創(chuàng)傷性急性脊髓損傷病理生理特點及損傷分子機制研究進展

李士利（天津市武清區(qū)第二人民醫(yī)院,天津 301700）

流行病學數(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。下胸椎損傷可導致截癱，而下頸椎的損傷往往導致四肢癱瘓。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后[4]。

1 SCI的損傷及其特征

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，病情往往更為復雜，預后更差。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，嚴重程度增加，神經(jīng)功能恢復較差[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)應在24h內(nèi)完成，越早手術(shù)預后可能越好。總體來講，原發(fā)性損傷的程度決定了SCI的嚴重程度和患者的預后[7]。

2 SCI后患者神經(jīng)功能

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)功能恢復的一個重要預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，大部分功能恢復發(fā)生在手術(shù)后最初的3個月到9個月的穩(wěn)定期。SCI的遠期預后與損傷嚴重程度密切相關(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后良好，大約四分之三的患者可部分恢復運動能力。然而，完全性截癱患者的肢體功能恢復有限。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)功能恢復要稍好，且最初的肌力是功能恢復的重要預測指標。

3 繼發(fā)損傷機制

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)功能的恢復情況。繼發(fā)性損傷涉及一系列持續(xù)存在的細胞、分子和生物化學改變，導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、水腫和壞死細胞死亡。隨著損傷的進展，亞急性損傷階段開始，包括細胞凋亡、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休克、出血和神經(jīng)源性休克會導致?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倍毛細血管床，其對血液供應的需求更高。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、出血和缺血最終導致細胞死亡和組織破壞，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胞死亡。此外，缺血組織中血流的重建導致產(chǎn)生自由基和引發(fā)一系列炎癥反應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)，直接細胞損傷和缺血/缺氧引起細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，導致細胞內(nèi)鈣內(nèi)流，從而引發(fā)神經(jīng)細胞的損傷[15]。當細胞內(nèi)Ca2+水平升高時，星形膠質(zhì)細胞也能釋放過量的谷氨酸，活化星形膠質(zhì)細胞谷氨酸再攝取能力降低，從而導致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分鐘后恢復到基礎水平。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，在谷氨酸誘導的興奮毒性過程中，NMDA受體過度激活導致線粒體鈣超載，從而導致神經(jīng)元凋亡或壞死細胞死亡[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致ATP耗竭，使Na+/K喪失功能。過剩細胞內(nèi)Na+逆轉(zhuǎn)Na+/Ca2+交換體的活性允許更多的鈣離子流入，進一步加重細胞損傷。細胞去極化激活導致Cl進入的電壓門控Na+通道并和水與鈉離子一起進入細胞，導致腫脹和水腫加速細胞破裂死亡。

3.3 神經(jīng)細胞凋亡和自噬損傷 細胞凋亡是脊髓損傷后研究最多的細胞死亡機制。細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)開始的細胞死亡模式。這一過程發(fā)生在原代細胞存活的細胞中。在凋亡過程中，細胞收縮并最終被免疫細胞吞噬，而不引起炎癥反應。細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，脊髓損傷后受其影響最為嚴重的是少突膠質(zhì)細胞[17]。在大鼠脊髓損傷中，細胞凋亡最早發(fā)生在傷后4小時，7天達到高峰。損傷后7天內(nèi)，大多數(shù)少突膠質(zhì)細胞丟失。細胞凋亡是通過外在和內(nèi)在途徑誘導并由相關(guān)觸發(fā)機制所引發(fā)的程序性細胞死亡過程。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)細胞凋亡[18]。在脊髓損傷中，細胞凋亡主要是由于損傷誘導的Ca2+內(nèi)流引發(fā)，激活半胱天冬酶和鈣蛋白酶，從而引發(fā)細胞蛋白質(zhì)分解，啟動細胞凋亡過程。

Fas介導細胞死亡，被認為是脊髓內(nèi)損傷過程中細胞凋亡的關(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胞降解有害的、有缺陷的蛋白質(zhì)或不必要的細胞質(zhì)蛋白質(zhì)和細胞器。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。自噬通過細胞凋亡促進細胞消除有毒蛋白質(zhì)和受損線粒體。同時，自噬在細胞骨架中也至關(guān)重要，通過降解蛋白質(zhì)重塑和穩(wěn)定神經(jīng)元微管SCG10，參與細胞骨架的穩(wěn)定性。

3.4 免疫應對損傷 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。炎癥最初被認為是有害的激素損傷后反應[21]。炎癥的第一階段（受傷后0-2天），主要表現(xiàn)為小膠質(zhì)細胞和星形膠質(zhì)細胞的趨化和血源性損傷部位的中性粒細胞浸潤。第二階段，損傷后約3天開始出現(xiàn)炎癥反應，涉及血源性巨噬細胞、B淋巴細胞和T淋巴細胞募集到受傷部位。T淋巴細胞通過以下方式激活抗原呈遞：巨噬細胞、小膠質(zhì)細胞和其他抗原呈遞細胞（APCs）。CD4+輔助性T細胞產(chǎn)生的細胞因子刺激B細胞抗體產(chǎn)生并激活吞噬細胞。在脊髓損傷中，B細胞產(chǎn)生抗SCI的自身抗體讓脊髓組織受損，加重神經(jīng)炎癥并導致組織破壞。

3.5 免疫細胞浸潤損傷 脊髓受傷后的最初幾個小時內(nèi)，中性粒細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)達到峰值。中性粒細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胞浸潤的病理生理學作用仍然存在爭議[22]。中性粒細胞通常與組織損傷有關(guān)，但過低的中性粒細胞浸潤會影響治療效果并阻礙神經(jīng)功能恢復。雖然中性粒細胞最初被認為在SCI中是有害的，但新出現(xiàn)的證據(jù)表明它們在修復過程中起著關(guān)鍵作用。因此，仍需要進一步的調(diào)查來闡明SCI病理生理學中的中性粒細胞的生物學功能。

巨噬細胞和小膠質(zhì)細胞在中樞神經(jīng)系統(tǒng)再生中起著重要的作用。它們通過表達促生長因子促進修復過程神經(jīng)生長因子（NGF）、神經(jīng)營養(yǎng)素-3（NT）、血栓反應蛋白來促進神經(jīng)細胞修復。巨噬細胞和小膠質(zhì)細胞對于SCI后的愈合十分重要，可以吞噬和清除受損細胞，降低繼發(fā)損傷程度。巨噬細胞/小膠質(zhì)細胞可極化為促炎細胞或促炎細胞（M1樣）或抗炎促再生（M2樣）表型，從而對脊髓損傷后的修復過程起到促進作用[23]。然而，是否小膠質(zhì)細胞和巨噬細胞都具有極化能力或者主要是單核細胞來源的巨噬細胞具有此特性，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)細胞/巨噬細胞一樣，也可誘導產(chǎn)生巨噬細胞針對Th1特異性細胞因子和TNF-α。TNF-α和細胞內(nèi)鐵的積累驅(qū)動損傷后巨噬細胞的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激介質(zhì)的產(chǎn)生。IL-10的缺乏也與促凋亡因子（如Bax）表達上調(diào)有關(guān)。最近的研究表明IL-10極化的M2小膠質(zhì)細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)細胞可增強神經(jīng)前體細胞的免疫調(diào)節(jié)能力，可能與IL-10介導的少突膠質(zhì)細胞分化機制有關(guān)[25]。除了免疫調(diào)節(jié)外，M2類小膠質(zhì)細胞/巨噬細胞促進軸突再生。然而，與延長M1的有害影響類似巨噬細胞反應，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。因此，促炎癥M1和促再生M1之間的平衡及M2巨噬細胞/小膠質(zhì)細胞反應有利于脊髓損傷的修復。

4 展望

創(chuàng)傷性脊髓損傷是一種異質(zhì)性和復雜性的病理生理學改變。雖然經(jīng)過業(yè)內(nèi)人士一個多世紀的不懈努力，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。學界對SCI機制在過去幾年中有了新的認識，這主要是得益于新的生物學機制的發(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。