氧糖剥夺机制的研究进展

发布时间：2015-12-21 10:51:31 来源：文档文库

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氧糖剥夺机制的研究进展

缺血性脑病(ischemic brain disease)又称缺血性中风，目前已成为全球范围内主要致死、致残的疾病之一，严重威胁着人类的生命与健康[1,2]。在近些年的研究中发现，脑缺血后有相当部分的血管能自然再通或经溶栓治疗后恢复再通，但随之而来的是进一步的脑损伤和功能障碍，即缺血再灌注损伤（ischemia reperfusion injury）[3]。有关脑缺血再灌注损伤发生机制的研究近年来进展很快，研究认为脑血流中断和再灌注导致的脑细胞损伤是一个多因素、多机制、快速的恶性级联反应。这个级联反应包括许多环节，如能量障碍、细胞酸中毒、兴奋性氨基酸释放增加、细胞内钙失稳态、自由基生成、凋亡基因激活等。这些环节互为因果，彼此重叠，并相互联系，形成恶性循环，最终导致细胞凋亡或坏死[4]。

通过建立原代培养的大鼠海马神经元缺糖缺氧损伤模型，探讨药物对大鼠海马神经元氧糖剥夺后损伤的保护作用及可能的机制，其研究结果为脑缺血损伤的治疗提供基础理论和实验依据。

1. 兴奋性氨基酸释放增加

谷氨酸对体外培养的胎鼠海马神经元有兴奋毒性[4]。谷氨酸是中枢神经系统主要的兴奋性神经递质之一。正常情况下，Glu的释放、摄取和重吸收保持在动态平衡中，由于体内高效能Glu摄取系统（Glu转运体GLT-1）的存在，使细胞外的Glu维持在较低的水平，仅有少量作为兴奋性神经递质参与信号传导。然而, 脑缺血后或氧和血糖供应不足时[5]，细胞外Glu蓄积，Glu大量堆积后，激活Glu受体，对海马神经元产生毒性作用。

就目前所知，脑内rhIL-6的中枢作用，除促进主要的免疫应答外，尚可促进星形胶质细胞增殖，刺激星形胶质细胞分泌神经生长因子，并对体外培养中枢神经元具有神经营养作用[6]。丁爱石等报道[7]，低氧预处理组神经元缺氧后rhIL-6免疫反应神经元的平均光密度均明显高于对照组，rhIL-6可保护海马培养神经元对抗谷氨酸引起的细胞损伤。

2.钙离子超载

低氧能引起神经细胞出现兴奋性氨基酸毒性作用，导致突触前兴奋性氨基酸大量释放，过度激活突触后电压依赖性NMDA 受体门控通道，引起细胞外Ca2+ 大量内流，导致细胞内Ca2 + 超载[8]。

神经元内的钙离子超载引起的损伤的可能机制包括：①胞内Ca2+浓度异常增加，触发Ca2+依赖的级联反应，如Ca2+依赖的蛋白激酶、磷脂酶、蛋白酶、nNos、核酸内切酶的激活，直接损伤靶细胞或产生细胞毒性物质，如自由基等，最终导致神经细胞的损伤和死亡；②线粒体内钙离子超载，钙离子抑制ATP合成，最终使线粒体通透性转换孔(肿)呈高通透状态，线粒体肿胀破坏，细胞能量耗竭，同时触发其释放大量钙离子，致使细胞内超过承受钙离子的限度时，可使多种酶激活，细胞功能紊乱，死亡；③钙离子增加可能诱发细胞凋亡，一些可以轻度提高

钙离子浓度的物质如谷氨酸受体激活剂，在使钙离子升高的水平低于可引起细胞坏死时即可诱导细胞凋亡[9]。

3.ATP生成减少

线粒体钙离子的过载可造成线粒体内膜上可透性转运孔的开放，使H+的化学性电位消失， ATP的生成受阻，随着能量的耗竭，膜电位的消失，神经元发生去极化，去极化之后，兴奋性氨基酸，尤其是谷氨酸，从突触前神经元大量释放至胞外，该事件发生在缺血极早期。除谷氨酸对神经元大量产生直接兴奋性毒性损伤外，谷氨酸受体NMDA、AMPA的激活引起了胞内钙、钠和氯的增加，因此增加了脑水肿的程度和由胞内过度升高的钙离子引起的毒性。兴奋性毒性不但可以引起坏死而且还可以启动凋亡分子事件的发生。因此，ATP产生减少可致细胞死亡[10]。

4.调亡基因激活与基因表达的保护作用

4.1 细胞色素C

细胞色素C 从线粒体中释放到细胞浆，与凋亡相关因子1 （Apaf- 1）结合后形成多聚体[11]，释放的cyt C 与Apaf- 1 的结合可导致下游的caspase（半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶）的活化或解除一种内在的抑制机制。Apaf- 1 的氨基末端组成一个caspase 募集区，它可能直接结合于caspase 9。被激活的caspase- 9 能激活其它的caspase 如caspase- 3 等，从而诱导细胞凋亡。另外细胞色素C 还可以直接作用于细胞核引起细胞凋亡。很显然，细胞色素C 从线粒体释放是细胞凋亡的关键环节。

4.2 HO-1的表达

脑内血红素氧合酶（HO）系统是一个微粒体酶系统,在人和哺乳动物体内广泛存在,涉及整个生长发育过程,参与多种生理和病理过程, 是血红素降解起始酶和最为重要的限速酶[12]。HO-1是目前已知最易受诱导的酶，提示HO- 1是脑细胞对抗氧化应激反应的重要组成部分，有研究发现HO- 1 被激活后能够影响某些凋亡因子。王雁等研究发现，使用血晶素诱导海马神经元HO-1的表达，氧糖剥夺损伤后神经元细胞色素C降低，Apaf-1和caspase-3也降低，神经元存活率增加、凋亡率降低。表明，HO- 1 对神经元的保护作用与抑制细胞色素C 的释放有关。由于抑制细胞色素C 的释放，有效的抑制了细胞色素C 引起细胞凋亡的起始关键因子Apaf- 1，进而线粒体细胞色素C 释放引起凋亡的通路就被抑制。赵国良等[13]研究发现丙泊酚诱导氧糖剥夺海马神经元表达HO-1进而上调Bcl-2从而抑制氧糖剥夺体外培养海马神经元的凋亡，可能是丙泊酚神经保护作用的机制之一。HO-1被激活后能够通过分解血红素生成的代谢产物和影响某些凋亡因子而抑制缺血/再灌注损伤引起的细胞损伤和凋亡，具有明显的细胞保护作用。

但HO-1对细胞凋亡的调节是否具有细胞特异性,其防御凋亡的具体机制是什么,目前尚未明确,需要作进一步的研究。

4.3 Bcl-2的表达

抗凋亡蛋白Bcl-2 是Bcl-2 蛋白家簇中的一员,定位于线粒体、内质网和完整的核周膜。细胞凋亡受到Bal-2基因家族的调控，对细胞色素C具有明显的调控效应[14]。Bal-2蛋白需通过与Bax形成异源二聚体来抑制凋亡。随着Bcl-2 蛋白表达上调, 越来越多的Bax 同源二聚体分离, 与Bcl-2蛋白形成Bax-Bcl-2异源二聚体,从而抑制Bax-Bax 同源二聚体形成, 抑制凋亡。动物实验证实, 丁苯酞软胶囊可升高Bcl-2蛋白表达, 降低Caspase-3的表达, 减少大鼠局灶性脑缺血后神经元损伤, 减小梗死体积[ 15] 。在HO-1表达上调的细胞中Bcl-2明显增加,而HO-1抑制剂锌原卟啉( ZnPP)可抑制Bcl-2 的表达。Panahian等[16]发现HO-1能上调Bcl-2蛋白和抑制p53蛋白核内聚集。

5.自由基的产生

氧化自由基在酶转化过程中产生。线粒体渗透转移孔在氧糖剥夺后形成并开放，导致氧化自由基的爆发性增多和促凋亡分子的释放。自由基能引起氧化反应、膜损伤、细胞进程的失调、染色体的变异。事实上，活性氧簇可以损伤细胞各成分[17]。细胞损伤造成了离子稳态，细胞信号和基因表达的紊乱。氧化自由基作为重要的信号分子启动凋亡反应。

缺血缺氧条件下，神经元存活率大大降低，乳酸脱氢酶（LDH）检测发现培养细胞上清液中LDH含量增加，说明神经元在缺血缺氧情况下，胞膜的完整性受到损伤，导致LDH大量外漏，这可能与缺血缺氧导致胞膜发生脂质过氧化相关。结合文献报道的缺血缺氧导致神经元凋亡，我们认为缺血缺氧导致的神经元死亡既有坏死又有凋亡。郑龙等[18]研究发现黄芪可以减轻缺血缺氧所导致的LDH漏出，说明黄芪可通过对抗脂质过氧化等胞膜损伤因素而保护神经元。脑源性生长因子（BDNF）在缺血缺氧损伤的情况下，神经元对其的表达明显下调，而加入黄芪保护后其表达明显回升，这一结果表明,黄芪对抗缺血缺氧损伤与BDNF的关系密切[19]。黄芪可能通过某种机制阻断缺血缺氧所引发的BDNF表达下调通路而发挥其神经保护作用。这方面的机制尚有待进一步深入研究。另外，黄芪还可增强Bcl-2蛋白的表达[20]，阻止脑组织SOD活性降低和MDA含量增加，具有抗脂质过氧化作用[21]。

6.结语

缺血性脑损伤目前已成为一种临床常见的疾病，对其机制的研究一般分为在体和离体两种。本篇文章是通过在体外建立一种氧糖剥夺模型来模拟在体的缺血缺氧模型，对缺血缺氧引起的损伤的机制已取得了一定的进展，但还有一些机制需进一步研究。研究其相关机制，有望为治疗脑缺血等疾病提供新的理论依据。

参考文献：

1. Qin Li, Xian-Ju Huang, Wei He, et al. Neuroprotective Potential of Fasudil

Mesylate in Brain Ischemia-Reperfusion Injury of Rats [J]. Cellular and Molecular Neurobiology,2009,29(2): 169-180

2. Ren Zhanchuan, Guo Junxian, Yang Yingchun, et al. Expression of cyclooxygenase in the cerebral cortex and protective effect of tetramethylpyrazine after cerebral ischemic -reperfusion [J]. Chinese journal of anatomy, 2008,31(6):831-835

3. Schaller B, Graf R. Cerebral ischemia and reperfusion: the pathophysiologic concept as a basis for clinical therapy [J]. J Cereb Blood Flow Metab, 2004, 24(4):351-371

4.周松林，陈益人，丁斐.海马神经元谷氨酸损伤研究[J].南通大学学报（医学

版），2008,28（4）：240-243

5.尹宏，张先均，张晓岩.急性高原低氧对大鼠海马神经细胞形态结构的影响[J].青海医学院学报.2007,28（1）：29-31

6．要航，王福庄，丁爱石等. 细胞因子rhIL-1β、rhIL-2 及rhIL-6 对大鼠海马神经元营养作用的研究[ J] . 神经科学， 1995，2: 63-69