SphK1/S1P信号通路在脑缺血再灌注神经细胞损伤机制中的研究进展

李轼，吕蔓华

鞘氨醇激酶1（sphingosine kinase 1，SphK1）及鞘脂类代谢产物是重要的信号传递分子，SphK1/鞘氨醇-1-磷酸（sphingosine-1-phosphate，S1P）信号通路涉及多种病理生理反应，参与肿瘤、自身免疫及炎症性疾病等多种疾病的发生发展过程。脑缺血后再灌注损伤涉及神经炎症、氧化应激、血脑屏障损伤等多种机制，故研究SphK1/S1P信号通路在脑缺血再灌注损伤（cerebral ischemia reperfusion injury，CIRI）中如何发挥作用，有望为脑缺血的治疗带来新契机。

1 神经鞘磷脂代谢及功能

神经鞘磷脂是一系列存在于脑和神经组织中的膜磷脂[1]，是构成细胞膜结构的重要成分，还是重要的信号传递分子[2]，参与很多病理生理过程，如细胞的存活、增殖、迁移及新生血管形成等[3]。神经鞘磷脂首先降解为神经酰胺（ceramide，Cer），Cer降解为鞘氨醇（sphingosine，Sph）和磷酸神经酰胺，Sph在SphK的作用下再次降解为S1P。细胞还含有S1P磷酸酶和Cer合酶活性，使S1P能够转化生成Cer[4]。SphK1是调节Cer和S1P平衡的限速酶，也是催化Sph磷酸化为S1P的关键酶。Cer和Sph抑制增殖，诱导凋亡，而S1P促进细胞增殖和细胞存活，代谢物间可相互转化，这两种信号传导之间的动态平衡称为鞘磷脂变阻器，决定细胞的存活或死亡[5]，而SphK1是鞘磷脂变阻器的关键调节剂。与CIRI过程密切相关的主要是SphK1、S1P及其受体家族和SphK1/S1P信号通路。

1.1 SphK SphK是神经鞘磷脂代谢途径中一种酶，能将Sph转化为S1P，有两种底物异构体SphK1和SphK2。这两种同工酶在其组织分布和细胞位置方面不同，SphK1主要分布于细胞质，SphK2穿梭于细胞核和细胞质之间，受细胞环境影响[3]。中枢神经系统中的海马神经元、星形胶质细胞、小胶质细胞及小颗粒细胞都表达SphK1[6]，其中小胶质细胞是最主要的表达体[7]，SphK1组织分布广泛，在脑、心、肺和脾组织高水平表达。在脑缺血模型中，SphK1在脑缺血发生后迅速表达。SphK1可被大量的激动剂激活从而引起细胞内S1P浓度增加，这些激动剂包括生长因子、促炎细胞因子以及许多G蛋白偶联受体配体等[8]。而SphK2则在肝脏和心脏高度表达起相反效应，促进细胞凋亡及抑制细胞存活[9]。SphK是细胞内重要的信号传递分子，主要参与Ca2+稳态的调节，心血管和神经系统炎症、免疫，以及肿瘤生长的调节、增殖、存活、迁移[10]。

1.2 S1P及其受体 S1P由SphK受各种刺激物刺激Sph磷酸化而产生[11]。S1P介导细胞内、外的信号传导，在细胞外通过与5种细胞表面G蛋白偶联受体中的一种结合，在细胞内通过一些未知的机制发挥作用[12]。S1P受体在许多细胞中广泛表达，包括免疫、心血管和中枢神经系统，受体激活后会引起一些细胞内途径的激活，导致各种反应，包括细胞分化、迁移、存活，血管生成，细胞骨架重排，钙稳态，血管舒张，神经炎症和免疫[3，13]，它还是血脑屏障功能完整性的基础[13-14]。

2 脑缺血再灌注损伤

脑组织缺血后尽快恢复血供或再通灌注，却伴随再氧化、代谢供需不平衡，常常加重原缺血脑组织的损伤，这种损伤不可逆，甚至加重原有的临床症状，这种现象被称为CIRI[15]。这一过程涉及许多机制，包括兴奋性毒性、氧化应激、自由基损伤、神经炎症反应、血脑屏障损伤及细胞凋亡等[16]，而这些机制构成脑缺血的级联反应，相互影响相互促进。

2.1 兴奋性毒性 兴奋性毒性是指由于即将坏死的细胞中兴奋性神经递质的异常释放引起神经元的病理活化和钙摄取引起的继发性损伤[17]。谷氨酸是最主要的兴奋性神经递质，与神经细胞的突触后膜N-甲基-D-天冬氨酸受体结合后导致细胞毒性水肿[18]，还引起钙通道开放、细胞内Ca2+增加，在细胞内引发一系列事件，包括产生自由基和激活Ca2+依赖性酶，从而导致广泛的细胞损伤和细胞凋亡。在兴奋性毒性期间激活细胞内信号传导途径还可以触发缺血后炎症因子的基因表达，导致神经损伤[19]。

2.2 氧化应激及自由基损伤 氧化应激是CIRI的基本机制，在缺血性脑损伤的发病机理中起关键作用[20]。在缺血期间，由于缺氧和葡萄糖底物缺乏导致三磷腺苷（adenosine triphosphate，ATP）产生障碍，ATP依赖性离子泵失活，细胞内Ca2+浓度增加，激活几种Ca2+依赖性酶，如磷脂酶、蛋白酶和核酸内切酶，这些酶可能参与活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）的产生[21]。再灌注及随后再氧化时，氧化应激迅速增加，细胞内发生的非酶促反应增加。氧代谢的产物主要是ROS，包括氧离子、自由基和过氧化物，无机和有机物。ROS的升高来自一系列反应，包括谷氨酸刺激N-甲基-D-天冬氨酸受体、线粒体功能障碍、一氧化氮合酶的活化等[22]，在应激时，ROS积累到毒性水平，具有显著的细胞效应，包括脂质过氧化、蛋白质变性、酶失活、核酸和DNA损伤，细胞内钙超载Ca2+的释放，细胞骨架结构的损伤，导致细胞损伤和功能受损、甚至凋亡[23]。除了脑细胞损伤外，氧化应激还增加血脑屏障通透性。而且自由基会影响脑血流量，是强大的脑血管扩张剂。此外，氧自由基还增加血小板聚集性，触发许多促炎基因的表达[18]。

2.3 血脑屏障损伤 血脑屏障是一种选择性渗透屏障，可将血液循环与脑组织分开，主要由内皮细胞、周细胞和星形胶质细胞构成[24]。脑血管通透性增加在CIRI的病理生理学中发挥关键作用，血脑屏障破坏后允许神经毒性血浆成分和血细胞进入脑实质，损害突触和神经功能，血浆外渗导致血管源性水肿、颅内压增高，进一步损害脑血流量，引起继发性损伤[14]。此外，红细胞的外渗导致梗死区域的出血性转化。最后，渗漏的血脑屏障促进炎症细胞的迁移，促进缺血后的神经炎症反应[25]。

2.4 神经炎症反应 脑缺血后迅速诱发的缺血性脑内神经炎症已被充分证实[26]，CIRI伴随的炎症反应，诱导趋化因子、细胞黏附分子和大量促炎症细胞因子的产生，加重缺血性损伤。这些炎症反应相关因子（趋化因子、细胞黏附分子和大量促炎症细胞因子）各自以一些特定途径参与炎症反应，进一步加重炎症损伤：①趋化因子通过G蛋白偶联受体，在细胞通讯和炎症细胞募集中发挥重要作用。趋化因子如趋化蛋白-1、巨噬细胞炎症蛋白-1α和局灶性缺血后fractakline的表达在脑缺血再灌注过程中可以引导细胞迁移，促进白细胞浸润脑组织，增强炎症反应，加重CIRI[18]。②细胞黏附分子在脑缺血发生后的第一天被各种细胞因子上调，介导白细胞在内皮细胞表面的滚动、黏附和迁移，促进炎症反应。两者之间的相互作用由3种主要的黏附分子介导——选择蛋白、免疫球蛋白基因超家族和整联蛋白[27]。③细胞因子在脑缺血后上调，不仅在免疫系统的细胞中表达，驻留的脑细胞（包括神经元和神经胶质细胞）也产生[18]。小胶质细胞是固有的免疫细胞，缺血性卒中后迅速激活，小胶质细胞的活化是脑缺血时神经炎症的诱发因素[28]。缺血早期，活化的小胶质细胞增殖、向损伤部位迁移，诱导非特异性免疫反应[29]。活化的小胶质细胞对局部缺血的反应可能会释放几种促炎细胞因子，如肿瘤坏死因子-α、白细胞介素（interleukin，IL）-1β和IL-6等，以及其他细胞毒性分子（NO、ROS和前列腺素）[30]，从而变得过度激活并导致神经毒性后果。

3 SphK1/S1P信号通路在脑缺血再灌注损伤中的作用

目前关于SphK1/S1P信号通路在CIRI中的作用机制已取得一定进展，SphK1是缺血性卒中后神经元炎症的重要介质，主要通过活化的小胶质细胞介导神经炎症[7]。目前的研究发现SphK1/S1P信号通路主要通过以下3种途径参与CIRI中的神经炎症损伤：①肿瘤坏死因子受体相关因子2（tumor necrosis factor receptor-related factor 2，TRAF2）是由肿瘤坏死因子-α引发的核因子-κB（nuclear factor，NF-κB）信号传导的关键组分。NF-κB信号传导激活是缺血性卒中诱导的神经元炎症的公认机制。Sergio E. Alvarez等[31]提出SphK1和S1P对于经典NF-κB途径非常重要，这些反应由细胞内S1P介导，而与其细胞表面G蛋白偶联受体无关。S1P在氨基末端RING结构域特异性结合TRAF2并刺激其E3（泛素连接酶）连接酶活性，这说明TRAF2是S1P的新型细胞内靶，S1P结合TRAF2并且充当TRAF2 E3泛素连接酶活化的辅因子，导致IκB（NFκB的抑制蛋白）激酶的磷酸化。随之磷酸化和降解IκB，IκB的降解反过来激活NF-κB。Shuli Zheng等[7]提出缺血后SphK1加剧神经炎症反应有可能是通过S1P-TRAF2-NF-κB轴来实现。实验发现在小鼠模型中脑缺血后96 h内，SphK1而非SphK2迅速表达且持续诱导。缺血后SphK1的诱导表达显著促进急性梗死损伤。有研究发现，SphK1/S1P信号通路在脑缺血发生时，会在小胶质细胞中上调并诱导TRAF2/NF-κB/IL-17A信号通路，从而引起神经系统的炎症反应和细胞凋亡，最终导致神经损伤[32-33]。IL-17A是调节CIRI后炎症反应的IL-17家族成员中的关键分子[34]。②toll样受体（toll-like receptors，TLRs）是一个跨膜受体家族，能够识别病原体相关的分子模式。TLRs是小胶质细胞先天免疫反应的重要组成部分，它诱导小胶质细胞产生神经毒性因子，导致神经损伤[35]。有实验证明活化的小胶质细胞可以通过TLR2/IL-23/IL-17途径在脑缺血再灌注中发挥重要作用，通路产生的IL-17促成神经元损伤[36]。IL-17通过诱导过嗜中性粒细胞和放大神经毒性因子的产生而导致CIRI[37]。TLR2和SphK1都表达在小胶质细胞，在CIRI时表达上调，基于上述研究，Wei Sun等[38]进一步提出活化的小胶质细胞可能是通过TLR2→SphK1→促炎症因子（IL-1β、肿瘤坏死因子-α、IL-17和IL-23）途径，参与CIRI。③Gab Seok Kim等[14]发现卒中后脑微血管中检测到S1P受体2表达，这与脑内皮细胞等的体外数据一起表明S1P受体2在脑血管完整性的破坏中起关键作用。故缺血性卒中发生后SphK1可能通过S1P及S1P受体2对脑血管通透性产生影响。

综上所述，SphK1/S1P信号通路主要通过介导CIRI的神经炎症反应、破坏血脑屏障完整性而造成损伤，这个发现有望为缺血性卒中提供新的治疗思路：抑制信号通路中介质的表达等，从而改善脑缺血预后。