引用本文： 徐筑秋, 楊曉楠, 祁佐良. 細胞自噬在周圍神經損傷及再生中研究進展. 中國修復重建外科雜志, 2017, 31(1): 122-125. doi: 10.7507/1002-1892.201611136 復制
周圍神經損傷是指原發或繼發于周圍神經系統的病變，是外科臨床的常見疾病之一。常見的引起周圍神經損傷的原因有創傷、腫瘤、代謝性疾病等，其中創傷最為常見。每年由創傷單一因素導致的周圍神經損傷患者超過 50 萬例，約占創傷患者總數的 2.8%，而其功能恢復率低于 50%，預后較差[1-2]。因此，研究周圍神經損傷的發病機制，尋找新的治療靶點，探索新的治療方法，進而提高患者的生活質量，改善預后，一直是廣大學者關注的重點和難點。
周圍神經損傷后將經歷一系列復雜的變化過程，涉及多層面的細胞活動，其中包括雪旺細胞的自噬。自噬是細胞在極端條件下的降解和循環利用體內物質的過程，目前已證實自噬參與了多種疾病的發生、發展，如神經退行性病變[3]、腫瘤性疾病[4]、遺傳性肌病[5]等。近年來也有學者發現，雪旺細胞的自噬作為瓦勒變性的伊始，在周圍神經損傷后的一系列病理生理變化過程中起到了重要作用[6-8]。因此，本文主要回顧近 5 年相關文獻，對細胞自噬與周圍神經損傷后再生的相關性及參與機制進行系統綜述，旨在補充并完善對周圍神經損傷后病理變化的認知，同時為臨床探尋周圍神經疾病的治療提供新思路。
1 細胞的自噬機制
自噬是指細胞在受到創傷、饑餓、缺氧、感染等應激狀態下的一種自我保護機制，這一過程可以無選擇性地發生于所有真核細胞中，真核細胞通過自噬作用清除老化的細胞器和蛋白，以此來維持細胞生長發育的平衡。根據結合分子方式的不同，細胞的自噬可分為巨自噬、微自噬和分子伴侶介導的自噬，哺乳動物細胞中以巨自噬為主。自噬過程最主要的誘發因素是饑餓，即細胞營養物質的缺乏，此外也可通過一些感染、損傷、特定的蛋白如熱休克蛋白、細胞因子如 TNF 等選擇性地引發[9-11]。首先，細胞的饑餓等作為誘發信號能夠抑制哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mTor）激酶，mTor 是一種營養物質敏感的調節蛋白，雷帕霉素可抑制其活性從而激發自噬過程[12]。隨后，mTor 活性降低，負性調節促進自噬相關蛋白復合物（autophagy associated gene 1/Unc-51-like kinase，Atg1/ULK）的形成，對后續內質網聚合形成孤立膜結構起到關鍵作用[13-14]。激活的 ULK 復合物作用于 Bcl-2 凋亡蛋白復合體，釋放出 Beclin-1 蛋白，游離的 Beclin-1 蛋白再與空泡分選蛋白 VPS34、VPS15 等結合為磷脂酰肌醇-3 激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）復合物。3-甲基酰嘌呤是常用的自噬抑制劑，能夠通過抑制 PI3K 的活性來抑制自噬過程[15]。ULK 復合物與 PI3K、WIPI2b（WD-repeat domain Phosphoinositide Interacting）、輕鏈蛋白（Light Chain 3，LC-3）等共同結合于內質網上特定的區域，催化產生磷脂酰肌醇-3-磷酸（phosphatidylinositol 3-phosphate，PI3P），PI3P 是一種自噬小體形成的必須成分，可以特異性地結合多種效應蛋白如 WIPIs、鋅指蛋白等，使內質網基膜穩態破壞，繼而聚集、折疊形成孤立膜結構[13-14]。最后，孤立膜結構繼續延展、卷曲、包裹細胞質與細胞器、閉合，形成自噬小體[16]。自噬小體在多種信號蛋白和作用因子的介導下，定向向溶酶體移動，并通過內吞作用與溶酶體融合形成自噬溶酶體，隨后在以蛋白酶 B 為主的多種酶作用下，消化分解清除細胞碎片和老化的結構蛋白[16-17]。
2 神經系統內的細胞自噬
由于神經細胞分化程度高，再生能力差，有研究證實神經細胞內極少觀察到正常的凋亡過程，可能與細胞內表達多種凋亡抑制蛋白有關，以此來實現對細胞的保護[18]。包括交感神經元、運動神經元、蒲肯葉細胞、少突膠質細胞、雪旺細胞等在內的多種神經細胞，對細胞碎片和老化蛋白的清除主要是通過自噬作用來完成的，因此，自噬對神經細胞維持正常的結構形態、生理過程等起著重要作用[19-20]。
在正常的自噬過程中，自噬小體的形成與自噬小體的分解維持一個動態平衡，而在損傷、饑餓等病理條件下，自噬小體的形成超過其分解量，從而導致自噬小體的積壓，這種不平衡稱為自噬壓[20-21]。由于神經細胞偏極化的結構特點，自噬小體形成后需要通過微管的運輸才能完成分解，多種營養代謝的異常均可能導致軸突運輸功能的障礙，從而使自噬小體累積，自噬壓增高[22-25]。神經細胞對自噬壓的增高非常敏感，突然增加的自噬壓會使細胞的內環境急劇變化，進一步加強自噬作用，導致神經細胞的壞死崩解，引起各種神經系統疾病，如阿爾茨海默病、帕金森病以及雪旺細胞自噬引發的周圍神經退行性疾病等[20,25-26]。
3 周圍神經損傷后的細胞自噬
周圍神經受損后，局部將發生瓦勒變性，其核心變化是髓鞘和軸突的崩解。2015 年，Gomez-Sanchez 等[6]通過對小鼠坐骨神經損傷模型的研究證明，損傷等刺激信號激活雪旺細胞的自噬作用，進而導致受損處的髓鞘改變，并最終誘發瓦勒變性。目前研究表明：① 受損神經段中自噬相關標記物蛋白，如 LC3-Ⅱ、ATG 家族、WIPI2 等的表達有明顯增加，且透射電鏡下可觀察到雪旺細胞自噬小體的形成，說明神經損傷后自噬活動的增強[6-7]。② 受損神經遠心端雪旺細胞內質網伴侶蛋白的表達增加，非折疊蛋白反應（unfolded protein reaction，UPR）增強，間接預示自噬程序的激活，敲除 UPR 調控基因 XPB1 會明顯抑制后續的瓦勒變性，且這一現象主要發生于髓鞘而非受損軸突中[27-28]。③ 通過敲除小鼠 Atg 基因和特異性自噬抑制劑 3-甲基酰嘌呤處理后發現，自噬作用被抑制，瓦勒變性減弱使得受損的神經纖維能較長期地維持髓鞘及軸突形態的完整性，這一現象也得到了后續一些研究的證實[7-8]。④ 雪旺細胞的自噬作用不是通過傳統常見的 mTor 信號通路，而是通過激活 JNK/c-Jun 通路，增加 Beclin 蛋白的釋放，促進自噬小體的形成，來實現對自噬過程的調控。用 JNK/c-Jun 通路特異性激活劑神經酰胺處理受損神經片段后，其自噬現象顯著增強，與此同時，mTor 通路激活劑雷帕霉素處理神經片段則無明顯改變[6,29]。⑤ 自噬過程也參與正常雪旺細胞的分化過程，通過自噬作用消除過多的細胞質和細胞器后，雪旺細胞分化成熟繼而形成髓鞘。因此自噬對維持雪旺細胞正常生長發育起著重要作用，在發育成熟后逐漸減弱，在應激狀態下再次激活[30]。
許多研究已從多方面證實，周圍神經損傷后有雪旺細胞的自噬過程參與調控，但是自噬在后續神經再生的過程中起到的作用還無定論。在動物實驗中[7-8]，有研究表明通過藥物或基因敲除抑制雪旺細胞的自噬作用，不僅阻礙了神經纖維的崩解，還減弱了巨噬細胞的聚集，延緩了后續組織碎片的清除以及神經再生過程。能完成正常自噬過程的小鼠，其神經軸突再生及髓鞘化的情況明顯好于自噬功能受到基因或藥物抑制的小鼠。還有學者[27]通過使 X-盒結合蛋白 1（X-box protein 1，XBP1）過表達的方法促進自噬，同樣也有利于神經軸突的再生和運動效應器功能的恢復。然而，也有研究認為，自噬受到抑制的小鼠其神經再生能力與對照組小鼠無明顯差異[31]，甚至有研究表明通過藥物抑制自噬旁路通道 p38分裂素激活蛋白可以促進軸突的再生及髓鞘化[32]。這一現象的產生，可能有以下幾點原因：① 未被巨噬細胞清除的組織碎片擋住了軸突生長的通路，阻礙了神經纖維的再生。② 自噬相關的 c-Jun 通道與 XBP1 和 C/EBP 同源蛋白基因同時還參與雪旺細胞去分化過程，促使雪旺細胞向增殖模式轉變，抑制自噬的同時也可能會抑制雪旺細胞的增殖能力[33-34]。③ 在雪旺細胞自噬引發的瓦勒變性過程中，多種神經營養因子與細胞外基質蛋白的分泌增加，也是促進神經纖維再生的因素之一。抑制瓦勒變性的發生可能會削弱神經因子與相關蛋白的表達，繼而影響后續的神經再生[35-37]。
4 小結與展望
目前已證實雪旺細胞的自噬參與調控周圍神經損傷后的病理生理變化過程，對其具體機制的研究也在不斷深入。然而，目前在動物體內的實驗幾乎都基于坐骨神經夾傷模型，并未涉及臨床中常見的周圍神經大段缺損。目前周圍神經大段缺損治療的金標準是自體神經移植術，然而自體神經移植術后仍會發生瓦勒變性和炎性反應，破壞移植神經的結構完整性，影響移植術后效果。在神經缺損較多的情況下，雪旺細胞作為軸突再生的橋梁[38]，對其自噬的調控可以改變雪旺細胞結構的完整性和連續性，從而影響軸突再生。一方面，抑制自噬作用可能更大程度地保留移植后雪旺細胞的結構和連續性，為軸突再生提供通道，從而更好地引導周圍神經再生，同時減輕移植后的炎性反應與排斥過程；而另一方面，抑制自噬則會抑制瓦勒變性的清除過程，使得細胞碎片無法及時排出，同時可能影響相關神經因子與蛋白的分泌以及雪旺細胞的增殖能力[33,39]。
周圍神經損傷后雪旺細胞自噬這一機制的提出，不僅深化了我們對周圍神經損傷的認知，還為臨床治療提供了新的思路。目前已實現通過多種藥物、基因方法對細胞的自噬進行調控，部分藥物如西羅莫司、神經酰胺[40]等已用于臨床，為這一機制向臨床發展增加了可行性，但更多具體的治療原理與治療方案仍有待進一步的探索與研究。
周圍神經損傷是指原發或繼發于周圍神經系統的病變，是外科臨床的常見疾病之一。常見的引起周圍神經損傷的原因有創傷、腫瘤、代謝性疾病等，其中創傷最為常見。每年由創傷單一因素導致的周圍神經損傷患者超過 50 萬例，約占創傷患者總數的 2.8%，而其功能恢復率低于 50%，預后較差[1-2]。因此，研究周圍神經損傷的發病機制，尋找新的治療靶點，探索新的治療方法，進而提高患者的生活質量，改善預后，一直是廣大學者關注的重點和難點。
周圍神經損傷后將經歷一系列復雜的變化過程，涉及多層面的細胞活動，其中包括雪旺細胞的自噬。自噬是細胞在極端條件下的降解和循環利用體內物質的過程，目前已證實自噬參與了多種疾病的發生、發展，如神經退行性病變[3]、腫瘤性疾病[4]、遺傳性肌病[5]等。近年來也有學者發現，雪旺細胞的自噬作為瓦勒變性的伊始，在周圍神經損傷后的一系列病理生理變化過程中起到了重要作用[6-8]。因此，本文主要回顧近 5 年相關文獻，對細胞自噬與周圍神經損傷后再生的相關性及參與機制進行系統綜述，旨在補充并完善對周圍神經損傷后病理變化的認知，同時為臨床探尋周圍神經疾病的治療提供新思路。
1 細胞的自噬機制
自噬是指細胞在受到創傷、饑餓、缺氧、感染等應激狀態下的一種自我保護機制，這一過程可以無選擇性地發生于所有真核細胞中，真核細胞通過自噬作用清除老化的細胞器和蛋白，以此來維持細胞生長發育的平衡。根據結合分子方式的不同，細胞的自噬可分為巨自噬、微自噬和分子伴侶介導的自噬，哺乳動物細胞中以巨自噬為主。自噬過程最主要的誘發因素是饑餓，即細胞營養物質的缺乏，此外也可通過一些感染、損傷、特定的蛋白如熱休克蛋白、細胞因子如 TNF 等選擇性地引發[9-11]。首先，細胞的饑餓等作為誘發信號能夠抑制哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mTor）激酶，mTor 是一種營養物質敏感的調節蛋白，雷帕霉素可抑制其活性從而激發自噬過程[12]。隨后，mTor 活性降低，負性調節促進自噬相關蛋白復合物（autophagy associated gene 1/Unc-51-like kinase，Atg1/ULK）的形成，對后續內質網聚合形成孤立膜結構起到關鍵作用[13-14]。激活的 ULK 復合物作用于 Bcl-2 凋亡蛋白復合體，釋放出 Beclin-1 蛋白，游離的 Beclin-1 蛋白再與空泡分選蛋白 VPS34、VPS15 等結合為磷脂酰肌醇-3 激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）復合物。3-甲基酰嘌呤是常用的自噬抑制劑，能夠通過抑制 PI3K 的活性來抑制自噬過程[15]。ULK 復合物與 PI3K、WIPI2b（WD-repeat domain Phosphoinositide Interacting）、輕鏈蛋白（Light Chain 3，LC-3）等共同結合于內質網上特定的區域，催化產生磷脂酰肌醇-3-磷酸（phosphatidylinositol 3-phosphate，PI3P），PI3P 是一種自噬小體形成的必須成分，可以特異性地結合多種效應蛋白如 WIPIs、鋅指蛋白等，使內質網基膜穩態破壞，繼而聚集、折疊形成孤立膜結構[13-14]。最后，孤立膜結構繼續延展、卷曲、包裹細胞質與細胞器、閉合，形成自噬小體[16]。自噬小體在多種信號蛋白和作用因子的介導下，定向向溶酶體移動，并通過內吞作用與溶酶體融合形成自噬溶酶體，隨后在以蛋白酶 B 為主的多種酶作用下，消化分解清除細胞碎片和老化的結構蛋白[16-17]。
2 神經系統內的細胞自噬
由于神經細胞分化程度高，再生能力差，有研究證實神經細胞內極少觀察到正常的凋亡過程，可能與細胞內表達多種凋亡抑制蛋白有關，以此來實現對細胞的保護[18]。包括交感神經元、運動神經元、蒲肯葉細胞、少突膠質細胞、雪旺細胞等在內的多種神經細胞，對細胞碎片和老化蛋白的清除主要是通過自噬作用來完成的，因此，自噬對神經細胞維持正常的結構形態、生理過程等起著重要作用[19-20]。
在正常的自噬過程中，自噬小體的形成與自噬小體的分解維持一個動態平衡，而在損傷、饑餓等病理條件下，自噬小體的形成超過其分解量，從而導致自噬小體的積壓，這種不平衡稱為自噬壓[20-21]。由于神經細胞偏極化的結構特點，自噬小體形成后需要通過微管的運輸才能完成分解，多種營養代謝的異常均可能導致軸突運輸功能的障礙，從而使自噬小體累積，自噬壓增高[22-25]。神經細胞對自噬壓的增高非常敏感，突然增加的自噬壓會使細胞的內環境急劇變化，進一步加強自噬作用，導致神經細胞的壞死崩解，引起各種神經系統疾病，如阿爾茨海默病、帕金森病以及雪旺細胞自噬引發的周圍神經退行性疾病等[20,25-26]。
3 周圍神經損傷后的細胞自噬
周圍神經受損后，局部將發生瓦勒變性，其核心變化是髓鞘和軸突的崩解。2015 年，Gomez-Sanchez 等[6]通過對小鼠坐骨神經損傷模型的研究證明，損傷等刺激信號激活雪旺細胞的自噬作用，進而導致受損處的髓鞘改變，并最終誘發瓦勒變性。目前研究表明：① 受損神經段中自噬相關標記物蛋白，如 LC3-Ⅱ、ATG 家族、WIPI2 等的表達有明顯增加，且透射電鏡下可觀察到雪旺細胞自噬小體的形成，說明神經損傷后自噬活動的增強[6-7]。② 受損神經遠心端雪旺細胞內質網伴侶蛋白的表達增加，非折疊蛋白反應（unfolded protein reaction，UPR）增強，間接預示自噬程序的激活，敲除 UPR 調控基因 XPB1 會明顯抑制后續的瓦勒變性，且這一現象主要發生于髓鞘而非受損軸突中[27-28]。③ 通過敲除小鼠 Atg 基因和特異性自噬抑制劑 3-甲基酰嘌呤處理后發現，自噬作用被抑制，瓦勒變性減弱使得受損的神經纖維能較長期地維持髓鞘及軸突形態的完整性，這一現象也得到了后續一些研究的證實[7-8]。④ 雪旺細胞的自噬作用不是通過傳統常見的 mTor 信號通路，而是通過激活 JNK/c-Jun 通路，增加 Beclin 蛋白的釋放，促進自噬小體的形成，來實現對自噬過程的調控。用 JNK/c-Jun 通路特異性激活劑神經酰胺處理受損神經片段后，其自噬現象顯著增強，與此同時，mTor 通路激活劑雷帕霉素處理神經片段則無明顯改變[6,29]。⑤ 自噬過程也參與正常雪旺細胞的分化過程，通過自噬作用消除過多的細胞質和細胞器后，雪旺細胞分化成熟繼而形成髓鞘。因此自噬對維持雪旺細胞正常生長發育起著重要作用，在發育成熟后逐漸減弱，在應激狀態下再次激活[30]。
許多研究已從多方面證實，周圍神經損傷后有雪旺細胞的自噬過程參與調控，但是自噬在后續神經再生的過程中起到的作用還無定論。在動物實驗中[7-8]，有研究表明通過藥物或基因敲除抑制雪旺細胞的自噬作用，不僅阻礙了神經纖維的崩解，還減弱了巨噬細胞的聚集，延緩了后續組織碎片的清除以及神經再生過程。能完成正常自噬過程的小鼠，其神經軸突再生及髓鞘化的情況明顯好于自噬功能受到基因或藥物抑制的小鼠。還有學者[27]通過使 X-盒結合蛋白 1（X-box protein 1，XBP1）過表達的方法促進自噬，同樣也有利于神經軸突的再生和運動效應器功能的恢復。然而，也有研究認為，自噬受到抑制的小鼠其神經再生能力與對照組小鼠無明顯差異[31]，甚至有研究表明通過藥物抑制自噬旁路通道 p38分裂素激活蛋白可以促進軸突的再生及髓鞘化[32]。這一現象的產生，可能有以下幾點原因：① 未被巨噬細胞清除的組織碎片擋住了軸突生長的通路，阻礙了神經纖維的再生。② 自噬相關的 c-Jun 通道與 XBP1 和 C/EBP 同源蛋白基因同時還參與雪旺細胞去分化過程，促使雪旺細胞向增殖模式轉變，抑制自噬的同時也可能會抑制雪旺細胞的增殖能力[33-34]。③ 在雪旺細胞自噬引發的瓦勒變性過程中，多種神經營養因子與細胞外基質蛋白的分泌增加，也是促進神經纖維再生的因素之一。抑制瓦勒變性的發生可能會削弱神經因子與相關蛋白的表達，繼而影響后續的神經再生[35-37]。
4 小結與展望
目前已證實雪旺細胞的自噬參與調控周圍神經損傷后的病理生理變化過程，對其具體機制的研究也在不斷深入。然而，目前在動物體內的實驗幾乎都基于坐骨神經夾傷模型，并未涉及臨床中常見的周圍神經大段缺損。目前周圍神經大段缺損治療的金標準是自體神經移植術，然而自體神經移植術后仍會發生瓦勒變性和炎性反應，破壞移植神經的結構完整性，影響移植術后效果。在神經缺損較多的情況下，雪旺細胞作為軸突再生的橋梁[38]，對其自噬的調控可以改變雪旺細胞結構的完整性和連續性，從而影響軸突再生。一方面，抑制自噬作用可能更大程度地保留移植后雪旺細胞的結構和連續性，為軸突再生提供通道，從而更好地引導周圍神經再生，同時減輕移植后的炎性反應與排斥過程；而另一方面，抑制自噬則會抑制瓦勒變性的清除過程，使得細胞碎片無法及時排出，同時可能影響相關神經因子與蛋白的分泌以及雪旺細胞的增殖能力[33,39]。
周圍神經損傷后雪旺細胞自噬這一機制的提出，不僅深化了我們對周圍神經損傷的認知，還為臨床治療提供了新的思路。目前已實現通過多種藥物、基因方法對細胞的自噬進行調控，部分藥物如西羅莫司、神經酰胺[40]等已用于臨床，為這一機制向臨床發展增加了可行性，但更多具體的治療原理與治療方案仍有待進一步的探索與研究。