神经生物学.ppt

神经系统的损伤与再生,神经损伤 1.神经元丧失 一般认为,成年后，由损伤造成的神经元的丧失是不能再生的。 虽然成年神经系统不能产生新的神经元（该观点现存争议）， 但每一神经元都保留着形成新的突起和新的突触连接的能力， 从而取代那些丢失的或破坏的突起。 2.轴突断裂 (axotomy) 因为神经元有很长的轴突和相对较小的胞体，所以在大部分情况下 神经损伤会首先造成轴突断裂 (axotomy)，尤其在外周神经系统。,1、轴突切断的神经元常常出现胞体萎缩，严重时甚至造成死亡，即凋亡，这被称为逆行性变性。轴突断裂引起神经元死亡的比率与轴突切断后丧失细胞质的多少有关。/ 受损轴突的远侧段的神经纤维及近侧段数个Ranvier 节的神经纤维亦发生崩解吸收，即Wallerian degeneration 。 2、轴突断裂后不仅伤害受损伤的神经元而且影响它的突触伙伴和 周围细胞导致跨神经元的变性与萎缩。 顺行性跨神经元变性（anterograde transneuronal degeneration） 逆行性跨神经元变性（retrograde transneuronal degeneration）,轴突断裂后的退化现象,胞体肿胀、核偏位、尼氏体溶解，若轻度伤害，3周后胞体开始恢复(recovery)。,轴突断裂后的退化现象,轴突断裂后神经元凋亡的机制：神经生长因子缺失可触发caspase 反应，造成细胞死亡。（自Kandel，2000）,NGF与膜上的受体 trkA结合，trkA 受体信号途径可激活Bcl-2，后者进而可抑制Apaf-1 的活性，caspase 处于失活状态，细胞得以生存。,Apaf-1：凋亡蛋白酶活化因子 Bcl-2亚家族成员对细胞凋亡起抑制作用,轴突断裂后的反应性生长,轴突再生 （1）完全再生：受损的轴突长回其靶组织，并重新建立正常的连接。 （2）不完全再生： a：再生的出芽生长： 受损轴突短距离再生， 但不能与正常的靶组织 重新建立连接。 b：侧支的出芽生长： 从存活轴突的郎飞氏处 产生新的侧支，与去神经 支配的靶组织建立功能性联系。 c：终末旁的出芽生长： 从存活轴突的末稍部位生长 出一个新的终末树状分支。,1、周围神经系统 具有很强大的轴突再生能力，当轴突损伤后，近端残余首先出芽(spout)，以每天23mm的速度向外生长，并沿着溃变轴突的雪旺氏细胞髓鞘到达远端靶组织建立突触连接 。 2.1、鱼类和两栖类 视神经受到损伤后36个月，就能再生性回到其靶组织-顶盖，形成与原来相同的视神经顶盖投射，并恢复正常的生理功能。 2.2、较高等脊椎动物 一般认为，中枢神经元轴突断裂后，损伤轴突的再生能力有限，通常只能长出较短的萌芽,在局部形成异位突触联系。但侧枝出芽与终末旁出芽丰富，从而与去神经支配的靶组织建立突触联系。,限制高等脊椎动物中枢神经轴突再生的因素：,1、外周比中枢有更好的再生环境： (1) Schwann 细胞能提供促进损伤轴突生长的营养因子，而中枢却缺乏 这种条件； (2) 中枢和外周都能提供足够的促进生长因子，但中枢神经系统另外含有 抑制性生长因子； (3) 在中枢神经系统，损伤处的星型胶质细胞迅速增殖形成胶质瘢痕， 后者在空间上阻碍轴突的再生；而小胶质细胞 激活引发的炎症反应 使得再生环境进一步恶化。 2、神经元本身的因素 中枢神经元轴突的再生能力随着发育变得越来越弱。,Why dont axon regenerate in our CNS?,The critical difference seems to be the different environments of the CNS and PNS. In the early 1980s, Albert Aguaya et al. at Montreal General Hospital tested this idea in very important experiment showed as Fig A. Martin Schwab et al. in Zurich university demonstrated that CNS neurons grown in tissue culture extend axons along substrates prepared from Schwann cells but not from oligodendroglia. This findingled tothe search for glial factors that inhibit axon growth in the CNS, and a molecule called nogo was finally identified early in 2000. Anti-nogo antibody has been raised. They injected the aitibody into adult rats after spinal cord injury. This treatment enabled about 5% of the severed axons to regenerate ,影响中枢神经再生相关因素的研究进展：,1、在受损的脑组织，星型胶质细胞侵人损伤部位，不仅迅速增殖形成胶质瘢痕，还分泌了大量的膜结合蛋白和分泌性的硫酸软骨素蛋白聚糖，它们对轴突的生长起着强大的排斥作用，其中Versican和NG-2两种蛋白聚糖已被清楚鉴定。 2、中枢神经不能再生，还有部分原因是由少突胶质细胞产生的抑制性分子介导的，目前已鉴定的抑制分子主要有Nogo、髓鞘相关糖蛋白(myelin-associated glycoprotein, MAG)、少突胶质细胞髓鞘糖蛋白(oligodendrocyte myelin glycoprotein, OMgp)等，有趣的是这三个分子的抑制作用都是通过Nogo受体实施的。 3、神经元本因素 某些与轴突生长至关重要的蛋白，在中枢和外周神经元的表达模式不同。如生长相关蛋白GAP-43，胚胎期在中枢与外周神经元都有高表达，但神经系统发育成熟后它们只在外周表达。,常见的神经损伤与治疗策略,退行性疾病（Degenerative diseases） 1、老年性痴呆 2、 Parkinsons disease 創 傷（ Traumatic injuries ） 1、臂丛损伤 2、脊髓横断伤,神经移植 根据胚胎神经元容易生长及周围神经能够再生的特点，把胚胎脑组织、周围神经或周围神经的组分（如基膜或基膜的化学成分）移植到脑内，以期促进中枢神经再生。,神经外膜Epineurium 神经束膜Perineurium 神经内膜Endoneurium,轴突最外层包绕神经内膜，若干轴突组成一个神经束，有束膜包绕，若干神经束组成神经干，外包的结缔组织膜称为神经外膜。神经内膜、束膜及外膜均有抗过度牵拉的作用。,简介外周神经组成,周围神经损伤的症状、体征 1、 所支配的肌肉瘫痪主要 2、 所支配的感觉区麻木可有变异 3、 交感神经改变，皮肤不出汗，潮红等。 碘淀粉试验：皮肤上涂以碘酒、待干燥后擦上淀粉，然后照以红外线， （损伤区不变蓝色）。 4、Tinel试验(神经干叩击试验)：伤后一周内有价值。神经损伤后，在损伤 平面轻叩神经，即发生该神经分布区放射性麻痛，称Tinel征阳性。 5、 肌电图：正常的收缩波消失。,臂丛损伤的治疗策略： 1、手术缝合：一般缺损在3cm以内者可以直接缝合，直接缝合有困难可采用：游离神经并 屈曲关节或神经移植，常用的神经有腓肠神经、肋间神经、股外侧皮神经、 前臂外侧皮 神经等。开放损伤时可采用二端固定法，避免回缩，待以后修复。 2、 手术时间： 2.1. 开放性损伤、清洁创口（术中误伤，刀、玻璃伤等）：清创同时直接缝合效果好。 2.2. 污染创口：应在创口愈合三周后施行缝合。 2.3. 闭合性伤不一定需立即手术，可适当观察，注意伤的类型、部位，但不宜观察时间过长。 2.4. 早期手术被延误者也应在半年内，最好三个月内手术。 3、药物治疗 神经生长因子 4、理疗、按摩及适当电刺激：保持肌肉张力，减轻肌萎缩及纤维化。 5、康复训练：锻炼尚存在和恢复中的肌肉，改进肢体功能。,简介脊髓横断性疾病：,脊髓的功能： 1、构成局部回路和反射 2、将感觉信息从外周传向脑，运动信息从脑传向外周。,Clinical Problems 脊髓全部横断后，损伤平面以下，一切感觉和随意运动丧失。在损伤平面有痛觉过敏带和自发性疼痛。受伤当时还出现脊休克，除肛门反射保留，断面以下的躯体和内脏反射全部消失。这种现象在人类可延续13周。若脊髓横断伤平面在颈5以上的，病人会因为呼吸不能（隔神经和肋间神经麻痹）而死亡。 脊髓半横断伤，则表现为损伤平面以下，同侧运动不能，伴有痉挛性瘫痪；损伤平面以下，对侧浅感觉消失。,丧失活动能力 Loss of motion 失去感覺 Loss of sensation - Pressure ulcers 褥瘡 痛 Pain 交感神經功能 Bladder retention or incontinence Bowel constipation or incontinence Sexual dysfunction 痉挛 Spasticity Psychological problem,Spinal Cord Impairment - 創傷 Traumatic injuries,目前的治疗策略： 1、药物治疗 A 大剂量甲基强地松龙 B.神经节苷脂 防治神经元的迟发性损害和死亡。 2、脊髓损伤的外科干预 A、重建脊柱的稳定性，使患者的早期活动，减少并发症，并为全面康复训练创造条件； B、为脊髓神经恢复创造宽松的内环境 治疗包括对骨折的整复、矫形以及椎管减压或扩容 3、康复治疗 4、脊髓损伤的修复（研究性阶段） 当前主要从三个方面来探讨脊髓修复及功能恢复的可行性： （1）挽救（rescue）受损神经元（原发性及继发性损伤） （2）组织移植替代凋亡的神经元 （ replacement ） （3）促进损伤神经元轴突的再生（ regeneration ）（包括轴突导向及克服再生屏障）,脊髓損傷的治療及再生的可能 Potential for spinal cord repair and regeneration,1. 神经细胞死亡 （Neuronal cell death） a. 原发性損傷 Primary injury b. 继发性損傷 Secondary injury,脊髓損傷后有侍解決的問題,2. 軸突切断（Axotomy）,3. 胶质斑痕（Glial scar）,4. 抑制性分子（Inhibit molecules , NI-35, NI-250）,5. 血液供应不良（Poor Blood supply）,轴突再生能力本身有限； 轴突再生受限,突破性研究 (一) （Breakthrough Studies on the Field of Spinal Cord Injury）,1. 神经细胞死亡（Neuronal cell death） 波尼松龍治疗减少细胞死亡，利用嗅鞘上皮細胞或干细胞移植替代死亡的细胞。Reduce cell death by therapy with methylprednisolone (Young 1990) and replace death cells with OEC transplantation (Li, J of Neurosci. 1998; Huang, 2003) or Stem cells transplantation (Harper, PNAS 2004).,1,2,2,3, 4,突破性研究(二) （Breakthrough Studies on the Field of Spinal Cord Injury）,2. 神经移植促进切断軸突的生长 Rebuild myelination by Schwanns cell transplantation (Xu, EJN 1999; Sivasankaran, Nature Neurosci. 2004).,3,4. 胶质斑痕及抑制性分子（Glial scar and Inhibit molecules） 通过改变局部化学环境减少胶质斑痕形成，去除抑制因子。 Reduce glial scar and remove inhibitor molecules by changing the local chemical environment (Yick, Neuroreport, 2000; Moon, Nature Neurosci. 2001).,周围神经移植段促进脊髓损伤的修复,在大鼠完全横断性脊髓损伤模型中,放置多个肋间神经移植物，并用含有嗜酸性成纤维细胞生长因子的纤维胶将这些移植物固定于理想的位置。 行为测试显示: 后腿功能有改善。 组织学亦显示: 皮质脊髓束与脊丘束纤维 都能通过移植物。,慢性进行性运动障碍，属锥体外系疾病，多见于老年人。 三个主要症状： 病 理,病理变化：黑质和蓝斑脱色是本病的肉眼变化。镜下可见该处的神经黑色素细胞（多巴胺能神经元）丧失，残留神经细胞内 Lewy 小体形成，该小体位于胞浆内，呈圆形中心嗜酸性着色。,简介帕金森氏病 Parkinsons disease,将18F-氟多巴试剂注入人体，再经PET扫描，可以确诊早期PD病人。研究表明PD病人的纹状体区的18F-氟多巴的积聚明显较正常人低，只有正常值的57%-80%。,著名拳王阿里40多岁就患上了帕金森症，昔日雄风难在。,治疗：用左旋多巴来补充脑组织中多巴胺 不足或用抗胆碱药抑制乙酰胆碱的 作用，对本病有一定的疗效。,Parkinsons disease 的研究性治疗：,1、用同类型的胚胎神经组织代替受损的中枢神经组织 实验动物接受移植物到去神经支配的尾状核（用同类型的胚胎黑质或从胚胎黑质分离的多巴胺能细胞），当移植物与尾状核建立广泛的连接后，实验动物神经症状得以改善。 2、用成体自身的非神经组织代替受损伤的神经组织 将患者自己的肾上腺移组织植到尾状核中，因为这种组织除产生肾上腺素之外还产生多巴胺。但移植结果一直另人失望，几乎没有改善的证据。,简介老年性痴呆：,Alzheimers disease，以进行性认知障碍和记忆力损害为主要临床表现，起病多在50岁以后，晚期患者甚至发生情感障碍和行为失常。 病理变化：脑萎缩明显，脑回变窄、脑沟变宽，脑室代偿性扩张，病变以额叶、顶叶及颞叶最显著。镜下：（细胞外）老年斑、神经原纤维缠结、神经元颗粒空泡变性和Hirano小体等，多见于内嗅区皮层、海马以及基底前脑的胆碱能神经元。 1.老年斑：为细胞外结构，直径20150um， 刚果红染色呈阳性反应，提示其中含淀粉样蛋白。 2.神经原纤维缠结 神经元趋向死亡的标志。 3.颗粒空泡变性和Hirano小体 神经元内出现小空泡， 或树突内出现棒状小体。,当前治疗老年痴呆的药物主要有胆碱酯酶抑制剂、脑血管扩张剂和钙拮抗剂（神经细胞保护剂）等。美国FDA批准上市的治疗AD的药物仅两种，即1993年批准他克林（商品名Cognex，ParkeDavis公司生产）和1997年批准 E-2020(donepezil)，均为胆碱酯酶抑制剂。 突破性研究（神经移植） 用同类型的胚胎的神经组织块或细胞代替受损的中枢神经组织，让移植的 神经组织或细胞在成体中增殖、发育和分化，最后代替执行受损的或丧失 的中枢神经功能。目前，主要从流产的胚胎分离基底前脑的胆碱能神经 细胞，经体外扩增后，接种到AD动物模型脑内使之继续复制、扩增。,上个世纪90年代初，人们发现通过把同类型神经细胞注射入病害的区域可以有效的缓解帕金森病的症状。而捐献的神经细胞是从夭折的胎儿的脑中获得的。但是，人类的胎儿不应该是移植组织的来源，这涉及到许多的伦理的问题，而且这样的细胞的来源也根本不能满足人们的需要。但无可否认的是：这些研究充分的证明了那些神经疾病是可以通过细胞移植来治疗的。 1998年，James Thomson 和他的 同事在威斯康辛大学首次分离出人类 胚胎干细胞，并在一定条件下培养了 许多代。,干细胞移植与中枢神经损伤,ES移植的具体步骤,胚胎干细胞研究的远期目标是如何能让其分化成人们所期望的系统，并用于细胞移植。一些实验已经开始在做。比如在胚胎干细胞的培养基中加入视黄酸（一种Vitamin A的衍生物），能够诱导它们发育成为神经细胞。当这种由胚胎干细胞发育而来的神经细胞注射入脊髓受伤的白鼠后，白鼠表现出在行动方面有了很大的进步。,采集脐血干细胞,体外增殖模型,神经干细胞定向诱导、基因修饰及植入,解冻 干细胞 神经干细胞 神经干细胞体外基因修饰 体外培养加入优势诱导剂 测定细胞因子发挥 将细胞因子排在该球中 包被了细胞因子 最大效率的时间（Tx） 距球心（R-VTx）的球面上 的生物降解球 测生物可降解 球降解速度 （v） 损坏脑区定位 定期复查 植入脑内,？,神经干细胞进入脑的持续分化,如何克服AD患者脑内不利环境,See you next time!,Differentiate 分化 Embryo 胚胎 Neural stem cell 神经干细胞 Culture dish / culture 培养皿/培养 Aborted human fetuses 夭折的人类胎儿 Embryonic stem cell 胚胎干细胞 Tumors 肿瘤 Somatic cells 体细胞 Oocyte 卵母细胞 blastocyst 囊胚 Induce 诱导,痴呆的现代概念,认知障碍的药物治疗,具有循证医学证据的药物 胆碱酯酶抑制剂（多奈哌齐，卡巴拉丁，加兰他敏，石杉碱甲） 兴奋性氨基酸拮抗剂：美金刚 钙拮抗剂：尼莫地平（尼膜同） 改善脑血流及脑代谢：麦角碱类、吡咯脘类， 抗氧化剂等,一、胆