AMPK在缺血性脑卒中中的研究进展

兰州大学第二医院麻醉科，甘肃兰州市 730030

缺血性脑卒中是一种由多种环境和遗传风险因素相互作用引起的多因素疾病，是最常见的致残原因[1]。在缺血性脑卒中发生后，血液供应不足会剥夺脑细胞所需的葡萄糖和氧气，并扰乱细胞体内稳态，从而触发病理生理过程，包括兴奋性毒性、氧化应激、炎症、细胞凋亡和细胞死亡[2]。组织纤溶酶原激活剂和血管内治疗是急性缺血性脑卒中的主要治疗方法，但由于治疗时间窗的限制，治疗效果仍然不理想。因此对于缺血性脑卒中发生发展及治疗靶点的探索显得至关重要。

AMP 激活的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)是一种进化上保守的丝氨酸/苏氨酸激酶，在调节全身细胞能量的稳态中具有重要作用，可以在葡萄糖剥夺、缺氧或局部缺血期间响应细胞内AMP/ADP 比率的增加而被磷酸化和激活，并通过抑制ATP 消耗以及刺激ATP 生成来维持细胞能量[3]。同时AMPK 参与缺血性脑卒中的病理生理过程，可能是缺血性脑卒中治疗的一个潜在靶点。本文对AMPK 的结构特点、在神经系统中的生理功能、在缺血性脑卒中中的作用及治疗进行阐述。

1 AMPK的结构特点及表达

AMPK 被视为细胞中的能量变化传感器和代谢反应的调节剂，在维持能量稳态方面具有重要作用。AMPK是异源三聚体复合物，在不同的组织和器官都有分布，在结构上由催化亚基α和两个调节性β和γ亚基组成[4-5]。此外，AMPK的每个亚基都有几种同工型，包括α1/α2、β1/β2和γ1/γ2/γ3[6-7]。α亚基的主要功能是促进磷酸基团从ATP到Ser/Thr位点的转运。β亚基主要通过连接糖原的碳水化合物结合模块在α 和γ 亚基之间提供结构桥。γ亚基是变构激活剂，可以与AMP、ADP或ATP结合来调节AMPK的变构活化[3]。

AMPK 在人体不同的组织和器官中广泛表达，其中α1 亚基主要存在于脑、心、肺、肾和肝，α2 亚基主要存在于肝、心、骨骼肌和脑神经元中。β1/β2亚基主要表达于骨骼肌。γ1/γ 2/γ3亚基几乎在所有组织中都广泛表达[8]。另外在神经系统中，AMPK亚基的细胞定位也有所不同，α1催化亚基主要表达于神经纤维，α2 催化亚基主要表达于神经元和活化的星形胶质细胞，β亚基在嗅球的颗粒细胞等神经元中存在表达[8-9]。

2 AMPK在神经系统中的生理功能

AMPK 是机体所有活细胞的能量传感器，与细胞存活、生长、衰老和细胞死亡相关的代谢过程有关。在神经系统中，AMPK在整个大脑的神经元中表达，与大脑发育、神经元极化等过程相关。

2.1 促进大脑发育

AMPK 是一种重要的代谢传感器，可在细胞和全身水平上维持能量平衡，能够将神经元功能与能量供应联系起来，并在下丘脑控制食物摄入和周围能量消耗中发挥关键作用[10]。Das-gupta 等[11]发现，AMPKβ1(-/-)小鼠齿状回和小脑萎缩，整个中枢神经系统神经元、少突胶质细胞和髓鞘严重丢失，表明AMPK 参与大脑发育过程。机制实验表明[11]，AMPK 可以通过AMPK-视网膜母细胞瘤蛋白轴来促进神经干细胞和祖细胞生长。AMPK活性降低，可以导致神经干细胞和祖细胞的细胞周期缺陷。

2.2 调节神经元极化

神经元极化是神经元从体细胞形成多个树突和轴突的过程，是神经网络形成的第一步。神经元极化始于单个小神经突迅速扩展为具有明显大小和复杂几何形状的轴突，而其余的神经突将最终发展为树突[12]。AMPK 参与调控神经元极化过程。AMPK 使驱动蛋白家族成员5A 的结合轻链磷酸化，从而导致磷脂酰肌醇3-激酶从运动复合物中解离，阻止了磷脂酰肌醇3-激酶靶向轴突尖端并抑制极化和轴突生长[13]。

3 AMPK在缺血性脑卒中的作用

缺血性脑卒中发生后，持续的大脑缺氧会导致神经元死亡、神经炎症、谷氨酸兴奋性毒性和氧化应激的增加，逐渐形成新生血管进而对缺血脑组织进行修复。AMPK在上述病理过程中具有重要的调控作用。

3.1 减弱氧化应激

氧化应激是一个病理过程。机体在有害刺激下产生过多的活性氧和活性氮，导致抗氧化剂和活性氧/活性氮的失衡，对神经元造成巨大损伤[14]。Choi等[15]在大鼠皮质神经元/神经胶质混合培养后，发现反式石竹烯能够增强AMPK 和cAMP响应元件结合蛋白的磷酸化，进而减少了因缺氧导致的线粒体功能障碍和细胞内氧化应激。Blázquez 等[16]研究发现，AMPK 在激活剂5-氨基咪唑-4-羧酰胺核糖核苷的作用下，可显著促进大鼠皮质星形胶质细胞中酮体的生成，从而减轻氧化应激对神经元的损伤。

3.2 抑制神经炎症

神经炎症是缺血性脑卒中诱发的继发性脑损伤中一种常见的病理过程，主要特征是活化的小胶质细胞和星形胶质细胞在中枢神经系统中表达炎症介质，趋化因子和补体蛋白[17]。在大脑中动脉闭塞小鼠模型和氧葡萄糖剥夺的星形胶质细胞/小胶质细胞体外模型中，Qiu 等[18]发现使用抗炎分子青藤碱可减轻大脑中动脉闭塞诱导的脑梗死、脑水肿、神经元凋亡和神经功能缺损，同时减弱星形胶质细胞和小胶质细胞的活化；青藤碱通过激活AMPK 途径，抑制核苷酸寡聚化结构阈(nucleotide-binding oligomerization domain,NOD)样受体热蛋白结构域3 炎性小体，在缺血性脑卒中中发挥神经保护作用。另外，在短暂性脑缺血后使用二甲双胍也可以激活AMPK，进而降低细胞中核因子κB和肿瘤坏死因子的水平，抑制神经炎性反应[19]。

3.3 调节神经元自噬和凋亡

继发于脑缺血的能量剥夺通常导致细胞自噬，这是一种通过降解和回收细胞成分来产生能量的保护过程[20-21]。AMPK 的预激活可以促进神经系统自噬，进而改善缺血性损伤[22]。Jiang等[23]表明，缺血预处理可以激活AMPK来诱导大脑的自噬，减少神经功能缺损和细胞凋亡；AMPK 抑制剂可以抑制自噬过程。

神经元凋亡通常继发于缺血性脑卒中，并且是缺血程度的指标。AMPK可以改善这一过程。在小鼠局灶性短暂性脑缺血再灌注模型中，Yang 等[24]发现Apelin-13 的预处理显著增加AMPKα 磷酸化水平和Bcl2 的表达，下调Bax 和胱冬肽酶-3 的表达水平，减少神经细胞凋亡；表明AMPK 信号参与apelin 介导的神经保护机制。此外，Guo等[25]发现在缺氧-葡萄糖剥夺神经元中，雌激素通过雌激素受体α 促进AMPK 活化，进一步抑制神经元的凋亡。

3.4 改善线粒体功能

通常，线粒体可以在生理和病理条件下产生大量的ATP以发挥各种生物学作用。在缺血性脑卒中发生后，线粒体出现功能不全和失调[26]。AMPK 可以通过改善线粒体功能来减轻脑缺血损伤。Toyama 等[27]发现，AMPK 可以向线粒体裂变因子发出信号并诱导线粒体快速分裂，从而在严重的能量危机下启动新的线粒体生物发生，减轻线粒体功能障碍。AMPK可以通过新型过氧化物增殖激活受体协同激活子信号传导，在缺血大鼠中诱导神经元线粒体的生物发生，从而减轻缺血性损伤[28]。

3.5 限制谷氨酸兴奋性毒性

缺血性脑卒中会引起突触外谷氨酸的过度释放和谷氨酸受体的活化，这个过程称为谷氨酸兴奋性毒性。谷氨酸过多的释放会引起活性氧增加、内质网应激和炎性小体活化，导致海马体受损。Li等[29]发现，姜黄素可以通过调节AMPK来抑制内质网应激和炎性小体活化，减少活性氧的产生，减轻谷氨酸的神经毒性，从而保护海马免受缺血性损伤。另外，AMPK 直接与γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)A 型受体结合，抑制谷氨酸的释放，从而增强GABA受体与G蛋白门控内向整流器K+通道的偶联，提高缺氧损伤后的神经元存储和神经元存活，限制神经元兴奋性毒性损伤[30]。

3.6 促进新生血管形成

血管生成发生在脑缺血后4～7 d 内，主要表现为梗死周围区域的微血管密度增加。血管形成被认为有助于缺血性脑卒中后的功能恢复，一方面可以促进轴突萌发，另外还可以增强神经干细胞和祖细胞的增殖、迁移和分化，有利于神经发生[31]。Jin等[32]的研究表明，脑卒中后长期的二甲双胍治疗可以增强脑AMPK 激活，增加血管生成和神经发生，进而促进功能恢复。Venna 等[33]还发现，二甲双胍可以通过AMPK 上调血管生成因子，促进血管生成，减小梗死面积和抑制神经胶质瘢痕形成。

4 AMPK与缺血性脑卒中的治疗

缺血性脑卒中是威胁人类健康的全球性疾病，它的特点是高死亡率和致残性，理想溶栓时间为3～6 h，但由于严格的时间窗限制，大约只有3%～5%的缺血性脑卒中患者可以接受溶栓治疗。通过AMPK途径进行溶栓是缺血性脑卒中一种很有前景的疗法，其中靶向AMPK的治疗方式包括药物治疗、物理疗法和受体靶向治疗。

4.1 药物治疗

白藜芦醇和二甲双胍是常用于缺血性脑卒中治疗的药物。在大鼠脑缺血模型中，二甲双胍预处理能够通过激活AMPK调节线粒体的生物发生和抑制神经细胞凋亡，促进血管生成，从而实现神经保护作用[28,33]。Wang 等[34]发现在反复发作的缺血性脑卒中模型中，白藜芦醇可激活AMPK，显著减少梗死面积和神经元死亡，并伴有神经学评分和行为缺陷的改善。此外，白藜芦醇还可以通过激活cAMP/AMPK/Sirt1 途径来抑制磷酸二酯酶，进而减少梗死面积，改善神经功能缺损。Tang等[35]研究发现，丹酚酸是一种AMPK激动剂，可以减少半影区内神经元的死亡，减少梗死面积，并改善神经功能评分和预后，是溶栓治疗的一个很有前景的新药。阿托伐他汀作为AMPK 的激活剂，被广泛用作降脂剂。Chaturvedi 等[36]研究发现，阿托伐他汀可显著降低低密度脂蛋白，并改善脑卒中结局。Yu等[37]研究发现，依泽替米贝作为一种新型降脂剂，也能够改善缺血性脑卒中发生后的神经系统症状，主要是通过AMPK/Nrf2/硫氧还蛋白互作蛋白途径来降低氧化应激和神经炎症。

综上所述，在缺血性脑卒中发生后，通过上调AMPK的表达可以显著改善神经细胞死亡、神经炎症、谷氨酸兴奋性毒性和氧化应激等病理过程，促进神经功能恢复和改善脑卒中结局。

4.2 物理疗法

电针已在脊髓损伤和脑卒中患者中显示出较好的治疗效果[38-39]。Ran等[40]研究证实，采用电针以1 mA和2/15 Hz的频率刺激缺血性脑损伤小鼠百会穴30 min，连续30 d，可以上调AMPKα的表达，进而减少神经元的凋亡，促进脑损伤的恢复。一直以来运动被视为慢性代谢应激，可以引起局部脑血流量增加和代谢功能增强，还具有调节AMPK 表达的功能[41-42]。大鼠在脑缺血性损伤后经过1～3周的锻炼，能够显著上调AMPK 的表达，并伴有梗死面积的减少、葡萄糖摄取和ATP 产生增加，表明运动后AMPK 表达的上调可能会增强大脑对缺血的耐受性[43]。

4.3 受体靶向治疗

N-甲基-D-天冬氨酸(N-Methyl-D-aspartic acid,NMDA)是一种水溶性的合成物质，其受体可以显著促进中枢神经系统的康复。NMDA受体活性的上调通过促进葡萄糖转运体-4向质膜的转运，促进AMPK 的持续活化和增加葡萄糖的摄取；而使用NMDA 受体拮抗剂氯胺酮，则降低了缺血性脑卒中发生后AMPK 的活性和质膜中葡萄糖转运体-4[44]。另外，反石竹烯作为AMPK的激活剂，在体外可以通过减少线粒体功能障碍和抑制氧化应激来减少氧糖剥夺/复氧模型中神经元的死亡，在体内可以减少脑梗死面积和水肿，上调脑源性神经营养因子的分泌[15]。

5 小结

缺血性脑卒中约占脑卒中的80%，是全球范围内最常见的致残原因。常规治疗是使用重组组织纤溶酶原激活剂，但其治疗窗口狭窄，最终导致神经元发生不可逆的损伤。AMPK被称为能量平衡的传感器和调节器，在神经系统发育中扮演着重要作用；同时在缺血性脑卒中发生发展过程中发挥保护性作用，例如抑制氧化应激、细胞凋亡、线粒体功能障碍、谷氨酸兴奋性毒性、神经炎症和促进自噬。AMPK在缺血性脑卒中的治疗中具有促进功能恢复作用，将成为缺血性脑卒中靶向治疗一个很有前景的靶点。但同时有关AMPK在临床方面的证据依然不是很明确，需要更多的研究阐明AMPK的作用，以期有助于预防和治疗缺血性脑卒中。

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