钾通道与神经血管偶联

摘要

维持大脑稳态需要对氧气和葡萄糖供应进行动态调节，以使营养物质的输送与代谢需求相匹配。¹这是通过广泛而精确地调节大脑内的血流来实现的。在正常功能的大脑中，神经元活动的增加伴随着血流量的快速、空间局部增加，这有助于避免大脑活动区域出现缺血性疾病。^2–6神经元活动增加与局部脑血流量增加（CBF）的耦合，这一过程称为功能性充血或神经血管耦合（NVC），是大脑微循环水平血管扩张的结果，似乎取决于血管活性物质的生成。¹与脑微循环功能相关的异常与许多疾病相关，包括帕金森病、中风和偏头痛。⁷此外，慢性CBF不足是与阿尔茨海默病和早发性痴呆等神经退行性疾病相关的大多数风险因素的最终结果。⁸因此，阐明神经元活动调节脑内小动脉的机制对于开发新靶点和有效治疗与脑微循环功能障碍相关的病理条件至关重要。钾（K⁺)通道在NVC中起着核心作用，代表了未来治疗的一个这样的目标。本综述的目的是研究NVC的假定机制和K的作用⁺此过程中的通道。

流向大脑的血液首先通过大脑表面的一系列软脑膜动脉，然后通过脑内动脉和脑组织内的小动脉。脑内（实质）小动脉来自软脑膜动脉的分支，从大脑表面进入实质(图1).⁹实质小动脉在结构和功能上与软脑膜动脉不同。在大脑皮层内，这些小动脉开始于Virchow-Robin间隙的远端，被称为“末端”的星形细胞突起包裹，并终止于一个广泛的毛细血管网。实质性小动脉缺乏较大软脑膜动脉的外部神经支配，主要调节来自星形胶质细胞和中枢来源的神经元。^2,10,11

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图1

大脑表面的软脑膜动脉渗入皮质实质，形成实质小动脉。软脑膜动脉由交感神经支配（以白色显示）。当小动脉穿过Virchow-Robin间隙进入脑实质时，外部神经支配消失，小动脉完全被称为“末端”的星形细胞终末过程包裹。星形胶质细胞整合来自神经元和其他细胞类型（即中间神经元）的信息，并将该信息转化为动态星形胶质细胞钙²⁺传播到末梢并调节实质小动脉张力的信号，以便根据周围组织的代谢需要调节局部脑血流。

最近的证据表明，星形胶质细胞在局部CBF的调节中发挥着重要作用。^2,7,12–15单个星形胶质细胞有许多围绕多个突触的突起，因此与突触前和突触后神经元形成三部分突触。¹⁶星形胶质细胞还具有靶向大脑微循环的其他过程。这些星形细胞过程终止于包围实质小动脉和毛细血管平滑肌细胞（SMC）的血管周端足(图1).^2,12–15,17这种星形细胞结构表明，单个星形细胞可能能够整合多个神经元的活动，并将这些信息转换为生理信号，包括那些通过改变实质小动脉的血管张力来调节CBF的信号。事实上，最近的证据表明星形胶质细胞在大脑功能性充血中起着核心作用。神经元本身也释放一些重要的血管活性物质，包括一氧化氮、腺苷和神经递质；然而，这些神经元介质在NVC中的潜在作用超出了当前综述的范围。^7,18

星形胶质细胞作为神经元功能的重要调节器，调节细胞外钾（K⁺)浓度（[K⁺]_o个)和细胞外容量，并从突触中清除神经递质。^19–21星形胶质细胞具有许多可被神经递质激活的受体。^22–24位于谷氨酸能神经元突触周围的星形细胞投射物上的代谢型谷氨酸受体（mGluRs）的激活导致细胞内钙浓度（[Ca²⁺]_c（c）)在胞体中，胞体通过星形细胞过程繁殖，最终产生[Ca²⁺]_c（c）端脚增加(图2).^25,26这些[Ca²⁺]_c（c）增加可能通过激活磷脂酶C/三磷酸肌醇（InsP_三)级联，并涉及内质网钙的释放²⁺通过InsP_三受体和可能的ryanodine受体。^26,27Zonta等人优雅地表明，皮质小动脉的扩张依赖于星形细胞[Ca²⁺]_c（c）谷氨酸激活mGluRs引起的增加。¹⁴因此，星形胶质细胞释放血管活性物质以响应神经元的激活需要提高末梢[Ca²⁺]尽管人们对这些信号产生的机制以及这些介质的性质知之甚少。^12–14

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图2

实质小动脉平滑肌细胞（SMC）K受累的图示⁺神经血管耦合机制中的通道。神经活动刺激星形胶质细胞代谢型谷氨酸受体（未显示）产生[Ca的持续升高²⁺]_我终止于血管周围末梢。星形细胞终足增加²⁺]激活BK通道以释放K⁺进入血管周围裂隙。中等海拔（单位：[K）⁺]_o个血管周裂激活了实质小动脉SMC中的Kir通道，导致SMC膜电位超极化，Ca降低²⁺通过VDCC进入，减少[Ca²⁺]_我和血管扩张。星形细胞终足增加²⁺]也激活钙²⁺敏感酶胞浆磷脂酶A2（PLA2）。PLA2水解膜磷脂以释放脂肪酸花生四烯酸（AA）。然后AA被环氧化酶（COX）和前列腺素合成酶代谢生成PGE2，或被认为扩散到实质小动脉SMC，在那里被细胞色素P-450酶代谢生成EET和/或20-HETE。PGE2对实质小动脉SMC的作用机制尚不清楚，但根据对软脑膜动脉的研究，它可能涉及SMC BK通道的cAMP依赖性激活，以及随后的SMC超极化和血管舒张。小动脉SMC中由星形胶质细胞衍生的AA代谢形成的EET被提议激活SMC BK通道，以引起膜超极化和血管舒张。相反，20-HETE被认为能抑制实质小动脉SMC-BK通道，导致膜去极化，激活VDCC，升高[Ca²⁺]_我和血管收缩。

星形细胞信号与NVC

已提出几种基于花生四烯酸（AA）代谢的信号来调节血管直径以响应神经元活动(图2).^12,14,28,29星形细胞mGluRs的谷氨酸活化导致Ca²⁺-依赖性刺激磷脂酶A₂（解放军₂)产生AA，通过细胞色素P450（CYP）环氧合酶的作用代谢为环氧乙酸（EET），其中11,12-EET和14,15-EET是主要的血管活性成分。^30–32EET是一种有效的血管扩张剂，最近被证实在星形细胞AMPA受体刺激后抑制血管运动并维持皮质小动脉的血管扩张。^30,33–35

基于环氧合酶（COX）抑制剂在新生儿脑切片中的作用，Zonta等人认为星形细胞[Ca²⁺]_c（c）mGluRs的谷氨酸活化导致产生COX产物，该产物激活血管平滑肌细胞上的受体，产生血管舒张作用。¹⁴与此COX产品为PGE的推测一致₂，Zonta及其同事证明，培养的星形胶质细胞产生PGE₂以脉动方式和PGE₂（20µmol/L）使脑切片中的小动脉扩张。^14,36重要的是，这些研究中观察到的血管舒张反应在电场刺激（EFS）激活神经元、激活星形胶质细胞mGluRs（t-ACPD[{±}-1-氨基环戊烷-反式-1,3-二羧酸]）、补片密封刺激或PGE₂应用程序。这种延迟反应是成年动物体内未观察到的现象。脑切片中的缓慢反应可能反映了新生动物的使用，其中神经元和血管系统尚未完全发育。或者，PGE的时间进程₂作用本身可能是缓慢的，这可能表明该途径并不介导神经活动与血管扩张的快速耦合，而是有助于在较长时间尺度上调节血流。此外，COX抑制仅部分抑制血管舒张的观察结果与多种机制有助于神经调节小动脉直径的观点一致。

除了诱导血管舒张外，星形胶质细胞衍生的AA也参与了血管收缩。Mulligan和MacVicar提出星形细胞终足[Ca²⁺]刺激PLA₂产生AA，然后扩散到实质小动脉SMC，在那里通过CYPω-羟化酶转化为20-HETE。¹²这表明20-HETE通过抑制SMC大电导钙敏感性钾来收缩小动脉⁺（BK）通道，一种基于PLA抑制作用的推断₂抑制剂MAFP（100µmol/L）和20-HETE合成抑制剂HET0016（100μmol/L。然而，这些实验检测了脑切片中未重构的小动脉，在缺乏音调的情况下，BK通道的作用可望忽略不计。³⁷因此，很难将观察到的20-HETE的缩肌效应与涉及血管SMC BK通道抑制的机制相协调。此外，必须谨慎解释这些观察结果，因为使用的HET0016浓度非常高（100µmol/L），并且可能非选择性地抑制可能参与NVC的其他AA代谢物的形成。在人类肾微粒体中，IC₅₀HET0016对CYP环氧酶和COX活性的影响分别为2.8µmol/L和2.3µmol/L。³⁸此外，1µmol/L HET0016足以将完整脑动脉中20-HETE的生成阻断90%。³⁹因此，20-HETE在NVC中的实际作用及其对实质小动脉的直接功能影响尚不明确。

一个明显有可能产生血管舒张和血管收缩的星形细胞信号是K⁺.⁴⁰[K的规定⁺]_o个星形胶质细胞在视网膜中被广泛研究，在视网膜中星形胶质细胞被认为具有K的功能⁺虹吸管，吸收K⁺高浓度区域（突触周围区域）和释放K⁺细胞外浓度较低的区域（血管周围区域）。²¹与此K一致⁺缓冲作用，星形胶质细胞显示大K⁺电导；超极化的五_米（约−80 mV），K为正⁺平衡电位，E类_K（K）（−102毫伏）；并显示K的极化表达式⁺频道。^41,42具体而言，BK通道在血管周围的端足中大量表达。⁴³在脑切片中，EFS刺激神经元产生Ca²⁺-敏感K⁺（BK通道）星形细胞终足中由终足升高激活的电流²⁺]并导致血管舒张。⁴⁴激活端脚BK通道释放K⁺进入血管周围空间，在[K中产生局部抬高⁺]_o个在小动脉平滑肌感应到的末梢和小动脉之间的空间受限微环境中。通过改变[K⁺]_o个通过终足BK通道介导的K在血管周围间隙⁺释放后，星形胶质细胞可以产生能够产生血管舒张或血管收缩的信号。强有力的证据表明，钾的血管舒张反应⁺从末端脚部释放出来的物质由向内受体K介导⁺（K）_红外)实质小动脉平滑肌中的通道。钡，钾的选择性抑制剂_红外通道（浓度<100µmol/L），阻断脑切片中EFS刺激神经元引起的血管舒张，但不影响[Ca²⁺]_c（c）在星形细胞末端。⁴⁴

K（K）⁺动脉实质张力控制的通道

动脉平滑肌细胞的膜电位是血管张力的关键决定因素，受钾调节⁺通道。打开K⁺血管SMC膜中的通道允许K⁺流出细胞，导致膜超极化，而抑制K⁺通道导致膜去极化。K（K）⁺通道介导的膜超极化关闭电压依赖性钙²⁺减少Ca的通道（VDCC）²⁺进入并导致血管舒张。^45,46VDCC对膜电位非常敏感，因此膜电位的适度波动可以显著改变Ca²⁺条目。⁴⁷因此，膜电位的微小变化会对动脉直径产生显著影响。⁴⁸实质小动脉中SMC的膜电位加压至生理水平（40 mmHg）约为−45 mV，小动脉收缩约30%。⁴⁴脑脊液中，E类_K（K）约为−102 mV。膜电位超极化至−60 mV会导致脑动脉最大扩张，去极化至约−30 mV会造成最大收缩。⁴⁸因此，即使适度激活SMC K⁺通道可以引起显著的血管舒张。

K的4种不同亚型⁺动脉平滑肌细胞中的通道为内向整流钾⁺（K）_红外)通道，Ca²⁺-敏感K⁺（K）_钙)信道，电压相关K⁺（K）_v（v）)通道和ATP敏感性K⁺（K）_{列车自动防护系统})频道。⁴⁹每个亚型的表达谱和功能贡献可能因组织床和动脉段的口径而异。⁵⁰所有4 K都有功能性证据⁺实质小动脉平滑肌细胞中的通道亚型，但它们的相关作用尚未像软脑膜动脉平滑肌中那样明确。^51–54

间充质动脉平滑肌K⁺频道和NVC

[Ca的增加激活了多条平行通路²⁺]_c（c）星形胶质细胞对神经元激活的反应。事实证明，对NVC的任何假定介质的药理抑制或基因操作从未完全阻断血管反应。此外，星形细胞终足[Ca升高²⁺]_c（c）潜在激活多种钙²⁺-敏感蛋白。这些Ca²⁺-敏感蛋白包括释放K的BK通道⁺离子作为血管活性信号，以及PLA₂，为生成二十烷酸和前列腺酸血管活性介质提供底物（AA）。因为脑内功能性充血是生存的先决条件，所以进化出冗余机制来维持它就不足为奇了。然而，确保功能性NVC最终收敛于实质小动脉SMC K的冗余并行机制⁺激发血管反应的通道。

神经活动引起的血管舒张反应

实质小动脉平滑肌K的激活⁺NVC期间的通道会导致血管舒张，从而增加局部CBF。在这里，我们考虑了NVC的假定星形胶质细胞介质-外K⁺、PGE₂和EET–通过激活平滑肌K扩张实质小动脉⁺频道。

神经活动引起的血管收缩

一些研究小组观察到，由于神经元激活或钙离子，实质小动脉血管收缩²⁺星形细胞末梢无盖。^12,51,113血管收缩在NVC中的作用尚不清楚，这种现象可能是病理性的，而非生理性的。抑制实质性小动脉平滑肌K⁺通道会使膜去极化并引起血管收缩，有证据表明NVC的主要假定血管收缩介质20-HETE通过这种机制发挥作用。

如上所述，抑制20-HETE的形成可防止实质小动脉对脑切片中神经元刺激的血管收缩。¹²20-HETE抑制也可防止哺乳动物视网膜中的光诱发血管收缩。¹¹³这一证据表明，20-HETE收缩实质小动脉SMC。实质小动脉缺乏直接证据，但20-HETE能有效收缩软脑膜动脉。^122–12420-HETE通过PKC抑制SMC-BK通道收缩动脉。^84,85这种机制的生理意义尚不清楚，不仅因为神经元活性诱导的血管收缩功能存在疑问，而且因为实质小动脉SMC中的基础BK通道活性可能很低。BK通道阻滞剂对脑片小动脉直径和静息皮层CBF影响不大。⁵¹

外部K⁺除了扩张外，还能产生实质性小动脉收缩。虽然适度升高[K⁺]_o个通过激活K扩张实质小动脉_红外，标高[K⁺]_o个20 mmol/L以上通过SMC膜电位去极化引起收缩。^51,125在大脑切片中，升高[K⁺]_o个在浴缸中，还可以通过神经刺激或足底钙来转换诱发的实质小动脉扩张²⁺解开束缚。⁵¹在NVC中，星形胶质细胞可以通过改变K的大小来调节小动脉直径反应的极性⁺从端脚松开。

前列腺素E₂也有可能介导神经元活动诱导的收缩。PGE对人软脑膜动脉扩张的影响₂通过EP4受体发生。¹⁰⁸在某些类型的脑动脉中，PGE₂已证明通过EP1或EP3受体引起收缩。¹¹²脑血管对前列腺素E反应的特异性₂（扩张vs收缩）似乎是由受刺激的前列腺素受体赋予的。哪些前列腺素受体亚型在实质小动脉的SMC中表达及其相对表达尚不清楚。此外，如上所述，PGE的直接影响₂对实质小动脉的研究尚未见报道。

在观察血管收缩与星形细胞末梢钙升高的研究中²⁺或神经元激活，一种20-HETE抑制剂，尽管浓度很高，但在很大程度上消除了收缩反应。然而，如果星形胶质细胞介导的血管收缩在正常生理学或病理学中有作用，那么外部K⁺、PGE₂20-HETE可能是调解人。

实质动脉SMC K的间接作用⁺NVC中的频道

平滑肌K⁺在神经元激活之前，通道还通过设置实质小动脉的静息张力水平间接影响NVC。在软脑膜小动脉中，血管中预先存在的张力水平决定了血管对血管活性物质反应的大小和极性（收缩vs血管舒张）。^126,127类似地，实质小动脉对NVC所涉及的假定信号的反应是由血管的静息音决定的。¹²⁸随着血栓素受体激动剂U-46619浓度的增加，改变脑薄片中实质小动脉的预狭窄程度，改变小动脉对钾的反应⁺预狭窄的初始水平越高，血管扩张剂对10 mmol/L[K⁺]_o个刺激mGluR以引起星形细胞[Ca升高²⁺]_c（c）引起适度预狭窄的小动脉收缩（基线的70-100%）和初始张力较大的小动脉扩张。血管反应的极性转换似乎发生在与基线直径约50-70%相对应的音调水平上。

作为膜电位的关键调节器，因此Ca²⁺通过VDCC、SMC K流入⁺通道是实质小动脉张力的主要决定因素。因此，小动脉SMC K⁺通道可能通过设置小动脉的初始张力水平，在确定血管对神经元激活的反应的大小和极性方面发挥作用。

结束语

CBF的精确调节对脑内稳态至关重要。平滑肌K⁺通道是脑动脉和小动脉血管张力和血流的重要调节器。CBF的化学、机械和体液调节的许多机制涉及SMC K的调节⁺渠道活动。间充质小动脉SMC K⁺通道在NVC和脑功能性充血的过程中非常重要，在NVC受损的病理条件下，包括阿尔茨海默病、痴呆、糖尿病和高血压，通道有可能成为治疗靶点。

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