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生酮饮食治疗药物难治性癫痫的腺苷机制

2012-12-18 14:19 作者:北京三博脑科医院

【摘要】生酮饮食是高脂、低碳水化合物和适当蛋白质饮食,长期以来用于治疗药物难治性癫痫,特别是儿童难治性癫痫的替代性代谢疗法。生酮饮食疗效确凿,但其抗癫痫的机制尚不明了。近研究发现,生酮饮食与增加脑内腺苷水平和作用有关,而腺苷是脑内内源性具有抗惊厥作用的神经调质。本文对备受关注的生酮饮食治疗癫痫的腺苷机制作一综述。

【关键词】癫痫,生酮饮食, 腺苷

近20年来尽管临床一些新型抗癫痫药物(antiepileptic drugs,AEDs)不断涌现,但对于难治性癫痫的治疗没有明显的突破性进展,仍然有35%的癫痫患者为药物难治性。生酮饮食(ketogenic diet,KD)即高脂、低碳水化合物和适当蛋白质饮食疗法是由美国Mayo Clinic的Wilder医生首次于1921年提出并应用于临床治疗药物难治性癫痫已历时90年;其疗效已经多中心研究、回顾性研究和前瞻性研究证实,1/3患儿癫痫发作频率减少90%,另外1/3患儿发作频率减少50%以上。然而关于KD临床治疗难治性癫痫有效的作用机制人们知之甚少,一些研究提示KD增加GABA、酮体对神经元的直接作用、离子通道特别是钾通道变化等机制,需要指出的是,上述机制与经典的AEDs抗癫痫机制多有重叠。而KD治疗难治性癫痫的有效性提示其具有与经典的AEDs不同的抗痫机制,针对KD作用机制研究的滞后,不仅限制其临床应用,而且妨碍了利用KD的抗癫痫机制对新型AEDs的进一步研发。近研究发现,脑生物能和嘌呤信号传导的改变,特别是腺苷系统的变化是研究KD抗癫痫机制的切入点,我们对这一理论作一综述。

1.1 KD增加脑内腺苷水平

生理状态下,脑组织所需的能量几乎全部来自葡萄糖有氧氧化,当神经元活动增强时,磷酸果糖激酶被激活调节脑的无氧糖酵解提供能量。KD引起主要能源葡萄糖减少、游离脂肪酸和酮体增加,诱导无氧糖酵解途径。目前几乎没有证据提示酮体(乙酰乙酸、β-羟丁酸和丙酮)本身与KD抗癫痫发作相关:直接应用乙酰乙酸和β-羟丁酸不影响突触反应,乙酰乙酸和β-羟丁酸、丙酮或其代谢产物的水平与发作控制无关。

近期研究表明,KD通过增加代谢相关网络的脑内生物能量、上调线粒体生物发生和相关的线粒体基因等途径对癫痫所致的能量代谢平衡紊乱加以调控,从而控制癫痫发作。生物能、线粒体生物发生和线粒体相关基因的变化,可能是增加高能量分子ATP和潜在增加腺苷的底物:1)KD引起的生理变化如低血糖和PH减低,可以增加细胞外内源性神经调质ATP和腺苷水平,激活腺苷A1受体(A1R)从而抑制兴奋性突触传递,降低神经兴奋性;2)KD增加胶质细胞代谢,而细胞外嘌呤主要来自胶质细胞,通过调控嘌呤信号传导和代谢,胶质细胞对生理和病理生理状态具有很强的调节功能。胶质细胞,特别是星形胶质细胞释放一系列胶质递质(gliotransmitters)包括ATP调控局部神经元活动和突触的可塑性;细胞外ATP迅速去磷酸化产生腺苷,腺苷通过激活腺苷A1R对神经元具有重要的抑制作用;3)KD显著减低腺苷激酶(adenosine kinase,ADK)表达。ADK是内源性抗惊厥剂腺苷的主要清除酶,KD通过减少ADK的表达增加中枢神经系统细胞外腺苷水平,作用于A1R,抑制癫痫发作。因此,目前研究结果表明,KD通过生物能代谢、胶质细胞对细胞外嘌呤信号传导以及清除腺苷的关键酶,调控ATP和腺苷进而抑制神经元的兴奋性。

尽管没有单一的机制可以解释KD抗癫痫作用, ATP和腺苷的变化是KD有效控制难治性癫痫的关键因素。KD具有双重作用:1)增加能量状态(线粒体生物能,高能分子ATP)有助于维持细胞稳态;2)增加腺苷水平,作用于腺苷A1R减低神经元活动和代谢需求,进而直接增加发作阈值减低神经元的兴奋性(见图1)。

1.2  脑内腺苷水平增加控制癫痫发作

Dragunow教授于1986年首次提出腺苷是脑内内源性抗惊厥剂。腺苷是一种脑内具有抗惊厥作用的内源性神经调质,腺苷通过激活G蛋白偶联的腺苷受体(A1R,A2AR,A2BR 和A3R)调节神经元活动。突触前A1R抑制多种神经递质,特别是兴奋性谷氨酸的释放,突触后A1R通过G蛋白偶联的钾通道使神经元超极化。在大脑皮层和海马,腺苷通过激活A1R可以提供神经保护和提高癫痫发作阈值。体外、体内研究包括药物难治性癫痫动物模型的系列研究均显示腺苷具有明显的控制癫痫发作疗效;提高腺苷A1R活性或增加腺苷水平能够阻止癫痫发作、抑制痫性放电发作的扩散以及增加神经元存活,反之,降低腺苷A1R活性或减低腺苷水平则增加癫痫发作的痫性放电和神经元死亡。

随着对神经系统内源性神经递质腺苷及其受体的分布、代谢调控和生理功能等基础研究的进一步深入了解,对神经系统疾病包括癫痫、卒中和疼痛等疾病的治疗,腺苷一直是学者们热衷的治疗靶点。由于特定腺苷受体激动剂的副作用、加之腺苷在血液内半衰期短、腺苷受体广泛分布、特别是脑和心脏内具有相同的腺苷受体等因素,腺苷全身给药很难避免相应的副作用。鉴于全身给药调控腺苷水平具有明显的外周副作用,脑内局部腺苷给药途径成为治疗药物难治性癫痫有效可行的选择,近研究显示,脑内局部增加腺苷水平包括脑内移植释放腺苷的polymer、脑内移植释放腺苷的细胞和干细胞以及近用反义腺相关病毒基因治疗载体选择性下调胶质细胞的ADK表达为基础的基因治疗[33]等治疗措施,对癫痫发作和癫痫发生都具有显著疗效,更为重要的是未见明显的副作用。 脑内局部腺苷给药途经的优点在于:1)脑内局部给药直接至高兴奋性神经环路,避免了全身给药的周围副作用;2)腺苷是脑内具有的内源性神经调质,其功能为调节神经元异常兴奋性;3)腺苷不仅抑制发作,也能阻滞癫痫发生。

临床研究相继证实了腺苷系统参与癫痫的发病机制,进一步支持局部增加脑内腺苷水平是临床控制癫痫发作的新措施。1992年During对癫痫患者脑内腺苷微量透析研究发现,癫痫患者在发作间期,海马致痫灶的腺苷基线水平较对侧海马低,提示致痫灶发作阈值低,具有产生多次癫痫发作的持久性倾向,癫痫发作时,患者海马致痫灶细胞外腺苷水平升高,而且腺苷水平在发作后不应期仍然高于基线水平,提示腺苷介导癫痫发作终止(seizure arrest)和发作后不应期(postictal refractoriness);近针对临床难治性颞叶癫痫患者研究发现,致痫灶海马胶质细胞ADK表达较对照明显增加,ADK蛋白定量显示癫痫患者较对照增加3倍;这一结果与微量透析研究发现癫痫患者海马致痫灶腺苷基线水平减低相一致,可以解释为海马致痫灶腺苷主要的清除酶ADK表达增高,清除腺苷增加,导致腺苷基线水平下降;另外,对腺苷系统是否参与胶质瘤患者合并癫痫的发病机制研究发现,胶质瘤患者胶质瘤灶内和瘤周组织ADK表达较正常组织ADK 表达明显增高,胶质瘤III级尤为明显,ADK活性分析和蛋白定量结果均证实ADK 表达增加,更为重要的是,合并癫痫发作的胶质瘤患者瘤周浸润组织ADK表达较无癫痫发作患者明显增高。提示胶质瘤患者ADK 功能紊乱,瘤周浸润组织ADK过度表达导致腺苷水平减低,引起胶质瘤相关的癫痫发作。

1.3  KD治疗癫痫的靶点:腺苷—连接代谢与神经元活动的前沿和中心

很多难治性癫痫患者受益于KD,KD治疗癫痫的分子机制是当今癫痫领域研究的热点。Masino 教授与合作者用三种基因突变小鼠ADK转基因(Adk-tg)小鼠、A1R基因敲除A1R-/-小鼠、A1R-/+小鼠以及野生型(wild type,wt)小鼠研究了KD抑制癫痫发作的分子机制,首次揭示了KD治疗癫痫的腺苷分子靶点。Adk-tg小鼠因靶点失活内源性基因而导致缺乏胶质细胞表达的ADK,但包含一个loxP-flanked ADK转基因,Adk-tg小鼠脑内ADK表达是wt小鼠的2.2倍,因而脑内腺苷水平较wt小鼠明显减低, 导致Adk-tg小鼠的癫痫发作敏感性增高,具有自发性痫样放电发作。A1R-/-小鼠和A1R-/+小鼠因AR1不同程度缺失而具有自发性痫样放电发作。小鼠维持KD3周后,Adk-tg小鼠(具有完整的AR1)痫样放电发作几乎完全消失;A1R-/+小鼠(AR1减半)痫样放电发作减少,A1R-/-小鼠(AR1完全缺失)痫样放电发作无明显变化;给予小鼠A1R拮抗剂DPCPX(药物性逆转)或葡萄糖(代谢性逆转)后,Adk-tg和A1R-/+小鼠痫样放电发作恢复至基线水平;蛋白定量显示KD显著减少腺苷清除酶ADK的表达。

实验结果次揭示了KD抗癫痫作用的机制是通过减低ADK表达→腺苷水平增加→激活A1R→抑制癫痫发作,即依赖于A1R的激活:1)KD通过减低ADK表达减少发作;2)通过药物阻断A1R可以恢复发作;3)KD对A1R-/-小鼠发作无效。上述机制可以解释临床癫痫患者应避免咖啡因的合理性,咖啡因是A1R拮抗剂,有咖啡因成分的咖啡、茶、软饮料及能量饮料十分畅销,癫痫患者,特别是KD治疗的癫痫患者应避免饮用。另外葡萄糖能够代谢性逆转小鼠癫痫发作,恢复到应用KD之前的发作水平,可能原因为急性葡萄糖刺激ATP增加,启动了ATP+ 腺苷→ADP+MP的ADK催化反应,从而减少腺苷水平。这一结果说明胶质细胞代谢变化能够迅速减少细胞内、细胞外腺苷水平,增加癫痫发作。总之,KD抑制癫痫发作的疗效与ADK密切相关,ADK是KD治疗难治性癫痫发作的分子靶点,毫无疑问将来进一步研究的热点是揭示KD下调ADK的分子机制。

腺苷不仅是脑内内源性抗惊厥剂和神经保护剂,还具有改善睡眠作用。因此,KD不仅能够控制癫痫发作和提供神经元保护,还具有腺苷类似的生理功能,改善药物难治性癫痫患儿的睡眠。

1.4  展望

随着人们对癫痫发作和癫痫发生分子机制的深入研究,特别是以胶质细胞为基础的癫痫发病机制研究愈来愈受到学者们的重视,腺苷为基础的神经调控系统紊乱(ADK 过度表达和胶质纤维化)是癫痫发生的热点,从癫痫发生的角度认识癫痫,研究开发新型AEDs,特别是针对ADK为靶点调控腺苷系统可能是临床治疗难治性癫痫的新途径。更好的了解KD治疗难治性癫痫的机制,为临床提供更加有效、临床应用限制少和副作用轻的饮食疗法,是学者们致力于揭示KD作用机制的意义所在。

(参考文献略)


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