重磅專題：膠質瘢痕，是功？是過？
寫在前面的話
在脊髓損傷再生修復的研究中，「膠質瘢痕」一直是其中非常重要的研究方向。幾十年來，認為膠質瘢痕是「神經再生的物理屏障」，而且「會分泌抑制因子」的傳統觀念一直佔據主流。隨著技術的發展和理解的深入，科學研究領域許多傳統主流的觀念都受到了新生力量的衝擊，對膠質瘢痕的認識也不例外。
本期的「膠質瘢痕」專題，我們用生動易懂的文字綜述了該領域從20世紀30年代以來的研究進展及爭議，同時領域內對有影響力的團隊發表的成果進行文章評述，相信會給讀者一個較為全面的認識。
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如今，涉及到脊髓損傷、病變及其治療修復相關的研究論文或評述，大都會談及膠質瘢痕的產生、形成及其在神經再生與功能修復過程中所扮演的角色。
長久以來的主流觀點認為，成熟的瘢痕應該是阻止神經纖維再生跨越並與原始靶標重新產生神經聯繫的一道物理屏障。此外，瘢痕組織中分泌的某些外基質分子也被證實具有抑制神經軸突生長的作用。
因此，自20世紀30年代至今，「瘢痕」在神經再生過程中被主流定性為「負面抑制角色」。但觀點爭論一直是科研領域的常態與科研發展的動力，對於「瘢痕抑制神經再生」這一傳統主流觀念的攻守之戰，近百年來一直都在上演。
時至今日，論戰雖然未見停歇，甚至愈演愈烈，但人們對瘢痕角色的認識，卻在不斷深入，越發清晰明朗。事實上，上演了近百年羅生門的不僅僅是瘢痕組織在脊髓損傷修復中的角色。包括影響脊髓損傷後神經再生的主要原因之爭，在近百年間也有過數次的變遷。回顧歷史或許能讓我們更好地梳理和認清許多理論和觀念是如何產生，發展，篩選，淘汰，檢驗，完善、更新進步，直到成熟的。
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膠質瘢痕是什麼？
其實，膠質瘢痕（glial scar）這個概念一直以來本身就含混不清，目前急需一個明確的界定。脊髓損傷後，損傷部位附近的星形膠質細胞會響應損傷信號而迅速活化為反應性星形膠質細胞（reactive astrocyte）。這類細胞與表達NG2的少突膠質前體細胞（oligodendrocyte progenitor cells, OPC）和小膠質細胞（micro glia）一起，在損傷組織的附近形成一圈緻密的邊界結構，將整個損傷區域封閉隔離起來。而被封閉的損傷區內，在炎症反應穩定下來後，聚集有許多不同來源且異質性很強的非神經類型的細胞，具包括與血管伴行的周細胞，脊膜及其他來源的成纖維細胞，間充質細胞，外周血來源的各種免疫細胞等等；此外，也有研究表明脊髓室管膜細胞響應損傷後增殖產生的GFAP陰性的星形膠質細胞也會出現在損傷核心區內（圖1）。
圖1. 瘢痕組織的結構 （Katrina L. Adams&Vittorio Gallo，Nature Neuroscience， 2018 有修改）
近十多年來，膠質細胞在中樞神經系統中生理功能的異質性和複雜性已有了深入的研究。由此，我們不難想像，膠質瘢痕內包含的幾類膠質細胞亦是複雜多樣，有別於各自常態下的特徵的，更不必說纖維性瘢痕所在的損傷核心區還存在內眾多不同類型的細胞。這也暗示我們對瘢痕組織在神經再生過程中的功能和角色的定位可能需要進行更加複雜深入的研究和全面綜合的考量。
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膠質瘢痕是物理屏障源自臆測？
20世紀初，天才的現代神經科學之父Santiago Ramóny Cajal根據著名的外周神經移植物能誘導中樞神經細胞的神經軸突再生長入實驗，提出了趨化因子理論（Cajal』s chemotactism theory）來解釋中樞神經系統再生困難的原因。他認為，中樞神經系統在損傷後可能是存在或者缺乏某種對神經纖維再生必不可少的相關趨化因子（圖2）。
圖2. Cajal及其中樞神經軸突再生理論
到了20世紀40-50年代，有一些研究人員開始觀察到，損傷後的軸突總是無法再生穿越上述由損傷後形成的結締組織樣的膠質瘢痕區域，而且許多神經軸突似乎就停止在膠質瘢痕的邊緣，根本無法長入。由此，人們難免推測很可能是緻密的瘢痕組織本身形成了一個阻礙軸突穿越再生的物理障礙。
1954年，Clemente及合作者的研究表明，用藥物抑制損傷部位膠質瘢痕的形成，能觀察到更多地神經軸突再生及脊髓損傷後貓的行為學改善。這篇文章的結果將膠質瘢痕視為物理屏障的觀點推向高潮，人們甚至開始一度摒棄Cajal的早期趨化假說。
新的科研成果和觀點總是要經得起推敲和重複。畢竟Cajal名聲在外，擁護和崇拜者也不乏其人。就在上述論文發表的第二年，就有人在同一期刊登文，稱其報道的再生結果及功能恢復無法驗證。二十多年之後的1979年，還有人在重複這一實驗結果，遺憾的是，同樣也無法重複出陽性結果（圖3）。但是，瘢痕組織是神經再生物理障礙的觀點並沒有偃旗息鼓，可能是這種觀點太直觀明了，淺顯易懂。
圖3. 上文中提及的兩篇反對論文
上世紀80年代之前，受限於落後的細胞研究技術和實驗分析手段，並沒有太多令人信服的實驗來多角度驗證膠質瘢痕作為神經軸突再生障礙的科學性。直到1990s以後，隨著手術精細程度的提升，分離鑒定手段的進步，顯微觀察示蹤技術的發展，圍繞膠質瘢痕的研究也在不斷向前推進。自1990s至今，人們對膠質瘢痕作為再生障礙的認識已遠超過去數十年的累積，瘢痕的作用的認識在不斷更新，修正與深化。
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膠質瘢痕分泌的CSPGs是抑制性的
Cajal趨化因素之一
隨著蛋白質分離純化鑒定技術的不斷進展，自Cajal的理論提出至上世紀80-90年代，雖然經過數代科研人員的努力都未能篩選和尋找到中樞神經系統中有利再生的因素（內因挖掘在基因操作尚不成熟的時期肯定是困難巨大），但是卻陸續發現了不少起抑制作用的蛋白因素，如Nogo，MBP和Omgp等（Martin Schwab實驗室引領了1980s-2000s時期脊髓損傷修復領域以外界抑制因素為主要歸因的研究高潮，詳情請參見「中科院再生醫學公眾號」的文章「追「古」爍今——脊髓損傷後神經再生的科研史（1）」）。
在這段時期，瘢痕組織中由反應性星形膠質細胞及其他細胞大量表達的細胞外基質分子硫酸軟骨素蛋白聚糖類（CSPGs）被視為是主要影響軸突再生的抑制因素之一。
1991年，凱斯西儲大學Jerry Silver實驗室通過體外實驗表明脊髓損傷後瘢痕組織中反應性星形膠質細胞來源的CSPGs在體外能抑制神經軸突的生長，暗示其在體內可能的神經再生抑制作用。之後，劍橋大學國王學院JamesFawcett實驗室表明通過施加硫酸軟骨素酶ABC（ChABC）消化損傷區瘢痕組織內CSPGs分子使其失去活性，可以有效促進脊髓損傷動物的運動功能恢復，而且他們還觀察到損傷部位附近明顯的神經軸突出芽再生。此後，Fawcett一直致力於ChABC治療脊髓損傷的臨床推廣。而後續的許多研究也較好地重複驗證了ChABC在治療脊髓損傷上的效果。
最近，Silver實驗室的研究結果還顯示：當軸突中的蛋白酪氨酸磷酸酶σ（PTPσ）與膠質瘢痕中硫酸軟骨素蛋白聚醣相互作用時，會阻止軸突生長。他們設計了名為ISP的拮抗劑來阻斷PTPσ與CSPG的結合，皮下注射該藥物後能使脊髓損傷的癱瘓小鼠恢復軸突再生並可有效改善運動和膀胱功能。此外，還有些其它研究團隊證明CSPG能在體內和體外直接影響少突膠質細胞的成熟及神經軸突的再髓鞘化。
基於以上許多累積的數據，傳統觀點得到肯定和發展：膠質瘢痕及其分泌物CSPGs可能通過本身形成物理屏障，以及通過某種抑制信號導致軸突再生障礙和再生軸突的再髓鞘化障礙，從而抑制脊髓損傷後神經功能再生。
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為膠質瘢痕及CSPGs抑制角色的抗辯
一波未平，一波又起。由1950s年代興起的膠質瘢痕是否為軸突再生的物理屏障之爭在1990s之後還未平息，CSPGs作為瘢痕分泌的外基質成分，是否是軸突難以穿過瘢痕並再生的原因的爭議愈演愈烈。
否認抑制角色觀點的研究人員認為，無論是CSPGs的酶切消化還是對其信號通路的衰減，雖然檢測到一定的神經功能恢復，卻並沒有體內確切證據顯示運動神經纖維能跨越瘢痕組織進行長距離再生。
此外，CSPGs在體內抑制神經軸突再生的結論也不是一成不變的。加州大學聖迭戈分校的Mark Tuszynski教授團隊發現，部分軸突可以再生進入共表達NG2 (CSPGs成員之一) 及L1和Laminin或NCAM的瘢痕組織內（後三者為細胞黏附因子，被視作軸突生長促進因子），暗示損傷部位抑制因素和促進因素的博弈和平衡或許對部分類型的神經軸突的再生有調節作用。事實上，體內損傷微環境異常複雜多樣，只單純存在CSPGs對神經軸突起作用的幾率是幾乎不存在的。因此，最終能觀察到何種軸突再生的結果很可能是軸突所處的損傷微環境里多種成分和因素共同存在並且相互博弈取得的某種平衡所致。
長久以來，一直對膠質瘢痕及其分泌外基質CSPGs在軸突再生方面的負面調控角色持懷疑態度的領軍人物要數加州大學洛杉磯分校的Micheal Sofroniew教授領銜的團隊。
2016年，該團隊通過遺傳手段特異去除成年小鼠脊髓內具有瘢痕形成能力的反應性星形膠質細胞的增殖能力，使其可以在脊髓損傷後特異的阻礙膠質瘢痕形成。通過觀察這些小鼠脊髓損傷後急性及慢性期時三種中樞神經系統中不同類型上下行神經軸突的再生情況及總體CSPGs水平，研究者發現，減少形成瘢痕的星形膠質細胞，雖然可以有效阻止膠質瘢痕的形成，但是無論阻礙急性期膠質瘢痕形成還是慢性膠質瘢痕形成，都不能有效引導神經纖維再生進入損傷區內，同時反應性星形膠質細胞的增殖與否對CSPGs的沉積並無顯著影響。此結果以極為煽動和顛覆性的標題「Astrocyte scar formation aids central nervous system axon regeneration（星形膠質瘢痕的形成促進中樞神經系統軸突再生）」在Nature雜誌發表（對此文章的評述請見本專題中的第三篇文章）。配合此文發表的，還有由膠質細胞研究領域的翹楚，斯坦福大學知名教授Ben Barres在同期Nature雜誌配發的宣傳文，題為「Not everything is scary about a glial scar」。
此文一出，立即引發不小的震動。瘢痕研究的大佬Silver隨後在Experiment Neurology撰文，對上述Nature文章提出見解與異議。作者認為，雖然減少星形膠質瘢痕的脊髓損傷大鼠中觀察不到皮質脊髓束的再生，但未對星形膠質瘢痕做處理的對照組也並未見到有效的皮質脊髓束再生，因此，標題開宗明義說星形膠質瘢痕形成有助於軸突再生本身就有誇張宣傳的嫌疑。另外，急性期內減少瘢痕形成反而使得軸突再生情況變差，可能是由於反應性星形膠質細胞數量改變引起了免疫反應的改變而導致的結果。
瘢痕組織的成分原本就是複雜的，試圖通過單一去掉某種細胞去衡量其在損傷修復中的作用，原本就是武斷和過於理想化的，最終結果可能與現實情況差異甚大；其次，瘢痕組織的組分及從急性到慢性期的形成過程應該是動態變化的，因此，瘢痕組織對神經纖維再生的影響隨時間和具體環境而扮演辯證的角色。所以，部分研究者認為膠質瘢痕在早期很可能對軸突再生是有益的，而陳舊性的膠質瘢痕可能主要對軸突再生起到障礙和抑制作用。
中國科學院戴建武團隊近日發表在Experimental Neurology雜誌的文章支持了這一觀點。他們分別分離了脊髓全橫斷損傷後2周及8周大鼠的瘢痕組織，對亞急性期和陳舊性期的瘢痕組織進行蛋白質組學分析。結果顯示，2周形成的瘢痕組織中含有更多的營養因子，而fibrolectin等外基質的分泌則在8周形成的瘢痕組織中更多，提示亞急性期與陳舊性期的瘢痕組織在蛋白質表達上存在差異（詳情請見本專題的第二篇文章）。此外，日本九州大學Seiji Okada研究團隊通過在脊髓損傷2周後以藥物特異性抑制integrin信號來衰減膠質瘢痕的形成，也可以觀察到明顯改善的行為學水平。
在上文提及的Sofroniew的Nature文章中，5周後處理瘢痕組織未能觀察到明顯的上行感覺神經纖維的再生，這一點與Seiji Okada研究團隊的結果有所出入。但是，戴建武團隊的研究結果顯示，在8周手術清除瘢痕組織後，上行感覺纖維的再生得到了明顯增強，同時，清除瘢痕組織後，在損傷處給與多種神經營養因子能更有效地誘導上行感覺纖維的再生，暗示陳舊性瘢痕組織的存在可能確實影響了神經軸突的再生。
早在2015年1月，戴建武再生醫學團隊就已經在國際上首次開展了神經再生膠原支架移植治療陳舊性完全性脊髓損傷的臨床研究。他們通過損傷部位原位電生理檢測來區分神經電生理傳導的響應區域與非響應區域，並首次在術中對陳舊性脊髓損傷患者損傷部位無神經傳導活性的瘢痕組織的清理。隨後，他們在瘢痕組織清除區域移植了其自主研發的神經再生膠原支架。首批5例患者經過1年的安全性評估未發現與瘢痕清理和神經再生膠原支架移植相關的不良反應，證明產品及治療方案的安全性，這是國際上首次功能膠原支架應用於患者的臨床研究。
目前，戴建武團隊已完成60餘例陳舊性患者的移植手術，部分患者出現植物神經功能或感覺平面擴展等效果，證實陳舊性瘢痕組織的存在可能確實影響了神經功能恢復，而科學清除陳舊性瘢痕組織可以有效改善患者的感覺及運動功能。除陳舊性脊髓損傷患者外，該團隊還首次招募了急性完全性脊髓損傷受試者。首批4例患者手術六個月後均出現運動功能改善。其中1例頸段損傷患者和1例胸段脊髓損傷患者出現較準確的大小便感覺，下肢出現自主的運動功能恢復並伴隨有中斷的感覺誘發電位和運動誘發電位的恢復，提示神經再生支架和治療方案具有療效。
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纖維性瘢痕及其作用
除了膠質瘢痕外，損傷核心區域還存在另一類瘢痕——纖維性瘢痕，其在損傷修復中的作用也是複雜多樣，利弊兼具的。最早通過遺傳標記系統闡述脊髓組織內血管伴生的周細胞（pericyte）能在脊髓損傷後增殖並遷移到損傷區，且是纖維性瘢痕的重要來源的，是瑞典卡洛琳斯卡學院傑出神經生物學家Jonas Frisén領導的團隊。
他們通過特異譜系示蹤周細胞的小鼠（Glast-CreER）與Ras缺失型的小鼠雜交，繁育出了可特異阻斷A型周細胞增殖能力的工具鼠。對該工具鼠實施脊髓背索損傷後，與野生型小鼠不同的是，原本能在損傷後大量增殖並遷移到損傷區的周細胞並未活化，導致損傷區留下了或大或小的空洞，傷口無法閉合。該研究表明，A型周細胞在脊髓損傷後能很好地促進損傷區的癒合，並能阻止傷口進一步擴大化。事實上，周細胞增殖活化所引起的瘢痕形成不僅在中樞神經系統，很可能在其它器官中也具有類似的作用，它們的活化或許是對損傷的一個普遍反應。
就在Sofroniew團隊在Nature發表上文提及的文章之後，Jonas Frisén團隊用同樣的工具鼠和損傷模型，來觀察纖維性瘢痕的衰減除了不利於早期脊髓損傷處組織的止損之外，在功能修復過程中是否像膠質瘢痕一樣還有另一層作用。他們的結果表明，在優化周細胞衰減程度（即既不會造成早期巨大的空洞形成，又有效減少了周細胞的增殖數量）的情況下，多種運動相關的長纖維能有明顯的再生，並在再生部位產生神經聯繫，同時動物的運動功能得到顯著提升。這說明適度衰減纖維性瘢痕組織的沉積能有效促進脊髓損傷後功能恢復。
當然，他們的結果也難免有所爭議，例如對周細胞增殖程度的準確拿捏（過度抑制增殖則損傷無法不能閉合，形成開放性損傷），以及Glast作為譜系示蹤的準確程度等等之類的。
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目前能總結的話
瘢痕組織及其分泌蛋白CSPGs在脊髓損傷後所扮演的角色已經爭論了將近百年，在科學研究中，出現分歧在所難免，產生爭辯也是無可厚非，這原本是推動科學進步的有效動力之一。相信隨著科技的進步和研究的深入，用科學，動態和辯證的眼光去分析瘢痕組織及其在神經再生過程中的角色，會使對瘢痕的定位和認知越發清晰與合理。同時，這樣的認知也將有效助力脊髓損傷修復這一世界難題的早日攻克。
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文末福利給堅持看完的小夥伴：科學家小故事——Ben Barres（1954-2017）
Barres是神經膠質細胞研究領域的開拓者和集大成者。有文章對他的描述稱：「Barres身材矮小、禿頂、鬍子稀疏，喜歡穿工裝褲，是一個很安靜的人」。很多人並不知道，「他」其實原來是「她」。
Barres原名叫芭芭拉·巴雷斯（Barbara Barres），雖然生為女性，但她從小就認定自己是個男人。在其41歲罹患乳腺癌進行了乳房切除手術後兩年，她毅然進行了變性手術。此後，芭芭拉·巴雷斯變成了本·巴雷斯。促使她決定變性的原因，除了發自內心的男性自我認同之外，還源於長期以來外界對於她作為一個女性從事科研工作的種種歧視。據說她曾經在MIT課堂上解出一道很難的數學題，而且全班只有她一個人解了出來，但是教授認為可能「是男朋友幫了忙吧」。然而，芭芭拉並沒有男朋友。此外，在某次競爭獎學金之時，芭芭雖然已經發表了六篇論文，卻還是輸給了一個只發表了一篇論文的同學，只因那是一位男同學。從業之後，一次他做完一個科學報告後在台下走動時，無意間聽到一個聽眾對別人說：「本巴雷斯的這個報告真不錯，比他妹妹芭芭拉強多了」，殊不知，之前的芭芭拉就是此刻的本。變性之後，本在科學界里被人「更當回事」了，僅僅因為他現在是個男人。
2013年，因為在神經膠質細胞上的傑出研究成就，巴雷斯當選美國科學院院士，他是第一位變性院士。個人的成長經歷也讓本經常為女性以及LGBT平權發聲。此外，他並沒有組建自己的家庭，而是將精力都投入到科學研究上。他對待學生也十分真誠開明，多次撰寫文章要學生注意如何選擇導師。
2016年12月27日，巴雷斯因胰腺癌去世，享年63歲。斯坦福大學發布的悼文里說，在最後的日子裡，他忙於為學生們撰寫推薦信，也寫文章呼籲導師給博士後更多地科研自由。有些人的存在，讓這個世界變得更好了一點。他的存在，也讓科研圈也變得更溫馨了一點。
編輯：李佳音
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