文摘
能源生产维护大脑功能的失败与缺血的发病迅速,重新制定和及时的再灌注。生物能量学的关键细胞器,线粒体,强烈受到一连串的事件发生在缺血和再灌注。增强活性氧的生产,破坏的钙稳态,和再灌注引起的炎症反应是在可逆细胞生物能疗法产生深远影响。摄动影响的生物能学在细胞内稳态/函数缺血期间及之后进行了讨论。因为线粒体功能可以在不止一个被紊乱的敏感网站细胞器,我们建议联合治疗是恢复和维护所需的再灌注后细胞生物能疗法。
术语表
- 术语表
- 三磷酸腺苷=
- 三磷酸腺苷;
- 潮湿的=
- 危险分子模式;
- MPTP=
- 线粒体通透性转换孔;
- ROS=
- 活性氧;
- 圣=
- Stroke-Acute缺血性NXY治疗;
- 小子=
- 二次能源失败;
- 楼梯=
- 中风治疗学术工业圆桌会议;
- TNFα=
- 肿瘤坏死factor-α。
中风是一种复杂和动态的大脑疾病第四死亡率,残疾人在美国排名第一。大脑有某些独特的生理属性,这些属性使它对血液流动的损失极其敏感。一般来说,大脑的能源需求很高,需要持续供应氧气和其主要基质,葡萄糖,主要来自血液。阻碍血液流向大脑之间的微妙的平衡破坏细胞所需能量生成的葡萄糖氧化和能量过程,导致快速损失函数和细胞内稳态。
大脑的不平衡引起的生物能学血液流动的损失已被证明导致细胞梗死的大脑细胞,包括神经元、星形胶质细胞、内皮细胞、少突胶质细胞,这些细胞的亚种群。相反,明显的细胞环境造成缺血引发大量回流的反应在重建。越来越明显的是,许多事件中心的神经血管单元,微血管的功能复合,星形胶质细胞、神经元,轴突,和其他周围的周支持细胞小胶质细胞和少突胶质细胞等。虽然很多reflow-induced事件可能是病理及其预防潜在有益的,这是我们的论点,细胞的状态的主要决定因素是生物能学的许多病理生理的后遗症表现在神经血管单元,因此基本组织的结果,可逆的局灶性缺血。
在过去的50年里,基础科学研究首次证实亏损的血液流向大脑导致快速细胞生物能疗法的失败,紧随其后的是一个不断增加的细胞扰动的列表。一个示意图所示的ischemia-induced事件图1。快速能量损耗非常低的能源储备在反映了大脑,代谢率高,几乎完全依赖能源生产的葡萄糖氧化。缺血级联缺血期间启动。缺血耗尽三磷酸腺苷(ATP)在几分钟内,导致大量的能量依赖性细胞过程的失败的关键细胞内稳态和大脑功能。1,- - - - - -,3顺便说一句,大多数细胞内的生理过程都直接或间接影响的损失能量。减少能源储备的直接后果是膜电化学梯度的扰动,导致去极化。大量涌入的钠,钙,钾和氯离子进入细胞内空间和流出增加细胞内的水和细胞毒性脑水肿。4去极化增加细胞内钙、激活转录因子、磷脂酶、内切酶,蛋白酶和导致的细胞内信号受损细胞功能和结构完整性的损失。5去极化也引发过多的谷氨酸的释放,从而导致增加激活谷氨酸受体和额外的大量钙,强调细胞损伤。6缺血性事件的级联破坏细胞内稳态,如果没有逆转,它会导致组织坏死。如果及时开始回流,然而,组织恢复。早期再灌注溶栓是唯一的美国食品和药物管理局批准了治疗缺血性中风。7,8缺血期间的主要决定因素的大小病理生理的反应,和时间的缺血性事件讨论结果后中风时在怎么强调都不为过。
恢复血液流向大脑引起多种细胞和生理事件,最初的预期,再灌注是逆转ischemia-induced破坏的细胞环境重建功能;然而,这显然并非如此。实验证据表明,再灌注触发一系列独一无二的,潜在的病理事件包括,例如,增加前列腺素合成,提升生产的第二信使,炎症,和线粒体功能障碍,所表示的升高活性氧(ROS)和线粒体渗透性转换孔开放注射(MPTP药物)。9,- - - - - -,13这是我们的论点,如果大脑的生物能学不规范化,组织会死,整流其他潜在致病事件将是没有价值的。尽管在缺血细胞内稳态的崩溃,大脑有能力重建能量代谢,然后抵消ischemia-induced事件,导致恢复功能如果再灌注发生在特定的时间限制。在这种情况下,这是一个挑战,以确定哪些回流事件无关的生物能学病理,比那些仅仅是假象。
中央事件不可逆转的线粒体损伤的演变似乎注射的形成MPTP药物。14注射的MPTP药物,当开放,成为离子渗透和大分子(< 1500 Kd),破坏线粒体电化学梯度驱动氧化磷酸化和ATP合成所必需的。10注射虽然MPTP药物存在于正常的大脑和微妙的可逆的开口孔隙的探测即使在再灌注的早期阶段,有证据表明,大规模的毛孔打开是最后的不可逆的脑损伤的演化。15从文学,有证据表明,线粒体功能障碍与自由基的形成有关,钙超载,在回流和炎症,这可能导致大规模注射的MPTP药物。11这些将在下面讨论,共同在这些因素可能产生神经保护干预。通常被忽视的一个因素是,部分恢复的生物能学组织是暂时性的明显再灌注后,如果出现能量代谢损伤存在,二次能源衰竭(海基会)是体现和细胞死亡。
存在的证据reflow-induced海基会可逆缺血的来自两个不同的模型。第一项研究来自全球缺血模型的延迟在沙鼠神经元死亡。16短期(5分钟)的全球缺血导致ATP和广义P-creatine,随时补充和再灌注。(比如某些脆弱的细胞。,hippocampal CA1 pyramidal neurons) survived, with normal energy reserves for several days after the insult, and then between days 2 and 4 of reflow, levels of high-energy phosphates significantly dropped, concomitant with death of the CA1 pyramidal neurons. The data support the relationship between delayed energy depletion and neuronal death during reperfusion.16感兴趣的,有证据表明选择性延迟神经元死亡的现象在人类心脏骤停和复苏。17
在第二个模型中,推迟二次损失生物能疗法(即。,小子) and cell death have been demonstrated in a focal model of reversible ischemia. The middle cerebral artery in the rat was transiently occluded for 2 hours, and energy stores of the ischemic core and surrounding region (i.e., penumbra) were variably depleted.18,19再灌注后,大脑皮层的ATP浓度是暂时性的恢复,只有失败几小时后(图2)。相比之下,葡萄糖水平居高不下,ATP水平下降,表明ATP效应与基质的变化可用性无关。这些发现证实了几个实验室,也发现,变化的幅度更加明显在缺血性核心比半影。18,19值得注意的是,有一个完整的恢复血流的缺血模型,表明剥夺的葡萄糖和氧的决定性原因不太可能二次能源消耗和细胞死亡。
这些数据代表了百分比的侧大脑皮层。线粒体呼吸功能被氧化磷酸化表示,评估测量耗氧量的线粒体的烟酰胺腺嘌呤dinucleotide-linked或黄素腺嘌呤dinucleotide-linked基质。氧化率(状态3:二磷酸腺苷(ADP)刺激;国家4:静息状态,ADP-limited)计算和表达为nanoatom氧/分钟/毫克的蛋白质。呼吸控制比(RCR)是由状态方程,RCR = 3活动/状态4的活动。数据来自欲望et al。(2002),19黑田et al。(1996),22和Nakai et al。(1997)。23
从实验结果缺血和再灌注事件,我们当前的局部缺血的病理生理学的知识可以概括如下。首先,停止线粒体呼吸和乳酸酸中毒没有回流导致细胞坏死。第二,缺血质数某些线粒体组件,使线粒体更容易受到各种reflow-induced致病事件就是明证增加自由基的形成和calcium-induced解偶联氧化磷酸化。第三,独特的回流期间不良反应开始依赖资源,因为他们只出现再灌注期间如果线粒体是瞬变活跃。因此,能源生产由线粒体似乎细胞损伤演化的先决条件,允许某些致病事件如细胞凋亡发生。随后,线粒体失败,由注射的MPTP药物,导致细胞死亡。
迭代,大脑功能是绝对依赖于细胞内稳态,需要持续的能源供应,但这只能维持短暂缺血期间ATP供应主要由厌氧糖酵解。因为延迟神经元死亡和海基会的证据表明进化的能源的可用性是至关重要的细胞死亡,脑损伤的细胞器中央似乎线粒体。这有点矛盾的发现表明,细胞的命运,无论生存还是死亡,是依赖于能源的。因此,似乎其他reflow-induced因素,像ROS生产和炎症,参与最终的组织缺血后的结果。
活性氧
生产过剩的活性氧对细胞内的回流是证据确凿的,无处不在。在生理条件下,mitochondria-generated超氧阴离子(O2−)、过氧化氢(H2O2)和氢氧自由基(哦−)扮演重要角色在调节这些路径积分信号和新陈代谢。20.这些活性氧通常通过内源性清除系统灭活。然而,过多的活性氧产量可以压倒自由基清除系统,可能是受到缺血。扰动在呼吸链的各种组件回流一直归因于内源性活性氧。线粒体活性氧的主要来源生产是复杂的电子传递链,我和III和线粒体的氧化损伤相对广泛。21实验结果在改变状态3和4的呼吸和呼吸控制指数表明标准化电子传递系统的回流和二次短暂脑缺血后线粒体功能障碍(图2)。22,23这些参数也减少海基会前一次。尽管这些事件之间的因果关系尚未建立,似是而非,ROS在回流过程中减少了电子传递链的活动,导致ATP下降。其他主要目标ROS的脂质。这些大分子过氧化作用促进关键代谢失活酶调节葡萄糖代谢,α-ketoglutarate脱氢酶、丙酮酸脱氢酶等。24降低线粒体呼吸功能在老鼠大脑进一步证实了全球缺血再灌注期间焦和模型,22,23,25,26并根据不同地区的影响的程度。27一般来说,随着线粒体功能失调,增加自由基的形式,增加细胞死亡的可能性。
许多上述自由基也由胞质反应,包括cyclo-oxygenase lipo-oxygenase和黄嘌呤氧化酶。28另一个高活性自由基是过氧硝酸盐,这是一个产品没有和超氧化物阴离子,能够nitrosylating特定功能的蛋白质。一般来说,氧化蛋白质,脂类和核酸通过活性氧可以明显破坏细胞内稳态。
钙超载
细胞内钙的浓度通常是高度管制通过钙通道和精致的活跃的隔离系统的控制权,包括内质网和线粒体。29日钙是一个最有趣的阳离子在大脑中,这是不足为奇的多功能分子已经涉及到注射的MPTP药物和细胞死亡。缺血引起的电离钙的涌入已表现出广泛的事件,从脂解作用,蛋白水解作用,和DNA碎片在轴突运输障碍,水肿,血管功能障碍。30.离子钙也绑定到特定的细胞内分子,磷酸根的一个更值得注意的是,巧合的是ATP水解的产物。理解钙的作用已经受到总组织浓度约1毫米,而免费休息胞质钙浓度的110000。钙在缺血性脑损伤的一个报告显示0.6毫米增加细胞内钙与进化中风损伤,31日但这样的自由钙的增加似乎不太可能。此外,看来,任何刺激释放钙从一个大池绑定或隔离的钙能显著影响细胞溶质的许多calcium-dependent事件。然而,钙超载被牵连是注射的MPTP药物的另一个传说中的信号。29日延迟神经元死亡和二次能源故障模型,组织ATP含量保持能量衰竭之前,细胞损伤的表现。因为出现回流到能源消耗的时间从几小时到几天不等这两个动物模型,钙超载和能源故障之间的联系显得模糊。这是有可能的,然而,一个国家可能达到的水平的钙超能力把这个从胞质阳离子。在这种情况下,有可能是能源消耗来支持钙封存将超过能源生产的速度,一个条件有利于能源消耗。
炎症
脑缺血发起进一步推动线粒体损伤的炎症反应。这种反应与再灌注发生更早和更健壮。32血管闭塞的炎症反应是立即启动容器内,导致激活补体,血小板和内皮。33顺序的表达粘附分子,包括selectins、细胞间粘附分子,和血管细胞粘附分子,后来导致中性粒细胞和单核细胞粘附内皮墙。34,35在血管内,激活白细胞导致血管闭塞直接或通过释放促炎细胞因子、蛋白酶,ROS,损伤内皮表面,导致血栓形成、血管痉挛、缺血恶化。33炎症介质导致血脑屏障的破坏,进一步促进白细胞的渗透进入大脑。9
在脑实质内,居民组织巨噬细胞的激活小胶质细胞被激活后,几分钟后缺血性发作的。缺氧造成去极化,细胞外ATP和尿苷三磷酸腺苷水平上升。这些分子作为早期的危险信号,刺激小胶质细胞的激活。小胶质细胞进一步激活大脑中的细胞开始死亡。损失和信息交互,包括表面蛋白CD200和CX3CL1对神经元及其小胶质细胞上的受体结合,进一步促进小胶质激活。36,37从死细胞释放多种分子信号,所谓的危险分子模式分子(抑制),激活模式识别受体包括toll样受体表达的小胶质细胞。抑制进一步导致炎症反应中风诱导炎性浸润白细胞中基因表达和启动树突状细胞抗原表达。33免疫反应的重要性,也强调了中风的众多抗炎干预限制损伤动物模型。34
免疫系统之间的相互作用和线粒体研究在其他神经退行性疾病,包括阿尔茨海默病、帕金森病、多发性硬化症。38,39ROS生成的小胶质细胞可以在mtDNA引起突变,损伤呼吸链的酶,这可能会导致功能障碍在氧化磷酸化和ROS增加生产。39细胞因子也直接损害线粒体。例如,肿瘤坏死factor-α(TNFα)和interferon-γ增加诱导一氧化氮合酶表达和引起升高一氧化氮产量老鼠少突胶质细胞的主要文化。33TNFα也可以触发会引起。33早期炎症反应的时机刚好与生物能量学的二次故障的功能。然而,进一步的研究需要更详细的线粒体失败相关的炎症反应在脑缺血/再灌注。
临床意义
我们总结了三个关键元素reperfusion-related损伤级联,直接或间接导致线粒体功能障碍和衰竭细胞生物能疗法。这些过程发生在平行,肯定会引起线粒体失败。为了克服挑战,寻找有效的神经保护治疗,看来结合剂抑制许多有害的过程应该是一个合乎逻辑的下一步。
说明复杂的细胞模式的变化在实验性缺血导致普遍乐观,新颖有效的治疗干预措施迫在眉睫。神经保护的成功翻译在动物实验到临床实践,然而,仍然难以捉摸。超过80的神经保护药物在临床试验中测试过,但没有一个是有效的。中风治疗学术工业圆桌会议(楼梯)标准作为指导方针旨在使中风临床前动物更多的反映人类工作。这些指导方针建议生理监测在手术过程中,临床相关的时间窗口,定义最小有效和有毒药物的水平,和结果的措施,其中包括功能分析类似人类研究中使用。40Stroke-Acute缺血性NXY治疗(圣)试验,测试了自由基清除剂,据报道满足他们,当圣我试验阳性结果,乐观情绪再次飙升。然而,NXY 059有几个缺点,包括血脑屏障通透性差,nonphysiologic氧化潜力,和低效力。41这或许可以解释为什么一个代理靶向线粒体产生的ROS未能保护大脑的第二大圣人审判。许多后续的研究分析了临床前研究导致圣试验和显示多种方式楼梯标准并不满足。42,- - - - - -,44此外,结果测量试验中使用了转变兰金量表得分与传统的改进2分或更少。这可能允许一个更健壮的临床效果显著改善圣我审判。鉴于圣人的方法学缺陷试验,其结果不应该被视为证据表明针对ROS不是一个潜在的治疗脑缺血。楼梯的标准已经更新,包括消除偏见在临床实验中,雄性和雌性动物的使用以及年龄或患病的动物模型,这可能更像是中风患者,生物标志物。45希望遵守这些建议将导致有效的神经保护治疗的发展;然而,我们必须记住,楼梯标准不验证,不能直到神经保护代理实现楼梯标准在临床试验证明有效。更简单,楼梯标准仍然是一个假说已经测试,但还没有被证明。
虽然翻译问题尚未解决,干预旨在维持线粒体的完整性和优化功能,虽然很难设计,可能会带来一些希望。代理减弱钙过剩的有害的侮辱和线粒体ROS应该被测试。稳定的钙稳态可能由锂盐治疗的一部分,46镁,47和钙通道阻滞剂如nimodipine。48,49尽管这些代理可能是也可能不是有效时,他们可能会结合自由基拾荒者50,51白藜芦醇等52,53tempol,54和药物不良反应。55另一种方法是把代理抑制线粒体损伤和那些支持线粒体功能。所有应该考虑改善线粒体功能的程序,包括体温过低,使用辅酶Q,并使用替代基质。56,57此外,一些药物如免疫抑制剂环孢霉素行动的双重机制,注射作为MPTP药物抑制剂和抗炎剂。58过氧物酶体proliferator-activated受体受体激动剂被发现有抗炎和抗氧化行为。这些药物抑制脑缺血的炎症反应,包括减少促炎细胞因子的表达和系统性炎症细胞的大量涌入和增加自由基拾荒者的表达。59,60代理在多个站点,线粒体细胞器减少功能障碍更可能是有效的,因为如果线粒体损伤的一个途径是有针对性的,受伤的其他途径将保持敏感。联合治疗可以延长时间治疗窗口。61年
在动物实验中,结合药物治疗有针对性的减少氧化应激和线粒体功能异常显示增强的卒中后神经保护,减少梗塞体积,改善功能行为的结果。62年,- - - - - -,66年应该强调,我们提出的策略是在没有办法创建一个鸡尾酒所有列出的代理人,而是设计一个治疗2代理,每个代理显示了一些迹象的功效,但效果并不显著。线粒体与2代理代理在不同网站,很可能神经保护的程度可能成为添加剂甚至协同。虽然这种方法不是没有药物的问题,它可能是无处不在的答案产生缺血病理。
线粒体的作用的证据ischemia-induced进化的细胞损伤/死亡是令人信服的。似乎不太可能抑制一个mitochondria-related病理过程就会逆转细胞损伤或死亡的进化。因此,神经保护治疗转化为临床实践的失败可能是由于这样的事实,大多数的方法都集中在阻塞缺血级联的一个方面,提出多方面的方法可以更有效地防止二次侮辱对线粒体。证据表明,有效的神经保护治疗最终会发展更多的关注上的多个病理通路,导致线粒体功能障碍和细胞死亡。
作者的贡献
许博士,博士Pundik Sundarajan博士:文献综述,手稿准备,图设计。
信息披露
Pundik博士作为董事会成员的一篇社论大脑代谢疾病并由退伍军人事务部的统计,职业发展奖2 (PI)和绩效评审奖(π)。许博士接收来自国家卫生研究院的基金研究支持R01 NS 38632和1 R01 HL 092933 - 01 - a1。Sundararajan博士已经收到了美国国立卫生研究院资助/研究所一下R21。去首页Neurology.org为充分披露。
- 收到了2012年1月16日。
- 接受2012年6月26日。
- 版权©2012年长企业公司,。
引用
- 1。↵
- 2。↵
- 3所示。↵
- 4所示。↵
- 5。↵
- 6。↵
- 7所示。↵
- 8。↵
- 9。↵
- 10。↵
- 11。↵
- 12。↵
- 13。↵
- 14。↵
- 15。↵
- 16。↵
- 17所示。↵
- 18岁。↵
- 19所示。↵
- 20.↵
- 21。↵
- 22。↵
- 23。↵
- 24。↵
- 25。↵
- 26岁。↵
- 27。↵
- 28。↵
- 29。↵
- 30.↵
- 31日。↵
- 32。↵
- 33。↵
- 34。↵
- 35。↵
- 36。↵
- 37岁。↵
- 38。↵
- 39岁。↵
- 40。↵
- 41岁。↵
- 42。↵
- 43。↵
- 44岁。↵
- 45岁。↵
- 46岁。↵
- 47岁。↵
- 48。↵
- 49。↵
- 50。↵
- 51。↵
- 52岁。↵
- 53岁。↵
- 54。↵
- 55。↵
- 56。↵
- 57。↵
- 58岁。↵
- 59。↵
- 60。↵
- 61年。↵
- 62年。↵
- 63年。↵
- 64年。↵
- 65年。↵
- 66年。↵
