文摘
Ionotropic谷氨酸受体,如门冬氨酸,AMPA和kainate受体,离子通道ligand-gated,调节大脑的兴奋性神经传递。不仅这些谷氨酸受体结合,但他们也受,促进突触后微量金属锌的吸收。探讨excitotoxic涌入的作用和积累的锌,其细胞毒性机制负责,和许多疾病的中枢神经系统与这些神经元离子通道和锌毒性包括缺血性脑损伤、创伤性脑损伤和癫痫。
1。介绍
尽管显然是一个重要的微量元素锌,需要数以百计的酶和dna结合转录因子的作用,过量的锌一直参与过程导致细胞损伤。在中枢神经系统大量的锌可以进入突触后神经元通过各种离子通道包括谷氨酸受体和电压门控钙通道。本文将首先讨论细胞锌池出现的机制负责神经锌的积累,然后概述当前的假设关于过度利用锌离子通道和其他机制产生海马的神经毒性,杏仁核和皮质病理条件下。记住这些机制我们将讨论有关临床情况如创伤性脑损伤、缺血性损伤(中风),癫痫,过量的锌积累会导致神经退化。
2。神经毒性的锌:细胞来源和路线的条目
2.1。神经毒性的锌的来源
大多数锌在中枢神经系统(CNS)是紧密地绑定到zinc-dependent酶和其他蛋白质,大约10%是“免费”或“chelatable”锌不与蛋白质或氨基酸配体有关。在病理条件下,自由似乎锌锌的神经毒素积累参与神经元。在正常的神经元,自由锌主要局部glutamatergic神经元的突触前囊泡(1,2]。自由也被与GABA和甘氨酸锌含鼠神经元(3]。地区丰富的水泡免费锌包括海马苔藓纤维、杏仁核、嗅球。“Zincergic”神经元在大脑皮层也丰富(4]。
除了大量的水泡锌、有明确证据表明额外的细胞内的锌池可以解放形式自由的锌。最强的理由的存在nonvesicular池的自由来自一个报告显示,自由锌锌积累在动物缺乏疱疹发作后锌(5]。这项工作测量自由锌积累ZnT3-null小鼠海马神经元的突触囊泡注入锌缺乏能力。虽然这项工作没有明确确定的来源non-vesicular免费锌、令人惊讶的发现这些动物在受损的神经元表现出自由锌积累kainate-induced发作开始寻找替代的自由可能参与神经毒性的锌。随后,其他人已经确认了线粒体的锌池既能影响细胞内锌的数量以及为它(6]。现在也有证据表明,蛋白结合的锌可以动员在氧化条件下形成一个空闲锌池(7]。
2.2。路线的毒害神经的锌条目
神经元兴奋时,多孔锌释放到突触间隙。在正常情况下,锌的主要功能从突触囊泡的调制似乎ionotropic和突触后受体通过metabotropic zinc-specific变构结合位点。例如,锌抑制GABA一个受体,减少他们的抑制作用8,9]。锌对兴奋性谷氨酸受体的影响是复杂的。锌不仅可以起到抑制谷氨酸释放的神经调质(10),但它最初认为抑制NMDA谷氨酸受体的活动(9,11]。然而,有报道称,两相的和细胞特定类型锌调节NMDA和AMPA / kainate谷氨酸受体(12- - - - - -15]。此外,锌可以加强glycine-mediated电流(16和调节电压门控钙通道17)以及钾、钠和氯通道(18]。
然而,在病理情况下,多余的自由锌释放突触和其他免费锌池。过量锌洪水突触间隙,它利用各种受体和通道进入到突触后神经元。似乎至少有四种不同的路线的条目。首先,AMPA / kainate谷氨酸受体已经被确认为突触后神经元对锌进入的主要路线(19]。锌也利用NMDA谷氨酸受体来进入到神经元。这两种谷氨酸结合受体运输钙以及锌到突触后神经元。第三路线的毒性水平的锌是电压门控钙通道19- - - - - -21]。最后,过量的锌似乎输入神经元通过transporter-mediated交换与细胞内钠。而假定的Na的存在+/锌+ 2换热器被猜测,也可能从突触前神经元释放多余的锌时,它可以取代钙和进入到神经元通过Na+/ Ca+ 2交换蛋白(20.]。
3所示。锌的神经毒性机制
发作引起的中枢神经系统损伤、创伤或缺血可以导致锌的积累从水泡和non-vesicular锌池。而很明显,多余的锌,在这些和其他病理条件下检测到神经毒性,毒性的原因有相当多的争论。有三个主要假设目前正在探索,即过量锌:引起会引起,导致氧化应激,并会损害细胞能量的一代。事实上,接下来的几个部分将展示,为每个这些机制,有证据表明他们并不是相互排斥的,所有三个动作的锌可能协同作用导致神经元损伤和死亡。
3.1。会引起
过量的锌的涌入到神经元已被证明导致excitotoxic突触后神经元损伤。这是部分由锌对谷氨酸受体的作用和其他离子通道。例如,当大量的谷氨酸和锌释放从pre-synaptic神经元,这是一种急性锌块NMDA谷氨酸受体结合变构网站这些离子通道。然而,紧随其后的是一个Src差别急性对这些家庭kinase-mediated upregulation NMDA受体的活动似乎参与神经元损伤和细胞毒性12]。
3.2。氧化应激
过量的锌与氧化应激的产生了自由基和活性氧(ROS)导致神经元损伤和死亡。事实上,它最近被假设的组合与年龄相关的氧化和产生的锌积累可能协同作用促进体内神经损伤和神经退行性变的(22]。支持这一假说,治疗小鼠皮层神经元文化与未来μM锌24小时触发过程最终导致神经元,但不是胶质,死亡(23),是伴随着膜脂质过氧化作用。有趣的是,神经营养因子NT-3 NT-4/5和脑源性神经营养因子(BDNF)无法防止zinc-induced神经毒性,水溶性的维生素E, trolox,几乎完全阻止神经元死亡与过量的锌在这些文化23,24]。锌的毒性,由于锌直接用于神经文化kainate应用程序之后,也避免了添加谷胱甘肽(25]。在一起,这些数据表明,神经元的损害是自由基生成的结果。
应该注意的是,细胞凋亡的神经元死亡是伴随着古典特征包括internucleosomal DNA碎片,以及其他特征通常与坏死细胞内细胞器肿胀等有关(23,24]。虽然早期的作者报告表明,锌可能触发坏死,后续的研究表明,神经细胞凋亡是复杂的,经常不能被归类到严格细胞凋亡或坏死,但最好被描述为一个连续体,特征,包括那些经典与细胞凋亡和坏死(26]。
显然接下来的问题是如何过量的锌导致活性氧的生产。早期的证据表明锌的作用在神经调节蛋白激酶C (PKC) [27]。虽然这最初的报告与PKC的zinc-regulation氧化损伤,这是导致后续工作机制的说明负责PKC-dependent代ROS zinc-loaded神经元。即,似乎zinc-stimulated PKC提高NADPH氧化酶的表达。锌也促进NADPH氧化酶亚基的易位p47PHOX和p67PHOX神经元膜,他们参与活性氧的生成28]。Zinc-stimulated NADPH氧化酶也可能刺激激活保利(SDP-ribose)聚合酶(PARP),它可以触发凋亡过程(29日]。虽然这些可能不是很明显,唯一的机制负责zinc-loaded细胞中活性氧的生成,并阐明工作在锌氧化毒性的作用。
3.3。受损的能源生产
虽然早期的工作显示,摩尔浓度的锌能够显著抑制糖酵解酶glyceraldehyde-3-phosphate脱氢酶(GAPDH),我们目前的理解神经元糖酵解的锌的作用,过量的锌迅速降低了细胞水平nicotinamideadenine二核苷酸(NAD+)[30.- - - - - -32]。这减少NAD+不仅是负责GAPDH和随后的活动积累二羟丙酮磷酸果糖(DHAP)和1 6酮糖,但也会导致ATP水平和随后的神经元死亡的减少(30.]。减少NAD+会减少细胞ATP生产不仅因为它能抑制糖酵解酶的活动,还因为产生的抑制线粒体呼吸酶。事实上,一些研究报道在NAD减少+依赖酶alpha-ketoglutarate脱氢酶和异柠檬酸脱氢酶以及其他线粒体琥珀酸脱氢酶和酶顺乌头酸酶(33,34]。
其他机制导致zinc-induced线粒体功能障碍包括RAS / ERK / MAPK信号通路(35),ERK 1/2可能通过激活锌立即早期基因的诱导erg-1(36),以及MAPK信号导致线粒体超极化(35]。此外,线粒体贩卖,假设扮演一个角色在神经退化,是受过量锌、潜在的磷脂酰肌醇3-kinase-mediated机制(37]。锌不仅可以作为一个独立的线粒体功能的调制器,它似乎也协同作用与其他代理商如kainate诱导线粒体功能障碍和神经细胞死亡(38,39]。这似乎是促成的线粒体摄取锌,紧随其后的是proapoptotic线粒体蛋白质如细胞色素c的释放和凋亡诱导因素,如果[40]。
4所示。锌的毒性在神经系统疾病和紊乱
拟议的机制与锌的神经毒性已经涉及大量的神经退行性疾病包括amyolateral硬化、阿尔茨海默氏症和帕金森氏症。最强的链接,但是,过量的锌释放和吸收之间通过离子通道在缺血性脑损伤模型,观察创伤性脑损伤和神经系统疾病。
4.1。锌和缺血性脑损伤
虽然它的角色正在积极调查,锌失调已经涉及机制导致缺血性脑损伤后神经元损伤和死亡。Tønder等人首先提出的锌毒性作用与全球缺血神经元死亡。在这个早期的报告,成年老鼠受到全球脑缺血有免费减少锌与海马的苔藓纤维层和齿状的增加门的地区退化的神经元(41]。在瞬态前脑缺血中风的另一个模型,锌pre-synaptic终端和积累在突触后神经元。这种易位与海马的神经元的变性有关,大脑皮质、丘脑、纹状体和杏仁核。膜的颅内注射impermeant锌螯合剂Ca-EDTA缺血前是神经保护和显著降低神经元死亡42]。管理Ca-EDTA轻微的局部缺血前30分钟减少梗塞大小伤后3天。然而,减少梗塞时失去了老鼠安乐死14天后,即使Ca-EDTA是持续灌注(43]。
阿司匹林是一种抗炎药物常用的二级预防中风和预防NMDA-induced后和zinc-induced神经毒性。3 - 10毫米的应用阿司匹林皮质神经元暴露于300年μM锌为30分钟阻止神经元变性而不是氧化应激或细胞凋亡。结果表明,阿司匹林预防锌通过抑制电压门控钙通道进入神经元,这是一个主要的路线进入神经元(锌44]。
4.2。锌和创伤性脑损伤
还有一个免费的锌积累之间的关系和创伤性脑损伤后神经元变性。在一项研究中,成年老鼠和新生儿小狗得到了单边皮质刺伤的伤口。4周后受伤,成年老鼠,但不是新生儿幼崽,显示增加TSQ染色的免费锌在受伤的网站,表明自由锌的积累负责神经元死亡(45]。机械皮质创伤大鼠创伤性脑损伤模型导致损失的锌pre-synaptic突触后神经元伴随着囊泡和运动神经元死亡的门,齿状回、海马的CA1区域(46]。这是进一步证明,老鼠有轻度或中度创伤性脑损伤的流体冲击损伤表明,受伤神经元沾Fluoro-Jade在海马CA1、CA3及齿状回4小时和24小时后损伤包含高水平的自由新港绿锌锌检测的指标。这是一个重要的发现,因为它表明,增加免费锌脑损伤后神经毒素,导致海马神经元死亡47]。
额外的证据表明高水平的自由锌参与脑损伤后神经元变性来自实验证明注射的细胞外锌螯合剂Ca-EDTA在创伤性脑损伤提供了海马的神经保护作用,减少细胞死亡(46]。预处理前与Ca-EDTA TBI-induced模型流体冲击损伤减少凋亡细胞死亡以TUNEL标记同时移植神经保护基因的表达(48]。然而,老鼠是一个创伤性脑损伤和Ca-EDTA治疗没有改善学习和记忆性能的莫里斯水迷宫测试两周后创伤性脑损伤。虽然锌螯合提供了短期组织学的好处,它似乎并没有改善长期功能结果(49]。
有趣的是,最近的证据表明,锌的来源,积累在老鼠不仅仅是水泡和创伤性脑损伤后导致研究员问题一些之前的假设关于锌在脑损伤的作用。ZnT3-knockout水泡锌缺乏的小鼠显示增加受伤神经元和凋亡细胞相比,野生型小鼠(WT)控制24小时后受伤。水泡锌的化学阻塞后post-TBI ZnT3 KO和WT老鼠,ZnT3 KO小鼠损伤持平,而凋亡细胞的数量增加WT小鼠水平与ZnT3 KO小鼠。这个新的证据表明自由水泡锌创伤性脑损伤后可能会发挥神经保护作用[50]。显然需要更多的工作来了解锌的作用,谷氨酸受体,钙通道和创伤性脑损伤后其他机制。根据这些数据有趣的是,新政府的锌似乎对创伤性脑损伤后的结果有积极的影响。在一个临床试验,补锌改善神经评分后创伤性脑损伤(51]。最近在创伤性脑损伤的大鼠模型的工作表明,锌可以提供行为弹性创伤性脑损伤时损伤前4周,导致改善认知和减少抑郁和焦虑行为(52]。机制负责锌的健壮的效果在这个模型ZnT3目前正在调查。
4.3。锌和癫痫
锌失调和体内平衡被建议在癫痫的发展发挥作用。癫痫症小鼠模型,锌含量显著降低在海马体控制鼠标菌株相比53]。也有证据表明,锌从pre-synaptic把剑头到突触后神经元,可能导致神经元变性后发作(54]。
正如前面所讨论的那样,突触锌作为神经调质和突触后受体调节各种的活动包括门冬氨酸,伽马氨基丁酸一个,AMPA受体,然后确定神经元兴奋性(55]。由于它能够作为一种神经调质,锌被牵连为proconvulsant [56和抗惊厥的57]。支持proconvulsant理论的研究表明,癫痫发作被注射诱导硫酸锌的兔子(56]。它也表明,氯化锌增强kainate海马的神经毒性。有趣的是,CNQX NMDA拮抗剂,有助于防止神经损伤(58]。kindling-induced发作期间的刺激是申请一天两天,十倍和锌螯合剂diethildythiocarbmate (DEDTC)注射前每一个刺激,行为癫痫和放电持续时间减少(59]。
尽管这项工作,大多数数据支持的想法作为抗惊厥的锌。增加易感性kainate-induced观察癫痫发作在ZnT3 KO小鼠均缺乏水泡锌(55),在一个锌缺乏饮食的老鼠4周(60]。kainate治疗后,海马细胞外液锌缺乏小鼠水平的提高谷氨酸和GABA含量减少时,控制动物相比60]。此外,在小鼠模型的癫痫,癫痫易感性增加了缺锌和减少锌的补充(61年]。螯合物的抗惊厥的理论研究进一步支持膜渗透性和膜的锌螯合剂对癫痫活动影响甚微海马CA3区(62年]。
由于大多数研究表明,锌在癫痫发作具有抗惊厥的作用,重要的是要看的可能作用补锌剂治疗癫痫治疗。锌的政府直接进入海马齿状回的延迟行为在电刺激癫痫成人Wistar鼠(63年]。腹腔内注射与中等剂量的锌(3毫克/公斤)和抗癫痫药物丙戊酸单独或组合减少pilocarpine-induced发作的严重程度。相比之下,高剂量(60毫克/公斤)锌发作的严重程度加重强调锌的摄入量有关效应(64年]。
5。结论
神经元离子通道和受体和锌毒性似乎扮演一个角色在许多神经疾病和疾病。获得神经元通过这些受体和通道,过量的锌会导致excitoxicity,氧化应激,和神经能源生产的障碍,所有这些不仅损伤神经元,也导致神经元死亡。未来工作将需要开发策略阻止zinc-mediated损伤和预防糟糕的结果与中风、创伤性脑损伤、癫痫以及其他神经退行性疾病,可能对治疗旨在调节离子通道和锌。