右美托咪定神经保护作用的信号通路机制研究进展

2021-01-08伏清尧宋春雨

实用药物与临床 2021年11期

伏清尧，宋春雨

0 引言

右美托咪定(Dexmedetomidine，DEX)是一种高选择性、高特异性的α2肾上腺素受体激动剂[1]，其选择性强，半衰期短，具有镇静、镇痛、催眠、抗焦虑、抑制交感神经活性、减少麻醉剂用量、稳定血流动力学、呼吸抑制轻等作用。右美托咪定在1999 年就被美国FDA批准用于通气时间短于24 h的机械通气患者的镇静，于2009年被批准用于手术患者全身麻醉时的辅助用药。随着对右美托咪定作用机制的临床及动物研究愈发深入，右美托咪定现已不仅仅局限于手术室及重症监护室，还广泛应用于功能神经外科、小儿外科、心血管外科等[2-4]科室。现就其药理特性及神经保护作用的相关信号通路展开叙述。

1 药理特性

右美托咪定是与可乐定相似的咪唑类衍生物，主要经肝脏代谢，肾脏及消化道排泄。右美托咪定与α2肾上腺素受体呈高度特异性结合(α2∶α1=1 620∶1)，结合率高于可乐定(α2∶α1=200∶1)。α2肾上腺素能受体有3种亚型：α2A、α2B、α2C。右美托咪定作用于分布在大脑内的α2A受体，起到镇静催眠、抑制交感活性、对抗伤害性刺激等生理功能；作用于分布在血管平滑肌的α2B受体，起到收缩血管、升高血压及利尿作用；作用于α2C受体，可调节认知功能来处理感觉和情绪刺激引起的自发活动并诱导低温。右美托咪定产生的药理作用与上述受体有关：在中枢神经系统表现为镇静、镇痛、抗焦虑作用；在呼吸系统表现为减少通气量、扩张支气管等作用；在心血管系统表现为血管收缩(α2B)、血管扩张(α2A)及心动过缓等作用；在泌尿系统表现为利尿作用；在内分泌系统表现为去甲肾上腺素、胰岛素、皮质醇释放减少及生长激素释放增加等作用；在消化系统表现为减弱肠道运动作用。此外，右美托咪定作用于蓝斑核的α2肾上腺素受体所介导的催眠类似于生理睡眠。而自然睡眠对维持生理稳态很重要，包括保护免疫功能、恢复身体能量和修复潜在的内在损伤[5]。

2 右美托咪定的神经保护作用的相关信号通路

2.1 PI3k/Akt信号通路 PI3k(磷脂酰肌醇激酶)是由调节亚基p85和催化亚基p110构成的二聚体，通过招募下游分子来激活Akt，Akt是一种丝氨酸/苏氨酸激酶，在正常生理条件下被磷酸化激活。PI3k/Akt信号通路激活后，可以通过激活不同的下游分子而产生神经保护作用。Peng等[6]探讨影响右美托咪定神经保护作用的谷氨酸相关机制，以大脑中动脉闭塞(MCAO)作为缺血性脑卒中的模型。在缺血的环境下，细胞外谷氨酸积累所产生的兴奋性毒性可以导致神经元死亡，进而导致神经功能障碍，而90%的谷氨酸清除依赖于表达于星型胶质细胞的谷氨酸转运体-1(Glutamate transportre-1，GLT-1)。结果显示，右美托咪定预处理可上调GLT-1表达，降低梗死体积，改善神经功能缺损评分(NDS)。Wang等[7]研究右美托咪定对大鼠七氟醚麻醉诱导所产生的神经炎症的影响，结果表明，七氟醚麻醉诱导大鼠皮质和海马促炎细胞因子水平升高，同时降低PI3K/Akt/mTOR通路的激活。右美托咪定可抑制促炎细胞因子的表达，并防止PI3K/Akt/mTOR通路失活。Wang等[8]研究右美托咪定对新生儿异丙酚诱导的神经凋亡和青少年空间学习/记忆缺陷的影响，结果表明，在反复接触异丙酚后，观察到CA1海马亚区Akt和GSK3β磷酸化降低，裂解的caspase3表达水平增加，Bax/Bcl2比值增加，末端脱氧核苷酸转移酶介导的dUTP缺口末端标记阳性细胞增加。与对照组相比，产后29 d的Morris水迷宫实验也显示异丙酚治疗后的空间学习和记忆缺陷。右美托咪定通过抗凋亡及使中断的PI3K/Akt/GSK-3β信号通路正常化，改善了新生儿异丙酚接触引起的神经认知障碍。Li等[9]在成年雄性SD大鼠大脑中动脉闭塞(MCAO)模型中，观察在MCAO前30 min给予右美托咪定后神经功能缺损评分、脑梗死面积及神经元存活情况。结果显示，右美托咪定治疗缺血再灌注(I/R)大鼠，不仅降低了神经功能缺损评分和脑死面积，而且改善了缺血半暗带神经元的存活率。

右美托咪定通过激活α2肾上腺素能受体，进而激活PI3k/Akt通路。激活的PI3k/Akt通路能激活不同的下游分子：①该通路的激活能直接增加星形胶质细胞中GLT-1的水平，清除细胞外积累的谷氨酸，从而减少神经元的死亡。②该通路能激活mTOR(哺乳动物雷帕霉素靶蛋白)，mTOR能引发两个生理效应，不仅能磷酸化下游效应器(核糖体蛋白s6激酶1、eIF4E结合蛋白)来促进翻译的起始和延伸，还能调节泛素-蛋白酶体系来抑制NF-κB信号，从而抑制促炎细胞因子(IL-6、IL-8、TNF-6)的表达，减少神经炎症。③活化的Akt(p-Akt，Ser)能使糖原合成酶激酶-3β(GSK3β)在Ser处磷酸化，降低GSK3β的活性。GSK3β在Ser处的磷酸化可负性调节促凋亡活性，减少凋亡标记物(Bax)的产生，从而减轻海马细胞凋亡，改善海马相关任务的长期记忆；除此之外，GSK3β还参与多种信号通路，Wnt信号是其中之一。Wnt/β-catenin是经典的途径，β-catenin作为GSK3β的下游效应分子发挥作用。GSK3β能磷酸化β-catenin并在细胞质中降解。因此，抑制GSK3β活性可使β-catenin在胞浆中稳定和积累，并且β-catenin能穿梭于细胞核，与转录因子TCF/LEF结合形成转录复合物，激活或抑制重要的靶基因。非经典Wnt/Ryk信号通路可以调节神经元兴奋性和脊髓突触可塑性[10]。

2.2 Drp1-Bax信号通路作为GTPase家族的成员，Drp1与线粒体的形态、分布、重塑以及神经元损伤和突触变性的激活有关。激活的Drp1通过诱导Bax的线粒体易位，增加细胞色素C的释放并激活caspase-3/-9信号通路，进而增强细胞凋亡作用；此外，Drp1还能介导细胞的代谢紊乱并抑制线粒体内谷胱甘肽的水平以削弱自由基清除能力，进一步增加线粒体活性氧(ROS)的产生，加重线粒体功能障碍，由此形成恶性循环[11]。Shan等[12]将孕20 d的大鼠暴露于3%七氟醚中4 h，在暴露于七氟醚或对照气体前15 min，分别腹腔注射生理盐水和右美托咪定。研究结果表明，孕晚期七氟醚麻醉可引起仔鼠海马神经元损伤，且随着Drp1和Bax表达增加，Bcl2表达下降。右美托咪定可以通过抑制Drp1和Bax的激活来显著抑制Drp1相关的线粒体动力学异常，从而减轻神经损伤实现神经保护作用。

2.3 PGC-1α信号通路过氧化物酶体增殖物激活受体-γ共激活因子-1α(PGC-1α)是一种多功能蛋白，在许多神经系统疾病中起着重要作用。它能促进炎症因子的表达及招募炎症细胞，并诱导新生血管的生成，形成抗炎环境来发挥抗炎作用，进而减轻细胞损害。Li等[13]在脑外伤模型中评估了右美托咪定的神经保护作用及其可能机制，研究表明，右美托咪定减轻了脑水肿和神经元细胞凋亡，提高了行为功能。创伤性脑损伤(TBI)后，PGC-1α蛋白从细胞质向细胞核移动，使核PGC-1α水平显著升高，DEX促进了这种转运。与对照组相比，TBI组PGC-1α信号通路相关蛋白的表达增加，提示创伤性脑损伤抑制PGC-1α信号通路的激活。TBI+DEX组PGC-1α高表达，提示右美托咪定激活了PGC-1α信号通路的活性，从而发挥其神经保护作用。

2.4 Nrf2/HO-1信号通路 Nrf2是一种重要的保护性蛋白，在细胞适应氧化应激的过程中起着关键作用，它能提高a相酶的活性，如醌氧化还原酶1(NQO1)与血红素加氧酶-1(HO-1)。血红素加氧酶(HO)是血红素分解代谢中的限速酶,有3种同工酶：HO-1、HO-2和HO-3，其中HO-1为诱导型，又称热休克蛋白32 (HSP32)，主要分布于肝、脾、骨髓等组织[14]。HO-1作为体内重要的抗氧化酶，通过酶解产物(胆红素、CO)发挥抗氧化、抑制细胞凋亡、调节炎症、促进血管生成、改善微循环等保护作用。Li等[15]探讨了右美托咪定应用于创伤性脑外伤TBI是否能减轻神经炎症诱导的细胞凋亡，结果表明，创伤性脑外伤刺激大鼠出现明显的神经细胞凋亡，而创伤性脑外伤+DEX组神经细胞凋亡较少。正是由于右美托咪定促进了Nrf2从细胞质向细胞核的迁移并与细胞核中抗氧化反应元件序列结合，上调Nrf2下游因子HO-1和NQO-1的表达，显著抑制炎症反应因子TNF-α、IL-1b、NF-jB和IL-6的表达，从而减少神经元凋亡实现神经保护作用[16]。

2.5 TSC2/mToR信号通路结节性硬化症复合物2 (Tuberous sclerosis complex 2，TSC2)的基因产物被认为是一种肿瘤抑制因子，能够刺激特定的GTP酶。雷帕霉素的哺乳动物靶点(mTOR)对自噬有负性调节，TSC2通过负调控mTOR通路增强自噬，实现神经保护作用。自噬是真核细胞的Ⅱ型程序性死亡，它与凋亡不同，能使细胞在饥饿时补充能量并产生合成代谢反应的底物。Zhu等[17]探讨了右美托咪定对星形胶质细胞的保护作用与自噬密切相关TSC2/mTOR信号通路的关系，研究结果表明，右美托咪定可通过TSC2/mTOR途径促进或增强氧葡萄糖剥夺(Oxygen-glucose deprivation，OGD)后星形胶质细胞的自噬，提高OGD后3 h星形胶质细胞的存活率和凋亡率。右美托咪定能够激活TSC2，后者能抑制mTOR磷酸化，从而诱导和增强自噬来实现对星状神经节的保护效应。

既往研究表明，DEX通过促进缺氧诱导因子1α(HIF-1α)的表达来抑制神经元自噬，从而保护局灶性脑缺血。而Zhu等[17]研究认为，DEX的神经保护作用也可能与通过TSC2/mTOR途径增强的星形胶质细胞自噬有关。当脑缺血再灌注时，自噬可能在不同的神经细胞(如神经元、星形胶质细胞、小胶质细胞)中发挥不同的作用。由于自噬不仅出现在生理过程中，还能出现在病理过程中，因此，它对缺血大脑的作用尚不清楚，需进一步研究阐明。

2.6 TLR4/ NF-βB信号通路 Toll样受体(Toll-like receptors，TLRs)是参与非特异性免疫(天然免疫)的一类重要蛋白质分子，也是连接非特异性免疫和特异性免疫的桥梁。其中，TLR4是介导内毒素/脂多糖应答最主要的受体。TLR4可识别细菌脂多糖，并感知内源性配体，包括透明质酸、氧化低密度脂蛋白和热休克蛋白。TLR4与配体的接触通过细胞内信号转导域触发细胞信号级联，激活核因子-βB (Nuclear factor-kappa B，NF-βB )和丝裂原活化蛋白激酶信号通路，从而诱导炎症基因的表达。Cheng等[18]研究了在大鼠缺血再灌注模型中，TLR4受体激动剂脂多糖是否能阻断右美托咪定的神经保护作用，结果表明，右美托咪定预处理可减少缺血引起的海马CA3区形态学改变和TLR4表达下调，但与TLR4激动剂脂多糖共同治疗可部分阻断这些神经保护作用。因此，右美托咪定通过抑制TLR4在缺血再灌注损伤中的表达，从而抑制各种炎症细胞因子的激活来发挥多器官保护作用。

2.7 GSK-3β/CRMP2和CDK5/CRMP2信号通路糖原合成酶激酶-3 (Glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β)是一种在进化上非常保守的丝氨酸/苏氨酸激酶，能作用于众多信号蛋白、结构蛋白和转录因子，调节细胞的分化、增殖、存活和凋亡。细胞周期素依赖蛋白激酶5(Cycline dependent kinase-5，CDK5)是由脯氨酸引导的丝氨酸/苏氨酸激酶，作为一种多功能激酶，其主要功能是参与神经细胞迁移、轴突导向、突触发生与传递。近年的研究发现，CDK5在多种组织中表达，通过磷酸化不同的调节底物发挥多种生物学作用。胶原反应介质蛋白2(Collapsin response mediator protein 2，CRMP2)结合微管蛋白微管和肌动蛋白丝在内的神经细胞骨架网络，在轴突引导、树突棘及突触可塑性的发育中发挥重要作用，CRMP2磷酸化可以降低与这些细胞骨架蛋白的亲和力。GSK-3β、CDK5、热激酶(Rho-kinase，RhoA)分别在Thr514、Ser522、Thr555位点磷酸化其下游靶点CRMP2，降低CRMP2与细胞骨架蛋白的亲和力，从而调节神经元微管、肌动蛋白动力学、树突棘和突触的发育。Li等[19]将7 d龄SD大鼠用异丙酚麻醉6 h，在异丙酚暴露前给予不同浓度的DEX，旨在探讨GSK-3β、CDK5和RhoA通路是否参与右美托咪定的神经保护，结果显示，右美托咪定通过抑制新生大鼠海马GSK-3β/CRMP2和CDK5/CRMP2通路的激活，降低异丙酚引起的神经毒性和神经认知障碍。右美托咪定能够抑制CRMP2在Thr514和Ser522的磷酸化来降低GSK-3β/CRMP2和CDK5/CRMP2通路的激活，从而抑制神经元凋亡来实现神经保护作用。

2.8 Erk1/2/CREB/BDNF信号通路 cAMP反应元件结合蛋白(cAMP response element-binding protein，CREB)是一种在大脑中广泛表达的核转录因子，在脑源性神经营养因子 (Brain-derived neurotrophic factor，BDNF)转录调节中发挥重要功能，CREB蛋白的生物学活性受其磷酸化状态的调控，只有磷酸化的CREB才能激活下游基因的表达[20]。胞外信号通过第二信使的介导激活多种蛋白激酶(如蛋白激酶Erk1/2)，蛋白激酶Erk1/2催化CREB第133位丝氨酸的磷酸化，磷酸化后的CREB活性增强，进而与BDNF启动子结合，CREB能促进BDNF基因及抗凋亡蛋白基因Bcl-2的表达，BDNF通过调节海马突触可塑性和促进神经发生来实现神经保护作用[21-22]。Tu等[23]将原代海马神经元在体外培养8 d，评估右美托咪定对建立的异丙酚诱导的体外发育性脑损伤模型的保护作用。结果显示，异丙酚显著降低细胞活力，诱导神经元凋亡，下调BDNF mRNA的表达，下调磷酸-Erk1/2(p-Erk1/2)、磷酸-CREB(p-CREB)和BDNF蛋白的表达。右美托咪啶预处理提高了神经元活力，减轻了异丙酚诱导的神经元凋亡，挽救了异丙酚诱导的BDNF mRNA和p-Erk1/2、p-CREB和BDNF蛋白水平的下调。

右美托咪定通过与咪唑啉I1受体结合并激活蛋白激酶Erk1/2，级联激活 Akt和Erk1/2信号通路下游的转录因子CREB，从而使转录产物BDNF和抗凋亡因子Bcl-2的表达增加，以此对异丙酚诱导的神经毒性提供神经保护作用。