D-阿洛糖減輕缺血再灌注損傷分子機制的研究進展*

付奕豪，張 磊，高大寬

空軍軍醫大學西京醫院 神經外科(西安 710032)

缺血再灌注損傷是以器官供血受限，隨后血流和供氧恢復，出現明顯的結構、功能變化為特征的一種病理過程[1]。血流恢復后可能導致潛在的有害影響，如細胞壞死、細胞腫脹以及組織各部分血流不均勻恢復等。再灌注階段，血流的恢復導致破壞性炎癥反應，產生大量活性氧，細胞內鈣離子堆積，引起細胞凋亡蛋白釋放，導致大量細胞凋亡[2]。針對缺血再灌注的損傷機制，有研究[3-5]提出,可以使用如缺血預處理、愛帕琳肽、褪黑素等治療方法或治療藥物減輕缺血再灌注損傷。近年來，D-阿洛糖被發現具有對抗缺血再灌注損傷的作用。最近的研究[6]發現，D-阿洛糖對抗缺血再灌注損傷時，主要在抑制中性粒細胞的激活、減少細胞因子與趨化因子的釋放等方面發揮重要作用。因此，D-阿洛糖近年來已成為抗缺血再灌注損傷研究的熱點靶向藥物，相關基礎分子機制研究為臨床治療提供了新思路和實驗基礎。

1 D-阿洛糖的概況

D-阿洛糖是一種罕見的單糖，化學式為C6H12O6，其化學結構是D-葡萄糖的C-3異構體或D-阿洛酮糖的醛糖異構體[7]。D-阿洛糖在自然環境中很少出現，其甜度是蔗糖的80%，但熱量極低，可以作為蔗糖的理想替代品[8]。因為其化學合成過程十分復雜且選擇性差，因此酶法合成是目前生產D-阿洛糖最常用的方法[9]。最初，Hossain等[10]報道，D-阿洛糖(美國專利No.5620960, 1997)可以抑制大鼠體內中性粒細胞的產生并降低血小板數量，而對大鼠沒有其他明顯的不利影響，并且與傳統免疫抑制劑FK506(他克莫司 Tacrolimus)相比，D-阿洛糖具有不良反應小的特點。在大鼠體內研究[11]中發現,其半數致死量(LD50)為20 g/kg。最近的研究[12-17]發現，D-阿洛糖在肝臟、腎臟、皮膚、腦等器官的缺血再灌注損傷中發揮著重要的保護作用，其保護作用與抑制相關的炎癥因子釋放有關，它還可以抑制抗原提呈細胞對抗原的攝取，從而阻止對下游炎癥細胞的激活，并且在肝臟的缺血再灌注損傷中，與別嘌醇和超氧化物歧化酶在細胞保護功能和炎癥抑制作用上比較，D-阿洛糖是一種功效更強的缺血再灌注損傷保護劑。

2 D-阿洛糖抗缺血再灌注損傷相關分子

2.1 腫瘤壞死因子-α

腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-alpha，TNF-α)是由哺乳動物活化的巨噬細胞和單核細胞產生的血清糖蛋白，它可以導致腫瘤細胞壞死，并且抑制腫瘤細胞增殖，在創傷或感染時迅速釋放，而且在免疫反應、炎癥和凋亡等過程中具有決定性作用[18]。Ueki等[15]研究發現，D-阿洛糖可以減輕炎癥反應所導致的急性腎功能損傷，用脂多糖誘導大鼠急性腎損傷的同時注射400 mg/kg D-阿洛糖，與對照組相比，注射D-阿洛糖大鼠的血清中，尿素氮和血肌酐的含量明顯降低，這表明D-阿洛糖可以有效減輕急性腎損傷的程度，并且檢測了血清以及腎組織中TNF-α的含量后發現，注射D-阿洛糖大鼠的血清中TNF-α含量明顯低于對照組，在腎組織中TNF-α含量也較對照組有明顯下降，這提示D-阿洛糖的抗炎作用可能與其減少體內TNF-α的釋放，從而阻止中性粒細胞活化有關[6]。Huang等[19]在對小鼠大腦缺血再灌注損傷模型的研究中發現，注射D-阿洛糖的小鼠神經功能損傷程度、大腦壞死區域以及腦組織水腫程度都明顯低于對照組，并且與注射0.2 mg/g D-阿洛糖的小鼠相比，注射0.4 mg/g D-阿洛糖可以更好地減輕神經功能損傷和腦組織梗死面積，在檢測腦組織TNF-α含量時發現在注射0.4 mg/g D-阿洛糖后，腦組織中TNF-α含量與對照組相比有明顯降低，這也表明D-阿洛糖在減輕缺血再灌注損傷的炎癥反應作用與抑制TNF-α的活性密切相關。Shinohara等[20]對沙鼠進行研究時發現，阻塞沙鼠雙側頸總動脈5 min后再通，在運動功能障礙的表現上，注射400 mg/kg D-阿洛糖組較對照組相比有明顯改善，而注射200 mg/kg D-阿洛糖組與對照組相比差異無統計學意義(P>0.05)。研究D-阿洛糖對細胞因子影響的實驗[19]發現，缺血動物的海馬區的TNF-α、IL-6和IL-1β的表達明顯增加，而在缺血后立即經400 mg/kg D-阿洛糖處理的沙鼠中，這些炎癥因子的表達較前者明顯降低，由此推斷D-阿洛糖抑制缺血導致的海馬區TNF-α、IL-1β和IL-6上調，從而減輕海馬區受到短暫性局部缺血的損傷。但是Shinohara等[20]發現,在對沙鼠注射100 mg/kg D-阿洛糖后沒有表現出神經保護作用，而Muneuchi等[14]在大鼠腹部皮膚島狀皮瓣缺血再灌注損傷研究中發現，注射100 mg/kg D-阿洛糖后，明顯提高了皮瓣成活率。因而,D-阿洛糖在保護效能與使用劑量之間的關系還需進一步研究闡明。

2.2 谷氨酸

谷氨酸(glutamate，Glu)是一種天然的非必須氨基酸，是存在于中樞神經系統中最常見的興奮型神經遞質。它在神經元中合成，并在神經細胞末端附近的突觸囊泡中運輸、儲存，神經沖動發生時釋放到突觸間隙，并啟動一個受體介導的信號通路[21]。Hirooka等[22]研究了大鼠視網膜的缺血再灌注損傷，他們通過將大鼠眼壓增加至130 mm Hg(1 mm Hg=0.133 kPa)，并保持45 min來構建實驗模型，實驗組在構建模型前30 min預先注射了不同濃度的D-阿洛糖溶液(50、100、200、400 mg/kg)，D-阿洛糖處理組的神經節細胞層細胞數與內叢狀層的厚度較對照組有明顯改善，在監測缺血再灌注過程中玻璃體內Glu含量時發現，缺血過程起始階段Glu含量增高，血流再通后，Glu水平再次升高，約20 min達到最大值，而D-阿洛糖處理組Glu含量的上升在缺血和再灌注階段都被有效抑制，因此猜想缺血再灌注損傷與這種興奮性神經遞質相關，它們過度活化特別是對Glu受體的刺激，通常會導致細胞死亡，而D-阿洛糖正是通過降低細胞外Glu水平從而抑制缺血再灌注對視網膜的破壞。Liu等[23]研究了沙鼠大腦缺血再灌注損傷，實驗組在構建模型前后分別注射200 mg/kg D-阿洛糖，缺血時細胞Glu釋放增加，細胞外Glu含量呈尖峰，隨后Glu含量小幅下降，再灌注階段Glu出現二次釋放，持續約1 h后回到初始值，D-阿洛糖處理后明顯抑制了Glu的釋放，并且在再灌注階段Glu第2次釋放峰完全消失，該結果表明D-阿洛糖對缺血再灌注，特別是再灌注過程中細胞外Glu水平有降低作用，從而抑制Glu的興奮毒性，起到細胞保護作用。

2.3 乳酸

乳酸(lactate，Lac)是糖酵解的最終產物，并且可以作為一種分子信號調節活性氧的生成，高水平的Lac可以導致氧化應激、酸中毒和線粒體依賴的細胞凋亡，Lac信號的級聯反應也會加重缺血再灌注損傷[24]。Liu等[23]對沙鼠大腦缺血再灌注損傷的研究中發現，缺血和再灌注階段，細胞外的Lac水平持續升高，而在經D-阿洛糖處理后，缺血階段的Lac釋放沒有明顯改變，而再灌注時Lac釋放降低，檢測細胞外氧分壓也發現，D-阿洛糖可以增加再灌注期細胞外的氧分壓，通過這項研究結果可以推斷D-阿洛糖可能通過抑制Lac合成和釋放，從而抑制氧化應激反應，達到細胞保護的作用。

2.4 核因子-κB

核因子-κB(nuclear factor kappa-B，NF-κB)是免疫反應的關鍵調節因子，可以加速細胞增殖，抑制凋亡，促進細胞遷移和侵襲，并刺激血管生成，驅動炎癥反應。病毒和細菌感染、壞死細胞產物、DNA損傷、氧化應激和促炎細胞因子都可以誘導NF-κB的活化[25]。Huang等[19]發現,小鼠在缺血再灌注損傷后，腦組織內NF-κB明顯升高，而注射0.4 mg/g D-阿洛糖小鼠與對照組相比，NF-κB的含量明顯降低，這表明D-阿洛糖在缺血再灌注損傷過程中發揮的抗炎作用與抑制NF-κB的活性密切相關。進一步研究[26]發現,發揮這一功能可能依賴于過氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proliferator-activated receptor，PPARγ)的活化，活化后的PPARγ與NF-κB的p65和p50組分結合，從而抑制NF-κB的激活，降低NF-κB下游靶基因的轉錄水平。

2.5 環氧化酶-2

環氧化酶(cyclooxygenase，COX)是一組含血紅素的同工酶(即COX-1和COX-2)，它們可以催化花生四烯酸轉化為具有生物活性的前列腺素(prostaglandin PGs)，當細胞受到炎癥等刺激時，COX-2在炎癥細胞中的表達水平升高，主要在大鼠腦中的星形膠質細胞和小膠質細胞中表達增加，某種程度上促進炎癥反應的發生[27]。Gao等[28]研究發現，當小鼠注射300 mg/kg D-阿洛糖后，其大腦梗死面積明顯小于對照組，進一步研究發現，表達COX-2的細胞主要聚集在壞死區，而實驗組中COX-2陽性細胞明顯少于對照組，且COX-2與神經元核抗原出現共定位現象，這個結果不但表明COX-2可以作為評價大腦損傷的重要指標，而且也證實了D-阿洛糖在大腦缺血再灌注損傷中發揮了重要的抗炎作用。

2.6 絲裂原活化蛋白激酶磷酸酶-1

絲裂原活化蛋白激酶磷酸酶-1(mitogen-activated protein kinase phosphatase 1，MKP-1)是一種可誘導的核雙重特異性蛋白磷酸酶，可以在體外和體內去磷酸化，并且抑制絲裂原或壓力激活蛋白的磷酸化[29]。Ju等[30]的研究發現，當小鼠皮膚發生缺血再灌注損傷時，小鼠MKP-1明顯升高，但p-ERK1、p-ERK2、p-ERK1/ERK1、p-ERK2/ERK2等蛋白表達降低，這是由于MKP-1是ERK通路的特異性負向調控因子，可阻斷其底物活性，產生抑制其抗凋亡的作用，經D-阿洛糖處理后，MKP-1含量降低，MKP-1的抑制機制被抵消，同時ERK1/2抑制劑PD-98059可以通過抑制作用逆轉D-阿洛糖對皮瓣存活的保護作用，并且導致氧化應激和壞死相關炎癥因子水平升高，因此可以得出，D-阿洛糖可能通過抑制MKP-1的表達，進一步抑制氧化應激、炎癥和壞死的發生，從而發揮缺血再灌注損傷的保護作用。但是MKP-1也可以發揮抗氧化，維持氧化還原穩態的作用[31]。因此,對于MKP-1在疾病發生時究竟是產生保護還是損害作用，還需要進一步深入研究來闡明。

2.7 基質金屬蛋白酶

基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)是一種鈣依賴的鋅內肽酶超家族，參與大腦和血腦屏障的許多生理、病理過程，通過降解緊密連接蛋白來破壞血腦屏障的完整性，從而增加其通透性，其與神經炎癥、腦中風、癲癇、腦腫瘤等多種疾病的發生相關[32]。在炎癥反應過程中，白細胞通過細胞因子相互作用黏附到血管壁，產生IL-6和TNF-α,刺激MMP產生，破壞血腦屏障[33]。Gao等[34]研究發現，經缺血再灌注損傷的小鼠MMP-9的表達明顯增加。Cheng等[35]將神經元細胞經氧糖剝奪處理后，發現MMP-9較正常狀態下明顯上升，當經白藜蘆醇處理后發現，伴隨PPAR-α的表達增加，MMP-9的水平明顯下降，提示PPAR-α在抑制MMP-9的表達中發揮重要作用。黃濤等[36]研究同樣發現，小鼠大腦遭受缺血再灌注損傷后，MMP-9的表達明顯增多，經D-阿洛糖處理后，小鼠大腦壞死面積和水腫程度明顯減輕，且MMP-9的表達明顯減少，可以說明D-阿洛糖抑制腦缺血再灌注損傷是通過減少MMP-9的表達，起到神經保護的作用。

作為一種理想的神經保護劑，需要具有不良反應少、易于院前應用的特點[37]，D-阿洛糖作為一種潛在的神經保護劑，未來可能擁有更加廣闊的應用前景(圖1)。

圖1 D-阿洛糖抑制在缺血再灌注損傷中表達增加的TNF-α、Glu、Lac、NF-κB、COX、MKP-1和MMP等炎性因子

3 小結

D-阿洛糖在各器官的缺血再灌注損傷中都發揮著重要的保護作用，通過抑制缺血再灌注后某些損傷分子的表達發揮保護作用，但其保護機制尚待進一步研究。目前，尚無關于其在人體中的代謝途徑、生理作用、毒性或安全性的系統研究，所以何種劑量在人體中可以發揮保護作用還需進一步研究。另外，D-阿洛糖的化學合成相對昂貴，如何獲取成本低廉且純凈的D-阿洛糖，也是在其應用于臨床治療缺血再灌注損傷前需要解決的問題之一。當前，對于D-阿洛糖與其他抗缺血再灌注損傷藥物的聯合作用的研究還處于空白階段，因此未來還需要進一步的實驗來驗證D-阿洛糖與其他抗缺血再灌注損傷藥物的聯用效果，闡明它們之間的相互作用機制，為解決缺血再灌注損傷開辟新的方向。

綜上所述，隨著對D-阿洛糖在缺血再灌注損傷保護作用機制研究的不斷深入，可以更加全面、完整地了解這種稀有單糖的生理功能，并且為缺血再灌注損傷疾病的治療、改善其預后提供新思路。