NHE1在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的研究進(jìn)展

吳旭玲，馮占輝，葉蘭

鈉氫交換體(Na+/H+exchangers，NHE)在哺乳動(dòng)物中廣泛存在，其功能是介導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)的H+和細(xì)胞內(nèi)外的Na+進(jìn)行等比例交換從而調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的pH、維持細(xì)胞容積，參與細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖、遷移及細(xì)胞凋亡的調(diào)控過(guò)程。NHE包括10個(gè)亞型 ，NHE1在細(xì)胞中普遍表達(dá)，NHE2-4主要表達(dá)于上皮細(xì)胞和周?chē)M織中，NHE5在腦組織中有表達(dá)，NHE10則特異表達(dá)于破骨細(xì)胞中，調(diào)控破骨細(xì)胞的分化[1]。根據(jù)各亞型在細(xì)胞內(nèi)的分布不同可分為細(xì)胞質(zhì)膜簇和胞內(nèi)細(xì)胞器簇，NHE1-5、NHE10表達(dá)于細(xì)胞膜上，屬于質(zhì)膜簇蛋白，NHE6-9則表達(dá)于線粒體、高爾基體等細(xì)胞器膜上[1-2]。目前關(guān)于NHE各亞型的研究中，和神經(jīng)系統(tǒng)疾病相關(guān)聯(lián)的有NHE1、NHE6和NHE9三種亞型，NHE1與癲癇關(guān)系較為緊密，而NHE6和NHE9主要與智能障礙相關(guān)[3-4]。NHE1是NHE家族中分布最廣的亞型，且在神經(jīng)組織中有廣泛的表達(dá)。NHE1主要表達(dá)于腦和周?chē)窠?jīng)系統(tǒng)[5]，在腦內(nèi)海馬和皮層組織中表達(dá)豐富。NHE1是一種細(xì)胞膜蛋白，位于細(xì)胞質(zhì)膜上，在胞內(nèi)細(xì)胞器膜上沒(méi)有NHE1的表達(dá)[2]。NHE1氮端跨膜區(qū)域由500個(gè)氨基酸組成了12個(gè)α螺旋跨膜片段，稱作離子通道結(jié)構(gòu)域，胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域由315個(gè)氨基酸組成，其中包含有9個(gè)磷酸化位點(diǎn)，可以調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。NHE1主要發(fā)揮細(xì)胞管家的作用，防止細(xì)胞內(nèi)過(guò)度酸化，維持細(xì)胞內(nèi)酸堿平衡。NHE1活化通過(guò)胞內(nèi)堿化機(jī)制實(shí)現(xiàn)，排出胞內(nèi)H+攝入Na+，同時(shí)還藕聯(lián)攝入1個(gè)Cl-和1個(gè)水分子，可以使失水的細(xì)胞維持原有的細(xì)胞容積[2]。

近年來(lái)，NHE1對(duì)pH的調(diào)節(jié)作用是心臟疾病和腫瘤性疾病中的研究熱點(diǎn)，心肌缺血導(dǎo)致心肌細(xì)胞內(nèi)pH降低，激活NHE1引起胞內(nèi)Na+和Ca2+濃度變化，繼發(fā)參與心肌缺血再灌注損傷、心肌肥厚、心力衰竭等病理過(guò)程[6-7]。腫瘤細(xì)胞微環(huán)境中的酸堿平衡與腫瘤的表現(xiàn)特性緊密相關(guān)，NHE1可以通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞微環(huán)境中的pH變化，參與調(diào)節(jié)腫瘤的增殖、分化和侵襲等病理過(guò)程[8]。

在神經(jīng)系統(tǒng)中，NHE1同樣扮演著非常重要的角色。NHE1是中樞神經(jīng)系統(tǒng)主要的pH調(diào)節(jié)因子，通過(guò)對(duì)細(xì)胞內(nèi)pH的調(diào)節(jié)，引起細(xì)胞內(nèi)離子濃度改變誘發(fā)一系列的級(jí)聯(lián)反應(yīng)參與不同的病理生理過(guò)程。在調(diào)節(jié)離子穩(wěn)態(tài)、細(xì)胞生長(zhǎng)、凋亡和血腦屏障完整性[9]等方面都有重要作用。最近的研究發(fā)現(xiàn)，軸突導(dǎo)向因子netrin-1誘導(dǎo)神經(jīng)突生長(zhǎng)過(guò)程依賴Rho GTP酶家族的激活，使用NHE1抑制劑卡泊來(lái)德可以阻斷對(duì)神經(jīng)突的促生長(zhǎng)過(guò)程，且在抑制NHE1的表達(dá)后，神經(jīng)元Rac1、Cdc42 和RhoA的活性降低，表明NHE1是Rho GTP酶家族的上游分子，能促進(jìn)神經(jīng)突的生長(zhǎng)[10]。NHE1參與了神經(jīng)系統(tǒng)中的多種病理生理過(guò)程，與多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病相關(guān)。

1 NHE1與癲癇

NHE1與癲癇發(fā)病關(guān)系密切。Cox等[11]在基因敲除小鼠模型中觀察到小鼠表現(xiàn)共濟(jì)失調(diào)，并出現(xiàn)失神發(fā)作和強(qiáng)直陣攣發(fā)作兩種特征性的癇性發(fā)作形式，推測(cè)其機(jī)制可能是由于在NHE1缺乏的情況下，神經(jīng)元無(wú)法調(diào)節(jié)pH值的瞬時(shí)變化，導(dǎo)致同步癇樣放電的啟動(dòng)或傳播閾值的降低而出現(xiàn)癲癇發(fā)作。隨后，Gu等[12]建立NHE1基因無(wú)義突變小鼠模型，發(fā)現(xiàn)突變小鼠海馬神經(jīng)元細(xì)胞興奮性顯著高于野生型小鼠，同時(shí)NHE1突變鼠電壓門(mén)控Na+通道表達(dá)增多，Na+通道電流也顯著增多，推測(cè)NHE1是通過(guò)對(duì)Na+通道的表達(dá)和調(diào)控來(lái)改變神經(jīng)元興奮性從而參與癲癇疾病過(guò)程。Xia等[13]的研究也與前者研究結(jié)果相一致，在NHE1功能缺失小鼠腦內(nèi)CA1區(qū)和皮層神經(jīng)元的Na+通道表達(dá)增多、Na+電流增強(qiáng)、神經(jīng)元細(xì)胞膜興奮性也增高。此外，有學(xué)者在實(shí)驗(yàn)小鼠中分別特異性敲除谷氨酸能興奮性神經(jīng)元和GABA抑制性中間神經(jīng)元的NHE1基因，結(jié)果顯示抑制性神經(jīng)元中敲除NHE1后，小鼠表現(xiàn)出癲癇樣活動(dòng)，而興奮性神經(jīng)元中敲除NHE1則沒(méi)有影響，證明了NHE1是通過(guò)抑制性中間神經(jīng)元調(diào)節(jié)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)興奮性而參與癲癇的發(fā)生發(fā)展[14]。上述結(jié)果都表明NHE1缺失在癲癇疾病中有重要作用，與此相反，另外有一些研究在不同的癲癇動(dòng)物模型中發(fā)現(xiàn)存在NHE1的激活。Kang等[15]發(fā)現(xiàn)在沙鼠癇性發(fā)作后30 min到3 h期間NHE1的表達(dá)增高，在戊四氮癲癇模型中，NHE1抑制劑阿米洛利能發(fā)揮較好的抗驚厥效應(yīng)，癲癇點(diǎn)燃潛伏期延長(zhǎng)、發(fā)病率降低、嚴(yán)重程度減輕，且阿米洛利的抗驚厥作用呈劑量依賴性[16]。我們?cè)谄チ_卡品癲癇大鼠的海馬組織以及癲癇患者腦組織中都檢測(cè)到NHE1表達(dá)的升高[17-18]。研究顯示阿米洛利的抗驚厥效應(yīng)主要通過(guò)間接抑制谷氨酸能系統(tǒng)、細(xì)胞內(nèi)酸化減少Ca2+超載來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此，NHE1在細(xì)胞酸化時(shí)排出胞內(nèi)H+，會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞興奮性增高誘發(fā)癇樣放電。

由此可見(jiàn)，NHE1異常表達(dá)可通過(guò)不同的分子通路參與癲癇的發(fā)生，一方面，在NHE1突變小鼠中，NHE1表達(dá)缺失后神經(jīng)元生理穩(wěn)態(tài)發(fā)生改變會(huì)導(dǎo)致繼發(fā)性的離子通道改變，Na+通道及Na+電流增多使神經(jīng)元興奮性增高，這與癲癇發(fā)病密切相關(guān)。另一方面，在細(xì)胞酸化條件下，NHE1激活將細(xì)胞內(nèi)H+排出直接導(dǎo)致神經(jīng)元興奮性增高，同時(shí)，H+與Na+交換，胞內(nèi)Na+濃度增高，可激活其他Na+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[2]：胞內(nèi)高鈉激活Na+-K+-ATP酶，Na+-K+-ATP酶在每消耗1個(gè)ATP的情況下可以將3個(gè)Na+排出細(xì)胞并攝入2個(gè)K+；細(xì)胞內(nèi)高鈉還會(huì)激活鈉鈣交換體(Na+/Ca2+exchange,NCX)的逆向轉(zhuǎn)運(yùn)功能，導(dǎo)致神經(jīng)元胞內(nèi)Ca2+超載、促進(jìn)興奮性谷氨酸的釋放，神經(jīng)元內(nèi)過(guò)度Ca2+超載也會(huì)活化鈣激活中性蛋白酶calpain通過(guò)caspase3途徑促進(jìn)繼發(fā)性的神經(jīng)元凋亡參與到癲癇的病理過(guò)程[19]。因此，NHE1的激活與失活在癲癇發(fā)病中的作用仍存在較大爭(zhēng)議，有待更深入的研究來(lái)闡明其在癲癇發(fā)病中的詳細(xì)機(jī)制。

2 NHE1與缺血性腦損傷

缺血性腦損傷主要包括腦梗死和圍產(chǎn)期缺血缺氧性腦損傷。許多研究都表明，NHE1激活在缺血再灌注損傷中發(fā)揮重要作用，在抑制NHE1后能發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用[20]。Luo等在腦缺血細(xì)胞模型中，糖氧剝奪3 h后復(fù)氧21 h，觀察到神經(jīng)元死亡率高達(dá)70%，但添加了NHE1特異性抑制劑HOE642的神經(jīng)元經(jīng)過(guò)同樣的缺氧復(fù)氧過(guò)程，最后觀察到神經(jīng)元的死亡率顯著降低，NHE1基因敲除神經(jīng)元細(xì)胞缺氧復(fù)氧后的死亡率也顯著降低，同時(shí)，作者還觀察到缺氧會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)Na+和Ca2+濃度增加，抑制NHE1的功能能夠阻斷這種變化[21]。同樣的，在小鼠載體模型中也觀察到抑制NHE1后在缺血缺氧性腦損傷中有神經(jīng)保護(hù)作用，在應(yīng)用NHE1抑制劑阿米洛利后可以通過(guò)氧化應(yīng)激途徑減少小鼠全腦缺血模型中海馬神經(jīng)元的死亡[20]。此外，也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)在大鼠大腦中動(dòng)脈閉塞1 h后靜脈注射N(xiāo)HE1選擇性抑制劑SM-20220，可以顯著減少發(fā)生腦水腫的范圍和梗死體積[22]，在乳豬的圍產(chǎn)期窒息模型中使用NHE1抑制劑后也可以有效減少大腦皮質(zhì)和皮質(zhì)下白質(zhì)的細(xì)胞死亡[23]。Matsumoto等[24]的研究顯示，在體外培養(yǎng)大鼠神經(jīng)元中，NHE 抑制劑和 N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartate,NMDA)受體拮抗劑都能減少谷氨酸誘導(dǎo)的神經(jīng)元死亡，這進(jìn)一步說(shuō)明NHE活化的毒性效應(yīng)是間接通過(guò)谷氨酸的釋放來(lái)介導(dǎo)的，谷氨酸的釋放會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)Ca2+超載、線粒體功能障礙和ATP合成障礙，進(jìn)而導(dǎo)致NHE的進(jìn)一步激活。

除了調(diào)控神經(jīng)元細(xì)胞的pH，NHE1在膠質(zhì)細(xì)胞的pH調(diào)控中也起到重要的作用。體外培養(yǎng)的星形膠質(zhì)細(xì)胞在缺氧后胞內(nèi)pH降低，復(fù)氧后仍有大約40%的細(xì)胞死亡，給予NHE1抑制劑處理后星形膠質(zhì)細(xì)胞的死亡數(shù)量也顯著減少[25]。在大鼠腦缺血模型中發(fā)現(xiàn)NHE1在缺血區(qū)域的表達(dá)顯著增高[26]，成年沙鼠在全腦短暫性缺血后CA1區(qū)星形膠質(zhì)細(xì)胞中NHE1的表達(dá)也增高，這些都說(shuō)明星形膠質(zhì)細(xì)胞通過(guò)上調(diào)NHE1對(duì)缺氧引起的細(xì)胞內(nèi)酸化進(jìn)行應(yīng)答。選擇性敲除膠質(zhì)細(xì)胞中NHE1基因的小鼠與野生型小鼠相比，在缺血性卒中后膠質(zhì)細(xì)胞死亡數(shù)量減少、新生的血管增加、腦血流灌注更豐富、血腦屏障功能也更完整[27-28]。此外，還有研究顯示星形膠質(zhì)細(xì)胞中的NHE1與腦缺血后白介素(interleukin,IL)-1β、IL-6、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor,TNF-α)、金屬蛋白酶9(matrix metallopeptidase，MMP-9)等促炎癥因子的釋放有關(guān)[29]。體外培養(yǎng)的小膠質(zhì)細(xì)胞糖氧剝奪后激活NHE1也會(huì)導(dǎo)致胞內(nèi)pH升高、Na+和Ca2+濃度升高等有害的細(xì)胞事件，應(yīng)用卡泊來(lái)德(HOE642)可以有效減輕這種損害[30]。Shi等[31]在在體動(dòng)物模型中驗(yàn)證了大腦局部缺血后，梗死區(qū)域周?chē)罨男∧z質(zhì)細(xì)胞中NHE1表達(dá)升高，使用NHE1抑制劑HOE642或者對(duì)小鼠進(jìn)行NHE1基因敲除后，活化的小膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量減少，促炎癥因子表達(dá)也顯著降低。缺血缺氧時(shí)星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元NHE的激活都會(huì)引起谷氨酸的釋放和Ca2+超載，而卡泊來(lái)德可以減少谷氨酸誘導(dǎo)的神經(jīng)元凋亡壞死，同時(shí)減少細(xì)胞內(nèi)Ca2+超載和活性氧的產(chǎn)生[32]。

3 NHE1與神經(jīng)病理性疼痛

神經(jīng)病理性疼痛的病因多種多樣，包括離子通道病變、神經(jīng)壓迫、自身免疫性疾病和外傷等[33]，NHE1的功能變化也會(huì)改變神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)離子的穩(wěn)態(tài)而引起神經(jīng)病理性疼痛。有研究發(fā)現(xiàn)在福爾馬林誘導(dǎo)的大鼠疼痛模型中，雙側(cè)的背根神經(jīng)節(jié)和脊髓后角NHE1的表達(dá)均減低，表明不管在周?chē)窠?jīng)還是脊髓，NHE1都參與了疼痛的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路[34]，在炎癥中，抑制NHE1后細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度增加，可以激活瞬時(shí)受體電位錨蛋白1 (TRPA1)，從而易化疼痛的產(chǎn)生[35]。與此相反，另外有研究顯示，腹腔注射阿米洛利可以減輕長(zhǎng)春新堿誘發(fā)的神經(jīng)病理性疼痛，應(yīng)用NHE1抑制劑唑泊來(lái)德后可使后跟神經(jīng)的復(fù)合動(dòng)作電位波幅降低，其主要機(jī)制與NHE1抑制劑能迅速使快鈉通道失活、周?chē)窠?jīng)的興奮性降低有關(guān)[36]。此外，還有研究顯示在大鼠和狗身上持續(xù)靜脈使用唑泊來(lái)德1個(gè)月后又會(huì)出現(xiàn)脊髓后索、后跟以及后跟神經(jīng)節(jié)的損害[37]。到底NHE1在神經(jīng)病理性疼痛中扮演怎樣的角色，還有待進(jìn)一步的探究。

4 NHE1與其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病

亨廷頓病是由于體內(nèi)異常的亨廷頓蛋白聚集所導(dǎo)致的神經(jīng)退行性疾病，正常的亨廷頓蛋白在調(diào)節(jié)Ca2+穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用，在亨廷頓基因(HTT)突變的細(xì)菌模型中，由cAMP梯度誘導(dǎo)的K+和Ca2+的趨化作用消失，不能介導(dǎo)細(xì)胞的形態(tài)發(fā)生，這與NHE1基因突變表現(xiàn)出的表型相一致，在htt-和nhe1-細(xì)胞中，肌動(dòng)蛋白的定位存在異常，nhe1基因正常的情況下，htt-也會(huì)導(dǎo)致NHE1蛋白定位的異常，由此推斷Htt直接或間接作用于NHE1發(fā)揮作用[38]。在對(duì)神經(jīng)膠質(zhì)瘤的研究中，NHE1介導(dǎo)膠質(zhì)瘤相關(guān)小膠質(zhì)細(xì)胞的葡萄糖代謝失調(diào)，發(fā)揮免疫抑制作用，認(rèn)為NHE1可以成為膠質(zhì)瘤免疫治療的新靶點(diǎn)。阿爾茨海默病(Alzheimer's disease,AD)是一種神經(jīng)系統(tǒng)的退行性疾病，AD患者腦內(nèi)存在異常的淋巴增殖，同時(shí)伴隨細(xì)胞內(nèi)的堿化，應(yīng)用NHE抑制劑可以阻止淋巴細(xì)胞的增殖，推測(cè)NHE激活在AD淋巴細(xì)胞增殖病理中起重要作用[39]，在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用NHE1抑制劑阿米洛利可以改善癲癇小鼠的記憶障礙，還能提高缺血缺氧性新生小鼠的空間學(xué)習(xí)能力，這些表明NHE1與認(rèn)知障礙性疾病可能也存在關(guān)聯(lián)性。除此之外，應(yīng)用NHE1抑制劑還會(huì)影響缺血所致神經(jīng)功能的恢復(fù)：在低溫缺氧乳豬模型中觀察到使用了HOE642的個(gè)體可以快速恢復(fù)其神經(jīng)功能，NHE1抑制劑在保護(hù)海馬神經(jīng)元免受缺血性損害的同時(shí)，也能改善缺血再灌注后導(dǎo)致的肢體自發(fā)性運(yùn)動(dòng)，還有學(xué)者觀察到應(yīng)用NHE1抑制劑可以縮短沙鼠腦缺血后所致意識(shí)障礙的時(shí)間。因此，NHE1可能在多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病中發(fā)揮作用。

綜上所述，NHE1是一個(gè)離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，基本功能是調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)pH變化來(lái)維持細(xì)胞酸堿平衡，其次，NHE1可通過(guò)改變胞內(nèi)其它離子濃度的變化，促進(jìn)谷氨酸釋放，改變細(xì)胞興奮性，參與細(xì)胞凋亡、骨架重組以及炎癥等病理過(guò)程，雖然在多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病中都觀察到有NHE1表達(dá)的異常，但是NHE1 在疾病中發(fā)揮的真正作用以及其參與疾病的具體分子轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制還有待進(jìn)一步探索。