-10是一種有效的免疫調(diào)節(jié)因子,在創(chuàng)傷后修復(fù)和再生中發(fā)揮積極作用。IL-10基因敲除小鼠表現(xiàn)出較高的免疫活性,能夠促炎癥和氧化應(yīng)激介質(zhì)的產(chǎn)生。IL-10的缺乏也與促凋亡因子(如Bax)表達(dá)上調(diào)有關(guān)。最近的研究表明IL-10極化的M2小膠質(zhì)細(xì)胞顯示出增強吞噬作用[24]。研究還發(fā)現(xiàn)M2極化的小膠質(zhì)細(xì)胞可增強神經(jīng)前體細(xì)胞的免疫調(diào)節(jié)能力,可能與IL-10介導(dǎo)的少突膠質(zhì)細(xì)胞分化機制有關(guān)[25]。除了免疫調(diào)節(jié)外,M2類小膠質(zhì)細(xì)胞/巨噬細(xì)胞促進軸突再生。然而,與延長M1的有害影響類似巨噬細(xì)胞反應(yīng),過度的M2樣活性促進纖維化瘢痕形成,不利于脊髓損傷后修復(fù)。因此,促炎癥M1和促再生M1之間的平衡及M2巨噬細(xì)胞/小膠質(zhì)細(xì)胞反應(yīng)有利于脊髓損傷的修復(fù)。
創(chuàng)傷性脊髓損傷是一種異質(zhì)性和復(fù)雜性的病理生理學(xué)改變。雖然經(jīng)過業(yè)內(nèi)人士一個多世紀(jì)的不懈努力,SCI的臨床前研究一直在進行中,但是取得的進展卻并非令人十分滿意。學(xué)界對SCI機制在過去幾年中有了新的認(rèn)識,這主要是得益于新的生物學(xué)機制的發(fā)展、轉(zhuǎn)基因和臨床前動物模型的進步。雖然脊髓損傷研究取得了一定的進步,但其確切的分子機制、損傷-繼發(fā)損傷-修復(fù)等病理生理過程仍未完全明晰。大量的臨床及臨床前研究仍然需要開展,進一步探討其分子機制,為臨床急性脊髓損傷的治療提供方向。