缺血性腦損害線粒體活性氧產生與神經興奮性毒性的潛在聯系

趙云鵬 劉保林 齊煉文

（中國藥科大學 江蘇 南京 211100）

中風，或稱腦卒中(cerebral stroke)，因其高發病率、高致殘率和高病死率已對人群健康構成威脅。2016 年統計，缺血性心臟病和腦血管疾病（卒中）占所有心腦血管疾病死亡的85.1%[1-2]。腦卒中發生，缺血性卒中的發病率顯著高于出血性卒中，占腦卒中總數的60%～70%。缺血性卒中是由于頸內動脈和椎動脈因血栓形成或栓塞導致的缺血性腦損傷。但目前的臨床干預手段一直受到缺血再灌注損傷的困擾[3-4]，而再灌注期ROS 爆發是缺血性損害的重要原因[5-7]。

在中樞神經系統，谷氨酸是一重要的興奮性神經遞質，主要存在于神經元細胞中。在缺血性腦損害中，谷氨酸釋放增加或再攝取減少可導致其蓄積，介導神經興奮性毒性[5]。因此探尋缺血再灌注損害中ROS 和谷氨酸介導的興奮性毒性之間的特殊聯系，對藥物干預腦損害中神經元瀑布式的一系列病理級聯反應，減緩損傷性病理過程和神經保護具有重要意義。

1.缺血再灌注中線粒體ROS 的產生

缺血再灌注時ROS 爆發，致使組織損害加重，是后續病理損害的基礎。過去一般認為ROS 產生是細胞內氧化還原反應的一般非特異性事件，但是單純的抗氧化治療效果不理想。因特殊機制和作用環節不清楚，給藥物設計干預帶來困難。2014 年研究發現琥珀酸蓄積和琥珀酸脫氫酶(succinate dehydrogenase，SDH)活化所引起的線粒體呼吸鏈“逆向電子傳遞”是心肌和腦缺血性損害中ROS 產生的直接原因[8]。

在線粒體穩態條件下，TAC 循環氧化還原反應產生的NADH和FADH 可將電子傳遞給線粒體電子傳遞鏈；同時在線粒體基質中形成的質子(H+)穿過線粒體內膜被泵出以維持膜電位。在ATP 合成酶合成ATP 時，膜電位提供勢能，伴隨H+再次穿過線粒體內膜回到基質。一般認為線粒體復合物I 和Ⅲ是正向電子流中電子泄露產生ROS 的部位，而線粒體復合物Ⅱ(SDH)的作用不曾知道。但新近發現在再灌注20 ～30 分鐘內ROS 的爆發是SDH所驅動，其機制是線粒體呼吸鏈“逆向”電子傳遞和SDH“正向”活化[9，10]。在缺血期，因ATP 合成酶抑制，ADP 生成ATP 被阻斷，因而降解為AMP，導致再灌注初期因ADP 耗竭，致使ATP 合成酶活性不能迅速恢復。此時H+不能通過線粒體內膜進入基質接受正向電子傳遞與氧形成水，因而原先的正向電子流受阻從而反轉為反向電子流，在復合物I 處以黃素單核苷酸為輔基將電子傳遞給NAD 形成NADH，同時傳遞一個電子給氧形成超氧陰離子。在梗塞缺血期，SDH“逆向”激活，催化延胡索酸形成琥珀酸，導致琥珀酸堆積[6，8]。再灌注時氧供恢復，SDH 像通常一樣正向催化琥珀酸形成延胡索酸。在缺血期堆積的大量琥珀酸作為底物升高SDH 活性，產生的FADH 因反向電子流的緣故不能將電子正向傳遞為ATP 合成供能，轉而通過輔酶QH2的形式將大量的電子逆傳遞給復合物I，導致ROS 爆發。透膜性SDH 抑制劑丙二酸二甲酯阻斷缺血再灌注線粒體ROS 爆發并有效對抗了缺血性損害[8]，為SDH 驅動介導的線粒體ROS 產生提供了直接證據。

2.神經元細胞內鈣超載與谷氨酸釋放機制

鈣作為第二信使，調節多種細胞功能，包括分泌，離子通道開放和基因表達[11]。細胞內鈣離子主要存儲在內質網中，而胞質中的鈣離子維持在一低水平，鈣池操縱鈣內流（storeoperated Ca2+entry，SOCE)對維持細胞內鈣穩態具有重要作用。SOCE 對肌漿網內Ca2+變化敏感，是細胞攝取外源性Ca2+的主要途徑。在膜受體介導的信號刺激條件下肌漿網鈣釋放到胞漿中，肌漿網中Ca2+水平顯著下降，即鈣庫清空。這一SOCE 調節早期是在非興奮性細胞（如免疫細胞）中觀察到，但最新確認在神經細胞中也存在。在衰老和腦神經退行性疾病中（如阿爾茨海默病），就伴有內質網鈣穩態破壞和SOCE 下調[12]。

腦梗時，鈣內流增加，并且普遍認為是由電壓操縱的鈣通道和受體操縱通道介導外部環境的鈣流入[13，14]。新近發表的研究報道，巨噬細胞內線粒體途徑的ROS 產生可通過CRAC 通道引起胞內鈣超載，致使炎性因子IL-6 釋放而增加腦部血栓形成的風險[15]。而現在發現在神經細胞（神經元和膠質細胞）中，STIM1，2 和Orai1，2 亞型構成CRAC 通道[16]，介導鈣內流，補充鈣庫，促進神經遞質自發性釋放和調節突觸可塑性[17]。

中樞神經系統中約80%的神經細胞是以谷氨酸作為神經遞質，而胞內存儲的谷氨酸是以突觸囊泡的形式存在，并通過膜融合形式進行量子釋放。神經元細胞中的突觸蛋白I 的磷酸化狀態的改變可以控制可釋放的突觸囊泡的比例，從而調節神經遞質釋放的效率[18]。含有谷氨酸的囊泡通常處于靜息狀態，被結合的突觸蛋白I 包圍，突觸蛋白I 與F-肌動蛋白結合，羈絆突觸囊泡的運輸及與突觸后膜的融合及遞質釋放。然而，在應激狀態下（中風或腦損傷）細胞質中鈣離子濃度升高。鈣濃度升高可作為信號分子激活鈣調蛋白激酶Ⅱ，激活的鈣調蛋白激酶Ⅱ使突觸蛋白I磷酸化，從而降低了對突觸小泡的親和力，促使囊泡內的谷氨酸釋放到胞外[19]，釋放到細胞間隙的谷氨酸可通過膜受體NMDARs促進鈣流入，增加鈣超載，以正反饋的形式放大神經細胞興奮性毒性。

3.小結

氧化應激是腦缺血性損害的一項典型病理特征。因此掌握腦損害的發病機制可以更及時準確的進行治療，縮短治療時間窗。腦缺血再灌注時S D H 激活導致R O S 大量爆發，因此從上游抑制S D H 活力阻斷缺血再灌注R O S 爆發，有可能開辟腦梗損害中神經保護新途徑。以維持細胞內鈣離子穩態為目的，靶向阻斷CRAC 通道，減少鈣內流而引起的鈣超載，從而降低谷氨酸的釋放，對減少腦損害產生的興奮性毒性也具有重要意義。因此，通過CRAC 通道建立線粒體ROS 與谷氨酸釋放增加的關系，有可能發現藥物干預腦梗中神經興奮性毒性新靶點。