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编号:10221089
谷氨酸及其受体在缺氧缺血性脑病中的作用
http://www.100md.com 《广州医学院学报》 2000年第3期
     作者:沈怡 陆雪芬 胡学强

    单位:沈怡(广州医学院第二附属医院神经内科,广州 510260);陆雪芬(广州医学院第二附属医院神经内科,广州 510260);胡学强(中山医科大学第三附属医院神经内科,广州 510630)

    关键词:谷氨酸;受体;缺氧缺血性脑病

    广州医学院学报000333 中图分类号 R743.02 文献标识码:A 文章编号:1008-1836(2000)03-0084-04

    谷氨酸(GLU)既有递质功能又参与代谢。它在脑血管病的病理生理过程中具有重要作用。本文重点对谷氨酸在中枢神经系统中的来源,其受体分布,作用及与缺氧缺血性脑病(HIE)的关系作一综述。

    1 谷氨酸的分布,来源及作用
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    在中枢神经系统中谷氨酸是含量最丰富的一种兴奋性氨基酸(EAA)[1],且分布广泛,其中以大脑皮质、小脑、纹状体的含量最高。谷氨酸在脑内的合成有两个途径:(1)谷氨酰胺在谷氨酰胺酶的作用下水解成谷氨酸;(2)α-酮戊二酸经α-酮戊二酸转变酶及维生素B6的作用下生成谷氨酸,合成的谷氨酸又经谷氨酰胺合成酶的作用降解成谷氨酰胺,再参与谷氨酸的合成。因此在脑内谷氨酸是一种中间代谢物。免疫组织化学研究[2]发现谷氨酸在脑内有特异分布并证明它在脑内主要以神经递质或调质功能为主,对维持神经系统间的突触传递、调节神经功能有着十分重要的生理作用。谷氨酸通常以囊泡形式贮存于突触末端,依赖于Ca2+调节而释放入突触间隙,作用于其相应受体而发挥其功能,参与神经元信号传递、影响神经营养和神经元可塑性,但过度释放启动-系列细胞内生化反应引起细胞死亡[3]

    2 谷氨酸受体分类、存在部位、作用
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    根据生化药理研究结果,可将哺乳动物中枢神经系统的谷氨酸受体分为五个亚型,即:(1)N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体;(2)海人藻氨酸(KA)受体;(3)α-氨基羟甲基恶唑丙酸(AMPA)受体;(4)L-2-氨基-4-磷丁酸(L-AP4)受体;(5)反氨基环戊烷二羧(ACPD)受体[4]。对上述五种EAA受体,根据其分子结构、亚基组成、基因家族及作用模式的不同特征,现在一般将EAA受体分为两类:一类称向离子受体,NMDA型、AMPA型、KA型属于这一类;另一类称为向代谢受体,L-AP4型和ACPD型属于这一类。业已证明上述谷氨酸受体活化均不同程度地介入了学习、记忆的形成和维持过程[5、6],但过度激活都产生有害作用,可加剧脑损伤后继发性损害,其中尤以NMDA受体的作用最为突出;研究也最多[7,8,9]。NMDA受体是谷氨酸受体的一种主要亚型,广泛分布于中枢神经系统、以大脑皮质、小脑、海马和纹状体最多,脑干及下丘脑较少[1],由于谷氨酸以囊泡形式释放到突触间通过作用于突触后膜上的相应受体而发挥功效,因此NMDA受体在突触传递中起着重要作用。突触的传递有赖于长时效增强电位(LTP)的维持,并且LTP还能诱导形成新的突触联系或促进原有突触连接和生长,这是突触可塑性的客观指标之一,是学习和记忆的基础,有人发现生理情况下NMDA受体激活后可记录到增强的LTP,具有维持和增加学习与记忆的作用[11、12]。NMDA受体始于LTP形成可能与第二信使钙有关。实验表明,激活NMDA受体系统能够提高神经元游离钙的水平,降低细胞钙的浓度,能阻止LTP的形成,使用NMDA受体拮抗剂,明显影响学习和记忆的功能[13]
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    3 NMDA分子结构及表达特点

    Moriyoshik等[14]于1991年使用分子克隆技术从大鼠cDNA库中成功地分离的NMDAR1的cDNA,总长4213bp,其中含有1个2814bp长的大开放读框,无多个终止密码子,预计其多肽含有938个氨基酸,相对分子量为10500。除此以外,该受体还具有几个特殊的分子结构。NMDAR1的氨基终端部位含有4个膜转运区(TMⅠ-Ⅳ),配基门控离子通道的TMⅡ片段及离子通道的排列[15],该片内有几个丝氨酸/苏氨酸残基与离子通透性关系密切,NMDAR1的氨基终端细胞外侧氨基酸残基及第二个细胞内氨基酸残基很可能是谷氨酸的结合部位。Planells-Case等[15]从人脑cDNA库中分离出NMDAR1(hNR1)的cDNA,与鼠NMDAR1具有同源性。因此对低等动物NMDAR的全面认识将有助于人脑NMDAR的研究。
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    原位杂交技术表明,NMDAR1mRNA几乎分布于脑内所有的神经细胞,其表达的空间方式和程度与放射自显影研究结果基本一致[16]。有人在沙土鼠脑缺血模型上发现缺血7天后海马CA1中对NMDAR1表达显著减少,并与缺血7天后海马NMDAR1结合位点明显减少相一致。其机理可能是缺血损伤CA1细胞中多核糖体的解聚和蛋白质合成的抑制使其以NMDAR1基因的转录和翻译功能的下降从而影响了受体合成和功能作用。

    4 谷氨酸及其受体在脑损害中的作用机理

    根据大量的离体和活体研究结果[17],提示谷氨酸过度增加所致的神经毒性可致脑损害。在脑功能正常活动中兴奋性和抑制性神经递质间保持着动态平衡。而作为内源性兴奋递质的谷氨酸一旦增加即会打破这种平衡,导致神经细胞损害。在正常静息情况下,NMDA受体的离子通道内存Mg2+,能阻断Ca2+内流,该受体的激活至少需3个信号;甘氨酸与NMDAR结合,谷氨酸与NMDAR结合,膜去极化。在病理情况下,如缺氧、缺血、低血糖和持续性抽搐等,EAA增加,刺激NMDAR过度兴奋,启动一系列引起神经细胞损害的细胞内病理生化反应,其中包括两个明显不同的过程,一是由非NMDA受体过度兴奋所介导的神经细胞急性渗透性肿胀,可在数小时内发生,以Na+内流,随即Cl-和H2O被动性内流为特征;二是由NMDA受体过度兴奋所介导的神经细胞延迟性损伤,可于数小时至数日发生,以Ca2+内流为特征。
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    5 谷氨酸及其受体在HIE的作用

    5.1 能量代谢障碍

    因缺氧缺血造成脑的能量代谢障碍,致使依赖能量的谷氨酸重吸收机能衰竭,引起突触间隙内的神经递质谷氨酸大量积聚[18]。大量的谷氨酸递质与NMDAR结合,使受体过度激活,钙通道开放大量Ca2+内流,从而介导了细胞内一系列依赖钙离子的生化反应,引起DNA、蛋白质、磷脂降解,代谢产物花生四烯酸等的产生,氧自由基形成,线粒体功能障碍、能量耗竭,导致神经元变性坏死。因此,通过NMDAR介导的钙内流在谷氨酸神经毒性机制中起非常关键的作用。实验研究发现未成熟脑由于存在更多的NMDAR,因而更易因NMDAR的兴奋毒性作用而造成脑的严重损伤[18]

    5.2 氧自由基

    HIE的缺血再灌注期由于氧自由基的大量产生,富含脂质的脑组织出现脂质过氧化反应,氧自由基攻击细胞膜,改变细胞膜的通透性,使膜通透开放,导致EAA释放和细胞外的Ca2+内流[18];进一步加重一系列依赖Ca2+的生化反应,最终导致神经元的变性、坏死。
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    5.3 一氧化氮(NO)

    大量研究表明,一氧化氮(NO)在脑缺血或缺血再灌注损伤中具有神经保护和神经毒两种倾向,当缺氧缺血脑损伤发生数分钟内,NO浓度即开始增加,其水平随缺血的发展逐渐降低,但在再灌注期又增加。一般认为NO的合成在缺血的最初几分钟或几小时内对脑具有保护作用,但几小时或数天后则对脑有损害作用。NO的有益作用在于维持脑血流,抑制血小板和白细胞的凝聚与粘着,并阻断NMDAR以防止细胞进一步损害。过量NO的有害作用在于高浓度的NO具有细胞毒作用,并介导NMDAR和谷氨酸诱导的神经毒性而致神经元损害[18]

    5.4 血小板活化因子(PAF)

    已证实在缺血的神经组织中PAF水平较正常高20倍。PAF通过使脑细胞内钙超载,参与一系列炎症反应,在缺血再灌注期产生自由基,使电解质平衡和能量代谢发生障碍,通过脂质过氧化致生物膜裂解导致神经细胞损伤,血脑屏障破坏,并可和其他细胞因子相互作用,加重脑细胞损伤。此外PAF可使脑内EAA增加,与突触后的NMDAR结合,引起Ca2+超载,并可致Ca2+内流,加重脑细胞水肿,加重脑损伤。
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    由此可见,脑缺氧缺血,通过上述各种复杂的机制作用于脑组织:致脑损伤,更加重脑缺血,如此形成恶性循环,产生HIE。

    6 谷氨酸及受体的拮抗剂

    由于EAA和其他受体激动所致神经系统的损害严重,故针对该方面的研究也更显重要,尽管EAA的神经毒性作用不能解释所有与脑缺血相关的损害。目前实验治疗中常选用以下药物:

    6.1 抑制GLU释放药物 BW1003c87-BW619c缺氧前、缺氧过程中及缺氧后使用均能抑制GLU释放;蝇蕈醇可突触部位起抑制GLU作用。

    6.2 非NMDAR受体拮抗剂

    CNQX,犬尿酸,NBQX

    6.3 NMDA受体拮抗剂
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    竞争性拮抗剂:DAP5、D-AP7、CPP

    非竞争性拮抗剂:MK-801、PCP、麻醉药氯胺酮

    6.4 甘氨酸位点拮抗剂:犬尿喹啉酸类。

    6.5 多胺位点的拮抗剂:Epliprodil是一种非典型NMDAR拮抗剂,它与多胺调节位点具有亲和力,并通过作用于多胺调节位点起神经保护作用。

    6.6 受体滥用拮抗剂(RADA)

    近年对脑缺血后兴奋性氨基酸的兴奋毒性的病理过程研究,发现神经苷脂GM1(简称GM1)为一种新型的EAA受体拮抗剂,具有受体滥用依赖性拮抗剂作用(receptor abuse dependent antagonism,RADA)。GM1于脑缺血早期可通过RADA减轻神经元的兴奋性毒性,减轻继发性脑损害,中、后期则通过加强神经元营养因子(Neurnotrophic factor)的作用,促进神经功能恢复。GM1对HIE的作用机理不详,仍需进一步研究探讨。
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    7 展望

    对NMDAR分子生物学的认识,为人们理解正常和病理性情况下NMDAR多功能的作用机理提供了线索。根据该分子的生理和药理特性,选用适当药物阻断其结合位点,使其缺氧缺血后表达水平恢复正常,从而减轻脑缺氧缺血后神经细胞继发性损害,以降低伤残率和提高治愈率。

    作者简介:沈怡,女(1965.11-),硕士,主治医师。

    研究方向:神经内科

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    (收稿:2000-05-12), 百拇医药