腦缺血后谷氨酸通路及其調控的研究進展

胡捷先(綜述) 陳獻華(審校)

(復旦大學腦科學研究院醫學神經生物學國家重點實驗室 上海 200032)

?

腦缺血后谷氨酸通路及其調控的研究進展

胡捷先(綜述) 陳獻華△(審校)

(復旦大學腦科學研究院醫學神經生物學國家重點實驗室 上海 200032)

谷氨酸作為主要的興奮性神經遞質,在腦內正常生理狀態下有重要作用,但在腦缺血等多種病理狀態下,谷氨酸在腦內大量釋放和堆積,導致對神經元的過度刺激,引起興奮性毒性,并成為缺血性神經元損傷的主要誘發因素。谷氨酸的興奮性毒性主要通過與神經元細胞膜上的受體結合,引起細胞內Na+和Ca2+增加。胞內Ca2+濃度增加會引起線粒體功能異常、蛋白酶激活、活性氧增加及NO的釋放,從而引起神經元的死亡;胞內Na+增加將引起過量水分進入細胞,造成神經細胞毒性水腫和細胞死亡。因此,深入了解腦缺血后上述谷氨酸通路的調控機制,并針對該通路的不同環節進行干預,將為阻止或減輕缺血性神經元損傷提供有效途徑。多種針對谷氨酸通路的腦缺血治療策略正在積極探索中,如抑制谷氨酸合成或釋放、增加谷氨酸清除、阻斷谷氨酸受體或抑制細胞內Ca2+濃度增加等。本文將對缺血性腦中風后,谷氨酸引起興奮性毒性的機制以及該系統的調控機制、相應干預策略的研究進展進行綜述。

腦缺血; 谷氨酸; 受體; 轉運體; 興奮性毒性; 神經保護

谷氨酸作為主要的興奮性神經遞質廣泛分布于腦內,其在哺乳動物腦內的濃度是多巴胺及5-羥色胺等神經遞質的1000多倍。谷氨酸參與調控多項細胞活動和生理功能,如細胞的存活和凋亡、學習、記憶、認知、情緒及運動等[1]。盡管谷氨酸參與了中樞系統的一系列重要的生理功能,但從谷氨酸被報道是一種神經毒素以來,結合后來所提出的谷氨酸-鈣超載學說[2],已證實其與多種疾病相關,如癲、神經退行性疾病、腦血管卒中等,其與缺血性神經損傷的關系尤為密切。近年來,谷氨酸釋放、轉運體功能改變、受體表達及其引起的神經細胞損傷級聯反應等已成為腦缺血機制的研究重點[3]。本文主要介紹腦缺血卒中后谷氨酸造成損傷的機制,并針對其中相應的靶點尋找可能的臨床治療方法。

谷氨酸的合成、釋放和代謝 體內生成谷氨酸的途徑有以下3條:(1)谷氨酸-谷氨酰胺循環;(2)神經元和神經膠質細胞利用葡萄糖合成谷氨酸;(3)神經元利用神經膠質細胞所分泌的乳酸鹽合成谷氨酸。其中谷氨酸-谷氨酰胺循環是主要方式,但其他方式也是必不可少的[4]。

正常情況下,谷氨酸釋放進入突觸間隙與受體結合發揮作用,最后將被谷氨酸轉運體重攝取重新進入細胞。神經膠質細胞重攝取的谷氨酸經谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase,GS)轉化為谷氨酰胺或經轉氨酶轉化為α-酮戊二酸,谷氨酰胺由神經末梢膜上的囊泡谷氨酸轉運體(vesicular glutamate transporters,VGLUTs)攝入神經元,在線粒體內經谷氨酞胺酶(phosphate activated glutaminase,PAG)催化脫氨轉變成谷氨酸,在VGLUTs和Ⅴ型ATP酶(Ⅴ-ATPase)的共同作用下進入囊泡,形成谷氨酸-谷氨酰胺循環。α-酮戊二酸則由神經末梢膜上的酮戊二酸轉運體攝入神經元,經α-酮戊二酸轉氨酶作用生成谷氨酸[5](圖1)。

正常生理情況下,谷氨酸能神經末梢突觸囊泡是胞外谷氨酸的主要來源,谷氨酸釋放分為Ca2+依賴性和非Ca2+依賴性。前者是指電壓依賴性Ca2+通道開放,胞外Ca2+進入胞內使囊泡去極化,促使囊泡與突觸前膜融合遞質釋放,主要負責中樞神經系統谷氨酸的釋放;后者是指谷氨酸轉運體的翻轉作用,當細胞內外的離子電勢差改變時,轉運體將釋放谷氨酸至突觸間隙中。釋放到突觸間隙中的谷氨酸能夠快速被5種不同的Na+依賴性谷氨酸轉運體清除,從而維持谷氨酸穩態[6]。

圖1 谷氨酸-谷氨酰胺循環示意圖

Fig 1 Schematic representation of glutamate-glutamine cycle

谷氨酸轉運體與腦缺血

谷氨酸轉運體的分類及轉運機制 正常生理狀態下,谷氨酸在腦內不同部位的濃度是不一樣的,谷氨酸能神經元細胞質、突觸囊泡內以及細胞外液中的谷氨酸濃度分別為10 mmol/L、100 mmol/L和1 μmol/L,即谷氨酸主要存在于神經細胞內,囊泡中最多,并且與突觸間隙有顯著濃度差,這種濃度梯度依賴正常的谷氨酸轉運體來維持[7]。當突觸間隙的谷氨酸濃度出現異常時,谷氨酸轉運體就會迅速做出反應來維持突觸間谷氨酸的正常穩態。由此可見,谷氨酸轉運體對維持中樞神經系統正常生理功能是非常重要的。

谷氨酸轉運體主要包括存在于細胞膜上的興奮性氨基酸轉運體(excitatory amino acid transporters,EAATs)、囊泡谷氨酸轉運體(vesicular glutamate transporters,VGLUTs)以及谷氨酸-半胱氨酸轉運體(glutamate-cysteine transporters),本文主要介紹EAATs[8]。目前已知的位于細胞膜的轉運體有5種:EAAT1(GLAST)、EAAT2(GLT-1)、EAAT3、EAAT4和EAAT5。EAATs的主要功能是調節細胞外谷氨酸濃度,使之保持在較低的生理水平以避免毒性作用[9]。其中GLT-1(EAAT2)亞型負責95%的谷氨酸重攝取,Harvey等[10]利用帶有GLT-1基因的病毒載體感染大鼠后,通過微量滲析缺血引發的胞外谷氨酸堆積明顯降低,相反利用反義核苷酸封閉GLT-1后觀察到更嚴重的谷氨酸積聚。

正常情況下,谷氨酸轉運體的活性依賴于膜Na+/K+-ATP酶產生的Na+電化學梯度,它們以跨膜Na+、K+和H+濃度梯度為驅動力,EAATs每攝取1個谷氨酸同時攝入2個Na+和1個H+,并排出1個K+和1個OH-或(HCO3-)。細胞內外Na+、K+的正常濃度由Na+-K+泵維持,因此EAATs轉運谷氨酸是一種離子依賴性的耗能過程,整個轉運過程是可逆的,轉運方向是否逆轉或何時逆轉,取決于細胞膜內外的離子濃度,當跨膜濃度差逆轉時,EAATs可變攝取為釋放谷氨酸[11](圖2)。

The activity of glutamate transporters rely on sodium electrochemical gradient that is maintained through the activity of Na+/K+ATPases.

圖2 谷氨酸的跨膜轉運示意圖

Fig 2 The extracellular glutamate uptake

腦缺血對谷氨酸轉運體功能的影響 Johnston等[12]采用核磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRS)證明谷氨酸循環-谷氨酰胺與腦內葡萄糖代謝速率密切相關,并且有研究表明谷氨酸的重攝取也是依賴ATP的。當缺血缺氧發生時,大腦供血不足,能量代謝出現嚴重障礙,谷氨酸的代謝和重攝取都將受到影響。缺血缺氧發生時,一方面,細胞內ATP產生減少,Na+/K+ATP酶功能障礙,K+在胞外堆積,使細胞去極化,Na+濃度梯度被破壞,轉運體無法攝取胞外谷氨酸,細胞內高濃度谷氨酸便成為儲存庫,在胞內高濃度谷氨酸的驅動下,谷氨酸轉運體發生逆轉,造成細胞外谷氨酸堆積,過度激活谷氨酸受體,觸發引起神經元死亡的級聯反應[13];另一方面,缺血后通過黃嘌呤氧化酶途徑等方式產生大量的氧自由基,這些氧自由基不但可以通過抑制Na+/K+ATP酶活性來影響谷氨酸轉運,還將氧化谷氨酸轉運體蛋白的半胱氨酸殘基,特別是Cys186 和Cys375,以此來抑制谷氨酸轉運。這些位點都是谷氨酸轉運體高度保守區域,故能夠抑制各個亞型的谷氨酸轉運體[14]。

對于缺血缺氧發生后谷氨酸轉運體表達的變化,不同亞型、不同腦區、不同缺血時間點的變化趨勢和水平都不一致,如Ketheeswaranathan等[15]發現在大腦皮質中,缺血缺氧6 h后GLAST表達開始上升,第2天達高峰,第3天恢復正常,GLT-1的表達遲于GLAST,但維持時間較長。而Yehth等[16]發現在海馬CA1區,缺血缺氧發生后,無論是蛋白還是mRNA水平,GLT-1表達均迅速減少,甚至喪失。

谷氨酸受體與腦缺血

谷氨酸受體分類 谷氨酸受體包括離子型受體(ionic glutamate receptor,iGluR)和代謝型受體(metabolic glutamate receptor,mGluR)。離子型受體可分為3種亞型:N-甲基-D-天門冬氨酸受體(n-methyl-d-aspartate receptor,NMDA)和非NMDA受體,后者又分為海人藻酸受體(kainic acid receptor,KAR)和α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑受體(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionicacid receptor,AMPAR)。

NMDA受體廣泛分布于海馬和皮層中,由NR1和NR2兩種亞單位構成。該受體興奮時主要引起Na+、Ca2+內流和K+外流。NMDA受體參與機體多項生理及病理活動,如學習與記憶、神經元重塑、缺血缺氧毒性作用、癲及神經退行性病變等[17]。AMPA和KA受體則對電位不敏感,谷氨酸為其內源性激動劑,即無需去極化,與谷氨酸結合即可激活受體。其中AMPA受體的分布與NMDA平行,有4種亞基,主要介導中樞神經系統的快速興奮性突觸傳遞,與學習及記憶等功能有關[18];KA受體則主要分布在海馬CA3、皮質等區域,由5個亞基構成,主要與Ca2+代謝、突觸強化和氧化應激等有關[19]。

mGluR屬于G蛋白偶聯受體超家族,已經克隆出mGluR的8種亞型:mGluR1～mGluR8。根據mGluR氨基酸序列的同源性、胞內信號轉導機制及藥理學特性分為3型,即Ⅰ型:mGluR1和mGluR5,Ⅱ型:mGluR2和mGluR3,Ⅲ型:mGluR4、mGluR6、mGluR7和mGluR8[20]。

谷氨酸的突觸釋放和突觸后效應 谷氨酸神經遞質以囊泡的形式儲存于神經末梢,當突觸前膜去極化時,突觸前膜的電壓門控性Ca2+通道(voltage-gated calcium channel,VGCC)開放,囊泡的去極化促進囊泡與突觸前膜融合釋放谷氨酸,谷氨酸與突觸后膜上的NMDAR和AMPAR結合后發揮神經遞質作用。發揮作用后,谷氨酸被轉運體快速重攝取進入胞質,可以在突觸囊泡中暫時保存,直至下一次釋放[21](圖3)。

Sequestered in vesicles of the pre-synaptic neuron,glutamate is released into thesynaptic cleft upon depolarization.Once released,glutamate binds to ionotropic or metabotropic receptorsof the post-synaptic neuron to potentiate signal transduction.Glutamate clearance from the synaptic cleft is primarily handled by astrocyte-specific excitatory amino acid transporters.The three actions join forces to keep the homeostasis of glutamate.

圖3 谷氨酸突觸釋放、受體激活及重攝取示意圖

Fig 3 The synaptic release,stimulation of glutamate receptor and uptake of glutamate in synapse

腦缺血后過度激活谷氨酸受體觸發引起神經元死亡的級聯反應 在正常生理條件下,由于重攝取機制的存在,神經元只可能短暫暴露于低濃度谷氨酸。但是當病理情況出現時,由于正常機制被破壞,神經元會暴露于高濃度谷氨酸,細胞功能出現障礙,造成細胞損傷。

Choi等[22]發現在體外細胞培養中,當谷氨酸濃度達到10 μmol/L時即可導致神經元的死亡,Benveniste等[23]發現當濃度達到100 μmol/L時可以持續過度地激活谷氨酸受體。缺血條件下,大腦血流下降,ATP供給減少,一方面直接抑制谷氨酸轉運體的功能,谷氨酸在突觸間隙中積聚,過度激活谷氨酸受體;另一方面,由于過度激活谷氨酸受體,使得細胞內外的Na+、Ca2+等的濃度穩態無法維持,導致谷氨酸轉運體功能翻轉,胞內高濃度谷氨酸成為突觸間隙中谷氨酸的來源之一,以上各種因素循環相互影響,不斷加重谷氨酸超載。細胞間隙堆積的谷氨酸使谷氨酸受體過度激活,引起神經細胞內Ca2+超載、NO生成增多[24]等級聯式毒性反應,即興奮性毒性,最終導致神經細胞死亡(圖4)。

腦缺血后谷氨酸興奮性毒性引起胞內Ca2+超載對細胞的影響 Ca2+作為谷氨酸興奮性毒性級聯反應中的重要一環,在缺血缺氧條件下,對細胞的損傷作用不容小覷。Ca2+是鈣元素在人體中的主要存在形式,也是機體各項生理活動不可缺少的離子,它在維持細胞膜兩側的生物電位,維持正常的神經傳導功能,參與神經遞質合成與釋放、激素合成與分泌中都有無可替代的作用。腦缺血后,大量堆積的谷氨酸可通過以下機制引起細胞內的Ca2+濃度大幅上升:(1) 過度激活NMDAR引起鈣離子內流;(2) 激活mGluR受體,控制內質網的Ca2+釋放,提高胞內Ca2+濃度[25]。Ca2+濃度的急劇升高會使中性蛋白酶、核酸內切酶和磷脂酶等被激活,造成細胞膜、DNA的破壞,使神經元骨架破壞,同時產生大量自由基,形成凋亡小體,最終引起神經元凋亡。

腦缺血后谷氨酸興奮性毒性引起線粒體功能障礙對細胞的影響 線粒體作為細胞的能量站,是細胞內氧化磷酸化和合成ATP的主要場所,是細胞的生命線。除了為細胞供能外,線粒體還參與諸如細胞分化、細胞信息傳遞和細胞凋亡等過程,并擁有調控細胞生長和細胞周期的能力。研究發現當胞內Ca2+濃度超過0.5 μmol/L時,線粒體將重攝取胞內Ca2+[26];缺血再灌注24 h后,線粒體中Ca2+濃度從1～3 nmol/mg 上升到 6～9 nmol/mg[27]。線粒體中大量Ca2+涌入使其膜電位發生變化,進而引發線粒體多條途徑的功能障礙,包括抑制線粒體的呼吸作用、引起細胞色素c以及NADH的釋放及其后續的效應,進而導致線粒體和細胞的多種損傷,造成神經元死亡(圖5)。

在上述由谷氨酸興奮毒引起的線粒體功能障礙級聯反應中,caspase-3在引起DNA損傷和神經元凋亡中起到重要作用。研究發現,capase-3功能被抑制后,由谷氨酸處理所導致的細胞死亡率大大降低(降低幅度達50%)[28]。此外,caspase-3還直接影響缺血缺氧損傷的嚴重程度(如壞死、水腫面積)。

谷氨酸興奮性毒級聯反應中,鈣激活的中性蛋白酶(calpains)也發揮重要作用。研究表明,當線粒體中Ca2+濃度升高能夠激活失活的蛋白酶(包括calpains),而calpains在壞死和凋亡中發揮著重要作用,能夠抑制Na+-Ca2+交換泵和mGluR-I。除此之外,caspase-3還將抑制抗凋亡因子蛋白分子(如Bcl-2、Bcl-XL和Bid)活性,并促進促凋亡因子Bax表達,激活下游的caspase-3,進一步清除鈣蛋白酶抑制蛋白,兩者相互作用,共同誘導神經細胞死亡[29]。

腦缺血后谷氨酸興奮性毒性引起活性氧自由基產生對細胞的影響 在缺血缺氧中,活性氧自由基(reactive oxygen species,ROS)與谷氨酸興奮性毒性有密不可分的關系。ROS能夠通過氧化和損傷脂質、DNA、蛋白質來損傷細胞[30](圖6)。

腦缺血后谷氨酸興奮性毒性產生的NO對細胞的影響 腦缺血后,產生的大量谷氨酸會過度激活NMDA受體,導致一氧化氮合酶(nitric oxide synthetase,NOS)活化和高濃度NO產生,從而對細胞造成損傷;而NOS抑制劑可降低NMDA的神經毒性[31]。NO主要通過減少細胞能量供給、增強DNA損傷、將超氧化合物轉化成過氧亞硝酸鹽等來破壞細胞。盡管Gepdiremen等[32]的研究表明低濃度NO具有神經保護作用,但另一方面,NO作為一個高活性分子,可通過增加毒性自由基的水平來損傷細胞。

針對谷氨酸損傷機制的治療方式

缺血缺氧預處理 Blanco等[33]已證明短暫的輕微腦缺血能夠增加腦對缺血的耐受,這就是腦缺血預處理。腦缺血預處理在提高腦缺血耐受性中,通過上調非Ca2+依賴釋放谷氨酸以及提高谷氨酸轉運體表達等方式增強細胞對缺血的抵抗(圖7)。

干預谷氨酸通路的藥物在腦缺血損傷中的作用盡管大量文獻報道了腦缺血損傷中谷氨酸興奮性毒性的機制,但仍沒有找到在臨床上適用于腦缺血損傷的治療方法。谷氨酸在缺血中產生興奮性毒性這一過程涉及諸多方面,若只抑制其中某一環節,谷氨酸還可以繞過這一環節通過其他路徑達到最終效果。針對單靶點的神經保護藥物往往可以在動物實驗中減少梗死體積、改善神經功能,但在臨床研究中卻得不到有效結果[34]。這些現象提示我們可以考慮采用聯合治療的方式,從多方面下手共同抵抗腦缺血損傷。

由于谷氨酸受體阻斷劑的治療效果低于預期,可以考慮從谷氨酸作用的更早階段入手,比如谷氨酸的合成和釋放;或對谷氨酸受體下游的信號通路進行干預,如使用抗氧化劑阻斷氧化等。具體干預位點見圖8。已有研究發現,β-內酰胺拮抗劑(如頭孢曲松鈉)能夠通過刺激GLT-1的表達增加,從而增加谷氨酸的重攝取,降低腦缺血損傷,而不影響其他轉運體[13]。

谷氨酸用于治療性研究的現狀和未來策略 關于谷氨酸在腦缺血中的毒性作用及其機制已有大量研究,但仍不能滿足臨床需要。目前關于腦缺血的治療方式仍局限于抗凝劑、溶栓劑等,亟待開發新的有效安全的藥物。近期發現結合力改進后的新型谷氨酸受體拮抗劑具有滿意的神經保護作用,由此帶來了新的發展方向。

結語 在腦缺血過程中谷氨酸不是簡單的神經遞質,其在神經元死亡環節中也發揮一定的作用,其所引發的興奮性毒性是導致神經細胞死亡的重要原因之一。雖然在臨床腦缺血治療上針對谷氨酸的干預已有各種嘗試,但尚未獲得安全有效的治療方式,仍需進一步的探索。

[1] WANG Y,QIN ZH.Molecular and cellular mechanisms of excitotoxic neuronal death[J].Apoptosis,2010,15(11):1382-1402.

[2] COLE JT,PUTTFARCKEN P.Oxidative stress,glutamate,and neurodegenerative disorders[J].Science,1993,262(5134):689-695.

[3] LI L,YANG R,SUN KY,etal.Cerebroside-A provides potent neuroprotection after cerebral ischaemia through reducing glutamate release and Ca2+influx of NMDA receptors[J].IntJNeuropsychopharmacol,2012,15(4):497-507.

[4] ZOU J,WANG YX,DOU FF,etal.Glutamine synthetase down-regulation reduces astrocyte protection against glutamate excitotoxicity to neurons[J].NeurochemInt,2010,56(4):577-584.

[5] KOSTANDY BB.The role of glutamate in neuronal ischemic injury:the role of spark in fire[J].NeurolSci,2012,33(2):223-237.

[6] VANDENBERG RJ,RYAN RM.Mechanisms of glutamate transport[J].PhysiolRev, 2013,93(4):1621-1657.

[7] ZIMMER ER,TORREZ VR,KALININE E,etal.Long-term NMDAR antagonism correlates reduced astrocytic glutamate uptake with anxiety-like phenotype[J].FrontCellNeurosci, 2015,9:219.

[8] KIM K,LEE SG,KEGELMAN TP,etal.Role of excitatory amino acid transporter-2 (EAAT2) and glutamate in neurodegeneration:opportunities for developing novel therapeutics[J].JCellPhysiol,2011,226(10):2484-2493.

[9] VERMAe R,MISHRA V,SASMAL D,etal.Pharmacological evaluation of glutamate transporter 1 (GLT-1) mediated neuroprotection following cerebral ischemia/reperfusion injury[J].EurJPharmacol, 2010,638(1-3):65-71.

[10] HARVEY BK,AIRAVAARA M,HINZMAN J,etal.Targeted over-expression of glutamate transporter 1 (GLT-1) reduces ischemic brain injury in a rat model of stroke[J].PLoSOne, 2011,6(8):e22135.

[11] FIELDS RD.Nonsynaptic and nonvesicular ATP release from neurons and relevance to neuron-glia signaling[J].SeminCellDevBiol,2011,22(2):214-219.

[12] JOHNSTON MV.Excitotoxicity in neonatal hypoxia[J].MentRetardDevDisabilResRev,2001,7(4):229-234.

[13] KRZYZANOWSKA W,POMIERNY B,FILIP M,etal.Glutamate transporters in brain ischemia:to modulate or not?[J].ActaPharmacolSin,2014,35(4):444-462.

[14] PATERNITI I,CORDARO M,ESPOSITO E,etal.The antioxidative property of melatonin against brain ischemia[J].ExpertRevNeurother,2016,16(7):841-848.

[15] KETHEESWARANATHAN P,TURNER NA,SPARY EJ,etal.Changes in glutamate transporter expression in mouse forebrain areas following focal ischemia[J].BrainRes, 2011,1418:93-103.

[16] YEH TH,HWANG HM,CHEN JJ,etal.Glutamate transporter function of rat hippocampal astrocytes is impaired following the global ischemia[J].NeurobiolDis,2005,18(3):476-483.

[17] REGAN MC,ROMERO-HERNANDEZ A,FURUKAWA H.A structural biology perspective on NMDA receptor pharmacology and function[J].CurrOpinStructBiol, 2015,33:68-75.

[18] FLORES-SOTO ME,CHAPARRO-HUERTA V,ESCOTO-DELGADILLO M,etal.Structure and function of NMDA-type glutamate receptor subunits[J].Neurologia, 2012,27(5):301-310.

[19] JANE DE,LODGE D,COLLINGRIDGE GL.Kainate receptors:pharmacology,function and therapeutic potential [J].Neuropharmacology, 2009,56(1):90-113.

[20] KANG SG,DAS P,MCGRANE SJ,etal.Molecular recognition of metabotropic glutamate receptor type 1 (mGluR1):synergistic understanding with free energy perturbation and linear response modeling[J].JPhysChemB, 2014,118(24):6393-6404.

[21] SORIA FN,PEREZ-SAMARTIN A,MARTIN A,etal.Extrasynaptic glutamate release through cystine/glutamate antiporter contributes to ischemic damage[J].JClinInvest, 2014,124(8):3645-3655.

[22] CHOI DW,KOH JY,PETERS S.Pharmacology of glutamate neurotoxicity in cortical cell culture:attenuation by NMDA antagonists[J].JNeurosci,1988,8(1):185-196.

[23] BENVENISTE H,DREJER J,SCHOUSBOE A,etal.Elevation of the extracellular concentrations of glutamate and aspartate in rat hippocampus during transient cerebral ischemia monitored by intracerebral microdialysis[J].JNeurochem, 1984,43(5):1369-1374.

[24] VALLON M,CHANG J,ZHANG H,etal.Developmental and pathological angiogenesis in the central nervous system[J].CellMolLifeSci,2014,71(18):3489-3506.

[25] GERENCSER AA,MARK KA,HUBBARD AE,etal.Real-time visualization of cytoplasmic calpain activation and calcium deregulation in acute glutamate excitotoxicity[J].JNeurochem,2009,110(3):990-1004.

[26] NICHOLLS DG,JOHNSON-CADWELL L,VESCE S,etal.Bioenergetics of mitochondria in cultured neurons and their role in glutamate excitotoxicity[J].JNeurosciRes,2007,85(15):3206-3212.

[27] ZHAO L,LI S,WANG S,etal.The effect of mitochondrial calcium uniporter on mitochondrial fission in hippocampus cells ischemia/reperfusion injury[J].BiochemBiophysResCommun, 2015,461(3):537-542.

[28] EL-SAHAR AE,SAFAR MM,ZAKI HF,etal.Neuroprotective effects of pioglitazone against transient cerebral ischemic reperfusion injury in diabetic rats:modulation of antioxidant,anti-inflammatory,and anti-apoptotic biomarkers[J].PharmacolRep, 2015,67(5):901-906.

[29] MACHADO VM,MORTE MI,CARREIRA BP,etal.Involvement of calpains in adult neurogenesis:implications for stroke[J].FrontCellNeurosci, 2015,9:22.

[30] SHUTTLEWORTH CW,WEIAA JH.Zinc:new clues to diverse roles in brain ischemia[J].TrendsPharmacolSci, 2011,32(8):480-486.

[31] YIN YY,LI WP,GONG HL,etal.Protective effect of astragaloside on focal cerebral ischemia/reperfusion injury in rats[J].AmJChinMed, 2010,38(3):517-527.

[32] GEPDIREMEN A,HACIMUFTUOGLU A,BUYUKOKUROGLU ME,etal.Nitric oxide donor sodium nitroprusside induces neurotoxicity in cerebellar granular cell culture in rats by an independent mechanism from L-type or dantrolene-sensitive calcium channels[J].BiolPharmBull,2002,25(10):1295-1297.

[33] BLANCO M,LIZASOAIN I,SOBRINO T,etal.Ischemic preconditioning:a novel target for neuroprotective therapy[J].CerebrovascDis, 2006,21 (Suppl 2):38-47.

[34] LI C,MENG L,LI X,etal.Non-NMDAR neuronal Ca(2+)-permeable channels in delayed neuronal death and as potential therapeutic targets for ischemic brain damage[J].ExpertOpinTherTargets, 2015,19(7):879-892.

Research progress of glutamatergic pathway after cerebral ischemia and its regulatory mechanism

HU Jie-Xian, CHEN Xian-Hua△

(StateKeyLaboratoryofMedicalNeurobiology,InstituteofBrainResearch,FudanUniversity,Shanghai200032,China)

Although acting as an important excitatory neurotransmitter and play roles in physiological state of mammalian brain,glutamate also play key roles under several pathological conditions,including cerebral ischemia.The extracellular glutamate was accumulated under cerebral ischemia,which leads to overexcitation of neurons,causing the exitotoxicity and injury of neurons.The eccessive glutamate stimulates the glutamate NMDA receptors on neuronal membrane,leading to influx of Na+and Ca2+.The overload of intracellular Ca2+will lead to a variety of cell abnormalities including mitochondrial dysfunction,activation of proteases and nitric oxide synthase,accumulation of reactive oxygen species and furthermore,cell death.In addition,the elevated intracellular Na+will also induce cytotoxic edema and cell death.Therefore,comprehensive understanding of the regulatory mechanism of glutamatergic pathway may provide novel therapeutic target for reducing neuronal injury under cerebral ischemia.Recently,a variety of neuroprotective strategies have been explored which focus on blocking of glutamate-mediated excitotoxity,e.g.inhibiting of synthesis and release of glutamate,increasing of glutamate clearance,blocking of glutamate receptors,inhibiting of the elevation of intracellular Ca2+and so on.This review aims to make a general summary on the progress in regulatory mechanism of glutamatergic pathway and the intervention strategies after cerebral ischemia.

cerebral ischemia; glutamate; receptor; transporter; excitotoxicity;neuroprotection

國家自然科學基金 (31571037)

Q51

B

10.3969/j.issn.1672-8467.2016.06.0015

2016-01-18;編輯:段佳)

△Corresponding author E-mail:xhchen@fudan.edu.cn

*This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (31571037).