钙信号在糖尿病周围神经病变中感觉神经元和神经胶质细胞功能异常的研究进展

薛 芸，梁尚栋

(南昌大学基础医学院生理学教研室，江西 南昌 330006)

钙信号在糖尿病周围神经病变中感觉神经元和神经胶质细胞功能异常的研究进展

薛 芸，梁尚栋

(南昌大学基础医学院生理学教研室，江西 南昌 330006)

在周围神经系统中，钙信号是信息处理的基础，几乎所有的生理活动都受到Ca2+的调控。Ca2+可调节细胞功能，钙信号和钙稳态直接与神经病变有关。近年来，钙信号功能的报道，为研究糖尿病周围神经病变发病机制及其治疗方向提供了新的思路。该文从钙信号与糖尿病周围神经病变中感觉神经元和神经胶质细胞的关系等方面进行综述。

钙信号；钙稳态；糖尿病周围神经病变；感觉神经元；神经胶质细胞；周围神经系统

钙信号是当细胞受到各种刺激时，导致细胞外钙离子进入细胞或胞内钙库钙离子释放，提高胞质内的游离钙离子(calcium ion, Ca2+)浓度，成为引起细胞反应的信号。糖尿病周围神经病变的发病机制与神经元和神经胶质细胞的功能异常有关，在神经元和神经胶质细胞中，Ca2+稳态失常和异常的Ca2+信号传导可导致多种形式的神经病变。在糖尿病疾病中，神经元和神经胶质细胞都有代谢应激和线粒体功能障碍的表现，这些表现也导致Ca2+稳态失常和异常的Ca2+信号传导，从而产生细胞病理性反应，加速糖尿病周围神经病变的恶化。因此，对钙信号进行研究可为糖尿病周围神经病变治疗提供帮助，本文将从钙信号与糖尿病周围神经病变中感觉神经元和神经胶质细胞的关系等方面进行综述。

1 Ca2+信号与神经病变

Ca2+信号在细胞信号转导中具有十分重要的作用，是细胞内的第二信使，与细胞生长密切相关，细胞内钙离子浓度对触发神经递质释放和调节突触可塑性有重要作用[1]。在神经胶质细胞中，被定义为周围神经系统稳态细胞的钙信号为细胞兴奋性提供底物，并包含在局部和远程的信号中，后者通过胶质合胞体介导钙波的传导。

正常生理状态下，大多数神经元胞质内游离Ca2+(intracellular Ca2+concentration,[Ca2+]i)浓度在10-7mol·L-1左右，当受到外界刺激时，[Ca2+]i可迅速增加100倍以上。实际上，直接调节离子通道、改变酶活性以及基因表达等多种机制均能调节[Ca2+]i的变化。细胞内环境的Ca2+活动，是维持Ca2+稳态的主要原因，Ca2+浓度梯度由主动转运下的信号功能产生，因细胞膜通透性改变，可快速改变游离Ca2+浓度，使Ca2+内流；这些Ca2+的变化成为Ca2+敏感酶充当触发或中止细胞生理效应的感受器。神经元和神经胶质细胞Ca2+信号产生的机制不同，前者主要依赖电压门控通道使Ca2+进入，介导Ca2+从胞内释放，后者主要采用三磷酸肌醇(inositol triphosphate, IP3)诱导Ca2+释放，这些差异的生理反应特点表明神经末梢的神经递质快速释放或神经胶质细胞相对较慢的钙波都与神经活性物质的分泌有关[2-3]。

Ca2+能调节大量的细胞功能，钙稳态和Ca2+信号异常直接与神经病变有关[4]。Ca2+是细胞存活和死亡的媒介，Ca2+在控制细胞生存和死亡中产生作用这一观点最早由悉尼格林提出[5]，增加胞内Ca2+浓度与细胞死亡有直接关联已在20世纪70年代提出[6]，不久后就确立了Ca2+调控细胞死亡的概念[7]。异常的Ca2+信号是导致细胞坏死或程序性死亡(细胞凋亡、自噬、失巢凋亡)的主要媒介，同时在缺血条件下大量的Ca2+进入神经细胞，进而确定Ca2+介导的兴奋性中毒是病理学上神经细胞死亡的主要触发机制[8]。

Ca2+对神经元的可塑性变化也有非常重要的作用，Ca2+的病理性重塑涉及许多神经病变的发病机制。较小的、缓慢的Ca2+信号改变都可能影响突触连接、神经元的代谢和生存，这些Ca2+依赖的病理变化被称为“钙离子病变”，它与多种神经功能和神经心理障碍相关，这些病变包括局部缺血、恶性高热、严重抑郁症、自闭症谱系障碍、癫痫、偏头痛和神经退行性疾病[9]。

2 感觉神经元和神经胶质细胞中的钙信号

2.1 背根神经节神经元中的钙信号 糖尿病引发的高血糖及其引起的代谢紊乱也可导致外周神经系统损伤。糖尿病动物模型和糖尿病患者均可检测到异常的钙离子信号变化[10]。背根神经节(dorsal root ganglia, DRG)神经元的钙库包括Ca2+渗透通道、细胞内Ca2+释放通道、质膜和内质网Ca2+泵、线粒体Ca2+转运体和Na+/Ca2+交换体。不同类型的神经元表达的元件不同，DRG神经元表达各种电压门控钙离子通道，包括L型钙离子Cav2.3和Cav1.3通道、N型钙离子Cav2.2通道、R型钙离子Cav2.3通道和T型钙离子Cav3通道，其中T型钙离子Cav3主要通道是Cav3.2[11]。P2X受体是非选择阳离子通道，其兴奋以Ca2+内流为主。DRG神经元表达各种P2X受体亚型，从P2X1到P2X7，其中P2X2受体和P2X2/3受体的表达最丰富[12]。钙离子也可通过瞬时感受器电位(transientreceptor potential, TRP)通道进入DRG神经元，DRG中由辣椒素激活的瞬时受体电位通道香草醛亚型-1(transient receptor potentialvanilloid-1, TRPV1)通道的表达量最高[13]。感觉神经元也有发达的钙库，可以通过激活兰尼碱受体(ryanodine receptor, RyR)和IP3受体释放Ca2+。

2.2 神经胶质细胞中的钙信号 神经胶质细胞在糖尿病神经病理性疼痛的发生与发展中具有重要作用。代谢型激动剂刺激IP3受体介导的内质网钙释放，是卫星胶质细胞(satellite glial cells, SGCs)的Ca2+信号产生的引导机制。SGC表达代谢型P2Y1,2,4,6,12,13受体，同时也表达功能性P2X受体。病理状态下SGC的P2X7表达增加，继而可影响Ca2+信号[14]。SGCs的钙信号可引发Ca2+波通过缝隙连接传播到连接相关细胞形成功能合胞体。病理状态下可使SGC介导的Ca2+波增强，并传递至邻近的神经元，导致神经元出现异常兴奋。轴突电活动触发在轴突周和突触周施万细胞(schwann cells，SCs)的Ca2+信号，Ca2+的移动可能涉及Ca2+进入细胞内以及细胞内Ca2+的释放。体外实验已经确定SCs中存在电压依赖性钙离子T型通道和L型通道，SCs与神经元共培养及神经元活动可增加这些通道的表达。SCs也表达几种钙内流的P2X嘌呤受体亚型，其中包括P2X7受体，病理状态下较高浓度的三磷酸腺苷(adenosine triphosphate, ATP)激活P2X7受体后可导致大量Ca2+内流[15]。SCs还携带多种类型的代谢型受体，尤其是毒蕈碱乙酰胆碱受体、P2Y嘌呤受体、A1腺苷受体(A1受体激活可激发内质网中IP3介导的Ca2+释放)[16]。

3 糖尿病异常的钙信号

3.1 糖尿病周围神经病变的钙稳态失常 糖尿病引发的高血糖及其引起的代谢紊乱也可导致神经系统损伤。导致线粒体功能障碍的主要原因为Ca2+稳态失常和相关的线粒体缓冲Ca2+功能受损，同时形态扭曲的线粒体功能活动通过限制性ATP依赖性转运影响Ca2+稳态。糖尿病动物模型扰乱DRG神经元中的Ca2+稳态[17]，包括[Ca2+]i平稳增加、低阈值或高阈值的Ca2+电流升高和去极化诱导的[Ca2+]i信号振幅减少。通过抑制肌质网内质网Ca2+ATP酶(sarcoplasmic and endoplasmic reticulum Ca2+-ATPase, SERCA)活性表达来介导糖尿病触发的腔内Ca2+释放减少，SERCA运输缺乏，在疾病早期发生内质网(endoplasmic reticulum,ER)Ca2+稳态异常，这早于表皮内神经纤维(innervation of intraepidermal nerve fibers, IENF)的缺失，并首先出现在有最长的轴突神经元中。ER和管腔内Ca2+浓度的改变直接影响与翻译后折叠蛋白相关的内质网内分子伴侣(钙网蛋白、钙联接蛋白、分子伴侣葡萄糖调节蛋白78/BIP、内质蛋白或葡萄糖调节蛋白质、葡萄糖调节蛋白94)[18]。最近研究显示内质网应激增强存在于糖尿病前期，1型和2型糖尿病大鼠的神经和脊髓背角[19-20]，上述强调的钙稳态异常是ER应激反应的关键媒介。

糖尿病损害了轴突中的钙信号，这是糖尿病诱导的神经变性导致周围神经病变的主要原因[20]。在糖尿病大鼠动物模型的轴突中，可以观察到去极化诱导的Ca2+升高现象明显减弱。同时，去极化诱导的钙瞬变的恢复在糖尿病型初级感觉神经元中明显延长，用线粒体解偶联剂可阻断线粒体钙吸收，羰基氰-3 -氯苯腙(一种强效的线粒体氧化磷酸化解偶联剂)可阻止上述延长现象[21]。

3.2 ER应激和钙信号 ER是真核细胞重要的细胞器，是细胞内Ca2+的主要储存场所。许多细胞功能均需要ER Ca2+的诱导，其作用涉及肌肉收缩、腺体分泌、认知功能、受精等。与此同时，ER Ca2+的消耗也会导致ER应激。如果应激条件持续存在，ER应激最终可触发细胞死亡，随后导致不同的病理变化(如发生胰岛素抵抗、糖尿病及其并发症等)[22]。ER通过初期释放Ca2+与蛋白质结合来最大限度地减少管腔Ca2+，并通过快速激活存储的Ca2+进入ER来限制Ca2+消耗。如果这些机制失效，ER应激随之减慢，此时通过增加蛋白(如SERCA)的表达来促进ER Ca2+稳态平衡。SERCA功能的实现需要线粒体产生ATP，从这个层面上来讲ER和线粒体有着紧密的联系。

糖尿病通过降低ER Ca2+来破坏在初级感觉神经元中的ER Ca2+稳态从而减少Ca2+释放，实际上，在糖尿病DRG神经元中从ER释放的Ca2+是明显下降的。低剂量离子霉素(ionomycin，一种链霉菌属的抗生素，是对Ca2+有亲和力的离子载体)、咖啡因或ATP(肌醇-1,4,5 -三磷酸肌醇受体代谢型激动剂)诱导的Ca2+释放，可在链脲佐菌素(Streptozotocin, STZ)糖尿病动物模型的初级感觉神经元中明显降低[23]。此外，与颈椎和胸椎DRG相比，腰椎L1～L6 DRG ER Ca2+含量的降低更明显。糖尿病初级感觉神经元中，ER腔内游离钙离子浓度和Ca2+摄取速度的降低，与糖尿病动物模型 L4～L5 DRG匀浆中肌质网内质网钙三磷酸腺苷酶低表达有关[21]。

3.3 异常的钙电流和糖尿病神经病理痛 最近根据糖尿病神经病理痛实验动物模型的研究结果提出了疼痛产生的三个基本机制：① 过度兴奋的感觉神经元；② 脊髓中异常的感觉信号处理过程；③ 外周感觉神经系统来源的疼痛引发的中枢神经系统自发性活动。第一个机制可能涉及异常的钙信号。研究证明糖尿病感觉神经元的钙电流增加与来自T型钙通道的升高的电流密度有关。STZ诱导的糖尿病大鼠痛觉过敏的早期表现为在大、中型核周体中Cav3.2 T型钙通道的表达和活性均上调，而使用特定受体阻断或反义寡核苷酸阻断Cav3.2通道功能糖尿病大鼠或ob/ob 2型糖尿病小鼠的痛觉过敏均受到抑制[24]。

3.4 糖尿病神经病变的SCs 糖尿病神经胶质细胞的钙信号研究仍然十分有限，然而有证据表明暴露在高葡萄糖或糖尿病血清处理后的在体或离体糖尿病模型的SCs受到损害，生化及生理机能被重塑[25]。在伴随髓磷脂降解的糖尿病患者和糖尿病动物模型中频繁观察增殖性和退行性的SCs表型，高血糖和升高的细胞内糖浓度会通过激活醛糖还原酶来加强多元醇通路的活动，醛糖还原酶抑制剂可以纠正SCs生化过程中的异常。在糖尿病神经中，细胞氧化还原状态的改变和氧化应激的产生是多元醇活性和山梨醇氧化增强的结果[23]，高血糖表现出SCs迁移和增殖能力的下降，这也反过来影响轴突的再生，这些SC的异常反应也被暗示是由内皮素受体介导的[26]。糖尿病还会减弱SC产生神经生长因子、睫状神经营养因子和神经营养因子-3等生长因子。此外，在高血糖条件下，小窝蛋白的表达被抑制，SCs的神经调节蛋白-1增加激活ErbB2受体，SC与神经元共培养出现脱髓鞘现象，1型糖尿病小鼠神经病变加重[27]。α-硫辛酸[28]、丹酚酸[29]或传统中药附子[30]能阻止高葡萄糖诱导的氧化应激和SCs的凋亡，然而SCs的退化发生在出现SC凋亡的糖尿病患者或糖尿病动物模型的神经元的证据不足。

4 展望

综上所述，在外周神经系统中，包含Ca2+信号的复杂细胞间相互作用使神经元和神经胶质细胞功能相统一。在糖尿病的初级感觉神经元和神经胶质细胞中的代谢应激和线粒体功能障碍会导致Ca2+稳态和Ca2+信号异常(包括损害线粒体的钙储存)，而Ca2+信号异常参与糖尿病周围神经病变的发展。因此，对Ca2+信号与糖尿病周围神经病变的关系进行研究有助于更深层次的了解糖尿病周围神经病变的发病机制，维持Ca2+信号稳态有望成为糖尿病周围神经病变防治的新靶点。

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Progress of calcium signaling in sensory neurones and neuroglial cell in diabetic peripheral neuropathic dysfunction

XUE Yun, LIANG Shang-dong

(DeptofPhysiology，BasicMedicalCollegeofNanchangUniversity，Nanchang330006，China)

Ca2+signaling is fundamental for information processing in the peripheral nervous system, which regulates a variety of physiological activities.Ca2+signaling and calcium homeostasis are directly associated with neuropathology. Recently, studies on Ca2+signaling contribute to a deeper comprehension of the pathogenesis of diabetic peripheral neuropathies, which provide a new research direction for the treatment of diabetic peripheral neuropathies. This review aims to highlight the relationship between calcium signaling, sensory neurones and neuroglial cells in the context of diabetic peripheral neuropathies.

calcium signaling; calcium homeostasis; diabetic peripheral neuropathy; sensory neurones;peripheral nervous system glial cells; peripheral nervous system

时间：2017-3-4 11:49

http://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1086.R.20170304.1149.008.html

2016-10-17,

2016-12-05

国家自然科学基金资助项目(No 81171184，81570735，31560276) ；江西省科技支撑计划-社会发展支撑计划重点项目(No 20151BBG70250) ；江西省自然科学基金资助项目(No 20142BAB205028) ；江西省教育厅基金资助项目(No GJJ14319)

薛 芸(1991-)，女，硕士，研究方向：神经生理与病理生理学，E-mail: xueyun1102@126.com； 梁尚栋(1957-)，男，博士，教授，博士生导师，研究方向：神经生理与神经药理学，通讯作者，E-mail: liangsd88 @163. com

10.3969/j.issn.1001-1978.2017.03.004

A

1001-1978(2017)03-0308-04

R-05；R329.24；R338.1；R348.1；R587.2；R745