腦缺血—再灌注損傷時興奮性遞質谷氨酸的釋放機制

陶宸 李夢陽 曲鵬

摘 要：腦缺血一定時間后重新得到血液灌注時，不僅不能恢復腦組織和器官功能，其功能障礙會加重并損傷結構，損傷出現不可逆改變，稱為腦缺血-再灌注損傷。谷氨酸是CNS興奮性神經遞質，有利于腦缺血神經元損傷的發生。該文根據現有的文獻資料記載，綜述了近幾年腦缺血-再灌注損傷時興奮性遞質谷氨酸的釋放機制的研究進展。

關鍵詞：腦缺血再灌注 興奮性遞質 谷氨酸

中圖分類號：R96 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）08（c）-0244-02

天冬氨酸、谷氨酸、2-羧基甲基-3-異丙烯基脯氨酸等為CNS興奮性氨基酸（EAA）。實驗表明，腦缺血-再灌注損傷時腦組織內神經遞質性氨基酸代謝發生明顯變化，即興奮性氨基酸（谷氨酸和天冬氨酸）隨缺血時間延長而逐漸降低，缺血再灌注時間越長，興奮性氨基酸含量越低，腦組織超微結構改變也就越嚴重。其中多種原因導致的大量谷氨酸細胞外釋放和谷氨酸受體（GluRs）的過度刺激神經毒性作用即是損傷腦組織的開啟者又是接下來的執行者。

1 Ca2+-依賴性谷氨酸釋放機制

在靜息條件下細胞外Glu濃度維持比較低的水平[1]。細胞外Glu可來自于谷氨酸能神經末梢突觸囊泡Glu。腦缺血時導致氧和血糖供應不足，能量生成酸大量釋放到突觸間隙。隨著深入研究的發現，腦缺血早期是Ca2+依賴性出胞式的Glu的釋放[2]，這一過程需要ATP，隨著缺血時間的延長能量不斷的消耗進而轉變為Ca2+非依賴性的Glu釋放[3]。因此，要抑制缺血早期Ca2+依賴性和非依賴性Glu釋放可通過阻斷Ca2+內流來完成[4]。

大量谷氨酸釋放到突觸間隙，隨后啟動如激活一氧化氮合酶、核酸內切酶、Ca2+依賴性蛋白溶解酶、磷脂酶等一系列神經損傷的病理生理反應[5]，這些反應存在一系列的相互因果。早期缺血Ca2+依賴型占主要的地位，因而引起細胞內鈣超載，開放受體依賴型鈣通道，磷脂酶被激活，可溶解細胞膜并生成大量花生四烯酸[6]，自由基由此產生。膜脂質過氧化被啟動，提高了鈣受體通道興奮性，可破壞神經元骨架，突觸前膜和后膜出現過度磷酸化之改變，這降低了線粒體滯留鈣作用，形成線粒體漏道，線粒體轉換孔開放，可以造成整個神經細胞能量衰竭。

2 代謝型受體調控釋放谷氨酸

神經系統內EAA主要是谷氨酸，其受體包括海人藻酸受體[7]、γ-氨基丁酸受體（GABARs）、σ-氨基羧甲基噁唑丙酸受體、親代謝受體4種亞型。此外，參與Glu釋放的還包括阿片受體、乙酰膽堿受體、神經肽Y受體和腺苷樣受體A1[8]。

大量谷氨酸可將代謝型谷氨酸受體和與G蛋白耦連的磷酯酰肌醇信號轉導途徑予以激活，最終使細胞膜發生細通透性改變[9]，細胞內進入大量Na+、Cl-和水，細胞出現腫脹，產生細胞毒性腦水腫，細胞出現誘導性凋亡和壞死病變[1]，這樣的受體稱為G蛋白耦連受體。CNS中有2種重要的G-蛋白耦連受體，它們是親代謝型谷氨酸受體（mGluRs）和γ-氨基丁酸受體。

2.1 親代謝型谷氨酸受體

mGlu1和mGlu5通過Gq蛋白耦連磷脂酶C水解磷酯酰肌醇并且動員細胞內Ca2+，mGlu4和mGlu6-mGlu8通過Gi蛋白負耦連腺苷酸環化酶降低環腺苷酸生成而抑制蛋白激酶A，mGlu2和mGlu3通過抑制Ca2+非依賴性的Glu釋放調節細胞外的Glu水平。mGluRs主要通過Ca2+依賴的方式調節星形細胞釋放Glu[10]。

2.2 γ-氨基丁酸受體（GABARs）

GABARs中的GABAB與mGluRs的結構相似，屬G-蛋白耦連受體。GABAB可通過負反饋調節釋放GABAA，也可降低釋放Glu，維持腦的正常功能。研究表明，GABAB主要通過增加K+或減少Ca2+傳導的形式抑制Glu釋放[11]。

2.3 AMPA、KA受體

這兩種受體通常稱為非NADA受體，對Na+、K+有通透性，且一些受體亞基對鈣也有通透性。AMPA受體由GluR1～GluR4四種亞基單位圍繞一個親水性中心孔道組成四聚體，對于含有GluR2亞基的AMPA受體可以限制陽離子的通過，對于不含GluR2亞基的AMPA受體對鈣離子有通透性且可以進行雙向整流。但GluR2和其他亞單位形成通道時，可限制鈣離子的正常通過。腦缺氧缺血時，海馬CA1區的GluR2明顯下調形成的四聚體結構導致Ca2+內流，從而引起腦神經細胞中鈣的超載[12]。KA受體是由GluR5- GLUR7及KA1-2組成的異質組合，且介導的是細胞壞死而并非凋亡[6]。

2.4 NMDA受體

NMDA受體是Ca2+依賴型的離子通道，可導致過度興奮介導的遲發性神經細胞損傷[12]。NMDA受體被激活后可增加釋放鈣離子的濃度，細胞內Ca2+超載后一系列瀑布樣病理生理工程被激發，致使神經元出現遲發性死亡之改變[13]。腦缺血時缺乏足夠的能量，改變了鈣泵功能，損傷線粒體，細胞膜去極化，釋放大量Glu，NAMD受體被Glu激活，內流的鈣離子可以將Ca2+依賴性蛋白酶激活[14]。

3 轉運體調節釋放谷氨酸

清除細胞外液谷氨酸依賴對谷氨酸具有攝取能力的神經膠質細胞和神經末梢膜上得谷氨酸、中性氨基酸轉運蛋白家族，其中高親和性谷氨酸轉運蛋白有5種，中性氨基酸轉運蛋白有2種。前者又被稱為興奮性氨基酸轉運體（EAATs），主要作用是轉運Na+、K+-偶聯的L-谷氨酸和L-、D-天冬氨酸，是攝取EAA的主要轉運蛋白[16]，谷氨酸轉運體直接耦合Na+-K+-ATP酶并以一個功能復合體的形式調節轉運谷氨酸[3]。攝取功能降低、釋放增加、攝取逆向轉運是腦缺血時細胞外液谷氨酸濃度持續升高的原因[15]。體內和離體實驗均表明，腦缺血或低氧在異常升高谷氨酸濃度的同時，還可以降低轉運體表達數量。腦缺血降低了轉運體攝取谷氨酸的數量，甚或有逆向轉運現象的出現?？梢姅z取減少或出現逆向轉運是腦缺血時膠質細胞谷氨酸轉運體功能障礙的主要表現，這是由于細胞內的谷氨酸含量持續降低造成濃度差，而細胞外的谷氨酸不能被細胞重新吸收，形成興奮性神經毒素，進而促進細胞凋亡。具體機制分為兩大類如下。

（1）Na+非依賴性谷氨酸轉運體。這類轉運體可在多種細胞內表達，已被成功克隆，主要包括胱氨酸和谷氨酸轉運體，為Cl-依賴性，參與調節細胞外Glu穩態。胱氨酸經胱氨酸、谷氨酸轉運體進入細胞內后，可用于在細胞內合成谷胱甘肽這一重要氧化劑。當細胞外Glu濃度升高時，引起神經元死亡的GluRs可以被激活，同時膠質細胞攝取胱氨酸的能力被阻止，降低了谷胱甘肽和細胞內谷胱甘肽的合成數量，細胞內大量堆積活性氧成分，發生氧化應激反應[16]；Glu為星形膠質細胞所攝取后可轉化為谷氨酰胺，神經元攝取谷氨酰胺，可作為合成Glu的前體物質。胱氨酸分子為同等數量的Glu分子交換，在正常生理狀態下，胱氨酸和Glu分別被轉運體轉運到細胞內和細胞外。Glu轉運到細胞外后，易被谷氨酸轉運體攝回細胞內，一般不會損傷神經元。腦缺血時，破壞了谷氨酸轉運體功能，經轉運體外流Glu造成神經元死亡并釋放Glu。

（2）Na+依賴性的谷氨酸轉運體是CNS攝取Glu的主要機制。目前已成功克隆出EAAT1～EAAT5五種高親和力的Na+依賴性谷氨酸轉運體。轉運體將Glu攝取到細胞內且濃度在較低水平維持，避免損傷神經元。轉運過程與Ca2+免受Glu興奮性毒性的損傷同時進行。轉運過程為：轉運體每轉運1個Glu分子，同向轉運到細胞內有1個H+和3個Na+，逆向轉運到細胞外1個K+。轉運體功能細胞內ATP水平直接影響，當ATP減少時，可直接抑制谷氨酸轉運體功能，當ATP耗盡時轉運體會發生逆轉運，造成細胞內Glu外流。

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