異丙酚對急性腦損傷后神經細胞凋亡影響的研究進展

梁 敏,崔沛苓

(1.海南省人民醫院麻醉科,海南 海口 570311;2.天津市天和醫院,天津 300050)

急性腦損傷(Traumatic brain injury,TBI)后神經元損傷可分為兩種形式,一種稱為原發性神經元損傷,指損傷暴力對神經元的機械損傷,在創傷的同時發生。另一種稱為遲發性神經元損傷,由多種因素引起,在創傷幾小時、幾天或更長時間后發生。經大量實驗證實,這種遲發性損傷主要表現在神經元的程序性死亡即凋亡。TBI后神經元的凋亡涉及了許多病理生理變化[1],了解這些變化及機制對開展腦保護的研究具有重要意義。異丙酚(Propofol,Pro)是臨床上常用的短效靜脈麻醉藥,近年來有文獻報道,Pro的腦保護機制與抑制細胞凋亡(Cell apoptotic,CA)有關[2]。本文就 Pro對 TBI后神經 CA的研究進展綜述如下:

1 TBI與細胞凋亡的關系

在過去的十多年間,一系列的動物模型及人腦組織標本的研究證實了腦外傷后 CA參與了繼發性腦損傷的發展過程。1993年 Tominaga等[3]首次證實缺血性腦損傷可引起神經 CA,Rink等[4]1995年發現大鼠腦外傷后傷側皮質、白質、海馬、齒狀回等區域出現 CA。Conti等[5]發現在腦外傷后 24 h和 1周有 2個凋亡高峰。Williams等[6]發現傷后 12個月,在白質內仍能見到明顯的凋亡細胞。上述證據說明 CA參與了 TBI后神經細胞病理改變過程。

2 神經元凋亡的發病機制

2.1 興奮性神經遞質的釋放 在局部腦缺血過程中,興奮性氨基酸(Excitatory aminoacids,EAA)的神經毒性作用是損傷腦組織的啟動者和執行者。該機制不僅直接導致細胞壞死,同時也可誘導 CA凋亡。

2.2 鈣超載激活一系列鈣依賴性酶促反應,促進了凋亡的發生。

2.3 腦缺血再灌注后產生大量氧自由基(Oxygen free radical,OFR)對神經細胞造成嚴重損傷的同時,也誘導了凋亡的發生。

2.4 缺血、缺氧、應激反應和其他損傷因素激活枯否氏細胞,其產生大量的細胞因子(Cytokine),如腫瘤壞死因子(TNF-α)在腦組織中高表達具有神經毒性。

2.5 凋亡相關基因 TBI后繼發性損傷因素可導致神經細胞凋亡的發生。已有研究發現該凋亡過程受Bcl-2,Caspase,p53,以及死亡相關蛋白激酶(Death associated protein kinase,DAPK)等調控,凋亡對 TBI預后有重要的作用。通過主動對基因調控進行干預,抑制腦 CA,從而達到腦保護的作用。

2.5.1 Bcl-2 Bcl-2是重要的抗 CA基因,在缺血再灌注損傷中表現得尤為突出。其抗 CA作用機理有:①抑制 Ca2+的釋放。②阻止促 CA基因信號傳遞或阻止這些誘導基因產物發揮作用。③抑制OFR。

2.5.2 p53 p53是調控 CA的基因。在正常細胞中 p53水平很低,但是在一定外界刺激下,如DNA損傷、腦血流量減少或缺血、缺氧等可引起細胞內的蛋白激酶(PKC)和 C-Jun氨基末端蛋白激酶(JNK)磷酸化而激活 p53。p53可以直接引起CA,也可以通過調節其他凋亡相關基因表達間接導致 CA。目前研究認為 p53是 Bcl-2的上游調節基因,Bcl-2基因啟動子有 4個 p53結合位點,當 p53與之結合以后,下調 Bcl-2的表達,促進 CA。

2.5.3 Caspase家族 Caspase全稱為門冬氨酸特異半胱氨酸蛋白酶,它通過介導和執行致死指令在缺血性的神經元凋亡過程中發揮重要作用。作為凋亡的中心執行者,正常狀態下以無活性的結構存在,Caspase 3的激活將導致 DNA修復蛋白細胞骨架蛋白及其他 Caspase相關蛋白的裂解,在此過程中,Caspase家族成員形成一個蛋白級聯反應,使細胞 DNA損傷,結果形成凋亡小體。

2.5.4 DAPK DAPK是一類新型的、由鈣調節蛋白(Calmodulin,CaM)調節的絲氨酸/蘇氨酸激酶(Protein serine/threonine kinase,PSTK)[7]。它是由 Adlkimchi及其同事在功能性基因克隆中首先發現的[8],現在已經確認,DAPK是一種參與 CA的正調控因子。DAPK可出現于腦缺血后神經元凋亡啟動階段信號轉導級聯反應定型之前[9]。正常狀態下細胞內的 DAPK是沒有活性的,當細胞受到各種死亡信號刺激后 DAPK去磷酸化被激活,通過 p53途徑或非 p53途徑以及引起膜空泡作用促 CA[10],其在 CA的信號轉導途徑中位于p53和 Caspase-3的上游[11]。最新的大鼠腦損傷模型的研究證實:腦損傷 8 h后 DAPKmRNA的表達開始增高并出現明顯的神經元凋亡;二者在傷后 24 h達到高峰,證實藥物治療時間窗為傷后 24 h[12]。

3 Pro抑制神經細胞凋亡作用的研究

大量研究表明在缺血性或 TBI后存在的 CA在繼發性損害中發揮相當重要的作用。一般認為,機械性腦損傷后中心區腦細胞缺血、壞死及血管損傷可造成半暗區神經元處于水腫及低灌注狀態,如果在一定時間內得不到救治也會逐漸發展為程序性壞死。因此,在缺血性腦損傷中,通常所說的腦保護效應,主要是指對半暗區神經元的保護,以圖打斷病變發展進程,避免神經元的遲發性損傷,實驗研究表明通過使用抗凋亡劑干預可使神經元復蘇,從而抑制凋亡可能對保護神經元起到某種治療作用。近來有文獻報道,Pro的腦保護機制與抑制 CA有關。Engelhard[13]研究了 Pro對大鼠不完全性腦缺血 45 min所致海馬神經元凋亡數目的影響,發現 Pro可以明顯減少缺血后神經元損傷乃至凋亡。Kodaka[14]還發現 Pro可以減少缺血 7 d后海馬錐體細胞遲發性神經元死亡,具有長期的腦保護效應。實驗表明缺血 2 h再灌注 2 h時,出現神經細胞水腫壞死、凋亡等病理改變,缺血中心以壞死為主,缺血半暗帶以凋亡為主,應用異丙酚組凋亡細胞明顯減少,說明 Pro對中心區和半影區神經 CA有一定的抑制作用[15-16],抑制 CA的作用在再灌注后 6 h-3 d最明顯[17]。

3.1 Pro抑制神經 CA腦保護作用的可能機制

3.1.1 Pro的抗氧化作用 TBI時涉及的病理生理機制復雜。脂質過氧化物的堆積和一氧化氮(NO)的爆發生成是其中的關鍵病理因素之一。TBI時大量產生的 NO和超氧陰離子生成的過氧亞硝酸陰離子是引起各種病理改變的重要因素。研究證實Pro可非選擇性抑制 NO合成酶(NOS)的活性,降低神經系統 NO含量,直接清除 OFR,具有抗氧化作用[18-20]。其公認的機制是 Pro與內源性抗氧化劑 α-生育酚及已知的抗氧化劑丁化羥基甲苯在化學結構上相似,都含有一個苯酚基團,可直接與 OFR反應,生成 2,6—二異丙基苯氧基團,同時使 OFR滅活。

3.1.2 抑制中樞興奮性神經遞質的釋放 N-甲基 -D-天門冬氨酸(NMDA)受體是一種 EAA受體,在大腦皮層和海馬中密度最高。谷氨酸(Glutamate,Glu)作為中樞神經系統的 EAA遞質,由神經末梢和激活突觸后受體釋放,在氧化應激如卒中、創傷等條件下,其細胞外濃度會增加,過量 Glu的興奮性毒性會直接損傷神經元。同時 NMDA受體過度興奮引起 Ca2+大量內流,導致細胞內鈣超載,引起細胞損傷。高濃度 Pro可降低由 NMDA誘發的細胞內Ca2+升高,可能是其神經保護作用機制之一。Pro還可明顯減少 EAA的釋放,抑制 Glu受體磷酸化,減輕腦組織興奮性損傷[21]。

3.1.3 預防鈣超載 Pro還通過調節細胞內Ca2+平衡等[22]來起到抗凋亡的作用。目前認為鈣介導的毒性作用是腦細胞死亡的重要因素。各種原因引起的細胞內鈣超載是啟動一系列病理生理機制導致神經細胞死亡和凋亡的最后共同通路。細胞內鈣濃度往往和腦損傷時細胞受損程度呈正相關。Chang等[23]研究 Pro降血壓機制時發現 Pro可抑制細胞外經電壓依賴性鈣通道流入的鈣,該反應類似已知的鈣通道阻滯劑維拉帕米,并表明 Pro可在一定程度上增加 L-型電壓依賴性鈣通道的電流失活率,從而減少鈣內流。有研究認為 Pro還可通過抑制磷脂酶 C的活性進而抑制三磷酸肌醇的合成,使細胞內儲存鈣的釋放減少,減輕細胞內鈣超載[24]。此外,如前所述 OFR大量產生可導致脂質過氧化(LP)、細胞膜通透性增加、鈣內流增多,從而使細胞內鈣濃度升高,達到一定水平后又可通過多種途徑產生更多的 OFR,形成惡性循環。Pro的抗氧化作用可以終止這一惡性循環,減輕細胞內鈣超載。

3.1.4 調節凋亡相關蛋白的表達 研究表明Pro可以促進大鼠海馬抗凋亡基因 Bcl-2的表達,減輕 Caspase-3活性使其表達顯著減少。其可能機制可能與 Pro上調了 Bcl-2基因表達,拮抗細胞凋亡有關[25-26]。筆者最近觀察了 Pro對大鼠腦創傷后DAPKmRNA的表達及凋亡的影響,證實TBI后 8 h大鼠腦創傷區 DAPK表達明顯增高。Pro對腦損傷神經CA的保護作用可能與抑制 DAPK的表達有關[27]。

3.1.5 對細胞因子的影響 馮春生[28]在大鼠局灶性腦缺血模型中,于缺血前 10 min腹腔內注射Pro 100 mg?kg-1,結果顯示 IL-1和 TNF-α的表達峰值較對照組明顯降低。說明 Pro可減輕 TNF-α介導的 CA。

3.1.6 p53 張瑋瑋等[29]利用大鼠肝臟缺血再灌注模型,觀察肝臟缺血再灌注期 Bcl-2、p53蛋白的變化及 CA率,發現 Pro可以通過調節 Bcl-2、p53蛋白表達,使肝 CA減輕,從而對大鼠缺血再灌注肝臟有一定的保護作用 。

4 結 語

腦損傷并非是單一的病理生理過程,而是由眾多復雜的生化級聯反應構成。目前的研究顯示,Pro可作用于神經元凋亡發病機制的多個位點,其腦保護機制是多途徑多位點交互作用的結果。Pro對TBI后神經 CA的腦保護作用及其機制尚未完全闡明,值得今后進一步深入研究。

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