二氧化碳“鸡尾酒”,拯救脑梗后神经元网络——专访浙大神经药理学家陈忠教授

Time is brain,这是西方医学界对于脑梗(又称缺血性脑卒中、中风)抢救的至理名言。占人体重量2%的脑组织,却消耗身体的20%的血氧供应。如果缺血持续5分钟以上,则脑细胞发生不可逆损害;每超过1分钟,就会有超过190万个神经元死亡。因此,在脑缺血事件发生后激活人体内源性保护机制的策略,对于延长药物、手术溶栓的时间窗,以及减少脑缺血后损伤周边区神经元的死亡都至关重要。

▲严重脑缺血10-15秒内意识丧失,2分钟内脑电停止,最终可致死。(图片来源:Pixabay)

浙江大学陈忠教授团队经过多年动物实验,发现了与血氧供应反其道行之的缺氧预处理、酸化后处理(吸入含二氧化碳的混合气体)策略,可大大减轻严重致死性缺血造成的大脑损伤。对急性脑梗患者的抢救,是一场与时间和死神赛跑的作战。让我们随着陈忠教授的研究轨迹,寻找拯救神经元的奇迹之旅。

反弹琵琶:脑梗治疗的缺氧&酸化策略

药明康德:通常人们认为脑梗患者应及时吸氧,而您团队提出吸入含有二氧化碳混合气体的酸化后处理策略,无疑让人眼前一亮。请您谈谈内源性保护策略对于脑缺血的防治意义。

陈忠教授:脑缺血之后多种病理反应交叠,众多神经递质、神经调质、蛋白分子参与缺血性卒中的全过程。过去数十年中,许多研究者试图寻找外源性药物(如神经保护剂)来提高缺血后神经元存活率。然而单一靶点的药物疗法,与卒中后级联反应的复杂性并不一致。因此近年来预处理、后处理内源性保护策略引起了我们的关注:即给予机体亚剂量刺激或损伤,通过激活机体自身的保护机制,减轻严重致死性缺血造成的损害。我们发现在脑卒中发生前采取温和的短暂缺氧处理,可以提高大脑对缺血的耐受程度。但因脑卒中发病时间不可预知,所以预处理临床应用范围较窄。

我们进一步发现在大脑缺血之后进行短暂酸化后处理方式,即让动物吸入包含二氧化碳的混合气体(20% CO2、21%O2、59%N2)5分钟,可发挥显著的神经元保护作用,且作用时间窗口可至脑梗溶栓后50分钟!其原理是显著增强缺血细胞自噬以清除受损线粒体,即选择性诱导线粒体自噬,从而减轻缺血再灌注引发的神经元凋亡,并抑制凋亡相关蛋白Caspase-3、Bax表达上调。酸化后处理还可将缺血再灌注时间窗口从原来的2小时提升到4小时。如过表达外源性PARK2(属于E3泛素连接酶),则再灌注时间窗口可进一步延长至6小时!这也提示了酸化后处理及调控其诱导的线粒体自噬,可能是缺血性脑卒中治疗的新策略,并将可能为临床溶栓治疗争取更多宝贵的时间。

▲陈忠团队论文阐明,酸化后处理诱导PARK-2依赖性线粒体自噬,可减少局灶性脑缺血脑损伤并延长再灌注时间窗(图片来源:《Autophagy》杂志

在获得这一重要结论之后,我们希望进一步明确PARK2是否是介导了脑梗后线粒体自噬的主要通路。因各种环境和病理原因导致的正常或损伤线粒体自噬,通常由PARK2、Nix、FUNDC1三种机制介导。虽然我们起初发现外源性过表达PARK2有利于神经损伤恢复,但之后我们却首次发现线粒体外膜蛋白Nix通过非PARK2依赖途径,介导了脑损伤部位的线粒体自噬通路,从而解析了在缺血损伤过程中线粒体自噬发生的相关机制,为减轻脑卒中后神经元损伤提供了新的治疗靶点。

药明康德:除了线粒体自噬,您的重点研究方向还包括组胺在脑损伤修复中发挥重要作用。请您谈谈相关成果。

陈忠教授:组胺由组氨酸经过脱羧酶脱羧而成,外周组织的组胺主要存在于肥大细胞,并在组织受到损伤时释放,参与炎症和过敏反应。组胺在中枢神经系统则是重要的神经递质和神经调质,主要参与睡眠觉醒、认知、能量代谢等生理功能,并且也能减轻缺血性脑损伤。组胺能神经元胞体位于下丘脑结节乳头核,在大脑内部有广泛投射。大脑内已经发现四种组胺受体,H1和H2受体为突触后的受体,H3为突触前的抑制性受体,H4受体的作用机理目前尚未明确。

陈忠团队综述性论文,概括了组胺在多种神经系统疾病中扮演的重要角色(图片来源:《Pharmacology & Therapeutics》杂志)

大脑损伤部位在缺血早期会释放大量谷氨酸——人类最重要的兴奋性神经递质之一,谷氨酸浓度持续升高会导致一系列神经兴奋毒性作用出现,比如引起Ca2+大量内流超载、继而导致迟发性神经凋亡。谷氨酸-谷氨酰胺循环中,释放的谷氨酸会被星形胶质细胞摄取,合成谷氨酰胺转运回神经元加工成神经递质;所以如果该循环受阻,则会加剧神经元兴奋毒性损伤。而组胺可以增加星形胶质细胞表达的谷氨酸转运体,减少脑损伤之后大量释放的谷氨酸在细胞外大量堆积,从而大大减轻脑梗后早期的神经元损伤。

另外,神经系统出现损伤会激活星形胶质细胞,胶质纤维酸性蛋白表达上调后细胞突起变粗。早期活化的星形胶质细胞可局限炎症反应,但在后期则会交叠形成致密瘢痕,是影响神经元再生、功能恢复的重要因素。而同时脑组织、脊髓损伤处的内源性组胺含量在损伤早期显著增高,随后恢复,而此刻正是星形胶质细胞瘢痕形成的起点。我们受此启发,通过动物实验证明,用吸附一定浓度组胺的明胶海绵覆盖于神经损伤局部,可抑制脊髓损伤处胶质瘢痕的厚度和体积,减弱胶质瘢痕的物理、化学屏障,促进神经元轴突出芽、髓鞘再生。

海马体沟回:癫痫治疗靶标的富矿

药明康德:除了缺血性卒中,癫痫治疗也是您的主要研究方向之一。作为各个年龄层人群都有可能发作的一种疾病,癫痫在很多人心目中留下了比较可怖的印象。请您就癫痫的发生机制谈谈相关的防治策略研究。

陈忠教授:癫痫也是神经科常见慢性疾病。特征是神经元突发性异常放电及短暂大脑功能障碍,可由感染、遗传病、代谢障碍、外伤、头部肿瘤、寄生虫等多种病理原因引起。中国癫痫患病率为7.0‰,数百万人为活动性癫痫病患者。儿童血脑屏障脆弱,更易因为炎症、高温、高热等刺激发病;而老年人如罹患肿瘤以及脑血管疾病,也会增加癫痫发病风险。目前癫痫治疗手段包括传统药物、手术切除难治性癫痫患者病灶、深部脑刺激疗法、基因疗法、生酮饮食疗法等。癫痫发生可与神经递质失衡、离子通道异常、神经胶质细胞功能受损、基因缺陷、免疫系统疾病等相关,根本原因是中枢神经系统的兴奋性和抑制性递质网络失衡

兴奋性递质与抑制性递质无疑以谷氨酸与γ-氨基丁酸(GABA)为代表。过去人们认为这两种介质对神经元兴奋性产生单向性刺激作用。但通过动物试验我们首次发现,激活内嗅皮层中的兴奋性谷氨酸能神经元,反而可以抑制癫痫发作。另外我们还明确激活海马体下托区GABA能神经元,只能在颞叶癫痫患者全面性发作之前起到抑制作用,在患者已经全面性发作之后则会加重症状。这更说明即使是特定脑区的特定功能神经元,在疾病进展不同阶段的分子通路也处于动态转变当中;而同一种神经元在不同脑区的差异则更加复杂。将来,我们希望明确海马体内谷氨酸-γ-氨基丁酸能神经元输入输出神经环路对癫痫发作的影响,以及这些环路与多巴胺、褪黑色素、乙酰胆碱的协同影响,并寻找到合理的药物机制和靶点。

▲陈忠团队论文显示,颞叶癫痫全面性发作后,氯转运蛋白NKCC1和KCC2表达改变,引起GABA能信号异常去极化(图片来源:《Neuron》杂志)

除了药物治疗,我们团队也对深部脑刺激应用于癫痫治疗做了很多探索。60-70%颞叶癫痫患者为难治性个例,不少患者灶点较多不适合手术治疗,且手术可能损伤患者正常脑功能或术后仍复发。电刺激疗法早在上世纪30年代诞生,直至70年代末应用于癫痫治疗,目前对丘脑前核、下丘脑、海马、尾状核、小脑等部位进行电刺激,都可在不同程度抑制癫痫发作。我们团队还首次发现了低频率(1Hz)电刺激癫痫灶点以外脑区,如梨状皮层、小脑顶核、海马下托、内嗅皮层等区域,可抑制大鼠杏仁核电点燃癫痫的发生过程,并降低发作的严重程度。此外,我们还进一步揭示了低频率电刺激应用于癫痫治疗的治疗时间窗、模式依赖、累积效应、早期效应等特征,为临床应用提供理论依据。

药明康德:在多年的科研实验中,有哪些令您感到最为难忘的经历?对于未来的科研方向,您又有哪些展望?

陈忠教授:所有实验的细节和后续进展其实都源于最初的设计理念,要设计前瞻性的实验必须具有基于科学的想象力与逻辑严密性。在多年的研究过程中,我发现一些小的失误和意外常常能促发触类旁通的想象力。癫痫诱发之后1秒钟之内立刻给予低频率电刺激(LFS)可缓解症状,有一次一位刚入组的药学专业学生对脑电波不甚了解,拖延了10秒钟才给予15分钟低频率电刺激,且发现实验动物的癫痫症状加重。我却从这个失败的实验中,首次提出了低频率电刺激对于癫痫患者治疗的时间窗概念,并通过后续实验证明相应电刺激模式的时间窗只有4秒钟,超过该时间窗口则会加重病情。

在未来的工作中我希望完成两件事。第一是培养一批优秀的杰青研究员和教授,并且在他们的研究领域能够得到国内外同行认可,有足够的权威性完成专业性综述报告。第二,作为一名药理学家,我希望在缺血性卒中和癫痫治疗方面,成功研发可以落地的药物,尤其是继续推进难治性癫痫的药物靶标发现:目前我们团队已经初步发现了一些具有新颖分子机制的小分子药物,具有较好的成药前景,我希望也相信有一些成果能够最终落地。

当代神经科学发展一日千里,但大脑中许多分子的传导机制和代谢网络仍有太多未解之谜。如果把神经系统比喻为千姿百态的琴弦,我们现在可能还只是在拨动一些相对孤立的琴弦。我希望有一天我们的团队能在专业的研究领域之内,描绘出特定分子的完整通路,弹奏出悠扬动听的交响乐。