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ATP钾通道与脑损伤的关系

分类：脑外创伤 | 标签： 细胞   通道   极化   海马   激活  
2007-07-06 22:55 阅读(?)评论(0)
 大脑对能量的高需求主要用于维持离子梯度和膜静息电位,因此即使短暂的能量供应障碍也能引起中枢神经元的不可逆损伤[1] .在海马的离体研究表明，短期乏氧诱导神经细胞发生一系列变化：少量细胞膜去极化，轴突超极化，突触传递减少，一时的超兴奋性[2]。这些对乏氧的不同反应的机制尚未完全阐明，但乏氧诱导的膜超极化已经成为研究保护神经细胞的热点。因为细胞膜超极化降低其兴奋性，可以减少能量消耗，从而在能量代谢障碍时，减少细胞死亡，成为保护细胞的机制[1]。电压钳制研究方法认为，代谢障碍在伴有或不伴有低氧的条件下，神经细胞膜电流的变化主要是以KATP通道的激活为基础的非时间依赖性外向K+电流的产生所致[3]。KATP通道是可被细胞内ATP控制的离子通道，它将细胞的能量代谢状态和其膜电兴奋性偶联起来[4]，所以在细胞代谢研究中受到普遍重视。

1983年，日本学者Noma首先在哺乳动物心室肌细胞上发现KATP通道[5]，随后发现其存在于胰腺b 细胞、骨骼肌、平滑肌、神经细胞等各种组织[4]，在这些组织的生理及病理活动中发挥重要的调节作用，但其具有显著的组织特异性和功能差异性[6]，在心肌、胰腺b 细胞的KATP通道的研究已经取得很大成果，近几年，在脑组织中也逐渐完善。下面就神经细胞与KATP通道的关系作一简要概括。

1.    神经细胞KATP通道的分子生物学及生理特性

1 分子生物学特性

自从膜片钳技术创立以来，KATP通道的分子生物学，电生理等特性已被大量研究。KATP通道是具有两种亚单位的异构多聚体，一种是内向整流的Kir6.x(Kir6.1,Kir6.2), 另一种是磺酰脲受体SurS亚单位，KATP通道的传导孔道由Kir6.x组成，同时Kir6.x也作为ATP感受器，SurS是通道的整合部分，是必要的调节亚基，对通道开放剂敏感[7]。二者在构成KATP通道时缺一不可。在神经细胞中表现出Sur1，Sur2 和Kir6.2的选择性共表达，通过研究KATP通道与黄酰脲的亲和力及代谢敏感性区别出：表达Sur1+Kir6.2的神经元对代谢抑制非常敏感，而Sur2+Kir6.2共表达的神经元则无此表现[8]。在背根非兴奋性的细胞中，可以检测到高水平的Kir6.2 的mRNA，而Sur1的信号却很微弱[9]，所以神经细胞中功能性的KATP通道都是由Kir6.2和Sur1组成的四聚体（Sur1/Kir6.2）4，与胰腺b 细胞的构成相同[7]。分子克隆技术和膜片钳技术研究表明KATP通道在脑组织中广泛存在，但其分布不均匀，在黑质、苍白球、纹状体、海马、小脑、皮质等处数量较多，其余部分则相对较少[10]，最近利用磺酰脲类药物及KATP通道开放剂鉴定，在孤束核及神经末梢也有KATP通道存在[11 12]。

2 生理特性

不同种神经元的KATP 通道生理特性也不尽相同，Jiang等人已经在人脑皮质检测出三种K+电流，它们分别对细胞内不同浓度的ATP敏感[13]，具有不同的电导值，可见脑组织中KATP 通道存在功能上的差异性，不同的通道能在细胞内ATP含量不同水平上发挥作用，这样神经细胞的代谢率和膜兴奋性就可以连续偶联。一般情况下，KATP 通道可被细胞内生理浓度的ATP抑制，处于关闭状态[14]，但ATP关闭其通道的机制仍未确定，因为ATP究竟结合于KATP 通道上哪个部位使其受到抑制，目前尚存争议[7]。钾通道开放剂能激活KATP 通道，使其通道开放，K+外流，膜电位超极化，降低细胞兴奋性。由此可见，KATP 通道的生理意义可能是当细胞能量代谢障碍时，胞内ATP含量下降，导致其开放，降低细胞兴奋性，从而发挥保护神经细胞的作用。也有的报告指出，生理条件下KATP 通道是激活的，它受糖浓度调控，随着葡萄糖浓度的改变，参与调节神经递质的释放[15]，此种KATP 通道可能是上述三种KATP 通道之一，也可能是糖敏感的KATP 通道。

KATP 通道的一个显著特点是rundown现象。该现象可能依赖于KATP 通道的磷酸化与去磷酸化之间的平衡，通道磷酸化在维持KATP 通道的活性中起重要的作用。长期的代谢抑制改变了磷酸化/去磷酸化的平衡，使通道关闭[23]。也有人解释可能与KATP 通道与细胞骨架非偶联或者与阴性磷酸脂的水解有关[24 25]。究竟这些机制的一种或几种与rundown现象有关仍不清楚[7]

二 脑损伤时的ATP敏感性钾通道

脑损伤时，脑组织充血、水肿，颅内压升高，压迫颅内血管，使神经细胞缺血乏氧，细胞代谢功能障碍，诱导机体发生一系列变化。

早在1967年，人们就已经在猫的皮质和海马细胞上检测到，当乏氧时，细胞产生膜超极化[16]。直到1982年，才发现在介导这种膜超极化时，K+的电导增强[17]。其后几年的研究证实，在海马的CA1区乏氧激活一种突触后的K+电导，导致突触超极化[18]。Mourre也发现，在CA3区，乏氧时由于细胞内ATP减少，引起一种突触前的K+电导激活，从而使兴奋性氨基酸释放减少[19]。由此，Grigg等对海马上的KATP 通道进行了研究，他们发现KATP 通道存在于突触前后膜，乏氧诱导的超极化可以被黄酰脲阻断，说明KATP 通道参与介导轴突超极化[20]。利用膜片钳技术观察，代谢抑制时海马CA1区的锥体细胞发生短暂膜超极化，当ATP 水平进一步下降时，细胞内离子紊乱，自由基增加，钙超载，而致细胞死亡[21]。KATP 通道阻断剂甲苯磺丁脲可以逆转这种超极化，可见在大多数细胞观察到的超极化是对甲苯磺丁脲敏感的KATP 通道的开放所致[22]。海马中不同种类的细胞对乏氧的敏感性不全相同，其中CA1区的锥体细胞最敏感，Zawar[26]等人认为可能与KATP 通道数量的多少有关，在出现代谢抑制时，含KATP 通道较多的中间神经元可以开放更多的KATP 通道，因而超极化强度更强烈，细胞兴奋性降低，耗氧量减少，而使细胞受到保护，而锥体细胞含KATP 通道相对较少，所以对乏氧更敏感。

在对鼠的新皮质神经元乏氧研究发现，40%的细胞发生轴突超极化，37%的细胞轴突直接发生去极化，轴突的超极化不被TTX影响，而能被KATP 通道阻断剂gliquidone改变，所以在乏氧时，有部分皮质细胞的KATP 通道被激活，K+外流，发生超极化[27]。纹状体与皮质相似，其中中型棘细胞对乏氧缺血产生强烈的膜去极化[28]，而大型无棘细胞则发生由KATP 通道介导的膜超极化[29]，由此可知，KATP 通道在脑组织中分布的不均匀性，而这些细胞的特异表现的原因及它们在形态，生理学等方面是否有所不同，还有待进一步研究。

很多报告已经指出，在不同的脑区，对于缺血乏氧产生超极化的神经元是通过K+传导的激活，这些传导在海马、皮质、黑质、背根迷走神经元等被认为主要是通过KATP 通道[1]，但并不排除其它通道，因为对蓝斑神经元应用NaCN使细胞代谢抑制时，不但激活了KATP 通道，而且也有Ca2+激活的K+外流，IKATP的激活比IKCa2+快，但长期应用NaCN，IKATP发生rundown现象，而KCa2+通道没有此现象[30]。有趣的是，Liu等人则认为乏氧抑制皮质神经元的Ca2+激活的K+通道[31]。尽管如此，可以肯定的是KATP 通道在神经细胞缺血乏氧中发挥了重要的保护作用。

三 临床意义

KATP 通道与脑损伤致缺血乏氧的关系，主要是其调节药物的开发与应用，KATP 通道开放剂可以延缓缺血乏氧时引起的细胞死亡已经得到证明。短期的脑缺血时，一些急性早期基因大量表达（如HSP、c-fos、c-jun），长期缺血时，在缺血敏感的脑区，这些基因产物明显增多，在缺血前或再灌时，注入KATP 通道开放剂（-）-cromakalim,nicorandil,pinacidil可以阻止这些基因的表达，防止神经细胞变性[32]。另外，KATP 通道能够影响神经递质的释放和传递，高浓度的谷氨酸是一种毒性物质，由缺血乏氧导致神经细胞的死亡与突触间隙高浓度的谷氨酸有关[33]。KATP 通道开放剂抑制谷氨酸对突触后膜的作用，调节突触后Ca2+稳态，使肿胀的细胞还原[34]。KATP 通道开放剂还能减少GABA 的释放，影响突触后膜对GABA 的反应[35]，利用该通道的阻断剂能取消开放剂的有效作用[32]。可见它们都是通过KATP 通道对细胞起作用。但Crepel等人曾经指出，KATP 通道开放剂二氮嗪增强谷氨酸能电流，减少GABA 能电流，而且它不是通过KATP 通道起作用，可能被第二信使介导[36]。因此KATP 通道开放剂在缺血脑组织的应用还需进一步研究。

尽管KATP 通道的亚单位已经被克隆，但神经细胞的KATP 通道分子组成及功能多样性仍未解决，正常生理条件下，KATP 通道对神经细胞是否有功能，不同脑区，不同功能的神经细胞KATP 通道有何区别，以及KATP 通道开放剂在临床上的最终应用等，这些都是有待解决的问题。 

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