【doc】急性肝功能衰竭的分子神经生物学

【doc】急性肝功能衰竭的分子神经生物学 急性肝功能衰竭的分子神经生物学 肝脏2003年12月第8卷第4期?43? ? 急性肝功能衰竭专题讨论? 急性肝功能衰竭的分子神经生物学 陆伦根曾民德 急性肝功能衰竭(AIF)可导致中枢神经系统功能紊乱及 脑水肿,脑水肿可导致颅内压升高和脑疝形成.这是AIF的主 要死亡原因..从死于AIF患者的脑毛细血管神经病理学研究 显示脑星形细胞明显肿胀,提示其足一个主要的细胞毒机制, 注射毒素或肝血流阻断所致AIF实验动物研究显示,细胞浆 肿胀和神经周及血管佶j星形细胞发生变化.存灰质区最为明 显.这些变化提示星形细胞损伤或其功能的抑制,或两者同时 作用导致AIF脑病和脑水肿的发生尽管f]前尚无太多的征 据显示在实验或人AIF中血脑屏障大量破坏.f日有证据提示 内皮细胞形态学和功能发生了改变,使得血脑『拜障转运关键忡 中枢神经系统递质发生r损害 一 ,暴发性肝衰竭的脑代谢 AIF中脑代谢发生严重紊乱,代谢紊乱包括脑摄取和代谢 氨和氨基酸增加,糖酵解增加,乳酸积聚以及编码关键性星肜 蛋白基因表达的变化等= (一)氨在肝切除术,肝血流阻断或毒性旰损伤所致的 实验性ALF中,氨血症与脑脊液和脑氨浓度的增加相一致 由于在ALF患者中颅内压升高,动脉血氨浓度和脑疝的发生 之间呈正相关AIF中外周和嘀氨浓度之间有:一致性动 脉血氨浓度很少超过05至07retool范围,相应的脑氮浓度有 时可达5mmol.这些结果支持ALF中脑与血氨浓度比率是8 (正常人比率是l比2),以及可解释ALF中神经状态和外周氯 浓度之间无明显的相关性.最合理的解释是ALF中氮浓度 成比例的增高是与脑摄取氮增加有关近来有研究也证实 在ALF患者中脑氨摄取增加.由于脑不能表达鸟氰酸循环的 几种酶,因此脑中清除氨几主要依靠谷氨酰胺合成谷氯酰 在于星形细胞.星形细胞是脑中清除氨 胺合成酶(GS)主要存 的主要细胞,脑脊液和脑组织中谷氮酰胺浓度的升高与实验性 和人ALF中的结果相一致,也证实脑组织中氮浓度增高脑 组织中谷氨酰胺浓度的升高与ALF中肝性脑痫和脑水肿有 关..近来用H/】_C核磁共振光谱研究证实,在实验性A1F 管星形细胞合成谷氮酰胺增加,但合成增加的量与脑病的分级 或脑水肿的状况无明显的相关性.另一方面,亦推测在ALF 中脑谷氨酰胺的增加至少部分是由脑中谷氮酰胺水解减低所 致. 在ALF患者,盱切除术,盱血管断流或硫乙胺所致的肝损 伤中,脑谷氨酰胺浓度的增加常伴有脑组织中谷氨酸的降低, 作者单位:20000I上海第二医科大学附属仁济医院,七海市消化 疾病研究所 然而,腑谷氯酸的缺失是否反映代谢池的缺大或与刺激谷氮酸 或7一氮基丁酸(GABA)神经元活动性有关尚不清楚这提示谷 氮酸的降低可导致苹果酸天冬氯酸穿梭功能失常一另一方 面,星形细胞池谷氨酸的缺失可限制谷氮酰胺合成酶清除氮的 能力:有趣的是,培养的星形细胞和神经元暴露于氨中可引起 细胞谷氨酸含量的明显降低与谷氨酸相比,脑GABA浓度在 大多数实验模型或人AIF巾并无明显的变化: (二)乳酸,能量代谢在实验性ALF中,脑中三磷酸腺苷 (ATP)浓度变化不大,有报道用HP核磁共振光谱研究有类 似的结果另一方面,有信服的证据提示脑葡萄糖代谢在AIF 中有明显的改变:脑乳酸浓度在实验性AIF模型以及ALF患 苦脑细胞外液中有很大范围的增加,近来研究发现脑细胞外乳 酸浓度的增加先于颅内压升高.实验性AIF中脑丙氨酸的增 加提示乳酸堆积是由丙酮酸氧化降低所致.临床上评估神经 状态的恶化或AIF中脑电图分析与脑乳酸的增加有密切关 系用H/"C核磁共振光谱研究显示实验性ALF中脑乳酸的 增加是因葡萄糖再合成增加的结果.有报道,用高浓度的乳酸 培养星形细胞后,有明显的细胞肿胀.在ALF中脑中乳酸堆 积的原因尚不清楚.然而,氨可能发挥重要的作用,体外研究 显示氨抑制三羧酸限速酶a酮戊二酸脱氢酶且同时刺激糖酵 解酶磷酸果精激酶 二,暴发性肝衰竭中星形细胞功能 星形细胞通过其和其他神经细胞(神经元,内皮细胞,其他 胶质细胞)的相互作用在维持中枢神经系统功能方面发挥重要 的作用新近的研究提示ALF导致星形细胞许多功能的改 变,结果编码星形细胞蛋白的基因表达出现许多变化,对脑功 能发挥重要的作用. (一)星形细胞结构蛋白神经胶质纤维酸性蛋白 (GFAP)足一种脑浆内丝蛋白,构成r星形细胞中间丝的主要 成分,GFAP与星形细胞运动的调节和形态有关:由肝血管断 流所致的实验性ALF可导致GFAPmRNA和蛋白的表达降 低,这与脑氨和水含量有密切的关系.这些结果提示GFAP的 缺失与AIF的腩水肿发病机制有关联.有报道,暴露于毫摩 尔氮浓度培养的星形细胞GFAP表达缺失足以引起明显的细 胞肿胀用GFAP敲除的小鼠可释放有渗透作用的氨基酸一牛 磺酸,使得低张压力有改变.在实验性ALF脑组织中,GFAP 表达的缺失是一种选择性现象:构成神经胶质丝的第二种蛋 白S100表达无缺失,提示这种GFAP选择性缺失可导致细胞 粘弹性特性的改变.而引起细胞体积凋节的丧失,导致脑水肿 的发生 (二)星形细胞转运体神经元周围的星形细胞主要功能 ? 44? 与腑细胞外环境的维持有l荚.星形细胞具有高亲和性,有大范 围的离子,神经活性物质和代谢原料的摄取系统(转运体).越 来越多的证据提示AIF导致许多转运体的表达和功能发生改 变. 兴奋性氨基酸转运体2(EAAI'_2)是一种谷氨酸转运淬, 位于哺乳动物前脑的星形细胞上EAAT一2基因敲除的小鼠可 导致细胞外脑谷氨酸浓度增加,癫痫发作和脑水肿,所宵这些 症状足A1F的特征.由小鼠肝血管阻断所致的实验性ALF可 导致EAAT一2mRNA和蛋白表达缺失,同时伴有脑组织中高亲 和性的谷氨酸转运的降低及细胞外脑组织谷氨酸浓度的增加 这些变化与动脉和脑中氨浓度有明显关系,且与ALF模型中 水潴留有关 神经活性氨基酸一甘氨酸细胞外浓度受高亲和性甘氨酸转 运体一l(G1YT—1)调节,GLYT一1由星形细胞表达.在甘氨酸源 性神经元突触(在脑干和脊髓),以及大脑皮质(lYT一1在调节 甘氨酸浓度中发挥重要的作用.在此处,甘氨酸怍为谷氨酸受 体的阳性变构调节剂.在鼠肝血管断流所致的昏迷可导致 GLYT—lmRNA表达明显缺失,同时在大脑皮质细胞外甘氨酸 浓度增加. 肝血管断流也导致与5一羟色胺和去甲肾上腺素转运体部 位密度降低.然,与EAAT一2和GLYF1相比,这些单胺转 运体的缺失发生于转录后机制星形细胞GABA转运体 ((AT一2)的表达与ALF无关. 糖转运体(LUl'一l是新近克隆的葡萄糖转运体的家族成 员,位于星形细胞和血管外内皮细胞,对葡萄糖转入这些细胞 及穿过血脑屏障发挥关键的作用.在实验性A1F,GLUT—l mRNA和蛋白的表达增加脑乳酸合成增加和腑水肿发展相 平行神经元葡萄糖转运体(GIUT一3)表达在A1F中无改变. GLUq,一l表达的增加是一个部分代偿机制,可导致A1F脑组织 中糖酵解和乳酸合成的增加.GLUT—I在对水转运入细胞中 发挥重要的作用.其表达增加与ALF中脑水肿的发生有关. 有报道.在实验性ALF中.编码星形细胞水通道蛋白(aquapc)r. m)?的基因表达发生改变, (三)外周型(星形细胞)苯二氮革受体在脑中外周型苯 二氮革受体(PTBR)不是神经元GABA受体复合物的成分,它 主要位于星形细胞线粒体外膜上,其主要功能是调节胆固醇的 摄取.已有报道,在实验性AI,F,PTBRmRNA和PTBR结合 位点表达增加在由硫乙胺所致的中毒性肝损伤中,孕烯醇酮 是一类神经类固醇类化合物前体,一些有强烈的兴奋或抑制特 性.PTBR激活以后脑中这些类固醇合成的增加在ALF肝性 脑病的发病机制中发挥重要的作用. (四)渗透调节渗透调节是星形细胞的主要功能,渗透 效应物质包括谷氨酰胺,牛磺酸和肌醇,是由星形细胞合成,贮 存或释放.在人和实验性ALF,谷氨酰胺升高,给慢性肝衰竭 实验动物应用GS抑制剂硫肟蛋氨酸可明显减少水肿的发生. 但至今在ALF中未见有类似的研究.牛磺酸既是抑制性氨基 酸神经递质,又足一个渗透效应物质.在实验性ALF,由于硫 乙胺的肝毒性作用,脑牛磺酸浓度降低,但与肝血管断流术后 不一致.有报道,在实验性ALF鼠的脑脊液中牛磺酸浓度明 显增加,但在脑细胞外间隙牛磺酸浓度与脑病的严重度或脯水 肿之间没有明显的关系.从此可看出.这些结果不支持脑牛磺 酸的运动与ALF脑水肿有关. 肌醇与A1F脑水肿有关系但并未被广泛的研究:用光谱 技术研究AIF患者的结果显示脑中肌醇的浓度变化有争议. 有些研究显示降低.而另一些研究显示无变化. j,治疗的方向 尽管在ALF氨血症与氨浓度增高相一致,但在l临床上通 过降低肠道产氨(乳果糖,抗生素)并未发现有太多的益处.另 一 方面,实验性AIF研究显示服用L鸟氨酸.I一天冬氮酸(L OA)降低血氨可延缓脑病的发生和预防脑水肿这种药物降 低血氨的作用机制是刺激残存肝的尿素合成.更重要的是.在 AiF患者其可通过肌肉刺激氨的清除.至今为止,尚无L-OA 对ALF患者有效的临床研究: (一)低温低温可延长急性高氨血症动物的生存时间以 及防止脑水肿.在实验性ALF,低温的有益作用机制包括减少 血脑氨转运,脑细胞外谷氨酸浓度的正常化(这表明星形细胞 转运的改善)对ALF患者的初步研究提示低温有明显的益 处,低温可使颅内压降低和脑氨摄取降低. (二)神经药理学有证据提示,中枢性(GABA相关的)苯 二氮革受体激动剂特性的化合物出现于ALF患者和实验性动 物的脑组织中.然而,有不同研究报道,在ALF服用苯二氮革 受体拮抗剂氟马西尼可导致矛盾的结果,即有益作用和无作 用.人类的f临床经验提示,尽管氟马西尼在改善ALF患者的 神经状态有益,但对脑水肿没有明显的影响. 尽管有许多的证据提示谷氨酰胺神经递质系统与A1F中 枢神经系统并发症发病机制有关.但很少研究有方法来调控此 递质系统.部分是由于谷氨酸受体拮抗剂固有的毒性作用然 而,在由肝血管断流后的实验性ALF的研究中发现.谷氨酸受 体拮抗剂memamine可改善神经系统功能状态. 随着对ALF脑水肿和脑病确切分子机制的了解.新的治 疗方向如改善细胞内丙酮酸氧化,减少血.脑氨转运,改善星形 细胞转运体功能和神经类固醇拈抗剂等可为治疗ALF中枢神 经系统并发症提供新的途径 参考文献 IButterworthRFMolecularneurobiologyofacuteliverfailure.Semin LivDis,2003,23:25l258 2AlbrechtJ.Glucose—derivedosmolytesandenergyimpairmentinbrain edemaaccompanyingliverfailure:theroleOfglutaminereevaluated Gastr()enter0l()gy,2003,125:976,978 3ChatauretN,ZwingmannC.Rose,etalEffectsofhypothermiaon brainglucosemetabolisminacuteliverfailure:aH/C—nuclearmagnetic resonancestudy(jastr0enterology,2003,I25:815-824 (收稿日期:2003一Il一201