鈣離子在創(chuàng)傷性腦損傷中的致病機(jī)制研究

嚴(yán)智 趙天全 王恩任

創(chuàng)傷性腦損傷（traumatic brain injury，TBI）在創(chuàng)傷中的發(fā)生率僅次于四肢骨折，在醫(yī)學(xué)發(fā)達(dá)的今天，神經(jīng)仍嚴(yán)重威脅人類的健康。明確TBI 的發(fā)病機(jī)制，對(duì)有效減少TBI 損害、提高搶救成功率、改善患者預(yù)后具有重要的意義。TBI 誘導(dǎo)的神經(jīng)細(xì)胞凋亡往往伴隨著鈣離子（Ca2+）參與的機(jī)體反應(yīng)，包括細(xì)胞水腫、釋放興奮性氨基酸、氧化應(yīng)激、線粒體功能障礙、鈣蛋白酶激活、神經(jīng)免疫炎癥反應(yīng)等[1,2]。了解Ca2+在TBI 中的作用，有助于TBI 治療的進(jìn)一步發(fā)展和創(chuàng)新，是臨床上提高TBI 療效的重要切入點(diǎn)之一。本文將圍繞Ca2+與TBI 的研究歷史與現(xiàn)狀、維持神經(jīng)元Ca2+穩(wěn)態(tài)的病理生理機(jī)制、Ca2+介導(dǎo)的神經(jīng)細(xì)胞損傷方面，概述Ca2+在TBI 中扮演的重要角色，現(xiàn)綜述如下。

一、TBI 后神經(jīng)元損傷的機(jī)制

TBI 對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的損傷是一個(gè)連續(xù)且復(fù)雜的致病過(guò)程[1]。TBI 后所致神經(jīng)損傷包括原發(fā)性和繼發(fā)性損傷兩大機(jī)制。原發(fā)性損傷是因腦組織受到外力（包括直接暴力、間接暴力、擠壓的機(jī)械破壞）引起的損傷，繼發(fā)性損傷是一種可持續(xù)幾分鐘、幾個(gè)月甚至原發(fā)性損傷后數(shù)年，最終導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)損傷的病理生理事件，包括細(xì)胞缺血、缺氧、死亡[3]。TBI 繼發(fā)性損傷是一個(gè)復(fù)雜的生理病理過(guò)程，其發(fā)生機(jī)制是多因素的，至今有些問(wèn)題仍在探索中。

二、TBI 與Ca2+的關(guān)系

（一）研究歷史與現(xiàn)狀

追溯至19 世紀(jì)末，國(guó)外就有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)TBI 后神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)鈣濃度升高。Miller 等[4]描述了神經(jīng)元內(nèi)Ca2+濃度的變化，作為一種信號(hào)，參與了神經(jīng)元的許多生理過(guò)程。Young 等[5]在20 世紀(jì)總結(jié)提出TBI 后，Ca2+啟動(dòng)并調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)損傷的反應(yīng)，并釋放自由基，損傷神經(jīng)系統(tǒng)。Krebs 等[6]多位科學(xué)家研究指出，Ca2+的穩(wěn)態(tài)是細(xì)胞生理學(xué)和病理學(xué)不可或缺的部分。隨著研究的深入，Ca2+被證明與多類神經(jīng)系統(tǒng)疾病具有相關(guān)性。Ca2+不僅參與TBI 的繼發(fā)性損害，免疫防御，而且Ca2+與認(rèn)知方面及神經(jīng)退行性病變具有明確關(guān)系，細(xì)胞內(nèi)Ca2+穩(wěn)態(tài)失調(diào)是阿爾茨海默病中神經(jīng)功能障礙的常見(jiàn)原因[2,7]。隨著Ca2+與TBI 關(guān)系的深入研究，目前許多學(xué)者提出了新的TBI患者治療靶點(diǎn)，例如，Luo 等[8]研究提示TBI 突觸后支架蛋白Preso 參與一氧化氮（NO）和Ca2+反應(yīng)的調(diào)節(jié)，抑制Preso 可能作為TBI 神經(jīng)保護(hù)的靶點(diǎn)。因此證實(shí)維持Ca2+穩(wěn)態(tài)，對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的正常功能至關(guān)重要。

（二）維持神經(jīng)元Ca2+穩(wěn)態(tài)的病理生理機(jī)制

Ca2+對(duì)維持神經(jīng)元功能尤為重要，維持細(xì)胞內(nèi)外Ca2+平衡是保證細(xì)胞功能的基礎(chǔ)。細(xì)胞主要通過(guò)以下幾種穩(wěn)態(tài)機(jī)制來(lái)控制Ca2+動(dòng)態(tài)穩(wěn)定：（1）Ca2+通過(guò)電壓門控鈣通道（voltagegated calcium channel，VGCC）和受體操作鈣通道（receptoroperated calcium channel，ROCC）；（2）Ca2+緩沖蛋白；（3）細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器中Ca2+的儲(chǔ)存和Ca2+外排。

增加Ca2+水平主要有3 種途徑：（1）通過(guò)ROCC，其是由配體激活的Ca2+通道[9]。N-甲基-D-天冬氨酸（N-methyl-Daspartic acid，NMDA）受體是通過(guò)ROCC 的代表，NMDA 受體被內(nèi)源性配體谷氨酸激活，導(dǎo)致Ca2+通道開(kāi)放，進(jìn)而Ca2+從細(xì)胞外流入細(xì)胞質(zhì)中[10]；（2）通過(guò)幾種類型的VGCC 流入神經(jīng)細(xì)胞，是Ca2+內(nèi)流的主要途徑[11,12]。研究表明不同神經(jīng)元具有幾種不同類型的VGCC 和ROCC，通過(guò)這些特定通道細(xì)胞外的Ca2+流入細(xì)胞內(nèi)；（3）通過(guò)位于細(xì)胞中的細(xì)胞器如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體等儲(chǔ)存或者釋放Ca2+[5]。

相反，細(xì)胞內(nèi)同樣具有降低Ca2+水平的機(jī)制，以維持Ca2+穩(wěn)態(tài)。降低細(xì)胞內(nèi)Ca2+的機(jī)制主要包括3 類[11,12]：（1）Ca2+從細(xì)胞內(nèi)向細(xì)胞外空間通過(guò)鈣泵和Na+/Ca2+交換體擠出，而這依賴于膜Na+-K+-ATP 酶，其稱為質(zhì)膜中Ca2+擠出系統(tǒng)；（2）Ca2+通過(guò)與鈣調(diào)蛋白結(jié)合可以緩沖神經(jīng)元內(nèi)的部分Ca2+；（3）細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器的攝取和儲(chǔ)存作用，Ca2+隔離到細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體及細(xì)胞核中，以維持Ca2+的穩(wěn)態(tài)水平。

（三）鈣介導(dǎo)的細(xì)胞損傷和凋亡機(jī)制

現(xiàn)有研究已證明TBI 后神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)Ca2+水平升高的事實(shí)，早在1996 年，Trump 等[13]就提出了Ca2+對(duì)細(xì)胞凋亡和壞死具有重要作用，其后許多科學(xué)家們先后闡述了TBI 后的損傷機(jī)制，在機(jī)制學(xué)說(shuō)中，Ca2+扮演著重要角色。

1.Ca2+與TBI 后腦水腫：TBI 后腦水腫主要包括兩類，即血管源性腦水腫和細(xì)胞毒性腦水腫。前一類是歸因于TBI 后血腦屏障通透性增加，細(xì)胞外間隙滲透壓增大，超過(guò)血管內(nèi)靜力壓時(shí)血管源性腦水腫形成。后一類在TBI 后，Na+-K+-ATP 酶與Ca2+-Mg2+-ATP 酶活性下降，Na+與Ca2+貯存于細(xì)胞內(nèi)，胞內(nèi)滲透壓升高，水分子滲透于胞內(nèi)導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞腫脹，因而Ca2+在細(xì)胞毒性腦水腫的形成中具有重要作用[14]。

2.Ca2+與興奮性氨基酸毒性：興奮性氨基酸及其受體被異常激活后，對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)具有興奮性毒性。TBI 可異常觸發(fā)谷氨酸和天冬氨酸等興奮性氨基酸失控性的過(guò)量釋放，進(jìn)而對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)造成損傷。在1986 年，Rothman 和Olney[15]通過(guò)一些研究總結(jié)發(fā)現(xiàn)，谷氨酸是一種強(qiáng)大的神經(jīng)毒素，能夠殺死中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的神經(jīng)元。隨后的科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，興奮性氨基酸的毒性是Ca2+依賴性的[16]。其機(jī)制是谷氨酸作用于細(xì)胞膜上的NMDA 受體，一方面使受體依賴性Ca2+通道開(kāi)放，致大量鈣內(nèi)流；另一方面使膜對(duì)Ca2+和Na+的通透性增加，使細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度升高，進(jìn)而造成神經(jīng)元損傷[10,17]。Dorsett等[18]總結(jié)指出谷氨酸等興奮性神經(jīng)遞質(zhì)過(guò)度釋放、大量集聚導(dǎo)致Ca2+大量?jī)?nèi)流，而激發(fā)神經(jīng)細(xì)胞的死亡途徑。

3.Ca2+與線粒體功能障礙（能量匱乏）：線粒體被稱為細(xì)胞的動(dòng)力源，是因其通過(guò)細(xì)胞呼吸產(chǎn)生大量三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）供應(yīng)細(xì)胞活動(dòng)的能量需求。當(dāng)神經(jīng)細(xì)胞外的Ca2+快速流入細(xì)胞內(nèi)后，細(xì)胞內(nèi)的線粒體會(huì)攝取流入的Ca2+，起到對(duì)Ca2+儲(chǔ)存的作用，這對(duì)維持Ca2+穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。但Yokobori 等[19]研究表明，隨著長(zhǎng)時(shí)間的Ca2+流入，線粒體變得過(guò)度負(fù)荷，導(dǎo)致線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔（mitochondrial permeability transition pore，mPTP）開(kāi)放，釋放Ca2+以及各種低分子量和高分子量物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中，進(jìn)而促使Ca2+失衡。Ca2+失衡與功能失調(diào)的線粒體形成惡性循環(huán)，不僅使腦組織的ATP 產(chǎn)生不足，同時(shí)mPTP 的開(kāi)放導(dǎo)致細(xì)胞水腫，加劇神經(jīng)細(xì)胞胞內(nèi)Ca2+超載，進(jìn)而引起神經(jīng)細(xì)胞死亡。TBI 后Ca2+內(nèi)流引起線粒體超負(fù)荷，線粒體功能障礙成為TBI 患者繼發(fā)性損害的一個(gè)重要方面[20]。

4.Ca2+與氧化應(yīng)激：氧化應(yīng)激是指自由基生成與清除劑、抗氧化劑之間的不平衡。通常在TBI 后，神經(jīng)組織中自由基會(huì)增加，主要包括兩大類：活性氮（reactive nitrogen substance，RNS）和活性氧（reactive oxygen substance，ROS）。其中RNS 包括一氧化氮（NO）、過(guò)氧亞硝酸鹽（ONOO-），ROS 主要包括超氧自由基（O2-）、羥基自由基（OH）和過(guò)氧化氫（H2O2）等。Slemmer 等[21]描述了在正常生理?xiàng)l件下，氧自由基受到細(xì)胞防御機(jī)制的嚴(yán)格控制。然而TBI 后，這些防御機(jī)制可能受到損害，形成ROS/RNS，通過(guò)過(guò)氧化作用破壞關(guān)鍵的細(xì)胞組分，例如脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和核酸（DNA 和RNA）。

Ca2+參與調(diào)節(jié)神經(jīng)元中的NO 的產(chǎn)生。早在1996 年，Xia等[22]指出在NMDA 受體激活后，Ca2+流入神經(jīng)細(xì)胞，流入胞內(nèi)的Ca2+與鈣調(diào)蛋白結(jié)合，其結(jié)合物調(diào)節(jié)NO 合成酶產(chǎn)生，NO合成酶促使從L-精氨酸中產(chǎn)生NO。在生理?xiàng)l件下，NO 的水平很低，有助于人體內(nèi)重要的生理過(guò)程，包括腦血管舒張和神經(jīng)傳遞等。TBI 后Ca2+超載通過(guò)上述過(guò)程生成大量NO，其又可以與超氧化物結(jié)合在神經(jīng)細(xì)胞中產(chǎn)生ONOO-，對(duì)蛋白質(zhì)、膜脂質(zhì)和DNA 都具有高毒性[23]。另一方面，一些研究已將氧化應(yīng)激增加與線粒體功能障礙和細(xì)胞骨架損傷加劇聯(lián)系起來(lái)[24]。線粒體功能障礙可引起細(xì)胞內(nèi)生成NO，是顱腦中ROS 產(chǎn)生的重要來(lái)源之一，而Ca2+與線粒體功能障礙密切相關(guān)，同時(shí)Ca2+與鈣調(diào)蛋白的結(jié)合物調(diào)節(jié)NO 合成酶的生成，因此本文推斷細(xì)胞內(nèi)Ca2+的大量增加可加強(qiáng)氧化應(yīng)激對(duì)神經(jīng)細(xì)胞造成的損傷。

5.Ca2+與蛋白酶激活：鈣在TBI 的發(fā)展中起著重要作用。TBI 引起的鈣內(nèi)流可以激活各種蛋白酶并促進(jìn)神經(jīng)元損傷和死亡過(guò)程。關(guān)于實(shí)驗(yàn)性TBI 后鈣蛋白酶激活首次報(bào)道于1996年，Saatman 等[25]通過(guò)Western blot 和免疫組織化學(xué)的方法檢測(cè)到血影蛋白在鈣蛋白酶作用下的進(jìn)行分解，并提出鈣蛋白酶可能在TBI 后的神經(jīng)變性過(guò)程中起重要作用。TBI 后過(guò)量的Ca2+內(nèi)流，通過(guò)NMDA 受體流入激活鈣依賴性蛋白酶，激活的鈣蛋白酶可對(duì)細(xì)胞質(zhì)及細(xì)胞骨架中的結(jié)構(gòu)蛋白進(jìn)行裂解。各種分解產(chǎn)物、裂解的片段被蛋白酶體進(jìn)一步降解，導(dǎo)致神經(jīng)元細(xì)胞死亡，鈣依賴性蛋白酶已被證明其與TBI 誘導(dǎo)的神經(jīng)元死亡有關(guān)[26]?，F(xiàn)鈣蛋白酶切割分解產(chǎn)物，已被廣泛用于TBI 的生物標(biāo)志物研究及臨床診斷中，比如軸突特異性微管相關(guān)蛋白tau、神經(jīng)元特異性烯醇化酶、α-血影蛋白等[27,28]。

三、治療進(jìn)展及展望

TBI 后，Ca2+作為始動(dòng)因素，通過(guò)上述病理生理過(guò)程，引起神經(jīng)元繼發(fā)性損傷。Ca2+在繼發(fā)性腦損傷過(guò)程中扮演了重要的角色，與其發(fā)生、發(fā)展、預(yù)后和治療等方面有著密切的關(guān)系。既往治療策略研究旨在抑制Ca2+流入細(xì)胞，而鈣通道拮抗劑或者M(jìn)g2+拮抗鈣內(nèi)流等治療措施已取得一些臨床療效，但仍缺乏確切改善預(yù)后的臨床療效[29]。目前，針對(duì)TBI 病變的臨床前有效的治療藥物在進(jìn)行臨床試驗(yàn)時(shí)大多被證明療效不確切，其向臨床轉(zhuǎn)化具有挑戰(zhàn)性[30]。當(dāng)下TBI 后圍繞Ca2+的許多神經(jīng)保護(hù)潛在靶點(diǎn)已被確定或正在進(jìn)行研究，國(guó)內(nèi)徐如祥教授團(tuán)隊(duì)研究指出，Wnt5a/Frizzled-2 信號(hào)在調(diào)節(jié)神經(jīng)細(xì)胞中的Ca2+濃度變化中起到重要的作用，提示可作為TBI 研究和治療的靶點(diǎn)[31]。Zhang 等[32]在小鼠TBI 模型研究中指出，線粒體鈣單核細(xì)胞（mitochondrialcalcium uniporter，MCU）可調(diào)控Ca2+的穩(wěn)定，減輕TBI 繼發(fā)損傷，提示MCU 介導(dǎo)的Ca2+阻斷有望成為治療TBI 的新靶點(diǎn)。臨床試驗(yàn)中，Abdoli 等[33]的一個(gè)隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)證實(shí)了鈣拮抗劑在TBI 的治療中對(duì)降低遠(yuǎn)期死亡率是有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的。

綜上所述，TBI 所導(dǎo)致的神經(jīng)損傷由多種途徑共同參與，臨床治療過(guò)程中不僅要關(guān)注原發(fā)性損傷也應(yīng)同時(shí)關(guān)注繼發(fā)性損傷。本文通過(guò)綜述TBI 后Ca2+介導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞病理?yè)p傷的多種機(jī)制，希望有助于TBI 后藥物治療的進(jìn)一步發(fā)展和創(chuàng)新，進(jìn)而降低TBI 患者死亡率，改善TBI 患者的神經(jīng)功能。