黃博聰,王 杰 綜述 董 斌 審校
(大連醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院神經(jīng)外科,遼寧大連 116011)
酸敏感離子通道在顱腦損傷中對H+-Ca2+雙離子偶聯(lián)的調(diào)控作用
黃博聰,王 杰 綜述 董 斌 審校
(大連醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院神經(jīng)外科,遼寧大連 116011)
創(chuàng)傷性顱腦損傷(traumatic brain injury,TBI)是神經(jīng)外科中的常見病,致殘率和病死率較高,除與原發(fā)損傷過重有關(guān)之外,還與傷后啟動內(nèi)源性因子釋放加劇腦繼發(fā)性損害有關(guān)。從分子水平研究腦外傷后繼發(fā)損害的機(jī)制,早期給予相應(yīng)保護(hù)措施,對降低腦損傷的致殘率和病死率具有重要的臨床意義。酸中毒是腦缺血的共有特征。腦缺血損害后首先是氧代謝障礙,酸堿失衡,H+和pH值的變化是首當(dāng)其沖的,繼而引起一系列反應(yīng)。鈣離子毒性是缺血腦損害的關(guān)鍵,胞內(nèi)Ca2+超載對于神經(jīng)損害有重要作用,一些有害因素可引起鈣平衡系統(tǒng)功能失調(diào),鈣分布紊亂,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鈣濃度異常性升高,即鈣超載,鈣超載可引起線粒體內(nèi)氧化磷酸化過程障礙,線粒體膜電位降低,組織ATP含量下降,以及胞漿內(nèi)磷脂酶、蛋白酶等激活,可導(dǎo)致并促進(jìn)細(xì)胞的不可逆性損傷。本文就酸敏感離子通道在重度顱腦損傷中對H+-Ca2+雙離子偶聯(lián)的調(diào)控作用機(jī)制予以綜述。
創(chuàng)傷性顱腦損傷;酸敏感離子通道;鈣超載
近年來,顱腦損傷的發(fā)病率一直處于各種創(chuàng)傷性疾病的前列,已經(jīng)成為嚴(yán)重的社會公害。腦損傷如果得不到及時(shí)的治療,將造成患者神經(jīng)功能缺失,甚至死亡。腦損傷后神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)鈣離子迅速從細(xì)胞外液進(jìn)入細(xì)胞內(nèi),而且線粒體,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等中的鈣庫也釋放鈣離子使胞漿內(nèi)鈣離子不斷增多,稱為鈣超載(calcium overloading),它能夠使神經(jīng)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能受損、直至死亡,是導(dǎo)致細(xì)胞死亡的共同通路。了解顱腦損傷的發(fā)病機(jī)理對治療疾病、挽救患者的生命具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。
研究認(rèn)為,顱腦損傷后神經(jīng)元的損傷可分為原發(fā)性和繼發(fā)性兩類。原發(fā)性損傷發(fā)生于外力作用點(diǎn)和對沖部位的中心,在此部位腦組織受到嚴(yán)重?fù)p傷,細(xì)胞膜完整性破壞,膜電位逆轉(zhuǎn),跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)功能喪失,線粒體呼吸功能破壞,導(dǎo)致胞漿內(nèi)鈣聚集,自由基大量生成,使正常的神經(jīng)細(xì)胞死亡或發(fā)生變性。繼發(fā)性損傷是指創(chuàng)傷后幾小時(shí)、幾天或更長時(shí)間發(fā)生的神經(jīng)細(xì)胞損傷,是由于機(jī)械損傷、缺氧、興奮性氨基酸毒性作用、自由基損傷、神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)鈣超載等,受累的神經(jīng)細(xì)胞包括正常神經(jīng)細(xì)胞和原發(fā)性損傷后變性的神經(jīng)細(xì)胞鈣離子滲透性的一個(gè)重要特點(diǎn)不同的通道類型,具有不同的生理功能,由于激活感覺神經(jīng)元的核心部件是鈣離子。滲透系數(shù)比與鈣離子成正比,因此對鈣離子電流進(jìn)行測量。這些數(shù)值相差很大[1]。
酸敏感離子通道(Acid-sensing ion channels,ASICs)是一類由細(xì)胞外氫離子直接激活的陽離子通道。它有4個(gè)功能基因編碼,分別為asic1、asic2、asic3、asic4。到目前為止,已經(jīng)克隆出ASICs的6個(gè)亞單位ASIC1a〔或BNaC2a(Brain Na+channels)〕、ASIC1b(或 BNaC2b)、ASIC2a〔或 BNaC1a、MDEG1(Mammaliandegenerin)〕、ASIC2b(或 BNaC2a、MDEG 2)、ASIC3〔DRASIC(Dorsal root acid2sensing ion channels)〕、ASIC4[2]。ASICs一直是公認(rèn)的陽離子通道,氫離子認(rèn)為是細(xì)胞外門控陽離子,ASIC3被認(rèn)為是天然的酸性的傳感器通道。
正常腦組織需要葡萄糖通過有氧氧化提供能量。但在腦缺血期間,氧供應(yīng)不足致使腦組織進(jìn)行無氧的糖酵解,其產(chǎn)物乳酸和ATP水解的質(zhì)子的積聚使缺血性腦組織周圍的pH值下降。在嚴(yán)重腦缺血期間或血糖過多時(shí),可導(dǎo)致缺血性腦組織周圍pH值明顯地從6.15降到6.10。穩(wěn)定的pH值是至關(guān)重要的,是正常細(xì)胞功能的環(huán)境基礎(chǔ)。在生理狀態(tài)細(xì)胞外pH值和細(xì)胞內(nèi)pH值可以通過各種H+運(yùn)輸機(jī)制進(jìn)行調(diào)節(jié)[3]。在病理狀態(tài)下,如組織炎癥、缺血性中風(fēng)、創(chuàng)傷、癲癇發(fā)作,累積的乳酸因?yàn)樘岣邊捬跗咸烟谴xH+,并釋放ATP水解導(dǎo)致組織的pH值明顯下降,稱為代謝性酸中毒[4]。
Gu L等[5]的研究表明,pH值在一定范圍內(nèi)變化時(shí),酸敏感通道也會隨著變化。已有研究證明,ASIC1a經(jīng)歷一系列的結(jié)構(gòu)變化,酸化反應(yīng)隨之增加[6]。所有的體內(nèi)研究均表明,酸中毒導(dǎo)致腦神經(jīng)損傷,其機(jī)制是激活A(yù)SICs受體引起胞內(nèi)鈣離子超載;往腦缺血病灶的腦室內(nèi)注ASIC1a阻滯劑或敲除ASIC1a基因都可以避免缺血性損傷,其作用明顯優(yōu)于谷氨酸拮抗劑。組織酸化是缺血性腦損傷的一個(gè)共同特征。由于ASICs易被酸化激活,從而介導(dǎo)大量毒性鈣離子胞內(nèi)超載并誘導(dǎo)產(chǎn)生一連串細(xì)胞毒物質(zhì),破壞腦神經(jīng)元蛋白質(zhì)、脂及核酸類。Li M等[7]用膜片鉗技術(shù)在皮層培養(yǎng)物的完整細(xì)胞上測出ASIC電流,并證明在pHe(胞外pH值)范圍內(nèi)局部缺血通常會激活A(yù)SIC電流。Samways DS[8]用螢光成像和子交換試驗(yàn)顯示皮層神經(jīng)元,可經(jīng)ASICs轉(zhuǎn)運(yùn)鈣離子。而體外細(xì)胞毒性模型證明,酸中毒誘導(dǎo)谷氨酸非依賴性神經(jīng)元損傷,使用非特異性或特異性ASIC1a阻滯劑和降低鈣離子則可以減少神經(jīng)元損傷。另外,ASIC1a的神經(jīng)元能抑制酸損傷,而具有鈣離子通透性ASIC1a轉(zhuǎn)染于COS27細(xì)胞,從而引起對酸的敏感。在正常腦神經(jīng)突觸傳遞中,局部的氫離子ASICs功能中性激動劑是無害的,但腦缺血時(shí)出現(xiàn)的pH下降具有傷害性。局部缺血腦組織的周圍在1 min內(nèi)pH值可從7.2下降至6.5,而充分激活A(yù)SIC1a通道的pH值為6.2。在局部缺血性腦組織體外模型中,組織酸化可明顯增強(qiáng)ASICs的應(yīng)答,從而使毒性鈣離子在局部缺血神經(jīng)元內(nèi)增加。結(jié)果表明,激活這里顯示ASIC1a會導(dǎo)致鈣離子電位化,并引起鈣離子失調(diào),這對于ASIC1a似乎是一個(gè)關(guān)鍵。缺血性中風(fēng)神經(jīng)細(xì)胞死亡和其他神經(jīng)變性疾病也是如此,如多發(fā)性硬化癥。這些通道的抑制結(jié)果模型,也表現(xiàn)出ASIC1a的特點(diǎn)。因此,ASIC1a的抑制作用引導(dǎo)的治療方法在疾病中得到廣泛的應(yīng)用[9]。此外,局部缺血顯著增強(qiáng)ASICs得到的敏感性,表明ASICs在缺血性酸中毒期間可能具有長效活性。已有研究證明,在未受損的動物腦組織中,僅僅降低pH值至6.5或缺血并不會引起損傷。然而,體外實(shí)驗(yàn)顯示,當(dāng)腦組織局部缺血(缺氧)合并酸中毒(缺血性酸中毒)時(shí),ASIC1a通道毒性效應(yīng)增強(qiáng),可致顯著的腦損傷。研究結(jié)果表明,腦缺血期間再灌注、酸中毒可能激活了鈣離子誘導(dǎo)的谷氨酸,從而導(dǎo)致鈣離子超載,引起神經(jīng)元損傷。另一方面,最近越來越多的證據(jù)表明,輕度酸中毒抑制細(xì)胞電流,并減少細(xì)胞內(nèi)鈣離子積累,而不可逆的損傷性酸中毒,造成再灌注的時(shí)候細(xì)胞加速死亡。部分學(xué)者研究了比酸中毒更有害的再灌注期間的酸中毒。結(jié)果表明,再灌注損傷時(shí)酸中毒變得更為嚴(yán)重。通過減輕再灌注損傷,可以恢復(fù)部分酸代謝障礙,這提供了一種解決酸中毒影響的方式[10]。局部缺血(缺氧)恢復(fù)期應(yīng)該避免神經(jīng)鈣離子的流入。在學(xué)者們模型化區(qū)域的實(shí)驗(yàn)中,低溫?fù)p傷緊隨腦缺血后,使其出血性休克,然后模擬類似鈣離子的流入,觀察腦組織酸中毒的解決方案。然而,盡管控制神經(jīng)鈣離子減少,但ASIC1a通道毒性效應(yīng)增強(qiáng),這可能是一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)。在患者顱腦創(chuàng)傷后是否升血壓是有爭議的。外傷性顱高壓可以增加鈣離子的流入,不宜控制血壓或用任何液體療法使腦損傷患者與ASIC1a通道毒性效應(yīng)相關(guān)。所以,要從長遠(yuǎn)的觀點(diǎn)來看補(bǔ)液的利弊。在治療急性顱腦損傷的時(shí)候,要考慮ASIC1a通道毒性效應(yīng),使用ASIC1a阻滯劑和ASIC1a基因敲除術(shù)可導(dǎo)致腦梗死灶容積顯著減少(約60%),這一研究有力地支持了以上論斷[11]。
目前仍然認(rèn)為,“鈣超載”是引發(fā)神經(jīng)元壞死的原因而不是結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)中,已觀察到細(xì)胞內(nèi)鈣離子的蓄積增加以及壞死組織局部總鈣量增高,這種現(xiàn)象先于組織學(xué)所觀察到的神經(jīng)死亡標(biāo)志發(fā)生。有研究認(rèn)為,如果細(xì)胞內(nèi)鈣離子由基礎(chǔ)水平增加數(shù)十倍,將激活在正常條件下受鈣離子調(diào)控的各種酶系,包括蛋白分解酶、磷脂酶、核酸內(nèi)切酶等。這些酶的活化將破壞細(xì)胞骨架和膜脂質(zhì)而威脅細(xì)胞的生存。鈣離子超載時(shí),蛋白酶被激活,神經(jīng)元內(nèi)的蛋白質(zhì)廣泛降解,如微絲微管的解聚,將嚴(yán)重影響軸漿運(yùn)輸,導(dǎo)致神經(jīng)元死亡。細(xì)胞內(nèi)鈣離子升高可激活磷脂酶A2,后者侵襲細(xì)胞膜和神經(jīng)細(xì)絲,釋放出游離脂肪,游離脂肪又可產(chǎn)生自由基。細(xì)胞膜因磷脂分解和自由基的攻擊而改變膜的流動性和通透性,從而破壞膜的完整性,引起細(xì)胞腫脹、變性及壞死。磷脂酶A激活后FFA和花生四烯酸大量釋放,經(jīng)環(huán)氧化后生成前列腺素(PGF)、血栓烷(TXA)和白三烯(LTs)等。PGF是很強(qiáng)的腦血管收縮劑,TXA增加血小扳聚集,LTs則可增加血管的通透性進(jìn)一步加重腦缺血和腦水腫?!扳}離子超載”時(shí)線粒體聚鈣離子能力增強(qiáng),可緩沖胞漿中鈣離子的升高。但鈣離子是一種強(qiáng)效解偶聯(lián)劑,它與電子傳遞系統(tǒng)親和力較高,因而線粒體鈣離子超負(fù)荷時(shí)可使氧化磷酸化脫偶聯(lián),能量生成障礙[12]。鈣離子也可抑制腺苷酸轉(zhuǎn)移酶,使ATP生成減少,這些均可使細(xì)胞功能降低和紊亂。腦缺血時(shí)細(xì)胞膜的破壞使鈣離子進(jìn)入突觸前膜,形成細(xì)胞內(nèi)鈣超載,造成鈣離子的動態(tài)平衡失調(diào)[13]。鈣超載引起的惡性循環(huán),再通過上述的幾種機(jī)制造成遲發(fā)性細(xì)胞變性壞死。最近有研究發(fā)現(xiàn),ASIC1a和ASIC3成為減輕患者疼痛的靶蛋白受體[14]。周邊ASIC3已經(jīng)參與了體細(xì)胞炎癥性疼痛,但它的貢獻(xiàn)似乎稍微不同,通過皮膚原發(fā)性痛,與骨骼肌肉和關(guān)節(jié)痛(次級)進(jìn)行比較。ASIC3也是重要的內(nèi)臟痛覺(心和胃腸道)的主要感受器。ASIC3抑制可能減輕許多慢性疾病患者對腹部痛苦的感覺,并在抑制腸道疾病機(jī)械敏感方面有著重要意義[15]??傊?,研究者發(fā)現(xiàn),ASIC1a在軟骨細(xì)胞中出現(xiàn),pH值傳感到軟骨細(xì)胞,從而控制神經(jīng)元通道[16]。酸性刺激能觸發(fā)ASIC1a的活性在骨軟骨細(xì)胞水平高表達(dá),造成對神經(jīng)元損傷,這是十分重要的。細(xì)胞損傷定量測定釋放和LDH電子顯微鏡符合之前的研究。學(xué)者們還發(fā)現(xiàn),H+可導(dǎo)致ASIC1a活化、細(xì)胞死亡,從而導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞損傷。這些研究表明,通過減少組織酸堿度增加ASIC1a的表達(dá),可以增加關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞的傷害,這為未來治療軟骨損傷提供了新的方法[17]。
目前認(rèn)為,TBI后腦神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)鈣超載對繼發(fā)性腦損傷的發(fā)生和發(fā)展起決定性的作用,這也是多種情況下細(xì)胞死亡最后的共同通路[18]。鈣離子作為神經(jīng)元胞內(nèi)的重要信使,參與神經(jīng)遞質(zhì)的合成與釋放、神經(jīng)興奮性的維持、突觸的可塑性及酶活動等多種細(xì)胞功能的調(diào)節(jié)。當(dāng)細(xì)胞受到刺激時(shí),由于細(xì)胞膜上Ca2+通道開放、細(xì)胞膜及胞漿中結(jié)合鈣的釋放、線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放Ca2+,可使胞漿中的Ca2+濃度上升,形成鈣超載TBI早期,由于病理反應(yīng)的刺激,神經(jīng)細(xì)胞鈣離子通道處于異常激活狀態(tài),大量鈣離子進(jìn)入胞內(nèi);隨著損傷的持續(xù),鈣離子內(nèi)流越來越多,胞內(nèi)鈣離子濃度也越來越高,約在損傷后24 h左右達(dá)到高峰。以后可能由于腦神經(jīng)細(xì)胞損傷逐漸修復(fù),刺激鈣離子通道引起的異常狀態(tài)逐漸恢復(fù),又有下降的趨勢。這可能與細(xì)胞膜上的鈣泵重新活動、對鈣離子的再攝取有關(guān)。TBI后神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)存在鈣超載,鈣離子在TBI后繼發(fā)性損害中起著重要的作用。
通過分析發(fā)現(xiàn)鈣離子的持續(xù)胞內(nèi)流入可以導(dǎo)致細(xì)胞功能發(fā)生顯著變化,這可能是細(xì)胞內(nèi)的重要反應(yīng)[19]。隨著腦缺血酸敏感度的上升,很快會引起酸敏感離子通道的增加,細(xì)胞內(nèi)鈣濃度上升同時(shí)會加快神經(jīng)細(xì)胞的死亡。Mari Y[20]的實(shí)驗(yàn)證實(shí),在大鼠動物模型中局部缺血和酸中毒協(xié)同增加細(xì)胞內(nèi)的鈣超載。在大鼠皮層神經(jīng)元探索酸敏感通道活化的影響,和細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度增加的關(guān)系是非常有意義的。
TBI后腦神經(jīng)細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的變化及其與細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度變化的相應(yīng)關(guān)系仍需進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究,從而為臨床尋找最佳治療時(shí)間窗,發(fā)揮確切的腦保護(hù)作用提供依據(jù)。
:
[1]Andrey F,Tsintsadze T,Volkova T,et al.Acid sensing ionic channels:modulation by redox reagents[J].Biochim Biophys Acta,2005,1745(1):1-6.
[2]Yu Y,Chen Z,Li WG,et al.A nonproton ligand sensor in the acid-sensing ion channel[J].Neuron,2010,68(1):61-72.
[3]Duan B,Wang YZ,Yang T,et al.Extracellular spermine exacerbates ischemic neuronal injury through sensitization of ASIC1a channels to extracellular acidosis[J].J Neurosci,2011,31(6):2101-2112.
[4]Xiong ZG,Pignataro G,Li M,et al.Acid-sensing ion channels(ASICs)as pharmacological targets for neurodegenerative diseases[J].Curr Opin Pharmacol,2008,8(1):25-32.
[5]Gu L,Liu X,Yang Y,et al.ASICs aggravate acidosis-induced injuries during ischemic reperfusion [J].Neurosci Lett,2010,479(1):63-68.
[6]Yokokawa M,Carnally SM,Henderson RM,et al.Acidsensing ion channel(ASIC)1a undergoes a height transition in response to acidification[J].FEBS Lett,2010,584(14):3107-3110.
[7]Li M,Kratzer E,Inoue K,et al.Developmental change in the electrophysiological and pharmacological properties of acid-sensing ion channels in CNS neurons[J].J Physiol,2010,588(20):3883-3900.
[8]Samways DS,Harkins AB,Egan TM.Native and recombinant ASIC1a receptors conduct negligible Ca2+entry[J].Cell Calcium,2009,45(4):319-325.
[9]Mari Y,Katnik C,Cuevas J.ASIC1a channels are activated by endogenous protons during ischemia and contribute to synergistic potentiation of intracellular Ca2+overload during ischemia and acidosis[J].Cell Calcium,2010,48(1):70-82.
[10]Gu L,Liu X,Yang Y,et al.ASICs aggravate acidosis-induced injuries during ischemic reperfusion[J].Neurosci Lett,2010,479(1):63-68.
[11]Balbino M,Capone Neto A,Prist R,et al.Fluid resuscitation with isotonic or hypertonic saline solution avoids intraneural calcium influx after traumatic brain injury associated with hemorrhagic shock[J].J Trauma,2010,68(4):859-864.
[12]Li M,Inoue K,Branigan D,et al.Acid-sensing ion channels in acidosis-induced injury of human brain neurons[J].J Cereb Blood Flow Metab,2010,30(6):1247-1260.
[13]Dietz RM,Weiss JH,Shuttleworth CW.Contributions of Ca2+and Zn2+to spreading depression-like events and neuronal injury[J].J Neurochem,2009,109 Suppl 1:145-152.
[14]Deval E,No?l J,Gasull X,et al.Acid-sensingion channels in postoperative pain[J].J Neurosci,2011,31(16):6059-6066.
[15]Deval E,Gasull X,No?l J,et al.Acid-sensing ion channels(ASICs):pharmacology and implication in pain[J].Pharmacol Ther,2010,128(3):549-558.
[16]Yuan FL,Chen FH,Lu WG,et al.Acid-sensing ion channel 1a mediates acid-induced increases in intracellular calcium in rat articular chondrocytes[J].Mol Cell Biochem,2010,340(1-2):153-159.
[17]Schanne FA,Kane AB,Young EE,et al.Calcium dependence of toxiccell death:a final common pathway[J].Science,1979,206(4419):700-702.
[18]Li MH,Inoue K,Si HF,et al.Calcium-permeable ion channels involved in glutamate receptor-independent ischemic brain injury[J].Acta Pharmacol Sin,2011,32(6):734-740.
[19]Andrey F,Tsintsadze T,Volkova T,et al.Acid sensing ionic channels:modulation by redox reagents[J].Biochim Biophys Acta,2005,1745(1):1-6.
[20]Mari Y,Katnik C,Cuevas J.ASIC1a channels are activated by endogenous protons during ischemia and contribute to synergistic potentiation of intracellular Ca(2+)overload during ischemia and acidosis[J].Cell Calcium,2010,48(1):70-82.
Regulation function of ASICs to the H+-Ca2+double ion coupling in the brain injury
HUANG Bo-cong,WANG jie,DONG Bin
(Department of Neurosurgery,the First Affiliated Hospital of Dalian Medical University,Dalian116011,China)
Abstract:Traumatic brain injury(TBI)is a common disease of neurosurgery,which may be followed by high disability and mortality.Except for the serious primary injury,it is relevant to the release of endogenous factor which aggravates the secondary damage of the brain.Researching the mechanism of the secondary brain injury on the molecular level,and taking necessary protection in the early stage have a critical clinical significance to reduce the disability and mortality of brain injury.The acidosis is the common trait of cerebral ischemia,which follows oxygenation disorders,acid-base disorder and the change of H+and pH,then resulting in a series of consequences.Calcium ion toxicity is the key to the ischemic brain damage.Calcium overload in cells plays an important role in the nervous damage.Some harmful factors can cause the calcium balance system dysfunction to disturb calcium distribution,which induces the abnormal increase of the calcium concentration,namely calcium overload.This may cause oxidative phosphorylation process obstacles in the mitochondria.Then the mitochondrial membrane potential may be lower and ATP in the tissue may be decreased.Subsequently,phospholipase and proteinase may be activated to result in the irreversible damage of cells.This article reviews the regulation mechanism of ASICs to the H+-Ca2+double ion coupling in the severe brain injury.
Key words:traumatic brain injury;ASICs;calcium overload
R743
A
1671-7295(2011)05-0499-04
國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(30872665);遼寧省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20051067)
2010-12-29;
2011-09-21
黃博聰(1977-),男,遼寧遼陽人,碩士研究生。
董 斌,教授,博士。E-mail:stocktondb@163.com
大連醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào)2011年5期