右美托咪定神經(jīng)保護作用的信號通路機制研究進展

伏清堯，宋春雨

0 引言

右美托咪定(Dexmedetomidine，DEX)是一種高選擇性、高特異性的α2腎上腺素受體激動劑[1]，其選擇性強，半衰期短，具有鎮(zhèn)靜、鎮(zhèn)痛、催眠、抗焦慮、抑制交感神經(jīng)活性、減少麻醉劑用量、穩(wěn)定血流動力學、呼吸抑制輕等作用。右美托咪定在1999 年就被美國FDA批準用于通氣時間短于24 h的機械通氣患者的鎮(zhèn)靜，于2009年被批準用于手術患者全身麻醉時的輔助用藥。隨著對右美托咪定作用機制的臨床及動物研究愈發(fā)深入，右美托咪定現(xiàn)已不僅僅局限于手術室及重癥監(jiān)護室，還廣泛應用于功能神經(jīng)外科、小兒外科、心血管外科等[2-4]科室?，F(xiàn)就其藥理特性及神經(jīng)保護作用的相關信號通路展開敘述。

1 藥理特性

右美托咪定是與可樂定相似的咪唑類衍生物，主要經(jīng)肝臟代謝，腎臟及消化道排泄。右美托咪定與α2腎上腺素受體呈高度特異性結合(α2∶α1=1 620∶1)，結合率高于可樂定(α2∶α1=200∶1)。α2腎上腺素能受體有3種亞型：α2A、α2B、α2C。右美托咪定作用于分布在大腦內的α2A受體，起到鎮(zhèn)靜催眠、抑制交感活性、對抗傷害性刺激等生理功能；作用于分布在血管平滑肌的α2B受體，起到收縮血管、升高血壓及利尿作用；作用于α2C受體，可調節(jié)認知功能來處理感覺和情緒刺激引起的自發(fā)活動并誘導低溫。右美托咪定產(chǎn)生的藥理作用與上述受體有關：在中樞神經(jīng)系統(tǒng)表現(xiàn)為鎮(zhèn)靜、鎮(zhèn)痛、抗焦慮作用；在呼吸系統(tǒng)表現(xiàn)為減少通氣量、擴張支氣管等作用；在心血管系統(tǒng)表現(xiàn)為血管收縮(α2B)、血管擴張(α2A)及心動過緩等作用；在泌尿系統(tǒng)表現(xiàn)為利尿作用；在內分泌系統(tǒng)表現(xiàn)為去甲腎上腺素、胰島素、皮質醇釋放減少及生長激素釋放增加等作用；在消化系統(tǒng)表現(xiàn)為減弱腸道運動作用。此外，右美托咪定作用于藍斑核的α2腎上腺素受體所介導的催眠類似于生理睡眠。而自然睡眠對維持生理穩(wěn)態(tài)很重要，包括保護免疫功能、恢復身體能量和修復潛在的內在損傷[5]。

2 右美托咪定的神經(jīng)保護作用的相關信號通路

2.1 PI3k/Akt信號通路 PI3k(磷脂酰肌醇激酶)是由調節(jié)亞基p85和催化亞基p110構成的二聚體，通過招募下游分子來激活Akt，Akt是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶，在正常生理條件下被磷酸化激活。PI3k/Akt信號通路激活后，可以通過激活不同的下游分子而產(chǎn)生神經(jīng)保護作用。Peng等[6]探討影響右美托咪定神經(jīng)保護作用的谷氨酸相關機制，以大腦中動脈閉塞(MCAO)作為缺血性腦卒中的模型。在缺血的環(huán)境下，細胞外谷氨酸積累所產(chǎn)生的興奮性毒性可以導致神經(jīng)元死亡，進而導致神經(jīng)功能障礙，而90%的谷氨酸清除依賴于表達于星型膠質細胞的谷氨酸轉運體-1(Glutamate transportre-1，GLT-1)。結果顯示，右美托咪定預處理可上調GLT-1表達，降低梗死體積，改善神經(jīng)功能缺損評分(NDS)。Wang等[7]研究右美托咪定對大鼠七氟醚麻醉誘導所產(chǎn)生的神經(jīng)炎癥的影響，結果表明，七氟醚麻醉誘導大鼠皮質和海馬促炎細胞因子水平升高，同時降低PI3K/Akt/mTOR通路的激活。右美托咪定可抑制促炎細胞因子的表達，并防止PI3K/Akt/mTOR通路失活。Wang等[8]研究右美托咪定對新生兒異丙酚誘導的神經(jīng)凋亡和青少年空間學習/記憶缺陷的影響，結果表明，在反復接觸異丙酚后，觀察到CA1海馬亞區(qū)Akt和GSK3β磷酸化降低，裂解的caspase3表達水平增加，Bax/Bcl2比值增加，末端脫氧核苷酸轉移酶介導的dUTP缺口末端標記陽性細胞增加。與對照組相比，產(chǎn)后29 d的Morris水迷宮實驗也顯示異丙酚治療后的空間學習和記憶缺陷。右美托咪定通過抗凋亡及使中斷的PI3K/Akt/GSK-3β信號通路正常化，改善了新生兒異丙酚接觸引起的神經(jīng)認知障礙。Li等[9]在成年雄性SD大鼠大腦中動脈閉塞(MCAO)模型中，觀察在MCAO前30 min給予右美托咪定后神經(jīng)功能缺損評分、腦梗死面積及神經(jīng)元存活情況。結果顯示，右美托咪定治療缺血再灌注(I/R)大鼠，不僅降低了神經(jīng)功能缺損評分和腦死面積，而且改善了缺血半暗帶神經(jīng)元的存活率。

右美托咪定通過激活α2腎上腺素能受體，進而激活PI3k/Akt通路。激活的PI3k/Akt通路能激活不同的下游分子：①該通路的激活能直接增加星形膠質細胞中GLT-1的水平，清除細胞外積累的谷氨酸，從而減少神經(jīng)元的死亡。②該通路能激活mTOR(哺乳動物雷帕霉素靶蛋白)，mTOR能引發(fā)兩個生理效應，不僅能磷酸化下游效應器(核糖體蛋白s6激酶1、eIF4E結合蛋白)來促進翻譯的起始和延伸，還能調節(jié)泛素-蛋白酶體系來抑制NF-κB信號，從而抑制促炎細胞因子(IL-6、IL-8、TNF-6)的表達，減少神經(jīng)炎癥。③活化的Akt(p-Akt，Ser)能使糖原合成酶激酶-3β(GSK3β)在Ser處磷酸化，降低GSK3β的活性。GSK3β在Ser處的磷酸化可負性調節(jié)促凋亡活性，減少凋亡標記物(Bax)的產(chǎn)生，從而減輕海馬細胞凋亡，改善海馬相關任務的長期記憶；除此之外，GSK3β還參與多種信號通路，Wnt信號是其中之一。Wnt/β-catenin是經(jīng)典的途徑，β-catenin作為GSK3β的下游效應分子發(fā)揮作用。GSK3β能磷酸化β-catenin并在細胞質中降解。因此，抑制GSK3β活性可使β-catenin在胞漿中穩(wěn)定和積累，并且β-catenin能穿梭于細胞核，與轉錄因子TCF/LEF結合形成轉錄復合物，激活或抑制重要的靶基因。非經(jīng)典Wnt/Ryk信號通路可以調節(jié)神經(jīng)元興奮性和脊髓突觸可塑性[10]。

2.2 Drp1-Bax信號通路 作為GTPase家族的成員，Drp1與線粒體的形態(tài)、分布、重塑以及神經(jīng)元損傷和突觸變性的激活有關。激活的Drp1通過誘導Bax的線粒體易位，增加細胞色素C的釋放并激活caspase-3/-9信號通路，進而增強細胞凋亡作用；此外，Drp1還能介導細胞的代謝紊亂并抑制線粒體內谷胱甘肽的水平以削弱自由基清除能力，進一步增加線粒體活性氧(ROS)的產(chǎn)生，加重線粒體功能障礙，由此形成惡性循環(huán)[11]。Shan等[12]將孕20 d的大鼠暴露于3%七氟醚中4 h，在暴露于七氟醚或對照氣體前15 min，分別腹腔注射生理鹽水和右美托咪定。研究結果表明，孕晚期七氟醚麻醉可引起仔鼠海馬神經(jīng)元損傷，且隨著Drp1和Bax表達增加，Bcl2表達下降。右美托咪定可以通過抑制Drp1和Bax的激活來顯著抑制Drp1相關的線粒體動力學異常，從而減輕神經(jīng)損傷實現(xiàn)神經(jīng)保護作用。

2.3 PGC-1α信號通路 過氧化物酶體增殖物激活受體-γ共激活因子-1α(PGC-1α)是一種多功能蛋白，在許多神經(jīng)系統(tǒng)疾病中起著重要作用。它能促進炎癥因子的表達及招募炎癥細胞，并誘導新生血管的生成，形成抗炎環(huán)境來發(fā)揮抗炎作用，進而減輕細胞損害。Li等[13]在腦外傷模型中評估了右美托咪定的神經(jīng)保護作用及其可能機制，研究表明，右美托咪定減輕了腦水腫和神經(jīng)元細胞凋亡，提高了行為功能。創(chuàng)傷性腦損傷(TBI)后，PGC-1α蛋白從細胞質向細胞核移動，使核PGC-1α水平顯著升高，DEX促進了這種轉運。與對照組相比，TBI組PGC-1α信號通路相關蛋白的表達增加，提示創(chuàng)傷性腦損傷抑制PGC-1α信號通路的激活。TBI+DEX組PGC-1α高表達，提示右美托咪定激活了PGC-1α信號通路的活性，從而發(fā)揮其神經(jīng)保護作用。

2.4 Nrf2/HO-1信號通路 Nrf2是一種重要的保護性蛋白，在細胞適應氧化應激的過程中起著關鍵作用，它能提高a相酶的活性，如醌氧化還原酶1(NQO1)與血紅素加氧酶-1(HO-1)。血紅素加氧酶(HO)是血紅素分解代謝中的限速酶,有3種同工酶：HO-1、HO-2和HO-3，其中HO-1為誘導型，又稱熱休克蛋白32 (HSP32)，主要分布于肝、脾、骨髓等組織[14]。HO-1作為體內重要的抗氧化酶，通過酶解產(chǎn)物(膽紅素、CO)發(fā)揮抗氧化、抑制細胞凋亡、調節(jié)炎癥、促進血管生成、改善微循環(huán)等保護作用。Li等[15]探討了右美托咪定應用于創(chuàng)傷性腦外傷TBI是否能減輕神經(jīng)炎癥誘導的細胞凋亡，結果表明，創(chuàng)傷性腦外傷刺激大鼠出現(xiàn)明顯的神經(jīng)細胞凋亡，而創(chuàng)傷性腦外傷+DEX組神經(jīng)細胞凋亡較少。正是由于右美托咪定促進了Nrf2從細胞質向細胞核的遷移并與細胞核中抗氧化反應元件序列結合，上調Nrf2下游因子HO-1和NQO-1的表達，顯著抑制炎癥反應因子TNF-α、IL-1b、NF-jB和IL-6的表達，從而減少神經(jīng)元凋亡實現(xiàn)神經(jīng)保護作用[16]。

2.5 TSC2/mToR信號通路 結節(jié)性硬化癥復合物2 (Tuberous sclerosis complex 2，TSC2)的基因產(chǎn)物被認為是一種腫瘤抑制因子，能夠刺激特定的GTP酶。雷帕霉素的哺乳動物靶點(mTOR)對自噬有負性調節(jié)，TSC2通過負調控mTOR通路增強自噬，實現(xiàn)神經(jīng)保護作用。自噬是真核細胞的Ⅱ型程序性死亡，它與凋亡不同，能使細胞在饑餓時補充能量并產(chǎn)生合成代謝反應的底物。Zhu等[17]探討了右美托咪定對星形膠質細胞的保護作用與自噬密切相關TSC2/mTOR信號通路的關系，研究結果表明，右美托咪定可通過TSC2/mTOR途徑促進或增強氧葡萄糖剝奪(Oxygen-glucose deprivation，OGD)后星形膠質細胞的自噬，提高OGD后3 h星形膠質細胞的存活率和凋亡率。右美托咪定能夠激活TSC2，后者能抑制mTOR磷酸化，從而誘導和增強自噬來實現(xiàn)對星狀神經(jīng)節(jié)的保護效應。

既往研究表明，DEX通過促進缺氧誘導因子1α(HIF-1α)的表達來抑制神經(jīng)元自噬，從而保護局灶性腦缺血。而Zhu等[17]研究認為，DEX的神經(jīng)保護作用也可能與通過TSC2/mTOR途徑增強的星形膠質細胞自噬有關。當腦缺血再灌注時，自噬可能在不同的神經(jīng)細胞(如神經(jīng)元、星形膠質細胞、小膠質細胞)中發(fā)揮不同的作用。由于自噬不僅出現(xiàn)在生理過程中，還能出現(xiàn)在病理過程中，因此，它對缺血大腦的作用尚不清楚，需進一步研究闡明。

2.6 TLR4/ NF-βB信號通路 Toll樣受體(Toll-like receptors，TLRs)是參與非特異性免疫(天然免疫)的一類重要蛋白質分子，也是連接非特異性免疫和特異性免疫的橋梁。其中，TLR4是介導內毒素/脂多糖應答最主要的受體。TLR4可識別細菌脂多糖，并感知內源性配體，包括透明質酸、氧化低密度脂蛋白和熱休克蛋白。TLR4與配體的接觸通過細胞內信號轉導域觸發(fā)細胞信號級聯(lián)，激活核因子-βB (Nuclear factor-kappa B，NF-βB )和絲裂原活化蛋白激酶信號通路，從而誘導炎癥基因的表達。Cheng等[18]研究了在大鼠缺血再灌注模型中，TLR4受體激動劑脂多糖是否能阻斷右美托咪定的神經(jīng)保護作用，結果表明，右美托咪定預處理可減少缺血引起的海馬CA3區(qū)形態(tài)學改變和TLR4表達下調，但與TLR4激動劑脂多糖共同治療可部分阻斷這些神經(jīng)保護作用。因此，右美托咪定通過抑制TLR4在缺血再灌注損傷中的表達，從而抑制各種炎癥細胞因子的激活來發(fā)揮多器官保護作用。

2.7 GSK-3β/CRMP2和CDK5/CRMP2信號通路 糖原合成酶激酶-3 (Glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β)是一種在進化上非常保守的絲氨酸/蘇氨酸激酶，能作用于眾多信號蛋白、結構蛋白和轉錄因子，調節(jié)細胞的分化、增殖、存活和凋亡。細胞周期素依賴蛋白激酶5(Cycline dependent kinase-5，CDK5)是由脯氨酸引導的絲氨酸/蘇氨酸激酶，作為一種多功能激酶，其主要功能是參與神經(jīng)細胞遷移、軸突導向、突觸發(fā)生與傳遞。近年的研究發(fā)現(xiàn)，CDK5在多種組織中表達，通過磷酸化不同的調節(jié)底物發(fā)揮多種生物學作用。膠原反應介質蛋白2(Collapsin response mediator protein 2，CRMP2)結合微管蛋白微管和肌動蛋白絲在內的神經(jīng)細胞骨架網(wǎng)絡，在軸突引導、樹突棘及突觸可塑性的發(fā)育中發(fā)揮重要作用，CRMP2磷酸化可以降低與這些細胞骨架蛋白的親和力。GSK-3β、CDK5、熱激酶(Rho-kinase，RhoA)分別在Thr514、Ser522、Thr555位點磷酸化其下游靶點CRMP2，降低CRMP2與細胞骨架蛋白的親和力，從而調節(jié)神經(jīng)元微管、肌動蛋白動力學、樹突棘和突觸的發(fā)育。Li等[19]將7 d齡SD大鼠用異丙酚麻醉6 h，在異丙酚暴露前給予不同濃度的DEX，旨在探討GSK-3β、CDK5和RhoA通路是否參與右美托咪定的神經(jīng)保護，結果顯示，右美托咪定通過抑制新生大鼠海馬GSK-3β/CRMP2和CDK5/CRMP2通路的激活，降低異丙酚引起的神經(jīng)毒性和神經(jīng)認知障礙。右美托咪定能夠抑制CRMP2在Thr514和Ser522的磷酸化來降低GSK-3β/CRMP2和CDK5/CRMP2通路的激活，從而抑制神經(jīng)元凋亡來實現(xiàn)神經(jīng)保護作用。

2.8 Erk1/2/CREB/BDNF信號通路 cAMP反應元件結合蛋白(cAMP response element-binding protein，CREB)是一種在大腦中廣泛表達的核轉錄因子，在腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子 (Brain-derived neurotrophic factor，BDNF)轉錄調節(jié)中發(fā)揮重要功能，CREB蛋白的生物學活性受其磷酸化狀態(tài)的調控，只有磷酸化的CREB才能激活下游基因的表達[20]。胞外信號通過第二信使的介導激活多種蛋白激酶(如蛋白激酶Erk1/2)，蛋白激酶Erk1/2催化CREB第133位絲氨酸的磷酸化，磷酸化后的CREB活性增強，進而與BDNF啟動子結合，CREB能促進BDNF基因及抗凋亡蛋白基因Bcl-2的表達，BDNF通過調節(jié)海馬突觸可塑性和促進神經(jīng)發(fā)生來實現(xiàn)神經(jīng)保護作用[21-22]。Tu等[23]將原代海馬神經(jīng)元在體外培養(yǎng)8 d，評估右美托咪定對建立的異丙酚誘導的體外發(fā)育性腦損傷模型的保護作用。結果顯示，異丙酚顯著降低細胞活力，誘導神經(jīng)元凋亡，下調BDNF mRNA的表達，下調磷酸-Erk1/2(p-Erk1/2)、磷酸-CREB(p-CREB)和BDNF蛋白的表達。右美托咪啶預處理提高了神經(jīng)元活力，減輕了異丙酚誘導的神經(jīng)元凋亡，挽救了異丙酚誘導的BDNF mRNA和p-Erk1/2、p-CREB和BDNF蛋白水平的下調。

右美托咪定通過與咪唑啉I1受體結合并激活蛋白激酶Erk1/2，級聯(lián)激活 Akt和Erk1/2信號通路下游的轉錄因子CREB，從而使轉錄產(chǎn)物BDNF和抗凋亡因子Bcl-2的表達增加，以此對異丙酚誘導的神經(jīng)毒性提供神經(jīng)保護作用。

3 結論

目前的研究顯示，右美托咪定的神經(jīng)保護作用較為肯定，能調節(jié)神經(jīng)細胞的凋亡和自噬，也能抑制神經(jīng)炎癥和氧化應激，并且能減輕麻醉藥物所導致的神經(jīng)損傷，促進神經(jīng)的發(fā)生。其神經(jīng)保護作用及作用機制還有待更多的動物試驗及臨床實驗進行探究。