腦缺血再灌注損傷神經細胞非谷氨酸依賴性鈣離子通道的研究進展

付 于

腦缺血再灌注損傷具有復雜的發生機制,大量研究表明,腦缺血再灌注損傷主要與鈣超載、興奮性氨基酸、氧化應激反應、炎癥反應、腦水腫和細胞凋亡等有關。其中,Ca2+超載及其觸發的一系列有害代謝反應是導致缺血再灌注損傷神經細胞損傷和死亡的“最后共同通路”[1-2]。目前普遍認為細胞內 Ca2+進行性堆積能夠引起缺血性神經元壞死和凋亡,經典的興奮性毒性理論認為缺血性神經元損傷和死亡是過度激活的離子型谷氨酸受體觸發Ca2+經其進入胞內所致。然而針對興奮性毒性的N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受體拮抗劑在臨床試驗中的失敗,提示可能還存在其他非谷氨酸依賴性Ca2+通路[3-5]。

近年來大量研究發現了一些參與控制Ca2+內流或外排、負責維持這種離子動態平衡的整合膜蛋白,包括細胞外酸化時激活的酸感受性離子通道(acid sensing ion channels,ASICs)[6-8],氧化應激或神經元氧-葡萄糖剝奪時激活的瞬時受體電位通道(transient receptor potential protein2、7,TRPM2和 TRPM7)[9-19]以及依賴細胞膜兩側電化學梯度的Na+-Ca2+交換體(Na+-Ca2+exchanger,NCX)[20-21]。推測它們就是引起缺血再灌注神經元損傷和死亡的非谷氨酸依賴的鈣離子超載機制的分子基礎,因而阻斷、抑制或調節非谷氨酸依賴的鈣離子通路,成為治療腦缺血再灌注損傷的更有希望的途徑。

根據興奮性毒性理論,缺血再灌注神經元的損傷和死亡就是Na+和Ca2+經谷氨酸受體進入細胞內的結果,這一理論指導了神經變性領域的基礎性研究工作近30年。然而長久以來,第一、二、三代谷氨酸受體拮抗劑雖然在腦缺血再灌注動物試驗中均有顯著療效,應用在人類腦卒中和腦外傷時卻沒有顯示出神經保護作用。因此越來越多的研究者對該理論產生了懷疑并重新評價它在缺血性損傷中的作用,認為谷氨酸興奮性毒性理論僅能解釋發生在缺血缺氧性損害急性期的一些事件,不能被看做治療腦缺血性損傷的主要靶向。近幾年來,研究者們發現一些與Ca2+內流或外排有關的非谷氨酸依賴的整合膜蛋白通道,在保持這種離子的動態平衡中起重要作用。

這種非谷氨酸依賴的鈣毒性離子通道包括瞬時受體電位通道TRPM2和TRPM7,以及酸感受性離子通道(ASICs),均能夠介導Ca2+進入細胞內,引起細胞內Ca2+超載。而Na+-Ca2+轉運體(NCX)在細胞內外Na+和Ca2+失衡以及電化學梯度改變時激活,通過正向或逆向模式,將Ca2+或Na+排出細胞外或攝入細胞內以維持它們在細胞內外的動態平衡[20,21]。TRPM7和TRPM2以及ASICs、NCX是近年來發現的在缺血/缺氧性及再灌注損害時能夠引起非谷氨酸依賴 Ca2+超載的新角色[22]。

缺血再灌注損傷氧和能量剝奪時,ATP產生降低,Na+/K+-ATP酶功能衰竭,細胞內Na+濃度顯著升高,引起細胞膜去極化,電壓依賴性Na+和 Ca2+通道開放,細胞外 Na+和Ca2+濃度迅速降低,谷氨酸釋放入細胞外間隙,激活具有 Na+和Ca2+通透性的谷氨酸受體NMDAR[6,7],從而放大上述過程,進一步降低細胞外Ca2+濃度。細胞外的Ca2+濃度降低觸發更多的Na+和Ca2+經TRPM7通道進入細胞[12-16]。同時細胞內無氧代謝增加乳酸堆積、細胞外酸化/pH值下降,激活ASIC1a通道[8-9],從而允許更多的Na+和Ca2+進入細胞內。最終導致細胞內Ca2+超載,觸發活性氧物質/活性氮物質(ROS/RNS)生成,它們以正反饋形式增強TRPM2和TRPM7的活動,進一步加重細胞內 Na+和Ca2+超載[9-19]。而NCX是作為非谷氨酸介導的神經毒性理論中的第3個角色,可以調節細胞內外Na+和Ca2+的平衡,能對細胞內Na+和Ca2+超載有抑制作用。NCX1-3能快速提高對細胞內Ca2+濃度升高和氧化/硝基化應激的反應,細胞內出現Ca2+超載,NCX則以正向模式運行,降低細胞內Ca2+濃度,因此對Ca2+超載引起的神經毒性作用以及隨后的細胞死亡有保護作用[19-21]。非谷氨酸依賴性鈣離子通道作用機制詳見圖 1。

圖1 非谷氨酸依賴性鈣離子通道作用機制示意圖

Ca2+超載及其觸發的一系列有害代謝反應是導致缺血再灌注損傷神經細胞損傷和死亡的“最后共同通路”。經典的興奮性毒性理論認為缺血再灌注神經元損傷和死亡是過度激活的離子型谷氨酸受體觸發Ca2+經其進入胞內所致,然而,研究發現還存在著非谷氨酸依賴的鈣毒性離子通道,包括細酸感受性離子通道(ASICs),瞬時受體電位通道(TRPM 2和 T RPM7)以及Na+-Ca2+交換體(NCX)。它們就是目前發現的引起缺血再灌注神經元損傷和死亡的非谷氨酸依賴的鈣離子超載機制的分子基礎,因而開發研究選擇性的非谷氨酸依賴的鈣離子通路阻斷劑、抑制劑或調節劑已成為研究熱點,對腦缺血再灌注損傷的有效治療將會具有重大的意義和廣闊的應用前景。

[1]Szydlowska K,Tymianski M.Calcium,ischemia and excitotoxicity[J].Cell Calcium,2010,47(2):122-129.

[2]Bano D,Nicotera P.Ca2+signals and neuronal death in brain ischemia[J].Stroke,2007,38(2 Suppl):674-676.

[3]M acDonald JF,Xiong ZG,Jackson MF.Paradox of Ca2+signaling,cell death and stroke[J].T rends Neurosci,2006,29(2):75-81.

[4]Hoyte L,Barber PA,Buchan AM,et al.The rise and fall of NMDA antagonists for ischemic stroke[J].Curr Mol Med,2004,4(2):131-136.

[5]M uir KW.Glutamate-based therapeutic approaches:Clinical trials with NMDA antagonists[J].Curr Opin Pharmacol,2006,6(1):53-60.

[6]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.

[7]Xiong ZG,Chu XP,Simon RP.Ca2+-permeable acid-sensing ion channels and ischemic brain injury[J].J M embr Biol,2006,209(1):59-68.

[8]Xiong ZG,Chu XP,Simon RP.Acid sensing ion channels novel therapeutic targets for ischemic brain injury[J].Front Biosci,2007,1(12):1376-1386.

[9]Hecquet CM,Ahmmed GU,Vogel SM,et al.Role of T RPM2 channel in mediating H2O2-induced Ca2+entry and endothelial hyperpermeability[J].Circ Res,2008,15;102(3):347-355.

[10]Starkus J,Beck A,Fleig A,et al.Regulation of T RPM2 by extraand intracellular calcium[J].J Gen Phy siol,2007,130(4):427-440.

[11]Hecquet CM,Ahmmed G U,Malik AB.TRPM2 channel regulates endothelial barrier function[J].Adv Exp Med Biol,2010,661:155-167.

[12]Wei WL,Sun HS,Olah ME,et al.T RPM7 channels in hippocampal neurons detect levels of ex tracellular divalent cations[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2007,104(41):16323-16328.

[13]Aarts M,Iihara K,Wei WL,et al.A key role for TRPM7 channels in anoxic neuronal death[J].Cell,2003,115(7):863-877.

[14]Sun HS,Jackson MF,Martin LJ,et al.Suppression of hippocampal TRPM7 protein prevents delayed neuronal death in brain ischemia[J].Nat Neurosci,2009,12(10):1300-1307.

[15]Yin J,Kuebler WM.Mechanotransduction by T RP channels:General concepts and specific role in the vasculature[J].Cell Biochem Biophy s,2010,56(1):1-18.

[16]Miller BA.The role of TRP channels in oxidative stress-induced cell death[J].J Membr Biol,2006,209(1):31-41.

[17]Naz1rolu M,Lückhoff A.A Calcium influx pathway regulated separately by oxidative stress and ADP-ribose in T RPM2 Channels:Single channel events[J].Neurochem Res,2008,8[Epub ahead of print].

[18]McNulty S,Fonfria E.The role of TRPM channels in cell death[J].Pflugers Arch,2005,451(1):235-242.

[19]Reeves JP,Abdellatif M,Condrescu M.T he sodium-calcium exchanger is a mechanosensitive transporter[J].J Physiol,2008,31[Epub ahead of print].

[20]Annunziato L,Pignataro G,Boscia F,et al.Ncx1,ncx2,and ncx3 gene product expression and function in neuronal anoxia and brain ischemia[J].Ann N Y Acad Sci,2007,1099:413-426.

[21]M olinaro P,Cuomo O,Pignataro G,et al.Targeted disruption of Na+/Ca2+exchanger 3(NCX3)gene leads to a worsening of ischemic brain damage[J].J Neurosci,2008,28(5):1179-1184.

[22]劉玲,董強.缺血性神經元損害中非谷氨酸依賴的鈣離子毒性機制[J].神經損傷與功能重建,2007,2(3):133-138;163.