鈣信號在糖尿病周圍神經病變中感覺神經元和神經膠質細胞功能異常的研究進展

薛 蕓，梁尚棟

(南昌大學基礎醫學院生理學教研室，江西 南昌 330006)

鈣信號在糖尿病周圍神經病變中感覺神經元和神經膠質細胞功能異常的研究進展

薛 蕓，梁尚棟

(南昌大學基礎醫學院生理學教研室，江西 南昌 330006)

在周圍神經系統中，鈣信號是信息處理的基礎，幾乎所有的生理活動都受到Ca2+的調控。Ca2+可調節細胞功能，鈣信號和鈣穩態直接與神經病變有關。近年來，鈣信號功能的報道，為研究糖尿病周圍神經病變發病機制及其治療方向提供了新的思路。該文從鈣信號與糖尿病周圍神經病變中感覺神經元和神經膠質細胞的關系等方面進行綜述。

鈣信號；鈣穩態；糖尿病周圍神經病變；感覺神經元；神經膠質細胞；周圍神經系統

鈣信號是當細胞受到各種刺激時，導致細胞外鈣離子進入細胞或胞內鈣庫鈣離子釋放，提高胞質內的游離鈣離子(calcium ion, Ca2+)濃度，成為引起細胞反應的信號。糖尿病周圍神經病變的發病機制與神經元和神經膠質細胞的功能異常有關，在神經元和神經膠質細胞中，Ca2+穩態失常和異常的Ca2+信號傳導可導致多種形式的神經病變。在糖尿病疾病中，神經元和神經膠質細胞都有代謝應激和線粒體功能障礙的表現，這些表現也導致Ca2+穩態失常和異常的Ca2+信號傳導，從而產生細胞病理性反應，加速糖尿病周圍神經病變的惡化。因此，對鈣信號進行研究可為糖尿病周圍神經病變治療提供幫助，本文將從鈣信號與糖尿病周圍神經病變中感覺神經元和神經膠質細胞的關系等方面進行綜述。

1 Ca2+信號與神經病變

Ca2+信號在細胞信號轉導中具有十分重要的作用，是細胞內的第二信使，與細胞生長密切相關，細胞內鈣離子濃度對觸發神經遞質釋放和調節突觸可塑性有重要作用[1]。在神經膠質細胞中，被定義為周圍神經系統穩態細胞的鈣信號為細胞興奮性提供底物，并包含在局部和遠程的信號中，后者通過膠質合胞體介導鈣波的傳導。

正常生理狀態下，大多數神經元胞質內游離Ca2+(intracellular Ca2+concentration,[Ca2+]i)濃度在10-7mol·L-1左右，當受到外界刺激時，[Ca2+]i可迅速增加100倍以上。實際上，直接調節離子通道、改變酶活性以及基因表達等多種機制均能調節[Ca2+]i的變化。細胞內環境的Ca2+活動，是維持Ca2+穩態的主要原因，Ca2+濃度梯度由主動轉運下的信號功能產生，因細胞膜通透性改變，可快速改變游離Ca2+濃度，使Ca2+內流；這些Ca2+的變化成為Ca2+敏感酶充當觸發或中止細胞生理效應的感受器。神經元和神經膠質細胞Ca2+信號產生的機制不同，前者主要依賴電壓門控通道使Ca2+進入，介導Ca2+從胞內釋放，后者主要采用三磷酸肌醇(inositol triphosphate, IP3)誘導Ca2+釋放，這些差異的生理反應特點表明神經末梢的神經遞質快速釋放或神經膠質細胞相對較慢的鈣波都與神經活性物質的分泌有關[2-3]。

Ca2+能調節大量的細胞功能，鈣穩態和Ca2+信號異常直接與神經病變有關[4]。Ca2+是細胞存活和死亡的媒介，Ca2+在控制細胞生存和死亡中產生作用這一觀點最早由悉尼格林提出[5]，增加胞內Ca2+濃度與細胞死亡有直接關聯已在20世紀70年代提出[6]，不久后就確立了Ca2+調控細胞死亡的概念[7]。異常的Ca2+信號是導致細胞壞死或程序性死亡(細胞凋亡、自噬、失巢凋亡)的主要媒介，同時在缺血條件下大量的Ca2+進入神經細胞，進而確定Ca2+介導的興奮性中毒是病理學上神經細胞死亡的主要觸發機制[8]。

Ca2+對神經元的可塑性變化也有非常重要的作用，Ca2+的病理性重塑涉及許多神經病變的發病機制。較小的、緩慢的Ca2+信號改變都可能影響突觸連接、神經元的代謝和生存，這些Ca2+依賴的病理變化被稱為“鈣離子病變”，它與多種神經功能和神經心理障礙相關，這些病變包括局部缺血、惡性高熱、嚴重抑郁癥、自閉癥譜系障礙、癲癇、偏頭痛和神經退行性疾病[9]。

2 感覺神經元和神經膠質細胞中的鈣信號

2.1 背根神經節神經元中的鈣信號 糖尿病引發的高血糖及其引起的代謝紊亂也可導致外周神經系統損傷。糖尿病動物模型和糖尿病患者均可檢測到異常的鈣離子信號變化[10]。背根神經節(dorsal root ganglia, DRG)神經元的鈣庫包括Ca2+滲透通道、細胞內Ca2+釋放通道、質膜和內質網Ca2+泵、線粒體Ca2+轉運體和Na+/Ca2+交換體。不同類型的神經元表達的元件不同，DRG神經元表達各種電壓門控鈣離子通道，包括L型鈣離子Cav2.3和Cav1.3通道、N型鈣離子Cav2.2通道、R型鈣離子Cav2.3通道和T型鈣離子Cav3通道，其中T型鈣離子Cav3主要通道是Cav3.2[11]。P2X受體是非選擇陽離子通道，其興奮以Ca2+內流為主。DRG神經元表達各種P2X受體亞型，從P2X1到P2X7，其中P2X2受體和P2X2/3受體的表達最豐富[12]。鈣離子也可通過瞬時感受器電位(transientreceptor potential, TRP)通道進入DRG神經元，DRG中由辣椒素激活的瞬時受體電位通道香草醛亞型-1(transient receptor potentialvanilloid-1, TRPV1)通道的表達量最高[13]。感覺神經元也有發達的鈣庫，可以通過激活蘭尼堿受體(ryanodine receptor, RyR)和IP3受體釋放Ca2+。

2.2 神經膠質細胞中的鈣信號 神經膠質細胞在糖尿病神經病理性疼痛的發生與發展中具有重要作用。代謝型激動劑刺激IP3受體介導的內質網鈣釋放，是衛星膠質細胞(satellite glial cells, SGCs)的Ca2+信號產生的引導機制。SGC表達代謝型P2Y1,2,4,6,12,13受體，同時也表達功能性P2X受體。病理狀態下SGC的P2X7表達增加，繼而可影響Ca2+信號[14]。SGCs的鈣信號可引發Ca2+波通過縫隙連接傳播到連接相關細胞形成功能合胞體。病理狀態下可使SGC介導的Ca2+波增強，并傳遞至鄰近的神經元，導致神經元出現異常興奮。軸突電活動觸發在軸突周和突觸周施萬細胞(schwann cells，SCs)的Ca2+信號，Ca2+的移動可能涉及Ca2+進入細胞內以及細胞內Ca2+的釋放。體外實驗已經確定SCs中存在電壓依賴性鈣離子T型通道和L型通道，SCs與神經元共培養及神經元活動可增加這些通道的表達。SCs也表達幾種鈣內流的P2X嘌呤受體亞型，其中包括P2X7受體，病理狀態下較高濃度的三磷酸腺苷(adenosine triphosphate, ATP)激活P2X7受體后可導致大量Ca2+內流[15]。SCs還攜帶多種類型的代謝型受體，尤其是毒蕈堿乙酰膽堿受體、P2Y嘌呤受體、A1腺苷受體(A1受體激活可激發內質網中IP3介導的Ca2+釋放)[16]。

3 糖尿病異常的鈣信號

3.1 糖尿病周圍神經病變的鈣穩態失常 糖尿病引發的高血糖及其引起的代謝紊亂也可導致神經系統損傷。導致線粒體功能障礙的主要原因為Ca2+穩態失常和相關的線粒體緩沖Ca2+功能受損，同時形態扭曲的線粒體功能活動通過限制性ATP依賴性轉運影響Ca2+穩態。糖尿病動物模型擾亂DRG神經元中的Ca2+穩態[17]，包括[Ca2+]i平穩增加、低閾值或高閾值的Ca2+電流升高和去極化誘導的[Ca2+]i信號振幅減少。通過抑制肌質網內質網Ca2+ATP酶(sarcoplasmic and endoplasmic reticulum Ca2+-ATPase, SERCA)活性表達來介導糖尿病觸發的腔內Ca2+釋放減少，SERCA運輸缺乏，在疾病早期發生內質網(endoplasmic reticulum,ER)Ca2+穩態異常，這早于表皮內神經纖維(innervation of intraepidermal nerve fibers, IENF)的缺失，并首先出現在有最長的軸突神經元中。ER和管腔內Ca2+濃度的改變直接影響與翻譯后折疊蛋白相關的內質網內分子伴侶(鈣網蛋白、鈣聯接蛋白、分子伴侶葡萄糖調節蛋白78/BIP、內質蛋白或葡萄糖調節蛋白質、葡萄糖調節蛋白94)[18]。最近研究顯示內質網應激增強存在于糖尿病前期，1型和2型糖尿病大鼠的神經和脊髓背角[19-20]，上述強調的鈣穩態異常是ER應激反應的關鍵媒介。

糖尿病損害了軸突中的鈣信號，這是糖尿病誘導的神經變性導致周圍神經病變的主要原因[20]。在糖尿病大鼠動物模型的軸突中，可以觀察到去極化誘導的Ca2+升高現象明顯減弱。同時，去極化誘導的鈣瞬變的恢復在糖尿病型初級感覺神經元中明顯延長，用線粒體解偶聯劑可阻斷線粒體鈣吸收，羰基氰-3 -氯苯腙(一種強效的線粒體氧化磷酸化解偶聯劑)可阻止上述延長現象[21]。

3.2 ER應激和鈣信號 ER是真核細胞重要的細胞器，是細胞內Ca2+的主要儲存場所。許多細胞功能均需要ER Ca2+的誘導，其作用涉及肌肉收縮、腺體分泌、認知功能、受精等。與此同時，ER Ca2+的消耗也會導致ER應激。如果應激條件持續存在，ER應激最終可觸發細胞死亡，隨后導致不同的病理變化(如發生胰島素抵抗、糖尿病及其并發癥等)[22]。ER通過初期釋放Ca2+與蛋白質結合來最大限度地減少管腔Ca2+，并通過快速激活存儲的Ca2+進入ER來限制Ca2+消耗。如果這些機制失效，ER應激隨之減慢，此時通過增加蛋白(如SERCA)的表達來促進ER Ca2+穩態平衡。SERCA功能的實現需要線粒體產生ATP，從這個層面上來講ER和線粒體有著緊密的聯系。

糖尿病通過降低ER Ca2+來破壞在初級感覺神經元中的ER Ca2+穩態從而減少Ca2+釋放，實際上，在糖尿病DRG神經元中從ER釋放的Ca2+是明顯下降的。低劑量離子霉素(ionomycin，一種鏈霉菌屬的抗生素，是對Ca2+有親和力的離子載體)、咖啡因或ATP(肌醇-1,4,5 -三磷酸肌醇受體代謝型激動劑)誘導的Ca2+釋放，可在鏈脲佐菌素(Streptozotocin, STZ)糖尿病動物模型的初級感覺神經元中明顯降低[23]。此外，與頸椎和胸椎DRG相比，腰椎L1～L6 DRG ER Ca2+含量的降低更明顯。糖尿病初級感覺神經元中，ER腔內游離鈣離子濃度和Ca2+攝取速度的降低，與糖尿病動物模型 L4～L5 DRG勻漿中肌質網內質網鈣三磷酸腺苷酶低表達有關[21]。

3.3 異常的鈣電流和糖尿病神經病理痛 最近根據糖尿病神經病理痛實驗動物模型的研究結果提出了疼痛產生的三個基本機制：① 過度興奮的感覺神經元；② 脊髓中異常的感覺信號處理過程；③ 外周感覺神經系統來源的疼痛引發的中樞神經系統自發性活動。第一個機制可能涉及異常的鈣信號。研究證明糖尿病感覺神經元的鈣電流增加與來自T型鈣通道的升高的電流密度有關。STZ誘導的糖尿病大鼠痛覺過敏的早期表現為在大、中型核周體中Cav3.2 T型鈣通道的表達和活性均上調，而使用特定受體阻斷或反義寡核苷酸阻斷Cav3.2通道功能糖尿病大鼠或ob/ob 2型糖尿病小鼠的痛覺過敏均受到抑制[24]。

3.4 糖尿病神經病變的SCs 糖尿病神經膠質細胞的鈣信號研究仍然十分有限，然而有證據表明暴露在高葡萄糖或糖尿病血清處理后的在體或離體糖尿病模型的SCs受到損害，生化及生理機能被重塑[25]。在伴隨髓磷脂降解的糖尿病患者和糖尿病動物模型中頻繁觀察增殖性和退行性的SCs表型，高血糖和升高的細胞內糖濃度會通過激活醛糖還原酶來加強多元醇通路的活動，醛糖還原酶抑制劑可以糾正SCs生化過程中的異常。在糖尿病神經中，細胞氧化還原狀態的改變和氧化應激的產生是多元醇活性和山梨醇氧化增強的結果[23]，高血糖表現出SCs遷移和增殖能力的下降，這也反過來影響軸突的再生，這些SC的異常反應也被暗示是由內皮素受體介導的[26]。糖尿病還會減弱SC產生神經生長因子、睫狀神經營養因子和神經營養因子-3等生長因子。此外，在高血糖條件下，小窩蛋白的表達被抑制，SCs的神經調節蛋白-1增加激活ErbB2受體，SC與神經元共培養出現脫髓鞘現象，1型糖尿病小鼠神經病變加重[27]。α-硫辛酸[28]、丹酚酸[29]或傳統中藥附子[30]能阻止高葡萄糖誘導的氧化應激和SCs的凋亡，然而SCs的退化發生在出現SC凋亡的糖尿病患者或糖尿病動物模型的神經元的證據不足。

4 展望

綜上所述，在外周神經系統中，包含Ca2+信號的復雜細胞間相互作用使神經元和神經膠質細胞功能相統一。在糖尿病的初級感覺神經元和神經膠質細胞中的代謝應激和線粒體功能障礙會導致Ca2+穩態和Ca2+信號異常(包括損害線粒體的鈣儲存)，而Ca2+信號異常參與糖尿病周圍神經病變的發展。因此，對Ca2+信號與糖尿病周圍神經病變的關系進行研究有助于更深層次的了解糖尿病周圍神經病變的發病機制，維持Ca2+信號穩態有望成為糖尿病周圍神經病變防治的新靶點。

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Progress of calcium signaling in sensory neurones and neuroglial cell in diabetic peripheral neuropathic dysfunction

XUE Yun, LIANG Shang-dong

(DeptofPhysiology，BasicMedicalCollegeofNanchangUniversity，Nanchang330006，China)

Ca2+signaling is fundamental for information processing in the peripheral nervous system, which regulates a variety of physiological activities.Ca2+signaling and calcium homeostasis are directly associated with neuropathology. Recently, studies on Ca2+signaling contribute to a deeper comprehension of the pathogenesis of diabetic peripheral neuropathies, which provide a new research direction for the treatment of diabetic peripheral neuropathies. This review aims to highlight the relationship between calcium signaling, sensory neurones and neuroglial cells in the context of diabetic peripheral neuropathies.

calcium signaling; calcium homeostasis; diabetic peripheral neuropathy; sensory neurones;peripheral nervous system glial cells; peripheral nervous system

時間：2017-3-4 11:49

http://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1086.R.20170304.1149.008.html

2016-10-17,

2016-12-05

國家自然科學基金資助項目(No 81171184，81570735，31560276) ；江西省科技支撐計劃-社會發展支撐計劃重點項目(No 20151BBG70250) ；江西省自然科學基金資助項目(No 20142BAB205028) ；江西省教育廳基金資助項目(No GJJ14319)

薛 蕓(1991-)，女，碩士，研究方向：神經生理與病理生理學，E-mail: xueyun1102@126.com； 梁尚棟(1957-)，男，博士，教授，博士生導師，研究方向：神經生理與神經藥理學，通訊作者，E-mail: liangsd88 @163. com

10.3969/j.issn.1001-1978.2017.03.004

A

1001-1978(2017)03-0308-04

R-05；R329.24；R338.1；R348.1；R587.2；R745