sigma‑1受体在缺血性脑卒中的作用及机制研究进展

2021
04/27

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多种Sig‑1R配体具有强大抗IS损伤作用,且在建立功能性神经元网络、改善认知功能方面可能发挥巨大的治疗潜力。



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【综述】

脑卒中为我国居民首位致死病因,每年新增病例超过200万例,给家庭和社会造成严重负担。脑卒中主要分为出血性和缺血性两种,其中缺血性脑卒中(ischemic stroke, IS)占80%以上[1]。目前较有效的治疗策略包括血栓清除手术和静脉药物溶栓。组织型纤溶酶原激活剂是最常用的溶栓药物,于卒中发病4.5 h以后应用无效[2]。多数IS病例仍缺乏有效的药物治疗,因此,开发延长治疗窗口的新型治疗药物非常必要。


sigma‑1受体(sigma‑1 receptor, Sig‑1R)广泛分布于中枢神经系统,参与多种神经和精神疾病的病理生理变化,如阿尔茨海默病、帕金森病、脑卒中、神经性疼痛、精神分裂和抑郁症等[3]。多项体内外研究表明,Sig‑1R配体在广泛的时间窗口内表现出独特的神经保护作用,但机制尚未明确。此外,Urfer等[4]在急性IS的Ⅱ期临床试验研究中表明,选择性Sig‑1R激动剂克他美辛(SA4503)能促进患者的神经功能康复。现将Sig‑1R结构功能及其在IS的研究进展综述如下,以便更好地发挥其配体疗效。


 

1 Sig‑1R概述

     

sigma受体与经典的阿片类受体配体SKF‑10047具有高亲和力的结合位点,因此最初被错误地归类为阿片类受体的一个亚型,后来的系列实验证实sigma受体对纳洛酮和三磷酸鸟苷(guanosine triphosphate, GTP)并不敏感。目前认为,sigma受体序列与其他哺乳动物蛋白均无同源性,是一个独立的受体家族[5]。sigma受体有两个亚型,Sig‑1R和sigma‑2受体。Sig‑1R在1996年已被成功克隆,含有223个氨基酸残基,相对分子质量为25.3×103。疏水性分析表明其拓扑结构中包含2个跨膜区域,N端有内质网停泊信号,C端包含配体结合位点和伴侣结构域。研究者对sigma‑2受体仍知之甚少。


在细胞水平上,Sig‑1R高度富集在内质网膜的一个特殊亚成分中,称为线粒体相关的内质网膜(mitochondrion‑associated membrane, MAM)。在稳态下与另一种内质网分子伴侣——免疫球蛋白重链结合蛋白(binding immunoglobulin protein, BIP)结合形成复合物。Sig‑1R也可伴随三磷酸肌醇受体,维持其正确构象,以确保内质网至线粒体的Ca2+信号转导,促进ATP产生[6]。而在激动剂或钙耗竭的刺激下,Sig‑1R与BIP发生解离,移位至细胞质膜与离子通道受体和激酶相互作用。此外,Sig‑1R也可移位到核膜,与核膜上的伴侣蛋白Emerin相互作用,招募一系列染色质重塑因子以影响基因的转录调节[7]。


 

2 Sig‑1R配体

     

Sig‑1R以多种寡聚态存在,拮抗剂使受体偏向高分子量状态,而激动剂使受体偏向低分子量状态[8]。多数药理学和遗传学证据支持Sig‑1R激动剂在各种神经退行性疾病模型中发挥神经保护作用[9]。然而也有研究发现,使用Sig‑1R激动剂出现有害作用,将Sig‑1R拮抗剂用于神经退行性疾病模型时产生神经保护作用[10]。


Sig‑1R大多数内源性配体是神经甾体,是由中枢及外周神经元产生的激素,大多对Sig‑1R有中等亲和力[7]。其中,孕烯醇酮和脱氢表雄酮可作为Sig‑1R激动剂发挥作用。相反,孕酮是该受体的内源性拮抗剂。但与其他类固醇类配体相比,孕酮对Sig‑1R显示出高度亲和力,且在实验性IS和中枢神经系统创伤模型的研究中同样显示出神经保护作用。


越来越多的研究表明,多种精神类药物可与Sig‑1R结合,提示Sig‑1R有望成为神经系统调节药物的重要靶点[3]。其中激动剂有(+)‑戊唑辛、PRE084、阿伏巴唑、氟西汀和可卡因等,拮抗剂有甲基苯丙胺、大麻二醇、BD1047和NE100等。


 

3 Sig‑1R在IS中的作用机制

     

作为一种由多种原因诱发脑血管病变继而导致的急性循环障碍性脑病,IS主要表现为一过性或永久性的神经功能缺损。缺血后神经元不能维持正常的跨膜离子梯度和动态平衡,即触发病理过程,如兴奋性毒性反应、内质网应激(endoplasmic reticulum stress, ERS)、线粒体功能障碍和炎症因子释放等,从而导致缺血性神经元死亡和血脑屏障(blood‑brain barrier, BBB)损伤[2]。


通过在时间窗口内进行早期再灌注挽救缺血半暗带的神经元是IS治疗的目标。Zhang等[11]在永久性大脑中动脉结扎造成小鼠急性IS模型中发现,与假手术组相比,缺血损伤后1、3、8、24 h和3 d梗死区周围组织中Sig‑1R表达显著增加。因此,Sig‑1R可能是IS后半暗带内新的内源性生物标志物,是其诊断和治疗发展的潜在靶点。


3.1 抑制兴奋性毒性反应

IS后离子型NMDA受体过度激活导致细胞内钙超载,继而触发介导兴奋性毒性的下游细胞信号通路,是导致迟发性神经元死亡的主要因素[12]。然而最近也有研究发现,体内外IS模型中,激活含NR2A亚基的NMDA受体促使神经元存活,而激活含NR2B亚基的NMDA受体则导致神经元死亡[13]。


Sig‑1R可调节NMDA受体的表达和运输,可能改变突触的NMDA受体功能[6]。Xu等[14]证明,IS后小鼠海马中的NR2A亚基酪氨酸磷酸化水平显著降低,而PRE084对Sig‑1R的激活增加NR2A亚基的表达,进而维持钙调蛋白依赖性蛋白激酶/环磷酸腺苷反应元件结合蛋白通路,增加脑源性神经营养因子的表达,挽救脑缺血/再灌注所致的学习记忆障碍,Sig‑1R拮抗剂BD1047可逆转此反应。有趣的是,Rodríguez‑Muñoz等[15]也证明,小鼠在大脑中动脉结扎后60 min于侧脑室注射大麻二醇可通过拮抗Sig‑1R抑制NMDA受体的功能,阻止钙内流,减轻其介导的神经元损害,提示不同Sig‑1R配体作用于NMDA受体的不同亚型可能决定了神经元存活和死亡的方向。


3.2 减少内质网应激

类蛋白激酶内质网激酶(protein kinase R‑like ER kinase, PERK)、肌醇需求因子1(inositol‑requiring enzyme 1, IRE1)、活化转录因子(activating transcription factor, ATF)6是ERS三条信号通路的重要分子。稳态下BIP能结合这3个分子,维持信号转导因子的非活化状态。而缺血/缺氧条件下,BIP释放,触发未折叠蛋白反应促进错误蛋白降解以恢复正常的内质网功能。细胞也可能通过激活包括PERK/ATF4、IRE1/半胱氨酸蛋白酶12和ATF6/C/EBP环磷酸腺苷反应元件结合转录因子同源蛋白(CCAAT/enhancer binding proteins homologous protein, CHOP)在内的死亡途径而自杀[16]。因此,持续的ERS将细胞从促生存模式切换到促凋亡模式。


由于Sig‑1R富含在内质网膜上发挥固有的伴侣活性,因此内质网是其神经保护作用的主要部位。Morihara等[17]通过雄性小鼠永久性大脑中动脉结扎模型研究发现,新型Sig‑1R激动剂COMP‑AD治疗后1 d,活化的PERK和IRE1a表达均降低,第1、7天神经行为学功能明显改善,可能与上调Sig‑1R和减轻ERS有关。此外,Zhai等[18]也发现,大鼠缺血/再灌注24 h模型中,右美托咪定上调Sig‑1R和BIP表达,并抑制ERS相关凋亡蛋白CHOP、caspase‑3和磷酸化JNK表达,减轻缺血半暗带神经元死亡。


3.3 减轻线粒体功能障碍

作为细胞动力库的线粒体,其损伤与IS后神经元死亡之间存在密切的相互作用。线粒体内活性氧(reactive oxygen species, ROS)作为细胞内第二信使形成增加,诱导氧化应激,是线粒体功能障碍的主要原因,继而触发细胞凋亡通路的激活。


研究发现,Sig‑1R可通过多种机制调节线粒体氧化应激损伤,包括:① 通过伴随ERS传感器IRE1来增强内质网核信号以诱导抗氧化剂释放;② 通过核因子E2相关因子2/抗氧化反应元件信号减弱自由基损伤;③ Sig‑1R可通过活性氧依赖的NF‑κB转录调节B淋巴细胞瘤‑2表达[6]。


Tsai等[19]研究表明,海马神经元中Sig‑1R基因的沉默导致线粒体变短、变小及线粒体膜电位异常,ROS产生增加通过Rac1/GTP通路导致海马树突棘形成缺陷。此外,Heiss等[20]证明,在体外缺氧/复氧损伤后的小胶质细胞模型中,用不同浓度(+)−戊唑辛处理细胞,剂量依赖性降低氧化应激反应,增加谷胱甘肽含量、恢复线粒体膜电位和减少凋亡。这种作用可被NE100同时处理细胞培养物所逆转。以上研究提示,Sig‑1R激活有助于保护神经元免受缺血缺氧所致的ROS损伤,减少线粒体途径细胞凋亡。


3.4 抗 炎

IS的炎症反应由星形胶质细胞、激活的小胶质细胞、受损神经元和内皮细胞产生的促炎细胞因子释放而触发。而细胞因子的产生可能促进反应性胶质增生,影响神经元回路重建,不利于IS后神经功能恢复[9]。

Sig‑1R在小胶质细胞和星形胶质细胞均有高表达,在神经退行性疾病中发挥中枢炎症调节作用[9]。Katnik等[21]研究发现,阿伏巴唑可增加雄性大鼠大脑中动脉结扎后胶质细胞存活率,减少促炎小胶质细胞活化和反应性星形胶质细胞的数量,减轻IS损伤。此外,Nardai等[22]最近证明,激活Sig‑1R显著降低IS大鼠脑组织和血清中TNF‑α、IL‑1β、IL‑6等促炎细胞因子水平,而抗炎因子IL‑10水平显著升高,同时大脑脑源性神经营养因子mRNA及蛋白表达增加,神经元可塑性提高。


3.5 减轻BBB损伤

正常生理条件下,星形胶质细胞和周细胞与毛细血管内皮细胞相互作用,维持BBB完整性。IS发生时,BBB首先受损,表现为结构蛋白的通透性增加和降解,通常与化学物质从血源性细胞通过受损的BBB渗入实质有关。BBB破坏和由此引起的血管源性脑水肿是脑实质损伤与长期学习、记忆障碍的主要原因[2]。


Liu等[23]发现,小鼠脑缺血后第7天出现最严重的BBB渗漏,连续腹腔注射PRE084治疗减弱了BBB结构蛋白occludin、claudin‑5和VE‑cadherin的解离,对BBB渗漏产生阻断作用。此外,治疗组神经行为表现显著改善,海马、皮质神经元的丢失以及白质损伤降低,同时注射BD1047可阻断PRE084的BBB保护功能。


由于动物和人类在脑缺血后毛细血管周细胞迅速丢失,周细胞在IS的作用越来越受到关注。Zhang等[24]证明,体内IS动物和体外氧糖剥夺模型均可诱导细胞凋亡和自噬,而使用3‑MA抑制自噬能显著减轻周细胞凋亡,提示自噬发生于周细胞凋亡上游。进一步研究表明,新型Sig‑1R激动剂YZ001通过抑制自噬而减少细胞凋亡,明显提高周细胞的存活率,减少BBB损伤和脑梗死体积。


 

4 总结与展望

     

综上所述,多种Sig‑1R配体具有强大抗IS损伤作用,且在建立功能性神经元网络、改善认知功能方面可能发挥巨大的治疗潜力。然而,Sig‑1R对线粒体和内质网病理生理的影响以及下游信号仍需进一步研究,且目前尚无靶向配体药物上市。近年来,变构Sig‑1R调节剂的发现、优化和临床前研究也取得较大进展,为扩大治疗IS的治疗窗口提供了新策略[25]。


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关键词:
缺血性脑卒中,神经元,线粒体

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