環(huán)氧化酶-2與急性腦損傷關(guān)系研究進(jìn)展

徐 俊，蘇 強(qiáng)，楊俊卿

(四川省南充市中心醫(yī)院心胸外科，四川 南充 637000)

1 環(huán)氧酶(cyclooxygenase，COX)的分布及生理功能

在組織中COX可能存在多種亞型，目前研究得比較多的是結(jié)構(gòu)型COX-1和誘導(dǎo)型COX-2。COX-1最早是從小牛的囊泡狀腺中純化獲得［1］。COX-1主要在胃黏膜、肝、腎等組織器官表達(dá)，維持這些組織器官的生理功能。結(jié)構(gòu)型COX-1穩(wěn)定表達(dá)于這些組織，當(dāng)受鈣離子調(diào)控的磷脂酶A 2引起花生四烯酸從細(xì)胞膜釋放時(shí)，COX-1可立即催化花生四烯酸代謝的作用。事實(shí)上，組織中COX-1可在數(shù)秒或數(shù)分鐘內(nèi)對(duì)許多生理刺激作出反應(yīng)，并很快調(diào)節(jié)組織的生理功能，如血管運(yùn)動(dòng)和血小板聚集性等。

COX-2為誘導(dǎo)型環(huán)氧合酶，最初是在S3T3成纖維細(xì)胞基因庫(kù)中，通過(guò)分子差異篩選分離出來(lái)，之后又從其他多種組織中克隆出COX-2基因。COX-2可以看作是花生四烯酸代謝的限速酶，對(duì)控制前列腺素類物質(zhì)的合成有著重要作用。COX-2催化花生四烯酸生成前列腺素G，而前列腺素G在過(guò)氧化物酶催化下進(jìn)一步生成為前列腺素H2，而最終在下游細(xì)胞特異性酶誘導(dǎo)作用下，前列腺素H2生成不同終產(chǎn)物，如血栓索A、前列腺素E2(prostaglandin E2，PGE2)等［2］。COX-2在大腦中主要存在于大腦皮質(zhì)神經(jīng)元、海馬神經(jīng)元、膠質(zhì)細(xì)胞等［3］。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，COX-2的基礎(chǔ)表達(dá)主要在谷氨酸興奮性神經(jīng)元，尤其是在樹(shù)突上，COX-2表達(dá)可能與興奮性氨基酸受體密度高有關(guān)［4］，這提示COX-2可能參與神經(jīng)突觸的生理反應(yīng)。

在大腦中COX-2可以在多種病理生理刺激下誘導(dǎo)表達(dá)。有研究報(bào)道，給予N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受體拮抗劑MK801和糖皮質(zhì)激素可以明顯抑制多種邊緣系統(tǒng)神經(jīng)通路電刺激引起的COX-2過(guò)表達(dá);以及一些生理刺激誘導(dǎo)的COX-2過(guò)表達(dá)。腦中的神經(jīng)傳導(dǎo)活性可以影響COX-2的表達(dá)，如鈉通道拮抗劑拉莫三嗪(Lamotrigine)就是通過(guò)阻斷神經(jīng)突觸活性從而抑制COX-2表達(dá)。有研究表明在腦損傷、神經(jīng)元退變等疾病中，中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥因子及其相關(guān)酶的表達(dá)起著重要作用。在炎癥反應(yīng)中前列腺素合酶(prostaglandin synthase，PGs)、白細(xì)胞介素-6(interleukin-6，IL-6)、腫瘤壞死因子 α(tumor necrosis factor，TNFα)等許多炎癥刺激因子均可誘導(dǎo) COX-2 的基因表達(dá)［5，6］，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)p傷性和保護(hù)性PGs的合成增加、損傷性PGs與保護(hù)性PGs的平衡失調(diào)，進(jìn)而促進(jìn)炎癥反應(yīng)、上調(diào)COX-2的表達(dá)，形成一個(gè)惡性循環(huán)［7］。在腦組織炎癥時(shí)，不是主要表達(dá)在膠質(zhì)細(xì)胞，而主要在神經(jīng)元表達(dá)［8］。

2 COX-2在腦缺血損傷后的變化

生理狀態(tài)下血管內(nèi)皮細(xì)胞有少COX-2表達(dá)，缺氧可誘導(dǎo)血管內(nèi)皮細(xì) COX-2表達(dá)增加。范紅杰等［9］腦缺血模型中，缺血30 min再灌注24 h組在缺血側(cè)額頂葉皮層可見(jiàn)明顯的COX-2蛋白表達(dá)，未在海馬見(jiàn)到COX-2蛋白表達(dá)。缺血90 min再灌注3、6、12、24、48 h在缺血中心外側(cè)扣帶皮層、內(nèi)側(cè)紋狀體可見(jiàn)大量COX-2蛋白表達(dá)，而在缺血中心未見(jiàn)明顯的COX-2蛋白表達(dá)。Kinoshita等［10］用大鼠大腦中動(dòng)脈閉塞2 h的局灶性腦缺血模型研究顯示，缺血30 min時(shí)在未受損的扣帶皮層和半暗帶COX-2mRNA表達(dá)明顯增強(qiáng)，而缺血90 min后，在缺血中心區(qū)內(nèi)未見(jiàn)COX-2mRNA表達(dá)，而在鄰近皮質(zhì)區(qū)和半暗帶可見(jiàn)明顯的COX-2mRNA表達(dá)。在缺血再灌注后24 h半暗帶內(nèi)缺血早期表達(dá)COX-2mRNA的神經(jīng)元大多數(shù)均已死亡。于維東等［11］研究大鼠局灶性腦缺血再灌注模型發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)功能缺損表現(xiàn)隨缺血再灌注時(shí)間的延長(zhǎng)而加重。在缺血2 h組COX-2mRNA和蛋白表達(dá)明顯增加，再灌注后表達(dá)明顯加強(qiáng)，COX-2mRNA和蛋白表達(dá)在再灌注后12～24 h達(dá)到高峰。有學(xué)者通過(guò)對(duì)人體標(biāo)本研究也發(fā)現(xiàn)，在腦缺血后梗死區(qū)域內(nèi)可見(jiàn)明顯的COX-2表達(dá)，而在非梗死區(qū)的腦皮質(zhì)內(nèi)未見(jiàn) COX-2的表達(dá)［12］。

3 COX-2在創(chuàng)傷性腦損傷的變化

Dash等［13］在研究大鼠腦外傷后發(fā)現(xiàn)，在傷后3 h，皮質(zhì)部位的COX-2表達(dá)開(kāi)始增加，持續(xù)至傷后3 d達(dá)到高峰，3周后恢復(fù)，并且發(fā)現(xiàn)COX-2幾乎全部在神經(jīng)細(xì)胞中表達(dá)。Strauss等［14］在大鼠外傷性腦損傷研究中發(fā)現(xiàn)，在傷后2 h神經(jīng)細(xì)胞中 COX-2mRNA表達(dá)開(kāi)始升高，在傷后6 h，COX-2mRNA在皮層和海馬中表達(dá)即達(dá)到峰值，并于傷后7 d基本降至對(duì)照組水平。Kunz等［15］通過(guò)復(fù)制大鼠彌漫性腦損傷模型研究發(fā)現(xiàn)，COX-2mRNA在傷后2 h在皮層表達(dá)即達(dá)到高峰，24 h后降至正常水平。黃春剛等［16］在大鼠腦損傷模型中發(fā)現(xiàn)，在腦損傷模型中，COX-2mRNA和蛋白表達(dá)具有時(shí)間規(guī)律性，在正常組中COX-2mRNA和蛋白表達(dá)很弱，在傷后15 min表達(dá)開(kāi)始增強(qiáng)，并分別在傷后1、2 dCOX-2mRNA和蛋白表達(dá)達(dá)到峰值，并且于傷后3、4 d表達(dá)又達(dá)到了另一峰值，并一直維持這種高水表達(dá)分別至傷后7、15 d。在人腦組織中，Seidberg 等［17］通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，COX2在挫傷的人腦組織中主要在神經(jīng)細(xì)胞中表達(dá)，傷后1 d達(dá)到峰值，后表達(dá)水平逐漸下降，表達(dá)具有規(guī)律性。

4 COX-2引起腦損傷的可能機(jī)制

4.1 增加前列腺素的釋放 有研究表明，COX-2及其代謝產(chǎn)物，能夠促進(jìn)缺血再灌注腦損傷，COX-2的反應(yīng)產(chǎn)物PGE2，是重要的血管收縮因子，其中血栓素-2(thrombroxane，TXA2)是目前已知最強(qiáng)的一種血管收縮作用因子。前列腺素和TAX2具有趨化性，可導(dǎo)致在血管內(nèi)皮細(xì)胞黏附有大量的中性粒細(xì)胞和血小板［18］。另外，前列腺素以及白三烯亦可促進(jìn)血腦屏障的開(kāi)放，從而加重腦缺血損傷。Bezzi等［19］研究表明，腦損傷能夠誘導(dǎo)COX-2蛋白表達(dá)以及前列腺素代謝產(chǎn)物的增加，且PGE2通過(guò)促進(jìn)從星形膠質(zhì)細(xì)胞中釋放出谷氨酸來(lái)介導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞毒性。

4.2 增加興奮性氨基酸對(duì)腦的毒性作用 目前的研究表明，腦損傷后過(guò)度的神經(jīng)元興奮可以加重神經(jīng)元損傷。許多研究顯示，在腦損傷后，細(xì)胞外興奮性氨基酸濃度明顯升高，其毒性作用是受興奮性氨基酸受體介導(dǎo)的鈣離子濃度增高導(dǎo)致線粒體損傷［20］，從而加重腦損傷。Iadecola 等［21］研究表明，COX-2的反應(yīng)產(chǎn)物前列腺素可以明顯增強(qiáng)NMDA介導(dǎo)的神經(jīng)細(xì)胞毒性作用加重腦損傷。證明COX-2的代謝物及一些前列腺素類物質(zhì)可以明顯增強(qiáng)腦內(nèi)谷氨酸的興奮性作用，增加谷氨酸對(duì)腦的興奮毒性作用。

4.3 氧化應(yīng)激和NO毒性效應(yīng) 目前研究認(rèn)為，在各種神經(jīng)變性性疾病中，神經(jīng)元原發(fā)或繼發(fā)氧化應(yīng)激反應(yīng)是引起神經(jīng)元損傷的重要機(jī)制。氧自由基可以通過(guò)DNA損傷及形成脂質(zhì)過(guò)氧化物等一系列機(jī)制而產(chǎn)生細(xì)胞毒性作用。作為COX-2的代謝產(chǎn)物，氧自由基參與腦創(chuàng)傷、腦缺血再灌注損傷和直接介導(dǎo)細(xì)胞損傷或通過(guò)一氧化氮(nitric oxide，NO)引起神經(jīng)元損傷后，細(xì)胞內(nèi)環(huán)磷酰胺(Cyclic Adenosine Monophosphate，cAMP)升高，誘導(dǎo)一氧化氮合酶的表達(dá)，而一氧化氮合酶表達(dá)的增加，誘導(dǎo)NO的產(chǎn)生增加，NO能活化COX-2，使活性自由基升高，從而產(chǎn)生NO的毒性效應(yīng)［22］，這也是影響腦損傷的影響因素之一。有研究發(fā)現(xiàn)，在大鼠的Kupffer細(xì)胞內(nèi)，COX-2的催化應(yīng)激反應(yīng)產(chǎn)物前列腺素，可提高脂多糖所引起的細(xì)胞內(nèi)cAMP的升高，誘導(dǎo)iNOSmRNA的表達(dá)，從而明顯增加氧自由基的產(chǎn)生［23］。氧自由基細(xì)胞毒性的結(jié)果之一是導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。Kane等［24］研究證明，氧化應(yīng)激反應(yīng)在神經(jīng)元中可以誘導(dǎo)神經(jīng)元細(xì)胞凋亡。一些抗凋亡基因，如bcl-2可能通過(guò)抗氧化作用從而抑制神經(jīng)元凋亡。

5 COX-2選擇性抑制劑對(duì)腦損傷的保護(hù)作用

Adam 等［25］研究發(fā)現(xiàn)，COX-2選擇性抑制劑NS-398能明顯抑制缺血后腦損傷引起的記憶缺陷和海馬神經(jīng)元損傷。Benixen等［26］證實(shí)給予選擇性COX-2抑制劑NS-398可以明顯減少大鼠腦梗死體積，大鼠海馬缺血后活性產(chǎn)物PGE2的含量與對(duì)照組比明顯下降，提示COX-2選擇性抑制劑NS-398可以對(duì)缺血后的腦損傷有明顯的保護(hù)作用。Iadecolac等［27］為了進(jìn)一步研究NS-398對(duì)腦組織COX-2的抑制作用，檢測(cè)了腦缺血后NS-398對(duì)PGE2的影響，發(fā)現(xiàn)NS-398能明顯抑制缺血后腦損傷引起PGE的升高，以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示，COX-2選擇性抑制劑NS-398能夠明顯抑制COX-2的活性，減輕缺血性腦損傷。Jalil等［28］應(yīng)用選擇性 COX-2抑制劑 Rofecoxib后能顯著減輕缺血再灌注導(dǎo)致的遲發(fā)性腦損傷，并能顯著改善腦缺血后的神經(jīng)缺陷，促進(jìn)功能恢復(fù)。楊俊卿等［29］在鋁鹽致急性腦損傷實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，給予選擇性COX-2抑制劑美洛昔康能明顯改善鋁鹽引起的小鼠行為學(xué)和形態(tài)學(xué)病理改變。以上結(jié)果說(shuō)明了選擇性COX-2抑制劑在缺血性和創(chuàng)傷性腦損傷均有一定的腦保護(hù)作用。其機(jī)制可能是COX-2選擇性抑制劑通過(guò)抑制COX-2活性，減少前列腺素的產(chǎn)生，重建損傷性前列腺素與保護(hù)性前列腺素的平衡關(guān)系，打破氧化應(yīng)激-COX-2過(guò)表達(dá)-炎癥反應(yīng)-神經(jīng)細(xì)胞的惡性循環(huán)圈，最后減輕慢性鋁過(guò)負(fù)荷導(dǎo)致的大鼠海馬神經(jīng)元退變。

6 展望

COX-2作為前列腺素合成的一個(gè)重要的限速酶，在腦損傷、缺血再灌注中COX-2持續(xù)高水平表達(dá)。越來(lái)越多的研究顯示，幾個(gè)因素與COX-2在腦損傷中持續(xù)高表達(dá)有關(guān)，可能是由于氧化應(yīng)激對(duì)神經(jīng)細(xì)胞的損傷、前列腺素受體的介導(dǎo)以及不同種類前列腺素間的比列關(guān)系，也可能是以上這些因素之間共同作用引起基因表達(dá)水平的改變，這都可能是造成細(xì)胞凋亡、腦損傷、神經(jīng)元退變的根本原因。另外越來(lái)越多的研究表明，選擇性COX-2抑制劑對(duì)缺血再灌注腦損傷和創(chuàng)傷性腦損傷有一定的保護(hù)作用，可能具有一定的臨床應(yīng)用價(jià)值。另外，研究已經(jīng)證實(shí)COX-2選擇性抑對(duì)腎臟、消化道，以及血小板無(wú)明顯作用，并且對(duì)患者有很好的耐受性［30］。然而目前的研究多集中在腦損傷、缺血再灌注等急性腦損，但未見(jiàn)在慢性神經(jīng)元退行性疾病中的報(bào)道。故進(jìn)一步研究COX-2對(duì)神經(jīng)元退行性疾病的作用機(jī)制以及COX-2選擇性抑制劑對(duì)神經(jīng)元退變的保護(hù)作用機(jī)制，更具有臨床參考價(jià)值。

［1］Miyamoto T，Ogino N，Yamamoto S，et al.Purification of prostaglandin endoperoide synthetase from bovine vesicular gland microsemes［J］.J Biol Chem，1976，251:2629.

［2］Jun Li，Xibin Liang.Misoprostol，an anti-ulcer agent and PGE2 receptor agonist，protects against cerebral ischemia［J］.Neurosci Lett，2008，438(2):210-215.

［3］Kim SS，Kong PJ，Kim BS，et al.Inhibitory action of minocycline on lipopolysaccharide-induced release of nitric oxide and prostaglandin E2 in BV2micmglial cells［J］.Arch Pbarm Res，2003，57(3):295-303.

［4］Breder CD，Dewitt D，Kraig RP.Characterization of inducible cyclooxygenase in rat brain［J］.J Comp Neurolt，1995，355(2):296-315.

［5］Xie W，Merrill JR，Bradshaw WS，et al.Structural determination and promoter analysis of the chicken mitogen-inducible prstaglansin G/H synthase gene and genetic mapping of the murine homolog［J］.Arch Biochem Biophys，1993，300(1):247-252.

［6］Gaur V.Effect of nonselective and selective COX-2 inhibitors on memory dysfunction，glutathione system，and tumor necrosis factor alpha level against cerebral ischemia reperfusion injury［J］.Drug and Chemical Toxicology，2012，35(2):218-224.

［7］ Eduardo candelario-Jalil，Armando Gonzalez-Falcon，et al.Assessment of the Relative Contribution of COX-1 and COX-2 Isoforms to Ischemia-induced Oxidative Damage and Neurodegeneration Following Transient Gobal Cerebral Ischemia［J］ J Neurochem.2003，86(3):545-555.

［8］Hewett SJ，Silakova JM，Hewett JA.Oral treatment with rofecoxib reduces hippocampal excitotoxic neurodegeneration［J］.J Pharmacol Exp Ther，2006，319(3):1219-1224.

［9］范紅杰，于維東，何志義.大鼠大腦中動(dòng)脈局灶腦缺血環(huán)氧酶2蛋白的表達(dá)及其意義［J］.中國(guó)醫(yī)科大學(xué)報(bào)，2003，32(4):338-340.

［10］Kinoshita Y，Ueyanla T，Senba E，et al.Expression of c-fos，heat shock protein 70，neurotmphins，and cyclooxygenase-2 mRNA in response to focal cerebral isehemia/reperfusion in rats and their modification by magnesium sulfate［J］.J Neurotrannra，200l，18(4):435-445.

［11］于維東，范紅杰，楊軍，等.環(huán)氧酶-2在大鼠局灶性腦缺血再灌注損傷中的表達(dá)及意義［J］.中國(guó)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)，2007，17(16):1934-1940.

［12］Iadecola C，F(xiàn)orster C，Nogawa S，et al.Cyclooxygenase-2 immunoreaetivity in the hturm brain following cerebral ischemia［J］.Acta Neuropathol，1999，98(1):9-14.

［13］Dash PK，Mach SA，Moore AN.Regional expression and role of cyclooxygenase-2 following experimental traumatica brain injury［J］.J Neurotrauma，2000，17(1):69-81.

［14］Strauss KI，Barbe MF，Marshall RM.Prolonged cyclooxygenase-2 induction in neurons and gila follwing traumatic brain injury in the rat［J］.J Neurotrauma，2000，17(8):695-711.

［15］Cernak I，Connor CO，Vink R.Inhibition of cyclooxygenase-2 by nimesulide improves cognitive outcome more than motor Out-come following diffuse traumatic brain injury in rats［J］.Exp Brain Res，2002，147(2):193-199.

［16］黃春剛，郭金栓，高麗霞.環(huán)氧化酶-2在大鼠缺血再灌注腦損傷組織中的表達(dá)及與凋亡的關(guān)系［J］.河北醫(yī)藥，2010，32(16):2167-2169.

［17］Seidberg NA，Clark RS.Alterations in inducible 72-kDa heat shoek protein and the chaperone cofaetor BAG-1 in human brain after head injury［J］.J Neuroehem，2003，84(3):541-521.

［18］Stanimirovic D，Shapiro A Wrong J，et al.The induction of ICAM-1 in human cerebromicrovascular endothelial ceils(HCEC)by ischemialike conditions promotes enhanced neutrophil/HCEC adhesion［J］.J Neuroimmunol，1997，76(1-2):193-205.

［19］Bezzi P，Carmignoto G，Pasti L，et al.Prostaglandins stimulate calcium-dependent glutamate release in astrocytes［J］.Nature，1998，391(6664):281-285.

［20］Reynolds IJ，Hastings TG.Glutamate induces the production of reactive oxygen species in cultured forebrain neurons following NMDA receptor activation［J］.J Neurosee，1995，15(5):3318-3327.

［21］Iadecola C，Niwa K，Nogawa S，et al.Reduced susceptibility to isehemie brain injury and N-methyl-D-aspartate-mediated neurotoxicity in cyclooxygenase-2-deficient mice［J］.Proc Natl Acad Sci USA，2001，98(3):1294-1299.

［22］Muhl H，Kunz D，Pfeilschifter J.Expression of nitric oxide synthase in rat glomerulr mesangial cells mediated by cyclic AMP［J］.Br J Pharmacol，1994，112(1):1-8.

［23］Muhl H，Kunz D，Pfeilschifer J.Expression of nitric oxide synthase in rat glomerular mesangial cells mediated by cyclic AMP［J］.Br J Pharmacol，1994，112:1-8.

［24］Kane DJ，Ord T，Anton R，et al.Expression of bcl-2 inhibits necrotic neural cell death［J］.J Neu rosci Res，1995，40(2):269-275.

［25］Adam I，Eszter，F(xiàn)，Sandor B，et al.Effects of cyclooxygenase(COX)inhibition on memory impairment and hippocampal damage in the early period of cerebral hypoperfusion in rats［J］.Eur J Pharmacol，2007，574(18):29-38.

［26］Bendixen BH，Adams HP，Leira EC，et al.Responses to treatment with a low molecular weight heparinoid or placebo among patients with acute ischemic stroke secondary to large artery atherosclerosis［J］.Neurology，1998，50:34-38.

［27］Nogawa S，Iadecola C，Zhang F，et al.Cyclooxygenase-2 gene expression in neurons contributes to ischemic brain damage［J］.J Neurosci，1997，17(8):2764-2775.

［28］Jalil EC，F(xiàn)alcon AG，Cabrera MG，et al.Assessment of the relative contribution of COX-1 and COX-2 isoforms to ischemiainduced oxidative damage and neurodegeneration following transient global cerebral ischemia［J］.J Neurochem，2003，86(3):545-548.

［29］Yang JQ，Liu BZ，Zhou QX，et al.Protective effects of meloxicam on aluminum overload-induced cerebral damage in mice［J］.Eur J Pharmacol，2006，547(1-3):52-58.

［30］Meade EA，Smith WL，Witt DL.Differential inhibition of prostaglandin endoperoxide synthase(cyclooxygenase)isozymes by aspirin and other non-steroidal anti-inflammatory drugs［J］.J Biol Chem，1993，268(9):6610-6614.