丙戊酸治疗脊髓损伤潜在机制的研究进展

谢志杰 吴建跃*

脊髓损伤（SCI）是一种严重的创伤，通常会给患者带来巨大的经济负担和永久性残疾。SCI的病理生理包括原发性损伤和继发性损伤。小胶质细胞是中枢神经系统（CNS）的主要先天免疫细胞，在神经炎症中起重要作用［1］。然而小胶质细胞的过度活化会导致促炎因子的过度产生，例如环氧合酶2（COX-2），白介素1β（IL-1β），白介素6（IL-6）和白介素受体（IL-4R和IL-2Ra）［2］；当这些促炎因子过表达时，其倾向于激活可能导致细胞凋亡的转录因子，例如NFκB。相关研究已经证实，NF-kB和STATs的转录活性与其赖氨酸乙酰化密切相关，而赖氨酸乙酰化受组蛋白乙酰转移酶（HATs）和组蛋白脱乙酰基酶（HDACs）间的平衡调节［3］。通过恢复组蛋白乙酰化的平衡，调节转录功能障碍和上调神经营养基因，HDAC抑制剂（HDACis）被认为是治疗神经系统疾病的一种有前途的干预措施［4］。本文探讨丙戊酸（VPA）在脊髓损伤修复过程中潜在的分子机制，并对其治疗脊髓损伤的最新进展进行综述。

1 丙戊酸概述

VPA是衍生自天然戊酸的支链短链脂肪酸。丙戊酸的主要用途是作为抗癫痫药，以及用于偏头痛，双相情感障碍，情绪和焦虑症等。丙戊酸以多种方式显示其药理作用，例如通过作用于中枢神经系统中的GABA（γ氨基丁酸）水平，阻断电压门控离子通道以及抑制组蛋白脱乙酰基酶。近年来，丙戊酸被证明是组蛋白脱乙酰基酶（HDAC）的抑制剂，尤其是HDAC1以及其他HDAC。对组蛋白脱乙酰基酶的抑制作用可能会增强调节细胞凋亡及抗肿瘤作用的基因的表达［5］。因而其可通过抑制炎症细胞因子和抑制神经元凋亡来发挥神经保护作用［6］。

大部分药物在血液中分布，并存在于细胞外液的快速交换过程。同时药物也可在脑脊液（CSF）和大脑总分布。CSF中丙戊酸盐的浓度与血浆中游离药物浓度接近。药物的半衰期为15~17 h。儿童通常更短。人体中至少有3种VPA代谢途径：葡萄糖醛酸化，线粒体中的β氧化（均被认为是主要途径，分别占剂量的50%和40%）和细胞色素P450（CYP）介导的氧化（被认为是次要途径，0~10%），丙戊酸葡糖醛酸是VPA的主要尿代谢产物（约30%~50%）［7］。

2 丙戊酸治疗脊髓损伤的潜在作用机制

2.1 抑制组蛋白脱乙酰酶（HDAC） 组蛋白是染色质的主要结构蛋白，组蛋白的乙酰化和脱乙酰化作用可调节DNA转录，进而调节基因表达。组蛋白脱乙酰基酶是从组蛋白中除去乙酰基的酶，使DNA-组蛋白结构更紧凑，因此可以限制转录。相反，组蛋白乙酰基转移酶减弱DNA-组蛋白的吸引力，从而展开复合物并使DNA更易于转录［8］。组蛋白乙酰化是一个动态过程，受两个大家族酶［组蛋白乙酰转移酶（HATs）和组蛋白脱乙酰酶（HDACs）］的拮抗作用控制。这些酶的作用间的平衡是基因表达的关键调控机制，并控制着较多发育过程和疾病状态［9］。主要通过以下几种机制发挥作用：（1）减少细胞和神经元的凋亡：PENAS等［10］在大鼠脊髓损伤模型中，以治疗剂量应用VPA可减轻脱髓鞘作用和轴突损失，并保留相关的少突胶质细胞和神经元，从而在SCI大鼠横断模型中显著恢复后肢活性，该机制通过减少促凋亡因子C/EBP同源蛋白在细胞核中的逐步积累来预防内质网（ER）应激，这可能是由VPA抑制HDAC作用介导的，由于VPA是一种已经在临床使用的药物，这些结果为其治疗脊髓损伤开辟了道路。LEE等［11］动物实验研究表明，在大鼠脊髓损伤后皮下注射VPA（300 mg/kg），1次/12 h，并在指定时间内进行，发现VPA可显著降低SCI后早期运动神经元的凋亡，并抑制损伤后与氧化应激相关的超氧阴离子（O2-）产生和诱导型一氧化氮合酶（iNOS）表达，同样发现VPA给药可通过抑制细胞色素C的释放和caspase-9和caspase-12的活化保护SCI早期运动神经元免受氧化应激和ER应激诱导的凋亡。（2）丙戊酸可减轻脊髓损伤后血脊髓屏障破坏和炎症浸润：血脊髓屏障的破坏主要是由于脊髓损伤后各种炎性细胞可分泌基质金属蛋白酶9（MMP-9），而氧化应激是激活MMP的主要原因［12-13］，其主要参与细胞外基质及其他细胞外蛋白的降解，如紧密连接蛋白occludin和claudin-5，ZO-1-5［14］。继而加重炎症细胞的浸润，同时也会引起微出血和水肿，从而加重继发性损伤。WANG等［15］研究表明，MMP-9是干扰血脑屏障完整性的关键蛋白酶，而VPA阻断MMP-9的升高，以及claudin-5和ZO-1的下调，均参与该药物对血脑屏障的保护。

2.2 神经营养作用 PANDAMOOZ等［16］研究为评估组蛋白脱乙酰基酶抑制剂丙戊酸（VPA）对所选营养因子的mRNA表达的影响，在大鼠动物模型中发现VPA可上调表皮神经干细胞（EPI-NCSC）中脑源性神经营养因子（BDNF），胶质细胞源性神经营养因子（GDNF）和血管内皮生长因子（VEGF）的mRNA表达。VPA介导的神经营养因子的增加通过保护剩余神经细胞免受细胞凋亡和刺激轴突生长，在神经保护和神经发生中发挥至关重要的作用。VPA的生存效应已在脊髓损伤动物模型中反复得到证实，YU等［17］研究大鼠模型中与VPA治疗相关的脊髓损伤（SCI）的组织学变化和功能恢复，发现VPA注射到脊髓损伤动物模型中可以恢复组蛋白的超乙酰化，从而上调HSP70和Bcl-2的神经保护基因活性。HSPs具有分子伴侣、促进血管生成、抑制炎症反应、抑制细胞凋亡、抗氧化应激等作用［18］，从而改善由短暂性局灶性缺血引起的神经功能损害，减轻损伤脊髓的炎症。

2.3 丙戊酸促进小胶质细胞向M2极化并减轻小胶质细胞介导的炎症反应 小胶质细胞是位于大脑中的常驻组织巨噬细胞，并在激活时具有两个主要的极化状态，即M1表型和M2表型。M1与M2的比例决定了局部微环境的稳态。在对创伤的应激反应中，可以检测到高水平的活性氧（ROS）。在这些刺激因素下，M1巨噬细胞/小胶质细胞处于主要状态，这对于损伤的修复是不利的，可导致促炎细胞因子的产生，例如IL-6，IFN-γ，IL-12，IL-23，IL-1β和TNFα［19］。M1表型巨噬细胞可转化为具有吞噬作用的M2表型。M2表型的小胶质细胞，具有组织修复特性（即高产量的IL-10和转化生长因子β（TGFβ）），可通过神经营养因子的分泌和抗炎性细胞因子及通过吞噬作用清除细胞碎片发挥保护和促神经、血管、髓鞘再生［20］。激活NF-κB，下调促炎细胞因子的表达。CHEN等［21］研究表明VPA治疗使小胶质细胞的极化向M2表型转移，并减轻小胶质细胞介导的炎症反应［21］。

2.4 丙戊酸对STAT1乙酰化和NF-κB信号通路的影响 NF-κB被认为是炎症介质的中央转录因子，在较多炎症反应中起至关重要的作用。而STATs的激活具有缓解多种NF-kB介导的炎性和代谢性疾病的潜力［22］。CHEN等［21］研究还包括co-IP分析，证实VPA可引起乙酰化的STAT1与核NF-κB（p65）相互作用，从而抑制NF-kB（p65）的核易位及其转录活性并减弱SCI后的中枢炎症反应。而乙酰赖氨酸免疫沉淀组分中STAT1蛋白的存在证实VPA处理后STAT1乙酰化的增加。VPA介导的乙酰化和STAT1表达上调可能是由于HDAC3移位到细胞核和活性降低所致［20］。

3 展望

脊髓损伤的神经功能修复目前仍是医学界的难题，如何阻断脊髓损伤后的病理生理过程，抑制炎性因子的释放，凋亡基因的转录表达，诱导神经再生及神经保护基因的表达等一直是治疗的研究方向。目前治疗脊髓损伤的方法主要通过减轻脊髓损伤后的继发性损伤，干细胞移植治疗，神经营养支持等，以及近年来生物材料的迅猛发展也为恢复脊髓损伤后微环境提供更多的选择。VPA是一种已经在临床使用的药物，以往主要的用途是作为抗癫痫药，近年来还发现其治疗脊髓损伤的潜在作用，如减少细胞和神经元的凋亡；可减轻脊髓损伤后的血脊髓屏障破坏和炎症浸润；神经营养作用等。通过对VPA在脊髓损伤修复中的作用的深入了解，可望为脊髓损伤的治疗带来新的契机。