代谢型谷氨酸受体调节剂在颅脑损伤后的应用

朱星全，许民辉，王 昊

创伤性颅脑损伤(traumatic brain injury,TBI)是现代社会中的一个突出问题，其高致残率和致死率严重威胁着人类生命及生活质量。颅脑创伤分为原发性损伤和继发性损伤，前者在伤后立即出现无法逆转，而后者却具有可逆性并对预后具有决定性作用。因此，提高TBI救治水平，始终是人们关注的问题。目前，对于继发性损伤机制的认识主要有兴奋性氨基酸毒性、过度炎症以及钙超载三方面： 兴奋性氨基酸(主要是谷氨酸Glu)的大量释放可以通过N-甲基-D-天门冬氨酸盐(NMDA)受体引起钙离子超载及非NMDA途径扩大炎症损伤；反之，胞浆内异常增高的钙离子浓度以及大量释放的炎性介质又触发突触末梢出胞式的谷氨酸释放，导致胞外谷氨酸的蓄积和兴奋性毒性的加重[1]。谷氨酸作为神经系统主要的快速兴奋性神经递质，在颅脑损伤后的大量释放是造成兴奋性氨基酸毒性损害的最主要原因。近年来学者对中枢神经系统谷氨酸失调的后果进行大量的研究，但我们必须了解创伤后谷氨酸信号的传导才能有针对性地进行治疗，以起到治疗和减轻损伤的目的。

1 谷氨酸受体(GluR)与兴奋性毒性

谷氨酸的兴奋毒性作用主要是通过其受体(GluR)介导的，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： (1) GluR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。Dai[2]在观察小鼠TBI后24h内其脑脊液内谷氨酸浓度的动态变化规律为： TBI后15min，谷氨酸浓度达到第一个相对的高峰，然后逐渐回落，3h时相对水平较低；随后又呈现上升趋势，到12h时达到最高峰，然后逐渐降低，但仍高于基础水平。虽然文献报道的伤后谷氨酸变化会因致伤方式、伤情轻重以及伤者不同而有所不同，但总体规律是相似的。(2) GluR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。(3) GluR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。

2 代谢型谷氨酸受体(mGluR)的分类

GluR可分为离子型和代谢型受体两大类。代谢型谷氨酸受体(mGluR)是一类和G蛋白偶联的调节离子通道和第二信使生成酶的特异受体。代谢型受体与结合谷氨酸后,可导致膜两侧Na+和K+通透性升高,膜电位去极化,产生兴奋性突触后电位(EPSP)。多数情况下,这种EPSP产生得迅速，消失也快,故称快突触效应。NMDA型和α-氨基-3羟基-5甲基-4异恶唑受体(AMPA)结合谷氨酸后,可导致膜两侧Na+和K+通透性升高,膜两侧产生EPSP，同时也使Ca2+通透性增加,Ca2+大量进入细胞内,作为第二信使激活Ca2+依赖酶,如Ca2+钙调蛋白依赖的蛋白激酶等,引发细胞内生理效应的变化。一般情况下,NMDA型受体引起的是相对缓慢而持久的EPSP，称为慢突触效应[3]。

mGluR存在多种亚型，反映着mGluR功能的复杂性和多样性。根据各亚型间的同源性不同，将mGluR分成3组： 第一组(mGluRI) mGluR1和mGluR5。mGluRI组受体主要与突触后兴奋效应有关，其生理学特性为神经兴奋性毒性增强效应，它可增加Ca2+内流和激活蛋白激酶C(proteinkinase C,PKC)，增加花生四烯酸(ArAc)的释放以及一氧化氮(NO)的合成，拮抗mGluRI组受体能够减少谷氨酸的释放并促进星形胶质细胞对谷氨酸的摄取； 第二组(mGluRII)mGluR2和mGluR3。mGluR Ⅱ组受体通过抑制环磷腺苷(cAMP)的产生和谷氨酸的释放，因此激活mGluR Ⅱ组受体可发挥神经保护作用[4]； 第三组(mGluRIII)mGluR4、mGluR6、mGluR7和mGluR8。Ⅲ组受体能抑制腺苷酸环化酶，减少cAMP的生成,从而抑制谷氨酸的释放。据报道Ⅲ组mGluR在弥漫性脑损伤(DBI)后的表达增加提示其在DBI中反应性增高，具有一定的神经元保护作用。因此提示在TBI后选择性抑制和/或激动mGluR可减轻继发性颅脑损伤。

3 mGluR调节剂的应用

随着mGluR亚型的选择性激动剂和拮抗剂的发展，近年来，人们对mGluR的复杂作用以及它们在脑内的生理功能已有了较多了解。如mGluR与多种脑疾病，如认知、学习障碍，癫痫、帕金森病等都有密切关系[5-8]。mGluR作为潜在的治疗目标，针对其生理、病理的研究已受到很大重视。目前认为可能是由于不同亚单位的组合及突触前后分布差异对功能产生影响，不同的mGluR的转导机制不同，因此mGluR对Glu介导的突触传递可以是增强作用也可以表现为抑制效应，这些已成为目前研究的热点[9-10]。最近的研究发现许多苯甘氨酸衍生物都有双向作用，既对mGluR起拮抗作用，同时又对mGluR起相对的激动作用。如新合成的4羧基-苯甘氨酸(4CPG)和4-羧基-3-羟苯基甘氨酸(4C3HPG)则是最强的mGluR I拮抗剂，但它们对mGluR II有激动作用。3，4-dihydroxyphenyphenylglycol(DHPG)在转染细胞中只激活mGluR5而对mGluR1无作用，而选择性激活mGluR5可减轻TBI后脑水肿、神经元变性、胶质细胞的激活和促炎性细胞因子的释放[11]，是一种能区别mGluR I亚型的激动剂[12]。而MGS0039则是一种高选择性和较强的mGluR II拮抗剂[13]。苯甘氨酸衍生物很多，但目前研究苯甘氨酸衍生物，如上述提到的DHPG、MGS0039、4C3HPG等，对mGluR都存在双向调节作用，虽然发现这些衍生物对GLu的释放起调节作用，但它们对mGluR亚型的确切作用有待进一步研究。谷氨酸及其受体的变化所致的兴奋毒性在创伤性颅脑损伤后的作用机制极为复杂，涉及许多因素，并且各因素之联系密切。进一步认识颅脑损伤后谷氨酸及其受体的变化、兴奋毒性作用机制、预防性阻断兴奋毒性和继发性损伤，可以改善创伤性颅脑损伤的预后。开发高选择性的mGluR 调节剂，在创伤性颅脑损伤后的有限治疗时间窗内，降低病死率，促进神经功能恢复等都具有重要的意义。

根据对大鼠弥漫性脑损伤后大脑皮质中I、II组代谢型谷氨酸受体表达的研究中发现，I组代谢型谷氨酸受体伤后表达增加并参与神经元损伤的病理过程；Ⅱ组代谢型谷氨酸受体表达减少，使神经元保护作用减弱[14]。但通过近期研究发现在弥漫性脑损伤后应用谷氨酸受体激动剂2R，4R-APDC诱导齿状回颗粒细胞前体细胞的增殖，具有潜在的神经保护作用[15]。目前已发现多种新型谷氨酸受体调节剂如： (S)-4-羧基-3-羟苯基甘氨酸(S)-4C3HPG、DHPG、羧基-羟苯基甘氨酸(CHPG)、吡咯烷基二硫代甲酸铵(APDC)等对代谢型谷氨酸受体的调节作用已在中枢神经系统的缺血、出血及损伤方面的有所阐述，(S)-4C3HPG对阿尔茨海默病、帕金森病、抑郁症、精神分裂症、癫痫症及椎体外系疾病的治疗，减轻脑缺血后的脑梗塞灶等慢性疾病及神经保护方面都有较好的效果[16-17]。但对这些谷氨酸受体调节剂于创伤后的急性期颅脑内环境变化的调控鲜有深入的研究和报道。现有的实验证明代谢型谷氨酸受体调节剂(S)-4C3HPG在颅脑创伤急性期的作用中证实伤前30min予以(S)-4C3HPG可通过抑制谷氨酸释放及炎症介质产生，从而减轻颅脑创伤急性期的脑损伤[18]，证明此调节剂安全有效并且有脑保护作用。但是我们知道颅脑原发性损伤无法预防和逆转，而继发性损伤却具有可逆性并对预后具有决定性作用。在继发性损伤出现后应用谷氨酸受体调节剂神经功能损害并没有随谷氨酸浓度的降低而减轻。因此推测Glu在TBI后产生的兴奋性毒性损伤是炎性损伤的启动因素。后期致伤的因素重点是炎症反应而非谷氨酸，因此颅脑创伤后期即使抑制了谷氨酸的释放，也不会有效减轻损伤。但近期有报道证实对mGluR亚型的激活在TBI后期又可抑制炎症反应，减轻水肿及神经元变性。因此TBI后急性期及后期选择性应用代谢型谷氨酸受体调节剂来抑制脑脊液中谷氨酸浓度降低炎症因子在伤后早期的表达水平，可能在较大程度上减轻继发性颅脑损伤及带来的神经功能障碍。因此在TBI后的急性期有限治疗时间窗内如何合理运用mGluR调节剂来抑制脑脊液中谷氨酸浓度、降低炎症因子的表达水平，是目前深入研究的方向之一。

4 展望

mGluR 的作用比较复杂，可能是由于不同亚单位的组合及突触前后分布差异对功能产生影响,确切作用有待进一步研究。总之，谷氨酸及其受体的变化所致的兴奋性毒性在TBI后脑缺血缺氧时的机制极为复杂，涉及许多因素，并且各因素之间联系密切，对脑缺血时的损伤具有重要的作用。进一步认识TBI后谷氨酸及其受体的变化、兴奋毒性作用机制，预防性阻断兴奋毒性可以改善脑损伤的预后[19]。开发高选择性的GluR 阻滞剂，在颅脑损伤后有限的治疗时间窗内，配合或合用效果好、不良应应小的神经保护药，减少继发伤带来的神经功能障碍，降低病死率，促进神经功能恢复等都具有重要的意义。

参考文献：

[1] Luo P,Fei F,Zhang L,et al.The role of glutamate receptors in traumatic brain injury: implications for postsynaptic density in pathophysiology[J].Brain Res Bull,2011,85(6):313-320.

[2] Dai SS,Zhou YG,Li W,et al.Local Glutamate level dictates adenosine A(2A) receptor regulation of neuroinflammation and traumatic brain injury[J].J Neurosci,2010,30(16):5802-5810.

[3] Greengard P.The neurobiology of slow synaptic transmission[J].Science,2001,294(5544):1024-1030.

[4] Cartmell J,Schoepp DD.Regulation of neurotransmitter release by metabotropic glutamate receptors[J].J Neurochemistry,2000,75(3):889-907.

[5] Marek GJ.Metabotropic glutamate2/3 (mGlu2/3) receptors, schizophrenia and cognition[J].Euro J Pharmacol,2010,639(1-3):81-90.

[6] Simonyi A,Schachtman TR,Christoffersen GR.Metabotropic glutamate receptor subtype 5 antagonism in learning and memory[J].Euro J Pharmacol,2010,639(1-3):17-25.

[7] Lesage A,Steckler T.Metabotropic glutamate mGlu1 receptor stimulation and blockade: therapeutic opportunities in psychiatric illness[J].Euro J Pharmacol,2010,639(1-3):2-16.

[8] Ngomba RT,Santolini I,Biagioni F,et al.Metabotropic glutamate receptors in the thalamocortical network: strategic targets for the treatment of absence epilepsy[J].Epilepsia,2011，348(1-3)：488-496.

[9] Conn PJ.Physiological roles and therapeutic potential of metabotropic glutamate receptors[J].Ann N Y Acad Sci,2003,1003:12-21.

[10] Lau A,Tymianski M.Glutamate receptors,neurotoxicity and neurodegeneration[J].Pflugers Arch,2010,460(2):525-542.

[11] Wang JW,Wang HD,Cong ZX,et al.Activation of metabotropic glutamate receptor 5 reduces the secondary brain injury after traumatic brain injury in rats[J].Biochem Biophys Res Commun,2013,430(3):1016-1021.

[12] Le Duigou C,Kullmann DM.Group I mGluR agonist-evoked long-term potentiation in hippocampal oriens interneurons[J].J Neurosci,2011,31(15):5777-5781.

[13] Palucha-Poniewiera A,Wieroriska JM,Brariski P,et al.On the mechanism of the antidepressant-like action of group II mGluReceptor antagonist,MGS0039[J].Psychopharmacology(Berl),2010,212(4):523-535.

[14] 费舟,章翔，刘思渝，等.弥漫性脑损伤大鼠脑皮质Ⅰ、Ⅱ组代谢型谷氨酸受体表达及意义[J].中华神经外科疾病研究杂志,2002，1(1)：57-59.

[15] Feng YB,Yao H,Man X,et al.Effects of the group II mGlu receptor agonist 2R,4R-APDC on dentate gyrus cell proliferation in the adult rat brain after diffuse brain injury[J].Neurol Res,2011，33(4):381-388.

[16] Henrich-Noack P,Hatton CD,Reymann KG.The mGlu Receptor ligand (S)-4C3HPG protects neurons after global ischaemia in gerbils[J].Neuroreport,1998,9(6):985-988.

[17] Rauca C,Heririch-Noack P,Schafer K,et al.(S)-4C3HPG reduces infarct size after focal cerebral ischemia[J].Neuropharmacology,1998,37(12):1649-1652.

[18] Yang N,Dai SS,Ning YL,et al.Effect of (S)-4C3HPG on brain damage in the acute stage of moderate traumatic brain injury model of mice and underlying mechanism[J].Sheng Li Xue Bao,2010,62(6):555-559.

[19] Li W,Dai S,An J,et al.Chronic but not acute treatment with caffeine attenuates traumatic brain injury in the mouse cortical impact model[J].J Neurosci,2008，151(4):1198-1207.