1-磷酸鞘氨醇代谢与急性缺血性脑血管病的研究进展

刘 璞综述，高 飞审校

脑卒中(Stroke)是全球第二大死亡原因和第三大致残原因[1]，严重危害人类生命健康和生活质量。其中，急性缺血性脑卒中(Acute ischemic stroke，AIS)亦称急性脑梗死(Acute cerebral infarction，ACI)，是最常见的卒中类型，占我国脑卒中的69.6%～70.8%[2]。AIS是指局部脑组织由于急性血液循环障碍，出现缺血、缺氧、坏死，引发局灶性或弥漫性神经功能缺损的疾病，其脑组织损伤的病理生理学过程较为复杂，包括能量衰竭、兴奋性毒性、氧化应激和神经炎症等一系列细胞和分子事件，而神经炎症的特征又包括中枢神经系统免疫细胞的浸润、神经胶质细胞(如小胶质细胞和星形胶质细胞)的激活以及多种神经毒性分子(包括促炎细胞因子)的产生，所有这些都会进一步引起中枢神经系统内皮功能障碍、血脑屏障破坏、神经细胞凋亡，从而造成神经功能缺损[3]。

1-磷酸鞘氨醇(Sphingosine 1-phosphase，S1P)是细胞膜鞘磷脂的代谢产物，在介导细胞迁移、增殖、存活和细胞分化等多种生物学效应中起着重要的作用[4]。研究表明小鼠大脑中动脉阻塞(Middle cerebral artery occlussion，MCAO)后3 h，脑组织鞘脂组学分析提示S1P的表达水平积累，而且S1P是唯一在3 h增加的下游代谢物。鞘磷脂在神经细胞中富集，其生物合成和代谢途径是密切相关的，它们在缺血损伤后的变化可能导致鞘脂类化合物的一种新的稳态状态。因此对于缺血性损伤后鞘脂变化的系统研究有助于阐明其在缺血性脑卒中病理生理学中的作用[5]。本文将对S1P及其主要相关代谢酶与急性缺血性脑血管病的病理生理学机制的相关性进行归纳，为未来S1P代谢在急性缺血性脑血管病的预防、治疗等方面提供理论支持。

1 S1P代谢

S1P是一种来源于细胞膜的生物活性鞘脂，在淋巴细胞转运、胶质细胞活化、血管收缩、内皮屏障功能调节和神经元死亡途径中发挥关键作用[6]。鞘氨醇(Sphingosine，Sph)是合成S1P的前体底物，由神经酰胺(Ceramide，Cer)在质膜、糖磷脂和鞘磷脂的连续降解过程中水解得到[4]。而S1P的合成是由Sph在限速酶鞘氨醇激酶(Sphingosine Kinase，SphK)的作用下磷酸化而来，SphKs有两种底物异构体，鞘氨醇激酶1(Sphingosine Kinase1，SphK1)和鞘氨醇激酶2(Sphingosine Kinase2，SphK2)。SphK1主要定位于细胞质并转移到细胞膜进行激活，而SphK2主要定位于细胞核。在亚细胞结构中，S1P的合成主要是在内质网中启动，而后续复杂的代谢步骤主要发生于高尔基体中，另外还有溶酶体、细胞核和线粒体的参与[7]。S1P的分解代谢有两条途径：①其中一种途径是S1P被定位于内质网的两种特异性磷酸酶(S1P-specific phosphatases1 and S1P-specific phosphatases2，SPP1和SPP2)去磷酸化后，通过神经酰胺合成并回收S1P的鞘氨苷部分；②另一种途径是S1P被1-磷酸鞘氨醇裂解酶(Sphingosine-1-phosphate lyase，SPL)不可逆地降解为磷酸乙醇胺和顺-11-十六碳醛，然后被结合到甘油酯中。另外，细胞内的少量S1P被释放到细胞外环境，这一过程在红细胞、血小板和内皮细胞中是高效的[4，7]。红细胞中S1P的输出可能依赖于ABC转运蛋白(ATP-binding cassette transporter)；血小板以刺激依赖的方式释放S1P，凝血酶、胶原蛋白、ADP、Ca2+等均可诱导S1P的释放；而在血管内皮细胞中，细胞内的S1P通过其特异性转运蛋白Spns2输出(见图1)[8]。

图1 1-磷酸鞘氨醇代谢示意图

2 S1P代谢与急性缺血性脑血管病

2.1 S1P与急性缺血性脑血管 血浆中的S1P浓度约为0.9μmol/L，大部分与高密度脂蛋白(约60%)和白蛋白(约35%)结合，少数与其他脂蛋白结合(主要包括低密度脂蛋白和极低密度脂蛋白)[6]。脑组织中的S1P由星形胶质细胞或小脑颗粒细胞分泌，因此S1P可能在中枢神经系统中以自分泌和/或旁分泌的方式发挥作用[9]。在缺血性脑损伤后，S1P的浓度随时间动态变化。在小鼠MCAO后3 h，脑组织S1P显著升高，在24 h水平略有下降，而S1P的前体鞘氨醇水平下降。因此，鞘氨醇可能被用于S1P的合成[5]。S1P通过减轻缺血应激下神经母细胞瘤细胞线粒体功能障碍和细胞死亡而增强细胞活力，有可能是通过S1P诱导PKC-ε的线粒体移位，减轻线粒体钙超载、线粒体通透性转换孔开放、线粒体内膜电位去极化和肿胀，从而在脑缺血期间提供神经保护[10]。在缺血再灌注(Ischemic-reperfusion，IR)条件下，S1P在脑毛细血管屏障完整性中起着至关重要的作用。IR增强S1P的产生，通过影响紧密连接(Tight junctions，TJs)蛋白的表达增加血管通透性，抑制S1P进入细胞外可改善IR引起的血脑屏障(Blood-brain barrier，BBB)功能障碍[11]。此外，S1P还能有效地调节内皮细胞对损伤的反应以及免疫功能。例如，S1P通过作用于S1PR1激活Gi-PI3K-Akt-eNOS通路维持内皮细胞的完整性、抑制内皮炎症；相反，S1P作用于S1PR2激活核转录因子(Nuclear factor kappa-B，NF-κB)和应激激活蛋白激酶p38途径，诱导内皮通透性和炎症[12，13]。S1P通过其相应的受体有效地调节血管内皮的通透性，而内皮通透性改变是炎症和内皮损伤反应中的关键事件。鉴于S1P在调节内皮完整性和内皮炎症中的重要作用，微血管功能障碍是缺血性脑卒中后重要的一种病理生理状态，以S1PR为靶点可能成为急性缺血性脑梗死血管保护的新疗法[12]。我国已经进行了两项针对缺血性脑卒中患者的临床试验，结果表明单独或联合组织纤溶酶原激活物(Tissue plasminogen activator，tPA)使用FTY720(S1P受体激动剂)可降低微血管内皮细胞通透性或保护血脑屏障的内皮完整性，从而保护脑血管并改善缺血性脑卒中预后[14，15]。此外，FTY720还通过阻止淋巴细胞的增殖、激活星形胶质细胞、调节内皮细胞屏障、抑制自噬等多种机制改善脑损伤，是缺血性脑卒中治疗的有力候选药物[16]。研究证实，apoM作为高密度脂蛋白中S1P的载体，介导了HDL-S1P对内皮细胞的保护作用。载脂蛋白apoM和高密度脂蛋白结合的S1P是高密度脂蛋白血管保护作用的主要因素，与apoM结合的S1P为S1PR1提供了一种强直刺激，这对于血管屏障功能至关重要的内皮细胞粘附连接的形成很重要，从而起到血管保护作用[17]。综上所述，S1P主要通过影响神经细胞线粒体功能障碍减少细胞凋亡、调节血管内皮细胞通透性保护血脑屏障、抑制内皮炎症，从而在急性缺血性脑血管病脑缺血期间提供神经保护。

2.2 SphK与急性缺血性脑血管病

2.2.1 SphK 鞘氨醇激酶(Sphingosine Kinase，SphK)将鞘氨醇转化为1-磷酸鞘氨醇(Sphingosine 1-phosphase，S1P)，是内源性生成S1P过程中的限速酶。目前已经克隆和鉴定了两种SphK亚型(SphK1和SphK2)，这两种酶的编码基因分别定位于17号染色体和19号染色体上，以往的研究表明，这两种激酶具有重叠的重要功能，单独敲除SphK1或SphK2的小鼠模型发育正常，但这两种亚型基因的同时缺失由于血管发生改变和严重出血将导致胎鼠死亡[6，18]。尽管这两种亚型催化同一生化反应，却表现出不同的亚细胞定位、组织分布和生理功能，SphK1主要存在于细胞质中，且在肺、脾、肾、心脏、肾近端小管和心肌细胞中含量丰富，具有促生存功能；而SphK2主要定位于细胞膜(包括线粒体、内质网和细胞核的细胞膜)，且主要分布于大脑，具有抑制生长、促凋亡功能[6，16]。研究发现，以生长因子和存活因子为主的一些生物刺激可激活SphK，从而增加细胞内的S1P浓度，这些刺激包括血小板源性生长因子、神经生长因子、维生素D3、表皮生长因子、TNF-a交联的免疫球蛋白受体、乙酰胆碱以及G蛋白偶联受体的配体。然而，这些不同刺激的效果取决于表达各自受体的细胞类型，这可能不仅反映了主要的信号通路，还反映了每个细胞中存在的鞘氨激酶亚型[19]。S1P产生的细胞位置决定了SphK1和SphK2这两种紧密相关的酶如何利用相同的底物产生相同的产物，从而对细胞生存产生相反的影响，并在调节神经磷脂代谢水平方面发挥相反的作用[9]。

2.2.2 SphK1与急性缺血性脑血管病 激活小胶质细胞中的SphK1对于脑缺血再灌注(Cerebral ischemia-reperfusion，CIR)损伤的神经炎症具有重要意义。研究发现在小鼠MCAO模型中，1 h后的CIR导致明显的梗死损伤。与非缺血、对侧皮质或假手术小鼠皮质的SphK1 mRNA相比，1 h后的MCAO再灌注半暗带皮质的SphK1 mRNA显著增加，并在再灌注6 h开始增加，并持续至再灌注后96 h。有趣的是，1 h后MCAO再灌注皮质半暗区SphK2的mRNA水平并没有改变。免疫组化结果显示，SphK1在小鼠MCAO再灌注24 h后的表达，主要与小胶质细胞标记物和皮质半暗带神经元标记物共定位，提示小胶质细胞和神经元是脑缺血后SphK1诱导的主要细胞来源[20]。Manhua等[21]研究发现SphK1在CIR损伤的小胶质细胞中表达增高，并通过调节激活的小胶质细胞中IL-17A的表达，诱导CIR过程中神经元的凋亡。而抑制SphK1的表达和敲除SphK1基因可以抑制小胶质细胞介导的缺血状态下的神经炎症从而减轻CIR[20]。另一项研究表明过氧化氢诱导的CIR损伤后SphK1的转录和表达水平升高。增加的SphK1通过激活NF-κB信号通路，促进内质网应激并诱导炎症反应，而过度内质网应激和炎症反应进一步触发神经元死亡，从而加重CIR损伤。相反地，SphK1的缺乏减轻CIR损伤的内质网应激和炎症反应[22]。也有研究表明在MCAO后再灌注24 h，SphK1在梗死区皮质的表达明显减少，但在梗死区周围皮质保留，且部分神经元共同表达[23]。一般认为，缺血损伤核心的大部分细胞在MCAO后再灌注24 h内死亡，MCAO后再灌注24 h SphK1表达的降低可能反映了死亡细胞中细胞蛋白的普遍降解。因此SphK1在皮质半暗区表达的诱导，可能是一个由潜在的可存活的和可逆损伤的组织组成的区域，被认为是中风治疗的一个目标区域[20，24]。综上所述，SphK1主要通过激活小胶质细胞诱导神经元凋亡，从而在急性缺血性脑血管病脑缺血期间介导神经炎症反应。

2.2.3 SphK2与急性缺血性脑血管病 缺氧预处理(Hypoxic Preconditioning，HPC)可显著而短暂地提高脑微血管SphK2蛋白的表达和活性，Wacker等研究发现SphK2调节血脑屏障中的连接蛋白，并参与缺氧预处理诱导的缺血耐受。在小鼠短暂MCAO后，SphK2基因的缺失增加了脑缺血梗死面积，并导致神经功能恶化，这表明SphK2参与了脑缺血损伤后的神经保护[25]。Pfeilschifter等[26]在小鼠瞬时大脑中动脉闭塞(Transient middle cerebral artery occlusion，tMCAO)模型的研究中显示，SphK2基因敲除的小鼠在再灌注24 h后出现的缺血性病变要比野生型小鼠大25%，且同时伴有更严重的神经功能缺损。此外，tMCAO后鞘氨醇模拟物FTY720的神经保护作用被SphK2基因的缺失所消除，认为SphK2特异性磷酸化的鞘氨醇模拟物FTY720在啮齿类动物缺血性卒中模型中以依赖Sphk2的方式发挥保护作用[27]。在异氟醚预处理(Isoflurane preconditioning，IsoPC)的小鼠中，预处理小鼠皮质SphK2 mRNA和SphK2蛋白水平迅速上调，且随时间呈动态变化。在小鼠MCAO后再灌注24 h，上调的SphK2表达仍然是对照组的2.2倍，而脑SphK1 mRNA和蛋白水平在IsoPC后不同时间点的表达无变化。相反地，SphK2抑制剂ABC294640预处理阻断了IsoPC的保护作用，即阻断了IsoPC对小鼠脑梗死体积的减少和神经功能评分的改善，这可能是由于SphK的抑制抑制了原代神经元中异氟醚诱导的缺血耐受，神经元SphK2的上调和激活在脑预处理中至关重要，通过减少神经元细胞凋亡保护大脑免受缺血性损伤[28]。研究表明预处理刺激通过SphK2诱导小鼠皮质神经元自噬，而自噬反过来又有助于IsoPC和HPC诱导的皮质神经元的神经保护作用[29]，其机制认为是预处理相关的SphK2上调激活自噬，通过其BH3结构域与Bcl-2相互作用，从而将其与Beclin-1解离，保护神经元免受缺血性损伤[30]。此外，SphK2在巨噬细胞的自噬体和溶酶体的脂质分解代谢中起关键作用，并在动脉粥样硬化形成中起保护作用。SphK2通过促进自噬脂质降解防止巨噬细胞胆固醇积聚和动脉粥样硬化，而SphK2缺乏引起的鞘脂代谢紊乱会损害巨噬细胞的自噬体-溶酶体功能，导致巨噬细胞中脂质的过度积累和动脉粥样硬化的加重。因此，SphK2可能是治疗动脉粥样硬化的新靶点[31]。综上所述，SphK2主要通过调节血脑屏障中的连接蛋白、减少神经元细胞凋亡，从而在急性缺血性脑血管病脑缺血期间提供神经保护。

3 结 语

综上所述，S1P及SphK与急性缺血性脑血管病的神经功能缺损程度密切相关，近年来，S1P及SphK在神经系统疾病，尤其脑血管疾病的发生、发展的相关正在全世界范围内深入开展，其在细胞学中的生物学效应已经得到了初步证实，主要涉及促进神经元细胞增殖、诱导神经细胞凋亡、调节内皮细胞通透性、促进或抑制神经炎症反应的作用。因此，通过对S1P代谢与急性缺血性脑血管病病理生理学机制相关性的研究，可以为未来急性缺血性脑血管病的治疗提供新的方向。