腦缺血再灌注損傷致神經(jīng)血管單元死亡和凋亡的分子機(jī)制

腦缺血再灌注損傷致神經(jīng)血管單元死亡和凋亡的分子機(jī)制

中風(fēng)病變是臨床醫(yī)學(xué)的難題。近年來(lái)，隨著血管重建的推進(jìn)，以及缺席矩陣反應(yīng)兩個(gè)機(jī)制的治療和藥物開(kāi)發(fā)，藥物的臨床效果并不理想，藥物開(kāi)發(fā)的概念也得到了認(rèn)真解決。中醫(yī)藥具有多組、多中心、多目標(biāo)、多層次的優(yōu)勢(shì)。如何結(jié)合國(guó)內(nèi)外關(guān)于神經(jīng)血管網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的最新研究成果，以及中藥和有效成分組的理論，對(duì)中醫(yī)數(shù)據(jù)庫(kù)中的創(chuàng)新藥物開(kāi)發(fā)具有重要意義。1基于神經(jīng)血管單元理論，分析了腦損傷后的治療目標(biāo)1.1腦缺血損傷的病理及結(jié)構(gòu)腦卒中是危害中老年人生命與健康的常見(jiàn)病,具有高發(fā)病率、高致殘率、高復(fù)發(fā)率及高致死率的特點(diǎn),腦卒中分為缺血性卒中和出血性卒中2種類(lèi)型,腦卒中神經(jīng)病變(CIN)是其共同病理特征之一。國(guó)際上多年來(lái)主要針對(duì)神經(jīng)元保護(hù)進(jìn)行抗腦卒中創(chuàng)新藥物研制,效果不理想,10多年來(lái)美國(guó)FDA僅僅批準(zhǔn)了一個(gè)相對(duì)有效的藥物上市,其原因可能是單細(xì)胞、單靶點(diǎn)思路阻礙了藥物的成功率,近年來(lái)的神經(jīng)血管單元理論為創(chuàng)新藥物開(kāi)發(fā)提供了新的思路。神經(jīng)血管單元(neurovascularunit,NVU)是美國(guó)國(guó)立神經(jīng)病學(xué)與卒中研究所(NINDS)提出的一個(gè)中風(fēng)治療的概念模型,是神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能單位,由神經(jīng)元、血腦屏障(bloodbrainbarrier,BBB)、小膠質(zhì)細(xì)胞(microglia)以及維持腦組織完整性的細(xì)胞外基質(zhì)構(gòu)成,BBB的組分包括星形膠質(zhì)細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞、周細(xì)胞(pericyte)和基底膜。腦缺血損傷與神經(jīng)元、小膠質(zhì)細(xì)胞和微血管關(guān)系密切,符合網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)理論。因此,對(duì)NVU相關(guān)的“靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)”進(jìn)行藥物開(kāi)發(fā)可能會(huì)為腦卒中神經(jīng)病變的防治帶來(lái)新的機(jī)遇,我國(guó)一些醫(yī)藥研究機(jī)構(gòu)利用該技術(shù)研究創(chuàng)新藥物已經(jīng)取得了一系列進(jìn)展。1.2各類(lèi)主體結(jié)構(gòu)的作用在缺血腦再灌注損傷中至少有3種基本機(jī)制:興奮性毒性和離子失衡、氧化/硝基化應(yīng)激、細(xì)胞凋亡。腦缺血導(dǎo)致能量丟失而促發(fā)離子穩(wěn)態(tài)失衡和神經(jīng)遞質(zhì)(如谷氨酸)的釋放及再攝取抑制。過(guò)量谷氨酸結(jié)合到離子型N-甲基-D-天門(mén)冬氨酸受體(NMDA)和α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異唑丙酸(AM-PA)受體上加速了鈣內(nèi)流,進(jìn)而導(dǎo)致了線(xiàn)粒體上的磷脂酶(主要是磷脂酶C和磷脂酶A2)、鈣依賴(lài)蛋白酶及一氧化氮合酶(NOS)等活化,改變線(xiàn)粒體膜的通透性,并誘導(dǎo)生成大量氧自由基引起膜脂質(zhì)過(guò)氧化等一系列自由基連鎖反應(yīng)等進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞死亡或凋亡。近年來(lái)AMPA受體的作用日益受到關(guān)注,研究發(fā)現(xiàn)一種含有PDZ和BAZ結(jié)構(gòu)域的功能性伴侶蛋白PICK1(proteinthatinteractswithCkinase1)在AMPA受體的上膜、轉(zhuǎn)運(yùn)和酸敏感離子通道(ASIC)的膜定位分布扮演了極為重要的角色,PICK1可能成為缺血性腦損傷的新靶點(diǎn)。另外,胞內(nèi)Ca2+的其他通道,如L,P/Q和N型鈣通道都是抗腦卒中的潛在靶點(diǎn)。1.3caspases家族在腦卒中病例中,凋亡主要出現(xiàn)在缺血半暗帶。凋亡程序的觸發(fā)器包括過(guò)量的氧自由基生成、Bid分裂、DNA損傷、死亡受體連接及溶酶體蛋白酶激活等。研究發(fā)現(xiàn)多種調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物參與細(xì)胞凋亡過(guò)程,如半胱氨酸蛋白酶(Caspases)家族、Bcl-2家族、c-Myc及p53等。其中Caspases家族在凋亡過(guò)程中起關(guān)鍵作用,Caspases的酶原經(jīng)蛋白水解酶而激活,激活的半胱氨酸蛋白酶又可作用于其自身和其他半胱氨酸蛋白酶原,依次激活其他半胱氨酸蛋白酶,形成信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制的酶級(jí)聯(lián)反應(yīng),最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡,其中多個(gè)環(huán)節(jié)蛋白可能成為未來(lái)的藥物靶點(diǎn)。在主要已知的細(xì)胞凋亡途徑中,線(xiàn)粒體目前是最重要的機(jī)制之一。線(xiàn)粒體包含了一系列促凋亡因子,包括細(xì)胞色素C、繼發(fā)性線(xiàn)粒體源性Caspase激活因子(secondarymitochondrialactivatorofcaspase,Smac/Diablo)、核酸內(nèi)切酶G、細(xì)胞凋亡誘導(dǎo)因子(apoptosisinducingfactor,AIF)等。1.4信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路腦卒中參與神經(jīng)病變信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的主要有以下幾條通路:促絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activatedproteinkinases,MAPK)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路,其中又以胞外信號(hào)調(diào)節(jié)蛋白激酶(extracellularsignal-regulatedroteinkinase,ERK)通路、c-jun-N端激酶(c-junnterminalkinase,JNK)通路和p38MAPK通路研究的最為廣泛;磷脂酰肌醇-3激酶(phosphoinositide-3kinase,PI-3K)/絲氨酸-蘇氨酸蛋白激酶(serine/threoninekinase,Akt)(PI-3K/Akt)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路;Janus激酶-信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活子(Januskinasesignaltransducerandactivatortranscription,JAK/STAT)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路;核因子κB(nuclearfactor-kappaB,NF-κB)轉(zhuǎn)錄因子參與的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路;蛋白激酶C(proteinkinaseC,PKC)等。雖然多數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路在神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞及血管內(nèi)皮細(xì)胞被激活,但它們的表達(dá)呈現(xiàn)出不同的時(shí)程變化,發(fā)揮的作用也不盡相同,并且不同的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路之間可相互影響。2分析神經(jīng)血管單元三個(gè)細(xì)胞的潛在藥物目標(biāo)2.1神經(jīng)調(diào)節(jié)素—神經(jīng)元保護(hù)的潛在藥物靶點(diǎn)缺血后再灌注可快速導(dǎo)致炎性細(xì)胞因子的表達(dá),如腫瘤壞死因子(TNF),白介素-1(IL-1),IL-6,IL-8,IL-10等,繼發(fā)的反應(yīng)包括其他的細(xì)胞因子的釋放,細(xì)胞間黏附分子表達(dá)的上調(diào)以及免疫反應(yīng)成分的變化等,引起繼發(fā)的神經(jīng)元損傷。神經(jīng)元興奮時(shí)多巴胺的毒性作用主要包括:多巴胺自身的神經(jīng)毒性、多巴胺代謝產(chǎn)物的神經(jīng)毒性、增強(qiáng)興奮性氨基酸的毒性、誘導(dǎo)神經(jīng)元凋亡等。近年研究發(fā)現(xiàn),腦缺血晚期給予L-型鈣通道激動(dòng)劑有明顯的神經(jīng)保護(hù)作用;抑制大電導(dǎo)鈣依賴(lài)的鉀通道(BKCA)通道功能活動(dòng)對(duì)神經(jīng)元具有保護(hù)作用;神經(jīng)調(diào)節(jié)素-1(NRG-1)可通過(guò)突觸前ERBB4受體促進(jìn)GABA的釋放,從而發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用。因此激活L-型鈣通道、抑制BKCA通道及激活ERBB4受體可能成為潛在的神經(jīng)保護(hù)新靶點(diǎn)。2.2潛在的藥物目標(biāo)2.3血管內(nèi)皮保護(hù)因素腦微血管保護(hù)靶點(diǎn)應(yīng)該在腦缺血再灌注病理生理機(jī)制的背景環(huán)境下來(lái)評(píng)價(jià),可以分急性(數(shù)小時(shí))、亞急性(數(shù)小時(shí)至數(shù)天)以及慢性階段(數(shù)天至數(shù)月)。在腦卒中急性期,血管保護(hù)措施的主要損傷因素包括:氧自由基、內(nèi)皮素1(ET1)等。而保護(hù)因素包括:NO、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)以及血管生成素1(Angiopoietin1)等。在腦卒中亞急性期,血管內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生IL-1β,TNF-α,以及激活轉(zhuǎn)錄因子如缺氧誘導(dǎo)因子1(HIF-1),NF-κB,IFN-1等因子。同時(shí)一些對(duì)血管具有損傷和保護(hù)作用的蛋白因子及其相關(guān)受體也被激活,如可降解基底膜及破壞內(nèi)皮完整性的基質(zhì)金屬蛋白酶2和9(MMP-2,MMP-9)表達(dá)上調(diào);VEGF,angiopoietin-2和bEGF及其相應(yīng)受體也被激活。利用藥物調(diào)節(jié)以上環(huán)節(jié),可以發(fā)揮微血管內(nèi)皮細(xì)胞的保護(hù)作用。3細(xì)胞死亡和凋亡根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展,腦卒中神經(jīng)病變的發(fā)生發(fā)展具有多因素、多機(jī)制共同作用的特點(diǎn),缺血再灌注損傷導(dǎo)致神經(jīng)血管單元細(xì)胞死亡和凋亡的通路有:炎性因子-MMPs通路-Caspases通路;Ca2+-線(xiàn)粒體通路-Caspases通路;Ca2+-磷脂酶-PI-3K/AK通路;Ca2+-自由基-MAPK通路;Ca2+-NO-蛋白酶通路。其中前2個(gè)通路的重要節(jié)點(diǎn)是Caspases,后4個(gè)通路的重要節(jié)點(diǎn)是Ca2+和NO。同樣,相關(guān)治療藥物,繪制了成圖1。4腦缺血再灌注網(wǎng)絡(luò)病理學(xué)的意義雖然國(guó)內(nèi)外研究者認(rèn)識(shí)到腦缺血再灌注損傷機(jī)制的復(fù)雜性,也認(rèn)識(shí)到多靶點(diǎn)策略的合理性和中藥的優(yōu)勢(shì),但是對(duì)于如何利用最新理論和技術(shù)從中藥資源寶庫(kù)中開(kāi)發(fā)抗腦卒中神經(jīng)病變的多靶點(diǎn)藥物仍然缺乏理想對(duì)策,研究進(jìn)展緩慢,亟待突破。網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)(networkpharmacology)是在系統(tǒng)生物學(xué)和系統(tǒng)藥理學(xué)基礎(chǔ)上,選取特定信號(hào)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多靶點(diǎn)藥物分子設(shè)計(jì)的新學(xué)科。一方面通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析,鑒定可產(chǎn)生滿(mǎn)意治療的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)組合,另一方面指導(dǎo)研究者發(fā)現(xiàn)可干擾這些節(jié)點(diǎn)、產(chǎn)生多向藥理學(xué)效應(yīng)的先導(dǎo)藥物。網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)將藥-靶網(wǎng)絡(luò)與生物網(wǎng)絡(luò)整合在一起,從多靶點(diǎn)的研究策略出發(fā),將有利于擴(kuò)大現(xiàn)有可用藥物靶點(diǎn)空間,是發(fā)展創(chuàng)新藥物的重要途徑和新策略?？傊?本文在既往研究成果的基礎(chǔ)上,分析腦缺血再灌注對(duì)神經(jīng)血管單元細(xì)胞死亡和凋亡的信號(hào)通路,一方面有助于網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的計(jì)算機(jī)研究,為網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)的網(wǎng)絡(luò)分析提供重要參考,另一方面有助于圍繞神經(jīng)血管單元的潛在治療靶點(diǎn)建立細(xì)胞水平的模型,為網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)計(jì)算結(jié)果提供驗(yàn)證。腦缺血后膠質(zhì)細(xì)胞作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)第一類(lèi)受損的細(xì)胞,出現(xiàn)肥大、增殖,并合成表達(dá)多種炎癥介質(zhì),形成復(fù)雜的“細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)”共同調(diào)控細(xì)胞功能。膠質(zhì)細(xì)胞還可以通過(guò)釋放谷氨酸調(diào)節(jié)突觸