钙拮抗剂延缓衰老的作用

钙拮抗剂延缓衰老的作用 温宝书 张敏 白生华 摘要 目的：介绍国内外有关神经细胞老化的发生与钙离子调控能力的关系以及 钙拮抗剂用于抗衰老研究的最新进展。方法：根据国内外大量有代性的研究成 果，结合自己工作实践，进一步分析、整理和归纳。结果：脑老化是伴随着神经 细胞内钙稳态的失调和细胞钙调节能力降低而发生。钙拮抗剂可阻断细胞外钙内 流，促进细胞内钙库摄钙，维持细胞内钙平衡；并可改善脑细胞结构，增加脑血 流量，保证细胞的营养供应。结论：钙拮抗剂用于延缓衰老的研究为探索老年病 的发病机制以及老年病的针对性治疗提供了新思路。 关键词 钙拮抗剂；老化；线粒体；内质网；Ryanodine受体 随着全球性人口老龄化趋势的日益突出，揭示衰老的本质，寻找有效的抗衰 老方法和药物具有重要的意义。钙作为重要的细胞内信使物质，参与细胞的多种 功能，近年来，细胞内钙稳态变化与衰老的关系已成为药理学、神经生物学、内 分泌学、免疫学等领域的研究热点之一［1］。越来越多的学者，用钙拮抗剂进行 延缓衰老的研究，并在维持细胞内钙平衡，促进细胞线粒体的能量代谢、改善脑 细胞的结构和促进血供等不同层次取得了可喜的进展 ［2～4］。 1 神经细胞内游离钙［Ca2+］i浓度的调控 钙是最具有生物活性的离子，神经细胞的许多生理活动，如神经递质的释放、 膜内外信息传递、膜兴奋的控制、酶活性的调节以及基因的表达等均依赖于钙的 参与。［Ca 2+］i的升降对调节细胞活动起决定性作用。因此，必须精确调控［Ca 2+］ i，使之保持稳态，以便对各种引起［Ca 2+］i上升的刺激作出敏感反应。在生理 状态下，细胞膜内外存在极大的Ca 2+电化学梯度，细胞内钙浓度为0.1 μmol*L-1～ 1.0 μmol*L-1，而细胞外钙浓度比［Ca2+］i高1万倍，约为1.5 mmol*L -1。维持 如此大的浓度梯度，保证细胞内钙稳定，主要靠细胞膜对Ca 2+极低的通透性、钙 亲合蛋白(如钙调素)的缓冲以及依赖质膜两侧钙泵(即Ca 2+，Mg2+-ATP酶)，Na+-Ca2+ 交换系统将Ca2+主动排出，或通过细胞内Ca2+库如线粒体、内质网、突触小泡等 摄取与贮存Ca2+。其中，线粒体是细胞内的最重要钙库之一，当［Ca2+］i＞1 mmol*L -1 时，线粒体摄钙明显增加［5～6］。 上述机制对［Ca 2+］i的调控均有一定限度，超过极限将导致［Ca 2+］i升高， 引起细胞和线粒体钙超载，从而触发一系列有害的病理生理过程，如线粒体供能 障碍，细胞膜结构破坏等［7］。 2 神经细胞钙超载与老化的相关性 大量证据表明，脑老化伴随着神经细胞内钙稳态的失调和细胞钙调节能力降 低而发生。随年龄的增加，［Ca 2+］i呈渐进性增加 ［8］。细胞内钙的增加主要通 过细胞膜上钙通道开放和细胞内钙库的释放而引起。目前已知，钙通道有电压激 活性通道(voltage activated channels，VAC)和受体操纵性通道 (receptor-operated channels，ROC)两大类。当各种原因引起细胞兴奋时，膜 去极化，膜电位的改变促使VAC开放，细胞外Ca 2+大量流入细胞内。近年研究发 现，神经元上存在4种具有不同生物物理和药理反应特征的VAC：①长程型(L Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 型)，需要较强的去极化刺激才能开放，失活也慢。②瞬时型(T型)，较弱的去 极化电压即能使通道开放，但失活快。③N型，需要较强的去极化电压，失活快。 ④P型，需较强电压激活，失活很慢。上述4种类型中，只有L型对钙通道药物 敏感［9］。对于老化后细胞膜钙通道的敏感性，众学者的研究尚未得出一致的结 论，Reynolds等［10］认为在衰老大鼠海马神经元上钙内流明显降低，这和钙通道 活性降低有关。另外一些学者则得到完全相反的结论［11］。Verkhratsky等［12］应 用斑片钳技术分别测定了新生大鼠2 d～7 d、7月龄、30月龄大鼠不同脑区的 电压激活性钙通道Ca2+内流。结果提示，新生鼠有两种不同形式钙内流现象，即 高阈值钙内流(IHT)和低阈值钙内流(ILT)。ILT在膜内外电压差为-40 mV时即可激 活，细胞内电压可上升到-20 mV，而IHT则在-20 mV时才被激活，细胞最高电压 可达0 mV～20 mV。7月龄大鼠IHT通道表达很少，仅有30%的神经元细胞发生ILT， 而30月龄大鼠则几乎没有ILT发生，结论是老化神经元由于ILT通道表达缺失导 致了ILT的大量减少乃至消失。提示老化神经元对刺激不敏感，但一旦遇到较强 刺激，IHT可能剧增，细胞内电压升高，［Ca 2+］i增加，造成的损害可能更严重。 受体操纵性钙通道，主要通过激动剂与质膜上特定受体结合后，启动通道开 放，使细胞外钙进入细胞内，或使细胞器钙库释钙，使细胞内游离Ca2+上升。高 浓度的Ca 2+可以激活内质网膜上Ca2+诱导的Ca2+释放通道(Ryanodine受体)，使内 质网释放Ca2+［13］。另外，一些激动剂可与膜上受体结合，促发膜磷脂中的磷脂 酰肌醇-4，5-二磷酸水解产生2种新的胞内第二信使；肌醇1，4，5-三磷酸 (inositol 1，4，5-trisphosphate，IP3)和二酰基甘油(diacylghycerd，DG)。 前者作用于光面内质网上IP3受体，使内质网释放Ca 2+，并通过其代谢产物1，3， 4，5-IP4的信使作用使细胞外Ca 2+内流；后者通过激活蛋白激酶C，使多种底物 蛋白磷酸化而发挥生理效应，或在细胞膜DG激酶的磷酸化作用下再生成磷脂酸 (phosphatidic，PA)。PA是离子运转中内源性载体，进一步促进Ca2+内流［14～15］。 细胞内游离钙病理性增加之后，则需要细胞内的Ca2+调控机制发挥作用，以 维持细胞内钙稳态。但研究发现，随着老龄化的发生，细胞内的Ca2+调控能力是 逐渐衰退的。首先，细胞膜钙泵活性随年龄增加而显著降低，外排Ca 2+的能力明 显下降［16］。内质网膜钙泵活性随年龄的变化，一直未有明确阐述。但已知，肌 浆/内质网(sarcoplastic/endoplasmic reticulum，SER)表达的Ca2+-ATP酶主要 有4种形式：SERCA 1，2，3和4。其中SERCA2在Ca2+转动调节上起着非常重要 的作用，它至少有2种亚型，即SERCA2a和SERCA2b。在不同脑区，二者分布比 率不同，但多以SERCA2b为主［17］。Lompre等［18］用特异性基因探针对心肌的研 究表明，老龄(24月龄)鼠心脏肌浆网的Ca2+泵mRNA水平明显降低，较1月～2 月龄鼠降低55%，Arai等［19］证实Ca2+泵蛋白的水平随其mRNA水平升高而升高， 这说明，mRNA水平的改变预示着SR功能的改变，说明SR Ca2+摄取能力的降低至 少部分是由于SR Ca2+-ATP酶的基因水平低下所致。Ryanodine受体mRNA的降低 与Ca2+-ATP酶mRNA，以及SERCA2a型Ca2+泵的调控因子肌浆网磷酸受纳蛋白 (phospholamban)mRNA的水平相关，说明3种基因的表达受到一致的调控。对于 神经细胞，钙泵活性与其基因表达的关系，需进一步深入研究。已经证实，线粒 体摄钙能力也随着年龄增长逐渐衰退，结果导致细胞内游离钙增加，钙稳态被破 坏。钙超载对细胞造成的损伤主要有以下几个方面：①使线粒体氧化磷酸化脱偶 联，细胞呼吸抑制。②激活磷脂酶C，A1，A2，使膜磷脂水解，花生四烯酸(AA) 释放增加，同时产生大量自由基，使膜通透性增加，钙离子大量流入，造成恶性 循环。③激活依赖Ca2+的中性蛋白酶(calcium activated neutral protease， Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. CANP)活性病理性增加，CANP在神经系统主要与细胞骨架蛋白的更新有关，细胞 内Ca2+剧增激活CANP，造成神经元骨架破坏，蛋白广泛降解，神经细丝分解，神 经微管解聚，严重影响轴浆运输，导致神经元死亡［20～21］。 3 钙拮抗剂在延缓衰老中的作用 目前应用的钙通道阻滞剂据其化学结构可分为4类［22］：①二氢吡啶类如尼 莫地平(nimodipine)、硝苯地平(nifedipine)、达罗地平(darodipine)。②苯烷 胺类如维拉帕米(verapami)、芬比林(fendiline)。③硫苯?类如地尔硫? (D-cis-diltiazem，L-cis-diltiazem)。④二苯烷胺类如氯硝西泮(clonazepam)、 氟硝西泮(flunitrazepam)。其中，二氢吡啶类中的尼莫地平应用最多，主要由 于它是高脂溶性的，易透过血脑屏障，对脑血管选择性更大，基本不影响外周血 管；另外，在增加脑血流量的同时，不增加脑代谢。大量研究结果显示，钙通道 阻滞剂对治疗中枢神经系统的各种损害如缺血、脑损害以及神经元变性都有一定 作用。 首先，钙通道阻滞剂可有效地阻断细胞外钙的内流，这就保证了细胞内钙的 稳定。Fanelli等［23］从单通道特性到行为，研究了尼莫地平的作用，发现尼莫 地平可以阻断下丘脑神经元电压依赖性L-型钙通道活性以及去极化引起的神经 元胞体内游离钙增加，改善老龄兔记忆能力。其次，钙通道阻滞剂可抑制线粒体 膜上Na +-Ca2+交换系统，防止Ca2+由线粒体进入胞浆，而对线粒体膜上Ca2+单通道 无影响。另外还发现，线粒体内钙保持一定浓度时(1.0 μmol*L-1～2.0 μmol*L-1) 能促进丙酮酸脱氢酶(PDH)、异柠檬酸脱氢酶(ICDH)、α-酮戊二酸脱氢酶(αKGDH) 活性，通过三羧酸循环，导致NADH产量增高，加速氧化，使ATP合成速率加快， 更有效地给细胞提供能量 ［22］。 另外，Vega等［24］用免疫组织化学方法证实达罗地平能部分逆转24月龄大 鼠由于老化引起的大脑皮质NF蛋白表达降低，提示达螺地平可减轻衰老和神经 退变引起的细胞骨架改变。Amenta［25］发现达罗地平可增加衰老大鼠小脑皮质浦 肯野氏神经元胞浆中一种Ca2+结合蛋白calbindin D-28K的表达，而此蛋白与调 节细胞内钙稳态有关。 钙拮抗剂用于促智方面也取得了可喜的进展，尼莫地平对哺乳类动物的主动 和被动回避性反应学习及多种化学性记忆障碍有明显的改善作用 ［26］。Amenta等 ［27］用碱性磷酸酶组织化学法测定额皮质、枕皮质、海马Amnon's角齿状脑回， 发现，27月龄大鼠在上述脑区的微血管系统较12月龄大鼠有不同程度减少，而 应用达罗地平经口ig 5 mg*kg-1*d-1用药6个月后，可显著改善老龄鼠各脑区的 微血管分布(血管增长，微血管间距缩小)。同时还发现，对24月龄大鼠用药后， 可改善老年鼠脑微结构，分离的活性神经元数量增多，细胞内脂褐素沉积明显减 少［28～29］。 4 钙拮抗剂用于老年退行性疾病治疗的进展 已有学者提出，Alzheimer病等老年痴呆出现的原因之一是由于人体内钙平 衡受到干扰引起，在这种情况下，使用钙拮抗剂被认为可以部分地预防由于钙调 节障碍所造成的细胞损伤。近几年，法国和美国的学者已将二氢吡啶类钙拮抗剂 尼莫地平试用于原发性退行性痴呆和早老性痴呆。Parnetti［30］报道，755名有 退化性或血管性精神衰退老人应用尼莫地平，其中一半患者口服用药，每次30 mg，每日3次，持续3个月；另一半病人同样服法持续6个月。两组病人治疗后， 用心理行为检测仪检查，结果都能看到大脑半球功能状态有显著改善。赵文璇等 ［31］对46例脑血管患者应用尼莫地平或安慰剂后，用临床记忆量表进行研究，结 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 果发现使用尼莫地平后，患者记忆商显著提高(P＜0.01)。提示尼莫地平有改善 脑血管病患者记忆功能的作用。高之旭等［32］认为尼莫地平用于治疗老年性痴呆， 改善脑代谢功能优于其它促智药物，主要理由有以下几个方面：①有较强的选择 性脑血管作用，显著增加脑血流，不产生“窍血”现象。②对老年性痴呆智能障 碍有明显改善，对血管性痴呆疗效似乎优于Alzheimer病。③本药的精神药理活 性对老年痴呆病人的抑郁呆滞、少动等精神症状有疗效。以上结果表明，尼莫地 平是老年期痴呆治疗的较为理想的药物。尼莫地平改善记忆功能的机理和其强有 效的钙拮抗作用有关。 总之，钙拮抗剂对于神经细胞的影响主要有以下几个方面：①阻断细胞外 Ca2+内流，抑制线粒体Na+-Ca2+交换系统，促进细胞内Ca2+调节蛋白的表达，从而 保证细胞内钙稳态，维持细胞正常生理功能。②改善脑微结构、微血管系统分布， 增加脑血流量，保证细胞的能量和营养供应。③可改善由衰老和神经退变引起的 细胞骨架的改变，保持神经元的正常结构和功能。 (重庆 400038 第三军医大学药理学教研室) 参考文献 1 Michaelis ML. 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