脊髓损伤修复是目前神经科学研究领域最重要的课题之一。脊髓损伤的病理生理改变由原发性损伤及一系列的继发性损伤所致，导致的功能结局主要是运动功能减退或完全丧失，感觉功能的异常如神经性疼痛的发生发展。研究表明，脊髓损伤后导致损伤局部及相邻部位的胶质细胞兴奋激活，即反应性胶质炎，并导致胶质疤痕形成，胶质炎及胶质疤痕是轴突再生的重要屏障，它影响轴突再生、髓鞘再形成与突触再建立，是脊髓损伤后感觉与运动神经功能障碍的重要原因之一。但是，对于调控脊髓损伤后胶质炎及胶质疤痕发生发展的体内机制尚不清楚。在胚胎发育期，一些决定细胞命运的基因如Numb、Notch-1、Shh、BMPs等表达丰富，但成年后大多数减弱或功能处于静止状态。组织损伤后，一些基因又重新表达或表达发生改变。组织损伤后的修复过程包括中枢神经系统损伤的修复至少部分地重演了发育时期的组织生成过程。因此，研究这些基因在脊髓损伤后的表达及功能意义对于阐明调控脊髓损伤修复的内在机制具有重要意义。骨形态发生蛋白(Bone Morphogenetic Proteins，BMPs)属于转化生长因子超家族(transforming growth factor-β、TGF-β)成员。BMPs在骨骼的发育、骨形态的发生中起重要作用。同时，BMPs又具有广泛的生物学活性，是多功能的蛋白质。BMPs调控脊椎动物神经系统形成和分化许多关键步骤，作用于神经发育的不同阶段，在中枢神经系统的不同区域调节细胞命运、增殖与分化。不同的类型的BMP有不同的功能作用，BMP2、4、7在胶质细胞的发育中起重要作用，它使神经干细胞分化为星形胶质细胞，它诱导星形胶质细胞的形成。但是BMPs在成年中枢神经系统疾病如脊髓损伤中的作用的研究甚少。联系BMPs及其受体在胚胎发育中的作用，推测BMP信号可能促进脊髓损伤后星形胶质细胞反应而促进伴随损伤出现的胶质炎及胶质疤痕的形成，因此可能成为调节脊髓损伤后胶质炎及胶质疤痕形成的重要细胞信号。基于以上研究背景及推测，本研究将观察脊髓损伤后BMP信号的表达及作用：首先，检测BMPs及其受体在正常成年大鼠脊髓中的表达分布；其次，检测钝性脊髓损伤后BMPs及其受体的表达改变；在上述研究基础上，应用BMP阻断剂Noggin局部显微注射治疗脊髓损伤，观察脊髓胶质反应如对胶质炎及胶质活性的影响。本研究可能为探索脊髓损伤与保护机制并寻求有效的治疗方法提供新的思路和实验基础。针对这一研究目的，我们采用了下列研究方法：应用免疫组织化学方法检测BMPs和其下游信号转导分子磷酸化的Smad蛋白(pSmad1／5／8)及BMPs受体在正常成年大鼠脊髓中的表达分布；应用Scheff SW描述的钝性脊髓损伤动物模型，采用免疫组织化学方法及West Blot方法，观察脊髓损伤1、3、7、14、28、56天后，BMPs及其受体及pSmad1／5／8的表达分布；在上述研究基础上，利用BMPs阻断剂显微注射至损伤的脊髓阻断BMPs的作用，观察胶质活性的改变，并分析这些改变的可能意义。研究结果显示：1．BMPs及其受体在成年大鼠脊髓的表达：免疫组化未检测出BMP2、4在正常成年大鼠脊髓中表达，但BMP7在所有的少突胶质细胞及前角运动神经元表达。pSmad1／5／8在所有APC阳性的少突胶质细胞核及前角运动神经元细胞核均表达。BMPR Ia型受体在脊髓中央管室管膜细胞强表达，免疫双标显示这些细胞是3CB2(放射状胶质的标志)阳性细胞。脊髓白质周边部位的部分3CB2阳性细胞表达Ia。在灰质及白质的少突胶质细胞(APC阳性细胞表达Ia)及前角运动神经元(NeuN阳性细胞表达Ia)，Ia有中等强度的表达。部分GFAP阳性的星形胶质细胞及OX-42阳性小胶质细胞表达Ia。Ib型受体主要在少突胶质细胞、轴突及部分星形胶质细胞内表达，中央管室膜细胞及运动神经元均不表达Ib。Ⅱ型受体在少突胶质细胞及前角运动神经元有表达，在部分星形胶质细胞中表达。2．BMPs及其受体在成年大鼠钝性脊髓损伤后的表达：BMP2、4的表达：损伤3天后，在星形胶质细胞即出BMP2、4的表达。损伤后7-14天，损伤中心位置，在灰质及残余的白质肥大的星形胶质细胞体，出现BMP2、4最强表达，强表达持续到损伤后2个月。在距损伤中心头、尾侧0.5cm，仍有BMP2、4的较强表达。距损伤中心越远表达越弱。BMP7的表达：损伤1天后，星形胶质细胞BMP7的表达明显增加，损伤后14天表达激剧增多，高表达持续至损伤后1个月以上。而损伤后第一天，在少突胶质细胞BMP7表达减少，但大多数少突胶质细胞仍表达BMP7，损伤后3天到28天，许多少突胶质细胞不表达BMP7。pSmad1／5／8的表达：损伤后1天，大多数APC阳性的少突胶质细胞表达pSmad1／5／8，但是，一些APC阳性的少突胶质细胞不表达pSmad1／5／8。损伤后7、14、28天，一些APC阳性的少突胶质细胞仍不表达pSmad1／5／8，不表达pSmad1／5／8的少突胶质细胞核出现固缩、色变暗、甚至出现核分裂，提示这些细胞出现凋亡的形态特征。BMPs受体的表达：损伤后7、14、28、56天，在损伤中心及头、尾侧脊髓白质的星形胶质细胞强表达Ia，免疫双标显示，3CB2阳性的放射状胶质强表达Ia，3CB2阳性细胞也是GFAP阳性细胞强表达Ia，而3CB2阴性GFAP阳性细胞不表达Ia。3．Noggin明显抑制脊髓损伤诱导的反应性胶质增生：150kdynes IH脊髓损伤后3天，损伤部位局部注射Noggin一星期后，对脊髓组织学及免疫组化分析表明，应用Noggin阻断BMPs信号，抑制星形胶质细胞增生，抑制Brdu阳性细胞的数量，提示对损伤后的炎症反应有明显的抑制作用。综合上述，我们得出以下主要研究结论：1．虽然BMPs是一种在胚胎发育期丰富表达且决定细胞命运的基因，本研究结果发现，在成年大鼠的脊髓中，BMP2、4、7、pSmad1／5／8和BMPR均有表达。这些蛋白表达保留至成年期，可能在组织损伤时重现胚胎期的表达特征和功能，即可能参与组织损伤机制，也可能启动修复程序。2．钝性脊髓损伤后，随着胶质炎及胶质疤痕形成，BMP2、4、7及其受体在星形胶质细胞中表达激剧上升，表明BMP信号系统可能促进炎性反应，抑制神经轴突再生而导致神经功能异常。3．BMP信号的拮抗剂Noggin注射至损伤的脊髓局部阻断BMP信号，可明显抑制星形胶质细胞表达CSPG-versicon，并抑制其炎症反应及星形胶质增生反应，将可能有助于轴突的再生，为神经功能恢复提供了物质基础。4．综合本研究结果，BMPs及其受体的表达保留至成年期，且在脊髓钝性损伤后表达增强，而以其拮抗剂阻断信号表达可明显抑制其炎症反应，表明BMP信号是参与脊髓的损伤与修复机制，从而提示，调节BMPs及其受体的表达或控制其信号转导将成为治疗脊髓损伤的重要途径，为进一步脊髓损伤研究提供了方向。未来的方向：基于以上研究结果，调节BMPs及其受体的表达或控制其信号转导将成为治疗脊髓损伤的重要途径，为进一步脊髓损伤研究提供了方向。同时，将密切结合本学科有关疼痛治疗，运动功能康复等的治疗进展，不仅可以更明确阐明BMPs及其受体在脊髓损伤与修复中的作用，而且可以从功能恢复角度评价通过调节BMP信号系统的治疗效果。