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閒話腦神經科學_血管新生與神經病變
by 陳怡蓁, 2012-08-28 16:17, Views(967)

血管新生與神經病變

 

臺灣大學  謝豐舟教授

 

腦部血管病變是相當常見的疾病,血管病變所致的死亡人數中,腦僅次於心臟,而且腦血管病變所致的後遺症相當嚴重,經常導致殘障。一旦缺乏血流供應,腦細胞迅速死亡,殘存的細胞通常不足以維持正常功能。因此了解在發育及疾病過程之中,腦與其血管的密切關係就變得十分重要。

由於近幾年來,血管新生與神經疾病分子機轉的相關研究進展快速,因此探究腦的血管新生與神經疾病的關聯正是時候。在神經病變的過程中,血管新生(angiogenesis)與神經細胞新生(neurogenesis)兩者都相當明顯。在血管新生、神經細胞新生與神經病變三者之間,血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)扮演了關鍵性的角色。VEGF最初發現於血管系統,其相關的訊息傳遞也已清楚。近幾年來VEGF在神經系統的角色日漸顯著。從它在中風(stroke)及運動神經疾病(motor neuron disease)等神經病變的角色來看,VEGF及其下游的訊息傳遞可能是這些疾病具有厚望的治療標的。

 

腦的血管新生

中樞神經系統經由血管新生的過程獲得其血流供應系統,也就是由原有血管萌生出新的微血管,再形成血管網絡。另一血管形成方式-管脈生成(vasculogenesis),即由先驅細胞長成血管,並未見於中樞神經系統(central nervous system, CNS )。

在胚胎發育的早期,血管由軟腦膜(pia mater)侵入腦組織,並且向腦室(cerebral ventricles)集中。某些穿透較深的血管到達腦室周圍並分出次級血管圍繞腦室,甚至再向遠側的軟腦膜延伸。在向心與離心的血管之間造成一個灌流勉強足夠的區域(marginally perfused border zone)或稱分水嶺(watershed)。此區對周產期缺血(perinatal ischenria)最為敏感,這就是腦性痲痺(cerebral palsy)之病灶所在。

到了成人期,人類腦部循環之血流量達50ml/100g/min。它占心搏輸出的20%,是一般器官單位重量血流的10倍。腦循環的另一特色為其微血管層面的血腦屏障(blood brain barrier, BBB)。這是由內皮細胞的緊密接合(tight junction)連結而成,阻礙了許多種分子由血液進入中樞神經。血腦屏障在許多疾病狀態發生缺損,例如中風或腦瘤,進而導致腦水腫,腦壓升高甚至死亡。

諸多血管新生因子中,最受注目的應屬VEGFVEGF在腦部廣泛表現,它可由缺氧,經轉錄因子HIF-1hypoxia-inducible factor-1)誘發。有趣的是,去除腦部HIF-1的小鼠,VEGF的表現依舊而大範圍缺血的傷害仍可獲改善。中樞神經系統內VEGF訊息傳遞網絡的酪胺酸激酶受器(tyrosine kinase receptors)及下游的蛋白激酶(protein kinases)與其他器官相仿,包括了VEGFR-2,某些情況還有VEFGR-1MAPKs PI3K/Akt以及Rho/Rac

 

腦疾病的血管新生

中樞神經的血管新生,在發育過程最為明顯,但亦可見於組織移植(tissue graft)及腫瘤生長(tumor growth)。神經組織移植於腦部之後,就會長出血管,其血管來源及生長過程依植入者為固態組織或離散細胞位置在腦室或腦組織是異種或同種移植而異。腦腫瘤的血管新生現象顯示,成人腦部能夠產生新血管,但這些血管缺乏血腦屏障,以致造成腦水腫並且易於出血。不過這些新生血管也許可以成為抗血管新生療法(anti-angiogenesis)的治療標的。

缺氧或缺血在多數組織可以引發血管新生,中樞神經系統也不例外在成人腦部,純粹的缺氧較為罕見,但缺血則多有所在。一過性的大範圍腦缺血,例如心跳停止,導致許多脆弱的神經細胞死亡,尤以海馬迴(hippocampus)的CA1區域以及腦部或脊髓的分水嶺區域最為脆弱。更常見的是局部性缺血,造成局部組織死亡,引發中風。若血流在30分鐘內迅速恢復,則為短暫性腦缺血發作(transient ischemic attack, TIA),不致造成永久性的傷害。事實上,一過性的缺血可能有助於維護腦部免受下次缺血的傷害,此謂缺血耐受性(ischemic tolerance)或先前制約效應(pre-conditioning)。

解剖研究顯示腦缺血會刺激血管新生。腦中風的動物模式顯示血管新生現象在中風發生後一至兩星期明顯可見。血管新生的現象在邊緣缺血區(ischemic penumbra)最為明顯。此區血流減少,但非完全斷絕。此區血流的些微差異就足以決定細胞存活與否。實驗顯示:盡力讓此區細胞存活會有助於復原。不過目前,缺血導致的血管新生在臨床上的影響如何,尚無所知。

在大鼠,以VEGF增加血管新生可以減輕神經病變。這種治療策略也許在臨床上有用,不過新生血管的滲漏性可能導致腦水腫。在VEGF之外,併用angiopoietinHIF prolyl hydroxylase inhibitor可能有助於減少新生血管之滲漏。不過此一血管新生過程通常需要幾天,可能緩不濟急,因為神經細胞在缺血數分鐘之後就開始死亡。倒是對可以預期或再發性的中風,血管新生療法可能有其發揮功能之處。到目前為止,VEGF在臨床上用於治療心臟及肢體的缺血,並無確實療效。VEGF在腦部缺血的臨床效果如何仍屬未知。動物中風模式中,在一小時內給予VEGF,因為會增加腦水腫,故效果不佳,但48小時後給予,則有助於病情。看來,VEGF給予的時間點至為重要。

某些腦疾病會導致出血,而非缺血,例如漿果性動脈瘤(berry aneurysm)會引起蜘蛛膜下腔(subarachnoid space)出血,而管脈畸形(vascular malformation)則會導致腦組織的出血。大部分的情況其機制並不清楚,不過目前已知有兩種遺傳情況,包括遺傳性出血性毛細血管擴張症(hereditary hemorrhagic telangiectasia),或稱作奧斯勒-朗迪-韋伯三氏病(Osler-Rendu-Weber disease))以及部分KRIT1基因突變者的中樞穴陷畸形(cerebral cavernous malformation)。前者由endoglin基因的突變所致。Endoglin是內皮細胞上的同形二聚體膜醣蛋白(homodimeric membrane glycoprotein),缺氧或缺血會引發endoglin的表現,因此可能與缺血導致的血管新生有關,但為何endoglin基因的突變會造成脆又薄的血管,易於出血,則未可知。

 

成人的神經細胞生成(neruogenesis

成人組織也需要細胞新生來應付細胞老化或死亡。成人組織均具有成人(adult)或組織幹細胞(tissue stem cell)。這些幹細胞能自我更生(self-renewal)但卻非全能性(totipotant),一般只能產生某一特別組織或器官中特定的細胞。在細胞快速汰換的成人組織中,如骨髓、小腸、皮膚,此一現象最為明顯,腦組織亦然。

腦的細胞再生至少見於下列二處:一、腦室下區(Subventricular zone, SVZ):在側腦室的邊壁之中;二、顆粒細胞層下區(Subgranular zone, SGZ):位於海馬齒狀迴(hippoccampal dentate gyrus)。在這些區域中,神經細胞的新生可以藉由BrdU標定及某些神經細胞標幟如double cortinDCX)的表現來確認。在鼠類,SVZ產生的神經細胞會沿著嘴狀遷移路徑(rostral migratory stream)抵達嗅球(olfactory bulb),以補充因預定細胞凋亡(programmed cell death)而減少的聯合神經細胞(interneuron)。在人類,SVZ所新生的神經細胞,其最終去向仍然不明。在齒狀迴(dentate gyrus)的SGZ所產生的神經細胞則進入附近的齒狀顆粒細胞層(dentate granule cell layer),變成成熟且具有功能的顆粒神經細胞(granule neurons),它們可能參與記憶和學習。

癲癇或腦部缺血所致的腦傷害會刺激神經細胞生成並使新生細胞移動到受創區域,可能藉此進行修復。在亨丁頓舞蹈症(Huntington disease)、阿茲默症(Alzheimer disease)及其動物模式均有神經細胞生成增加的證據。Liu等人最近報告,在肌萎縮側索硬化(amytorphic lateral sclerosis, ALS)的小鼠轉殖模式,脊髓的神經細胞新生增加,而神經細胞的前身細胞從中樞脊髓管(central spinal canal)遷移到腹側角(ventral horn)區域運動神經細胞死亡之處。看來,中樞神經系統會增加神經細胞新生,並將之導引到受傷地區,似乎在前述幾種疾病都可以發現。此一現象也許可以做為修復受損中樞神經系統的線索。

不少生長因子均能促進神經細胞新生,包括FGF-2 EGF、腦衍生神經滋養因子(brain-derived neutrotrophic factor, BDNF)、紅血球生成素(erythropoietin)、heparin-binding EGF like growth factor以及VEGF。在小鼠腦皮質體外培養以及成鼠活體的SVZSGZ之中,VEGF可以增進BrdU進入表現未成熟神經細胞標幟的細胞。VEGFR-2參與這些過程。不過,VEGF對星狀細胞(astrocyte)的生長促進似乎是透過活化VEGFR-1。看來,生長因子似乎可以用於治療性神經細胞新生,尤其若能透過非侵入性給予方式,例如經由鼻子。此舉並可避免腦以外的副作用。不過,對不同的情況可能需要不同的生長因子,例如VEGF能夠促進血管新生以及神經細胞新生,因此也許可以用於中風,而不適合退化性疾病。

成人的腦細胞新生仍然撲朔迷離,特別是VEGF引發成人細胞新生的現象仍難了解。環境強化(euvironmental enrichment)及學習經驗會引發海馬迴的神經細胞生成。大鼠若成長在身體接受環境強化或在莫理斯氏水迷宮(Morris water maze)接受訓練,其海馬迴VEGF的表現會增加。若藉由腦內注射表現VEGFAAV vector以增加海馬迴VEGF的表現,則海馬迴相依(hippocampus-dependant)的連結(associate)及空間學習(spatial learning)均有所增進。此一現象與VEGFR-2有關。相反地,若使用RNAi來減損海馬迴中VEGF的表現,則可以抵消環境強化所致的神經細胞生成。

 

神經保護(Neuroprotection )及神經再生(Neuroregeneration

文獻上,VEGF在神經系統的相關報告是以其神經滋養效應(neurotrophic effect)著稱。Sondell等人報告,在培養的上側頸椎(superior cervical)及背側路徑節神經細胞(dorsal route ganglion neurons),VEGF會促進軸突生長及細胞存活,而此作用係經由VEGFR-2相關的機制。Silverman等人則報告,VEGF能改善有機形態中腦移植培養(organotypic midbrain explant culture)的神經細胞存活。 後續的研究指出,VEGF能引起培養的神經細胞或皮質移植(cortical explant)的神經突觸在數目上及長度上的增加。此一作用涉及VEGFR2MAPKPI3K/Akt之訊息傳遞。Rho/Rac訊息傳遞也可能與VEGF引起的突觸生長有關。

除了這些促進生長的效果之外,VEGF也能保護神經細胞免於某些傷害,例如VEGF可以減少永生性海馬迴神經元(immortalized hippocampal neuron)遭受血清回收(serum withdrawal)或缺氧後的死亡。此一作用係經由活化VEGF-2PI3K/AktNK-KbVEGF也可以藉由類似的機制保護缺氧後之大腦皮質細胞培養,此外,caspase-3活化之降低可能也在其中扮演某些角色。VEGF可以保護培養的海馬迴神經細胞免於麩胺酸(glutamate)及N-methyl-D-aspartate之毒性。

VEGF可以改變急性和慢性的神經退化過程。此作用可能是經由VEGF對血管、神經細胞,其至包括膠細胞的作用。大腦缺血會刺激VEGF的表現,藉此刺激大腦的神經細胞生成。局部使用VEGF可以減少腦梗塞(brain infarct)的大小,而VEGF靜脈注射會改進缺血引起的神經症狀。相反地,靜脈注射VEGF的抗體則會增加梗塞的大小。有人經腹腔注射會吸附VEGF的融合蛋白(fusion protein)卻反而會減小梗塞之大小。這顯示VEGF對腦缺血的影響並非全為正面。

在大鼠之中腦動脈阻斷後一至三天將VEGF注入側腦室,會縮小缺血區之大小,且神經學變化較輕微。此效果在第三天最為顯著。相較之下,神經細胞的生成是在3-28天並進而刺激血管生成。因此VEGF可以在急性期發揮神經保護作用,但神經細胞生成及血管新生似乎與長期之復原有關,VEGF似乎對腦缺血亦有保護作用。

VEGF與退化性腦疾病可能也有關連。Kalaria等人報告,阿茲海默症患者腦中之反應性星形細胞團塊對VEGF的免疫反應增加。VEGF基因促進子(promoter)之SNP與發生阿茲海默症的風險似乎有關連。

在周邊神經方面,VEGF亦有其角色。肌肉注射encoding VEGF之質體DNAplasmid DNA)可以改進大鼠之糖尿病神經病變(以鏈佐黴素(streptozotocin)引發者)。另外肌肉注射naked VEGF DNA對兔子之缺血性神經病變也有類似效果。最令人期待的莫過於VEGF與肌萎縮側索硬化症的關連。肌萎縮側索硬化症引起脊髓與腦幹下方運動神經細胞(lower motor neuron)以及運動皮質上方運動神經細胞(upper motor neuron)的喪失。肌萎縮側索硬化症大部分為偶發性,少部分可見基因突變。Carmeliet等發現VEGF基因中與低氧反應(hypoxia-responsive)有關序列的突變會引起肢體無力、神經性肌肉萎縮,以及脊髓及腦幹之運動神經細胞喪失。VEGF可以增進培養的脊髓運動神經細胞之存活,包括wild typeVEGF 8/8小鼠。此一保護作用係經由VEGFR-2媒介,而且有一個neuropilin 1 co-receptor參與。

在人類中,某些會減低血液中VEGF含量的遺傳變化會增加肌萎縮側索硬化症之風險。在表現人類肌萎縮側索硬化症突變基因的轉殖鼠,其病情可藉由腹腔或肌肉注射VEGF而減輕。另外藉由可以上溯至運動神經細胞的VEGF-expressing lentiviral vector之肌肉注射也有同樣療效。這些結果顯示VEGF對神經組織的基因治療頗有厚望。

VEGF對其他的運動神經細胞疾病可能亦有療效,包括X染色體脊髓延髓肌肉萎縮(X-linked spinal and bulbar muscular atrophy,亦稱甘乃迪症(Kennedys disease))以及與雄性激素受器擴張(androgen receptor expansion)有關的肌肉萎縮。後者可能干擾與cAMP反應元件連結蛋白(CREB-binding protein)有關的轉錄工作,而此一蛋白質正是VEGF基因的調控者。總之,VEGF已知與在遺傳型與表現型均各有特色的兩種運動神經細胞疾病有關。

 

結論

綜合上述的種種研究,在運用血管生成治療神經疾病方面可以有二個途徑:

一、利用VEGF來再造血管化(revascularize)缺血的腦組織。

二、利用VEGF之神經保護及神經再生功能。前者對中風後再發性高的病患可能有用,例如中風後有25%的病人在三年內會再發,急性心肌梗塞後亦是中風好發的情況。因此,對這些病人可以考慮使用VEGF來預防中風。至於後者,也許可以應用於股萎縮側索硬化症、糖尿病神經病變。不過VEGF 對神經疾病真正療效仍待觀察。

 

 

取材文獻

Greenberg DA et al: From angiogenesis to neuropathology. Nature 438:954,15 December, 2005.