鈉氫通道1在腦缺血再灌注損傷中的相關(guān)機制研究進展

周 炬 綜述，劉紅亮 審校

(重慶市腫瘤研究所麻醉科 400030)

鈉氫通道1在腦缺血再灌注損傷中的相關(guān)機制研究進展

周 炬 綜述，劉紅亮△審校

(重慶市腫瘤研究所麻醉科 400030)

腦缺血；再灌注；再灌注損傷；鈉氫通道1

大腦發(fā)生缺血一段時間后再恢復血供，不僅不能改善腦缺血的癥狀，還會引起更加嚴重的腦功能障礙，該現(xiàn)象被稱為腦缺血再灌注損傷。各種疾病(腦卒中)、創(chuàng)傷，以及手術(shù)(頸內(nèi)動脈內(nèi)膜切除術(shù)，動脈瘤修補術(shù))都是腦缺血再灌注損傷的常見原因。腦缺血再灌注損傷的機制復雜，缺血和再灌注過程通過引起一系列細胞、分子及其調(diào)節(jié)過程的變化損傷腦功能，其中主要包括離子失衡、血腦屏障破壞、氧化應激、炎癥反應、細胞凋亡等。

鈉氫通道(Na+-H+Exchanger，NHE)家族是細胞膜上普遍存在并廣泛表達的一種蛋白離子通道，對維持細胞內(nèi)pH以及細胞體積穩(wěn)定至關(guān)重要[1-2]。NHE-1離子通道是NHE家族的重要亞型，其在腦組織分布廣泛。近年來研究發(fā)現(xiàn)，該離子通道的激活與腦缺血再灌注損傷有密切聯(lián)系[2]，通過阻斷NHE-1離子通道可以改善大腦缺血再灌注損傷。本文將從離子失衡、細胞水腫、炎癥反應、細胞凋亡4個方面描述NHE-1在腦缺血再灌注損傷中的作用，并探討未來對腦缺血再灌注損傷的保護策略。

1 離子失衡

中樞神經(jīng)系統(tǒng)作為高代謝器官對缺血缺氧異常敏感，短時間的缺血、缺氧即可引起腦組織細胞無氧代謝增加，從而導致細胞內(nèi)酸中毒。而神經(jīng)元細胞及膠質(zhì)細胞對酸中毒極為敏感，因此，有效的細胞內(nèi)pH調(diào)節(jié)機制對于腦保護至關(guān)重要，而NHE-1的主要生理功能即調(diào)節(jié)細胞內(nèi)pH[3]。組織缺血、缺氧的情況下，細胞內(nèi)H+濃度增加,細胞內(nèi)出現(xiàn)酸中毒，為糾正細胞內(nèi)酸中毒NHE-1被激活，Na+和H+以1∶1的形式反向交換，細胞內(nèi)H+被排出細胞的同時將細胞外的Na+交換到細胞內(nèi)。而NHE-1的過度激活導致細胞內(nèi)Na+超載，進而激活鈉鈣離子通道(Na+-Ca2+Exchanger,NCX)，引起細胞內(nèi)Ca2+超載，造成細胞損傷。在其他細胞，如內(nèi)皮細胞、心肌細胞及肺泡上皮細胞，都已經(jīng)證實了NHE-1的阻滯劑能夠保護由缺血再灌注中引起的鈣離子介導的細胞損傷[4-5]。

Luo等[6]觀察到在腦缺氧無糖損傷(OGD)3h，再灌注(REOX)1h后神經(jīng)細胞內(nèi)Na+濃度增加了7倍，而細胞內(nèi)Ca2+濃度增加了1.5倍，再灌注21h后發(fā)生了(68±10)%的神經(jīng)細胞死亡。在運用NHE-1特異性阻滯劑HOE642后，OGD引發(fā)的神經(jīng)細胞死亡減少40%～50%，并且細胞內(nèi)Na+和Ca2+的蓄積出現(xiàn)了明顯的緩解。

腦缺血、缺氧后，細胞內(nèi)酸中毒導致星形膠質(zhì)細胞腫脹，而這種現(xiàn)象與星形膠質(zhì)細胞上的NHE通道激活有關(guān)。Kintner等[7]認為，NHE-1是星形膠質(zhì)細胞中管理細胞內(nèi)pH的主要離子通道，缺血導致的NHE-1基因敲除后的小鼠星形膠質(zhì)細胞離子失衡以及細胞腫脹減輕，而運用NHE-1特異性抑制劑HOE642的實驗組也觀察到同樣的結(jié)果。缺血后的野生型小鼠離體皮質(zhì)星形細胞的NHE-1活性提高，缺血2h后細胞內(nèi)Na+增加了5倍，26%的細胞出現(xiàn)了水腫。作者認為對野生型小鼠使用HOE642同樣可以減少缺血導致的星形膠質(zhì)細胞離子失衡及細胞腫脹，具體機制可能與兩者都能抑制NHE-1相關(guān)。

小膠質(zhì)細胞是一種在神經(jīng)受損等病理情況下被激活的細胞[8-10]，它的激活與細胞吞噬、增殖、釋放氧活性物質(zhì)相關(guān)。NHE-1通過活化的小膠質(zhì)細胞，參與維持細胞內(nèi)的pH及離子平衡。Liu等[11]證明了NHE-1在小膠質(zhì)細胞上的表達，又觀察到缺血再灌注后小膠質(zhì)細胞內(nèi)Na+和Ca2+濃度增加?；罨男∧z質(zhì)細胞膜上NHE-1被過度激活，細胞內(nèi)鈉鈣離子蓄積，細胞內(nèi)離子失衡，活性物質(zhì)釋放，引起神經(jīng)細胞的損失[12]。

腦細胞內(nèi)的堿化被認為是由腦缺血、缺氧引發(fā)的，而持續(xù)性的細胞內(nèi)堿化可能與腦缺血、缺氧后NHE-1過度被激活引起細胞內(nèi)離子失衡相關(guān)。離子失衡是新生兒缺血、缺氧(HI)后的重要生理改變，且可能是HI導致腦損傷的直接原因[2]。最近的研究表明，在新生兒腦缺血、缺氧模型中運用NHE-1特異性抑制劑HOE642有神經(jīng)保護作用，HOE642保存了海馬體結(jié)構(gòu)的完整性，并且減少了神經(jīng)元的退行性變[6]。這些發(fā)現(xiàn)都證明了NHE-1過度激活介導的離子失衡可能是新生兒缺血、缺氧后腦損傷最重要的原因。

2 腦細胞水腫

血腦屏障是毛細血管與腦實質(zhì)間的物理和代謝屏障，主要維持中樞神經(jīng)功能的穩(wěn)定。血腦屏障主要由毛細血管內(nèi)皮細胞和細胞間的縫隙連接形成。腦細胞缺氧后會導致細胞間緊密連接的破壞，細胞外液被動進入腦組織，形成血管源性腦水腫，造成腦組織的第2次傷害[13]。Suzuki等[14]觀察到NHE-1阻滯劑的運用可以減輕大腦缺血后的腦組織水腫，因此，作者推測腦組織的水腫可能與NHE-1相關(guān)。另一項研究也證實了HOE642可減輕腦缺血早期數(shù)小時的腦水腫和Na+濃度增加[15]。同時，NHE1也通過影響血腦屏障的通透性和緊密連接功能，加重功能紊亂。NHE1另一抑制劑sabiporide也可減小缺血/低糖缺氧引起的腦梗死面積，降低血腦屏障的通透性，從而起到腦保護的作用[16]。Lam等[17]也證明NHE-1和NHE-2存在于腦血管內(nèi)皮細胞，當腦缺血、缺氧時，NHE-1被過度激活，NHE-2僅有部分激活，細胞內(nèi)Na+濃度增加，早期細胞外液內(nèi)流引起細胞水腫，而靜脈注射NHE-1特異性抑制劑HOE642后可以減少缺血再灌注3h后的大鼠腦細胞的水腫程度和腦組織的缺血壞死面積。

鈣離子對維持縫隙連接的完整性和正常的結(jié)構(gòu)功能很重要，而缺血再灌注后血管內(nèi)皮細胞的NHE-1過度激活，細胞內(nèi)鈣離子超載，高濃度鈣離子可以損傷血腦屏障，增加血腦屏障通透性，引起腦細胞水腫。以上實驗都說明，在缺血再灌注后腦實質(zhì)的水腫與血腦屏障上毛細血管的NHE-1表達相關(guān)，且該通道的特異性阻滯劑可以減輕腦實質(zhì)水腫。

3 炎癥反應

大量實驗已經(jīng)證實，腦缺血后強烈的炎癥反應是造成腦組織繼發(fā)性損傷的因素之一，在此炎癥反應過程中，多種因素相互作用，共同引起再灌注損傷[18]。許多炎癥介質(zhì)和炎癥細胞參與了炎癥反應，在再灌注過程中主要是白細胞、小膠質(zhì)細胞、星形膠質(zhì)細胞等炎癥細胞釋放的炎癥介質(zhì)產(chǎn)生細胞損害[19]。雖然炎癥反應是一種自我修復機制，但是也與細胞死亡相關(guān)。

NHE-1廣泛存在于神經(jīng)膠質(zhì)細胞，多項研究證實其與炎性損傷相關(guān)。小膠質(zhì)細胞的激活是通過清除壞死細胞，釋放神經(jīng)營養(yǎng)因子的組織自我修復能力來實現(xiàn)的，但是激活的小膠質(zhì)細胞也會通過釋放炎癥因子IL-1b、TNF-α、ROS、NO來加重腦損傷[20]。

小膠質(zhì)細胞的增生高峰發(fā)生在局部腦缺血48至72h間，持續(xù)30d。缺血早期激活的小膠質(zhì)細胞多在中央缺血區(qū)，再灌注期激活的小膠質(zhì)細胞多位于半陰影區(qū)。激活的小膠質(zhì)細胞和活化的星形神經(jīng)細胞產(chǎn)生大量的促炎因子IL-1b、TNF-α、ROS、NO加重組織損傷[21]。腦缺血再灌注過程中促炎因子產(chǎn)生的分子細胞機制一直不清楚，最近有文獻認為這種作用與神經(jīng)膠質(zhì)細胞維持氫離子穩(wěn)定相關(guān)，這又與小膠質(zhì)細胞表面的NHE-1 保持NADPH呼吸鏈阻止細胞內(nèi)氫離子蓄積相關(guān)[12]。在腦缺血再灌注模型中，同側(cè)缺血區(qū)域生理鹽水組與HOE642組相比IL-1b和TNF-a的表達明顯增加，在NHE-1基因敲除組的缺血區(qū)域觀察到IL-1b的表達被抑制，基因敲除和HOE642兩種方法目的均是抑制小膠質(zhì)細胞上NHE-1的活性。通過NHE-1活性被抑制后，促炎因子的釋放減少的現(xiàn)象，作者認為小膠質(zhì)細胞在缺血再灌注損傷過程中的激活，以及炎癥因子的釋放與NHE-1相關(guān)。

海馬星形膠質(zhì)細胞通過包裹神經(jīng)元的突觸與神經(jīng)元產(chǎn)生密切聯(lián)系，它主要功能是在突觸間的聯(lián)系過程中保持離子和神經(jīng)遞質(zhì)的平衡，并且通過鈣的級聯(lián)反應和產(chǎn)生活性介質(zhì)(谷氨酸鹽，ATP，腺苷)改變神經(jīng)細胞的興奮性，以及在缺氧情況下通過提供ATP給神經(jīng)細胞，減少神經(jīng)細胞的損傷[22-23]。在離體缺血再灌注模型中，NHE-1蛋白的表達對海馬體星形膠質(zhì)細胞活化起正調(diào)節(jié)作用，提高NHE-1活性將增加星形膠質(zhì)細胞內(nèi)Na+、Ca2+濃度，以及谷氨酸鹽和細胞炎癥因子的釋放,缺血后海馬星形膠質(zhì)細胞釋放促炎因子IL-1B,IL-6和TNF-α，再灌注5h后3種促炎因子釋放大量增加，而運用HOE642后，這些炎癥因子在再灌注5h后的釋放量減少了26%[24]。缺血再灌注后海馬細胞內(nèi)鈉鈣離子濃度的增加是星形膠質(zhì)細胞激活，以及一系列炎癥介質(zhì)釋放等原因。Kim等[25]證明了鈣信號通路在星形膠質(zhì)細胞的炎癥釋放中有重要作用，因此，作者認為海馬星形膠質(zhì)細胞在缺血再灌注過程中炎癥介質(zhì)的釋放與NHE-1過度激活引起的細胞內(nèi)鈣離子超載相關(guān)。

4 凋亡發(fā)生

遲發(fā)性的神經(jīng)損傷多發(fā)生在缺血再灌注后幾天到幾周的時間內(nèi)，這段時間也是進行神經(jīng)保護的主要目標。研究證明，缺血再灌注后的腦損傷是由于離子失衡導致的細胞內(nèi)Na+和Ca2+超載引起的細胞損傷，但是遲發(fā)型腦神經(jīng)損傷除了與NHE-1激活導致離子失衡相關(guān)外，也與NHE-1激活引起細胞凋亡和線粒體功能紊亂相關(guān)[26]。

細胞凋亡受多種基因和蛋白的調(diào)控，B淋巴細胞瘤-2(B-celllymphoma-2，Bcl-2)是目前最受關(guān)注的凋亡基因家族，促凋亡和抗凋亡基因維持平衡保證線粒體穩(wěn)定，阻止促凋亡蛋白從線粒體釋放，抗凋亡基因表達增加抑制細胞色素C、凋亡誘導因子(AIF)從線粒體釋放[27]。缺血再灌注后0.5h可以出現(xiàn)凋亡細胞，高峰在24～48h，最長可持續(xù)28d，凋亡與缺血時間呈正相關(guān)，多出現(xiàn)在梗死的邊緣區(qū)域，且免疫組織化學的方法證明凋亡多發(fā)生在神經(jīng)細胞內(nèi)。Wang等[26]在實驗中觀察到野生型小鼠在缺血再灌注24h后線粒體細胞色素C、AIF(凋亡誘導因子)釋放，以及核染色質(zhì)的濃縮。同時發(fā)現(xiàn)caspase-3在缺血再灌注模型中呈現(xiàn)時間依賴性的激活,但在NHE-1基因敲除小鼠中caspase-3、細胞色素C、凋亡誘導因子AIF釋放明顯減少，且這種改變與運用HOE642效果相似。作者認為NHE-1在腦缺血再灌注的細胞凋亡過程中有重要作用,但是NHE-1與凋亡基因家族的關(guān)系有待進一步研究。

根據(jù)最近的一些研究發(fā)現(xiàn)，NHE-1與腦缺血再灌注損傷相關(guān)，生理條件下NHE-1對維持細胞內(nèi)離子平衡有重要作用，但是過度激活NHE-1將會加重缺血后再灌注損傷。特異性的藥物阻滯劑HOE642和NHE-1基因敲除的小鼠在腦缺血再灌注過程中又表現(xiàn)出了神經(jīng)保護作用，因此未來阻斷NHE-1可以作為腦缺血再灌注損傷治療的主要目標。

[1]PangV,CounillonL,Lagadic-GossmannD,etal.OntheroleofthedifferenceinsurfacetensionsinvolvedintheallostericregulationofNHE-1inducedbylowtomildosmoticpressure,membranetensionandlipidasymmetry[J].CellBiochemBiophys,2012,63(1):47-57.

[2]OrlowskiJ,GrinsteinS.Na+/H+exchangers[J].ComprPhysiol,2011,1(4):2083-2100.

[3]C?linescuO,PaulinoC,KühlbrandtW,etal.Keepingitsimple,transportmechanismandpHregulationinNa+/H+exchangers[J].JBiolChem,2014,289(19):13168-13176.

[4]WakabayashiS,HisamitsuT,NakamuraTY.RegulationofthecardiacNa+/H+exchangerinhealthanddisease[J].JMolCellCardiol,2013,61(8):68-76.

[5]HuetschJ,ShimodaLA.Na+/H+exchangeandhypoxicpulmonaryhypertension[J].PulmCirc,2015,5(2):228-243.

[6]LuoJ,ChenH,KintnerDB,etal.DecreasedneuronaldeathinNa+/H+exchangerisoform1-nullmiceafterinvitroandinvivoischemia[J].JNeurosci,2005,25(49):11256-11268.

[7]KintnerDB,SuG,LenartB,etal.IncreasedtolerancetoOxygenandglucosedeprivationinastrocytesfromNa(+)/H(+)exchangerisoform1nullmice[J].AmJPhysiolCellPhysiol,2004,287(1):C12-21.

[8]ChenH,SongYS,ChanPH.InhibitionofNADPHoxidaseisneuroprotectiveafterischemia-reperfusion[J].JCerebBloodFlowMetab,2009,29(7):1262-1272.

[9]CuomoO,VinciguerraA,CerulloP,etal.Ionichomeostasisinbrainconditioning[J].FrontNeurosci,2015,9(8):277.

[10]NeumannH,KotterMR,FranklinRJ.Debrisclearancebymicroglia:anessentialLinkbetweendegenerationandregeneration[J].Brain,2009,132(Pt2):288-295.

[11]LiuY,KintnerDB,ChananaV,etal.ActivationofmicrogliadependsonNa+/H+exchange-mediatedH+homeostasis[J].JNeurosci,2010,30(45):15210-15220.

[12]ShiY,ChananaV,WattersJJ,etal.RoleofSodium/Hydrogenexchangerisoform1inmicroglialactivationandproinflammatoryresponsesinischemicbrains[J].JNeurochem,2011,119(1):124-135.

[13]AlluriH,Wiggins-DohlvikK,DavisML,etal.Blood-brainbarrierdysfunctionfollowingtraumaticbraininjury[J].MetabBrainDis,2015,30(5):1093-1104.

[14]SuzukiY,MatsumotoY,IkedaY,etal.SM-20220,aNa+/H+exchangerinhibitor:effectsonischemicbraindamagethroughedemaandneutrophilaccumulationinaratmiddlecerebralarteryocclusionmodel[J].BrainRes,2002,945(2):242-248.

[15]O′donnellME,ChenYJ,LamTI,etal.IntravenousHOE-642reducesbrainedemaandNauptakeintheratpermanentmiddlecerebralarteryocclusionmodelofstroke:evidenceforparticipationoftheblood-brainbarrierNa/Hexchanger[J].JCerebBloodFlowMetab,2013,33(2):225-234.

[16]ParkSL,LeeDH,YooSE,etal.TheeffectofNa+/H+exchanger-1inhibitionbysabiporideonblood-brainbarrierdysfunctionafterischemia/hypoxiainvivoandinvitro[J].BrainRes,2010,1366(12):189-196.

[17]LamTI,WisePM,O′donnellME.CerebralmicrovascularendothelialcellNa/Hexchange:evidenceforthepresenceofNHE1andNHE2isoformsandregulationbyargininevasopressin[J].AmJPhysiolCellPhysiol,2009,297(2):C278-289.

[18]ChenB,LiaoWQ,XuN,etal.Adiponectinprotectsagainstcerebralischemia-reperfusioninjurythroughanti-inflammatoryaction[J].BrainRes,2009,1273(6):129-137.

[19]王光勝．腦缺血/再灌注損傷機制研究進展[J]．醫(yī)學綜述，2011，17(24)：3753-3756．

[20]JinR,YangG,LiG.Inflammatorymechanismsinischemicstroke:roleofinflammatorycells[J].JLeukocBiol,2010,87(5):779-789.

[21]YenariMA,KauppinenTM,SwansonRA.Microglialactivationinstroke:therapeutictargets[J].Neurotherapeutics,2010,7(4):378-391.

[22]SofroniewMV,VintersHV.Astrocytes:biologyandpathology[J].ActaNeuropathol,2010,119(1):7-35.

[23]VermaV,BaliA,SinghN,etal.ImplicationsofSodiumHydrogenexchangersinvariousbraindiseases[J].JBasicClinPhysiolPharmacol,2015,26(5):417-426.

[24]CengizP,KintnerDB,ChananaV,etal.SustainedNa+/H+exchangeractivationpromotesgliotransmitterreleasefromreactivehippocampalastrocytesfollowingoxygen-glucosedeprivation[J].PLoSOne,2014,9(1):e84294.

[25]KimDY,HongGU,RoJY.Signalpathwaysinastrocytesactivatedbycross-talkbetweenofastrocytesandmastcellsthroughCD40-CD40L[J].JNeuroinflammation,2011,8(25):2637-2647.

[26]WangY,LuoJ,ChenX,etal.GeneinactivationofNa+/H+exchangerisoform1attenuatesapoptosisandmitochondrialdamagefollowingtransientfocalcerebralischemia[J].EurJNeurosci,2008,28(1):51-61.

[27]任俊偉，楊琴．白藜蘆醇對腦缺血/再灌注氧化應激損傷保護機制的研究進展[J]．中國藥理學通報，2011，27(4)：448-451．

周炬(1983-)，住院醫(yī)師，本科，主要從事圍術(shù)期腦保護方面研究?！?/p>

E-mail:liuh175@163.com。

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10.3969/j.issn.1671-8348.2017.02.044

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1671-8348(2017)02-0271-03

2016-07-22

2016-10-23)