運動訓練促進脊髓損傷修復機制的研究進展*

施曉會 綜述，李 青 審校

(1.貴州醫科大學臨床醫學院,貴陽 550001；2.貴州醫科大學附屬醫院康復醫學科,貴陽 550004;3.貴州醫科大學附屬醫院創傷骨科,貴陽 550004 )

脊髓損傷(spinal cord injury,SCI)是一種可導致感覺、運動、自主神經系統功能障礙的損傷性疾病，具有極高致殘率。目前，SCI尚無徹底治愈的有效方法，患者往往遺留有永久性殘疾，對自身、家庭及社會都產生了巨大的影響，成為亟待解決的重大醫學難題[1]。近年來，生物醫學技術發展迅速，康復治療成為臨床治療SCI患者不可或缺的一部分。眾多研究表明SCI后早期的運動訓練可以加速運動和感覺功能的恢復[2]，其機制可能是通過減少神經膠質瘢痕和脊髓空洞區域的形成，促進突觸和軸突再生，構建新的神經回路，進而促進SCI動物或患者整體功能的恢復[3-4]，降低SCI后相關并發癥的發生[5]。也可能與SCI患者運動訓練后神經營養因子表達增加有關[6-7]，如神經生長因子(nerve growth factor，NGF)、神經營養因子-3(neurotrophic factor-3，NT-3)、腦源性神經營養因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)等，上述營養因子的增加可減輕遠端神經元的繼發性損害，有助于恢復遠端脊髓的形態。但是目前關于運動訓練參與SCI修復的確切機制尚不十分明確。本文將根據最新文獻就運動訓練促進SCI修復的相關機制進行綜述，為SCI患者后期康復治療方法的選定提供參考。

1 運動訓練可以減輕SCI后的繼發性損傷

SCI的病理過程主要包括脊髓組織遭受機械性外力造成的原發性損傷，以及由此繼發的脊髓缺血、水腫、炎性反應、脂質過氧化、細胞凋亡等級聯反應引起的繼發性損傷。繼發性損傷病程較原發性損傷長且不斷進展，可產生一系列并發癥，具有高致殘率。多項研究[8-11]認為脊髓組織的原發性損傷不可修復，而繼發性損傷的過程是可逆的，且具有被調控性，因此目前SCI治療的方向主要是通過人為干預減輕繼發性損傷，并在最大程度上保留脊髓殘存功能。李萌等[12]發現早期跑臺訓練可能通過減輕脊髓水腫的程度，減少細胞凋亡和炎性反應，促進SCI大鼠后肢運動功能的恢復。趙素香等[13]和潘孟驍等[14]分別通過實驗證明跑臺訓練、減重平板訓練等可刺激血管內皮細胞的有絲分裂活性，影響毛細血管的存活、增殖、黏附、遷移和形成，減輕組織缺血、水腫。COBIANCHI等[15]的實驗表明運動訓練可顯著降低白細胞介素-6(IL-6)、IL-8、C反應蛋白(CRP)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)等炎性因子的表達，抑制小膠質細胞反應。SUN等[16]則通過被動步行運動訓練抑制炎性細胞因子釋放及降低Toll樣受體4/核因子-κB(TLR4/NF-κB)通路的激活，減少炎癥和膠質細胞的活化，促進SCI的康復。另有研究發現經自行車運動訓練的動物可能通過對多個miRNA及其靶標起作用，抑制細胞凋亡[17]，減少組織損傷，增強SCI后功能的恢復。

2 運動訓練可以減少SCI后的神經再生障礙

2.1 運動訓練可以減少物理性的神經再生障礙

SCI后損傷部位會出現一系列繼發性的病理生理反應，進而引起軸突和髓鞘分解，甚至造成神經細胞的死亡。此過程中，在損傷部位周圍被激活的小膠質細胞、星形膠質細胞等形成膠質瘢痕，而在損傷中心則形成纖維化瘢痕[18]。損傷嚴重的患者中，這些瘢痕將貫穿整個脊髓，并可延伸到其他多個節段。但是目前關于膠質瘢痕的作用存在著爭議，其一直被認為是阻礙神經軸突再生的障礙。

在SCI的早期階段，機體內退變的軸突與髓鞘碎片被星型膠質細胞吞噬，并分泌出神經營養素促進神經再生。但是在SCI后期階段，膠質細胞反應性增生，形成了所謂的物理屏障，影響神經纖維的再生。與此同時，蛋白多糖和髓磷脂成分分泌顯著增多，進而使得軸突的延伸受到抑制，導致局部空洞的形成。研究發現規律運動平板訓練可使膠質纖維酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein,GFAP)的表達高峰延遲，其可能原因是運動平板訓練使得星形膠質細胞反應性增生的程度大大降低，減少了膠質瘢痕的形成，從而顯著改善了SCI后期神經纖維再生的微環境[19]。PARK等[20]研究發現粒細胞集落刺激因子(GCSF)聯合跑臺訓練，可增加腦源性神經營養因子(BDNF)表達，降低GFAP表達，使得神經膠質疤痕形成減少，促進SCI大鼠運動功能的恢復。

2.2 運動訓練可以減少化學性的神經再生障礙

SCI后在一系列因素影響下，存在著一個化學上“不允許”的環境阻礙神經再生，該環境富含抑制肽，如信號蛋白、髓鞘源性神經抑制因子(myelin-associated neurite outgrowth inhibitor,Nogo-A)、硫酸軟骨素蛋白聚糖(chondroitin sulfate proteoglycans,CSPGs)和其他蛋白多糖等。Nogo-A是成人中樞神經系統中已知最強的髓鞘源性抑制物，其主要作用是抑制軸突再生和發芽[21]。髓鞘相關糖蛋白(myelin-associated glycoprotein,MAG)是從中樞神經系統的髓鞘中分離出來的一種分子，它不僅可以維持髓鞘的完整性，還能抑制中樞神經系統的軸突生長[22]。NogoA與少突膠質細胞髓鞘糖蛋白(oligodendrocyte-myelin glycoprotein,OMgp)及MAG等多種抑制蛋白一起，通過誘導生長錐塌陷和抑制軸突導向，導致成年中樞神經系統無法再生[23]。周治來等[24]和GHIANI等[25]報道，跑臺訓練、滾筒式網狀訓練及自發性轉籠訓練能減少Nogo-A、MAG及其mRNA的表達，恢復髓鞘的部分屬性，促進軸突生長，加速SCI后肢體功能的恢復。CSPGs主要由反應性星形膠質細胞產生，其可以有效地抑制受損軸突在病變內部和外部的再生。軟骨素酶ABC介導的CSPGs消化促進了軸突萌發、髓鞘重新形成。有研究發現將硫酸軟骨素酶與運動訓練相結合，可以顯著提高SCI后特定功能的恢復[26]。

3 運動訓練可以促進SCI后神經生長因子的分泌

眾所周知，在成年哺乳動物中，其中樞神經系統的神經再生能力有限。主要原因包括軸突生長抑制劑的存在及促進軸突生長的營養因子的缺乏等多重因素。因此，對SCI后的微環境進行調控，如減少抑制性因子、增加相關營養因子的分泌可減少對神經元的損害，促進新神經回路的形成。運動訓練可以通過對脊髓組織微壞境中不利因子與有利因子的分泌進行調控，構建一個適宜的微環境，進而增強軸突的再生能力。動物實驗研究發現經過各種運動訓練的SCI大鼠，其脊髓內BDNF、神經生長導向因子Slit2、人生長相關蛋白-43(growth associated protein 43,GAP-43)、GFAP等的表達均明顯改善[27]。

BDNF是中樞神經系統中水平最高的神經營養因子，參與損傷脊髓神經元的保護和修復。研究表明BDNF在SCI修復中可減輕神經元繼發性損傷，促進突觸重構、軸突生長，為神經的生長創建一個更好的微環境[28]。此外，BDNF還是一種活動依賴性的神經生長因子，跑臺訓練可刺激BDNF在神經系統中的表達[4]。賀曉玉[29]的實驗證明滾筒式網狀訓練和減重平板訓練可以誘導SCI大鼠脊髓內BDNF及其受體TrkB的表達，從而有助于運動功能恢復。

Slits是一種細胞外基質蛋白，主要由神經膠質細胞分泌，它通過排斥導向作用影響軸突生長方向，指導神經發育中其前體細胞的遷移[30]，在軸突再生修復中發揮著重要作用。在脊椎動物中，已經確定了有3個同系物，即Slit1、Slit2、Slit3，其中Slit2已被確認為背根神經節軸突分支和伸長的正調節因子。雷曉婷等[19]研究發現運動訓練可促進Slit2表達，表明Slit2可能在神經損傷后的再生修復過程中發揮作用，引導軸突建立特異的神經通路。

GAP-43是一種可以參與神經細胞再生、突觸發育的軸突膜蛋白[31]。研究表明運動訓練可使皮質GAP-43表達增加，在病變中心的喙側促進受損皮質脊髓束纖維發芽[32]。循環運動增強了本體脊髓神經元的再生，并且這種再生反應增加與再生相關基因GAP-43、β肌動蛋白和神經肽的mRNA水平上調相關[33]。

此外，細胞外調節蛋白激酶(Erk)[34]、絲氨酸-蘇氨酸激酶5(Cdk5)[25]也與SCI修復具有緊密聯系，相關研究均證實運動訓練在其中發揮著重要作用。

4 運動訓練可以促進SCI后神經干細胞的表達

目前研究發現在成年哺乳動物中樞系統中存在一些內源性神經干細胞(endogenous neural stem cells,ENSCs)，它們具有分化為神經元的潛能，ENSCs主要分布在海馬齒狀回的顆粒下層(subgranular zone,SGZ)及側腦室壁的室管膜下區(subventricular zone,SVZ)，也有一定數量的ENSCs分布于白質和脊髓室管膜區[35]。ENSCs在生理情況下處于靜止狀態，在受到各種生理和病理條件的刺激時，如SCI、體育鍛煉等，即可被激活，然后進一步增殖、分化為神經細胞或瘢痕細胞，填補受損組織，使機體機能得到恢復[36]。此外，這些重新增殖分化的細胞還可提供神經營養與內環境穩定因子，協助改善神經生物微環境。根據目前研究發現，運動訓練是激活ENSCs的重要因素之一。室管膜/室管膜下細胞是成年哺乳動物ENSCs的主要來源之一[37]，廣泛分布于脊髓中央管周圍[38]。跑臺訓練可誘導內源性室管膜細胞反應，使其增殖和分化增加，促進運動功能的恢復[39]。相關研究表明運動訓練在促進ENSCs增殖的過程中也產生了許多神經營養因子，如GDNF和BDNF，這些因子反過來介導神經可塑性，從而改善運動功能[40]。此外，ENSCs在發揮神經保護作用的同時也參與了免疫調節，可以減輕繼發性損傷和星形膠質細胞的增生程度，以及因炎性反應引起的細胞凋亡[17]。

5 運動訓練可以誘導SCI后組織的可塑性

5.1 運動訓練可以誘導脊髓的可塑性

人們對SCI后神經及功能恢復的研究發現中樞神經系統具有一定程度的可塑性，即當遭受損傷、周圍環境發生異常或者感覺運動學習時，會本能地做出反應，依靠未損傷的神經元或發芽的軸突與創傷后丟失神經支配的組織重新構建新的神經環路，代替原有已經損傷的神經組織發揮作用，促進損傷部位運動和感知功能的恢復。脊髓的可塑性主要包括神經發生、突觸重構和軸突發芽3個部分。其中，軸突發芽為SCI后突觸適應及代償的主要方式，未損傷的軸突通過側支發芽生長、延伸的方式[41]很好地避開了SCI后星形膠質瘢痕所形成的物理和化學障礙。延長樹突或軸突，重建感覺運動皮層-丘腦-腦干-損傷脊髓神經組織這一神經環路是SCI后治療的核心。目前的實驗研究表明運動訓練有助于脊髓可塑性改變，加快軸突側枝發芽，縮短神經環路的重建進程。FAKHOURY等[42]和MARTINEZ等[43]相繼報道減重平板訓練可促進SCI小鼠脊髓內的軸突再生發芽，增加突觸的密度，誘發形成多個下行通路，形成新的適應性改變，改善小鼠SCI后的運動功能。此外，跑臺訓練可明顯增高大鼠脊髓運動神經元腹角周圍區域突觸素和PSD-95的表達，同時激活運動神經元N-甲基-D-天冬氨酸(N-methy-D-asparicacid,NMDA)受體，激活的NMDA受體進一步調節神經元存活、樹突結構、突觸可塑性和神經元回路。

5.2 運動訓練可以誘導周圍神經的可塑性

SCI后周圍神經往往會產生退行性變，加上中樞神經元受到抑制、壞死或凋亡，導致周圍神經軸突的再生能力明顯受限，嚴重影響SCI后運動功能的恢復效果[44]。運動學習的關鍵是感覺信息，運動訓練通過提供最佳的感覺暗示從而激活脊髓網絡，促進周圍神經軸突的再生，增強感官功能的恢復。ARMADA-DA-SILVA等[45]報道跑臺訓練對周圍神經軸突及感覺神經元再生有積極影響，神經元的再生可能最直接地受到肢體運動的感覺反饋影響。THEISEN等[46]進一步認為跑臺訓練可能是通過上調神經營養因子、增加神經活動來促進周圍神經系統軸突再生。SACHDEVA等[33]則發現循環運動對脊髓提供有節律的感覺刺激，可以增加脊髓內神經營養素的水平和mTOR下游核糖體蛋白S6的磷酸化，該實驗不僅表明神經保護和促再生作用可以促進軸突向周圍神經移植物(peripheral nerve grafts,PNG)的延伸，而且還可能增強突觸活性和神經可塑性，從而增加軸突生長和與PNG以外靶點的重新連接。

5.3 運動訓練可以誘導外周效應器的可塑性

許多患者在SCI后會發生肌肉痙攣，而且損傷后可因骨骼肌缺失神經營養支持與自身廢用易引起肌肉萎縮。SCI患者運動功能的恢復與肌肉質量、功能的恢復密切相關。HOU等[47]的研究提示跑臺訓練聯合經顱磁刺激可以顯著改善大鼠后肢運動，并阻斷SCI后而引發的痙攣，這些步態和痙攣的改善可能與GABAb受體、GAD6、DβH及BDNF的顯著上調有關。另外，運動訓練可以通過重塑骨骼肌結構和肌纖維類型，調節脊髓運動神經元的生理和代謝功能，從骨骼肌等末端執行器官到大腦皮層不同程度地改善功能[2]。除此之外，運動訓練也能減輕肌肉萎縮。跑臺訓練增加了小鼠損傷部位近端的軸突再生和側枝萌發，增加了脊髓中BDNF的表達，改善了中度挫傷大鼠的肌肉萎縮，并改變了脊髓運動神經元的特性。也有研究發現SCI后的運動訓練可增強衛星細胞活性，促進肌纖維形成。LIU等[48]報道跑臺訓練減輕了SCI大鼠肌肉萎縮。SCI后訓練引起肌肉再生與纖維增粗可能與胰島素生長因子(IGF-1)、配對盒(Pax7)陽性細胞核的增加及肌源性調節因子(MRFs)的上調有關。

目前，較為常見的運動訓練方式有跑臺訓練、滾筒式網狀訓練、樓梯攀爬訓練、網格步行、游泳訓練、減重平板訓練、機器人輔助訓練[27]、虛擬現實等[5]，它們通過上述的一種甚至多種機制共同作用促進SCI的修復。但對于何種運動訓練方式對SCI的修復更為有效還需進一步實驗研究。目前的研究越來越傾向于多運動訓練方式聯合，多治療模式的組合來治療完全或不完全SCI[49]。SCI后為取得最佳的康復效果,可根據恢復過程將不同運動訓練方法聯合，合理搭配訓練強度,通過多種機制盡可能全面地恢復機體感覺、運動及自主神經功能，與此同時最大限度地減少長時間單一運動訓練引起的不良反應。此外，也可以通過將運動訓練與細胞療法、激光針灸、電刺激及神經康復等多種模式組合起來，實現更大程度的功能恢復。研究表明[50]神經康復與基于腦機接口的步態訓練方案對SCI患者行走能力的恢復有幫助。通過電刺激植入的電極能強化神經康復,使得慢性完全性SCI患者的站立和行走能力得到部分恢復[51-52],極大改善日常生活質量。

綜上所述，運動訓練作為治療SCI患者的重要康復手段之一，主要通過減輕SCI后的繼發性損傷，減少神經再生障礙，促進神經生長因子分泌，進而促進內源性神經干細胞的表達及誘導組織可塑性等機制，有效改善SCI患者的功能。如何最大化地發揮運動訓練在SCI后功能恢復的作用仍需進一步探索：(1)到底哪種訓練方式、何種強度最為有效？(2)如何將不同運動方式、不同治療模式合理組合達到最佳治療效果？(3)運動訓練在完全性與不完全性SCI中的作用有何不同？期待著更多的相關研究能早日應用于臨床，造福廣大的SCI患者。