SphK1/S1P信號通路在腦缺血再灌注神經細胞損傷機制中的研究進展

李軾，呂蔓華

鞘氨醇激酶1（sphingosine kinase 1，SphK1）及鞘脂類代謝產物是重要的信號傳遞分子，SphK1/鞘氨醇-1-磷酸（sphingosine-1-phosphate，S1P）信號通路涉及多種病理生理反應，參與腫瘤、自身免疫及炎癥性疾病等多種疾病的發生發展過程。腦缺血后再灌注損傷涉及神經炎癥、氧化應激、血腦屏障損傷等多種機制，故研究SphK1/S1P信號通路在腦缺血再灌注損傷（cerebral ischemia reperfusion injury，CIRI）中如何發揮作用，有望為腦缺血的治療帶來新契機。

1 神經鞘磷脂代謝及功能

神經鞘磷脂是一系列存在于腦和神經組織中的膜磷脂[1]，是構成細胞膜結構的重要成分，還是重要的信號傳遞分子[2]，參與很多病理生理過程，如細胞的存活、增殖、遷移及新生血管形成等[3]。神經鞘磷脂首先降解為神經酰胺（ceramide，Cer），Cer降解為鞘氨醇（sphingosine，Sph）和磷酸神經酰胺，Sph在SphK的作用下再次降解為S1P。細胞還含有S1P磷酸酶和Cer合酶活性，使S1P能夠轉化生成Cer[4]。SphK1是調節Cer和S1P平衡的限速酶，也是催化Sph磷酸化為S1P的關鍵酶。Cer和Sph抑制增殖，誘導凋亡，而S1P促進細胞增殖和細胞存活，代謝物間可相互轉化，這兩種信號傳導之間的動態平衡稱為鞘磷脂變阻器，決定細胞的存活或死亡[5]，而SphK1是鞘磷脂變阻器的關鍵調節劑。與CIRI過程密切相關的主要是SphK1、S1P及其受體家族和SphK1/S1P信號通路。

1.1 SphK SphK是神經鞘磷脂代謝途徑中一種酶，能將Sph轉化為S1P，有兩種底物異構體SphK1和SphK2。這兩種同工酶在其組織分布和細胞位置方面不同，SphK1主要分布于細胞質，SphK2穿梭于細胞核和細胞質之間，受細胞環境影響[3]。中樞神經系統中的海馬神經元、星形膠質細胞、小膠質細胞及小顆粒細胞都表達SphK1[6]，其中小膠質細胞是最主要的表達體[7]，SphK1組織分布廣泛，在腦、心、肺和脾組織高水平表達。在腦缺血模型中，SphK1在腦缺血發生后迅速表達。SphK1可被大量的激動劑激活從而引起細胞內S1P濃度增加，這些激動劑包括生長因子、促炎細胞因子以及許多G蛋白偶聯受體配體等[8]。而SphK2則在肝臟和心臟高度表達起相反效應，促進細胞凋亡及抑制細胞存活[9]。SphK是細胞內重要的信號傳遞分子，主要參與Ca2+穩態的調節，心血管和神經系統炎癥、免疫，以及腫瘤生長的調節、增殖、存活、遷移[10]。

1.2 S1P及其受體 S1P由SphK受各種刺激物刺激Sph磷酸化而產生[11]。S1P介導細胞內、外的信號傳導，在細胞外通過與5種細胞表面G蛋白偶聯受體中的一種結合，在細胞內通過一些未知的機制發揮作用[12]。S1P受體在許多細胞中廣泛表達，包括免疫、心血管和中樞神經系統，受體激活后會引起一些細胞內途徑的激活，導致各種反應，包括細胞分化、遷移、存活，血管生成，細胞骨架重排，鈣穩態，血管舒張，神經炎癥和免疫[3，13]，它還是血腦屏障功能完整性的基礎[13-14]。

2 腦缺血再灌注損傷

腦組織缺血后盡快恢復血供或再通灌注，卻伴隨再氧化、代謝供需不平衡，常常加重原缺血腦組織的損傷，這種損傷不可逆，甚至加重原有的臨床癥狀，這種現象被稱為CIRI[15]。這一過程涉及許多機制，包括興奮性毒性、氧化應激、自由基損傷、神經炎癥反應、血腦屏障損傷及細胞凋亡等[16]，而這些機制構成腦缺血的級聯反應，相互影響相互促進。

2.1 興奮性毒性 興奮性毒性是指由于即將壞死的細胞中興奮性神經遞質的異常釋放引起神經元的病理活化和鈣攝取引起的繼發性損傷[17]。谷氨酸是最主要的興奮性神經遞質，與神經細胞的突觸后膜N-甲基-D-天冬氨酸受體結合后導致細胞毒性水腫[18]，還引起鈣通道開放、細胞內Ca2+增加，在細胞內引發一系列事件，包括產生自由基和激活Ca2+依賴性酶，從而導致廣泛的細胞損傷和細胞凋亡。在興奮性毒性期間激活細胞內信號傳導途徑還可以觸發缺血后炎癥因子的基因表達，導致神經損傷[19]。

2.2 氧化應激及自由基損傷 氧化應激是CIRI的基本機制，在缺血性腦損傷的發病機理中起關鍵作用[20]。在缺血期間，由于缺氧和葡萄糖底物缺乏導致三磷腺苷（adenosine triphosphate，ATP）產生障礙，ATP依賴性離子泵失活，細胞內Ca2+濃度增加，激活幾種Ca2+依賴性酶，如磷脂酶、蛋白酶和核酸內切酶，這些酶可能參與活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）的產生[21]。再灌注及隨后再氧化時，氧化應激迅速增加，細胞內發生的非酶促反應增加。氧代謝的產物主要是ROS，包括氧離子、自由基和過氧化物，無機和有機物。ROS的升高來自一系列反應，包括谷氨酸刺激N-甲基-D-天冬氨酸受體、線粒體功能障礙、一氧化氮合酶的活化等[22]，在應激時，ROS積累到毒性水平，具有顯著的細胞效應，包括脂質過氧化、蛋白質變性、酶失活、核酸和DNA損傷，細胞內鈣超載Ca2+的釋放，細胞骨架結構的損傷，導致細胞損傷和功能受損、甚至凋亡[23]。除了腦細胞損傷外，氧化應激還增加血腦屏障通透性。而且自由基會影響腦血流量，是強大的腦血管擴張劑。此外，氧自由基還增加血小板聚集性，觸發許多促炎基因的表達[18]。

2.3 血腦屏障損傷 血腦屏障是一種選擇性滲透屏障，可將血液循環與腦組織分開，主要由內皮細胞、周細胞和星形膠質細胞構成[24]。腦血管通透性增加在CIRI的病理生理學中發揮關鍵作用，血腦屏障破壞后允許神經毒性血漿成分和血細胞進入腦實質，損害突觸和神經功能，血漿外滲導致血管源性水腫、顱內壓增高，進一步損害腦血流量，引起繼發性損傷[14]。此外，紅細胞的外滲導致梗死區域的出血性轉化。最后，滲漏的血腦屏障促進炎癥細胞的遷移，促進缺血后的神經炎癥反應[25]。

2.4 神經炎癥反應 腦缺血后迅速誘發的缺血性腦內神經炎癥已被充分證實[26]，CIRI伴隨的炎癥反應，誘導趨化因子、細胞黏附分子和大量促炎癥細胞因子的產生，加重缺血性損傷。這些炎癥反應相關因子（趨化因子、細胞黏附分子和大量促炎癥細胞因子）各自以一些特定途徑參與炎癥反應，進一步加重炎癥損傷：①趨化因子通過G蛋白偶聯受體，在細胞通訊和炎癥細胞募集中發揮重要作用。趨化因子如趨化蛋白-1、巨噬細胞炎癥蛋白-1α和局灶性缺血后fractakline的表達在腦缺血再灌注過程中可以引導細胞遷移，促進白細胞浸潤腦組織，增強炎癥反應，加重CIRI[18]。②細胞黏附分子在腦缺血發生后的第一天被各種細胞因子上調，介導白細胞在內皮細胞表面的滾動、黏附和遷移，促進炎癥反應。兩者之間的相互作用由3種主要的黏附分子介導——選擇蛋白、免疫球蛋白基因超家族和整聯蛋白[27]。③細胞因子在腦缺血后上調，不僅在免疫系統的細胞中表達，駐留的腦細胞（包括神經元和神經膠質細胞）也產生[18]。小膠質細胞是固有的免疫細胞，缺血性卒中后迅速激活，小膠質細胞的活化是腦缺血時神經炎癥的誘發因素[28]。缺血早期，活化的小膠質細胞增殖、向損傷部位遷移，誘導非特異性免疫反應[29]。活化的小膠質細胞對局部缺血的反應可能會釋放幾種促炎細胞因子，如腫瘤壞死因子-α、白細胞介素（interleukin，IL）-1β和IL-6等，以及其他細胞毒性分子（NO、ROS和前列腺素）[30]，從而變得過度激活并導致神經毒性后果。

3 SphK1/S1P信號通路在腦缺血再灌注損傷中的作用

目前關于SphK1/S1P信號通路在CIRI中的作用機制已取得一定進展，SphK1是缺血性卒中后神經元炎癥的重要介質，主要通過活化的小膠質細胞介導神經炎癥[7]。目前的研究發現SphK1/S1P信號通路主要通過以下3種途徑參與CIRI中的神經炎癥損傷：①腫瘤壞死因子受體相關因子2（tumor necrosis factor receptor-related factor 2，TRAF2）是由腫瘤壞死因子-α引發的核因子-κB（nuclear factor，NF-κB）信號傳導的關鍵組分。NF-κB信號傳導激活是缺血性卒中誘導的神經元炎癥的公認機制。Sergio E. Alvarez等[31]提出SphK1和S1P對于經典NF-κB途徑非常重要，這些反應由細胞內S1P介導，而與其細胞表面G蛋白偶聯受體無關。S1P在氨基末端RING結構域特異性結合TRAF2并刺激其E3（泛素連接酶）連接酶活性，這說明TRAF2是S1P的新型細胞內靶，S1P結合TRAF2并且充當TRAF2 E3泛素連接酶活化的輔因子，導致IκB（NFκB的抑制蛋白）激酶的磷酸化。隨之磷酸化和降解IκB，IκB的降解反過來激活NF-κB。Shuli Zheng等[7]提出缺血后SphK1加劇神經炎癥反應有可能是通過S1P-TRAF2-NF-κB軸來實現。實驗發現在小鼠模型中腦缺血后96 h內，SphK1而非SphK2迅速表達且持續誘導。缺血后SphK1的誘導表達顯著促進急性梗死損傷。有研究發現，SphK1/S1P信號通路在腦缺血發生時，會在小膠質細胞中上調并誘導TRAF2/NF-κB/IL-17A信號通路，從而引起神經系統的炎癥反應和細胞凋亡，最終導致神經損傷[32-33]。IL-17A是調節CIRI后炎癥反應的IL-17家族成員中的關鍵分子[34]。②toll樣受體（toll-like receptors，TLRs）是一個跨膜受體家族，能夠識別病原體相關的分子模式。TLRs是小膠質細胞先天免疫反應的重要組成部分，它誘導小膠質細胞產生神經毒性因子，導致神經損傷[35]。有實驗證明活化的小膠質細胞可以通過TLR2/IL-23/IL-17途徑在腦缺血再灌注中發揮重要作用，通路產生的IL-17促成神經元損傷[36]。IL-17通過誘導過嗜中性粒細胞和放大神經毒性因子的產生而導致CIRI[37]。TLR2和SphK1都表達在小膠質細胞，在CIRI時表達上調，基于上述研究，Wei Sun等[38]進一步提出活化的小膠質細胞可能是通過TLR2→SphK1→促炎癥因子（IL-1β、腫瘤壞死因子-α、IL-17和IL-23）途徑，參與CIRI。③Gab Seok Kim等[14]發現卒中后腦微血管中檢測到S1P受體2表達，這與腦內皮細胞等的體外數據一起表明S1P受體2在腦血管完整性的破壞中起關鍵作用。故缺血性卒中發生后SphK1可能通過S1P及S1P受體2對腦血管通透性產生影響。

綜上所述，SphK1/S1P信號通路主要通過介導CIRI的神經炎癥反應、破壞血腦屏障完整性而造成損傷，這個發現有望為缺血性卒中提供新的治療思路：抑制信號通路中介質的表達等，從而改善腦缺血預后。