丙戊酸治療脊髓損傷潛在機制的研究進展

謝志杰 吳建躍*

脊髓損傷（SCI）是一種嚴重的創傷，通常會給患者帶來巨大的經濟負擔和永久性殘疾。SCI的病理生理包括原發性損傷和繼發性損傷。小膠質細胞是中樞神經系統（CNS）的主要先天免疫細胞，在神經炎癥中起重要作用［1］。然而小膠質細胞的過度活化會導致促炎因子的過度產生，例如環氧合酶2（COX-2），白介素1β（IL-1β），白介素6（IL-6）和白介素受體（IL-4R和IL-2Ra）［2］；當這些促炎因子過表達時，其傾向于激活可能導致細胞凋亡的轉錄因子，例如NFκB。相關研究已經證實，NF-kB和STATs的轉錄活性與其賴氨酸乙酰化密切相關，而賴氨酸乙酰化受組蛋白乙酰轉移酶（HATs）和組蛋白脫乙酰基酶（HDACs）間的平衡調節［3］。通過恢復組蛋白乙酰化的平衡，調節轉錄功能障礙和上調神經營養基因，HDAC抑制劑（HDACis）被認為是治療神經系統疾病的一種有前途的干預措施［4］。本文探討丙戊酸（VPA）在脊髓損傷修復過程中潛在的分子機制，并對其治療脊髓損傷的最新進展進行綜述。

1 丙戊酸概述

VPA是衍生自天然戊酸的支鏈短鏈脂肪酸。丙戊酸的主要用途是作為抗癲癇藥，以及用于偏頭痛，雙相情感障礙，情緒和焦慮癥等。丙戊酸以多種方式顯示其藥理作用，例如通過作用于中樞神經系統中的GABA（γ氨基丁酸）水平，阻斷電壓門控離子通道以及抑制組蛋白脫乙酰基酶。近年來，丙戊酸被證明是組蛋白脫乙酰基酶（HDAC）的抑制劑，尤其是HDAC1以及其他HDAC。對組蛋白脫乙酰基酶的抑制作用可能會增強調節細胞凋亡及抗腫瘤作用的基因的表達［5］。因而其可通過抑制炎癥細胞因子和抑制神經元凋亡來發揮神經保護作用［6］。

大部分藥物在血液中分布，并存在于細胞外液的快速交換過程。同時藥物也可在腦脊液（CSF）和大腦總分布。CSF中丙戊酸鹽的濃度與血漿中游離藥物濃度接近。藥物的半衰期為15~17 h。兒童通常更短。人體中至少有3種VPA代謝途徑：葡萄糖醛酸化，線粒體中的β氧化（均被認為是主要途徑，分別占劑量的50%和40%）和細胞色素P450（CYP）介導的氧化（被認為是次要途徑，0~10%），丙戊酸葡糖醛酸是VPA的主要尿代謝產物（約30%~50%）［7］。

2 丙戊酸治療脊髓損傷的潛在作用機制

2.1 抑制組蛋白脫乙酰酶（HDAC） 組蛋白是染色質的主要結構蛋白，組蛋白的乙酰化和脫乙酰化作用可調節DNA轉錄，進而調節基因表達。組蛋白脫乙酰基酶是從組蛋白中除去乙酰基的酶，使DNA-組蛋白結構更緊湊，因此可以限制轉錄。相反，組蛋白乙酰基轉移酶減弱DNA-組蛋白的吸引力，從而展開復合物并使DNA更易于轉錄［8］。組蛋白乙酰化是一個動態過程，受兩個大家族酶［組蛋白乙酰轉移酶（HATs）和組蛋白脫乙酰酶（HDACs）］的拮抗作用控制。這些酶的作用間的平衡是基因表達的關鍵調控機制，并控制著較多發育過程和疾病狀態［9］。主要通過以下幾種機制發揮作用：（1）減少細胞和神經元的凋亡：PENAS等［10］在大鼠脊髓損傷模型中，以治療劑量應用VPA可減輕脫髓鞘作用和軸突損失，并保留相關的少突膠質細胞和神經元，從而在SCI大鼠橫斷模型中顯著恢復后肢活性，該機制通過減少促凋亡因子C/EBP同源蛋白在細胞核中的逐步積累來預防內質網（ER）應激，這可能是由VPA抑制HDAC作用介導的，由于VPA是一種已經在臨床使用的藥物，這些結果為其治療脊髓損傷開辟了道路。LEE等［11］動物實驗研究表明，在大鼠脊髓損傷后皮下注射VPA（300 mg/kg），1次/12 h，并在指定時間內進行，發現VPA可顯著降低SCI后早期運動神經元的凋亡，并抑制損傷后與氧化應激相關的超氧陰離子（O2-）產生和誘導型一氧化氮合酶（iNOS）表達，同樣發現VPA給藥可通過抑制細胞色素C的釋放和caspase-9和caspase-12的活化保護SCI早期運動神經元免受氧化應激和ER應激誘導的凋亡。（2）丙戊酸可減輕脊髓損傷后血脊髓屏障破壞和炎癥浸潤：血脊髓屏障的破壞主要是由于脊髓損傷后各種炎性細胞可分泌基質金屬蛋白酶9（MMP-9），而氧化應激是激活MMP的主要原因［12-13］，其主要參與細胞外基質及其他細胞外蛋白的降解，如緊密連接蛋白occludin和claudin-5，ZO-1-5［14］。繼而加重炎癥細胞的浸潤，同時也會引起微出血和水腫，從而加重繼發性損傷。WANG等［15］研究表明，MMP-9是干擾血腦屏障完整性的關鍵蛋白酶，而VPA阻斷MMP-9的升高，以及claudin-5和ZO-1的下調，均參與該藥物對血腦屏障的保護。

2.2 神經營養作用 PANDAMOOZ等［16］研究為評估組蛋白脫乙酰基酶抑制劑丙戊酸（VPA）對所選營養因子的mRNA表達的影響，在大鼠動物模型中發現VPA可上調表皮神經干細胞（EPI-NCSC）中腦源性神經營養因子（BDNF），膠質細胞源性神經營養因子（GDNF）和血管內皮生長因子（VEGF）的mRNA表達。VPA介導的神經營養因子的增加通過保護剩余神經細胞免受細胞凋亡和刺激軸突生長，在神經保護和神經發生中發揮至關重要的作用。VPA的生存效應已在脊髓損傷動物模型中反復得到證實，YU等［17］研究大鼠模型中與VPA治療相關的脊髓損傷（SCI）的組織學變化和功能恢復，發現VPA注射到脊髓損傷動物模型中可以恢復組蛋白的超乙酰化，從而上調HSP70和Bcl-2的神經保護基因活性。HSPs具有分子伴侶、促進血管生成、抑制炎癥反應、抑制細胞凋亡、抗氧化應激等作用［18］，從而改善由短暫性局灶性缺血引起的神經功能損害，減輕損傷脊髓的炎癥。

2.3 丙戊酸促進小膠質細胞向M2極化并減輕小膠質細胞介導的炎癥反應 小膠質細胞是位于大腦中的常駐組織巨噬細胞，并在激活時具有兩個主要的極化狀態，即M1表型和M2表型。M1與M2的比例決定了局部微環境的穩態。在對創傷的應激反應中，可以檢測到高水平的活性氧（ROS）。在這些刺激因素下，M1巨噬細胞/小膠質細胞處于主要狀態，這對于損傷的修復是不利的，可導致促炎細胞因子的產生，例如IL-6，IFN-γ，IL-12，IL-23，IL-1β和TNFα［19］。M1表型巨噬細胞可轉化為具有吞噬作用的M2表型。M2表型的小膠質細胞，具有組織修復特性（即高產量的IL-10和轉化生長因子β（TGFβ）），可通過神經營養因子的分泌和抗炎性細胞因子及通過吞噬作用清除細胞碎片發揮保護和促神經、血管、髓鞘再生［20］。激活NF-κB，下調促炎細胞因子的表達。CHEN等［21］研究表明VPA治療使小膠質細胞的極化向M2表型轉移，并減輕小膠質細胞介導的炎癥反應［21］。

2.4 丙戊酸對STAT1乙酰化和NF-κB信號通路的影響 NF-κB被認為是炎癥介質的中央轉錄因子，在較多炎癥反應中起至關重要的作用。而STATs的激活具有緩解多種NF-kB介導的炎性和代謝性疾病的潛力［22］。CHEN等［21］研究還包括co-IP分析，證實VPA可引起乙酰化的STAT1與核NF-κB（p65）相互作用，從而抑制NF-kB（p65）的核易位及其轉錄活性并減弱SCI后的中樞炎癥反應。而乙酰賴氨酸免疫沉淀組分中STAT1蛋白的存在證實VPA處理后STAT1乙酰化的增加。VPA介導的乙酰化和STAT1表達上調可能是由于HDAC3移位到細胞核和活性降低所致［20］。

3 展望

脊髓損傷的神經功能修復目前仍是醫學界的難題，如何阻斷脊髓損傷后的病理生理過程，抑制炎性因子的釋放，凋亡基因的轉錄表達，誘導神經再生及神經保護基因的表達等一直是治療的研究方向。目前治療脊髓損傷的方法主要通過減輕脊髓損傷后的繼發性損傷，干細胞移植治療，神經營養支持等，以及近年來生物材料的迅猛發展也為恢復脊髓損傷后微環境提供更多的選擇。VPA是一種已經在臨床使用的藥物，以往主要的用途是作為抗癲癇藥，近年來還發現其治療脊髓損傷的潛在作用，如減少細胞和神經元的凋亡；可減輕脊髓損傷后的血脊髓屏障破壞和炎癥浸潤；神經營養作用等。通過對VPA在脊髓損傷修復中的作用的深入了解，可望為脊髓損傷的治療帶來新的契機。