钙离子在创伤性脑损伤中的致病机制研究

严智 赵天全 王恩任

创伤性脑损伤（traumatic brain injury，TBI）在创伤中的发生率仅次于四肢骨折，在医学发达的今天，神经仍严重威胁人类的健康。明确TBI 的发病机制，对有效减少TBI 损害、提高抢救成功率、改善患者预后具有重要的意义。TBI 诱导的神经细胞凋亡往往伴随着钙离子（Ca2+）参与的机体反应，包括细胞水肿、释放兴奋性氨基酸、氧化应激、线粒体功能障碍、钙蛋白酶激活、神经免疫炎症反应等[1,2]。了解Ca2+在TBI 中的作用，有助于TBI 治疗的进一步发展和创新，是临床上提高TBI 疗效的重要切入点之一。本文将围绕Ca2+与TBI 的研究历史与现状、维持神经元Ca2+稳态的病理生理机制、Ca2+介导的神经细胞损伤方面，概述Ca2+在TBI 中扮演的重要角色，现综述如下。

一、TBI 后神经元损伤的机制

TBI 对中枢神经系统的损伤是一个连续且复杂的致病过程[1]。TBI 后所致神经损伤包括原发性和继发性损伤两大机制。原发性损伤是因脑组织受到外力（包括直接暴力、间接暴力、挤压的机械破坏）引起的损伤，继发性损伤是一种可持续几分钟、几个月甚至原发性损伤后数年，最终导致神经系统损伤的病理生理事件，包括细胞缺血、缺氧、死亡[3]。TBI 继发性损伤是一个复杂的生理病理过程，其发生机制是多因素的，至今有些问题仍在探索中。

二、TBI 与Ca2+的关系

（一）研究历史与现状

追溯至19 世纪末，国外就有科学家发现TBI 后神经细胞内钙浓度升高。Miller 等[4]描述了神经元内Ca2+浓度的变化，作为一种信号，参与了神经元的许多生理过程。Young 等[5]在20 世纪总结提出TBI 后，Ca2+启动并调节中枢神经系统对损伤的反应，并释放自由基，损伤神经系统。Krebs 等[6]多位科学家研究指出，Ca2+的稳态是细胞生理学和病理学不可或缺的部分。随着研究的深入，Ca2+被证明与多类神经系统疾病具有相关性。Ca2+不仅参与TBI 的继发性损害，免疫防御，而且Ca2+与认知方面及神经退行性病变具有明确关系，细胞内Ca2+稳态失调是阿尔茨海默病中神经功能障碍的常见原因[2,7]。随着Ca2+与TBI 关系的深入研究，目前许多学者提出了新的TBI患者治疗靶点，例如，Luo 等[8]研究提示TBI 突触后支架蛋白Preso 参与一氧化氮（NO）和Ca2+反应的调节，抑制Preso 可能作为TBI 神经保护的靶点。因此证实维持Ca2+稳态，对神经系统的正常功能至关重要。

（二）维持神经元Ca2+稳态的病理生理机制

Ca2+对维持神经元功能尤为重要，维持细胞内外Ca2+平衡是保证细胞功能的基础。细胞主要通过以下几种稳态机制来控制Ca2+动态稳定：（1）Ca2+通过电压门控钙通道（voltagegated calcium channel，VGCC）和受体操作钙通道（receptoroperated calcium channel，ROCC）；（2）Ca2+缓冲蛋白；（3）细胞内细胞器中Ca2+的储存和Ca2+外排。

增加Ca2+水平主要有3 种途径：（1）通过ROCC，其是由配体激活的Ca2+通道[9]。N-甲基-D-天冬氨酸（N-methyl-Daspartic acid，NMDA）受体是通过ROCC 的代表，NMDA 受体被内源性配体谷氨酸激活，导致Ca2+通道开放，进而Ca2+从细胞外流入细胞质中[10]；（2）通过几种类型的VGCC 流入神经细胞，是Ca2+内流的主要途径[11,12]。研究表明不同神经元具有几种不同类型的VGCC 和ROCC，通过这些特定通道细胞外的Ca2+流入细胞内；（3）通过位于细胞中的细胞器如内质网、线粒体等储存或者释放Ca2+[5]。

相反，细胞内同样具有降低Ca2+水平的机制，以维持Ca2+稳态。降低细胞内Ca2+的机制主要包括3 类[11,12]：（1）Ca2+从细胞内向细胞外空间通过钙泵和Na+/Ca2+交换体挤出，而这依赖于膜Na+-K+-ATP 酶，其称为质膜中Ca2+挤出系统；（2）Ca2+通过与钙调蛋白结合可以缓冲神经元内的部分Ca2+；（3）细胞内细胞器的摄取和储存作用，Ca2+隔离到细胞内细胞器如内质网、线粒体及细胞核中，以维持Ca2+的稳态水平。

（三）钙介导的细胞损伤和凋亡机制

现有研究已证明TBI 后神经细胞内Ca2+水平升高的事实，早在1996 年，Trump 等[13]就提出了Ca2+对细胞凋亡和坏死具有重要作用，其后许多科学家们先后阐述了TBI 后的损伤机制，在机制学说中，Ca2+扮演着重要角色。

1.Ca2+与TBI 后脑水肿：TBI 后脑水肿主要包括两类，即血管源性脑水肿和细胞毒性脑水肿。前一类是归因于TBI 后血脑屏障通透性增加，细胞外间隙渗透压增大，超过血管内静力压时血管源性脑水肿形成。后一类在TBI 后，Na+-K+-ATP 酶与Ca2+-Mg2+-ATP 酶活性下降，Na+与Ca2+贮存于细胞内，胞内渗透压升高，水分子渗透于胞内导致神经细胞肿胀，因而Ca2+在细胞毒性脑水肿的形成中具有重要作用[14]。

2.Ca2+与兴奋性氨基酸毒性：兴奋性氨基酸及其受体被异常激活后，对中枢神经系统具有兴奋性毒性。TBI 可异常触发谷氨酸和天冬氨酸等兴奋性氨基酸失控性的过量释放，进而对中枢神经系统造成损伤。在1986 年，Rothman 和Olney[15]通过一些研究总结发现，谷氨酸是一种强大的神经毒素，能够杀死中枢神经系统中的神经元。随后的科学研究发现，兴奋性氨基酸的毒性是Ca2+依赖性的[16]。其机制是谷氨酸作用于细胞膜上的NMDA 受体，一方面使受体依赖性Ca2+通道开放，致大量钙内流；另一方面使膜对Ca2+和Na+的通透性增加，使细胞内Ca2+浓度升高，进而造成神经元损伤[10,17]。Dorsett等[18]总结指出谷氨酸等兴奋性神经递质过度释放、大量集聚导致Ca2+大量内流，而激发神经细胞的死亡途径。

3.Ca2+与线粒体功能障碍（能量匮乏）：线粒体被称为细胞的动力源，是因其通过细胞呼吸产生大量三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）供应细胞活动的能量需求。当神经细胞外的Ca2+快速流入细胞内后，细胞内的线粒体会摄取流入的Ca2+，起到对Ca2+储存的作用，这对维持Ca2+稳态至关重要。但Yokobori 等[19]研究表明，随着长时间的Ca2+流入，线粒体变得过度负荷，导致线粒体通透性转换孔（mitochondrial permeability transition pore，mPTP）开放，释放Ca2+以及各种低分子量和高分子量物质进入细胞质中，进而促使Ca2+失衡。Ca2+失衡与功能失调的线粒体形成恶性循环，不仅使脑组织的ATP 产生不足，同时mPTP 的开放导致细胞水肿，加剧神经细胞胞内Ca2+超载，进而引起神经细胞死亡。TBI 后Ca2+内流引起线粒体超负荷，线粒体功能障碍成为TBI 患者继发性损害的一个重要方面[20]。

4.Ca2+与氧化应激：氧化应激是指自由基生成与清除剂、抗氧化剂之间的不平衡。通常在TBI 后，神经组织中自由基会增加，主要包括两大类：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）、过氧亚硝酸盐（ONOO-），ROS 主要包括超氧自由基（O2-）、羟基自由基（OH）和过氧化氢（H2O2）等。Slemmer 等[21]描述了在正常生理条件下，氧自由基受到细胞防御机制的严格控制。然而TBI 后，这些防御机制可能受到损害，形成ROS/RNS，通过过氧化作用破坏关键的细胞组分，例如脂质、蛋白质和核酸（DNA 和RNA）。

Ca2+参与调节神经元中的NO 的产生。早在1996 年，Xia等[22]指出在NMDA 受体激活后，Ca2+流入神经细胞，流入胞内的Ca2+与钙调蛋白结合，其结合物调节NO 合成酶产生，NO合成酶促使从L-精氨酸中产生NO。在生理条件下，NO 的水平很低，有助于人体内重要的生理过程，包括脑血管舒张和神经传递等。TBI 后Ca2+超载通过上述过程生成大量NO，其又可以与超氧化物结合在神经细胞中产生ONOO-，对蛋白质、膜脂质和DNA 都具有高毒性[23]。另一方面，一些研究已将氧化应激增加与线粒体功能障碍和细胞骨架损伤加剧联系起来[24]。线粒体功能障碍可引起细胞内生成NO，是颅脑中ROS 产生的重要来源之一，而Ca2+与线粒体功能障碍密切相关，同时Ca2+与钙调蛋白的结合物调节NO 合成酶的生成，因此本文推断细胞内Ca2+的大量增加可加强氧化应激对神经细胞造成的损伤。

5.Ca2+与蛋白酶激活：钙在TBI 的发展中起着重要作用。TBI 引起的钙内流可以激活各种蛋白酶并促进神经元损伤和死亡过程。关于实验性TBI 后钙蛋白酶激活首次报道于1996年，Saatman 等[25]通过Western blot 和免疫组织化学的方法检测到血影蛋白在钙蛋白酶作用下的进行分解，并提出钙蛋白酶可能在TBI 后的神经变性过程中起重要作用。TBI 后过量的Ca2+内流，通过NMDA 受体流入激活钙依赖性蛋白酶，激活的钙蛋白酶可对细胞质及细胞骨架中的结构蛋白进行裂解。各种分解产物、裂解的片段被蛋白酶体进一步降解，导致神经元细胞死亡，钙依赖性蛋白酶已被证明其与TBI 诱导的神经元死亡有关[26]。现钙蛋白酶切割分解产物，已被广泛用于TBI 的生物标志物研究及临床诊断中，比如轴突特异性微管相关蛋白tau、神经元特异性烯醇化酶、α-血影蛋白等[27,28]。

三、治疗进展及展望

TBI 后，Ca2+作为始动因素，通过上述病理生理过程，引起神经元继发性损伤。Ca2+在继发性脑损伤过程中扮演了重要的角色，与其发生、发展、预后和治疗等方面有着密切的关系。既往治疗策略研究旨在抑制Ca2+流入细胞，而钙通道拮抗剂或者Mg2+拮抗钙内流等治疗措施已取得一些临床疗效，但仍缺乏确切改善预后的临床疗效[29]。目前，针对TBI 病变的临床前有效的治疗药物在进行临床试验时大多被证明疗效不确切，其向临床转化具有挑战性[30]。当下TBI 后围绕Ca2+的许多神经保护潜在靶点已被确定或正在进行研究，国内徐如祥教授团队研究指出，Wnt5a/Frizzled-2 信号在调节神经细胞中的Ca2+浓度变化中起到重要的作用，提示可作为TBI 研究和治疗的靶点[31]。Zhang 等[32]在小鼠TBI 模型研究中指出，线粒体钙单核细胞（mitochondrialcalcium uniporter，MCU）可调控Ca2+的稳定，减轻TBI 继发损伤，提示MCU 介导的Ca2+阻断有望成为治疗TBI 的新靶点。临床试验中，Abdoli 等[33]的一个随机对照试验证实了钙拮抗剂在TBI 的治疗中对降低远期死亡率是有统计学意义的。

综上所述，TBI 所导致的神经损伤由多种途径共同参与，临床治疗过程中不仅要关注原发性损伤也应同时关注继发性损伤。本文通过综述TBI 后Ca2+介导神经细胞病理损伤的多种机制，希望有助于TBI 后药物治疗的进一步发展和创新，进而降低TBI 患者死亡率，改善TBI 患者的神经功能。