钠氢通道1在脑缺血再灌注损伤中的相关机制研究进展

周 炬 综述，刘红亮 审校

(重庆市肿瘤研究所麻醉科 400030)

钠氢通道1在脑缺血再灌注损伤中的相关机制研究进展

周 炬 综述，刘红亮△审校

(重庆市肿瘤研究所麻醉科 400030)

脑缺血；再灌注；再灌注损伤；钠氢通道1

大脑发生缺血一段时间后再恢复血供，不仅不能改善脑缺血的症状，还会引起更加严重的脑功能障碍，该现象被称为脑缺血再灌注损伤。各种疾病(脑卒中)、创伤，以及手术(颈内动脉内膜切除术，动脉瘤修补术)都是脑缺血再灌注损伤的常见原因。脑缺血再灌注损伤的机制复杂，缺血和再灌注过程通过引起一系列细胞、分子及其调节过程的变化损伤脑功能，其中主要包括离子失衡、血脑屏障破坏、氧化应激、炎症反应、细胞凋亡等。

钠氢通道(Na+-H+Exchanger，NHE)家族是细胞膜上普遍存在并广泛表达的一种蛋白离子通道，对维持细胞内pH以及细胞体积稳定至关重要[1-2]。NHE-1离子通道是NHE家族的重要亚型，其在脑组织分布广泛。近年来研究发现，该离子通道的激活与脑缺血再灌注损伤有密切联系[2]，通过阻断NHE-1离子通道可以改善大脑缺血再灌注损伤。本文将从离子失衡、细胞水肿、炎症反应、细胞凋亡4个方面描述NHE-1在脑缺血再灌注损伤中的作用，并探讨未来对脑缺血再灌注损伤的保护策略。

1 离子失衡

中枢神经系统作为高代谢器官对缺血缺氧异常敏感，短时间的缺血、缺氧即可引起脑组织细胞无氧代谢增加，从而导致细胞内酸中毒。而神经元细胞及胶质细胞对酸中毒极为敏感，因此，有效的细胞内pH调节机制对于脑保护至关重要，而NHE-1的主要生理功能即调节细胞内pH[3]。组织缺血、缺氧的情况下，细胞内H+浓度增加,细胞内出现酸中毒，为纠正细胞内酸中毒NHE-1被激活，Na+和H+以1∶1的形式反向交换，细胞内H+被排出细胞的同时将细胞外的Na+交换到细胞内。而NHE-1的过度激活导致细胞内Na+超载，进而激活钠钙离子通道(Na+-Ca2+Exchanger,NCX)，引起细胞内Ca2+超载，造成细胞损伤。在其他细胞，如内皮细胞、心肌细胞及肺泡上皮细胞，都已经证实了NHE-1的阻滞剂能够保护由缺血再灌注中引起的钙离子介导的细胞损伤[4-5]。

Luo等[6]观察到在脑缺氧无糖损伤(OGD)3h，再灌注(REOX)1h后神经细胞内Na+浓度增加了7倍，而细胞内Ca2+浓度增加了1.5倍，再灌注21h后发生了(68±10)%的神经细胞死亡。在运用NHE-1特异性阻滞剂HOE642后，OGD引发的神经细胞死亡减少40%～50%，并且细胞内Na+和Ca2+的蓄积出现了明显的缓解。

脑缺血、缺氧后，细胞内酸中毒导致星形胶质细胞肿胀，而这种现象与星形胶质细胞上的NHE通道激活有关。Kintner等[7]认为，NHE-1是星形胶质细胞中管理细胞内pH的主要离子通道，缺血导致的NHE-1基因敲除后的小鼠星形胶质细胞离子失衡以及细胞肿胀减轻，而运用NHE-1特异性抑制剂HOE642的实验组也观察到同样的结果。缺血后的野生型小鼠离体皮质星形细胞的NHE-1活性提高，缺血2h后细胞内Na+增加了5倍，26%的细胞出现了水肿。作者认为对野生型小鼠使用HOE642同样可以减少缺血导致的星形胶质细胞离子失衡及细胞肿胀，具体机制可能与两者都能抑制NHE-1相关。

小胶质细胞是一种在神经受损等病理情况下被激活的细胞[8-10]，它的激活与细胞吞噬、增殖、释放氧活性物质相关。NHE-1通过活化的小胶质细胞，参与维持细胞内的pH及离子平衡。Liu等[11]证明了NHE-1在小胶质细胞上的表达，又观察到缺血再灌注后小胶质细胞内Na+和Ca2+浓度增加。活化的小胶质细胞膜上NHE-1被过度激活，细胞内钠钙离子蓄积，细胞内离子失衡，活性物质释放，引起神经细胞的损失[12]。

脑细胞内的碱化被认为是由脑缺血、缺氧引发的，而持续性的细胞内碱化可能与脑缺血、缺氧后NHE-1过度被激活引起细胞内离子失衡相关。离子失衡是新生儿缺血、缺氧(HI)后的重要生理改变，且可能是HI导致脑损伤的直接原因[2]。最近的研究表明，在新生儿脑缺血、缺氧模型中运用NHE-1特异性抑制剂HOE642有神经保护作用，HOE642保存了海马体结构的完整性，并且减少了神经元的退行性变[6]。这些发现都证明了NHE-1过度激活介导的离子失衡可能是新生儿缺血、缺氧后脑损伤最重要的原因。

2 脑细胞水肿

血脑屏障是毛细血管与脑实质间的物理和代谢屏障，主要维持中枢神经功能的稳定。血脑屏障主要由毛细血管内皮细胞和细胞间的缝隙连接形成。脑细胞缺氧后会导致细胞间紧密连接的破坏，细胞外液被动进入脑组织，形成血管源性脑水肿，造成脑组织的第2次伤害[13]。Suzuki等[14]观察到NHE-1阻滞剂的运用可以减轻大脑缺血后的脑组织水肿，因此，作者推测脑组织的水肿可能与NHE-1相关。另一项研究也证实了HOE642可减轻脑缺血早期数小时的脑水肿和Na+浓度增加[15]。同时，NHE1也通过影响血脑屏障的通透性和紧密连接功能，加重功能紊乱。NHE1另一抑制剂sabiporide也可减小缺血/低糖缺氧引起的脑梗死面积，降低血脑屏障的通透性，从而起到脑保护的作用[16]。Lam等[17]也证明NHE-1和NHE-2存在于脑血管内皮细胞，当脑缺血、缺氧时，NHE-1被过度激活，NHE-2仅有部分激活，细胞内Na+浓度增加，早期细胞外液内流引起细胞水肿，而静脉注射NHE-1特异性抑制剂HOE642后可以减少缺血再灌注3h后的大鼠脑细胞的水肿程度和脑组织的缺血坏死面积。

钙离子对维持缝隙连接的完整性和正常的结构功能很重要，而缺血再灌注后血管内皮细胞的NHE-1过度激活，细胞内钙离子超载，高浓度钙离子可以损伤血脑屏障，增加血脑屏障通透性，引起脑细胞水肿。以上实验都说明，在缺血再灌注后脑实质的水肿与血脑屏障上毛细血管的NHE-1表达相关，且该通道的特异性阻滞剂可以减轻脑实质水肿。

3 炎症反应

大量实验已经证实，脑缺血后强烈的炎症反应是造成脑组织继发性损伤的因素之一，在此炎症反应过程中，多种因素相互作用，共同引起再灌注损伤[18]。许多炎症介质和炎症细胞参与了炎症反应，在再灌注过程中主要是白细胞、小胶质细胞、星形胶质细胞等炎症细胞释放的炎症介质产生细胞损害[19]。虽然炎症反应是一种自我修复机制，但是也与细胞死亡相关。

NHE-1广泛存在于神经胶质细胞，多项研究证实其与炎性损伤相关。小胶质细胞的激活是通过清除坏死细胞，释放神经营养因子的组织自我修复能力来实现的，但是激活的小胶质细胞也会通过释放炎症因子IL-1b、TNF-α、ROS、NO来加重脑损伤[20]。

小胶质细胞的增生高峰发生在局部脑缺血48至72h间，持续30d。缺血早期激活的小胶质细胞多在中央缺血区，再灌注期激活的小胶质细胞多位于半阴影区。激活的小胶质细胞和活化的星形神经细胞产生大量的促炎因子IL-1b、TNF-α、ROS、NO加重组织损伤[21]。脑缺血再灌注过程中促炎因子产生的分子细胞机制一直不清楚，最近有文献认为这种作用与神经胶质细胞维持氢离子稳定相关，这又与小胶质细胞表面的NHE-1 保持NADPH呼吸链阻止细胞内氢离子蓄积相关[12]。在脑缺血再灌注模型中，同侧缺血区域生理盐水组与HOE642组相比IL-1b和TNF-a的表达明显增加，在NHE-1基因敲除组的缺血区域观察到IL-1b的表达被抑制，基因敲除和HOE642两种方法目的均是抑制小胶质细胞上NHE-1的活性。通过NHE-1活性被抑制后，促炎因子的释放减少的现象，作者认为小胶质细胞在缺血再灌注损伤过程中的激活，以及炎症因子的释放与NHE-1相关。

海马星形胶质细胞通过包裹神经元的突触与神经元产生密切联系，它主要功能是在突触间的联系过程中保持离子和神经递质的平衡，并且通过钙的级联反应和产生活性介质(谷氨酸盐，ATP，腺苷)改变神经细胞的兴奋性，以及在缺氧情况下通过提供ATP给神经细胞，减少神经细胞的损伤[22-23]。在离体缺血再灌注模型中，NHE-1蛋白的表达对海马体星形胶质细胞活化起正调节作用，提高NHE-1活性将增加星形胶质细胞内Na+、Ca2+浓度，以及谷氨酸盐和细胞炎症因子的释放,缺血后海马星形胶质细胞释放促炎因子IL-1B,IL-6和TNF-α，再灌注5h后3种促炎因子释放大量增加，而运用HOE642后，这些炎症因子在再灌注5h后的释放量减少了26%[24]。缺血再灌注后海马细胞内钠钙离子浓度的增加是星形胶质细胞激活，以及一系列炎症介质释放等原因。Kim等[25]证明了钙信号通路在星形胶质细胞的炎症释放中有重要作用，因此，作者认为海马星形胶质细胞在缺血再灌注过程中炎症介质的释放与NHE-1过度激活引起的细胞内钙离子超载相关。

4 凋亡发生

迟发性的神经损伤多发生在缺血再灌注后几天到几周的时间内，这段时间也是进行神经保护的主要目标。研究证明，缺血再灌注后的脑损伤是由于离子失衡导致的细胞内Na+和Ca2+超载引起的细胞损伤，但是迟发型脑神经损伤除了与NHE-1激活导致离子失衡相关外，也与NHE-1激活引起细胞凋亡和线粒体功能紊乱相关[26]。

细胞凋亡受多种基因和蛋白的调控，B淋巴细胞瘤-2(B-celllymphoma-2，Bcl-2)是目前最受关注的凋亡基因家族，促凋亡和抗凋亡基因维持平衡保证线粒体稳定，阻止促凋亡蛋白从线粒体释放，抗凋亡基因表达增加抑制细胞色素C、凋亡诱导因子(AIF)从线粒体释放[27]。缺血再灌注后0.5h可以出现凋亡细胞，高峰在24～48h，最长可持续28d，凋亡与缺血时间呈正相关，多出现在梗死的边缘区域，且免疫组织化学的方法证明凋亡多发生在神经细胞内。Wang等[26]在实验中观察到野生型小鼠在缺血再灌注24h后线粒体细胞色素C、AIF(凋亡诱导因子)释放，以及核染色质的浓缩。同时发现caspase-3在缺血再灌注模型中呈现时间依赖性的激活,但在NHE-1基因敲除小鼠中caspase-3、细胞色素C、凋亡诱导因子AIF释放明显减少，且这种改变与运用HOE642效果相似。作者认为NHE-1在脑缺血再灌注的细胞凋亡过程中有重要作用,但是NHE-1与凋亡基因家族的关系有待进一步研究。

根据最近的一些研究发现，NHE-1与脑缺血再灌注损伤相关，生理条件下NHE-1对维持细胞内离子平衡有重要作用，但是过度激活NHE-1将会加重缺血后再灌注损伤。特异性的药物阻滞剂HOE642和NHE-1基因敲除的小鼠在脑缺血再灌注过程中又表现出了神经保护作用，因此未来阻断NHE-1可以作为脑缺血再灌注损伤治疗的主要目标。

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周炬(1983-)，住院医师，本科，主要从事围术期脑保护方面研究。△

E-mail:liuh175@163.com。

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