促紅細(xì)胞生成素與腦缺血性損傷

1、促紅細(xì)胞生成素與腦缺血性損傷        【關(guān)鍵詞】  促紅細(xì)胞生成素 腦缺血性損傷促紅細(xì)胞生成素(erythropoietin,EPO)是由腎臟和胚胎肝臟產(chǎn)生的一種能促進(jìn)紅細(xì)胞生成的細(xì)胞因子,其通過結(jié)合細(xì)胞表面的特異性受體而發(fā)揮作用。以往認(rèn)為EPO特異而專一地作用于造血細(xì)胞，但目前認(rèn)識到EPO對其它細(xì)胞也有作用。功能性EPO受體除存在于造血系統(tǒng)外，還存在于各種非造血系統(tǒng),包括中樞神經(jīng)系統(tǒng)（central nervous system,CNS）。EPO作為細(xì)胞因子超家族中的一員,在體內(nèi)和體外均顯示出顯著

2、的神經(jīng)保護(hù)功能1。本文回顧了EPO在腦缺血損傷方面的研究及對腦保護(hù)作用的機(jī)制。1  EPO的生物學(xué)特性    EPO是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用于臨床的造血生長因子。早在1906年,Carnot等發(fā)現(xiàn)兔失血后會在外周血中產(chǎn)生一種可作用于造血系統(tǒng)以加速紅細(xì)胞生成的物質(zhì)，由此提出存在一種體液因子以反饋方式調(diào)節(jié)血細(xì)胞生成。時(shí)隔30多年以后此觀點(diǎn)得以證實(shí)，這種因子被命名為促紅細(xì)胞生成素。天然EPO是一種含唾液酸的酸性糖蛋白，分子量為34 000，由165個(gè)氨基酸組成。人EPO基因位于第7號染色體長臂1112區(qū)，由4個(gè)內(nèi)含子(1 562 bp)和5個(gè)外顯子(582 bp)

3、構(gòu)成。由基因重組技術(shù)合成的重組人促紅細(xì)胞生成素（rhEPO）分子量為30 400，其理化性質(zhì)和生物學(xué)活性與天然內(nèi)源性紅細(xì)胞生成素相同。目前已知CNS存在腦源性EPO，其分子量（33 kD）較血清EPO（35 kD）小，可能因其唾液酸基較小之故，但作用卻比血清EPO為強(qiáng)。2  內(nèi)源性EPO及EPO受體    不斷證實(shí)CNS存在EPO。正常腦組織EPO及EPO受體均呈低水平表達(dá), 缺氧、缺血等病理狀態(tài)時(shí)表達(dá)增加,腦脊液EPO濃度明顯升高。目前，在人類大腦皮質(zhì)、海馬及恒河猴的許多腦部區(qū)域可以檢測到EPO受體，主要存在于神經(jīng)元、小膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞、腦毛細(xì)血

4、管內(nèi)皮細(xì)胞，且研究表明EPO受體總在EPO出現(xiàn)前表達(dá)2。 Masuda等通過Southern印跡法證實(shí)腦中有與腎源性EPO相同的DNA片斷,通過免疫化學(xué)法證實(shí)星形細(xì)胞中有EPO產(chǎn)生。動物實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在局灶性、持續(xù)性腦缺血小鼠和短暫性前腦缺血沙土鼠腦內(nèi)存在腦源性EPO的表達(dá)。EPO和EPO受體的表達(dá)受組織氧供的調(diào)節(jié)，當(dāng)組織氧供缺乏時(shí),EPO和EPO受體在腦、腎臟和肝臟等的表達(dá)均增加，低氧依賴的EPO和EPO受體表達(dá)的增加主要是由缺氧誘導(dǎo)因子-1(HIF-1)來調(diào)節(jié)的3。3  外源性EPO的轉(zhuǎn)運(yùn)    最新研究表明，EPO可能是一種能被選擇性轉(zhuǎn)運(yùn)的大分子物

5、質(zhì)。早有研究者利用生物素標(biāo)記的rhEPO靜脈注射于實(shí)驗(yàn)動物，5 h后可以觀察到rhEPO存在于微血管周圍并進(jìn)入腦實(shí)質(zhì)，大量非標(biāo)記rhEPO的聯(lián)合注入明顯減少了標(biāo)記的rhEPO數(shù)量，符合一種特殊的可飽和轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制。近來Wang等4在大鼠頸總動脈栓塞6 h后靜脈注射不同劑量的rhEPO,采用ELISA測量大鼠血漿、腦脊液和腦室質(zhì)的含量,發(fā)現(xiàn)高劑量水平的rhEPO在靜脈注射30 min后,可在大鼠血漿、腦脊液和腦室質(zhì)中檢測到,而低劑量水平的rhEPO則顯然更少。上述實(shí)驗(yàn)說明EPO可以透過受損傷的血腦屏障，其透過血腦屏障的可能機(jī)制為：腦缺血時(shí)腦毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞表達(dá)大量EPO受體，EPO與其結(jié)合后再通過胞

6、飲的形式進(jìn)入腦內(nèi)。目前，就EPO能否透過血腦屏障仍有不同觀點(diǎn)，但大多數(shù)研究者認(rèn)為EPO可以透過血腦屏障。4  EPO對腦缺血的保護(hù)作用    研究者通過各種途徑探索EPO對腦缺血的保護(hù)作用。在動物腦缺血模型的研究中,腦室內(nèi)注射rhEPO,可使缺血損傷的海馬CA1區(qū)神經(jīng)元凋亡明顯減少,并明顯降低腦梗死范圍。大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，腹腔注射rhEPO可以明顯減小大鼠腦梗死的面積，且其有最適合的劑量，而且因給藥時(shí)間的不同，梗死面積的變化也不同。另最近報(bào)道,rhEPO鼻腔給藥對大鼠局灶性腦缺血具有保護(hù)作用,其有效劑量僅為腹腔注射有效劑量的1/505。5  EPO

7、腦保護(hù)作用的可能機(jī)制5.1  清除自由基及抗炎癥作用  實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),EPO能激活神經(jīng)元內(nèi)的抗氧化酶，使神經(jīng)元內(nèi)部的超氧化物歧化酶、谷胱甘肽氧化酶和過氧化氫酶的表達(dá)上調(diào)，同時(shí)抑制自由基的蓄積,保護(hù)腦組織免受自由基的損傷。Solaroglu等6在鼠腦缺血再灌注模型證明, EPO能明顯減輕腦組織被過氧化物損傷的程度。同時(shí)，EPO也有抗炎的效果，在大鼠大腦中動脈梗死后，EPO能減輕梗死區(qū)域內(nèi)白細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞的聚集，降低由缺血誘導(dǎo)的促炎性細(xì)胞因子(IL-6、MCP-1)的表達(dá)7。5.2  促進(jìn)神經(jīng)元再生作用 腦缺血后腦內(nèi)EPO及其受體水平的升高是一種內(nèi)在的缺血

8、反應(yīng),有助于新生神經(jīng)元的產(chǎn)生和缺損功能的修復(fù)。外源性的EPO可促進(jìn)細(xì)胞增殖和分化,使樹突增多,神經(jīng)元再生且功能增強(qiáng)。并且促進(jìn)神經(jīng)元祖細(xì)胞遷移到缺血皮層和顯著增加缺血邊界區(qū)新合成細(xì)胞的數(shù)量,從而促進(jìn)神經(jīng)元的恢復(fù)8。Gonzalez等9從新生鼠大腦中動脈栓塞模型中發(fā)現(xiàn)腹腔注射EPO后，顯著增加腦損傷部位新生神經(jīng)元密度和比例,而且假手術(shù)組的新生神經(jīng)元密度也顯著增加。5.3  抗谷氨酸興奮毒性 興奮性氨基酸在各種腦損傷，特別是缺血性腦損傷的發(fā)病機(jī)制中起重要作用。Kawakami等10研究發(fā)現(xiàn)，用化學(xué)缺血處理的小腦顆粒細(xì)胞在缺氧情況下,大量谷氨酸從體外培養(yǎng)的小腦神經(jīng)元顆粒中釋放出來；

9、加入EPO后,谷氨酸產(chǎn)生減少且神經(jīng)元數(shù)目明顯增加。而且還證實(shí),EPO通過與小腦神經(jīng)元顆粒中EPO受體結(jié)合,激活EPO受體,減少腦缺血區(qū)谷氨酸的釋放,從而保護(hù)神經(jīng)元。另外研究者在體外培養(yǎng)大鼠海馬和大腦皮質(zhì)細(xì)胞,發(fā)現(xiàn)暴露于EPO預(yù)處理的神經(jīng)元死亡數(shù)量較對照組明顯減少,向培養(yǎng)基中加入放線菌D(mRNA合成抑制劑)、放線菌酮(蛋白合成抑制劑)可使EPO的神經(jīng)保護(hù)作用消失,表明EPO mRNA和蛋白質(zhì)合成是EPO發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用所必需的。5.4  抗凋亡作用 腦缺血性損傷時(shí)，缺血半暗帶的細(xì)胞死亡以凋亡為主。許多研究證實(shí)，EPO在神經(jīng)細(xì)胞損傷模型中都有抗凋亡的作用。Siren等11使用

10、TUNEL法研究EPO對凋亡起保護(hù)神經(jīng)細(xì)胞的機(jī)制，他們制作鼠的大腦中動脈閉塞模型，發(fā)現(xiàn)缺血半暗區(qū)TUNEL陽性細(xì)胞數(shù)明顯減少，且大腦中動脈閉塞后24 h梗死面積明顯減少。Zhang等12研究發(fā)現(xiàn)大腦半球缺血后,海馬CA1區(qū)STAT5的表達(dá)增加,通過注射EPO可進(jìn)一步提高缺血大腦半球STAT5的磷酸化,還可上調(diào)Bcl-Xl和XIAP的表達(dá)。并有研究表明,EPO可以通過上調(diào)caspase-3的表達(dá)而對其誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡發(fā)揮保護(hù)作用13。5.5  抑制NO過度表達(dá) 腦缺血缺氧時(shí)，Glu大量釋放，激活NMDA受體，引起細(xì)胞內(nèi)鈣離子增加，鈣與鈣調(diào)蛋白結(jié)合激活NO合酶，使NO產(chǎn)生增加，內(nèi)

11、源性NO過量產(chǎn)生和釋放，促使缺血缺氧腦損傷。NO由L-精氨酸經(jīng)NO合酶(NOS)催化生成。NOS同工酶包括神經(jīng)元型NOS(nNOS)、誘導(dǎo)型NOS(iNOS)和內(nèi)皮細(xì)胞型NOS(eNOS)3種。前兩者參與神經(jīng)損傷，其中iNOS在缺血再灌注過程中是一個(gè)重要的炎癥介質(zhì)，生成的過量NO還能與O·2反應(yīng)形成毒性更大的OONO-；而eNOS具有保護(hù)作用。Calapai等14對蒙古沙土鼠腦缺血模型的研究發(fā)現(xiàn),rhEPO能明顯改善腦水腫程度，且海馬CA1區(qū)神經(jīng)元死亡減少。研究者認(rèn)為,EPO腦缺血性損傷是通過抑制NOS的過度合成,從而減少NO的合成。Akimoto等15研究發(fā)現(xiàn)，rhEPO可抑制平滑

12、肌細(xì)胞上iNOS mRNA和蛋白的表達(dá)，導(dǎo)致NO生成減少。這些研究提示，EPO通過抑制NO的過度表達(dá)而發(fā)揮保護(hù)作用，更深的研究還在進(jìn)行當(dāng)中。1         5.6  血管生成作用 不論在正常條件下還是在病理?xiàng)l件下，EPO都具有調(diào)節(jié)血管生成的功能。體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)都已報(bào)道EPO具有刺激血管生成的作用。在鼠局部持續(xù)缺血狀態(tài)1 d后，組織的血管內(nèi)皮細(xì)胞特異的表達(dá)EPO。人大腦梗死后，血管內(nèi)皮細(xì)胞、神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞的EPO及EPO受體的表達(dá)都上調(diào)，這是EPO及其受體對腦損傷后血管產(chǎn)生的應(yīng)答，EPO與E

13、POR結(jié)合后,可促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞蛋白激酶合成,促進(jìn)細(xì)胞的增殖和再分化16,通過調(diào)節(jié)缺血腦組織新血管的生成，改善了缺血邊緣區(qū)的血供和組織的氧合作用。研究者采用新生鼠建立缺氧缺血模型,在損傷后不同時(shí)間點(diǎn)給予EPO,研究發(fā)現(xiàn),外源性的EPO可提高缺血半球區(qū)血管再生功能,顯著增加功能血管的數(shù)量17。6  EPO應(yīng)用于臨床的前景    綜上所述，人的CNS內(nèi)有低水平EPO表達(dá)，EPO在腦內(nèi)起著旁分泌的作用，通過與EPOR結(jié)合對各種原因所致的神經(jīng)元死亡呈現(xiàn)保護(hù)作用。近期研究證實(shí)，在腦中風(fēng)期間神經(jīng)組織內(nèi)因缺氧而被HIF-1誘導(dǎo)的EPO/EPOR系統(tǒng)對于中風(fēng)后神經(jīng)恢復(fù)是有益

14、的，且應(yīng)用外源性EPO可以顯著增加缺血細(xì)胞的存活18。可以認(rèn)為外源性EPO可作為神經(jīng)保護(hù)劑應(yīng)用于腦卒中或其他腦損傷的治療，類似的臨床應(yīng)用有望對神經(jīng)系統(tǒng)疾病的預(yù)后及治療提供新的思路?！尽?#160; 1 陳婷方，侯冰，任長虹,等.紅細(xì)胞生成素:一種新的神經(jīng)保護(hù)劑J.軍事醫(yī)學(xué)院院刊,2008,10(5):464-467.2 Sairanen T,Karjalainen-Lindsberg ML,Paetau A,et al.Apoptosis dominant in the periinfarct area of human ischaemic stroke-a possible target o

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