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第二节 周围神经再生
一、周围神经损伤
神经纤维由神经元的轴突和长树突外包神经胶质细胞组成,周围神经系统中胶质细胞是施万细胞,由于施万细胞包在轴突的外面,故又称神经膜细胞(neurolemmal cell),施万细胞及其外面的一层基膜统称为神经膜(neurolemma)。周围神经系统中功能相关的神经纤维集合在一起,外包致密结缔组织-神经外膜(epineurium)构成神经,神经内的神经纤维又被结缔组织-神经束膜(perineurium)分隔成大小不等的神经纤维束(nerve fiber bundle),纤维束内神经纤维周围包裹着薄层结缔组织——神经内膜(endoneurium),内含毛细血管。神经纤维根据其外是否有神经胶质细胞形成的髓鞘结构,分为有髓神经纤维(myelinated nerve fiber)和无髓神经纤维(unmyelinated nerve fiber),周围神经纤维的髓鞘是由施万细胞形成的(图2-2-1)。
图2-2-1 周围神经示意图
周围神经损伤是指周围神经干及其分支受到创伤,导致神经支配区域的运动、感觉及自主神经功能障碍的一种临床病症。周围神经损伤的原因比较复杂,包括切割伤、火器伤、捻挫伤、撕脱伤、缺血性损伤等。周围神经损伤的类型决定着损伤后神经再生的进程与结果,经典的分类方法包括Seddon分类法和Sunderland分类法等,Seddon分类法相对简单。1951年,Sunderland根据神经损伤的程度将其分为5度:
(1)Ⅰ度损伤:
神经纤维的连续性保持完整,传导阻滞,可有局部Wallerian变性。
(2)Ⅱ度损伤:
轴突断裂,损伤远端发生Wallerian变性,近端一个或多个结间体发生变性,神经膜管保持完整,为轴突再生提供了完好的解剖通道。可自行恢复,轴突以每日1~2mm速度向远端生长。
(3)Ⅲ度损伤:
神经纤维(包括轴突和神经膜管)横断,而神经束膜完整。由于神经膜管的破坏,导致结构紊乱。有自行恢复的可能性,但由于神经内膜瘢痕化,恢复常不完全。
(4)Ⅳ度损伤:
神经束遭到严重破坏或断裂,但神经干通过神经外膜组织保持连续。损伤处胶质瘢痕明显,很少能自行恢复,需手术修复。
(5)Ⅴ度损伤:
整个神经干完全断裂。需手术修复才能恢复。
表2-2-1对两种分类进行了归纳。
表2-2-1 神经损伤分级
+ 损伤影响解剖结构
1988年,Mackinnon在Sunderland分类法基础上增加了“Ⅵ度损伤”,即混合型损伤,神经中的神经束损伤情况不一,有些神经束可自行恢复,有些需手术处理。
二、周围神经再生的机制
1.轴突再生通道和再生微环境的建立
周围神经损伤后,神经纤维远侧段全长和近侧段纤维局部变性、崩解,随后被募集而来的巨噬细胞和增殖的施万细胞吞噬清除,不断增殖的施万细胞沿保留的神经内膜管平行地呈带状排列,称为Büngner带,构成诱导神经纤维再生的通道。同时,施万细胞分泌神经营养因子(神经生长因子等)、黏附分子(神经细胞黏附分子等)、细胞外基质分子(层粘连蛋白等)和其他多种营养、趋化因子,为轴突再生营造适宜的微环境。对断端之间距离较短的神经断裂伤,施万细胞会迁移到间隙中形成细胞桥,将两断端连接起来,引导和支持新生轴突枝芽跨越间隙进入远端Büngner带。
2.轴突枝芽的形成与延伸
周围神经纤维损伤后,如果受损神经元经历轴突反应仍能够存活,则可从伤后1周左右开始进入恢复过程,在偏位的核周围重新出现Nissl物质,2~3周充满整个胞体,到伤后1个月左右,胞体和核的肿胀达到最高峰,此时胞体内充满RNA、蛋白质和脂质等。胞体合成新的细胞器和蛋白等物质,源源不断地向轴突远端运输,为轴突再生提供相应的物质基础。轴突断端随着胞体物质的到来不断膨大,表面逐渐长出许多新生轴突枝芽(或称丝足),轴突枝芽反复分支,向四周生长,但最后只有进入远端Büngner带的轴突枝芽得以保留,其他枝芽则被“修剪”去除。新生的轴突在Büngner带内延伸速度与损伤类型密切相关,挤压伤后再生轴突生长速度为1~3mm/d,而轴突切断后的再生速度则慢得多,通常小于1mm/d,起初轴突紧贴神经内膜管施万细胞表面生长,以后逐渐移到管的中央。
溃变和再生时间上是彼此重叠的,当损伤远侧段的变性轴突及髓鞘碎屑尚未完全清除时,近侧段的新生轴突枝芽已经开始发出。新生轴突枝芽起初比较细,在延伸过程中逐渐增粗,生长速度则逐渐变慢。
周围神经损伤后,只要将损伤部位的神经近、远两端对齐,将外膜缝合,即可出现上述再生过程。但是如果断口间隙大于1cm或对接不正确,再生纤维会进入邻近胶原性的结缔组织,最后形成致密的缠结导致再生失败。
从现象上看,周围神经再生的重要变化特点是施万细胞增殖形成Büngner带,似乎是此带诱导和支持着再生枝芽的发生和生长并将之引向靶结构。
3.靶细胞的神经再支配
再生轴突不断向靶细胞延伸,最终到达目的地与靶细胞形成突触联系,如运动神经纤维末梢与骨骼肌细胞形成运动终板,从而实现靶细胞的神经再支配(reinnervation)。对于混合神经,再生情况比单纯的感觉神经或运动神经复杂。
1898年,Forssman发现神经损伤后再生的轴突可以被远侧的神经断端吸引,并选择性长入其中。1928年,Cajal将这一现象解释为神经趋化性(neurotropism),推测是远侧神经断端分泌可弥散物质吸引再生轴突的结果。随着神经营养因子的发现以及神经趋化性的研究不断深入,Forssman和Cajal的观点得到了较为一致的认同。神经损伤后,远端神经和靶器官能对再生轴突产生营养及趋化作用,远端神经的直径、类型以及再生轴突与远端神经断端的距离等因素可能共同决定了神经再生的趋化性:①远端神经的直径大小影响其分泌营养因子/趋化因子的数量;②神经断端间距离过大,弥散的营养因子/趋化因子达不到有效浓度,距离过小,再生轴突无需通过趋化性选择即可长入远侧神经内膜管;③运动神经的移植修复效果一般优于感觉神经,可能是运动神经多为有髓神经纤维,且通常较感觉神经具有更大的神经内膜管;④局部给予神经营养因子可促进轴突再生与功能恢复,而且轴突生长方向可受神经营养因子浓度变化的调节,也提示了营养因子可能在神经趋化性中起一定的作用;⑤不同表型施万细胞分泌的营养因子存在差别,可能对神经趋化性也有一定影响。根据神经趋化性的研究成果,目前临床研究采用小间隙桥接法(即桥接套管中神经断端之间留2~3mm间隙)修复断裂神经,已取得良好修复效果。
神经纤维损伤时不仅受损纤维出现损伤和再生反应,其邻近正常神经纤维的轴突也会长出侧支进入受损纤维的神经内膜管内,这种现象称为侧支神经再生(collateral nerve regeneration),也称侧支发芽(collateral sprouting)或终末前轴突发芽(pre-terminal axonal sprouting)。支配骨骼肌的神经受损后,其邻近纤维发出的侧支可生长到失去神经支配的肌纤维中,恢复其功能。
损伤后神经纤维对肌细胞的再支配需要施万细胞引导再生轴突到运动终板。与正常运动单位不同,神经再支配的运动单位通常较大,而且运动单位的肌纤维常聚集在一起。再生神经纤维对皮肤的再支配功能一般是不完全的,长期伴随着感觉异常。
4.再生轴突的髓鞘化和成熟
成功再生的轴突与靶细胞建立联系并逐渐形成髓鞘,起初轴突比较细,髓鞘也较薄,但随着时间的推移,轴突逐渐增粗,髓鞘逐渐增厚,从而使有髓神经纤维不断趋于成熟,功能逐渐恢复。
一般来说,再生神经具有如下特点:①轴突较细,髓鞘较薄;②早期再生轴突数量往往较多,到达正常的数倍,随着时间的推移,未与靶细胞建立正确联系的轴突逐渐变性消失,轴突数量逐渐减少;③神经传导速度较慢。
三、影响周围神经再生的因素
影响周围神经再生的因素众多,包括神经元自身因素、再生微环境、损伤类型、损伤部位、年龄、手术时间、手术方法等。
1.神经元自身因素
胞体是神经元的营养中心,成功的神经再生首先需要神经元存活且代谢恢复正常。多数情况下,周围神经损伤后神经元可以存活。如果神经元在损伤反应中没有死亡,那么其胞体结构可能在损伤后1周开始恢复,胞体结构完全恢复历时较长,一般需要3~6个月,此时间取决于轴突重建的情况,因为再支配成功的轴突会将神经营养因子从靶细胞逆向运输到胞体,对胞体起到营养和保护作用。
2.再生微环境
轴突的再生情况与其所处的微环境密切相关,适宜的再生微环境是神经成功再生的重要条件。神经纤维损伤后,崩解的髓鞘和神经纤维碎片需要及时清除,再生轴突的趋化性生长需要神经营养因子等的诱导,轴突的延伸需要神经内膜管和Büngner带的存在,再生神经纤维传导功能的恢复需要髓鞘的重新形成,施万细胞在其中发挥了关键的作用。
(1)周围神经损伤后施万细胞迅速增殖,同时分泌巨噬细胞游走抑制因子(macrophage migration inhibition factor,MMIF),促使巨噬细胞在损伤处大量聚集并激活,共同吞噬清除髓鞘和神经纤维崩解物,为再生提供空间。
(2)施万细胞分泌细胞外基质和细胞黏附分子,施万细胞表面和细胞外基质内的层粘连蛋白、神经细胞黏附分子(nerve cell adhesion molecule,N-CAM)、L1分子和生腱蛋白(tenascin)等在神经损伤后都升高。
L1和N-CAM表达于轴突和施万细胞膜表面,与轴突成束化有关,L1在髓鞘形成起始阶段有重要作用;生腱蛋白参与阻止再生的轴突离开神经;层粘连蛋白(laminin)是三聚体蛋白,由α、β和γ三条多肽链构成,位于施万细胞基底膜,具有显著促进轴突再生的作用;施万细胞基底膜成分(如精氨酸、甘氨酸、天冬氨酸三肽序列)也可以直接在局部影响生长锥功能状态。这些细胞黏附分子和基质蛋白可能均在周围神经损伤后的再生中发挥了重要作用。
(3)施万细胞分泌神经营养因子如神经生长因子、脑源性神经营养因子、睫状神经营养因子、成纤维细胞生长因子等,这些神经营养因子可起到维持神经元胞体存活,促进神经轴突再生和诱导再生轴突趋化性生长等作用。
(4)施万细胞在远侧段神经内膜管内形成Büngner带,引导再生轴突的延伸,并逐渐在再生轴突周围形成髓鞘,促进神经纤维的功能恢复。
3.其他影响因素
(1)神经再生的效果受神经损伤的类型和严重程度的影响:神经内膜管保持完整的轴索断裂损伤,一般能够完全再生,而神经束乃至神经干的断裂损伤,通常会导致不同程度的瘢痕形成,神经内膜管也难以保证按原有结构一一对应,因此再生往往不完全。
(2)损伤部位与靶器官的距离以及靶器官自身的特点会影响神经纤维再生的效果。
骨骼肌在失神经支配后会发生萎缩,成纤维细胞增生,但短期内肌纤维一般不会被结缔组织替代,肌纤维内部构造基本保留,如果失神经支配时间过长(6~12个月),部分肌纤维可发生死亡,被结缔组织替代。失神经支配时间越长,靶器官变性程度就越重,神经再生效果就越差。损伤部位距离靶器官越近,恢复神经支配的时间越短,再生效果就越好。运动神经纤维尤其是支配较大肌肉的神经纤维再生效果较好,感觉神经纤维和支配较小肌肉(如手内肌)的神经纤维再生效果较差。
(3)病人年龄越小,神经再生能力越强,神经功能恢复越好。
(4)治疗时机、手段等因素也影响神经再生的效果。
神经损伤后手术修复时间、手术方法与操作技术、神经营养因子的应用等都对再生结果有影响。张力下吻合手术在断端处增加大量瘢痕,瘢痕组织能在轴索到达远端之前形成不规则的结缔组织带,干扰和阻挡再生轴突通过。
四、周围神经再生的研究进展
周围神经再生(peripheral nerve regeneration),其本质上不是神经细胞的再生,而是受损神经突起的再生长与神经纤维结构完整性和功能的重建。周围神经再生是一个复杂的病理生理过程,涉及从分子、细胞到生物机体等不同水平的多种变化,并受多种因素影响。近年来的研究显示,物理因子中的电、磁、激光、超声波等都可以促进神经再生;组织工程的移植和桥接技术、外源和内源干细胞技术、肾上腺皮质激素等因素也可以促进神经再生。