急性肝衰竭的分子神经生物学

tonychant

上海第二医科大学附属仁济医院

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　上海市消化疾病研究所（200001）

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　陆伦根 曾民德


　　急性肝衰竭（acute liver failure，ALF）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，是ALF的主要死亡原因。从死于ALF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，提示其是一个主要的细胞毒机制。注射毒素或肝血流阻断所致ALF实验动物研究显示细胞浆肿胀和神经周及血管周星形细胞发生变化，在灰质区最为明显。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ALF脑病和脑水肿的发生。尽管目前尚无太多的证据显示在实验或人ALF中血脑屏障大量破坏，但有证据提示内皮细胞形态学和功能发生了改变，使得血脑屏障转运关键性中枢神经系统递质发生了损害。


　　一、暴发性肝衰竭的脑代谢

　　ALF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形蛋白基因表达的变化等。

　　1. 氨在肝切除术、肝血流阻断或毒性肝损伤所致的实验性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。

　　ALF中外周和脑氨浓度之间有不一致性。动脉血氨浓度很少超过0.5至0.7mM范围，相应的脑氨浓度有时可达5mM，这些结果支持ALF中脑与血氨浓度比率是8（正常人比率是1比2），以及可解释ALF中神经状态和外周氨浓度之间无明显的相关性。最合理的解释是ALF中氨浓度不成比例的增高是与脑摄取氨增加有关。近来有些研究也证实在ALF患者中，脑氨摄取增加。

　　因为脑不能表达鸟氨酸循环的几种酶，因此脑中清除氨几乎主要依靠谷氨酰胺合成。谷氨酰胺合成酶（GS）主要存在于星形细胞。结果星形细胞是脑中清除氨的主要细胞，脑脊液和脑组织中谷氨酰胺浓度的升高与实验性和人ALF中的结果相一致，也证实脑组织中氨浓度增高。脑组织中谷氨酰胺浓度的升高与ALF中肝性脑病和脑水肿有关。近来用1H/13C核磁共振光谱研究证实在实验性ALF尽管星形细胞合成谷氨酰胺增加，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氨酰胺水解减低所致。

　　在ALF患者、肝切除术、肝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。然而，脑谷氨酸的缺失是否反映代谢池的缺失或与刺激谷氨酸或γ-氨基丁酸（GABA）神经元活动性有关尚不清楚。这提示谷氨酸的降低可导致苹果酸－天冬氨酸穿梭功能失常。另一方面，星形细胞池谷氨酸的缺失可限制谷氨酰胺合成酶清除氨的能力。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ALF中并无明显的变化。


　　2. 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1H31P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ALF中有明显的改变。脑乳酸浓度在实验性ALF模型以及ALF患者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ALF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ALF中脑电图分析与脑乳酸的增加有密切关系。用1H/13C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α-酮戊二酸脱氢酶且同时刺激糖解酶磷酸果糖激酶。


　　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。


　　1. 星形细胞结构蛋白

　　神经胶质纤维酸性蛋白（GFAP）是一种脑浆内丝蛋白，构成了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GFAP mRNA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ALF的脑水肿发病机制有关联。有报道暴露于毫摩尔氨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－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S100β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，而引起细胞体积调节的丧失，导致脑水肿的发生。


　　2. 星形细胞转运体

　　神经元周围的星形细胞主要功能与脑细胞外环境的维持有关。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ALF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（EAAT-2）是一种谷氨酸转运体，位于哺乳动物前脑的星形细胞上。EAAT-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，所有这些症状是ALF的特征。由小鼠肝血管阻断所致的实验性ALF可导致EAAT-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－甘氨酸细胞外浓度受高亲和性甘氨酸转运体-1（GLYT-1）调节，GLYT-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GLYT-1在调节甘氨酸浓度中发挥重要的作用，在此处，甘氨酸作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-1mRNA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-羟色胺和去甲肾上腺素转运体部位密度降低。然而，与EAAT-2和GLYT-1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（GAT-2）的表达与ALF无关。

　　糖转运体GLUT-1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ALF，GLUT-1mRNA和蛋白的表达增加与脑乳酸合成增加和脑水肿发展相平行。神经元葡萄糖转运体（GLUT-3）表达在ALF中无改变。GLUT-1表达的增加是一个部分代偿机制，可导致ALF脑组织中糖酵解和乳酸合成的增加。GLUT-1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（aquaporin）Ⅳ的基因表达发生改变。


　　3. 外周型（星型细胞）苯二氮草受体

　　在脑中外周型苯二氮草受体（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ALF，PTBR mRNA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，有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。


　　4. 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，又是一个渗透效应物质。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脑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ALF脑水肿有关系并未被广泛的研究。用光谱技术研究ALF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。


　　三、治疗的方向

　　尽管在ALF氨血症与氨浓度增高相一致，但在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ALF研究显示服用L-鸟氨酸-L-天冬氨酸（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ALF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。


　　1. 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。


　　2. 神经药理学

　　有证据提示中枢性（GABA相关的）苯二氮卓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服用苯二氮卓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ALF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memantine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拮抗剂等可为治疗ALF中枢神经系统并发症提供新的途径。




参考文献

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2. Albrecht J. Glucose-derived osmolytes and energy impairment in brain edema accompanying liver failure: the role of glutamine reevaluated. Gastroenterology 2003;125:976-8.

3. Chatauret N, Zwingmann C, Rose C, et al. Effects of hypothermia on brain glucose metabolism in acute liver failure: a H/C-nuclear magnetic resonance study. Gastroenterology 2003;125:815-24.

jackwen

谢谢