缺血性脑损害线粒体活性氧产生与神经兴奋性毒性的潜在联系

赵云鹏 刘保林 齐炼文

（中国药科大学 江苏 南京 211100）

中风，或称脑卒中(cerebral stroke)，因其高发病率、高致残率和高病死率已对人群健康构成威胁。2016 年统计，缺血性心脏病和脑血管疾病（卒中）占所有心脑血管疾病死亡的85.1%[1-2]。脑卒中发生，缺血性卒中的发病率显著高于出血性卒中，占脑卒中总数的60%～70%。缺血性卒中是由于颈内动脉和椎动脉因血栓形成或栓塞导致的缺血性脑损伤。但目前的临床干预手段一直受到缺血再灌注损伤的困扰[3-4]，而再灌注期ROS 爆发是缺血性损害的重要原因[5-7]。

在中枢神经系统，谷氨酸是一重要的兴奋性神经递质，主要存在于神经元细胞中。在缺血性脑损害中，谷氨酸释放增加或再摄取减少可导致其蓄积，介导神经兴奋性毒性[5]。因此探寻缺血再灌注损害中ROS 和谷氨酸介导的兴奋性毒性之间的特殊联系，对药物干预脑损害中神经元瀑布式的一系列病理级联反应，减缓损伤性病理过程和神经保护具有重要意义。

1.缺血再灌注中线粒体ROS 的产生

缺血再灌注时ROS 爆发，致使组织损害加重，是后续病理损害的基础。过去一般认为ROS 产生是细胞内氧化还原反应的一般非特异性事件，但是单纯的抗氧化治疗效果不理想。因特殊机制和作用环节不清楚，给药物设计干预带来困难。2014 年研究发现琥珀酸蓄积和琥珀酸脱氢酶(succinate dehydrogenase，SDH)活化所引起的线粒体呼吸链“逆向电子传递”是心肌和脑缺血性损害中ROS 产生的直接原因[8]。

在线粒体稳态条件下，TAC 循环氧化还原反应产生的NADH和FADH 可将电子传递给线粒体电子传递链；同时在线粒体基质中形成的质子(H+)穿过线粒体内膜被泵出以维持膜电位。在ATP 合成酶合成ATP 时，膜电位提供势能，伴随H+再次穿过线粒体内膜回到基质。一般认为线粒体复合物I 和Ⅲ是正向电子流中电子泄露产生ROS 的部位，而线粒体复合物Ⅱ(SDH)的作用不曾知道。但新近发现在再灌注20 ～30 分钟内ROS 的爆发是SDH所驱动，其机制是线粒体呼吸链“逆向”电子传递和SDH“正向”活化[9，10]。在缺血期，因ATP 合成酶抑制，ADP 生成ATP 被阻断，因而降解为AMP，导致再灌注初期因ADP 耗竭，致使ATP 合成酶活性不能迅速恢复。此时H+不能通过线粒体内膜进入基质接受正向电子传递与氧形成水，因而原先的正向电子流受阻从而反转为反向电子流，在复合物I 处以黄素单核苷酸为辅基将电子传递给NAD 形成NADH，同时传递一个电子给氧形成超氧阴离子。在梗塞缺血期，SDH“逆向”激活，催化延胡索酸形成琥珀酸，导致琥珀酸堆积[6，8]。再灌注时氧供恢复，SDH 像通常一样正向催化琥珀酸形成延胡索酸。在缺血期堆积的大量琥珀酸作为底物升高SDH 活性，产生的FADH 因反向电子流的缘故不能将电子正向传递为ATP 合成供能，转而通过辅酶QH2的形式将大量的电子逆传递给复合物I，导致ROS 爆发。透膜性SDH 抑制剂丙二酸二甲酯阻断缺血再灌注线粒体ROS 爆发并有效对抗了缺血性损害[8]，为SDH 驱动介导的线粒体ROS 产生提供了直接证据。

2.神经元细胞内钙超载与谷氨酸释放机制

钙作为第二信使，调节多种细胞功能，包括分泌，离子通道开放和基因表达[11]。细胞内钙离子主要存储在内质网中，而胞质中的钙离子维持在一低水平，钙池操纵钙内流（storeoperated Ca2+entry，SOCE)对维持细胞内钙稳态具有重要作用。SOCE 对肌浆网内Ca2+变化敏感，是细胞摄取外源性Ca2+的主要途径。在膜受体介导的信号刺激条件下肌浆网钙释放到胞浆中，肌浆网中Ca2+水平显著下降，即钙库清空。这一SOCE 调节早期是在非兴奋性细胞（如免疫细胞）中观察到，但最新确认在神经细胞中也存在。在衰老和脑神经退行性疾病中（如阿尔茨海默病），就伴有内质网钙稳态破坏和SOCE 下调[12]。

脑梗时，钙内流增加，并且普遍认为是由电压操纵的钙通道和受体操纵通道介导外部环境的钙流入[13，14]。新近发表的研究报道，巨噬细胞内线粒体途径的ROS 产生可通过CRAC 通道引起胞内钙超载，致使炎性因子IL-6 释放而增加脑部血栓形成的风险[15]。而现在发现在神经细胞（神经元和胶质细胞）中，STIM1，2 和Orai1，2 亚型构成CRAC 通道[16]，介导钙内流，补充钙库，促进神经递质自发性释放和调节突触可塑性[17]。

中枢神经系统中约80%的神经细胞是以谷氨酸作为神经递质，而胞内存储的谷氨酸是以突触囊泡的形式存在，并通过膜融合形式进行量子释放。神经元细胞中的突触蛋白I 的磷酸化状态的改变可以控制可释放的突触囊泡的比例，从而调节神经递质释放的效率[18]。含有谷氨酸的囊泡通常处于静息状态，被结合的突触蛋白I 包围，突触蛋白I 与F-肌动蛋白结合，羁绊突触囊泡的运输及与突触后膜的融合及递质释放。然而，在应激状态下（中风或脑损伤）细胞质中钙离子浓度升高。钙浓度升高可作为信号分子激活钙调蛋白激酶Ⅱ，激活的钙调蛋白激酶Ⅱ使突触蛋白I磷酸化，从而降低了对突触小泡的亲和力，促使囊泡内的谷氨酸释放到胞外[19]，释放到细胞间隙的谷氨酸可通过膜受体NMDARs促进钙流入，增加钙超载，以正反馈的形式放大神经细胞兴奋性毒性。

3.小结

氧化应激是脑缺血性损害的一项典型病理特征。因此掌握脑损害的发病机制可以更及时准确的进行治疗，缩短治疗时间窗。脑缺血再灌注时S D H 激活导致R O S 大量爆发，因此从上游抑制S D H 活力阻断缺血再灌注R O S 爆发，有可能开辟脑梗损害中神经保护新途径。以维持细胞内钙离子稳态为目的，靶向阻断CRAC 通道，减少钙内流而引起的钙超载，从而降低谷氨酸的释放，对减少脑损害产生的兴奋性毒性也具有重要意义。因此，通过CRAC 通道建立线粒体ROS 与谷氨酸释放增加的关系，有可能发现药物干预脑梗中神经兴奋性毒性新靶点。