钙离子在胰腺炎发生发展中的作用

刘海旺 马珂歆 许力 董兵 王立明 梁锐

随着人们生活水平及医疗水平的不断提高，胰腺疾病的发病率和检出率也在逐年增加，尤其是急、慢性胰腺炎和糖尿病，对人们的健康造成了极大的危害。当前胰腺炎主要病因以胆道疾病和酒精性因素为主，不过近年来缺血性损伤、代谢异常、Oddi括约肌功能障碍、药物以及胰腺手术、创伤所致胰腺炎的发病率也有逐渐上升的趋势[1]。研究发现在胰腺炎动物模型中胰腺腺泡细胞内Ca2+浓度均有明显异常变化。本文主要就钙离子在胰腺炎发生、发展中的作用作一简要综述。

一 、钙离子生物学功能

Ca2+在细胞生命活动中发挥重要作用，参与许多重要细胞功能的调节，如肌肉收缩、细胞运动、分泌功能、代谢、增殖、分化等。细胞内Ca2+浓度的升高，不仅可引起细胞功能改变，如果持续升高甚至还可导致细胞死亡。静息状态下胰腺腺泡细胞内Ca2+浓度维持在150 mmol/L，分泌状态下维持在280 mmol/L，随后又通过Ca2+通道的调控迅速恢复至静息水平。

二、钙离子在胰腺炎发生和发展机制中的作用

胰腺炎的发生以往认为是由于胰蛋白酶原在胰腺腺体内的异常激活，激活的胰蛋白酶促使其他蛋白水解酶激活，进而对胰腺本身进行自我消化，引起胰腺的炎症和坏死[1]。最近研究发现，胰腺炎的发生除了胰蛋白酶原的异常激活外，还与胰腺细胞前炎症递质异常激活、腺泡细胞线粒体损伤和胰腺腺泡细胞的凋亡有关[2-3]。在上述过程的发生中均可观察到胰腺腺泡细胞内Ca2+浓度的异常升高，当使用螯合剂除去细胞内Ca2+时可明显抑制胰腺炎的发生[4]，使用钙调磷酸酶抑制剂可明显抑制胰蛋白酶原的激活和胰腺炎的严重程度[5]。

1．钙离子与胰蛋白酶原的活化：胰蛋白酶原以及其他酶原主要储存在胰腺腺泡细胞内的酶原颗粒中，当外界刺激导致腺泡细胞内Ca2+浓度升高时，酶原颗粒通过外排方式释放各种酶原[7]。其主要发生过程为：胆囊收缩素或乙酰胆碱与腺泡细胞膜G蛋白耦联受体结合，通过磷脂酶C通路使细胞内三磷酸肌醇(IP3)和二酰基甘油(DAG)浓度升高，升高的IP3和DAG与其在内质网或其他Ca2+储存单位的受体结合，诱发Ca2+释放，使细胞内Ca2+浓度升高。除IP3和DAG途径外，cAMP和烟酸腺嘌呤二核苷醛磷酸(NAADP)也可诱导细胞内Ca2+浓度升高[8]。现已发现，在腺泡细胞内可调控Ca2+浓度的结构有内质网和酸性池，内质网主要位于细胞基底部，酸性池主要位于细胞顶部[9]。正常情况下随着酶原颗粒的外排，胞质内的Ca2+在细胞顶部Ca2+ATP酶的作用下不断被排出细胞外[3]，同时细胞基底部的储存调控Ca2+通道(store-operated Ca2+channels)开放促进细胞外Ca2+内流[2]，以此维持细胞内Ca2+浓度平衡。

胰蛋白酶原分子中存在两个氨基酸位点对胰蛋白酶原的活化发挥调控作用，分别是23号赖氨酸和122号精氨酸[10]。当细胞内处于低Ca2+浓度时胰蛋白酶原通过显露122号位点限制酶原的激活，相反当细胞内Ca2+异常升高时胰蛋白酶原可显露23号位点促进酶原的激活且抑制胰蛋白酶的灭活。由于细胞内Ca2+稳态的维持需要消耗能量，当外界过度刺激导致细胞内Ca2+持续升高时可损伤线粒体导致ATP产生减少[11-13]，由此导致Ca2+及时排出，细胞内Ca2+浓度持续上升，激活位于酶原颗粒中的酶原[3]。有研究报道，丹参可通过阻断IP3途径降低细胞内Ca2+浓度，减轻胰腺的损伤[14]。胰蛋白酶原的激活不仅需要细胞内Ca2+维持在高浓度，同时还与Ca2+释放位置密切相关[4]，但其具体机制尚未完全明了。

2．钙离子与炎症递质：腺泡细胞内异常升高的Ca2+，不仅可激活胰蛋白酶原导致腺泡细胞受损，同时还可诱导氧自由基释放[12]、活化NF-κB[15-17]、激活Capase通路[18]，产生大量促炎因子如肿瘤坏死因子、白介素等诱发和放大炎症反应，最终导致病情的进一步恶化[1]，同时肿瘤坏死因子还可通过凋亡通路诱导腺泡细胞的死亡[19]。大量研究证明，许多与炎症和免疫反应相关的细胞因子、黏附因子基因的启动部位都含有NF-κB结合区域。急性胰腺炎早期可见NF-κB过度活化，给予NF-κB活化抑制剂可减轻胰腺组织炎症反应和腺泡细胞的损伤，改善急性胰腺炎大鼠的生存率[20]。NF-κB主要通过去磷酸化发挥生物作用，通过进入细胞核参与转录调控[21]。钙依赖磷酸酶作为Ca2+敏感型丝/苏氨酸磷酸酶，对NF-κB的调控发挥重要作用，当细胞内Ca2+浓度降低时，NF-κB蛋白就会磷酸化从而离开细胞核终止转录[22]。因此当细胞内Ca2+浓度升高时不仅可以激活胰蛋白酶原，同时还可以激活NF-κB通路，促进炎症递质的产生，参与胰腺炎的发生、发展。Ca2+除了可以从胞质内Ca2+储存结构释放外，还可从细胞膜上TRPC3 Ca2+通道进入到胞质[5]，在TRPC3基因缺陷的急性胰腺炎动物模型中，腺泡细胞内蛋白酶原的活化程度以及炎症发展程度明显减轻。

3．钙离子与线粒体损伤：研究显示[3]，轻度急性胰腺炎时胰腺腺泡细胞多发生凋亡，而重度急性胰腺炎时腺泡细胞多发生坏死。由于凋亡并不引起机体的炎症反应，因此凋亡很可能是一种保护措施，预防机体在各种刺激下发生炎症反应。但过度的刺激很可能直接导致细胞坏死。在用L-赖氨酸诱导的急性胰腺炎动物模型中发现，线粒体的损伤要早于胰蛋白酶原和NF-κB的激活[23]。线粒体的功能失常被认为是导致腺泡细胞死亡的重要原因，除此之外内质网应激也在细胞死亡过程中发挥重要作用，但其具体机制尚不清楚[24]。现研究认为由线粒体导致的细胞死亡主要与细胞内Ca2+超载导致活性氧聚集、线粒体内外膜电位的耗竭和ATP产生不足有关[3, 12]。

脂肪酸可通过抑制线粒体ATP的产生诱导细胞凋亡[2]。当细胞内ATP浓度降低时，细胞内高浓度的Ca2+激活腺泡细胞膜上TRPM4通道促进Na+、K+内流[7]，但这一过程与腺泡细胞的死亡两者之间关系还不清楚。细胞内持续高浓度Ca2+可引起线粒体膜通透性和膜电位发生变化，最终引起细胞色素C释放，细胞色素C通过激活Caspase通路诱导细胞凋亡[18, 25]。也有研究认为线粒体通透性迁移孔或许也参与腺泡细胞的死亡[3]，其主要过程为Ca2+超载以及氧化应激过程中活性氧的蓄积，导致该孔通透性增加，使得一些分子量低的物质(如质子)进入线粒体，从而使线粒体内外膜电位降低以及线粒体肿胀裂解，激活细胞的凋亡或坏死通路。由于实验设备的限制，胰腺腺泡细胞的凋亡和坏死通路之间的关系还未完全明白，但可以肯定的是线粒体在这两个通路的相互转换中发挥了重要作用。

三、总结

Ca2+作为细胞内的重要信使，不仅参与胰腺腺泡细胞内重要信号的传递，同时还参与腺泡细胞内蛋白酶原的活化与胰岛素的分泌。细胞内Ca2+稳态的破坏不仅参与胰腺炎的发生、发展，同时还可导致细胞的死亡。从目前的研究结果可以看出，Ca2+在胰腺疾病的发生、发展众多环节中发挥着重要的作用，虽然其确切机制尚未完全明了，但相信随着对其进一步深入研究，一定会对阐明胰腺疾病的发病机制，及为找到更有效的药物作用靶点提供帮助。

参 考 文 献

[1] 李兆申. 急性胰腺炎的病因和发病机制∥李兆申.胰腺炎[M].第1版. 北京: 科学出版社,2010.

[2] Petersen OH. Ca2+-induced pancreatic cell death: roles of the endoplasmic reticulum, zymogen granules, lysosomes and endosomes[J]. J Gastroenterol Hepatol, 2008, 23(Suppl 1): S31-S36.

[3] Mukherjee R, Criddle DN, Gukovskaya A, et al. Mitochondrial injury in pancreatitis[J]. Cell Calcium, 2008, 44(1): 14-23.

[4] Kruger B, Albrecht E, Lerch MM. The role of intracellular calcium signaling in premature protease activation and the onset of pancreatitis[J]. Am J Pathol, 2000, 157(1): 43-50.

[5] Thrower EC, Gorelick FS, Husain SZ. Molecular and cellular mechanisms of pancreatic injury[J]. Curr Opin Gastroenterol, 2010, 26(5): 484-489.

[6] Mankad P, James A, Siriwardena AK, et al. Insulin protects pancreatic acinar cells from cytosolic calcium overload and inhibition of plasma membrane calcium pump[J]. J Biol Chem, 2012, 287(3): 1823-1836.

[7] Petersen OH, Tepikin AV, Gerasimenko JV, et al. Fatty acids, alcohol and fatty acid ethyl esters: toxic Ca2+signal generation and pancreatitis[J]. Cell Calcium, 2009, 45(6): 634-642.

[8] Weiss FU, Halangk W, Lerch MM. New advances in pancreatic cell physiology and pathophysiology[J]. Best Pract Res Clin Gastroenterol, 2008, 22(1): 3-15.

[9] Petersen OH, Gerasimenko OV, Tepikin AV, et al. Aberrant Ca(2+) signalling through acidic calcium stores in pancreatic acinar cells[J]. Cell Calcium, 2011, 50(2): 193-199.

[10] Whitcomb DC. Genetic aspects of pancreatitis[J]. Annu Rev Med, 2010, 61: 413-424.

[11] Frick TW. The role of calcium in acute pancreatitis[J]. Surgery, 2012, 152(3 Suppl 1): S157-S163.

[12] Gukovskaya AS, Gukovsky I. Which way to die: the regulation of acinar cell death in pancreatitis by mitochondria, calcium, and reactive oxygen species[J]. Gastroenterology, 2011, 140(7): 1876-1880.

[13] Petersen OH, Gerasimenko OV, Gerasimenko JV. Pathobiology of acute pancreatitis: focus on intracellular calcium and calmodulin[J]. F1000 Med Rep, 2011, 3: 15.

[14] 石承先，王行. 丹参对急性胰腺炎三磷酸肌醇及钙代谢的影响[J]. 中华实验外科杂志, 2010, 27(1): 18-20.

[15] Nilius B, Owsianik G, Voets T, et al. Transient receptor potential cation channels in disease[J]. Physiol Rev, 2007, 87(1): 165-217.

[16] Zhang H, Li Y, Wang S, et al. LPS-induced NF-kappa B activation requires Ca2+as a mediator in isolated pancreatic acinar cells of rat[J]. Chin Med J (Engl), 2003, 116(11): 1662-1667.

[17] Kim JY, Kim KH, Lee JA, et al. Transporter-mediated bile acid uptake causes Ca2+-dependent cell death in rat pancreatic acinar cells[J]. Gastroenterology, 2002, 122(7): 1941-1953.

[18] Tripathi A, Chaube SK. High cytosolic free calcium level signals apoptosis through mitochondria-caspase mediated pathway in rat eggs cultured in vitro[J]. Apoptosis, 2012, 17(5):439-448.

[19] Kim SJ, Eum HA, Billiar TR, et al. Role of heme oxygenase 1 in TNF/TNF receptor-mediated apoptosis after hepatic ischemia/reperfusion in rats[J]. Shock, 2013, 39(4): 380-388.

[20] 姜仁鸦,詹银楚，吴善水，等.PS-341对小鼠重症急性胰腺炎核因子-kB活化的影响[J]. 肝胆胰外科杂志, 2012, 24(3): 232-235.

[21] Sah RP, Saluja A. Molecular mechanisms of pancreatic injury[J]. Curr Opin Gastroenterol, 2011, 27(5): 444-451.

[22] 张芹, 骆天红, 李果. Calcineurin/NFAT信号通路与胰腺l3细胞功能[J]. 国际内分泌代谢杂志, 2007, 27(6): 380-383.

[23] Biczo G, Hegyi P, Dósa S, et al. The crucial role of early mitochondrial injury in L-lysine-induced acute pancreatitis[J]. Antioxid Redox Signal, 2011, 15(10): 2669-2681.

[24] Eizirik DL, Cardozo AK, Cnop M. The role for endoplasmic reticulum stress in diabetes mellitus[J]. Endocr Rev, 2008, 29(1): 42-61.

[25] Maleth J, Rakonczay Z Jr, Venglovez V, et al. Central role of mitochondrial injury in the pathogenesis of acute pancreatitis[J]. Acta Physiol (Oxf), 2013, 207(2): 226-235.