酸敏感离子通道在颅脑损伤中对H+-Ca2+双离子偶联的调控作用

黄博聪，王 杰 综述 董 斌 审校

(大连医科大学附属第一医院神经外科，辽宁大连 116011)

酸敏感离子通道在颅脑损伤中对H+-Ca2+双离子偶联的调控作用

黄博聪，王 杰 综述 董 斌 审校

(大连医科大学附属第一医院神经外科，辽宁大连 116011)

创伤性颅脑损伤(traumatic brain injury，TBI)是神经外科中的常见病，致残率和病死率较高，除与原发损伤过重有关之外，还与伤后启动内源性因子释放加剧脑继发性损害有关。从分子水平研究脑外伤后继发损害的机制，早期给予相应保护措施，对降低脑损伤的致残率和病死率具有重要的临床意义。酸中毒是脑缺血的共有特征。脑缺血损害后首先是氧代谢障碍，酸碱失衡，H+和pH值的变化是首当其冲的，继而引起一系列反应。钙离子毒性是缺血脑损害的关键，胞内Ca2+超载对于神经损害有重要作用，一些有害因素可引起钙平衡系统功能失调，钙分布紊乱，导致细胞内钙浓度异常性升高，即钙超载，钙超载可引起线粒体内氧化磷酸化过程障碍，线粒体膜电位降低，组织ATP含量下降，以及胞浆内磷脂酶、蛋白酶等激活，可导致并促进细胞的不可逆性损伤。本文就酸敏感离子通道在重度颅脑损伤中对H+-Ca2+双离子偶联的调控作用机制予以综述。

创伤性颅脑损伤;酸敏感离子通道;钙超载

近年来，颅脑损伤的发病率一直处于各种创伤性疾病的前列，已经成为严重的社会公害。脑损伤如果得不到及时的治疗，将造成患者神经功能缺失，甚至死亡。脑损伤后神经细胞内钙离子迅速从细胞外液进入细胞内，而且线粒体，内质网等中的钙库也释放钙离子使胞浆内钙离子不断增多，称为钙超载(calcium overloading)，它能够使神经细胞的结构和功能受损、直至死亡，是导致细胞死亡的共同通路。了解颅脑损伤的发病机理对治疗疾病、挽救患者的生命具有重大的现实意义。

1 颅脑损伤

研究认为，颅脑损伤后神经元的损伤可分为原发性和继发性两类。原发性损伤发生于外力作用点和对冲部位的中心，在此部位脑组织受到严重损伤，细胞膜完整性破坏，膜电位逆转，跨膜运转功能丧失，线粒体呼吸功能破坏，导致胞浆内钙聚集，自由基大量生成，使正常的神经细胞死亡或发生变性。继发性损伤是指创伤后几小时、几天或更长时间发生的神经细胞损伤，是由于机械损伤、缺氧、兴奋性氨基酸毒性作用、自由基损伤、神经细胞内钙超载等，受累的神经细胞包括正常神经细胞和原发性损伤后变性的神经细胞钙离子渗透性的一个重要特点不同的通道类型，具有不同的生理功能，由于激活感觉神经元的核心部件是钙离子。渗透系数比与钙离子成正比，因此对钙离子电流进行测量。这些数值相差很大［1］。

2 酸敏感离子通道

酸敏感离子通道(Acid-sensing ion channels，ASICs)是一类由细胞外氢离子直接激活的阳离子通道。它有4个功能基因编码，分别为asic1、asic2、asic3、asic4。到目前为止，已经克隆出ASICs的6个亚单位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一直是公认的阳离子通道，氢离子认为是细胞外门控阳离子，ASIC3被认为是天然的酸性的传感器通道。

3 组织酸化与ASICs激活和缺血性脑损伤

正常脑组织需要葡萄糖通过有氧氧化提供能量。但在脑缺血期间，氧供应不足致使脑组织进行无氧的糖酵解，其产物乳酸和ATP水解的质子的积聚使缺血性脑组织周围的pH值下降。在严重脑缺血期间或血糖过多时，可导致缺血性脑组织周围pH值明显地从6.15降到6.10。稳定的pH值是至关重要的，是正常细胞功能的环境基础。在生理状态细胞外pH值和细胞内pH值可以通过各种H+运输机制进行调节［3］。在病理状态下，如组织炎症、缺血性中风、创伤、癫痫发作，累积的乳酸因为提高厌氧葡萄糖代谢H+，并释放ATP水解导致组织的pH值明显下降，称为代谢性酸中毒［4］。

Gu L等［5］的研究表明，pH值在一定范围内变化时，酸敏感通道也会随着变化。已有研究证明，ASIC1a经历一系列的结构变化，酸化反应随之增加［6］。所有的体内研究均表明，酸中毒导致脑神经损伤，其机制是激活ASICs受体引起胞内钙离子超载;往脑缺血病灶的脑室内注ASIC1a阻滞剂或敲除ASIC1a基因都可以避免缺血性损伤，其作用明显优于谷氨酸拮抗剂。组织酸化是缺血性脑损伤的一个共同特征。由于ASICs易被酸化激活，从而介导大量毒性钙离子胞内超载并诱导产生一连串细胞毒物质，破坏脑神经元蛋白质、脂及核酸类。Li M等［7］用膜片钳技术在皮层培养物的完整细胞上测出ASIC电流，并证明在pHe(胞外pH值)范围内局部缺血通常会激活ASIC电流。Samways DS［8］用萤光成像和子交换试验显示皮层神经元，可经ASICs转运钙离子。而体外细胞毒性模型证明，酸中毒诱导谷氨酸非依赖性神经元损伤，使用非特异性或特异性ASIC1a阻滞剂和降低钙离子则可以减少神经元损伤。另外，ASIC1a的神经元能抑制酸损伤，而具有钙离子通透性ASIC1a转染于COS27细胞，从而引起对酸的敏感。在正常脑神经突触传递中，局部的氢离子ASICs功能中性激动剂是无害的，但脑缺血时出现的pH下降具有伤害性。局部缺血脑组织的周围在1 min内pH值可从7.2下降至6.5，而充分激活ASIC1a通道的pH值为6.2。在局部缺血性脑组织体外模型中，组织酸化可明显增强ASICs的应答，从而使毒性钙离子在局部缺血神经元内增加。结果表明，激活这里显示ASIC1a会导致钙离子电位化，并引起钙离子失调，这对于ASIC1a似乎是一个关键。缺血性中风神经细胞死亡和其他神经变性疾病也是如此，如多发性硬化症。这些通道的抑制结果模型，也表现出ASIC1a的特点。因此，ASIC1a的抑制作用引导的治疗方法在疾病中得到广泛的应用［9］。此外，局部缺血显著增强ASICs得到的敏感性，表明ASICs在缺血性酸中毒期间可能具有长效活性。已有研究证明，在未受损的动物脑组织中，仅仅降低pH值至6.5或缺血并不会引起损伤。然而，体外实验显示，当脑组织局部缺血(缺氧)合并酸中毒(缺血性酸中毒)时，ASIC1a通道毒性效应增强，可致显著的脑损伤。研究结果表明，脑缺血期间再灌注、酸中毒可能激活了钙离子诱导的谷氨酸，从而导致钙离子超载，引起神经元损伤。另一方面，最近越来越多的证据表明，轻度酸中毒抑制细胞电流，并减少细胞内钙离子积累，而不可逆的损伤性酸中毒，造成再灌注的时候细胞加速死亡。部分学者研究了比酸中毒更有害的再灌注期间的酸中毒。结果表明，再灌注损伤时酸中毒变得更为严重。通过减轻再灌注损伤，可以恢复部分酸代谢障碍，这提供了一种解决酸中毒影响的方式［10］。局部缺血(缺氧)恢复期应该避免神经钙离子的流入。在学者们模型化区域的实验中，低温损伤紧随脑缺血后，使其出血性休克，然后模拟类似钙离子的流入，观察脑组织酸中毒的解决方案。然而，尽管控制神经钙离子减少，但ASIC1a通道毒性效应增强，这可能是一个重要的发现。在患者颅脑创伤后是否升血压是有争议的。外伤性颅高压可以增加钙离子的流入，不宜控制血压或用任何液体疗法使脑损伤患者与ASIC1a通道毒性效应相关。所以，要从长远的观点来看补液的利弊。在治疗急性颅脑损伤的时候，要考虑ASIC1a通道毒性效应，使用ASIC1a阻滞剂和ASIC1a基因敲除术可导致脑梗死灶容积显著减少(约60%)，这一研究有力地支持了以上论断［11］。

4 “钙超载”与神经元的损伤

目前仍然认为，“钙超载”是引发神经元坏死的原因而不是结果。在实验中，已观察到细胞内钙离子的蓄积增加以及坏死组织局部总钙量增高，这种现象先于组织学所观察到的神经死亡标志发生。有研究认为，如果细胞内钙离子由基础水平增加数十倍，将激活在正常条件下受钙离子调控的各种酶系，包括蛋白分解酶、磷脂酶、核酸内切酶等。这些酶的活化将破坏细胞骨架和膜脂质而威胁细胞的生存。钙离子超载时，蛋白酶被激活，神经元内的蛋白质广泛降解，如微丝微管的解聚，将严重影响轴浆运输，导致神经元死亡。细胞内钙离子升高可激活磷脂酶A2，后者侵袭细胞膜和神经细丝，释放出游离脂肪，游离脂肪又可产生自由基。细胞膜因磷脂分解和自由基的攻击而改变膜的流动性和通透性，从而破坏膜的完整性，引起细胞肿胀、变性及坏死。磷脂酶A激活后FFA和花生四烯酸大量释放，经环氧化后生成前列腺素(PGF)、血栓烷(TXA)和白三烯(LTs)等。PGF是很强的脑血管收缩剂，TXA增加血小扳聚集，LTs则可增加血管的通透性进一步加重脑缺血和脑水肿。“钙离子超载”时线粒体聚钙离子能力增强，可缓冲胞浆中钙离子的升高。但钙离子是一种强效解偶联剂，它与电子传递系统亲和力较高，因而线粒体钙离子超负荷时可使氧化磷酸化脱偶联，能量生成障碍［12］。钙离子也可抑制腺苷酸转移酶，使ATP生成减少，这些均可使细胞功能降低和紊乱。脑缺血时细胞膜的破坏使钙离子进入突触前膜，形成细胞内钙超载，造成钙离子的动态平衡失调［13］。钙超载引起的恶性循环，再通过上述的几种机制造成迟发性细胞变性坏死。最近有研究发现，ASIC1a和ASIC3成为减轻患者疼痛的靶蛋白受体［14］。周边ASIC3已经参与了体细胞炎症性疼痛，但它的贡献似乎稍微不同，通过皮肤原发性痛，与骨骼肌肉和关节痛(次级)进行比较。ASIC3也是重要的内脏痛觉(心和胃肠道)的主要感受器。ASIC3抑制可能减轻许多慢性疾病患者对腹部痛苦的感觉，并在抑制肠道疾病机械敏感方面有着重要意义［15］。总之，研究者发现，ASIC1a在软骨细胞中出现，pH值传感到软骨细胞，从而控制神经元通道［16］。酸性刺激能触发ASIC1a的活性在骨软骨细胞水平高表达，造成对神经元损伤，这是十分重要的。细胞损伤定量测定释放和LDH电子显微镜符合之前的研究。学者们还发现，H+可导致ASIC1a活化、细胞死亡，从而导致关节软骨细胞损伤。这些研究表明，通过减少组织酸碱度增加ASIC1a的表达，可以增加关节软骨细胞的伤害，这为未来治疗软骨损伤提供了新的方法［17］。

5 展 望

目前认为，TBI后脑神经细胞内钙超载对继发性脑损伤的发生和发展起决定性的作用，这也是多种情况下细胞死亡最后的共同通路［18］。钙离子作为神经元胞内的重要信使，参与神经递质的合成与释放、神经兴奋性的维持、突触的可塑性及酶活动等多种细胞功能的调节。当细胞受到刺激时，由于细胞膜上Ca2+通道开放、细胞膜及胞浆中结合钙的释放、线粒体和内质网释放Ca2+，可使胞浆中的Ca2+浓度上升，形成钙超载TBI早期，由于病理反应的刺激，神经细胞钙离子通道处于异常激活状态，大量钙离子进入胞内;随着损伤的持续，钙离子内流越来越多，胞内钙离子浓度也越来越高，约在损伤后24 h左右达到高峰。以后可能由于脑神经细胞损伤逐渐修复，刺激钙离子通道引起的异常状态逐渐恢复，又有下降的趋势。这可能与细胞膜上的钙泵重新活动、对钙离子的再摄取有关。TBI后神经细胞内存在钙超载，钙离子在TBI后继发性损害中起着重要的作用。

通过分析发现钙离子的持续胞内流入可以导致细胞功能发生显著变化，这可能是细胞内的重要反应［19］。随着脑缺血酸敏感度的上升，很快会引起酸敏感离子通道的增加，细胞内钙浓度上升同时会加快神经细胞的死亡。Mari Y［20］的实验证实，在大鼠动物模型中局部缺血和酸中毒协同增加细胞内的钙超载。在大鼠皮层神经元探索酸敏感通道活化的影响，和细胞内钙离子浓度增加的关系是非常有意义的。

TBI后脑神经细胞超微结构的变化及其与细胞内钙离子浓度变化的相应关系仍需进一步的实验研究，从而为临床寻找最佳治疗时间窗，发挥确切的脑保护作用提供依据。

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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

国家自然科学基金资助项目(30872665);辽宁省自然科学基金资助项目(20051067)

2010-12-29;

2011-09-21

黄博聪(1977-)，男，辽宁辽阳人，硕士研究生。

董 斌，教授，博士。E-mail:stocktondb@163.com