血胆红素对神经系统的影响

于建设，刘森

(内蒙古医科大学，内蒙古 呼和浩特 010000)

1 血胆红素来源

正常代谢途径中，胆红素主要来自于被巨噬细胞吞噬的衰老红细胞，红细胞被吞噬后在组织蛋白酶的作用下形成血红素，血红素又在血红素加氧酶系的作用下生成胆绿素，胆绿素在胆绿素还原酶的催化下，由NADPH 提供H 还原成胆红素。血中的胆红素以胆红素-清蛋白复合体的形式进行运输，在肝细胞内质网内与葡萄糖酸醛结合形成可溶于水且能迅速与重氮试剂迅速反应的结合胆红素(CB)。而未与葡萄糖酸醛结合的非结合胆红素(UCB)是具有毒性的脂溶性物质，易透过细胞膜对细胞膜及细胞内细胞器造成伤害[2,3]。

2 血胆红素聚集部位

胆红素的神经系统毒性在人类大脑区域选择性的，人类尸体解剖和冈大鼠的病理研究显示，其主要聚集区域有大脑皮层、中脑、脑干核、基底节、海马和小脑存在特殊的异常。受影响的脑干核有听觉核(耳蜗核、上橄榄核、梯形体核、外侧丘核、下丘核)、动眼神经核、前庭核。与运动控制相关的主要受影响的是基底节区的GP 和STN 以及小脑浦肯野细胞[6]。同时分化程度较低的神经元细胞对胆红素更敏感。在某种程度上，少突胶质细胞很容易受到胆红素反射的影响，这是在神经元中观察到的结果。此外，少突胶质细胞的髓鞘碱性蛋白生成减少，从而导致髓鞘形成和神经元轴突功能受损。很少有研究利用有机型脑培养来研究胆红素毒性，特别是海马切片，显示胆红素破坏突触可塑性，而小胶质细胞在UCB 诱导的神经毒性中起关键作用[8]。另外，当血清/血浆胆红素(TB)水平超过婴儿的神经保护防御时，不仅上述神经系统受累，同时还会由脑干影响呼吸、神经体液和电解质的平衡[9]。有临床研究者进一步认为，听觉通路对胆红素损伤的敏感性高于基底神经节，尤其是早产儿。其研究发现对胆红素损伤的区域易损性排序如下：小脑＞听觉通路＞基底神经节[11]。

3 血胆红素升高后引起的症状

克尼特氏症为一遗传性的胆血红素代谢疾病，因肝脏葡萄糖醛酸转移酶(UDP-glycuronosyltransferase)缺乏，从而引起高胆红素血症。多从婴幼儿时期开始发病，如不进行治疗则会进一步发展为核黄疸(kernicterus)。其主要临床表现为：(1)运动和运动调节异常的运动系统障碍；(2)听神经病谱系障碍(ANSD)伴或不伴听力丧失的听觉症状；(3)动眼神经运动障碍；(4)乳牙牙釉质发育不良。运动张力异常为肌张力异常，同时伴有运动迟缓或者舞蹈病的手足搐搦症，步态异常。肌张力障碍传统上被认为与基底神经节神经回路的功能障碍有关。然而，最近的证据表明，运动障碍可能取决于位于大脑皮层(GP)和丘脑下核(STN)的基底神经节的病变，而不是仅仅一个运动系统的孤立功能障碍。运动和听觉症状从轻微到严重不等。牙釉质发育不良的表现多种多样。除非有额外的神经损伤，否则认知功能一般是完好无损的[6]。

但如果胆红素累及小脑并且引起小脑损伤的患儿，有可能出现胆红素诱导的神经功能障碍(BIND)，患儿除上述症状外还可表现出认知障碍、注意力缺陷和社会情感障碍等精神症状[11]。

4 血胆红素造成神经系统损伤的机制

未结合白蛋白的高水平胆红素(UCB)是具有神经毒性的。较低范围的非结合胆红素可导致细胞凋亡，而中高水平的胆红素则导致神经元坏死。现阶段所提出的胆红素诱导神经毒性的机制包括胆红素脂溶性损伤细胞膜、影响信号传导通路、内质网功能紊乱、细胞内线粒体能量耗竭、促细胞炎症因子的释放和细胞内钙浓度的紊乱等理论。

4.1 血胆红素的脂溶性

人体内胆红素的主要同分异构体是胆红素- ixα(Z,Z)，虽然这是一种亲水亲脂分子(两亲分子)，但它对细胞膜脂质有很高的亲和力。同时有研究表明，细胞膜是胆红素毒性的主要或初始靶点。然而在生理条件和相关研究条件下，不同浓度胆红素与细胞膜产生的复合物的实际性质，以及问什么胆红素对不同组织细胞有不同的亲和力，这两方面的试验及理论信息都很少。Zucker 和同事的实验表明：胆红素的两亲性促进了与磷脂双分子层的相互作用，并将作用位点定位于细胞膜膜-水界面附近的极性区域。同时胆红素对磷脂不对称的破坏，对膜结合ATP 酶的抑制，脂质过氧化，和其他不良的后遗症可能随之而来。在这方面，Ly 和同事最近分享了初步的发现，脂筏(是质膜上富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域(microdomain)。大小约70nm 左右，是一种动态结构，位于质膜的外小页。)微域可能是胆红素中毒的一个靶点[10]。

4.2 血胆红素影响信号传导通路

在大鼠海马切片中，胆红素降低了大鼠海马区兴奋性突触后电位，显著增加了海马区中大多数细胞高峰的潜伏期，从而降低了突触的激活。胆红素可增强大鼠外上橄榄核分离神经元的抑制性突触传递，在离体的大鼠耳蜗腹侧核神经元中，通过Ca2+依赖性机制增加听觉小鼠神经元发育过程中γ-氨基丁酸/甘氨酸的释放[4]。

谷氨酸是中枢神经系统中主要的兴奋性神经递质，有学者发现UCB 的慢性毒性涉及谷氨酸转运蛋白GLAST、Glt1、EAAC1、vGluT1 和vGluT2.[18]星形胶质细胞和神经元中谷氨酸转运障碍导致细胞外谷氨酸增加，导致神经元N -甲基D -天冬氨酸(NMDA)的NR1，NR2A 和NR2B 亚基显著减少，谷氨酸受体(NMDA)在神经损伤的发病机制中起重要作用。一旦NMDA 通道被打开，细胞内钙增加，产生自由基，神经元坏死或凋亡[10][12]。

同时胆红素浓度升高还可激活体内外Nrf2 介导的通路，Nrf2 是抵御外源性刺激物和有毒物质的核心因子，以引起抗氧化反应应答，氧化损伤被广泛认为是胆红素引起细胞毒性和细胞死亡的机制。同时多种细胞抑制蛋白、蛋白激酶介导的磷酸化、以及细胞核的抑制因子均与其有关[8][14]。

4.3 血胆红素引起内质网功能紊乱

除了Ca2+的储存和参与信号传递外，内质网(ER)的一个关键功能是对新合成的膜和分泌蛋白进行折叠和加工。如果这些功能发生了损伤或者障碍，就会导致一种被称为内质网应激的病理状态，内质网应激是细胞检测和清除内质网未折叠蛋白的过程。错误折叠的蛋白通过IRE1、PERK 和ATF6 检测，并增加BiP 和DNAJB9 等伴侣蛋白的表达，以帮助蛋白折叠。当这些措施失败时，内质网应激通过诱导CHOP 和caspase 的激活而诱导细胞凋亡。虽然UCB 主要积累在神经系统的组织细胞内，但有学者已经证明，UCB 只在神经元细胞中诱导内质网应激，而不在星形胶质细胞中诱导内质网应激[15][21]。

细胞内胆红素沉积引起内质网应激的一个证据来自于基础实验室的一项实验，研究人员进行SH-SY5Y 神经母细胞瘤细胞的转录组分析并与cMap 数据库中包含的其他化学物质产生的基因表达模式进行比较。通过检测其中最“相似”的化学物质是thapsigargin，它通过抑制维持内质网高钙浓度的SERCA ATPase 蛋白而导致内质网应激[21]。

同时少突胶质细胞前体和肝癌细胞系的研究也显示，胆红素通过增加关键因子如GPR78、IRE1、ATF3 和CHOP 等来引起内质网应激。虽然在内质网应激反应的初始阶段，细胞会激活生存机制，例如未折叠的蛋白质反应，但当内质网钙储备耗尽时，未折叠蛋白反应(protein response, UPR)被激活，如果这个反应延时过于长，则会导致细胞凋亡[15]。毒性水平的胆红素能抑制神经元细胞蛋白酶体的降解，使未折叠蛋白的积累和促凋亡通路的激活。抑制CHOP或内质网应激通路可增加细胞存活，这与在体内对Ugt1-/-FVB/NJ 小鼠小脑的研究一致，这说明内质网应激反应的关键因素(ATF3、Fas 和CHOP)在严重新生儿高胆红素血症的初始阶段含量显著增加，并在随后持续存在[8]。

4.4 细胞内线粒体功能异常

胆红素对线粒体的影响主要是氧化磷酸化的破坏，导致能量产生减少，线粒体膜通透性增加，细胞色素C 释放到细胞浆中，通过与凋亡蛋白酶激活因子1 结合，激活caspases，导致凋亡神经元死亡。同时胆红素通过改变了神经元和星形细胞膜结构从而增加膜流动性，促进磷脂酰丝氨酸的外化外传单，导致吞噬识别和细胞死亡。通过这种机制，胆红素也会破坏线粒体膜，增加细胞内Ca2+浓度，并且细胞内氧自由基数量增加，导致细胞死亡[4][12]。

4.5 促细胞炎症因子的释放

促炎细胞因子，如TNF-a、IL-1b 和一氧化氮(NO)也被认为是神经元凋亡的介质。UCB 通过核因子kappa B (NF-jB)和丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)途径(例如p38 和p38 和p38)增加星形胶质细胞和神经元的TNF-a、IL-1b 和IL-6 的释放，最终导致细胞凋亡。同时胆红素抑制神经生长因子和脑源性神经营养因子诱导的生存前信号的激活，例如与PC12 神经元样细胞系和大鼠原代CGN 培养物中Akt 蛋白激酶B 系统有关的信号。在未成熟大鼠皮层神经元原代培养中，胆红素不仅激活caspase-3，还激活caspase-8 和caspase-9，从而触发细胞凋亡和神经元功能障碍。在人体中由于UCB 诱导的NF-jB 活化具有细胞年龄依赖性，未成熟星形胶质细胞表现出更多的炎症反应，导致更多的细胞因子分泌。这种情况可以解释为什么早产儿对UCB 脑病更敏感[4][5][13][19]。

4.6 细胞内Ca2+紊乱

有学者实验发现UCB 对神经元细胞内Ca2+具有动态且强烈的直接干扰，而胶质细胞内的钙稳态保持不变。说明神经元细胞受到UCB 的靶向攻击。进行进一步实验证明UCB 造成细胞Ca2+紊乱主要的攻击靶点为神经元内质网而不是线粒体。内质网作为动态Ca2+存储的功能，与胞浆相比具有非常高的Ca2+水平，并且由此造成的Ca2+波动与细胞外Ca2+浓度无关。一旦细胞内Ca2+浓度升高，将会引起一系列胞内与Ca2+相关的生化反应。钙蛋白酶是Ca2+依赖的半胱氨酸蛋白酶家族，已被证明在Caspase-12 的激活中发挥作用，细胞质Ca2+水平的升高导致钙蛋白酶在内质网膜的积累和激活，在那里它可以激活Caspase-12 开启凋亡程序。同时Ca2+水平的升高还会通过第二信使途径激活蛋白酶、脂肪酶和核酸内切酶，并触发自由基的产生，这些事件最终导致细胞凋亡或死亡[10][15]。

5 胆红素的抗氧化作用

胆红素作为血红素分解代谢的最终产物，长期以来一直被认为是一种具有潜在毒性的废物，直到1987 年才被确认为可能具有生理重要性的抗氧化剂。生理范围内的胆红素(包括游离胆红素、白蛋白结合胆红素、结合胆红素和未结合胆红素)不仅能清除活性氧，还能清除过氧亚硝酸盐等RNS。有学者就以上发现提出了一个假设，即胆红素可能通过增加NO 释放并激活NO 相关的细胞保护信号。同时其基础研究表明，内质网能够通过多种机制调节免疫功能：①抑制抗原特异性和多克隆T 细胞反应，②抑制CD4 + T 细胞反应性，③增加B 细胞数量，④腹膜巨噬细胞上Fc 受体的过表达，⑤抑制人粒细胞的趋化活性，⑥抑制蛋白激酶C，⑦降低晚期糖基化终产物生成水平[1][3][4][17]。

血红素加氧酶(heme oxygenase, HO)是血红素分解代谢过程中的限速酶，HO 有三种类型，其中诱导氧化应激的主要是HO-1，同时HO-1 也被认为是红细胞衰老过程中细胞对氧化应激反应的标志物。但有研究显示HO-1 其作用不仅仅是抗氧化和抗炎活性，在小鼠体内促进神经营养因子释放的作用已得到证实。但HO-1 不适时、持续或过度激活可能引起Nrf2 的激活导致细胞凋亡[16-23]。

6 小结

血胆红素对神经系统的影响及对神经元的损伤不是以上几种现有理论单独作用的结果，而是多种因素，多种环节，相互作用，相互影响的结果。胆红素通过其脂溶性聚集在细胞膜、线粒体膜以及内质网上，通过影响多种胞膜通道以及细胞信号传导通路，造成细胞线粒体能量供给失衡，胞内离子紊乱，进而引发炎症因子的大量释放，诱导凋亡程序的开启，最终导致细胞的凋亡或死亡。另一方面生理浓度下的胆红素有很好的抗氧化及清除自由基的作用，在一定基础上保护组织细胞。合理运用胆红素损伤细胞及保护细胞的机制，可预防多种疾病，因此，我们需要进一步研究并完善相关理论基础，给予临床工作更多指导。