丙泊酚通过保护线粒体结构和功能实现脑保护作用的研究现状

丙泊酚作为一种临床上常用的静脉全麻药物,具有起效快、苏醒迅速、平稳及副作用少等特点而深受麻醉医师的广泛使用,其具有降低颅内压、降低脑血流量等作用和研究理论已被广大临床医师接受和认可,很多研究发现,丙洎酚的脑保护作用与其抗凋亡作用有关。线粒体是神经细胞缺血、缺氧损害的核心靶细胞器之一,线粒体在细胞凋亡的过程中发挥着至关重要的作用,线粒体凋亡是细胞凋亡的第一步,脑缺血-再灌注损伤后神经功能的损害认为与很多线粒体结构和功能的改变有关。现就线粒体结构和功能对丙泊酚的脑保护作用进行综述。

1丙泊酚通过保护神经元线粒体的结构(线粒体膜通道)实现脑保护作用线粒体拥有一个高通透性的外膜及一个相对低通透性的内膜,外膜上的孔道是细胞凋亡的基本要素,并且这一个过程可能与线粒体内膜孔道的通透性改变有一定的关系。

1.1线粒体外膜通道线粒体外膜上有电压依赖性阴离子通道(ⅤDAC),在程序性细胞死亡的过程中发现细胞色素C(CytC)从线粒体外膜转移到细胞质,对这种现象可能的解释是:①凋亡诱导蛋白(如Bax),形成孔道穿过外膜;②内源性孔道(ⅤDAC)通透Jl±增加以允许大分子的通过。Bcl-2同源蛋白进入脂质双分子层形成孔道的过程已在实验中观察到,B欲是重要的异二聚伴侣,存在于细胞质内受凋亡信号诱导后,其结构发生改变,并转移至线粒体膜与Bcl-2共存,在膜上形成通道,引起qtc释放,诱导细胞凋亡。另外,还有报道认为,Bcl-2抗凋亡的重要机制之一是维持线粒体的稳态。这些现象都可以被Bcl-2高表达逆转,Bcl-2可维持线粒体外膜两侧的代谢转换,因此,促进细胞存活。张彦清等[1]发现,丙泊酚明显促进离体再灌注心肌细胞凋亡,引起Bcl-2表达增加和Bax表达降低。戚思华等[2]发现,异丙酚可以促进大鼠海马抗凋亡基因Bcl-2的表达。通过Bcl-2抑制细胞凋亡的机制而使大鼠全脑缺血-再灌注损伤减轻可能是异丙酚的脑保护机制之一。综上所述,丙泊酚可以促进Bcl-2表达,抑制B驱,减少两者共存而使线粒体外膜上的ⅤDAC开放减少,起到一定的脑保护作用。

1.2线粒体内膜通道

1.2.1线粒体内膜上的通道很多,所以与线粒体凋亡关系更密切。众所周知,C驴+单向转运通道是线粒体能量代谢与交换的一个中心环节。田首元等[3]发现,丙泊酚预处理可不同程度地减轻C'+超载致qtc和凋亡诱导因子(ⅢF)的释放,发挥对线粒体的保护作用。提示丙泊酚抗心肌细胞凋亡的机制之一,即可直接或间接抑制M"P开放,降低M凹P对C驴+的敏感性,减少Ca2+引起的MPrP开放,减少”tC和AIF的释放,减轻线粒体损伤。刘志林等[4]研究发现,丙泊酚抑制线粒体钙单向转运体,明显减轻脑缺血-再灌注损伤。MPrP也是线粒体内膜上通道的一种,同时也是线粒体内外信息交流的中心枢纽,其功能的发挥依赖于其自身的开放状态。Petrosillo等[5]发现,细胞质内C'+浓度升高,刺激线粒体摄取Ca2+增加,导致线粒体钙超载,线粒体基质C'+浓度升高可使MPTP开放,线粒体内膜两侧H+浓度梯度消失和线粒体肿胀,使线粒体外膜破裂。Hde吱rap等[6]经大量研究得出,MPrP被认为是线粒体介导的细胞凋亡的重要结构。Ma⒒in等[7]经研究发现,MPTP的开放与神经细胞的缺血-再灌注损伤有密切关系。另外,Barlloumi等[:]通过实验证明,丙泊酚具有L-C'+型通道阻滞作用,减轻线粒体内钙超载。所以研究认为,丙泊酚可以通过保护线粒体上的C'+通道及减少MPTP的开放而起到一定的脑保护作用,这也将会成为今后研究的一个方向。

1.2.2外向延迟整流钾电流(IK)也是线粒体内膜上通道的一种,焦松等[9]发现,其具有较高的Κ+电导、失活缓慢等特性,被认为与神经元和其他多种细胞凋亡的发生有密切相关。Qu等[⑩]经研究证实,IK通道是控制神经元兴奋性和神经功能的基础因素,在调控细胞的过程中发挥至关重要的作用,IK通道的活跃性决定了神经元潜在活动的频率和类型,并可控制神经元突触间接触和信号的整合。发现,IK在神经元中是功能性Κ+电流的重要类型,过多的K+流出和细胞内K+消耗是脑缺血损伤的重要步骤。Lu等[⒓]发现,蛋白激酶C(PKC)可调节神经元Κ+电流,且PKC的激活需要丙泊酚参与使谷氨酸盐易于释放。阮ng等[:]也通过实验证明,丙泊酚抑制IK通道上的PKC激活来保护颅脑皮层神经元。

1.2.3ATP敏感性K+通道(KATP)在线粒体内膜上也发挥着重要作用,Liu等[⒕]通过实验发现,丙泊酚可抑制局部缺血所引发的室性心律失常的效应,是由于它可以使KATP开放,其机制是丙洎酚可以减少ΚATP抑制剂五羟色胺(5-HD)的释放。王鹏等[1s]发现,KATP开放,Κ+内流,膜去极化,减轻线粒体内C'+超载,基质容积增加,可使ATP合成增加,激活线粒体呼吸链,从而减少氧自由基的生成,减轻脑缺血-再灌注期间氧自由基导致的神经元凋亡,从而发挥脑保护作用。那么,我们可以通过以上研究人员的发现,大胆猜测丙泊酚可以通过使线粒体内膜上ΚATP的开放,从而达到一定的脑保护效应。因此,在今后的工作中可以深人开展这一方面的研究。

2丙泊酚通过保护神经元线粒体上的各种酶来发挥对线粒体功能的保护线粒体是真核细胞能量代谢的中心,因此,细胞凋亡过程中对线粒体损伤的最直接结果是其正常功能的丧失。线粒体最主要的功能就是氧化磷酸化,产生ATP,为细胞提供能量。脑缺血-再灌注后各组海马线粒体超微结构均发生不同程度的损伤。线粒体损伤最为严重表现为高度肿胀,基质中出现许多空泡,嵴减少或断裂,内膜完整性破坏,以及电子密度增高等变性的特征,直接影响其功能。在凋亡细胞中,线粒体ATP的合成下降,细胞质中ATP含量下降,而ADP含量上升。我们都知道,线粒体能够进行细胞能量代谢与线粒体上各种酶有着密不可分的联系。很早之前就有报道,丙泊酚可使海马和脑干突触体Na+,Κ+-ATP酶和C'+-ATP酶活性明显降低,在神经系统突触体膜上Na+,K+-ATP酶对突触的化学传递及神经传导功能都具有特殊作用,质膜C'+-ATP酶的主要功能是维持胞浆C'+的低稳态水平,细胞内Ca2+向细胞外移出主要是通过Ca2+~ATP酶来完成的,其次是利用Na+,Κ+-ATP酶产生的电化学梯度作为转运Ca2+的能源,因此,C'+-ATP酶和Na+,K+-ATP酶活性的改变均可影响细胞内C'+的分布和浓度。丙泊酚对脑突触体Na忄,Κ+-ATP酶和Ca2÷~ATP酶活性的影响也会直接减少对线粒体结构的破坏,进而在很大程度上也保护了线粒体的功能。

已有研究表明,臼tC是一种细胞色素氧化酶,是电子传递链中唯一的外周蛋白,位于线粒体内侧外膜。大量研究还发现,qtc是线粒体电子传递链的重要成分,位于线粒体内膜的外表面。近年来,对”tC的认识已经从研究其对能量代谢的控制而进展为研究其参与凋亡的过程。在凋亡过程中起重要作用的不只是线粒体呼吸活性的丧失,更重要的是叻tC自线粒体的释放,它是唯一具水溶性的电子传递链组份,释放显然可使电子传递中断,ATP产生受阻,同时,线粒体也不能维持其正常的膜电位,导致线粒体氧化还原反应的功能减弱甚至丧失。叻tC比线粒体的其他蛋白更易从线粒体释放,在凋亡过程中,qtc从线粒体外膜释放,在ATP/dATP的参与下,在胞质中与Apa~n结合,形成寡聚体,Apa~n通过其氨基端与pr。~caspa∞9的功能前区相互作用,导致Caspase-3激活,并进一步激活下游的d33.No4Caspases,形成引起细胞凋亡的级联反应。汪昊星等研究发现,丙泊酚预处理能减少线粒体qtc的释放,也能够降低缺氧/再给氧心肌细胞凋亡率,对大鼠离体心肌缺氧/再给氧损伤有一定的保护作用。苏静等[17]按Longa线栓法略加改进制成局灶脑缺血模型缺血30min后,拔出线栓之后结扎颈外动脉残端这一方法发现,脑缺血预处理可能是通过减轻MPrP开放,从而减少CytC释放,达到缺血耐受效应。我们也预测到,丙泊酚可以通过保护线粒体上的C'+通道及减少MPTP的开放。

很多证据表明,在多种死亡模型中,忻tC从线粒体释放至胞质是引发凋亡的关键步骤。Lh等[1:]在试图纯化一种体外激活Caspase-3所需的成分时提取出了包含CytC的组分;在无细胞模型系统中,”tC可激活Caspase-3,从而触发凋亡,CytC微量注射亦可诱导细胞特异的凋亡。此外,Huang等[⒆]发现,Bcl-2的下调,Bax的上调,能够增加”tC自线粒体的释放,从而诱导CⅡu∞-3,7,9活化和细胞凋亡。Caspase酶是一种半胱氨酸蛋白激酶,Caspase-3属于白细胞介素Ib转换酶家族成员,是细胞凋亡的执行者。C灬pase-3是促凋亡信号转导通路的重要效应酶,它的出现是细胞死亡的标志,Caspase-9和Caspase-8分别启动细胞内外凋亡通路,它们与Caspase-3直接相关。近年来,研究发现,在IRI中活化的Caspase-3可以裂解Bd-2,使线粒体释放Cy￡,促使细胞凋亡。辛险峰等[20]通过实验发现,丙泊酚能抑制Caspa∞-3蛋白和Bax蛋白的表达,同时叉能促使朊l-2蛋白表达,改善在脑缺血-再灌注损伤中的作用,减少细胞凋亡,起到了脑保护作用。

另外,郭建荣等[⒛]研究显示,丙泊酚可明显减轻脑缺血-再灌注后海马线粒体结构和功能的损害,抑制脂质过氧化反应,促使ATP含量及ATP酶活性的恢复。这可能与丙泊酚在脑缺血-再灌注损伤后清除自由基,抑制兴奋性氨基酸,减轻钙超载和神经元代谢抑制等作用有关。

3结语

本文综述了丙泊酚通过保护线粒体的结构和功能实现脑保护作用的研究进展,作为临床麻醉者,可以通过现在已经被证实的作用机制进一步去延伸实验。如丙泊酚对MPrP的保护作用就是现在的研究热点。有文献报道[22],脑缺血-再灌注可导致大量活性氧(ROS)产生,线粒体是活性氧ROS产生的主要场所。ROS具有很强的氧化还原作用,是一种强烈的M"开放剂,ROS积聚可以触发线粒体突然去极化,随之引起强烈的ROS爆发,形成正反馈,被称为ROS诱导的ROs释放。0arke等[23]认为,丙泊酚作为一种抗氧化剂,可能是通过减少ROS的生成,产生抑制MPTP的作用。而两者之间的确切关系仍有待于进一步研究。

丙泊酚是否可以通过使线粒体内膜上ΚATP的开放,从而达到一定的脑保护效应,还有待于临床工作者进一步完善其相关实验,以求得到更确切的实验结论。近年来,国外学者在研究缺氧、缺血时发现与线粒体DNA也有密切关系。线粒体DNA是核外遗传物质,在细胞能量代谢中起十分重要的作用,所以,在后续的研究中,我们也可以尝试从基因的角度来探究丙泊酚的脑保护作用,为临床脑保护提出新的可能性。

参考文献

[2]苏静,姜长斌.脑缺血预处理中线粒体通透性转换及细胞色素C的变化及意义.中华老年心脑血管病杂志,2011年13卷第08期

[3]HuangMJ,ChengYC,LiuCR.Asmall-moleculec-Mycinhibitor,10058-F4,inducescell-cyclearrest,apoptosis,andmyeloiddifferentiationofhumanacutemyeloidleukemia.ExperimentalHematology,2006年34卷第11期