神经保护药物对脑缺血致神经细胞兴奋性中毒作用机制的研究
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【摘要】 脑卒中和神经退化性疾病的神经兴奋性中毒是由细胞外谷氨酸盐水平增加所致， 可导致钙离子超载和线粒体功能障碍， 线粒体缺失可以导致能量供应的缺失或不足以及生成高浓度的氧化物， 这些现象是通过细胞坏死和凋亡机制导致细胞死亡的关键因素。
【关键词】 脑缺血;神经兴奋性中毒;内质网应激;线粒体功能障碍;脑神经药物
DOI：10.14163/j.cnki.11-5547/r.2019.19.107
1 脑缺血致神经细胞兴奋性中毒
神经细胞兴奋性中毒在脑缺氧/缺血性损伤、神经退行性疾病， 如阿尔茨海默疾病和亨廷顿舞蹈症以及帕金森疾病， 经常导致神经元死亡， 对脑组织造成不可逆性损伤。神经细胞兴奋性中毒由脑组织在缺氧和（或）局部缺血条件下导致的神经递质谷氨酸盐大量释放而引起， 氧气水平和葡萄糖可用性降低引出神经元谷氨酸盐释放增加， 依次可导致神经元后突触过度兴奋， 可触发促死脑细胞死亡级联反应的进程。在脑细胞中， 谷氨酸盐兴奋性中毒与维持钙离子动态平衡的失衡、线粒体功能障碍、高水平氧化物的生成（包括活性氧族、活性氮的生成）和线粒体膜电位的丢失具有相关性。由线粒体损伤所导致的腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）水平降低能够促进氧化物水平的增加， 同样也能够促进还原型辅酶Ⅱ（NADPH）氧化酶的激活和黄嘌呤氧化酶的激活。在严重的应激下， 线粒体跨膜电位的崩溃具有不可逆转性。在这样的环境之下， 可能发生线粒体通透性转换孔开放导致凋亡。另外对于与能量丧失相关的灾难性细胞死亡形式：坏死， 其他的细胞死亡信号关键通路包括由B淋巴细胞瘤-2（Bcl-2）家族成员引起的和线粒体膜通透性转换孔（MPTP）开放介导的凋亡以及其他的关键促死亡进程， 例如内质网应激。当前综述中将研究通过来自于兴奋性中毒缺氧/缺血和氧化物过量生成方面的应激促成细胞死亡发生的主要步骤。
在缺氧或缺血以及神经退行性疾病， 例如帕金森疾病或阿尔茨海默病中， 神经元死亡容易受到压倒性离子应激和生物化学性应激影响， 从而诱导线粒体功能障碍和促进细胞死亡过程。在哺乳动物的神经系统中， 谷氨酸盐为主要的兴奋性神经递质。谷氨酸盐的过量释放为这些疾病的一个共同关键特征。更为重要的是， 细胞外过量的谷氨酸盐具有毒性可导致神经元死亡。高浓度的细胞外谷氨酸盐可导致N-甲基天谷氨酸（N-methyl-D-aspartate， NMDA）受体和α-氨基-3羟基-5-甲基-4-异唑酸（α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid， AMPA）离子型谷氨酸鹽受体的激活和亲代谢性谷氨酸盐受体的激活。谷氨酸盐受体激活可促进钙离子超载， 钙离子超载反过来可激活钙离子依赖性酶增加活性氧簇水平和活性氮水平， 并触发细胞死亡的级联反应。在促成细胞走向死亡的过程中， 谷氨酸兴奋性中毒、钙离子超载和线粒体跨膜电位瓦触为2个非常关键的步骤[1， 2]。
2 神经保护药物的分类
神经保护药物可有效影响或阻断/打破促死亡级联反应的重要步骤。第一类药物为核苷酸类药物;第二类药物为特殊氨基酸， 如牛磺酸等， 可恢复钙离子的动态平衡并且抑制3条内质网应激途径中的2条通路;第三类药物为NMDA受体， 部分拮抗剂通过抑制内质网应激途径而具有脑神经保护作用。
2. 1 核苷酸类药物 ATP的形成在促进在脑缺血再灌注损伤期间的组织炎症方面起强烈作用。脑缺血再灌注可导致ATP的释放， ATP可以由坏死细胞泄露出或从凋亡的细胞或激活的炎症细胞中释放。当其在细胞外室积累到一定程度可以吸引吞噬细胞， 如在缺血再灌注期间激活NLRP3炎性体， 并且促进炎性细胞的趋化现象。核苷酸受体的ATP诱导性激活可以加强血管炎症， 例如P2Y6炎性受体或在脊髓损伤后炎性P2X7受体。阻止ATP释放或ATP受体信号的表达可减轻脑缺血再灌注损伤期间的无菌性炎症。在I-R的动物模型中， 细胞外室的ATP可以由催化酶转化为核苷腺苷刺激ATP分解为腺苷， 如利用腺苷三磷酸双磷酸酶可以将ATP或磷酸腺苷（ADP）转换为单磷酸腺苷（AMP）， 利用腺苷酸酶治疗可以将AMP转换为腺苷从而减轻组织损伤和无菌性炎症。在脑缺血再灌注损伤的大鼠模型中的药理学和基因研究已经表明通过腺苷受体传达的信号有益， 例如通过腺苷激活在炎症细胞上A2A受体或血管内皮Adora2b受体。心肌缺血再灌注损伤的大鼠模型研究表明选择性Adora2b激动剂BAr60-6853可减轻心肌损伤。另外有研究表明Adora2b的激活可减轻镰状细胞病大鼠模型的I-R损伤[3]。Adora2A激动剂瑞加诺生（CVT-3146）由于其强大的扩血管特性被证实可以作为冠状动脉扩张剂使用。最近研究表明腺苷信号途径通过Adora2b受体诱导血红蛋白s聚合， 促进红细胞镰状变形、血管闭塞、溶血和器官损伤。
2. 2 牛磺酸 牛磺酸通过抑制兴奋性中毒， 钙离子超载和氧化性应激以及内质网应激抑制的机制诱导保护作用。牛磺酸在脑部、骨骼肌和心肌中为最主要的且含量较高的氨基酸， 并且已经被作为一项潜在的治疗药物在实验动物模型中进行研究。在脑卒中、阿尔茨海默病、亨廷顿舞蹈症几种神经退行性疾病中， 牛磺酸负责促进几项不同的细胞进程， 包括神经调节、神经传递和钙离子依赖功能的调节， 并做为渗透物质起作用， 并维持保养细胞膜的结构完整性。牛磺酸也能够做为一个神经保护性药物通过对抗谷氨酸盐毒性和过氧化氢诱导的细胞损伤起作用。最初其被认为是可保护细胞免受谷氨酸盐所诱导的细胞内游离钙离子增加导致的损伤， 随后的研究表明牛磺酸通过L-P/Q和N型电压门控钙离子通道以及NMDA受体通道抑制谷氨酸盐诱导性钙离子内流[4]。
研究表明， 牛磺酸在大量的组织中可对抗氧化性应激具有保护作用。但牛磺酸不能够直接清除活性氧， 牛磺酸可以恢复应激细胞中的内源性抗氧化物水平， 并且这项作用已经在几项细胞类型包括神经元、血管平滑肌细胞和肝脏中被描述到。牛磺酸也能够在正常细胞中上调抗氧化物防御能力。在Vohra和Hui所进行的一项研究中表明在未受应激的神经元中可提高超氧化物歧化酶水平谷胱甘肽过氧化物酶水平。牛磺酸能够通过抑制细胞质钙离子数量增加阻断自由基的生成， 并且作为结果阻止线粒体功能障碍的发生。另外最近有研究描述牛磺酸的抗氧化物作用在一项即关于线粒体蛋白质潜在的正确翻译和表达机制中涉及到这个关键氨基酸。这项功能的缺陷在某些疾病中被发现， 如线粒体肌性病、脑病、乳酸酸中毒以及中风样发作， 脑卒中样发作综合征（MELAS）是一个由特殊的牛磺酸结合tRNA分子中特异性突变所导致的疾病。对于这项疾病的中心本质， 牛磺酸的需要最为关键， 因为突变的线粒体tRNAleu不能够将鸟苷转变为5-牛磺酸甲基尿苷。作为结果不健全的线粒体编码蛋白翻译随后可引出ETC功能障碍和超氧化物生成。MELAS以一系列临床症状包括神经疾病、肌肉疾病、心脏肌肉疾病、内分泌改变和视网膜病变做为表现[4]。 2. 3 部分性N-甲基-D-天冬氨酸NMDA受体拮抗药物 研究表明DETC-MeSO部分阻断谷氨酸盐受体在脑卒中和神经退化性疾病的治疗中有相当大的希望。DETC-MeSO为双硫仑的代谢产物， 为部分性NMDA受体阻断剂。DETC-MeSO选择性和特异性阻断NMDA受体并且证明具有保护作用， 可在原代大鼠神经元培养中对抗谷氨酸盐兴奋性中毒。
在小鼠体内， DETC-MeSO预处理可阻止乙醇诱导的点燃效应以及由NMDA或乙酸铵所诱导的发作， 所有这些反应都通过NMDA受体所介导。利用短暂性局灶脑缺血大鼠模型研究检测DETC-MeSO关于梗死面积以及特异性内质网应激通路的作用发现， DETC-MeSO被发现通过逆转由PERK通路构成所诱导的缺血可提供潜在的神经保护。不论在核心区域还是半缺血区域， 这项结果也暗示着在这项神经保护作用中IRE-1通路下游元件的抑制。通过比较发现经过DETC-MeSO处理后其对应的ATF-6通路内质网应激并没有被激活。另外部分性NMDA受体拮抗剂美金刚的研究表明这个药物能够阻断病理性NMDA受体通路同时维持生理功能。美金刚对于NMDA受体具有较低的亲和力， 虽然根据它对NMDA受体具有選择性。美金刚对于NMDA受体的低亲和性出现源于药物的快速离速率。当过量的离子通道开放发生时， 美金刚可通过阻断NMDA受体相关性离子通道产生抑制作用。美金刚根据无竞争性的拮抗剂可以分成几类， 在其中它的作用依赖于离子通道的激活。增多可以激活下游通路， 例如凋亡和3个直接的内质网应激通路[5， 6]。
大量的脑神经保护药物研究表明， 脑神经保护药物作用机制主要作用于抑制凋亡级联反应和主要内质网应激通路， 与当前正在研究的中风和神经退化性疾病的治疗策略有相似性， 通过对特殊信号机制的靶点起到抗脑缺血损伤的作用机制， 或者在促细胞凋亡的Caspase活化或CHOP活化中给予阻断作用。该策略是今后脑神经保护作用研究机制的一个热点和方向。
参考文献
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[5] 李蕾， 王文， 王培昌， 等. 脑缺血再灌注后血脑屏障损伤机制及药物保护作用的研究进展//全国抗衰老与老年痴呆学术会议， 2009：51-54.
[6] 汪莹， 许栋明， 王文， 等. 脑缺血再灌注后神经细胞凋亡机制及药物保护作用的研究进展. 中国康复理论与实践， 2010， 16（12）：1140-1143.
[收稿日期：2018-11-15]
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