經顱磁刺激調控中樞神經系統髓鞘形成的研究進展

高振坤, 申鑫雅, 韓 宇, 韓萍萍綜述, 畢 霞審校

中樞神經系統(central nervous system,CNS)髓鞘形成涉及多種細胞、信號通路和細胞因子的調控。少突膠質細胞(oligodendrocyte,OL)是CNS的髓鞘形成細胞,提供營養支持軸突和產生髓鞘包裹軸突；少突膠質前體細胞(oligodendrocyte progenitor cell,OPC),可增殖分化補充OL；小膠質細胞可以釋放炎癥分子影響OL的發育和髓鞘修復,也可以吞噬髓鞘碎片；星形膠質細胞釋放多種因子調控OL的發育和髓鞘化。

經顱磁刺激(transcranial magnetic stimulation,TMS)是一種安全精準的非侵入性大腦刺激技術。TMS利用置于頭部表面的通電線圈,產生磁場作用于大腦皮質,通過改變神經元動作電位調節神經元興奮性、增加細胞內鈣水平和細胞因子的釋放[1]。自1985年英國學者Barker[2]開創TMS,其在臨床和動物課題中已經有了廣泛的研究。每一種膠質細胞都能直接或間接地對磁刺激作出反應,它們很可能是TMS的細胞效應物。因此,TMS具有促進適應性髓鞘形成的潛力,并最終應用于脫髓鞘疾病的治療。本文以TMS為切入點,對TMS與CNS膠質細胞相互作用共同促進髓鞘形成的相關研究作一闡述。

1 經顱磁刺激對少突膠質譜系細胞的影響

1.1 少突膠質前體細胞 OPC是由來自腦室下區的神經祖細胞(neural progenitor cell,NPC)分化來的,TMS不僅可以促進OPC的增殖分化,也可以促進NPC的增殖分化。Liu等[3]對大鼠海馬中培養的NPCs進行10 Hz重復經顱磁刺激(repetitive transcranial magnetic stimulation,rTMS)(每天960 次刺激,強度1.75 T,共3 d),發現rTMS顯著促進NPC的增殖分化。也有研究證明1 d、3 d、7 d的rTMS(頻率1 Hz,每次25 s,5次/d)均可顯著促進帕金森病小鼠側腦室下區NPC增殖[4]。石海杉等[5]用1 Hz、10 Hz、11 Hz的rTMS(每天刺激15 min,刺激強度500 Gs,1 次/d,共14 d)干預缺血再灌注大鼠,發現3種rTMS均可促進大鼠海馬區NPC的激活,其中10 Hz的rTMS可以促進NPC增殖。

血小板衍生生長因子受體α(platelet-derived growth factor α,PDGFR-α)作為OPC的標記蛋白,可以促進OPC的增殖和分化。 Lee等[6]分別使用0.5 Hz和10 Hz的TMS(每天20 min,刺激強度1 T,共3 d)刺激小鼠神經母細胞瘤細胞,觀察到10 Hz的rTMS可以提高PDGFR-α表達和神經母細胞增殖。對成年小鼠施加10 Hz間隙性Theta 爆發式磁刺激(intermittent theta burst stimulation,iTBS)(每天600次刺激,刺激時間1 min,1 次/d,共28 d),在初級運動皮質(M1)、初級軀體感覺皮質(M2)和次級視覺皮質(V2)發現大量PDGFR-α陽性細胞[7]。Akt通路可以促進OPC增殖分化,雷帕霉素(mammalian target of rapamycin,mTOR)作為Akt的下游分子,可以促進OPC向OL分化[8]。Yang等人[9]證明10 Hz的rTMS(每天1 次,刺激強度1 T,共14 d)可以提高微重力條件下大鼠運動皮質的p-Akt/mTOR蛋白表達,減輕步行能力下降、對側肢體失衡等步態障礙。也有文獻[10]發現電針和0.5 Hz rTMS(每天100次刺激,強度1.44 T,共14 d)的聯合使用可改善血管性癡呆大鼠海馬區的p-Akt/mTOR蛋白表達。

1.2 少突膠質細胞 少突膠質細胞轉錄因子(oligodendrocyte transcription factor,OLIG)可以促進OL的增殖和分化。Dolgova等[11]用40 Hz的iTBS(每天20 min,刺激2 s,間隔8 s,共5 d)刺激神經祖細胞培養基,觀察到神經祖細胞大量表達OLIG1。有實驗對成年小鼠進行10 Hz的iTBS(每天600次刺激,刺激時間192 s,1次/d,共28 d),發現小鼠初級運動皮質和初級感覺皮質中OLIG2陽性細胞數量升高[7]。髓鞘堿性蛋白(myelin basic protein,MBP)是構成髓鞘支架的重要蛋白,可以反映OL的功能和髓鞘含量。10 Hz的rTMS(刺激2 s,間歇 5 s,總刺激量960個,強度3.5 T,共10 d)刺激局灶性腦缺血大鼠,發現OLIG 1和MBP表達明顯升高,且rTMS刺激后神經功能缺損評分降低,表明OLIG 1和MBP可能與rTMS刺激改善腦缺血損傷大鼠后神經功能損傷有關系[12]。崔桂雪等[13]用10 Hz的rTMS(40%強度,總刺激量400 個,共14 d)刺激阿爾茲海默癥大鼠,發現海馬MBP的數量和密度明顯增加,且腦細胞萎縮情況和學習記憶能力明顯改善。

腦源性神經營養因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)可以促進髓鞘形成,是調節OL分化的關鍵蛋白[14]。有實驗分別用20 Hz的rTMS(120%強度,每天800 次刺激,共10 d)和20 Hz的iTBS(80%強度,每天800 次刺激,共10 d)刺激缺血再灌注損傷大鼠,發現兩種刺激均能上調梗死周圍紋狀體BDNF和p-TrkB表達,改善神經功能[15]。細胞外信號調控蛋白激酶1/2(extracellular signal-regulated kinase1/2,ERK1/2)通過細胞內信號級聯轉導細胞外信號,調控OL增殖、分化和存活的相關基因[16]。40 Hz的低場強磁刺激(每天20 min,刺激2 s,間隔8 s,共5 d)干預膠質祖細胞培養基,觀察到TGF-β-ERK1/2通路蛋白表達升高,未成熟OL標記物O4的細胞比例增加[11]。Feng等[17]證明15 Hz的rTMS(100%強度,每天1000次刺激,共21 d)干預抑郁癥大鼠,可以逆轉抑郁癥引起的海馬區BDNF和p-ERK1/2表達下降,而且在停用rTMS刺激14 d后,其治療效果依然存在。mTOR也參與OL的mRNA翻譯,mTOR缺失會導致CNS中成熟OL的數量減少,髓鞘相關蛋白的表達出現異常[18]。使用1 Hz和5 Hz的rTMS(兩種刺激均為每天900 次刺激,強度0.5 T,共10 d)干預血管性癡呆大鼠,發現兩種刺激上調海馬CA1區mTOR蛋白和mTOR下游分子eIF-4E的表達,表明rTMS通過mTOR-eIF-4E途徑減少神經元死亡,逆轉血管性癡呆大鼠的學習記憶障礙[19]。Akt是mTOR通路的上游因子,對OL的增殖分化有重要作用。有實驗使用40 Hz的iTBS(每天20 min,刺激2 s,間隔8 s,共5 d)刺激體外神經祖細胞,觀察到祖細胞中Akt的表達增加,而且大量祖細胞分化為表達OLIG1的OL[11]。

OL為了維持髓鞘和軸突的營養支持,需要長期暴露在高代謝周轉的細胞毒性副產物中,但是OL的抗氧化水平較差,所以容易受到氧化應激的影響,引起DNA損傷[20]。Hui等[21]用rTMS(每天刺激3組,每組20個序列,序列間隔1 s,每組間隔1 min,共14 d)刺激缺血性卒中大鼠,觀察到梗死腦組織丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量降低,超氧化物歧化酶 (superoxide dismutase,SOD)活性增加,神經功能缺損減少。Medina-Fernandez等[22]用60 Hz的TMS(每天刺激2 h,每周5 次,強度0.7 mT,共21 d)刺激實驗性自身免疫性腦脊髓炎大鼠,發現大腦中脂質過氧化和氧化蛋白產物的表達顯著降低,谷胱甘肽(glutathione,GSH)的表達升高。如上結果表明rTMS可通過提高動物的抗氧化能力,減少OL損害并促進髓鞘生成。

2 經顱磁刺激對小膠質細胞的影響

小膠質細胞激活后極化為M1和M2兩種表型,促炎表型的M1小膠質細胞分泌促炎細胞因子引起鄰近OL和髓鞘的損傷,抗炎表型的M2小膠質細胞分泌抗炎細胞因子保護OL免受神經炎癥損傷[23]。有文獻發現10 Hz的rTMS(每天1200 次刺激,每列20 次脈沖,間隔10 s,強度1.26 T,共28 d)刺激缺血性卒中大鼠,激活的小膠質細胞向抗炎表型極化,腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)和白細胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)的表達下降,IL-4和IL-10的表達升高[24]。Zuo等[25]用15 Hz的rTMS(每天1000 次刺激,強度1.76 T,共28 d)刺激抑郁癥小鼠,觀察到海馬和前額葉皮質小膠質細胞的激活被抑制,小膠質細胞從M1表型向M2表型的極化轉變加快,促炎因子IL-6、IL-1β和TNF-α的高表達也被抑制。

M1型小膠質細胞分泌促炎分子構建組織損傷后的炎癥微環境,引起脫髓鞘和OL損傷。Yang等[26]用30～40 Hz的深層rTMS(每個刺激持續2 s,間隔8 s,每天2 min,共14 d)刺激脫髓鞘模型小鼠,發現腦組織中M1小膠質細胞數量減少,IL-1β和IL-6表達下降,胼胝體和尾狀核的OL丟失情況減少,海馬CA3區和額葉皮質的MBP丟失減少。結果表明rTMS可能通過抑制M1小膠質細胞減少OL和髓鞘的損傷。M2型小膠質細胞釋放多種神經營養因子,如轉化生長因子β(transforming growth factor-β,TGF-β)。Dolgova[11]對神經膠質祖細胞實施40 Hz低場強磁刺激(每天20 min,刺激2 s,間隔8 s,共5 d),發現24 h后培養液中TGF-β1的表達瞬時升高,表達晚期OPC標記物的O4細胞數量明顯增加。

3 經顱磁刺激對星形膠質細胞的影響

組織損傷后,經典激活的反應性星形膠質細胞(A1表型)釋放促炎介質放大組織損傷程度,交替激活的星形膠質細胞(A2表型)釋放神經營養因子調控OPC和OL的增殖分化,促進髓鞘修復[27]。有實驗證明10 Hz的rTMS(每天10 min,強度0.57 T,共7 d)刺激缺血性損傷大鼠,促炎因子IL-1β和TNF-α的表達下降,抗炎因子IL-10的表達上升,A1星形膠質細胞的激活被抑制[28]。Zong等[29]對缺血性損傷大鼠施加50 Hz的連續性Theta 爆發式磁刺激(continuous theta burst stimulation,cTBS)(每天5 min,強度200 G,共5 d),觀察到梗死周圍區域抗炎因子的表達升高,星形膠質細胞從A1到A2的表型轉換加快。

過度激活的A1星形膠質細胞可產生細胞因子抑制受損組織的修復。γ干擾素(interferon-γ,IFN-γ)可引起免疫性腦脊髓炎小鼠的低髓鞘和腦組織破壞。注射人間充質干細胞和10 Hz的rTMS(每天20 min,強度1 T,共28 d)聯合治療帕金森癥大鼠,觀察到腦組織中IFN-γ和TNF-α的表達下降,抗炎因子IL-10表達上升。星形膠質細胞也可以釋放TNF-α誘導OPC的死亡[30]。Hong等[28]分別使用1、5、10 Hz的rTMS(每天10 min,強度0.57 T,每天1200次刺激,共2 d)刺激氧糖剝奪損傷的星形膠質細胞,觀察到10 Hz的 rTMS可以抑制TNF-α和IL-1β的高表達,影響星形膠質細胞的極化。A2星形膠質細胞可分泌BNDF和血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)促進少突膠質譜系細胞的分化和存活,減少損傷后的髓鞘破壞。Zong等[31]對腦卒中大鼠實施50 Hz的cTBS(每天5 min,強度200 G,共5 d),觀察到A2星形膠質細胞釋放大量的PDGFR、VEGF和TGF-β,受損血管附近的A1星形膠質細胞向A2極化。

4 總結與展望

綜上,從CNS膠質細胞的角度可以更深刻地觀察到TMS影響髓鞘形成和再生,而且TMS的許多有益作用是神經膠質細胞二次激活的結果(見圖1)。

圖1 經顱磁刺激調控CNS膠質細胞促進髓鞘形成(綠色方框和箭頭表示促進作用；紅色方框和箭頭表示抑制作用；黑色箭頭表示雙重作用)

但仍有幾點有待完善：(1)TMS的刺激參數多樣,如刺激時間,有5 d、14 d、28 d等不同時長的TMS刺激參數。目前關于髓鞘形成的研究,多選擇較長的7 d和14 d。若在同一實驗中,短期刺激和長期刺激是否會有不同的結果還要進一步探討,需研究TMS針對不同特性的膠質細胞如何做出相應的調整。(2)OL是CNS髓鞘生成和修復的關鍵細胞,但成年后在胼胝體中出生的OL只有41%能夠長期存活,軀體感覺皮質中只有22%的OL可以分化為生成髓鞘的成熟OL[32]。這些數據表明CNS的髓鞘化是一個低效且漫長的過程,需制定有效的TMS治療方案促進OL的增殖、分化和存活。(3)小膠質細胞和星形膠質細胞均對髓鞘生成和修復有雙重作用。我們可以通過TMS促進小膠質細胞向M2型極化、星形膠質細胞向A2型極化,促進少突膠質譜系細胞的再生和髓鞘修復。但是M2小膠質細胞和A2形膠質細胞與少突膠質譜系細胞的具體相互作用如何、激活 M2小膠質細胞和A2形膠質細胞的最佳TMS方案如何、M2小膠質細胞和A2形膠質細胞的數量是否越多越好都需要進一步研究。未來還需更多數量、從細胞和分子水平、更與臨床貼合的動物實驗探討TMS與髓鞘形成和再生的潛在機制,為臨床應用提供理論基礎。