SphK1/S1P信號通路在腦缺血再灌注神經(jīng)細胞損傷機制中的研究進展

李軾，呂蔓華

鞘氨醇激酶1（sphingosine kinase 1，SphK1）及鞘脂類代謝產(chǎn)物是重要的信號傳遞分子，SphK1/鞘氨醇-1-磷酸（sphingosine-1-phosphate，S1P）信號通路涉及多種病理生理反應，參與腫瘤、自身免疫及炎癥性疾病等多種疾病的發(fā)生發(fā)展過程。腦缺血后再灌注損傷涉及神經(jīng)炎癥、氧化應激、血腦屏障損傷等多種機制，故研究SphK1/S1P信號通路在腦缺血再灌注損傷（cerebral ischemia reperfusion injury，CIRI）中如何發(fā)揮作用，有望為腦缺血的治療帶來新契機。

1 神經(jīng)鞘磷脂代謝及功能

神經(jīng)鞘磷脂是一系列存在于腦和神經(jīng)組織中的膜磷脂[1]，是構(gòu)成細胞膜結(jié)構(gòu)的重要成分，還是重要的信號傳遞分子[2]，參與很多病理生理過程，如細胞的存活、增殖、遷移及新生血管形成等[3]。神經(jīng)鞘磷脂首先降解為神經(jīng)酰胺（ceramide，Cer），Cer降解為鞘氨醇（sphingosine，Sph）和磷酸神經(jīng)酰胺，Sph在SphK的作用下再次降解為S1P。細胞還含有S1P磷酸酶和Cer合酶活性，使S1P能夠轉(zhuǎn)化生成Cer[4]。SphK1是調(diào)節(jié)Cer和S1P平衡的限速酶，也是催化Sph磷酸化為S1P的關(guān)鍵酶。Cer和Sph抑制增殖，誘導凋亡，而S1P促進細胞增殖和細胞存活，代謝物間可相互轉(zhuǎn)化，這兩種信號傳導之間的動態(tài)平衡稱為鞘磷脂變阻器，決定細胞的存活或死亡[5]，而SphK1是鞘磷脂變阻器的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑。與CIRI過程密切相關(guān)的主要是SphK1、S1P及其受體家族和SphK1/S1P信號通路。

1.1 SphK SphK是神經(jīng)鞘磷脂代謝途徑中一種酶，能將Sph轉(zhuǎn)化為S1P，有兩種底物異構(gòu)體SphK1和SphK2。這兩種同工酶在其組織分布和細胞位置方面不同，SphK1主要分布于細胞質(zhì)，SphK2穿梭于細胞核和細胞質(zhì)之間，受細胞環(huán)境影響[3]。中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的海馬神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細胞、小膠質(zhì)細胞及小顆粒細胞都表達SphK1[6]，其中小膠質(zhì)細胞是最主要的表達體[7]，SphK1組織分布廣泛，在腦、心、肺和脾組織高水平表達。在腦缺血模型中，SphK1在腦缺血發(fā)生后迅速表達。SphK1可被大量的激動劑激活從而引起細胞內(nèi)S1P濃度增加，這些激動劑包括生長因子、促炎細胞因子以及許多G蛋白偶聯(lián)受體配體等[8]。而SphK2則在肝臟和心臟高度表達起相反效應，促進細胞凋亡及抑制細胞存活[9]。SphK是細胞內(nèi)重要的信號傳遞分子，主要參與Ca2+穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)，心血管和神經(jīng)系統(tǒng)炎癥、免疫，以及腫瘤生長的調(diào)節(jié)、增殖、存活、遷移[10]。

1.2 S1P及其受體 S1P由SphK受各種刺激物刺激Sph磷酸化而產(chǎn)生[11]。S1P介導細胞內(nèi)、外的信號傳導，在細胞外通過與5種細胞表面G蛋白偶聯(lián)受體中的一種結(jié)合，在細胞內(nèi)通過一些未知的機制發(fā)揮作用[12]。S1P受體在許多細胞中廣泛表達，包括免疫、心血管和中樞神經(jīng)系統(tǒng)，受體激活后會引起一些細胞內(nèi)途徑的激活，導致各種反應，包括細胞分化、遷移、存活，血管生成，細胞骨架重排，鈣穩(wěn)態(tài)，血管舒張，神經(jīng)炎癥和免疫[3，13]，它還是血腦屏障功能完整性的基礎[13-14]。

2 腦缺血再灌注損傷

腦組織缺血后盡快恢復血供或再通灌注，卻伴隨再氧化、代謝供需不平衡，常常加重原缺血腦組織的損傷，這種損傷不可逆，甚至加重原有的臨床癥狀，這種現(xiàn)象被稱為CIRI[15]。這一過程涉及許多機制，包括興奮性毒性、氧化應激、自由基損傷、神經(jīng)炎癥反應、血腦屏障損傷及細胞凋亡等[16]，而這些機制構(gòu)成腦缺血的級聯(lián)反應，相互影響相互促進。

2.1 興奮性毒性 興奮性毒性是指由于即將壞死的細胞中興奮性神經(jīng)遞質(zhì)的異常釋放引起神經(jīng)元的病理活化和鈣攝取引起的繼發(fā)性損傷[17]。谷氨酸是最主要的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，與神經(jīng)細胞的突觸后膜N-甲基-D-天冬氨酸受體結(jié)合后導致細胞毒性水腫[18]，還引起鈣通道開放、細胞內(nèi)Ca2+增加，在細胞內(nèi)引發(fā)一系列事件，包括產(chǎn)生自由基和激活Ca2+依賴性酶，從而導致廣泛的細胞損傷和細胞凋亡。在興奮性毒性期間激活細胞內(nèi)信號傳導途徑還可以觸發(fā)缺血后炎癥因子的基因表達，導致神經(jīng)損傷[19]。

2.2 氧化應激及自由基損傷 氧化應激是CIRI的基本機制，在缺血性腦損傷的發(fā)病機理中起關(guān)鍵作用[20]。在缺血期間，由于缺氧和葡萄糖底物缺乏導致三磷腺苷（adenosine triphosphate，ATP）產(chǎn)生障礙，ATP依賴性離子泵失活，細胞內(nèi)Ca2+濃度增加，激活幾種Ca2+依賴性酶，如磷脂酶、蛋白酶和核酸內(nèi)切酶，這些酶可能參與活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）的產(chǎn)生[21]。再灌注及隨后再氧化時，氧化應激迅速增加，細胞內(nèi)發(fā)生的非酶促反應增加。氧代謝的產(chǎn)物主要是ROS，包括氧離子、自由基和過氧化物，無機和有機物。ROS的升高來自一系列反應，包括谷氨酸刺激N-甲基-D-天冬氨酸受體、線粒體功能障礙、一氧化氮合酶的活化等[22]，在應激時，ROS積累到毒性水平，具有顯著的細胞效應，包括脂質(zhì)過氧化、蛋白質(zhì)變性、酶失活、核酸和DNA損傷，細胞內(nèi)鈣超載Ca2+的釋放，細胞骨架結(jié)構(gòu)的損傷，導致細胞損傷和功能受損、甚至凋亡[23]。除了腦細胞損傷外，氧化應激還增加血腦屏障通透性。而且自由基會影響腦血流量，是強大的腦血管擴張劑。此外，氧自由基還增加血小板聚集性，觸發(fā)許多促炎基因的表達[18]。

2.3 血腦屏障損傷 血腦屏障是一種選擇性滲透屏障，可將血液循環(huán)與腦組織分開，主要由內(nèi)皮細胞、周細胞和星形膠質(zhì)細胞構(gòu)成[24]。腦血管通透性增加在CIRI的病理生理學中發(fā)揮關(guān)鍵作用，血腦屏障破壞后允許神經(jīng)毒性血漿成分和血細胞進入腦實質(zhì)，損害突觸和神經(jīng)功能，血漿外滲導致血管源性水腫、顱內(nèi)壓增高，進一步損害腦血流量，引起繼發(fā)性損傷[14]。此外，紅細胞的外滲導致梗死區(qū)域的出血性轉(zhuǎn)化。最后，滲漏的血腦屏障促進炎癥細胞的遷移，促進缺血后的神經(jīng)炎癥反應[25]。

2.4 神經(jīng)炎癥反應 腦缺血后迅速誘發(fā)的缺血性腦內(nèi)神經(jīng)炎癥已被充分證實[26]，CIRI伴隨的炎癥反應，誘導趨化因子、細胞黏附分子和大量促炎癥細胞因子的產(chǎn)生，加重缺血性損傷。這些炎癥反應相關(guān)因子（趨化因子、細胞黏附分子和大量促炎癥細胞因子）各自以一些特定途徑參與炎癥反應，進一步加重炎癥損傷：①趨化因子通過G蛋白偶聯(lián)受體，在細胞通訊和炎癥細胞募集中發(fā)揮重要作用。趨化因子如趨化蛋白-1、巨噬細胞炎癥蛋白-1α和局灶性缺血后fractakline的表達在腦缺血再灌注過程中可以引導細胞遷移，促進白細胞浸潤腦組織，增強炎癥反應，加重CIRI[18]。②細胞黏附分子在腦缺血發(fā)生后的第一天被各種細胞因子上調(diào)，介導白細胞在內(nèi)皮細胞表面的滾動、黏附和遷移，促進炎癥反應。兩者之間的相互作用由3種主要的黏附分子介導——選擇蛋白、免疫球蛋白基因超家族和整聯(lián)蛋白[27]。③細胞因子在腦缺血后上調(diào)，不僅在免疫系統(tǒng)的細胞中表達，駐留的腦細胞（包括神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細胞）也產(chǎn)生[18]。小膠質(zhì)細胞是固有的免疫細胞，缺血性卒中后迅速激活，小膠質(zhì)細胞的活化是腦缺血時神經(jīng)炎癥的誘發(fā)因素[28]。缺血早期，活化的小膠質(zhì)細胞增殖、向損傷部位遷移，誘導非特異性免疫反應[29]。活化的小膠質(zhì)細胞對局部缺血的反應可能會釋放幾種促炎細胞因子，如腫瘤壞死因子-α、白細胞介素（interleukin，IL）-1β和IL-6等，以及其他細胞毒性分子（NO、ROS和前列腺素）[30]，從而變得過度激活并導致神經(jīng)毒性后果。

3 SphK1/S1P信號通路在腦缺血再灌注損傷中的作用

目前關(guān)于SphK1/S1P信號通路在CIRI中的作用機制已取得一定進展，SphK1是缺血性卒中后神經(jīng)元炎癥的重要介質(zhì)，主要通過活化的小膠質(zhì)細胞介導神經(jīng)炎癥[7]。目前的研究發(fā)現(xiàn)SphK1/S1P信號通路主要通過以下3種途徑參與CIRI中的神經(jīng)炎癥損傷：①腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子2（tumor necrosis factor receptor-related factor 2，TRAF2）是由腫瘤壞死因子-α引發(fā)的核因子-κB（nuclear factor，NF-κB）信號傳導的關(guān)鍵組分。NF-κB信號傳導激活是缺血性卒中誘導的神經(jīng)元炎癥的公認機制。Sergio E. Alvarez等[31]提出SphK1和S1P對于經(jīng)典NF-κB途徑非常重要，這些反應由細胞內(nèi)S1P介導，而與其細胞表面G蛋白偶聯(lián)受體無關(guān)。S1P在氨基末端RING結(jié)構(gòu)域特異性結(jié)合TRAF2并刺激其E3（泛素連接酶）連接酶活性，這說明TRAF2是S1P的新型細胞內(nèi)靶，S1P結(jié)合TRAF2并且充當TRAF2 E3泛素連接酶活化的輔因子，導致IκB（NFκB的抑制蛋白）激酶的磷酸化。隨之磷酸化和降解IκB，IκB的降解反過來激活NF-κB。Shuli Zheng等[7]提出缺血后SphK1加劇神經(jīng)炎癥反應有可能是通過S1P-TRAF2-NF-κB軸來實現(xiàn)。實驗發(fā)現(xiàn)在小鼠模型中腦缺血后96 h內(nèi)，SphK1而非SphK2迅速表達且持續(xù)誘導。缺血后SphK1的誘導表達顯著促進急性梗死損傷。有研究發(fā)現(xiàn)，SphK1/S1P信號通路在腦缺血發(fā)生時，會在小膠質(zhì)細胞中上調(diào)并誘導TRAF2/NF-κB/IL-17A信號通路，從而引起神經(jīng)系統(tǒng)的炎癥反應和細胞凋亡，最終導致神經(jīng)損傷[32-33]。IL-17A是調(diào)節(jié)CIRI后炎癥反應的IL-17家族成員中的關(guān)鍵分子[34]。②toll樣受體（toll-like receptors，TLRs）是一個跨膜受體家族，能夠識別病原體相關(guān)的分子模式。TLRs是小膠質(zhì)細胞先天免疫反應的重要組成部分，它誘導小膠質(zhì)細胞產(chǎn)生神經(jīng)毒性因子，導致神經(jīng)損傷[35]。有實驗證明活化的小膠質(zhì)細胞可以通過TLR2/IL-23/IL-17途徑在腦缺血再灌注中發(fā)揮重要作用，通路產(chǎn)生的IL-17促成神經(jīng)元損傷[36]。IL-17通過誘導過嗜中性粒細胞和放大神經(jīng)毒性因子的產(chǎn)生而導致CIRI[37]。TLR2和SphK1都表達在小膠質(zhì)細胞，在CIRI時表達上調(diào)，基于上述研究，Wei Sun等[38]進一步提出活化的小膠質(zhì)細胞可能是通過TLR2→SphK1→促炎癥因子（IL-1β、腫瘤壞死因子-α、IL-17和IL-23）途徑，參與CIRI。③Gab Seok Kim等[14]發(fā)現(xiàn)卒中后腦微血管中檢測到S1P受體2表達，這與腦內(nèi)皮細胞等的體外數(shù)據(jù)一起表明S1P受體2在腦血管完整性的破壞中起關(guān)鍵作用。故缺血性卒中發(fā)生后SphK1可能通過S1P及S1P受體2對腦血管通透性產(chǎn)生影響。

綜上所述，SphK1/S1P信號通路主要通過介導CIRI的神經(jīng)炎癥反應、破壞血腦屏障完整性而造成損傷，這個發(fā)現(xiàn)有望為缺血性卒中提供新的治療思路：抑制信號通路中介質(zhì)的表達等，從而改善腦缺血預后。