AMPK在缺血性腦卒中中的研究進(jìn)展

蘭州大學(xué)第二醫(yī)院麻醉科，甘肅蘭州市 730030

缺血性腦卒中是一種由多種環(huán)境和遺傳風(fēng)險(xiǎn)因素相互作用引起的多因素疾病，是最常見的致殘?jiān)騕1]。在缺血性腦卒中發(fā)生后，血液供應(yīng)不足會(huì)剝奪腦細(xì)胞所需的葡萄糖和氧氣，并擾亂細(xì)胞體內(nèi)穩(wěn)態(tài)，從而觸發(fā)病理生理過程，包括興奮性毒性、氧化應(yīng)激、炎癥、細(xì)胞凋亡和細(xì)胞死亡[2]。組織纖溶酶原激活劑和血管內(nèi)治療是急性缺血性腦卒中的主要治療方法，但由于治療時(shí)間窗的限制，治療效果仍然不理想。因此對(duì)于缺血性腦卒中發(fā)生發(fā)展及治療靶點(diǎn)的探索顯得至關(guān)重要。

AMP 激活的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)是一種進(jìn)化上保守的絲氨酸/蘇氨酸激酶，在調(diào)節(jié)全身細(xì)胞能量的穩(wěn)態(tài)中具有重要作用，可以在葡萄糖剝奪、缺氧或局部缺血期間響應(yīng)細(xì)胞內(nèi)AMP/ADP 比率的增加而被磷酸化和激活，并通過抑制ATP 消耗以及刺激ATP 生成來維持細(xì)胞能量[3]。同時(shí)AMPK 參與缺血性腦卒中的病理生理過程，可能是缺血性腦卒中治療的一個(gè)潛在靶點(diǎn)。本文對(duì)AMPK 的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、在神經(jīng)系統(tǒng)中的生理功能、在缺血性腦卒中中的作用及治療進(jìn)行闡述。

1 AMPK的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及表達(dá)

AMPK 被視為細(xì)胞中的能量變化傳感器和代謝反應(yīng)的調(diào)節(jié)劑，在維持能量穩(wěn)態(tài)方面具有重要作用。AMPK是異源三聚體復(fù)合物，在不同的組織和器官都有分布，在結(jié)構(gòu)上由催化亞基α和兩個(gè)調(diào)節(jié)性β和γ亞基組成[4-5]。此外，AMPK的每個(gè)亞基都有幾種同工型，包括α1/α2、β1/β2和γ1/γ2/γ3[6-7]。α亞基的主要功能是促進(jìn)磷酸基團(tuán)從ATP到Ser/Thr位點(diǎn)的轉(zhuǎn)運(yùn)。β亞基主要通過連接糖原的碳水化合物結(jié)合模塊在α 和γ 亞基之間提供結(jié)構(gòu)橋。γ亞基是變構(gòu)激活劑，可以與AMP、ADP或ATP結(jié)合來調(diào)節(jié)AMPK的變構(gòu)活化[3]。

AMPK 在人體不同的組織和器官中廣泛表達(dá)，其中α1 亞基主要存在于腦、心、肺、腎和肝，α2 亞基主要存在于肝、心、骨骼肌和腦神經(jīng)元中。β1/β2亞基主要表達(dá)于骨骼肌。γ1/γ 2/γ3亞基幾乎在所有組織中都廣泛表達(dá)[8]。另外在神經(jīng)系統(tǒng)中，AMPK亞基的細(xì)胞定位也有所不同，α1催化亞基主要表達(dá)于神經(jīng)纖維，α2 催化亞基主要表達(dá)于神經(jīng)元和活化的星形膠質(zhì)細(xì)胞，β亞基在嗅球的顆粒細(xì)胞等神經(jīng)元中存在表達(dá)[8-9]。

2 AMPK在神經(jīng)系統(tǒng)中的生理功能

AMPK 是機(jī)體所有活細(xì)胞的能量傳感器，與細(xì)胞存活、生長(zhǎng)、衰老和細(xì)胞死亡相關(guān)的代謝過程有關(guān)。在神經(jīng)系統(tǒng)中，AMPK在整個(gè)大腦的神經(jīng)元中表達(dá)，與大腦發(fā)育、神經(jīng)元極化等過程相關(guān)。

2.1 促進(jìn)大腦發(fā)育

AMPK 是一種重要的代謝傳感器，可在細(xì)胞和全身水平上維持能量平衡，能夠?qū)⑸窠?jīng)元功能與能量供應(yīng)聯(lián)系起來，并在下丘腦控制食物攝入和周圍能量消耗中發(fā)揮關(guān)鍵作用[10]。Das-gupta 等[11]發(fā)現(xiàn)，AMPKβ1(-/-)小鼠齒狀回和小腦萎縮，整個(gè)中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元、少突膠質(zhì)細(xì)胞和髓鞘嚴(yán)重丟失，表明AMPK 參與大腦發(fā)育過程。機(jī)制實(shí)驗(yàn)表明[11]，AMPK 可以通過AMPK-視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤蛋白軸來促進(jìn)神經(jīng)干細(xì)胞和祖細(xì)胞生長(zhǎng)。AMPK活性降低，可以導(dǎo)致神經(jīng)干細(xì)胞和祖細(xì)胞的細(xì)胞周期缺陷。

2.2 調(diào)節(jié)神經(jīng)元極化

神經(jīng)元極化是神經(jīng)元從體細(xì)胞形成多個(gè)樹突和軸突的過程，是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)形成的第一步。神經(jīng)元極化始于單個(gè)小神經(jīng)突迅速擴(kuò)展為具有明顯大小和復(fù)雜幾何形狀的軸突，而其余的神經(jīng)突將最終發(fā)展為樹突[12]。AMPK 參與調(diào)控神經(jīng)元極化過程。AMPK 使驅(qū)動(dòng)蛋白家族成員5A 的結(jié)合輕鏈磷酸化，從而導(dǎo)致磷脂酰肌醇3-激酶從運(yùn)動(dòng)復(fù)合物中解離，阻止了磷脂酰肌醇3-激酶靶向軸突尖端并抑制極化和軸突生長(zhǎng)[13]。

3 AMPK在缺血性腦卒中的作用

缺血性腦卒中發(fā)生后，持續(xù)的大腦缺氧會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)元死亡、神經(jīng)炎癥、谷氨酸興奮性毒性和氧化應(yīng)激的增加，逐漸形成新生血管進(jìn)而對(duì)缺血腦組織進(jìn)行修復(fù)。AMPK在上述病理過程中具有重要的調(diào)控作用。

3.1 減弱氧化應(yīng)激

氧化應(yīng)激是一個(gè)病理過程。機(jī)體在有害刺激下產(chǎn)生過多的活性氧和活性氮，導(dǎo)致抗氧化劑和活性氧/活性氮的失衡，對(duì)神經(jīng)元造成巨大損傷[14]。Choi等[15]在大鼠皮質(zhì)神經(jīng)元/神經(jīng)膠質(zhì)混合培養(yǎng)后，發(fā)現(xiàn)反式石竹烯能夠增強(qiáng)AMPK 和cAMP響應(yīng)元件結(jié)合蛋白的磷酸化，進(jìn)而減少了因缺氧導(dǎo)致的線粒體功能障礙和細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激。Blázquez 等[16]研究發(fā)現(xiàn)，AMPK 在激活劑5-氨基咪唑-4-羧酰胺核糖核苷的作用下，可顯著促進(jìn)大鼠皮質(zhì)星形膠質(zhì)細(xì)胞中酮體的生成，從而減輕氧化應(yīng)激對(duì)神經(jīng)元的損傷。

3.2 抑制神經(jīng)炎癥

神經(jīng)炎癥是缺血性腦卒中誘發(fā)的繼發(fā)性腦損傷中一種常見的病理過程，主要特征是活化的小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中表達(dá)炎癥介質(zhì)，趨化因子和補(bǔ)體蛋白[17]。在大腦中動(dòng)脈閉塞小鼠模型和氧葡萄糖剝奪的星形膠質(zhì)細(xì)胞/小膠質(zhì)細(xì)胞體外模型中，Qiu 等[18]發(fā)現(xiàn)使用抗炎分子青藤堿可減輕大腦中動(dòng)脈閉塞誘導(dǎo)的腦梗死、腦水腫、神經(jīng)元凋亡和神經(jīng)功能缺損，同時(shí)減弱星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞的活化；青藤堿通過激活A(yù)MPK 途徑，抑制核苷酸寡聚化結(jié)構(gòu)閾(nucleotide-binding oligomerization domain,NOD)樣受體熱蛋白結(jié)構(gòu)域3 炎性小體，在缺血性腦卒中中發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用。另外，在短暫性腦缺血后使用二甲雙胍也可以激活A(yù)MPK，進(jìn)而降低細(xì)胞中核因子κB和腫瘤壞死因子的水平，抑制神經(jīng)炎性反應(yīng)[19]。

3.3 調(diào)節(jié)神經(jīng)元自噬和凋亡

繼發(fā)于腦缺血的能量剝奪通常導(dǎo)致細(xì)胞自噬，這是一種通過降解和回收細(xì)胞成分來產(chǎn)生能量的保護(hù)過程[20-21]。AMPK 的預(yù)激活可以促進(jìn)神經(jīng)系統(tǒng)自噬，進(jìn)而改善缺血性損傷[22]。Jiang等[23]表明，缺血預(yù)處理可以激活A(yù)MPK來誘導(dǎo)大腦的自噬，減少神經(jīng)功能缺損和細(xì)胞凋亡；AMPK 抑制劑可以抑制自噬過程。

神經(jīng)元凋亡通常繼發(fā)于缺血性腦卒中，并且是缺血程度的指標(biāo)。AMPK可以改善這一過程。在小鼠局灶性短暫性腦缺血再灌注模型中，Yang 等[24]發(fā)現(xiàn)Apelin-13 的預(yù)處理顯著增加AMPKα 磷酸化水平和Bcl2 的表達(dá)，下調(diào)Bax 和胱冬肽酶-3 的表達(dá)水平，減少神經(jīng)細(xì)胞凋亡；表明AMPK 信號(hào)參與apelin 介導(dǎo)的神經(jīng)保護(hù)機(jī)制。此外，Guo等[25]發(fā)現(xiàn)在缺氧-葡萄糖剝奪神經(jīng)元中，雌激素通過雌激素受體α 促進(jìn)AMPK 活化，進(jìn)一步抑制神經(jīng)元的凋亡。

3.4 改善線粒體功能

通常，線粒體可以在生理和病理?xiàng)l件下產(chǎn)生大量的ATP以發(fā)揮各種生物學(xué)作用。在缺血性腦卒中發(fā)生后，線粒體出現(xiàn)功能不全和失調(diào)[26]。AMPK 可以通過改善線粒體功能來減輕腦缺血損傷。Toyama 等[27]發(fā)現(xiàn)，AMPK 可以向線粒體裂變因子發(fā)出信號(hào)并誘導(dǎo)線粒體快速分裂，從而在嚴(yán)重的能量危機(jī)下啟動(dòng)新的線粒體生物發(fā)生，減輕線粒體功能障礙。AMPK可以通過新型過氧化物增殖激活受體協(xié)同激活子信號(hào)傳導(dǎo)，在缺血大鼠中誘導(dǎo)神經(jīng)元線粒體的生物發(fā)生，從而減輕缺血性損傷[28]。

3.5 限制谷氨酸興奮性毒性

缺血性腦卒中會(huì)引起突觸外谷氨酸的過度釋放和谷氨酸受體的活化，這個(gè)過程稱為谷氨酸興奮性毒性。谷氨酸過多的釋放會(huì)引起活性氧增加、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和炎性小體活化，導(dǎo)致海馬體受損。Li等[29]發(fā)現(xiàn)，姜黃素可以通過調(diào)節(jié)AMPK來抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和炎性小體活化，減少活性氧的產(chǎn)生，減輕谷氨酸的神經(jīng)毒性，從而保護(hù)海馬免受缺血性損傷。另外，AMPK 直接與γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)A 型受體結(jié)合，抑制谷氨酸的釋放，從而增強(qiáng)GABA受體與G蛋白門控內(nèi)向整流器K+通道的偶聯(lián)，提高缺氧損傷后的神經(jīng)元存儲(chǔ)和神經(jīng)元存活，限制神經(jīng)元興奮性毒性損傷[30]。

3.6 促進(jìn)新生血管形成

血管生成發(fā)生在腦缺血后4～7 d 內(nèi)，主要表現(xiàn)為梗死周圍區(qū)域的微血管密度增加。血管形成被認(rèn)為有助于缺血性腦卒中后的功能恢復(fù)，一方面可以促進(jìn)軸突萌發(fā)，另外還可以增強(qiáng)神經(jīng)干細(xì)胞和祖細(xì)胞的增殖、遷移和分化，有利于神經(jīng)發(fā)生[31]。Jin等[32]的研究表明，腦卒中后長(zhǎng)期的二甲雙胍治療可以增強(qiáng)腦AMPK 激活，增加血管生成和神經(jīng)發(fā)生，進(jìn)而促進(jìn)功能恢復(fù)。Venna 等[33]還發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍可以通過AMPK 上調(diào)血管生成因子，促進(jìn)血管生成，減小梗死面積和抑制神經(jīng)膠質(zhì)瘢痕形成。

4 AMPK與缺血性腦卒中的治療

缺血性腦卒中是威脅人類健康的全球性疾病，它的特點(diǎn)是高死亡率和致殘性，理想溶栓時(shí)間為3～6 h，但由于嚴(yán)格的時(shí)間窗限制，大約只有3%～5%的缺血性腦卒中患者可以接受溶栓治療。通過AMPK途徑進(jìn)行溶栓是缺血性腦卒中一種很有前景的療法，其中靶向AMPK的治療方式包括藥物治療、物理療法和受體靶向治療。

4.1 藥物治療

白藜蘆醇和二甲雙胍是常用于缺血性腦卒中治療的藥物。在大鼠腦缺血模型中，二甲雙胍預(yù)處理能夠通過激活A(yù)MPK調(diào)節(jié)線粒體的生物發(fā)生和抑制神經(jīng)細(xì)胞凋亡，促進(jìn)血管生成，從而實(shí)現(xiàn)神經(jīng)保護(hù)作用[28,33]。Wang 等[34]發(fā)現(xiàn)在反復(fù)發(fā)作的缺血性腦卒中模型中，白藜蘆醇可激活A(yù)MPK，顯著減少梗死面積和神經(jīng)元死亡，并伴有神經(jīng)學(xué)評(píng)分和行為缺陷的改善。此外，白藜蘆醇還可以通過激活cAMP/AMPK/Sirt1 途徑來抑制磷酸二酯酶，進(jìn)而減少梗死面積，改善神經(jīng)功能缺損。Tang等[35]研究發(fā)現(xiàn)，丹酚酸是一種AMPK激動(dòng)劑，可以減少半影區(qū)內(nèi)神經(jīng)元的死亡，減少梗死面積，并改善神經(jīng)功能評(píng)分和預(yù)后，是溶栓治療的一個(gè)很有前景的新藥。阿托伐他汀作為AMPK 的激活劑，被廣泛用作降脂劑。Chaturvedi 等[36]研究發(fā)現(xiàn)，阿托伐他汀可顯著降低低密度脂蛋白，并改善腦卒中結(jié)局。Yu等[37]研究發(fā)現(xiàn)，依澤替米貝作為一種新型降脂劑，也能夠改善缺血性腦卒中發(fā)生后的神經(jīng)系統(tǒng)癥狀，主要是通過AMPK/Nrf2/硫氧還蛋白互作蛋白途徑來降低氧化應(yīng)激和神經(jīng)炎癥。

綜上所述，在缺血性腦卒中發(fā)生后，通過上調(diào)AMPK的表達(dá)可以顯著改善神經(jīng)細(xì)胞死亡、神經(jīng)炎癥、谷氨酸興奮性毒性和氧化應(yīng)激等病理過程，促進(jìn)神經(jīng)功能恢復(fù)和改善腦卒中結(jié)局。

4.2 物理療法

電針已在脊髓損傷和腦卒中患者中顯示出較好的治療效果[38-39]。Ran等[40]研究證實(shí)，采用電針以1 mA和2/15 Hz的頻率刺激缺血性腦損傷小鼠百會(huì)穴30 min，連續(xù)30 d，可以上調(diào)AMPKα的表達(dá)，進(jìn)而減少神經(jīng)元的凋亡，促進(jìn)腦損傷的恢復(fù)。一直以來運(yùn)動(dòng)被視為慢性代謝應(yīng)激，可以引起局部腦血流量增加和代謝功能增強(qiáng)，還具有調(diào)節(jié)AMPK 表達(dá)的功能[41-42]。大鼠在腦缺血性損傷后經(jīng)過1～3周的鍛煉，能夠顯著上調(diào)AMPK 的表達(dá)，并伴有梗死面積的減少、葡萄糖攝取和ATP 產(chǎn)生增加，表明運(yùn)動(dòng)后AMPK 表達(dá)的上調(diào)可能會(huì)增強(qiáng)大腦對(duì)缺血的耐受性[43]。

4.3 受體靶向治療

N-甲基-D-天冬氨酸(N-Methyl-D-aspartic acid,NMDA)是一種水溶性的合成物質(zhì)，其受體可以顯著促進(jìn)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的康復(fù)。NMDA受體活性的上調(diào)通過促進(jìn)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體-4向質(zhì)膜的轉(zhuǎn)運(yùn)，促進(jìn)AMPK 的持續(xù)活化和增加葡萄糖的攝?。欢褂肗MDA 受體拮抗劑氯胺酮，則降低了缺血性腦卒中發(fā)生后AMPK 的活性和質(zhì)膜中葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體-4[44]。另外，反石竹烯作為AMPK的激活劑，在體外可以通過減少線粒體功能障礙和抑制氧化應(yīng)激來減少氧糖剝奪/復(fù)氧模型中神經(jīng)元的死亡，在體內(nèi)可以減少腦梗死面積和水腫，上調(diào)腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的分泌[15]。

5 小結(jié)

缺血性腦卒中約占腦卒中的80%，是全球范圍內(nèi)最常見的致殘?jiān)?。常?guī)治療是使用重組組織纖溶酶原激活劑，但其治療窗口狹窄，最終導(dǎo)致神經(jīng)元發(fā)生不可逆的損傷。AMPK被稱為能量平衡的傳感器和調(diào)節(jié)器，在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育中扮演著重要作用；同時(shí)在缺血性腦卒中發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮保護(hù)性作用，例如抑制氧化應(yīng)激、細(xì)胞凋亡、線粒體功能障礙、谷氨酸興奮性毒性、神經(jīng)炎癥和促進(jìn)自噬。AMPK在缺血性腦卒中的治療中具有促進(jìn)功能恢復(fù)作用，將成為缺血性腦卒中靶向治療一個(gè)很有前景的靶點(diǎn)。但同時(shí)有關(guān)AMPK在臨床方面的證據(jù)依然不是很明確，需要更多的研究闡明AMPK的作用，以期有助于預(yù)防和治療缺血性腦卒中。

利益沖突聲明：所有作者聲明不存在利益沖突。