作者：颜娟 郑茂东
【摘要】左卡尼汀是存在于机体组织内的一种特殊氨基酸。研究表明，左卡尼汀在脑损伤中具有很好的神经保护作用，其机制可能包括：改善脑组织能量代谢、抗氧化应激、抑制炎症反应、减轻血脑屏障损伤、抑制神经细胞凋亡等。左卡尼汀具有良好的临床应用前景，该文对左卡尼汀近年来神经保护作用研究进展作一综述。
【关键词】左卡尼汀；氧化应激；炎症介质；细胞凋亡
【中图分类号】R964
【文献标识码】A
文章编号：2095-1396（）01-0045-006
左卡尼汀（L-carnitine），又名左旋肉碱，化学名为L-3-羟-4-三甲氨基丁酸，为存在于机体组织内的一种特殊氨基酸，是长链脂肪酸进入线粒体进行β氧化的必需物质，约75％的左卡尼汀来自食物，其余25％由人体自身合成，其生物学功能为转运长链脂肪酰辅酶A穿透线粒体内膜进入基质内通过β氧化进入三羧酸循环，产生能量。左卡尼汀广泛应用于心血管疾病、肾脏疾病、肝脏疾病、糖尿病、精子活力缺乏症等。近年来，动物模型和体内实验研究发现左卡尼汀在脑损伤方面具有保护作用，国外已将左卡尼汀应用于神经系统变性疾病的治疗中，并取得明显疗效，为其今后基础研究及临床应用提供依据，本文就左卡尼汀脑保护方面的作用机制进行系统综述。
1 改善脑组织能量代谢
能量耗竭作为脑缺血性神经细胞损伤的初始因素，脑缺血再灌注后脑组织内氧供应减少，抑制有氧氧化反应，随之生成的三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）减少，因脑组织自身氧缺少储备，引起ATP含量下降，其分解产物磷酸腺苷（adenosine monophosphate，AMP）、二磷酸腺苷（adenosine diphosphate，ADP）增加，随后AMP，ADP相继分解，最终导致ATPase功能丧失［1］；进而Na+-K+-ATPase离子泵因能量缺乏而受到抑制，Ca2+-Mg2+-ATPase和Na+-K+-ATPase活性降低，细胞内Ca2+和Na+超载［2］。因细胞内Na+增多，促使渗透压升高，导致再灌注损伤早期脑细胞内水肿和神经细胞坏死。细胞内Na+-Ca2+交换增多，细胞内Ca2+超载进一步加重［3］，自由基产生增多，进而破坏细胞膜结构，增加细胞膜通透性，细胞内外环境平衡失调，神经细胞最终死亡［4］。
韩征宇等［5］采用线栓法制备大鼠局灶性脑缺血再灌注损伤模型，研究左卡尼汀对大鼠脑组织ATPase活性作用发现，左卡尼汀100、200mg·kg-1剂量组均能增强大鼠缺血再灌注损伤脑组织ATPase的活性。ATPase活性被评价为神经细胞质膜功能状态的标记，其活性已成为间接反映细胞能量代谢情况及脑缺血损伤程度评价的一项重要指标。左卡尼汀可通过增强脑缺血再灌注损伤后糖的代谢，加速ATP能量的生成，尽快恢复缺血区能量供给，抑制链式神经细胞损伤反应，实现神经细胞保护作用。Ca2+-Mg2+-ATPase活性升高可纠正Ca2+超载，Na+-K+-ATP ase活性升高可纠正细胞内酸中毒，左卡尼汀通过增加脑缺血再灌注后Ca2+-Mg2+-ATPase和Na+-K+-ATP ase的活性，维持钙泵、钠泵的稳定，使细胞内外Ca2+、Na+平衡，从而稳定神经细胞膜电位，起到神经细胞保护作用。
2 抗氧化应激
氧化应激是机体内氧化和抗氧化功能紊乱引起的细胞损伤，其主要原因为活性氮（reactive nitrogenspecies，RNS）和活性氧（reactive oxygen species，ROS）等自由基生成增多。ROS作为第二信号分子改变蛋白或基因的表达，维持机体细胞正常的生理功能，但也可以氧化细胞内组分，导致细胞损伤和疾病的产生［6］。脑组织中含有丰富的脂质可与ROS反应生成过氧化氢自由基，引起细胞膜脂质过氧化。因此，中枢神经系统易感于氧化应激损伤［7］。脑缺血缺氧引起能量代谢障碍和细胞内钙超载，线粒体内钙离子升高，自由基生成增多，清除能力下降，导致ROS堆积［8］。此外，毛细血管内皮细胞内的钙离子大量进入会激活相应的蛋白激酶，进而促进黄嘌呤脱氢酶转化为黄嘌呤氧化酶。黄嘌呤氧化酶在催化次黄嘌呤生成黄嘌呤以及进一步催化黄嘌呤生成尿酸的两步反应过程中都可以产生大量O2-和H2O2［9］。一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，NOS）分为内皮型NOS、神经元型NOS和诱导型NOS［10］。神经元型NOS和内皮型NOS生成一氧化氮（nitric oxide，NO）的过程受细胞内钙离子水平调控，诱导型NOS生成NO以细胞因子NF-κB依赖的方式上调。脑缺血时，内皮型NOS产生的NO能促进血管舒张，改善血流量，并抑制微血管聚集和黏附，具有保护性作用，但诱导型NOS和神经元型NOS产生的NO增加内皮细胞与白细胞的黏附，损伤内皮细胞，进而引发脑损伤［11］。
文献［12］采用健康雄性Wistar大鼠40只，随机分为假手术组、生理盐水对照组、左卡尼汀100、200mg·kg-1治疗组，采用线栓法制备大脑中动脉缺血再灌注模型，缺血2h，再灌注24h，观察左卡尼汀对脑组织丙二醛（malonaldehyde，MDA）、超氧化物歧化酶（superoxidedismutase，SOD）含量的影响，实验结果显示，左卡尼汀在大脑中动脉缺血再灌注模型中，缺血2h，再灌注24h可明显减少MDA的含量，升高SOD活性。陈达等［13］采用心肺复苏大鼠模型，观察左卡尼汀对大鼠在心肺复苏后脑组织MDA、SOD含量变化发现，心肺复苏后，SOD的活力明显下降，脂质过氧化物MDA增多，这说明氧自由基大量增多，加剧了神经细胞的损伤。使用左卡尼汀干预后，SOD的活力上升，MDA减少，这与其自由基清除剂的功能相吻合［14］。通过清除自由基、抗氧化，左卡尼汀对脑细胞氧自由基损伤起到了积极的干预作用。在临床上，左卡尼汀可以明显改善急性脑梗死患者的神经功能缺损评分，降低急性脑梗死患者血清中NO、MDA的量，提高SOD活性，起到对缺血脑组织的保护作用［15］。其机制可能与其减少氧自由基生成，抑制脂质过氧化反应，减轻自由基介导的毒性损害有关。文献报道，过氧化物酶体增殖物激活受体-α（peroxisome proliferator-activatedreceptor-α，PPAR-α）可能是左卡尼汀作用下游的关键分子，PPAR-α可以增加SOD和过氧化氢酶（catalase，CAT）的表达，而PPAR-α的抑制剂也可以阻断左卡尼汀的作用效果［16］。因此，左卡尼汀对脑缺血再灌注损伤有保护作用，可能作用于PPAR-α，进而提高脑组织中抗氧化酶活性、抑制氧自由基产生及脂质过氧化反应有关。
3 抑制炎症反应，减轻血脑屏障损伤
金属基质蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）是一组锌钙依赖性蛋白水解酶，具有降解多种细胞外基质成分功能［17］，明胶酶（matrixmetalloproteinase-9，MMP-9）是MMPs家族中的重要成员，在炎症、血管生成中发挥着重要的作用［18］。MMP-9含有高度的糖基化作用V型胶原蛋白结构域，可影响底物的特异性和抗衰变的作用。MMP-9在人体内是以无活性的酶原和有活性的酶两种形式存在，主要作用于明胶、弹性蛋白、Ⅳ、V型胶原等［19］。血脑屏障由毛细血管内皮及其细胞间的周细胞、基膜以及神经胶质膜组成，能够阻止有害物质进入脑组织，保护神经细胞的微环境，而MMP-9可降解大量的细胞外基质破坏血脑屏障。当血脑屏障完整性损伤时，液体和炎性细胞从血管侵入，引起出血、血管源性水肿甚至神经细胞的死亡［20］。大量文献报道脑缺血动物模型和临床卒中患者的脑损伤中MMP-9异常高表达［21］。此外，研究发现MMP-9基因敲除或给予MMP-9组织抑制剂、MMP的中和抗体及合成MMP阻断剂治疗均可保护血脑屏障，减轻脑缺血后的血管源性脑水肿，减小梗死体积［22-23］。
杨陆［24］采用80只SD雄性大鼠随机分为假手术组、模型对照组、乳清酸左卡尼汀低剂量组（100mg·kg-1·d-1）、中剂量组（200mg·kg-1·d-1）、高剂量组（500mg·kg-1·d-1）。线栓法制作大鼠脑缺血再灌注模型，用干湿重法测定缺血脑组织含水量；经尾静脉注射伊文思蓝观察血脑屏障的通透性；电镜观察血脑屏障的变化；Western杂交技术检测MMP-9的表达。研究结果发现，乳清酸左卡尼汀用药组明显减少脑缺血再灌注大鼠缺血侧的脑组织含水量，低剂量组（100mg·kg-1·d-1）与中（200mg·kg-1·d-1）、高（500mg·kg-1·d-1）剂量组差异有显著性，但中高剂量组间差异无显著性。脑缺血再灌注24h后，与模型组相比，乳清酸左卡尼汀组有改善血脑屏障通透性作用；模型组缺血侧MMP-9蛋白表达较假手术组明显增加，乳清酸左卡尼汀高、中剂量组中MMP-9蛋白表达比低剂量组明显下降，高、中剂量组间差异没显著性，提示乳清酸左卡尼汀可能通过抑制MMP-9蛋白表达，在一定程度上保护血脑屏障。此外，电镜结果显示假手术组血脑屏障完好，无水肿，模型组大脑皮层区域血脑屏障严重破坏，毛细血管周围出现水肿，乳清酸左卡尼汀组减轻血脑屏障破坏，毛细血管周围水肿。蔡鸿等［25］观察急性脑梗死患者157例，按入院时间序贯分治疗1组每日静脉滴注左卡尼汀6g；治疗2组每日静脉滴注左卡尼汀3g；对照组除不给予左卡尼汀外，其他治疗条件同前两组，连续给药14d。观察所有患者的神经功能缺损评分和意识障碍评分，采用酶联免疫法检测血浆MMP-9，实验结果显示，左卡尼汀在脑梗死早期即可降低血浆MMPs水平，尤其以MMP-9的水平变化更为敏感，其机制可能是左卡尼汀在脑梗死初期为组织有氧氧化提供条件，为防止脂肪酸堆积所引起的能量衰竭和酸中毒，进而进一步损伤组织所建立的保障。总之，在防止酸中毒和能量衰竭以及降低MMPs破坏血脑屏障的角度上，左卡尼汀在治疗脑梗死方面的应用值得重视。
4 抑制神经细胞凋亡
众多研究表明，细胞凋亡在脑缺血中发挥重要作用。缺血性神经细胞死亡主要有细胞凋亡和细胞坏死，细胞坏死主要存在于缺血中心，而细胞凋亡则多存在于缺血半暗带区，是迟发的神经细胞死亡［26］。神经细胞凋亡是由基因控制，是细胞主动死亡过程，在不同信号刺激下，由多基因表达，并相互作用的复杂过程，包括调控基因，转导信号和执行凋亡等阶段［27］。近年来实验显示，B淋巴细胞瘤-2（B-cell-lymphoma-2，Bcl-2）家族蛋白质是线粒体膜完整性和功能的主要调节器，Bcl-2家族蛋白通过整合不同的存活和死亡信号决定细胞是否趋向凋亡［28］。Bcl-2若与凋亡前体蛋白家族Bcl-2相关X蛋白（Bcl-2 associated X protein，Bax）形成同源二聚体，可诱导细胞凋亡，若形成异源二聚体，则中和细胞的促凋亡物质［29］。研究表明Bcl-2过度表达可阻断细胞色素C释放，进而阻断产生一系列凋亡信号，抑制凋亡，促进细胞存活［30］。否则，促凋亡蛋白Bax蛋白表达加速细胞色素C释放，促进凋亡并抑制Bcl-2抗凋亡作用。细胞色素C由线粒体释放入胞浆是诱导细胞凋亡的关键，一旦被释放，细胞色素C与脱氧腺苷三磷酸，凋亡酶激活因子-1和procaspase9相组成凋亡小体进一步激活procaspase9，caspase9激活procaspase3，然后caspase3，激活DNA酶的分子伴侣，破坏DNA并诱导细胞凋亡［31-33］。研究表明caspase3是细胞凋亡过程中主要的终末剪切酶，其底物是多聚聚合酶，活化的caspase3蛋白能使许多与细胞周期，细胞结构、修复相关的激酶或蛋白失活，进而导致细胞凋亡，同时其也参与调控细胞生理及病理性死亡［34］。
国外在阿尔茨海默病的研究中发现左卡尼汀通过抑制海马caspase3、凋亡酶活化因子-l（apoptosisprotease activating factor 1，Apaf-1）、Bax蛋白的表达和细胞色素C的释放，促进抗凋亡蛋白Bcl-2的表达，阻止缺氧诱导的细胞凋亡级联反应［35］。Picconi等研究表明左卡尼汀通过新型有机阳离子转运蛋白2很容易通过血脑屏障［36］。韩征宇［37］在研究左卡尼汀对大鼠脑缺血再灌注损伤的保护作用及机制中发现假手术组大鼠脑组织有少量caspase3蛋白阳性表达，对照组缺血周边区大脑皮层caspase3阳性细胞表达较多，与对照组比较，左卡尼汀治疗组caspase3阳性细胞明显减少。张雷等［38］在研究左卡尼汀对大鼠脑缺血再灌注损伤后Bcl-2和血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）表达的影响实验中发现，与假手术组比较，缺血再灌注组神经功能损伤、脑组织病理学严重改变，凋亡细胞数目增多，Bcl-2和血管内皮生长因子表达增强（P）。与缺血再灌注组比较，左卡尼汀治疗组改善神经功能缺损，减少凋亡细胞数，抑制Bcl-2，VEGF表达增强。王慧敏［39］在左卡尼汀治疗急性脑梗死患者对血清中caspase3作用中采用随机对照临床试验设计方案，将60名患者随机分为对照组和实验组，实验组患者给予左卡尼汀每日1次，一次2.0g，给药时间为14d，对照组不给予左卡尼汀，试验结果表明治疗前两组患者血清caspase3的差异无统计学意义，治疗14d后两组患者血清caspase3水平较治疗前降低（P），其中实验组较对照组降低明显（P）。早期使用左卡尼汀可以抑制部分辐射诱发的神经细胞凋亡，左卡尼汀可能通过增加Bcl-2的阳性表达，减少caspase3的阳性表达来减轻辐射诱发的凋亡［40］，进而起到一定的脑保护作用。
5 其他
大脑生理活动几乎都依靠线粒体所产生的ATP，在维持大脑功能方面脑线粒体起到关键作用，在缺血再灌注时线粒体功能受到严重损伤，如线粒体氧化还原链、代谢产物运载体等。耗氧多是脑细胞代谢的最大特点。张雷等［41］在探讨心肺复苏后大鼠脑细胞线粒体呼吸功能的变化及左卡尼汀的干预作用时发现，左卡尼汀干预后，脑细胞线粒体呼吸功能得以恢复，呼吸Ⅲ态速率基本正常，呼吸Ⅳ态速率下降。左卡尼汀是线粒体脂肪酸氧化的重要辅因子，脂肪酸是一种重要能量物质［42］，过氧化物酶体氧化脂肪酸。左卡尼汀可控制乙酰辅酶A的利用和保持呼吸链复合物的活性。Virmani等［43］研究表明，左卡尼汀具有保护线粒体能力。因此，左卡尼汀对于线粒体呼吸功能保护作用的可能通过调节能量代谢，保护线粒体呼吸链复合物，促进脂肪酸代谢，提高了ATP的产生，抑制无氧酵解，减少氧自由基的产生，抑制钙离子的通透性。
6 展望
综上所述，左卡尼汀促进能量代谢，保护线粒体，降低细胞内Ca2+浓度，清除自由基，抗氧化和抗凋亡的作用。在缺血缺氧时，游离左卡尼汀可使氧化磷酸化顺利进行，促进线粒体ATP的生成。左卡尼汀对脑缺血再灌注损伤后的神经保护作用机制可能是通过提高Ca2+-Mg2+-ATPase和Na+-K+-ATPase活性，维持钙泵、钠泵的稳定，纠正钙离子超载，促进能量代谢，保护线粒体功能，清除自由基，抑制caspase3的表达，阻断细胞凋亡有关。左卡尼汀通过多途径多靶点阻断缺血损伤的级联反应，且因左卡尼汀属内源性物质，安全性高，药物有效浓度远远低于其半数致死量，不良反应少，很容易通过新型有机阳离子转运蛋白-2进入血脑屏障。因此，左卡尼汀拥有其他脑缺血再灌注损伤神经保护药物所不具备的优势，其有望成为新型脑损伤保护药物。但左卡尼汀在神经细胞保护作用的具体相关机制，尚有待于进一步深入研究。
