综述：脊髓神经血管动态：从发育到病理生理学

《Neuron》：Neurovascular dynamics in the spinal cord from development to pathophysiology

本综述挑战了脊髓与大脑神经血管系统相似的固有认知，系统阐述了脊髓血管独特的发育模式、生理特性及在病理中的核心作用。文章强调脊髓血管的特有结构（如BSCB）、关键信号通路（VEGF、Wnt、Sema3C/Plexin-D1）及其与神经元（尤其是运动神经元）、少突胶质前体细胞（OPC）的动态互作，揭示了其在脊髓损伤（SCI）、肌萎缩侧索硬化（ALS）、多发性硬化（EAE）及神经病理性疼痛等疾病中的关键机制，为靶向神经血管单元（NVU）的治疗策略提供了新视角。

　　

引言

在中枢神经系统（CNS）中，脊髓（SC）作为大脑与身体之间至关重要的通信通道，具有高代谢需求，并依赖于由血管细胞与神经实质相互作用形成的特化血管网络。尽管脊髓作为神经发育和损伤模型长期以来备受关注，但其血管组织和特性的研究仍相对不足。传统上认为脊髓和大脑的神经血管系统以相同方式构建和运作的观点限制了该领域的进展。本综述旨在挑战这一观点，通过审视脊髓血管发育、生理学和病理学的特定属性，阐明其独特的血管结构和稳态机制，并讨论神经血管紊乱如何促成脊髓疾病和损伤后的再生失败。

脊髓周围血管网络的形成及向神经管内的血管发芽

脊髓血管化始于神经管周围吻合的软膜毛细血管丛——神经周围血管丛（PNVP）的组装，该过程受神经上皮信号的引导。研究显示，在小鼠胚胎第8.5-9.5天（E8.5-E9.5）和禽类胚胎约第3天（E3），来自轴旁中胚层的成血管细胞围绕脊髓聚集，通过血管发生形成PNVP，该过程由神经管分泌的血管内皮生长因子（VEGF）驱动。随后的研究提出了另一种（可能是互补的）过程，即源自椎动脉（VTA）和背侧纵向吻合血管（DLAV）的血管芽通过血管生成重塑为PNVP。在斑马鱼胚胎中，PNVP的形成则通过VTA和静脉节段血管（vISV）的血管生成性重塑完成，此过程同样由VEGF（此处由放射状胶质细胞和神经元分泌）通过其受体VEGFR2/KDR信号通路驱动。此外，斑马鱼脊髓周围血管生长还受背侧神经管前体细胞释放的Apelin调控，其通过受体Aplnr引导内皮尖端细胞建立DLAV，并与VEGF协同调控vISV重塑。

神经上皮产生的VEGF也是诱导脊髓内血管化的强效因子。大约在小鼠胚胎E10.5和斑马鱼受精后12天，来自PNVP的血管生成芽开始侵入脊髓。在更早阶段，即使内皮细胞（EC）表达VEGF受体，脊髓表面的血管也被阻止长入实质。斑马鱼研究表明，由EC和神经元表达的跨膜和可溶性形式的VEGFR1/Flt1可作为VEGF陷阱，限制脊髓周围血管网络的扩张并抑制脊髓过早血管化。有趣的是，放射状胶质细胞通过调节EC中的sFlt1水平来限制来自vISV的血管生成。神经元sFlt1在发育过程中的下调解除了这种抑制性刹车，允许VEGF驱动血管长入脊髓。

除了VEGF，典型的Wnt信号通路在脊髓血管化中也扮演核心角色。干扰小鼠胚胎中的该通路虽不会阻止PNVP的形成，但会削弱脊髓内的血管生成（尤其是在腹侧区域），导致异常的内皮细胞团块（肾小球样结构）、出血并最终导致胚胎致死。研究表明，神经上皮衍生的Wnt7a和Wnt7b通过由Frizzled（Fz）、Lrp5/6、GPI锚定糖蛋白Reck和孤儿粘附G蛋白偶联受体Gpr124组成的细胞表面复合物向EC发出信号。Reck作为Wnt7a/b特异性结合组件，而Gpr124将Reck结合的Wnt7a/b配体递送给Fz/Lrp5/6受体以启动信号传导。这种受体复合物使EC能够选择性响应Wnt7a/b，而非其他Wnt配体，从而促进发育中的CNS血管生成。在斑马鱼大脑中，从PNVP发芽的尖端细胞中Wnt7a/b依赖性表达的基质金属蛋白酶MMP25使其能够降解软膜基底膜并迁移到实质中。值得注意的是，Gpr124/Reck/Fz/Lrp5/6聚集的机制存在物种特异性差异。除了调节发育中的脊髓血管生成，典型Wnt通路还通过赋予CNS（包括脊髓）EC屏障能力状态（如协调表达连接蛋白Claudin-5、转胞吞抑制因子MFSD2A和转运蛋白GLUT1）的转录程序，对BSCB的成熟和维护至关重要。

脊髓内的细胞间通讯和血管模式化的分子机制

虽然初始的血管长入由VEGF和Wnt7a/b驱动，但这些信号本身并不能完全解释实质内血管的精确模式化。在禽类和小鼠胚胎中，从PNVP发出的第一批血管芽腹侧侵入脊髓，进入底板和运动柱之间。值得注意的是，这些血管避开这两个结构，而是沿着环绕运动神经元（MN）并延伸至神经前体细胞域8的保守轨迹生长。鉴于MN和脑室区前体细胞都表达VEGF，这些区域在早期阶段保持无血管状态表明存在抗血管生成因子抵消VEGF的化学吸引作用。与斑马鱼脊髓周围血管网络形成的机制类似，在小鼠和禽类胚胎中，MN表达的sFlt1可部分捕获其自身产生的VEGF，阻止血管芽过早长入运动柱。随着MN中sFlt1水平下降（小鼠从E12.5开始），这种阻断被解除，允许血管长入。此外，MN分泌的化学趋向因子Semaphorin 3C（Sema3C）在特定发育窗口期内限制血管侵入运动柱。MN来源的Sema3C通过激活EC上的Plexin-D1受体来排斥血管。对Sema3C或Plexin-D1缺失的小鼠胚胎，以及MN特异性Sema3C敲除或EC特异性Plexin-D1敲除胚胎的分析揭示了运动柱内血管过早和过度长入。

类似的促血管生成和抗血管生成活性平衡也控制着血管与MN轴突之间的相互作用，MN轴突通过腹根向周围靶标延伸，恰逢第一批血管芽侵入脊髓。运动轴突在SC脑膜和周围间充质信号的引导下离开神经上皮。考虑到脑膜的密集血管化，其中一些线索可能源自血管。与此一致的是，从胚胎小鼠SC脑膜纯化的EC表达了已知的轴突导向基因，并在MN上有相应的受体，提示EC信号可能有助于运动轴突离开神经管。在腹根内及其投射路径上，运动轴突与血管密切接触。对Sema3C和Plexin-D1突变胚胎（其中MN-EC通讯被破坏）的分析揭示了腹根异常以及运动轴突在导向选择点处被异位“内皮屏障”阻滞。运动柱过度血管化和Plexin-D1突变体的轴突表型均通过删除MN中的Vegfa得到挽救，而神经元过表达VEGF则导致血管长入运动柱并引起腹根去束化。这些发现表明，MN通过一组共享的信号调节其与SC内外血管的相互作用：MN释放的VEGF吸引EC，启动运动柱周围的血管模式化和神经血管对齐；同时，MN分泌抗血管生成因子（如sFlt1）和排斥信号（如Sema3C），防止运动柱过早血管化以及神经肌肉连接发育过程中破坏性的血管-轴突接触。

发育中的脊髓中血管与神经和少突胶质前体细胞的相互作用

脊髓内的血管生成发芽始于神经前体细胞（NPC）通过相反的形态发生素梯度（Shh、Wnt和BMP）完成背腹侧模式化之后。到E12.5时，血管在腹侧SC的脑室区外缘对齐，而在背侧区域，它们在前体域内形成蜂窝状网络——这种模式让人联想到新皮质中的血管组织。在鹌鹑胚胎SC或斑马鱼后脑中局部破坏神经发生会导致血管模式化的离散变化并引起血管渗漏，表明NPC调节血管组织和成熟。血管与NPC的紧密关联也见于发育中的大脑皮层和成年神经发生龛，其中EC衍生因子影响前体细胞的扩增和分化。通过输送氧气，血管促进神经元分化——这一过程在缺氧条件下被抑制，缺氧反而有利于细胞增殖。

在胚胎小鼠SC中，Olig2⁺的MN前体域首先产生MN，随后在发育后期产生少突胶质前体细胞。少突胶质-血管界面（指血管细胞与少突胶质细胞之间的物理关联和共同调节相互作用）在SC中的特征仍不完全清楚。重要的是，在SC中，EC与pMN前体之间的双向信号传导调节OPC分化。这种分子串扰涉及pMN-NPC分泌的血管生成素-1，其信号传递给表达Tie2的EC。EC的响应促进pMN-NPC向OPC的特化。敲除EC中的Tie2或pMN-NPC中的Ang1都会损害OPC特化，导致发育性髓鞘形成缺陷。一旦特化，OPC离开pMN域并沿血管迁移以定植SC。在迁移过程中，OPC中的高Wnt信号抑制其分化为髓鞘形成少突胶质细胞，并诱导CXCR4表达，使OPC能够响应EC衍生的CXCL12，从而被吸引至血管。这种机制确保OPC在沿血管迁移时不会过早分化，血管本身可能有助于加强这种阻滞。随着Wnt活性降低和CXCR4下调，OPC从血管脱离并开始成熟。在发育中的皮层中，EC释放TGF-β1，其在OPC分化过程中包裹血管的星形胶质细胞终足释放排斥信号如Sema3A和Sema6A来排斥OPC。

反过来，OPC在大脑白质中调节血管生长和成熟，将早期产后发育过程中的髓鞘形成与血管供应联系起来。在低氧张力下，OPC中HIF1/2α的稳定刺激Wnt7a/7b表达，激活抑制分化的自分泌典型Wnt信号。同时，OPC衍生的Wnt以旁分泌方式作用于内皮尖端细胞促进血管生成，可能是通过上调Apelin，从而驱动柄细胞增殖和血管生长。此外，OPC和少突胶质细胞有助于BBB的建立和维护。在皮层中，OPC衍生的TGF-β1通过诱导EC中的紧密连接蛋白ZO-1来控制BBB完整性，而成熟少突胶质细胞分泌的laminin-γ1通过维持MFSD2A（一种关键的跨内皮转运抑制因子）的表达来抑制跨内皮的转胞吞作用。研究SC中是否存在类似机制调节OPC/OL成熟、血管化和BSCB完整性将非常有趣，因为如上所述，OPC在那里也与血管相关联。

脊髓血管的神经支配

血管的神经支配对于调节血管张力和血流动力学至关重要，然而关于SC血管神经供应的信息仍然有限。早期的组织学研究报道了伴随软膜动脉进入髓质直至小动脉分支的众多小型无髓鞘纤维（可能是节后自主神经轴突）和一些较大的有髓鞘纤维。脊髓血管最显著的神经支配是交感神经。根动脉、脊髓前动脉（ASA）和脊髓后动脉（PSA），以及较小程度上的髓内小动脉，都密集地受来自椎旁交感神经链节后肾上腺能纤维支配，这些纤维释放去甲肾上腺素和神经肽Y等血管收缩剂，而静脉的神经支配较稀疏。在横断SC的损伤部位以下，观察到交感纤维沿血管通过前正中裂进入灰质，在那里它们仍然与小的血管相关联，或者在某些情况下脱离并通过神经毡延伸，以接触腹角和中央灰质中的MN和中间神经元。自主控制延伸到特殊的簇状动静脉肾小球，这些结构绕过毛细血管床，可能在SC血流的自动调节中发挥重要作用。髓外动脉也受肽能纤维（推测源自感觉背根神经节）支配，这些纤维释放血管舒张和促炎神经递质，包括降钙素基因相关肽、P物质和血管活性肠肽。此外，来自脑干中缝核的投射的血清素能血管收缩纤维支配SC实质内的小血管，接触前角附近的中央动脉，然后沿其壁腹侧向ASA延伸。最后，在猫SC中观察到与ASA相关但未与后脊髓静脉相关的胆碱能纤维，其起源仍不确定。上述在动物模型（主要是大鼠、猫和狗）中的发现是否在不同物种间保守并适用于人类SC，仍是一个悬而未决的问题。

上述神经源性血管调节在引导免疫细胞进入SC中起关键作用。在多发性硬化中，常观察到与脱髓鞘病变相关的炎性血管周围袖带围绕中央静脉和放射状静脉分布。这种分布 favored by SC的吻合且无瓣膜的静脉系统产生的缓慢和紊乱的血流。此外，在实验性自身免疫性脑脊髓炎模型中（该模型重现了MS的某些特征）的研究揭示了一种神经-血管-免疫反射，它通过区域性地调节BSCB完整性来控制免疫细胞的选择性进入。在该模型中，自身反应性T细胞优先从后内侧脊髓静脉渗出，进入L5（第五腰椎）水平的SC，该位置邻近支配比目鱼肌的背根神经节。比目鱼肌的感觉神经刺激激活交感神经回路，诱导L5处后静脉中趋化因子的表达，吸引免疫细胞并使该部位成为T细胞外渗的门户。与SC静脉床在EAE中的主要受累一致，在疾病的急性和慢性阶段，都观察到静脉中与新生血管生成、增殖和炎症相关的基因病理上调，以及通透性增加。

血-脊髓屏障的生理学

BSCB通过限制血细胞和物质从血流进入神经组织而发挥重要的保护和调节功能。BSCB与其他CNS血管屏障共享关键基本特征，包括：具有特殊紧密连接的非开窗EC，防止血液与SC组织之间的旁细胞扩散；低速率的内皮转胞吞；选择性泵出有害物质并输入必需营养物和分子的转运系统；低表达白细胞粘附分子；EC中线粒体数量多；包埋在同一基底膜中的周细胞；环绕血管并包裹神经元突触的星形胶质细胞终足，促进神经血管耦合。

尽管有这些相似之处，BBB和BSCB表现出不同的特征，反映了为满足各自CNS区域代谢和生理需求的独特功能适应。BSCB的限制性低于BBB，尤其是在腰段。血清生物分子、细胞因子和生长因子在生理条件下可扩散进入SC，但不会进入大脑。与BBB相比，BSCB相对较高的基线通透性可能源于EC连接蛋白表达和动力学的差异。来自SC微血管的培养EC显示ZO-1、Occludin和VE-cadherin（而非Claudin-1/5）水平较低，并且跨上皮电阻降低。蛋白质组学分析检测到人和大鼠SC与大脑皮层毛细血管之间几种EC受体和转运蛋白的差异，这可能有助于解释药物分布和药代动力学在CNS区域和物种间的差异。BSCB的额外复杂性来自EC分子谱的节段特异性差异，例如腰段SC中紧密连接蛋白Claudin-11和几种转运蛋白的表达较低。有趣的是，活体成像显示SC白质中的TJ比皮层中的更具动态性，表明EC接触的重塑增加可能导致SC血管对病理损伤的易感性更高。

尽管这些研究指出了SC内皮的分子异质性，这可能影响屏障特性，但在动物模型或人类中对SC血管转录和组成特征的全面分析仍然缺乏。此外，EC特征如何随SC节段变化，以及是否存在其他细胞差异导致其与大脑不同的通透性特征，仍有待探索。这种差异也可能源于NVU内细胞配置和相互作用的变化。据报道，小鼠SC的周细胞密度（屏障完整性的关键调节因子）低于大脑，这与SC内皮转胞吞和旁细胞流增加相关。周细胞-EC相互作用可能在大脑和SC之间受到差异调节，如携带Pdgfb（周细胞募集至微血管的关键信号）功能低下等位基因的小鼠大脑周细胞显著减少，而SC微血管的周细胞覆盖仅受到适度影响。BSCB与其他CNS屏障的差异也可能源于NVU其他成分（包括星形胶质细胞和小胶质细胞）在健康状态以及其对衰老、损伤和疾病反应中的异质性。例如，SC中的小胶质细胞往往表现出更活跃/促炎的基线状态，这可能影响屏障特性。对这些区域特异性NVU组成差异及其对BSCB功能影响的系统表征是必要的。

血-脊髓屏障的易损性

BSCB功能障碍见于多种SC疾病。反映其相对基线通透性，BSCB在损伤或疾病期间比BBB更容易进一步破坏，这种脆弱性可能源于屏障组织、EC反应性、微环境信号和血管解剖结构的差异。强调这种易感性，局部注射促炎细胞因子或创伤性损伤在SC中诱导的屏障渗漏和炎症比大脑更显著。BSCB通透性增强和神经炎症相互关联，因为SC的EC中粘附分子上调更显著，加上其富含静脉的血管系统，有利于白细胞（尤其是中性粒细胞）募集，从而破坏EC连接并加剧屏障崩溃。因此，BSCB完整性的丧失在EAE（一种炎性脱髓鞘病症）中广泛存在，而前脑的BBB相对保留。导致这些不同反应的因素可能包括上述与SC特异性血管神经支配相关的神经-血管-免疫反射，以及SC相对于大脑更高的白质含量，这可能放大EAE期间血管的脆弱性和炎症。SC白质中的血管不仅比灰质稀疏，而且小动脉更少、小静脉更多、毛细血管更长，导致血流更低。这些结构差异使白质对缺氧损伤更敏感，并能引发更强的新生血管生成反应——这一病理过程被证明起源于静脉床，并与MS-EAE斑块中异常的血管渗漏相关。

在MN变性小鼠模型中也观察到BSCB反应的区域差异。携带与遗传性MN疾病相关的阳离子通道TRPV4功能获得性突变的小鼠，表现出局灶性BSCB破坏，在颈段SC腹角尤为显著，而在腰段和大脑中几乎不存在。这种血管损伤进而通过非细胞自主机制触发MN变性。值得注意的是，特异性在EC中（而非神经元、胶质细胞或肌肉中）删除突变型Trpv4等位基因可挽救这些表型，这为人类遗传性疾病中BSCB完整性丧失可能是神经变性的主要驱动因素提供了一个清晰的例子。在肌萎缩侧索硬化小鼠模型中也报道了腹角BSCB改变的增强。鉴于背侧和腹侧SC区域由独立的动静脉系统供血，它们的差异易感性是否反映了这些血管域屏障特性的差异，仍有待确定。

除了神经退行性和神经炎性疾病，越来越多的人认识到BSCB在疼痛状况中发生改变，并可能在痛觉中起关键作用。伤害性感受器（引发疼痛的神经末梢）的激活会增加BSCB通透性，尽管这些效应的潜在机制尚不清楚。考虑到小胶质细胞在BSCB调节中的作用及其在神经病理性疼痛中的参与，SC中的小胶质细胞-血管相互作用可能是促进疼痛的NV变化的基础。与此一致的是，周围神经损伤后的神经病理性疼痛与SC中EC连接重塑、BSCB开放、免疫细胞浸润以及诸如CCL2/MCP-1等炎性介质的释放相关，这些介质激活小胶质细胞和星形胶质细胞，导致进一步的血管损伤。类似的炎症-血管机制也被牵涉到化疗引起的神经病理性疼痛中，其中BSCB破坏促进了表达促伤害性半胱氨酸蛋白酶组织蛋白酶S的单核细胞浸润。

总之，BSCB组成和调节的区域差异影响着SC对损伤和疾病的反应方式。理解这些跨CNS屏障的独特适应性变化背后的分子机制是未来研究的一个重要方向。

脊髓损伤后的血管反应及其再生潜力

脊髓损伤通常由物理创伤引起，会破坏神经和血管网络，导致感觉、运动和自主神经功能缺陷，常常造成长期残疾。在血管层面，SCI引发一系列功能障碍——包括局部出血、缺氧-缺血性损伤、BSCB破坏、NVU改变和微血管重塑——这些触发继发性损伤和神经炎症，进一步放大神经元损伤。坏死性EC死亡和血管的退行性变化在SCI后数小时内开始，导致损伤后2天微血管密度显著下降。

迫于随之而来的缺氧和伴随的VEGF水平升高，新的血管几乎立即开始在伤口中生长，尽管驱动这种反应的机制尚未完全阐明。初始的血管生成阶段是短暂的，在损伤后7天达到高峰（与轴突在病变处发芽的时间相吻合），随后伴随着修剪而逐渐下降。然而，血管在数周内保持可塑性，支持第二次更缓慢、更渐进的血管生成波，增加功能性的（即灌注的）血管密度直至至少损伤后90天，但未能达到损伤前水平。因此，损伤部位在损伤后数月持续处于缺氧状态。小鼠背柱损伤模型的活体成像显示，新生血管附近的轴突生长加速，提示营养和/或机械支持。然而，伤口复杂且无序的血管结构施加了物理约束，干扰了再生轴突的轨迹。因此，尽管NV信号有潜力增强SCI后的再生，但其有益效果受到病变部位混乱血管结构的限制。这种情况类似于胚胎发育过程中轴突和血管的相互作用；然而，在那种情况下，轴突主动调节这些接触以防止陷入。

机械性创伤导致立即的BSCB破坏，在损伤后1天达到最大。除了初始损伤，损伤后上调的炎性细胞因子和血管活性因子进一步增强了BSCB通透性。这些变化与单核细胞浸润和小胶质细胞活化相关。然而，与脑损伤相比，SCI引起更强烈和持续的血管屏障通透性增加，并伴随放大的炎症反应。BSCB通透性在损伤后3至7天出现第二次升高，与伤口中不成熟、渗漏血管的血管生成生长相吻合。屏障在损伤后2-3周内在灰质逐渐重建，但在经历更广泛新生血管化的白质中，通透性升高持续至少1个月。尽管BSCB恢复，周细胞覆盖在数月内仍不完整；大多数毛细血管缺乏与星形胶质细胞终足的接触，即使反应性星形胶质细胞存在；血管周围间隙扩大；EC表现出形态异常，包括大量胞饮小泡和不规则的基底膜。这些结构和细胞异常表明NVU长期受损，对SC愈合产生不利影响。

SCI最终形成阻碍再生的慢性纤维化瘢痕