酸敏感離子通道在顱腦損傷中對H+-Ca2+雙離子偶聯的調控作用

黃博聰，王 杰 綜述 董 斌 審校

(大連醫科大學附屬第一醫院神經外科，遼寧大連 116011)

酸敏感離子通道在顱腦損傷中對H+-Ca2+雙離子偶聯的調控作用

黃博聰，王 杰 綜述 董 斌 審校

(大連醫科大學附屬第一醫院神經外科，遼寧大連 116011)

創傷性顱腦損傷(traumatic brain injury，TBI)是神經外科中的常見病，致殘率和病死率較高，除與原發損傷過重有關之外，還與傷后啟動內源性因子釋放加劇腦繼發性損害有關。從分子水平研究腦外傷后繼發損害的機制，早期給予相應保護措施，對降低腦損傷的致殘率和病死率具有重要的臨床意義。酸中毒是腦缺血的共有特征。腦缺血損害后首先是氧代謝障礙，酸堿失衡，H+和pH值的變化是首當其沖的，繼而引起一系列反應。鈣離子毒性是缺血腦損害的關鍵，胞內Ca2+超載對于神經損害有重要作用，一些有害因素可引起鈣平衡系統功能失調，鈣分布紊亂，導致細胞內鈣濃度異常性升高，即鈣超載，鈣超載可引起線粒體內氧化磷酸化過程障礙，線粒體膜電位降低，組織ATP含量下降，以及胞漿內磷脂酶、蛋白酶等激活，可導致并促進細胞的不可逆性損傷。本文就酸敏感離子通道在重度顱腦損傷中對H+-Ca2+雙離子偶聯的調控作用機制予以綜述。

創傷性顱腦損傷;酸敏感離子通道;鈣超載

近年來，顱腦損傷的發病率一直處于各種創傷性疾病的前列，已經成為嚴重的社會公害。腦損傷如果得不到及時的治療，將造成患者神經功能缺失，甚至死亡。腦損傷后神經細胞內鈣離子迅速從細胞外液進入細胞內，而且線粒體，內質網等中的鈣庫也釋放鈣離子使胞漿內鈣離子不斷增多，稱為鈣超載(calcium overloading)，它能夠使神經細胞的結構和功能受損、直至死亡，是導致細胞死亡的共同通路。了解顱腦損傷的發病機理對治療疾病、挽救患者的生命具有重大的現實意義。

1 顱腦損傷

研究認為，顱腦損傷后神經元的損傷可分為原發性和繼發性兩類。原發性損傷發生于外力作用點和對沖部位的中心，在此部位腦組織受到嚴重損傷，細胞膜完整性破壞，膜電位逆轉，跨膜運轉功能喪失，線粒體呼吸功能破壞，導致胞漿內鈣聚集，自由基大量生成，使正常的神經細胞死亡或發生變性。繼發性損傷是指創傷后幾小時、幾天或更長時間發生的神經細胞損傷，是由于機械損傷、缺氧、興奮性氨基酸毒性作用、自由基損傷、神經細胞內鈣超載等，受累的神經細胞包括正常神經細胞和原發性損傷后變性的神經細胞鈣離子滲透性的一個重要特點不同的通道類型，具有不同的生理功能，由于激活感覺神經元的核心部件是鈣離子。滲透系數比與鈣離子成正比，因此對鈣離子電流進行測量。這些數值相差很大［1］。

2 酸敏感離子通道

酸敏感離子通道(Acid-sensing ion channels，ASICs)是一類由細胞外氫離子直接激活的陽離子通道。它有4個功能基因編碼，分別為asic1、asic2、asic3、asic4。到目前為止，已經克隆出ASICs的6個亞單位ASIC1a〔或BNaC2a(Brain Na+channels)〕、ASIC1b(或 BNaC2b)、ASIC2a〔或 BNaC1a、MDEG1(Mammaliandegenerin)〕、ASIC2b(或 BNaC2a、MDEG 2)、ASIC3〔DRASIC(Dorsal root acid2sensing ion channels)〕、ASIC4［2］。ASICs一直是公認的陽離子通道，氫離子認為是細胞外門控陽離子，ASIC3被認為是天然的酸性的傳感器通道。

3 組織酸化與ASICs激活和缺血性腦損傷

正常腦組織需要葡萄糖通過有氧氧化提供能量。但在腦缺血期間，氧供應不足致使腦組織進行無氧的糖酵解，其產物乳酸和ATP水解的質子的積聚使缺血性腦組織周圍的pH值下降。在嚴重腦缺血期間或血糖過多時，可導致缺血性腦組織周圍pH值明顯地從6.15降到6.10。穩定的pH值是至關重要的，是正常細胞功能的環境基礎。在生理狀態細胞外pH值和細胞內pH值可以通過各種H+運輸機制進行調節［3］。在病理狀態下，如組織炎癥、缺血性中風、創傷、癲癇發作，累積的乳酸因為提高厭氧葡萄糖代謝H+，并釋放ATP水解導致組織的pH值明顯下降，稱為代謝性酸中毒［4］。

Gu L等［5］的研究表明，pH值在一定范圍內變化時，酸敏感通道也會隨著變化。已有研究證明，ASIC1a經歷一系列的結構變化，酸化反應隨之增加［6］。所有的體內研究均表明，酸中毒導致腦神經損傷，其機制是激活ASICs受體引起胞內鈣離子超載;往腦缺血病灶的腦室內注ASIC1a阻滯劑或敲除ASIC1a基因都可以避免缺血性損傷，其作用明顯優于谷氨酸拮抗劑。組織酸化是缺血性腦損傷的一個共同特征。由于ASICs易被酸化激活，從而介導大量毒性鈣離子胞內超載并誘導產生一連串細胞毒物質，破壞腦神經元蛋白質、脂及核酸類。Li M等［7］用膜片鉗技術在皮層培養物的完整細胞上測出ASIC電流，并證明在pHe(胞外pH值)范圍內局部缺血通常會激活ASIC電流。Samways DS［8］用螢光成像和子交換試驗顯示皮層神經元，可經ASICs轉運鈣離子。而體外細胞毒性模型證明，酸中毒誘導谷氨酸非依賴性神經元損傷，使用非特異性或特異性ASIC1a阻滯劑和降低鈣離子則可以減少神經元損傷。另外，ASIC1a的神經元能抑制酸損傷，而具有鈣離子通透性ASIC1a轉染于COS27細胞，從而引起對酸的敏感。在正常腦神經突觸傳遞中，局部的氫離子ASICs功能中性激動劑是無害的，但腦缺血時出現的pH下降具有傷害性。局部缺血腦組織的周圍在1 min內pH值可從7.2下降至6.5，而充分激活ASIC1a通道的pH值為6.2。在局部缺血性腦組織體外模型中，組織酸化可明顯增強ASICs的應答，從而使毒性鈣離子在局部缺血神經元內增加。結果表明，激活這里顯示ASIC1a會導致鈣離子電位化，并引起鈣離子失調，這對于ASIC1a似乎是一個關鍵。缺血性中風神經細胞死亡和其他神經變性疾病也是如此，如多發性硬化癥。這些通道的抑制結果模型，也表現出ASIC1a的特點。因此，ASIC1a的抑制作用引導的治療方法在疾病中得到廣泛的應用［9］。此外，局部缺血顯著增強ASICs得到的敏感性，表明ASICs在缺血性酸中毒期間可能具有長效活性。已有研究證明，在未受損的動物腦組織中，僅僅降低pH值至6.5或缺血并不會引起損傷。然而，體外實驗顯示，當腦組織局部缺血(缺氧)合并酸中毒(缺血性酸中毒)時，ASIC1a通道毒性效應增強，可致顯著的腦損傷。研究結果表明，腦缺血期間再灌注、酸中毒可能激活了鈣離子誘導的谷氨酸，從而導致鈣離子超載，引起神經元損傷。另一方面，最近越來越多的證據表明，輕度酸中毒抑制細胞電流，并減少細胞內鈣離子積累，而不可逆的損傷性酸中毒，造成再灌注的時候細胞加速死亡。部分學者研究了比酸中毒更有害的再灌注期間的酸中毒。結果表明，再灌注損傷時酸中毒變得更為嚴重。通過減輕再灌注損傷，可以恢復部分酸代謝障礙，這提供了一種解決酸中毒影響的方式［10］。局部缺血(缺氧)恢復期應該避免神經鈣離子的流入。在學者們模型化區域的實驗中，低溫損傷緊隨腦缺血后，使其出血性休克，然后模擬類似鈣離子的流入，觀察腦組織酸中毒的解決方案。然而，盡管控制神經鈣離子減少，但ASIC1a通道毒性效應增強，這可能是一個重要的發現。在患者顱腦創傷后是否升血壓是有爭議的。外傷性顱高壓可以增加鈣離子的流入，不宜控制血壓或用任何液體療法使腦損傷患者與ASIC1a通道毒性效應相關。所以，要從長遠的觀點來看補液的利弊。在治療急性顱腦損傷的時候，要考慮ASIC1a通道毒性效應，使用ASIC1a阻滯劑和ASIC1a基因敲除術可導致腦梗死灶容積顯著減少(約60%)，這一研究有力地支持了以上論斷［11］。

4 “鈣超載”與神經元的損傷

目前仍然認為，“鈣超載”是引發神經元壞死的原因而不是結果。在實驗中，已觀察到細胞內鈣離子的蓄積增加以及壞死組織局部總鈣量增高，這種現象先于組織學所觀察到的神經死亡標志發生。有研究認為，如果細胞內鈣離子由基礎水平增加數十倍，將激活在正常條件下受鈣離子調控的各種酶系，包括蛋白分解酶、磷脂酶、核酸內切酶等。這些酶的活化將破壞細胞骨架和膜脂質而威脅細胞的生存。鈣離子超載時，蛋白酶被激活，神經元內的蛋白質廣泛降解，如微絲微管的解聚，將嚴重影響軸漿運輸，導致神經元死亡。細胞內鈣離子升高可激活磷脂酶A2，后者侵襲細胞膜和神經細絲，釋放出游離脂肪，游離脂肪又可產生自由基。細胞膜因磷脂分解和自由基的攻擊而改變膜的流動性和通透性，從而破壞膜的完整性，引起細胞腫脹、變性及壞死。磷脂酶A激活后FFA和花生四烯酸大量釋放，經環氧化后生成前列腺素(PGF)、血栓烷(TXA)和白三烯(LTs)等。PGF是很強的腦血管收縮劑，TXA增加血小扳聚集，LTs則可增加血管的通透性進一步加重腦缺血和腦水腫。“鈣離子超載”時線粒體聚鈣離子能力增強，可緩沖胞漿中鈣離子的升高。但鈣離子是一種強效解偶聯劑，它與電子傳遞系統親和力較高，因而線粒體鈣離子超負荷時可使氧化磷酸化脫偶聯，能量生成障礙［12］。鈣離子也可抑制腺苷酸轉移酶，使ATP生成減少，這些均可使細胞功能降低和紊亂。腦缺血時細胞膜的破壞使鈣離子進入突觸前膜，形成細胞內鈣超載，造成鈣離子的動態平衡失調［13］。鈣超載引起的惡性循環，再通過上述的幾種機制造成遲發性細胞變性壞死。最近有研究發現，ASIC1a和ASIC3成為減輕患者疼痛的靶蛋白受體［14］。周邊ASIC3已經參與了體細胞炎癥性疼痛，但它的貢獻似乎稍微不同，通過皮膚原發性痛，與骨骼肌肉和關節痛(次級)進行比較。ASIC3也是重要的內臟痛覺(心和胃腸道)的主要感受器。ASIC3抑制可能減輕許多慢性疾病患者對腹部痛苦的感覺，并在抑制腸道疾病機械敏感方面有著重要意義［15］。總之，研究者發現，ASIC1a在軟骨細胞中出現，pH值傳感到軟骨細胞，從而控制神經元通道［16］。酸性刺激能觸發ASIC1a的活性在骨軟骨細胞水平高表達，造成對神經元損傷，這是十分重要的。細胞損傷定量測定釋放和LDH電子顯微鏡符合之前的研究。學者們還發現，H+可導致ASIC1a活化、細胞死亡，從而導致關節軟骨細胞損傷。這些研究表明，通過減少組織酸堿度增加ASIC1a的表達，可以增加關節軟骨細胞的傷害，這為未來治療軟骨損傷提供了新的方法［17］。

5 展 望

目前認為，TBI后腦神經細胞內鈣超載對繼發性腦損傷的發生和發展起決定性的作用，這也是多種情況下細胞死亡最后的共同通路［18］。鈣離子作為神經元胞內的重要信使，參與神經遞質的合成與釋放、神經興奮性的維持、突觸的可塑性及酶活動等多種細胞功能的調節。當細胞受到刺激時，由于細胞膜上Ca2+通道開放、細胞膜及胞漿中結合鈣的釋放、線粒體和內質網釋放Ca2+，可使胞漿中的Ca2+濃度上升，形成鈣超載TBI早期，由于病理反應的刺激，神經細胞鈣離子通道處于異常激活狀態，大量鈣離子進入胞內;隨著損傷的持續，鈣離子內流越來越多，胞內鈣離子濃度也越來越高，約在損傷后24 h左右達到高峰。以后可能由于腦神經細胞損傷逐漸修復，刺激鈣離子通道引起的異常狀態逐漸恢復，又有下降的趨勢。這可能與細胞膜上的鈣泵重新活動、對鈣離子的再攝取有關。TBI后神經細胞內存在鈣超載，鈣離子在TBI后繼發性損害中起著重要的作用。

通過分析發現鈣離子的持續胞內流入可以導致細胞功能發生顯著變化，這可能是細胞內的重要反應［19］。隨著腦缺血酸敏感度的上升，很快會引起酸敏感離子通道的增加，細胞內鈣濃度上升同時會加快神經細胞的死亡。Mari Y［20］的實驗證實，在大鼠動物模型中局部缺血和酸中毒協同增加細胞內的鈣超載。在大鼠皮層神經元探索酸敏感通道活化的影響，和細胞內鈣離子濃度增加的關系是非常有意義的。

TBI后腦神經細胞超微結構的變化及其與細胞內鈣離子濃度變化的相應關系仍需進一步的實驗研究，從而為臨床尋找最佳治療時間窗，發揮確切的腦保護作用提供依據。

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Regulation function of ASICs to the H+-Ca2+double ion coupling in the brain injury

HUANG Bo-cong，WANG jie，DONG Bin
(Department of Neurosurgery，the First Affiliated Hospital of Dalian Medical University，Dalian116011，China)

Abstract:Traumatic brain injury(TBI)is a common disease of neurosurgery，which may be followed by high disability and mortality.Except for the serious primary injury，it is relevant to the release of endogenous factor which aggravates the secondary damage of the brain.Researching the mechanism of the secondary brain injury on the molecular level，and taking necessary protection in the early stage have a critical clinical significance to reduce the disability and mortality of brain injury.The acidosis is the common trait of cerebral ischemia，which follows oxygenation disorders，acid-base disorder and the change of H+and pH，then resulting in a series of consequences.Calcium ion toxicity is the key to the ischemic brain damage.Calcium overload in cells plays an important role in the nervous damage.Some harmful factors can cause the calcium balance system dysfunction to disturb calcium distribution，which induces the abnormal increase of the calcium concentration，namely calcium overload.This may cause oxidative phosphorylation process obstacles in the mitochondria.Then the mitochondrial membrane potential may be lower and ATP in the tissue may be decreased.Subsequently，phospholipase and proteinase may be activated to result in the irreversible damage of cells.This article reviews the regulation mechanism of ASICs to the H+-Ca2+double ion coupling in the severe brain injury.

Key words:traumatic brain injury;ASICs;calcium overload

R743

A

1671-7295(2011)05-0499-04

國家自然科學基金資助項目(30872665);遼寧省自然科學基金資助項目(20051067)

2010-12-29;

2011-09-21

黃博聰(1977-)，男，遼寧遼陽人，碩士研究生。

董 斌，教授，博士。E-mail:stocktondb@163.com