中枢神经再生的营养因子和抑制因子研究进展
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2004年8月15日
程虹综述 丁新生审校 2004-8-8 14:34:57 J Clin Neurol,Feburary 1999,Vol,12.No,1
神经元的发育和再生是神经科学令人关注的研究领域。19世纪末至20世纪初，科学家们发现低等脊椎动物如鱼类和两栖类的中枢和外周神经系统(peripheral nervous system,PNS)损伤后都能再生。然而在哺乳动物中，只有外周神经系统损伤后可以再生，而在中枢神经系统(central nervous system,CNS)则不能。自从Cajal(1928)断言哺乳动物的CNS没有再生能力以来，该领域的研究虽取得许多成果，但一直无重大突破。直至八十年代初Aguayo等发现[1-3]，体外实验中枢神经可以再生，体内神经细胞的轴突不能再生的原因可能为环境因素和抑制因素的限制所致，从此该领域的研究取得一些突破性成果。特别是近十年来的研究工作使人确信，提供适当条件后CNS也是能够再生的。本文对近年来在中枢神经再生方面的研究进展做一综述。
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1 神经营养因子(NTFs)
近20多年来，相继发现了促使神经元存活和生长的多种营养因子[4-6]，包括神经生长因子(NGF)、睫状神经营养因子(CNTF)、脑源的神经营养因子(BDNF)、神经营养因子-3(NT-3)及视网膜神经细胞诱向因子(RGNTF)等。
1.1神经生长因子(NGF) Levi Montalcini(1952)发现的神经生长因子(NGF)，揭示神经生长的必要条件，为神经科学开拓出崭新的领域。由小鼠颌下腺提取的NGF，分子量为140KD，在机体组织器官(包括脑)有广泛的分布。其生物效应是维持和促进发育中的交感神经细胞及来自神经嵴的感觉神经细胞的存活、分化、成熟以及执行其功能。给新生动物注入抗NGF抗体将使交感神经系统产生永久性的损害，其损害程度与动物的日龄成反比；将NGF注入新生大鼠隔区、海马和新皮质，这些脑区胆碱能神经元的CAMP活性明显升高，胆碱乙酰酶活性增高2倍，表明NGF对脑细胞的正常发育和功能维持有明显作用。对NGF的反应随神经元培养日龄的增加而减弱。与老龄细胞NGF受体减少有关。更为突出的是NGF对轴突生长方向具有决定性的诱导作用。如连续7-10天给新生大鼠脑内注入NGF，交感神经细胞的神经纤维将通过背根节进入脊髓，并向注入NGF的脑干方向生长。此外，NGF具有调节神经元前体细胞增殖和分化的作用[7]。
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1.2睫状神经营养因子(CNTF) 睫状神经营养因子(CNTF)最初是自鸡胚眼球脉络膜、睫状体和虹膜，随后自成年大鼠及兔坐骨神经中分离提取的分子量为20-24KD的酸性蛋白质，因能促进体外培养的鸡胚副交感睫状节神经原存活而命名[8]。许多研究表明[9～10]，CNTF能支持多种类型神经元存活(如副交感神经元、交感节前、后神经元、感觉神经元、脊髓运动神经元等)，抑制鸡胚交感神经元的增殖，并促使其向胆碱能分化[11]。尽管CNTF在体内外研究中具有广泛的生物学效应，但其在体内却仅存在于周围神经的Schwann细胞和中枢神经的星形胶质细胞的，轴突及髓鞘中不存在。在病理条件下，CNTF对保护神经元免于在轴突切断后变性坏死可能有很大影响。
1.3脑源的神经营养因子(BDNF) 脑源的神经营养因子(BDNF)是由猪脑提取液中获得的一种神经营养因子，为分子量12.3KD的碱性蛋白。其氨基酸序列55%-60%与NGF、NT-3同源。它不但对多种神经元的发育分化和生长再生具有维持和促进作用，也能挽救损伤的脊髓运动神经元和感觉神经元。将胚胎脊髓植入成鼠脊髓后，对BDNF的变化作原位斑点分子杂交。术后15天移植物仍呈现很强的分子杂交反应，而未经移植的成鼠脊髓损伤7天后杂交反应强度下降。损伤神经再生持续的时间延长，正常情况下再生非常有限的脊髓神经纤维向移植方向迅速延伸，提示BDNF为损伤神经元提供营养。目前，国外已开始试用脑内注射BDNF治疗某些神经系统疾病(如Parkinson病、肌萎缩侧索硬化症等)，其治疗有一定效果，但由于大规模生产和用药途径等问题未得到解决，目前还不能真正应用于临床[12-14]。
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1.4 其他神经营养因子 此外，神经营养因子-3(NT-3)为分子量13.6KD的蛋白，对鸡背根节、三叉神经节部分神经原和交感神经节有生物学效应。视网膜神经节细胞诱向因子(RGNTF)为30KD的蛋白，具有支持和促进视网膜神经节细胞的存活和生长作用，同时对其突起有明显的诱导作用。研究中发现，RGNTF能使培养的新生大鼠视网神经节细胞存活增加12倍，RGNTF单克隆抗体对视网膜神经节细胞生长活性的抑制达70%。进一步研究表明，出生后RGNTF主要由上丘的神经细胞合成，并随年龄的增长而减少[15，16]。
现认为，PNS的髓鞘是施旺细胞(Schwann cell)，可产生神经营养因子，促进PNS轴突生长；但CNS的髓鞘是少突胶质细胞(oligodendrocyte)，产生神经生长抑制因子(neurites growth inhibitor)，不利于CNS轴突的再生。如果一个神经细胞在轴突损伤后能存活下来，还必须通过某些机制使轴突延长并与相应的靶器官重建联系，在CNS中轴突通常缺乏这种能力。以往都认为是缺乏再生的神经营养因子所致，但新的观点认为，CNS中存在神经生长抑制因子，该方面的发展为研究中枢神经再生开辟了新途径。
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2 神经生长抑制因子(NGI)
现普遍认为，在CNS的神经生长、再生时，引导轴突向靶器官生长延伸过程中存在4种信号类型：由神经细胞表面分子所产生的超短距离作用的排斥因子和吸引因子；可扩散的超长距离作用的化学排斥因子(chemorepellents)和化学吸引因子(chemoattctants)[17，18]。
上述吸引因子和排斥因子对于引导轴突延伸起着同等重要的作用。Raper等认为，分子的短距离作用是通过轴突对细胞的粘附和接触而发生作用[19]。 tessier-Lavigne研究组在1994年发现了netrin-1[20]，这一因子是神经靶细胞释放的吸引相应轴突的一种蛋白。这是几十年来所发现的第一个起化学吸引作用的因子。
2.1Collapsin/Semaphorin 随后相继发现了一些发育中的神经细胞分泌的化学排斥因子。Raper研究组的罗氏和Tessier-Lavigne研究组分别发现了化学排斥因子Collapsin-1/SemaphorinⅢ[18,21],二者结构相似，作用相同，可特异性引起轴突冠(growth cone)萎缩，并抑制轴突延伸，因此起了抑制轴突生长延伸的作用和排斥性引导作用。所谓排斥性引导是指对不同的神经元作用不同，其抑制性作用有特异性，能特异性阻断某种神经元轴突的生长，而对其他某些神经元轴突的生长无抑制作用。结果表现为一些特定的神经元的轴突生长受到抑制和排斥作用，而另一些未受抑制和排斥作用的神经元的轴突可按一定方面生长，从而起了排斥性引导作用。Collapsin-1来源于鸡的脑组织，为分子量100KD的分泌型糖蛋白，经静电作用与细胞膜结合，具有高度活性。体外实验在浓度为10pm就可引起背根神经节(DRG)的生长冠萎缩。其mRNA主要分布在脊髓腹侧[22]。对DRG的皮肤感觉支轴突有抑制作用，而对肌支无活性作用[23]。Collapsin-1存在于各种动物中，鸡与人的Collapsin-1有90%的氨基酸序列相同，提示有相同功能。现已发现有多种来源于鸡的Collapsin分子，相互间在结构上约有50%氨基酸序列相同，其抑制作用有特异性，Collapsin-1仅作用于DRG，而Collapsin-3仅作用交感神经节，其它Collapsin分子的作用尚不明确[24]。
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2.2 Collapsin/Semaphorin的受体和抗体 1997年已分别由Tessier-Lavigne研究组和Ginty研究组报道发现了semaphorinⅢ的受体—Neuropilin[25，26]，一种膜转运蛋白，存在于包括DRG神经元和脊髓运动神经无在内的多种神经元上，抗Neuropilin抗体可阻断Semaphorin-Ⅲ的排斥作用[25]。另外，Raper研究组也发现了Collapsin-1的抗体。目前，已发现Semaphorin/collapsin族含有多种因子[24]。不同的因子特异地作用于相应的神经元，关于已发现的抑制因子及其受体作用、分布，新因子的发现及作用的研究还需深入进行。至于多种抑制因子之间、抑制因子与营养因子有无相互联系及联系方式，抑制因子的基因调控及其临床应用前景、CNS损伤后能否重建神经发育的内环境等，以上问题的探讨将是未来非常有意义的工作。
最近Oorshot DE的研究表明[27]：提供一定的外界环境条件下，哺乳动物CNS神经纤维在损伤后可以再生。曾有学者将外周神经移植到中枢神经损伤区，观察到中枢神经的再生纤维在外周神经移植物中延伸相当长的距离。但若预先破坏移植的外周神经的Schwann细胞，损伤的轴突则不能长入外周神经移植物中，提示Schwann细胞分泌对CNS再生有促进作用的神经营养因子[28]。再生纤维进入CNS靶区后生长再次受阻，往往不超过1mm。以前学者多主张施用神经营养因子以促进其生长，将来也可以施用生长抑制因子的抗体来阻断抑制因子的作用，促进CNS再生。
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总之，近年的研究已预示CNS再生不再是不可能的。这方面的研究已成为新的热点，相信中枢神经损伤后的再生治疗将为期不远。
参考文献
Richardson PM,McGuimess UM,Aguayo AJ,Nature,1980,184;264
Aguayo AJ,Benfey M,David S,Birth-De-fects-Orig-Artic -Ser,1983,19:327
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韩济生编，神经科学纲要，第1版，1993，797
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Gupta SK,Altares M,Benoit R,et al.J Neurochem,1992,23:481
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李兵仓，王正国，朱佩芳，等。中华医学杂志，1997，77：517
周明华，任峰，赵丽萍，实验生物学报，1991；24：293
周明华，赵丽萍，任麟孙，中国科学，1991,B1:50
Fitzgerald M,Kwiat GC,Middleton J,et al..Development,1993,117:1377
Messersmith EK,Leonardo ED,Shatz CJ et al.Neuron,1995,14:949
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Ivins JK,Raper JA,Pittman RN,J Neurosci,1991,11:1597
Serafini T,Kennedy TE,Galko MJ,et al.Cell,1994,78:409
Luo Y,Raible D,Raper JA,Cell 1993,75:217
Shepherd I,Luo Y,Raper JA,et al.Dev Biol,1996,173:185
Serafini T,Kennedy TE,Galko MJ,et al.Cell ,1994,78:409
Luo Y,Shepherd I,Li J,et al.Neuron,1995 Jun,14:1131
He Z,Tessier Lavigne M,Cell ,1997,90:739
Kolokin AL,Levengood DV,Rowe EG,et al.Cell ,1997,90:753
Oorschot DE,Jones DG,Adv-Anat-Em-bryol-Cell-Biol,1990,119:1
Aguayo AJ,Bray GM,Rasiminsky M,et al.J Exp Biology,1990,153:199, 百拇医药
神经元的发育和再生是神经科学令人关注的研究领域。19世纪末至20世纪初，科学家们发现低等脊椎动物如鱼类和两栖类的中枢和外周神经系统(peripheral nervous system,PNS)损伤后都能再生。然而在哺乳动物中，只有外周神经系统损伤后可以再生，而在中枢神经系统(central nervous system,CNS)则不能。自从Cajal(1928)断言哺乳动物的CNS没有再生能力以来，该领域的研究虽取得许多成果，但一直无重大突破。直至八十年代初Aguayo等发现[1-3]，体外实验中枢神经可以再生，体内神经细胞的轴突不能再生的原因可能为环境因素和抑制因素的限制所致，从此该领域的研究取得一些突破性成果。特别是近十年来的研究工作使人确信，提供适当条件后CNS也是能够再生的。本文对近年来在中枢神经再生方面的研究进展做一综述。
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1 神经营养因子(NTFs)
近20多年来，相继发现了促使神经元存活和生长的多种营养因子[4-6]，包括神经生长因子(NGF)、睫状神经营养因子(CNTF)、脑源的神经营养因子(BDNF)、神经营养因子-3(NT-3)及视网膜神经细胞诱向因子(RGNTF)等。
1.1神经生长因子(NGF) Levi Montalcini(1952)发现的神经生长因子(NGF)，揭示神经生长的必要条件，为神经科学开拓出崭新的领域。由小鼠颌下腺提取的NGF，分子量为140KD，在机体组织器官(包括脑)有广泛的分布。其生物效应是维持和促进发育中的交感神经细胞及来自神经嵴的感觉神经细胞的存活、分化、成熟以及执行其功能。给新生动物注入抗NGF抗体将使交感神经系统产生永久性的损害，其损害程度与动物的日龄成反比；将NGF注入新生大鼠隔区、海马和新皮质，这些脑区胆碱能神经元的CAMP活性明显升高，胆碱乙酰酶活性增高2倍，表明NGF对脑细胞的正常发育和功能维持有明显作用。对NGF的反应随神经元培养日龄的增加而减弱。与老龄细胞NGF受体减少有关。更为突出的是NGF对轴突生长方向具有决定性的诱导作用。如连续7-10天给新生大鼠脑内注入NGF，交感神经细胞的神经纤维将通过背根节进入脊髓，并向注入NGF的脑干方向生长。此外，NGF具有调节神经元前体细胞增殖和分化的作用[7]。
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1.2睫状神经营养因子(CNTF) 睫状神经营养因子(CNTF)最初是自鸡胚眼球脉络膜、睫状体和虹膜，随后自成年大鼠及兔坐骨神经中分离提取的分子量为20-24KD的酸性蛋白质，因能促进体外培养的鸡胚副交感睫状节神经原存活而命名[8]。许多研究表明[9～10]，CNTF能支持多种类型神经元存活(如副交感神经元、交感节前、后神经元、感觉神经元、脊髓运动神经元等)，抑制鸡胚交感神经元的增殖，并促使其向胆碱能分化[11]。尽管CNTF在体内外研究中具有广泛的生物学效应，但其在体内却仅存在于周围神经的Schwann细胞和中枢神经的星形胶质细胞的，轴突及髓鞘中不存在。在病理条件下，CNTF对保护神经元免于在轴突切断后变性坏死可能有很大影响。
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1.4 其他神经营养因子 此外，神经营养因子-3(NT-3)为分子量13.6KD的蛋白，对鸡背根节、三叉神经节部分神经原和交感神经节有生物学效应。视网膜神经节细胞诱向因子(RGNTF)为30KD的蛋白，具有支持和促进视网膜神经节细胞的存活和生长作用，同时对其突起有明显的诱导作用。研究中发现，RGNTF能使培养的新生大鼠视网神经节细胞存活增加12倍，RGNTF单克隆抗体对视网膜神经节细胞生长活性的抑制达70%。进一步研究表明，出生后RGNTF主要由上丘的神经细胞合成，并随年龄的增长而减少[15，16]。
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2 神经生长抑制因子(NGI)
现普遍认为，在CNS的神经生长、再生时，引导轴突向靶器官生长延伸过程中存在4种信号类型：由神经细胞表面分子所产生的超短距离作用的排斥因子和吸引因子；可扩散的超长距离作用的化学排斥因子(chemorepellents)和化学吸引因子(chemoattctants)[17，18]。
上述吸引因子和排斥因子对于引导轴突延伸起着同等重要的作用。Raper等认为，分子的短距离作用是通过轴突对细胞的粘附和接触而发生作用[19]。 tessier-Lavigne研究组在1994年发现了netrin-1[20]，这一因子是神经靶细胞释放的吸引相应轴突的一种蛋白。这是几十年来所发现的第一个起化学吸引作用的因子。
2.1Collapsin/Semaphorin 随后相继发现了一些发育中的神经细胞分泌的化学排斥因子。Raper研究组的罗氏和Tessier-Lavigne研究组分别发现了化学排斥因子Collapsin-1/SemaphorinⅢ[18,21],二者结构相似，作用相同，可特异性引起轴突冠(growth cone)萎缩，并抑制轴突延伸，因此起了抑制轴突生长延伸的作用和排斥性引导作用。所谓排斥性引导是指对不同的神经元作用不同，其抑制性作用有特异性，能特异性阻断某种神经元轴突的生长，而对其他某些神经元轴突的生长无抑制作用。结果表现为一些特定的神经元的轴突生长受到抑制和排斥作用，而另一些未受抑制和排斥作用的神经元的轴突可按一定方面生长，从而起了排斥性引导作用。Collapsin-1来源于鸡的脑组织，为分子量100KD的分泌型糖蛋白，经静电作用与细胞膜结合，具有高度活性。体外实验在浓度为10pm就可引起背根神经节(DRG)的生长冠萎缩。其mRNA主要分布在脊髓腹侧[22]。对DRG的皮肤感觉支轴突有抑制作用，而对肌支无活性作用[23]。Collapsin-1存在于各种动物中，鸡与人的Collapsin-1有90%的氨基酸序列相同，提示有相同功能。现已发现有多种来源于鸡的Collapsin分子，相互间在结构上约有50%氨基酸序列相同，其抑制作用有特异性，Collapsin-1仅作用于DRG，而Collapsin-3仅作用交感神经节，其它Collapsin分子的作用尚不明确[24]。
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2.2 Collapsin/Semaphorin的受体和抗体 1997年已分别由Tessier-Lavigne研究组和Ginty研究组报道发现了semaphorinⅢ的受体—Neuropilin[25，26]，一种膜转运蛋白，存在于包括DRG神经元和脊髓运动神经无在内的多种神经元上，抗Neuropilin抗体可阻断Semaphorin-Ⅲ的排斥作用[25]。另外，Raper研究组也发现了Collapsin-1的抗体。目前，已发现Semaphorin/collapsin族含有多种因子[24]。不同的因子特异地作用于相应的神经元，关于已发现的抑制因子及其受体作用、分布，新因子的发现及作用的研究还需深入进行。至于多种抑制因子之间、抑制因子与营养因子有无相互联系及联系方式，抑制因子的基因调控及其临床应用前景、CNS损伤后能否重建神经发育的内环境等，以上问题的探讨将是未来非常有意义的工作。
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