一氧化碳中毒迟发性脑病与脑细胞自噬的研究进展

2018-01-14张德新王小霞吕信鹏

中国临床医学 2018年5期

张德新，詹洁，王小霞，吕信鹏，邓颖

哈尔滨医科大学附属第二医院急诊科，哈尔滨 150086

急性一氧化碳中毒在我国的发病率非常高，10%～40%的患者经过2～60 d的假愈期后可发生以智能减退、不自主运动、大小便失禁等为主要表现的迟发性脑病，致使患者生活不能自理[1]。因其病程长、致残率高、治愈率低，严重威胁患者的生活和劳动能力，给患者及其家庭造成极大的痛苦和经济负担。

1 一氧化碳中毒迟发性脑病概述

导致一氧化碳中毒迟发性脑病(delayed encephalopathy after carbon monoxide poisoning, DEACMP)发病的机制仍然未明，主要有因缺血、缺氧引起中枢神经系统广泛性的坏死及脱髓鞘的改变；脑细胞氧自由基、过氧化物等生成增加，导致脑细胞损伤；兴奋性氨基酸诱导神经元细胞死亡；一氧化碳中毒启动脑细胞凋亡等学说[2]。目前，DEACMP仍不能有效预防及治愈，因此，进一步揭示 DEACMP的发病机制具有重要的临床意义。

2 自噬概述

自噬是细胞在胞质中出现的膜性结构将大分子物质和受损的细胞器包裹，与溶酶体结合后将其降解、消化并产生氨基酸等物质的“自我吞噬”过程。自噬对细胞有正反两方面的作用，当细胞受到缺氧、应激、营养不足、自由基增多等有害刺激时，可为处于胁迫状态的细胞提供存活和修复损伤所需的能量和物质，对细胞起保护作用，但过度的自噬因降解必需的细胞成分反而对细胞造成损伤，甚至死亡。有观点[3]认为当细胞遭遇应激因素时，自噬首先被激活，以对抗有害刺激，维持细胞稳态，当有害刺激足够强烈，自噬充分激活后仍不足以对细胞提供有效保护，细胞便死亡。也有研究[4]认为自噬是细胞程序性死亡的一种机制，是继坏死和凋亡外的第3种细胞死亡形式。可见，自噬在对抗有害刺激、维持机体稳态、生长发育及细胞死亡等方面扮演着重要的角色。

有研究[5-6]发现，自噬与缺血性脑病、阿尔茨海默病、帕金森病、神经系统退行性疾病等密切相关。但自噬与DEACMP的关系，目前仍未取得公认的结论，本文将自噬与DEACMP相关性的研究进展作一综述。

3 DEACMP与脑细胞自噬相关性

3.1 一氧化碳中毒后脑细胞自噬激活机制一氧化碳与血红蛋白的结合力是氧气的200～250倍，中毒时可引起脑细胞严重缺氧。研究[7]表明，缺氧是激发细胞自噬的最强因素之一。低氧环境下，细胞能存活是因为低氧诱导因子1(hypoxia-inducible factor-1, HIF-1)的存在，它使BCL-2/腺病毒E1B 19 kDa相关蛋白3(Bcl2/adenovirus E1 B 19-kDa interacting protein 3, BNIP3)及同源基因BNIP3L活化，导致Beclin-1-Bcl-2/Bcl-x L的复合物断裂，将Beclin-1释出。Beclin-1与液泡蛋白34(vacuolar protein sorting 34)发生反应，启动自噬，实现细胞的自我保护[8]。另外，缺氧条件下，激活的蛋白激酶C(proteinkinase C, PKC)也通过Beclin-1激活自噬[9]。

一氧化碳中毒可使脑细胞产生大量活性氧(reactive oxygen species, ROS)，对细胞线粒体等造成损伤，ROS是各种条件下触发自噬的关键。ROS可通过3种途径启动自噬，分别为通过激活HIF-2α增加BNIP3的表达启动自噬；通过活化PKR样内质网激酶(PKR-like endoplasmic reticulum kinase, PERK)，诱导LC3和Atg5的转录启动自噬；通过活化NRF2诱导p62蛋白表达启动自噬[10]。

一氧化碳中毒可导致血管内皮细胞损伤，白细胞及血小板黏附性增加，血管内微血栓形成，堵塞血管，使脑细胞能量供应逐步中断，腺嘌呤核糖核苷酸(AMP)的累积增加，这就使腺嘌呤核糖核苷酸活化的蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated protein kinase, AMPK)激活，Atg1表达的同源物ULK1，使AMPK-ULK1复合物解聚，阻断丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶(Akt)的活化，使mTOR-C1信号通路失活，启动自噬[11]。所以，一氧化碳中毒时，脑细胞可通过多种途径启动自噬。

3.2 自噬变化对一氧化碳中毒脑细胞损伤的影响随着一氧化碳进入人体对脑细胞造成缺氧等损伤，脑细胞启动自噬反应，以对抗一氧化碳对脑细胞造成的损伤，维持细胞稳态。研究[12]表明应激后自噬的上调是细胞存活的关键。在缺血、缺氧性脑细胞损伤的研究[13]中就发现，自噬对脑细胞的存活发挥着至关重要的作用。Sheng等[14]发现自噬能显著减轻缺血、缺氧引起的脑损伤，自噬激动剂雷帕霉素同样能发挥这种保护作用，降低脑损伤的程度。Fang等[15]发现大脑中动脉闭塞或血管内皮细胞损伤可激活自噬，以对抗缺血缺氧引起的脑细胞损伤，保护神经功能，给予自噬抑制剂氯喹、3-MA等阻断自噬后，可使神经系统的损伤加重。

也有观点认为自噬的激活可导致神经元损伤。Zhang等[16]认为自噬是导致慢性缺血、缺氧小鼠认知功能障碍的原因，通过抑制雷帕霉素信号通路的靶通道抑制自噬，改善了慢性缺血、缺氧小鼠的认知功能。郭向飞等[17]研究发现间歇性低氧通过mTOR-beclin 1通路启动自噬，致神经细胞损伤加重，功能受损。Xu等[18]研究发现，缺血、缺氧大鼠的脑细胞中自噬体明显增多，并认为自噬对脑细胞起损伤作用。给予自噬抑制剂3-MA可明显减轻脑细胞的损伤，使脑损伤的体积缩小，脑水肿和神经功能损伤得到显著改善。

3.3 DEACMP与脑细胞自噬的关系一氧化碳中毒后，需要经过一段时间后才发生迟发性脑病，说明脑细胞并没有立即坏死，而是逐步坏死的过程。有研究[19]表明DEACMP与脑细胞凋亡密切相关。Guratowska等[20]发现急性一氧化碳中毒后大鼠脑细胞发生凋亡的高峰期与迟发性脑损伤发生的时间非常一致，进一步验证了这一理论。Xu等[18]研究发现，在缺血造成损伤的大脑皮质中，自噬和凋亡并存，并且这一区域的细胞延迟死亡。可见，自噬、凋亡、坏死在DEACMP的发病中关系密切。研究[21]已经发现自噬蛋白 (如Beclin-1、Atg7等)和凋亡相关蛋白 (如Bcl-2、Bax、p53等) 具有相互交叉的作用，如Beclin-1与Bcl-2结合后对自噬起抑制作用，而与Bax结合后，却能促进自噬。

目前研究认为，在缺氧、缺血条件下，在死亡的神经细胞中自噬水平是增强的，但到底因为自噬启动凋亡程序引起细胞死亡，还是因自噬未能起到有效的维护细胞稳态的作用致细胞死亡，仍未取得一致的结论。Xu等[22]研究发现在缺氧、缺血损伤的早期，抑制自噬后，脑细胞的损伤显著增加。说明在损伤早期，自噬通过清理受损的细胞器，对细胞起保护作用。晚期抑制自噬后，脑细胞损伤却明显减轻，说明自噬起加重细胞损伤的作用，其原因可能是因为持续的应激损伤，诱发了“过度”的自噬，使自噬体吞噬了正常的细胞器，引起细胞坏死。Wang等[23]发现高压氧可通过自噬对缺血再灌注造成的神经损伤发挥保护作用，并认为自噬可成为缺血再灌注损伤治疗的新靶点。Yan等[24]在高压氧治疗之前，将3-MA 注射入脑室内，使自噬被提前抑制，结果发现高压氧对缺氧、缺血的保护作用减弱。反之，用雷帕霉素提前激活自噬后发现，自噬对细胞保护作用与高压氧治疗效果相似。Lu等[25]研究认为高压氧可扩大因大脑中动脉闭塞引起的脑损伤，因为大量的ROS导致细胞外信号调节激酶1/2(extracellular signal-regulated kinase1/2, ERK1/2)活性增强，导致自噬通路中断，无法发挥对细胞的保护作用。可见，自噬对DEACMP作用的具体机制，在不同阶段对DEACMP的影响仍未得出一致的结论。