嚴智 趙天全 王恩任

創(chuàng)傷性腦損傷（traumatic brain injury，TBI）在創(chuàng)傷中的發(fā)生率僅次于四肢骨折，在醫(yī)學發(fā)達的今天，神經(jīng)仍嚴重威脅人類的健康。明確TBI 的發(fā)病機制，對有效減少TBI 損害、提高搶救成功率、改善患者預后具有重要的意義。TBI 誘導的神經(jīng)細胞凋亡往往伴隨著鈣離子（Ca2+）參與的機體反應，包括細胞水腫、釋放興奮性氨基酸、氧化應激、線粒體功能障礙、鈣蛋白酶激活、神經(jīng)免疫炎癥反應等[1,2]。了解Ca2+在TBI 中的作用，有助于TBI 治療的進一步發(fā)展和創(chuàng)新，是臨床上提高TBI 療效的重要切入點之一。本文將圍繞Ca2+與TBI 的研究歷史與現(xiàn)狀、維持神經(jīng)元Ca2+穩(wěn)態(tài)的病理生理機制、Ca2+介導的神經(jīng)細胞損傷方面，概述Ca2+在TBI 中扮演的重要角色，現(xiàn)綜述如下。

一、TBI 后神經(jīng)元損傷的機制

TBI 對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的損傷是一個連續(xù)且復雜的致病過程[1]。TBI 后所致神經(jīng)損傷包括原發(fā)性和繼發(fā)性損傷兩大機制。原發(fā)性損傷是因腦組織受到外力（包括直接暴力、間接暴力、擠壓的機械破壞）引起的損傷，繼發(fā)性損傷是一種可持續(xù)幾分鐘、幾個月甚至原發(fā)性損傷后數(shù)年，最終導致神經(jīng)系統(tǒng)損傷的病理生理事件，包括細胞缺血、缺氧、死亡[3]。TBI 繼發(fā)性損傷是一個復雜的生理病理過程，其發(fā)生機制是多因素的，至今有些問題仍在探索中。

二、TBI 與Ca2+的關(guān)系

（一）研究歷史與現(xiàn)狀

追溯至19 世紀末，國外就有科學家發(fā)現(xiàn)TBI 后神經(jīng)細胞內(nèi)鈣濃度升高。Miller 等[4]描述了神經(jīng)元內(nèi)Ca2+濃度的變化，作為一種信號，參與了神經(jīng)元的許多生理過程。Young 等[5]在20 世紀總結(jié)提出TBI 后，Ca2+啟動并調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)對損傷的反應，并釋放自由基，損傷神經(jīng)系統(tǒng)。Krebs 等[6]多位科學家研究指出，Ca2+的穩(wěn)態(tài)是細胞生理學和病理學不可或缺的部分。隨著研究的深入，Ca2+被證明與多類神經(jīng)系統(tǒng)疾病具有相關(guān)性。Ca2+不僅參與TBI 的繼發(fā)性損害，免疫防御，而且Ca2+與認知方面及神經(jīng)退行性病變具有明確關(guān)系，細胞內(nèi)Ca2+穩(wěn)態(tài)失調(diào)是阿爾茨海默病中神經(jīng)功能障礙的常見原因[2,7]。隨著Ca2+與TBI 關(guān)系的深入研究，目前許多學者提出了新的TBI患者治療靶點，例如，Luo 等[8]研究提示TBI 突觸后支架蛋白Preso 參與一氧化氮（NO）和Ca2+反應的調(diào)節(jié)，抑制Preso 可能作為TBI 神經(jīng)保護的靶點。因此證實維持Ca2+穩(wěn)態(tài)，對神經(jīng)系統(tǒng)的正常功能至關(guān)重要。

（二）維持神經(jīng)元Ca2+穩(wěn)態(tài)的病理生理機制

Ca2+對維持神經(jīng)元功能尤為重要，維持細胞內(nèi)外Ca2+平衡是保證細胞功能的基礎。細胞主要通過以下幾種穩(wěn)態(tài)機制來控制Ca2+動態(tài)穩(wěn)定：（1）Ca2+通過電壓門控鈣通道（voltagegated calcium channel，VGCC）和受體操作鈣通道（receptoroperated calcium channel，ROCC）；（2）Ca2+緩沖蛋白；（3）細胞內(nèi)細胞器中Ca2+的儲存和Ca2+外排。

增加Ca2+水平主要有3 種途徑：（1）通過ROCC，其是由配體激活的Ca2+通道[9]。N-甲基-D-天冬氨酸（N-methyl-Daspartic acid，NMDA）受體是通過ROCC 的代表，NMDA 受體被內(nèi)源性配體谷氨酸激活，導致Ca2+通道開放，進而Ca2+從細胞外流入細胞質(zhì)中[10]；（2）通過幾種類型的VGCC 流入神經(jīng)細胞，是Ca2+內(nèi)流的主要途徑[11,12]。研究表明不同神經(jīng)元具有幾種不同類型的VGCC 和ROCC，通過這些特定通道細胞外的Ca2+流入細胞內(nèi)；（3）通過位于細胞中的細胞器如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體等儲存或者釋放Ca2+[5]。

相反，細胞內(nèi)同樣具有降低Ca2+水平的機制，以維持Ca2+穩(wěn)態(tài)。降低細胞內(nèi)Ca2+的機制主要包括3 類[11,12]：（1）Ca2+從細胞內(nèi)向細胞外空間通過鈣泵和Na+/Ca2+交換體擠出，而這依賴于膜Na+-K+-ATP 酶，其稱為質(zhì)膜中Ca2+擠出系統(tǒng)；（2）Ca2+通過與鈣調(diào)蛋白結(jié)合可以緩沖神經(jīng)元內(nèi)的部分Ca2+；（3）細胞內(nèi)細胞器的攝取和儲存作用，Ca2+隔離到細胞內(nèi)細胞器如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體及細胞核中，以維持Ca2+的穩(wěn)態(tài)水平。

（三）鈣介導的細胞損傷和凋亡機制

現(xiàn)有研究已證明TBI 后神經(jīng)細胞內(nèi)Ca2+水平升高的事實，早在1996 年，Trump 等[13]就提出了Ca2+對細胞凋亡和壞死具有重要作用，其后許多科學家們先后闡述了TBI 后的損傷機制，在機制學說中，Ca2+扮演著重要角色。

1.Ca2+與TBI 后腦水腫：TBI 后腦水腫主要包括兩類，即血管源性腦水腫和細胞毒性腦水腫。前一類是歸因于TBI 后血腦屏障通透性增加，細胞外間隙滲透壓增大，超過血管內(nèi)靜力壓時血管源性腦水腫形成。后一類在TBI 后，Na+-K+-ATP 酶與Ca2+-Mg2+-ATP 酶活性下降，Na+與Ca2+貯存于細胞內(nèi)，胞內(nèi)滲透壓升高，水分子滲透于胞內(nèi)導致神經(jīng)細胞腫脹，因而Ca2+在細胞毒性腦水腫的形成中具有重要作用[14]。

2.Ca2+與興奮性氨基酸毒性：興奮性氨基酸及其受體被異常激活后，對中樞神經(jīng)系統(tǒng)具有興奮性毒性。TBI 可異常觸發(fā)谷氨酸和天冬氨酸等興奮性氨基酸失控性的過量釋放，進而對中樞神經(jīng)系統(tǒng)造成損傷。在1986 年，Rothman 和Olney[15]通過一些研究總結(jié)發(fā)現(xiàn)，谷氨酸是一種強大的神經(jīng)毒素，能夠殺死中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的神經(jīng)元。隨后的科學研究發(fā)現(xiàn)，興奮性氨基酸的毒性是Ca2+依賴性的[16]。其機制是谷氨酸作用于細胞膜上的NMDA 受體，一方面使受體依賴性Ca2+通道開放，致大量鈣內(nèi)流；另一方面使膜對Ca2+和Na+的通透性增加，使細胞內(nèi)Ca2+濃度升高，進而造成神經(jīng)元損傷[10,17]。Dorsett等[18]總結(jié)指出谷氨酸等興奮性神經(jīng)遞質(zhì)過度釋放、大量集聚導致Ca2+大量內(nèi)流，而激發(fā)神經(jīng)細胞的死亡途徑。

3.Ca2+與線粒體功能障礙（能量匱乏）：線粒體被稱為細胞的動力源，是因其通過細胞呼吸產(chǎn)生大量三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）供應細胞活動的能量需求。當神經(jīng)細胞外的Ca2+快速流入細胞內(nèi)后，細胞內(nèi)的線粒體會攝取流入的Ca2+，起到對Ca2+儲存的作用，這對維持Ca2+穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。但Yokobori 等[19]研究表明，隨著長時間的Ca2+流入，線粒體變得過度負荷，導致線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔（mitochondrial permeability transition pore，mPTP）開放，釋放Ca2+以及各種低分子量和高分子量物質(zhì)進入細胞質(zhì)中，進而促使Ca2+失衡。Ca2+失衡與功能失調(diào)的線粒體形成惡性循環(huán)，不僅使腦組織的ATP 產(chǎn)生不足，同時mPTP 的開放導致細胞水腫，加劇神經(jīng)細胞胞內(nèi)Ca2+超載，進而引起神經(jīng)細胞死亡。TBI 后Ca2+內(nèi)流引起線粒體超負荷，線粒體功能障礙成為TBI 患者繼發(fā)性損害的一個重要方面[20]。

4.Ca2+與氧化應激：氧化應激是指自由基生成與清除劑、抗氧化劑之間的不平衡。通常在TBI 后，神經(jīng)組織中自由基會增加，主要包括兩大類：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）、過氧亞硝酸鹽（ONOO-），ROS 主要包括超氧自由基（O2-）、羥基自由基（OH）和過氧化氫（H2O2）等。Slemmer 等[21]描述了在正常生理條件下，氧自由基受到細胞防御機制的嚴格控制。然而TBI 后，這些防御機制可能受到損害，形成ROS/RNS，通過過氧化作用破壞關(guān)鍵的細胞組分，例如脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和核酸（DNA 和RNA）。

Ca2+參與調(diào)節(jié)神經(jīng)元中的NO 的產(chǎn)生。早在1996 年，Xia等[22]指出在NMDA 受體激活后，Ca2+流入神經(jīng)細胞，流入胞內(nèi)的Ca2+與鈣調(diào)蛋白結(jié)合，其結(jié)合物調(diào)節(jié)NO 合成酶產(chǎn)生，NO合成酶促使從L-精氨酸中產(chǎn)生NO。在生理條件下，NO 的水平很低，有助于人體內(nèi)重要的生理過程，包括腦血管舒張和神經(jīng)傳遞等。TBI 后Ca2+超載通過上述過程生成大量NO，其又可以與超氧化物結(jié)合在神經(jīng)細胞中產(chǎn)生ONOO-，對蛋白質(zhì)、膜脂質(zhì)和DNA 都具有高毒性[23]。另一方面，一些研究已將氧化應激增加與線粒體功能障礙和細胞骨架損傷加劇聯(lián)系起來[24]。線粒體功能障礙可引起細胞內(nèi)生成NO，是顱腦中ROS 產(chǎn)生的重要來源之一，而Ca2+與線粒體功能障礙密切相關(guān)，同時Ca2+與鈣調(diào)蛋白的結(jié)合物調(diào)節(jié)NO 合成酶的生成，因此本文推斷細胞內(nèi)Ca2+的大量增加可加強氧化應激對神經(jīng)細胞造成的損傷。

5.Ca2+與蛋白酶激活：鈣在TBI 的發(fā)展中起著重要作用。TBI 引起的鈣內(nèi)流可以激活各種蛋白酶并促進神經(jīng)元損傷和死亡過程。關(guān)于實驗性TBI 后鈣蛋白酶激活首次報道于1996年，Saatman 等[25]通過Western blot 和免疫組織化學的方法檢測到血影蛋白在鈣蛋白酶作用下的進行分解，并提出鈣蛋白酶可能在TBI 后的神經(jīng)變性過程中起重要作用。TBI 后過量的Ca2+內(nèi)流，通過NMDA 受體流入激活鈣依賴性蛋白酶，激活的鈣蛋白酶可對細胞質(zhì)及細胞骨架中的結(jié)構(gòu)蛋白進行裂解。各種分解產(chǎn)物、裂解的片段被蛋白酶體進一步降解，導致神經(jīng)元細胞死亡，鈣依賴性蛋白酶已被證明其與TBI 誘導的神經(jīng)元死亡有關(guān)[26]?，F(xiàn)鈣蛋白酶切割分解產(chǎn)物，已被廣泛用于TBI 的生物標志物研究及臨床診斷中，比如軸突特異性微管相關(guān)蛋白tau、神經(jīng)元特異性烯醇化酶、α-血影蛋白等[27,28]。

三、治療進展及展望

TBI 后，Ca2+作為始動因素，通過上述病理生理過程，引起神經(jīng)元繼發(fā)性損傷。Ca2+在繼發(fā)性腦損傷過程中扮演了重要的角色，與其發(fā)生、發(fā)展、預后和治療等方面有著密切的關(guān)系。既往治療策略研究旨在抑制Ca2+流入細胞，而鈣通道拮抗劑或者Mg2+拮抗鈣內(nèi)流等治療措施已取得一些臨床療效，但仍缺乏確切改善預后的臨床療效[29]。目前，針對TBI 病變的臨床前有效的治療藥物在進行臨床試驗時大多被證明療效不確切，其向臨床轉(zhuǎn)化具有挑戰(zhàn)性[30]。當下TBI 后圍繞Ca2+的許多神經(jīng)保護潛在靶點已被確定或正在進行研究，國內(nèi)徐如祥教授團隊研究指出，Wnt5a/Frizzled-2 信號在調(diào)節(jié)神經(jīng)細胞中的Ca2+濃度變化中起到重要的作用，提示可作為TBI 研究和治療的靶點[31]。Zhang 等[32]在小鼠TBI 模型研究中指出，線粒體鈣單核細胞（mitochondrialcalcium uniporter，MCU）可調(diào)控Ca2+的穩(wěn)定，減輕TBI 繼發(fā)損傷，提示MCU 介導的Ca2+阻斷有望成為治療TBI 的新靶點。臨床試驗中，Abdoli 等[33]的一個隨機對照試驗證實了鈣拮抗劑在TBI 的治療中對降低遠期死亡率是有統(tǒng)計學意義的。

綜上所述，TBI 所導致的神經(jīng)損傷由多種途徑共同參與，臨床治療過程中不僅要關(guān)注原發(fā)性損傷也應同時關(guān)注繼發(fā)性損傷。本文通過綜述TBI 后Ca2+介導神經(jīng)細胞病理損傷的多種機制，希望有助于TBI 后藥物治療的進一步發(fā)展和創(chuàng)新，進而降低TBI 患者死亡率，改善TBI 患者的神經(jīng)功能。