谷氨酸在缺血性脑损伤中的作用及机理研究概述

【关键词】  脑缺血 脑损伤 谷氨酸

    近年来通过最新的分子生物学技术如PCR、cDNA探针联合高度特异性抗体等的应用，有关缺血性脑损伤分子生物学机理的新观念不断涌现，其中对兴奋性氨基酸—谷氨酸（Glu）在缺血性脑损伤中的作用及机理的研究较成熟。现已公认，兴奋性氨基酸（EAA）的过度释放是导致缺血性神经元死亡的重要机理。特别是对NMDA受体激活产生的细胞内Ca2+持续增高是迟发性神经元死亡的重要原因。现对目前研究现状进行综述如下。

　　1  Glu的生化生理特性

    正常状态下，神经元胞浆的Glu浓度在10mm/L，胞外则为0.6μm/L，突触间隙为1μm/L，而在突触终端囊泡内可达100mm/L，胞内外Glu的浓度相差万倍以上。突触间隙内的Glu主要通过Na+依赖的谷氨酸转运蛋白（Glutamate transporter, XAG-)摄入胶质细胞和神经元内使其失活。该载体蛋白摄取一个阴离子，伴随两个Na+进入细胞内，同时一个K+和OH-排出细胞外，并至少有一个阳离子产生静电效应。因此，Glu的转运伴随电流产生。正常生理条件下，X-AG将Glu摄入到神经元和胶质细胞，这种摄入依赖正常的电位差，尤其是细胞内外的Na+离子梯度。突触后膜受体脱敏是Glu活性终止的另一个机制，Glu与受体结合后，G蛋白与膜受体分离，传递代谢性细胞内的信息，而同时Glu受体分子发生变构调节，对Glu的亲和力下降。另外，在生理状态下Glu/胱氨酸转运体（XC-）释放一分子的Glu，摄取一分子的胱氨酸入细胞内，两者藕联转运。胱氨酸在细胞内迅速被还原为半胱氨酸，一部分参与细胞内重要自由基清除剂谷胱甘肽的合成，另一部分则出细胞氧化成胱氨酸，重新参与XC-系统循环。

　　2  Glu对中枢神经细胞的兴奋毒性损伤机理

    Glu对中枢神经细胞继发性损害的作用机理尚不十分明了，Glu的兴奋毒性作用主要是通过其受体（Glu R）介导的。目前，兴奋性氨基酸受体的亚型主要分为5型：即N-甲基-D-天冬氨酸受体（NMDA）、红藻氨酸（KA）受体、2-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸(AMPA)受体、1-氨基环戊烷-1，3-二羧酸（ACPD）受体和L-2-氨基-4-磷酸基戊酸（L-AP4）受体。Glu可通过激活AMPA受体、KA受体、NMDA受体产生兴奋性毒性作用。脑组织损伤后Glu浓度明显升高，可使其受体激活，引起神经细胞下述变化：①Glu R活化可引起短期内Glu摄取的抑制和刺激Glu进一步释放，使神经细胞外液中Glu浓度过度升高，并形成恶性循环。Hu等［1］对11只产期鼠的纹状体内注入25nmol/L NMDA引起兴奋毒性作用，进而测量亲和力和对其的抑制情况，发现对Glu摄取的抑制作用在短期内（1h）是增强的，而在第1～5天呈现持续性的降低。这表明外源性Glu R兴奋剂NMDA在短期内可抑制Glu的摄取，引起Glu蓄积，造成同侧前脑广泛的兴奋毒性损害。由此提示脑组织损伤后Glu的过度释放可在短期内抑制Glu的摄取及刺激神经细胞更进一步地释放Glu，形成细胞外液Glu的蓄积，造成继发性脑损害。②Glu R的活化可引起神经细胞去极化，使神经细胞兴奋性增高，导致Na+、K+、Cl-、Ca2+等离子通道的通透性增加，使细胞内外离子分布异常，引起神经细胞的多种生理生化特性改变。神经细胞去极化后首先破坏细胞内外的Cl-平衡，使Cl-通道开放，细胞内Cl-增加，渗透压增高，导致细胞肿胀。此后Ca2+通道开放，大量的Ca2+进入细胞内，并使细胞内原贮存的Ca2+释放，造成细胞内Ca2+超载。而细胞内Ca2+超载一方面可引起神经细胞的脂质和蛋白质代谢紊乱，另一方面Ca2+进入脑血管壁，可通过钙调素或直接作用于内皮细胞，刺激胞饮转运增强，细胞收缩，使血脑屏障紧密连接扩大，通透性增高，最终导致脑组织水分增多，神经细胞肿胀，细胞膜损伤，蛋白质水解，引起不可逆性蛋白质变性而致神经细胞死亡。③Glu R的活化还可引起神经细胞葡萄糖利用的增加，抑制某些蛋白质的合成，胶质细胞肿胀，巨噬细胞的活化。Cazevieille C等［2］则发现，在缺血缺氧致神经中毒时，GluR活化可诱发乳酸氧化酶释放，一氧化氮（NO）合成酶活性增强，产生过氧化物和NO，成为兴奋性作用的一种因素。

    在正常情况下，Glu与胱氨酸通过Glu/胱氨酸转运体进行转运，维持细胞内谷胱甘肽的合成。当细胞外Glu过多时，可抑制Glu/胱氨酸转运体的功能，使胱氨酸进入细胞减少，Glu可使细胞内氧化型和还原型谷胱甘肽均减少，对还原型谷胱甘肽的耗竭作用尤为明显［3］。Glu亦可使谷胱甘肽还原酶活力下降［4］。细胞内谷胱甘肽的减少还可抑制H2O2对磷酸戊糖途径的促进作用，使还原型辅酶Ⅱ(NADPH)合成减少，增加活性氧成分对细胞的毒性作用［5］。Glu使细胞内谷胱甘肽耗竭，从而使活性氧成分积聚，推测Glu作用初期是生理来源的活性氧成分不能被清除而积聚，后期则是初期产生的活性氧成分对细胞损伤产生的结果。这些活性氧成分使脂质过氧化，降低细胞膜流动性，改变细胞内蛋白质成分和活性，使染色质浓缩，DNA断裂，最终导致细胞死亡。谷胱甘肽是脑细胞内清除活性氧成分的主要物质［6］，因此细胞外Glu过多时细胞内活性氧成分堆积，从而对细胞产生毒性作用。

　　3  Glu在脑缺血时的变化以及对神经细胞的损伤机理

    脑缺血时，Glu是最早释放的氨基酸递质之一。目前认为缺血时引起Glu释放的机理是：缺血神经元大量释放的EAA使突触后神经元持续去极化，并使之大量释放Glu，这样的恶性循环造成EAA在神经元外含量显著增加［7］。同时缺血神经细胞内ATP降解，转运Glu入神经细胞内的Glu转运体功能衰竭，影响Glu重摄取功能，甚至出现Glu转运体向细胞外液逆向转移Glu的现象，突触间隙Glu明显堆积［8］。脑缺血结束时，EAA浓度达高峰水平，再灌注后立即开始下降；或在再灌注后到达峰浓度后逐渐下降。EAA胞外浓度升高与神经元释放增加，神经元和神经胶质对其摄取减少或消失、腺苷诱导其释放的增加、合成和降解异常等有关，并受缺血严重程度、持续时间、累及组织的体积以及缺血发生部位的影响［8,9］。

    许多研究证实［10～12］，Glu对神经元损伤的机制主要与两个过程有关。首先，Glu可引起由于去极化产生的Na+和Cl-以及水分向细胞内流，导致细胞肿胀，这一过程是可逆的，Glu去除后神经元功能即可恢复正常；其次，NMDA受体活化和去极化后引起非NMDA受体激活，Ca2+通道开放导致大量的Ca2+内流并激活膜磷脂酶活性，引起一系列级联反应［13］。缺血后核酸内切酶激活则能分解DNA片段，导致细胞损伤。DNA损伤既有单链断裂，也有双链结构的破坏。脑缺血使NO合成增加的同时，通过“急性兴奋毒性分子放大效应”引起Glu释放增加。Ca2+内流以及自由基积聚是兴奋性氨基酸兴奋毒性的主要机理，主要产生下列病变：①使细胞膜、细胞器膜的不饱和脂肪酸发生脂质过氧化反应，降解磷脂并使其活性丧失；②使细胞膜对Na+、Ca2+以及大分子物质的通透性增加，细胞发生兴奋毒性水肿和兴奋性递质释放；③使细胞的生物酶活性丧失或转化为对细胞有害的酶；④破坏线粒体呼吸功能，能量生成障碍，溶酶体裂解，大量溶酶体从胞质溢出，促使神经元细胞自溶。

    缺血性脑损伤时神经元的破坏主要以坏死为主，部分细胞可出现凋亡。死亡方式主要有：①急性坏死：Glu R过度兴奋导致神经细胞去极化，大量的Na+内流造成细胞内处于高渗状态，加上还原型谷胱甘肽下降，氧自由基攻击DNA，同时ATP的耗竭使DNA损伤不能修复，DNA断裂；攻击膜性结构损害，溶酶体释放，细胞结构破坏而坏死。②细胞凋亡：钙超载、氧自由基、细胞信号系统等因素参与脑缺血时Glu毒性诱导的细胞凋亡［14］。脑缺血后半胱天冬酶-3蛋白表达增多。XC-系统受抑制使细胞内氧自由基升高，刺激中性神经的神经鞘膜磷脂酶激活。细胞膜性结构上存在丰富的神经鞘磷脂，可在中性神经的神经鞘磷脂酶作用下形成神经酰胺，神经酰胺激活下游的半胱天冬酶，介导细胞凋亡。神经细胞凋亡过程中，半胱天冬酶-3起着执行者的作用，促进凋亡［15］。

　　4  抑制兴奋性氨基酸释放制剂的研究

    缺血性脑损伤后神经兴奋毒性作用引起细胞坏死和细胞凋亡同时发生，针对两条死亡途径的联合应该比针对某一途径的治疗更具有保护作用。近年来发现，腺苷及其受体激动剂、Glu受体抑制剂、γ-氨基丁酸及其激动剂和某些钙离子拮抗剂、神经节苷脂GM1等能抑制Glu释放或对抗Glu的毒性。这些药物能有助于减轻脑缺血导致的神经元损伤［16］。抗呆合剂大、小剂量均可抑制Glu、天冬氨酸的升高。抗呆合剂还可升高乙酰胆碱酶活力［17］。张景湖［18］等的实验研究发现，天王补心口服液能有效阻止脑细胞兴奋性氨基酸的释放，降低兴奋性氨基酸的兴奋性。此外，中药银杏叶提取成分及复方还少丹等也有抑制兴奋性氨基酸释放的作用［19］。

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