脑内酸碱平衡改变对癫痫发生发展的影响

大脑微环境的酸碱平衡对正常发挥神经系统功能至关重要。维持脑中酸碱平衡稳态的机制十分复杂，由多种转运蛋白和酶共同调节。酸碱平衡的波动对整个大脑的活动产生影响，可以影响神经元的兴奋性，甚至会导致癫痫发作。癫痫是常见的神经系统疾病，其发病机制十分复杂，病因众多，药物治疗仍是主要方法，但是治疗效果有限，因此迫切需阐明癫痫的病理机制，探索新的治疗方向。本文概述了参与大脑酸碱平衡的调节的转运蛋白（酸敏感离子通道、Na⁺/H⁺交换体、Na⁺/HCO₃⁻共转运体、阴离子转换体、碳酸酐酶等）以及肺部对酸碱平衡的调节。从基础和临床两方面详细的介绍了这些转运蛋白如何参与大脑酸碱平衡稳定的维持，以及对癫痫发生发展的影响，为癫痫治疗和干预的提供新靶点。

大脑微环境的酸碱平衡在维持中枢神经系统最佳生理功能方面发挥关键作用。许多代谢过程会产生氢离子，而氢离子又会影响细胞代谢和存活，当血液中游离氢离子浓度增加或减少0.1 μM都将是致命的[1]。大脑细胞酸化，氢离子浓度增加，可能与大脑中的酶或蛋白结合，影响其结构和功能；相反，大脑碱中毒的病理状态下也会出现神经元的损伤[2]。正常生理状态下机体的pH值在7.35～7.45之间，酸碱波动可以通过pH敏感受体或通道对整个大脑活动产生影响，参与神经元兴奋性、突触传递、细胞间通讯等，在学习、记忆、神经退行性疾病，尤其癫痫中起着重要作用[3]。

癫痫是常见的中枢神经系统疾病，全球有超过7 000万的癫痫患者，以婴儿和老年人的发病率较高[4]。癫痫的发病机制复杂，病因众多，抗癫痫发作药物仍是癫痫治疗的主要方法，虽然目前已经有较多种类的抗癫痫发作药物，但仍有1/3的患者发作难以控制[4]。反复的癫痫发作不仅对患者身心造成严重的伤害，还给家庭和社会带来沉重的负担。因此，迫切需要阐明癫痫的病理机制，来更好的治疗和预防癫痫的发生发展。

大脑酸碱平衡的调节对神经元兴奋性至关重要。在脑电图监测中采用的过度换气试验就是使脑中pH升高（碱性改变）增加神经元兴奋性这一原理，当过度换气时因为大量的呼出CO₂，引起呼吸性碱中毒，可以诱发儿童失神癫痫的发作[5]；而通过CO₂吸入，降低大脑pH（酸性改变），可以抑制癫痫发作[6]。癫痫发作时会造成乳酸生成、CO₂积累，进而改变大脑酸碱平衡。因此，大脑酸碱平衡的改变与癫痫的相互关系引起研究者极大的兴趣。本文将对此进行综述，重点关注：① 大脑酸碱平衡的调节；② 大脑酸碱平衡改变对癫痫发生发展影响的基础研究；③ 大脑酸碱平衡改变对癫痫发生发展影响的临床研究。

通常，机体的酸碱平衡是由肺、肾脏以及多种转运蛋白共同调节维持的[7]。由于神经元频繁的电活动，并且还存在谷氨酸、红藻氨酸、γ-氨基丁酸、甘氨酸等递质会导致神经元和星形胶质细胞酸化，因此大脑的pH调节更加复杂精细[8]。多种转运蛋白和酶将H⁺移入或移出细胞，进而维持细胞微环境的pH稳定，参与大脑酸碱平衡调节（图1）。

图1　大脑酸碱平衡稳态调节的重要环节

多种转运蛋白参与细胞酸碱平衡调节，ASIC：酸敏感离子通道，NHE：Na⁺/H⁺交换体，NBCs：Na⁺/HCO₃⁻共转运体，AE：阴离子转换体，CA：碳酸酐酶，MCT：单羧酸转运蛋白。该图参考文献绘制[7]

1.1   酸敏感离子通道

酸敏感离子通道（Acid-sensing ion channel，ASIC）是一种对细胞外pH敏感的跨膜蛋白，会快速响应细胞外酸化并打开。H⁺可以激活ASICs，使其对Na⁺通透，因此ASICs是质子门控钠离子通道，也属于钠离子通道/退化蛋白（Epithelial sodium channel/degenerin，ENaC/DEG）超家族的成员，主要分布在脊椎动物中枢和外周神经系统[9]。自从1997年首次克隆出ASICs蛋白，目前已经确定了七种亚基，包括ASIC1a、ASIC1b、ASIC1b2、ASIC2a、ASIC2b、ASIC3和ASIC4，均由两个跨膜结构域、一个较大的细胞外环以及位于细胞内的C末端、N末端构成[9]。虽然结构大致看似相同，但不同的ASICs对细胞外的酸敏感性不同，其中ASIC1a和ASIC3对细胞外酸的变化最敏感。

ASIC1a相关研究较多，单个ASIC1a亚基由500多个氨基酸组成，通过对鸡ASIC1a的结构（ASIC1a在鸡与人中相对保守，同源性可达90%）研究，发现其类似“拳头”样，由跨膜TM结构域以及β球、拇指、指关节、手指、手掌、手腕结构域等共同组成[10]。ASIC1a的晶体结构显示由三个亚基形成的同源三聚体或含有ASIC1a的异源三聚体组成的功能性离子通道，类似“圣杯结构”，其可以在毫秒的时间尺度上发挥功能，主要是包括三种功能状态：高pH关闭、低pH脱敏、低pH开放[10]。TM结构域呈漏斗排列，形成ASIC1a的离子通道特性，对Na⁺可通透，其独特之处在于仍可以对Ca²⁺可通透[9，10]。在细胞外环由拇指、手指形成的结合配体的凹陷，称为“酸性口袋”，当与H⁺结合时，ASIC1a的跨膜结构域发生构象改变，导致阳离子内流[10]。抗利尿及阿米洛利及其类似物是ASIC1a的非特异性阻断剂，可以减轻由于酸介导细胞钙超载及细胞坏死；PcTX1（Psalmotoxin1）是第一个有效且特异性的ASIC1a蛋白抑制剂，其是一种从南美狼蛛的毒液中纯化而来的多肽，可以促进ASIC1a的脱敏状态[11]。

1.2   Na⁺/H⁺交换体

Na⁺/H⁺交换体（Na⁺/H⁺ exchanger，NHE）在神经系统中普遍表达，NHE家族由9个成员NHE1-NHE9，其中NHE1是最广泛表达的[12]。NHE的成员具有相似的膜拓扑结构，都有N端跨膜结构域（参与离子结合）和一个大的C末端细胞质结构域（参与细胞内信号传递），NHE1-NHE5位于不同细胞类型的质膜中，而NHE6-NHE9位于细胞内的细胞器[13]。NHE1在海马和皮层的神经元中，主要由细胞内pH降低激活，当细胞内出现酸中毒时，NHE1可以催化一个细胞外Na⁺与一个细胞内H⁺进行交换，其功能依赖Na⁺/K⁺-ATPase驱动的Na⁺梯度，最终维持细胞内pH的稳态，防止细胞内酸化[12]。

1.3   Na⁺/HCO₃^-共转运体

Na⁺/HCO₃⁻共转运体（Na⁺/HCO₃⁻ cotransporters，NBCs）是Slc4基因家族中的一部分，在大脑的不同区域以及培养的神经元和星形胶质细胞中表达，介导Na⁺和HCO₃⁻共同转运体，可以每个Na⁺转运两个或三个HCO₃^-[14]。已知NBCe1有三个剪接突变（A、B、C），但只有NBCe1-B和NBCe1-C在大脑中表达。

1.4   阴离子转换体

除了Na⁺/HCO₃⁻共转运体，Slc4基因家族中还包括阴离子转换体（Anion exchangers，AEs）。AE是跨膜蛋白，通常挤出HCO₃⁻以换取Cl⁻流入，为Na⁺非依赖性，具有此电中性活性的AE有三个亚型（AE1-AE3），在大脑和视网膜中表达[8]，在细胞质N末端包含pH感应域，可以严格的调节AE活性已经pH变化。

1.5   碳酸酐酶

碳酸酐酶（Carbonic anhydrases，CAs）将CO₂可逆性转为H⁺和HCO₃⁻，维持大脑pH稳定的缓冲机制之一。人类存在16种碳酸酐酶的亚型，其分布在不同的组织和亚细胞中，具有不同的催化活性，据报道CAⅡ、CAⅦ、CAXIV与癫痫相关，CAⅡ、CAⅦ具有类似的三维结构，CAXIV与其他碳酸酐酶氨有34-46%的基酸序列相似[15]。CAⅡ主要在神经元、神经胶质细胞中表达，CAⅦ主要在海马体和皮层中神经元中表达，CAXIV存在于神经元和轴突的细胞膜中[15]。星形胶质细胞中表达的碳酸酐酶，可以将产生的CO₂转化为H⁺和HCO₃⁻，通过单羧酸转运蛋白（Monocarboxylate transporter，MCT）（H⁺驱动的乳酸、丙酮酸转运）排出胶质细胞；在细胞外空间，碳酸酐酶催化H⁺和HCO₃⁻反应回收CO₂，维持细胞外pH稳定[8]。

1.6   肺部调节

肺部的呼吸作用可以快速的调节全身的pH，即血液流经肺部时，肺部可以将血液中的CO₂排出，调节CO₂分压和pH。可以通过呼吸频率的改变，调整机体的酸碱平衡，呼吸频率降低时，CO₂排出减少，机体pH降低；而呼吸频率增加时，CO₂排出增加，机体pH增加[16]。

2.1   酸敏感离子通道与癫痫

ASIC1a在神经系统中主要分布在大脑皮层、海马、小脑、松果体、杏仁核和脊髓中，在亚细胞水平上，神经元的胞体、树突以及神经胶质细胞中均发现ASIC1a的表达[11]。

癫痫发作会造成乳酸生成、CO₂积累，进而降低大脑pH值，可形成激活ASICs的酸性环境，其中ASIC1a与癫痫的研究较多，然而，目前的研究仍存在较大的差异甚至矛盾之处。有研究认为抑制性神经元中的ASIC1a功能障碍或表达下调导致癫痫发生，而激活抑制性中间神经元上的ASIC1a有助于癫痫终止[17]。而另外的研究发现应用阿米洛利抑制ASIC1a后，可以抑制匹鲁卡品诱导的大鼠癫痫持续状态，说明ASIC1a有助于癫痫发作[18]。对于ASIC1a对癫痫是促进还是抑制的确切作用尚有争议，仍需要进一步的探究其在癫痫中的作用。

在低Mg²⁺溶液中CA1区海马神经元，可见神经元出现癫痫样放电，加入ASIC1a选择性抑制剂5b化合物后，癫痫样放电的频率明显降低[19]。同样，大鼠海马体注射红藻氨酸体内诱发癫痫发作，应用5b化合物后癫痫放电明显降低，说明阻断ASIC1a具有明显的抗癫痫作用[19]。匹鲁卡品诱导的大鼠癫痫模型中，ASIC1a蛋白表达增高，应用生酮饮食后，不仅可以抑制癫痫大鼠海马ASIC1a蛋白的上调，还能减轻线粒体损伤、减少细胞内钙超载，对神经元发挥保护作用[20]。海马星形胶质细胞可表达ASIC1a，而在颞叶癫痫患者中的反应性星形胶质细胞中可见ASIC1a的大量表达[21]。抑制星形胶质细胞ASIC1a的表达会减轻自发性癫痫发作，而ASIC1a敲除小鼠中恢复星形胶质细胞ASIC1a表达将增加自发性癫痫发作，说明星形胶质细胞中的ASIC1a有助癫痫发生、发展[21]。

其他研究发现ASIC1a可减轻和抑制癫痫发作。匹鲁卡品诱导癫痫持续状态的大鼠模型中，观察到CA1-2区域的ASIC1a水平显著降低[22]。ASIC1a敲除小鼠和野生型小鼠给予红藻氨酸及戊四唑诱发癫痫发作，ASIC1a敲除小鼠出现更严重的癫痫发作。通过脑室内注射PcTx1急性抑制野生型小鼠的ASIC1a，结果显示PcTx1增加红藻氨酸注射后连续全身性强直阵挛发作的发生率；ASIC1a过表达降低红藻氨酸注射后癫痫发作的严重程度并降低了戊四氮注射后全身强直阵挛的发生率[23]。与野生型小鼠相比，ASIC1a敲除小鼠脑电图显示更多的癫痫发作活动，并减少发作后抑制作用，因此ASIC1a敲除小鼠癫痫发作活动延长、发作更严重[23]。

2.2   Na⁺/H⁺交换体和癫痫

NHE1功能改变显着影响神经元的兴奋性，并在癫痫中发挥作用。研究表明NHE1突变的小鼠反复癫痫发作，并且出现早死亡的现象。这些突变小鼠海马CA1区神经元的兴奋性和钠电流密度都明显增加，海马和皮层钠通道密度上调，特别是海马钠通道I亚型显著增加，皮质钠通道II亚型增加。海马和皮质中钠通道上调导致的神经元过度兴奋形成了NHE1突变小鼠癫痫发作的基础[24]。癫痫易感性沙鼠在癫痫发作后3 h，发现海马的NHE1明显增高，提示NHE1蛋白增高与癫痫发作密切相关[25]。同样，对匹鲁卡品癫痫大鼠模型的海马组织以及颞叶癫痫患者脑组织进行检测，均发现NHE1蛋白表达增高[26，27]，由于钠离子内流，细胞内的钠离子浓度升高，激活钠-钙交换体，导致细胞内钙离子超载，促进兴奋性谷氨酸释放及继发性神经元凋亡等。在缺血缺氧性脑损伤模型中，海马的星形胶质细胞中NHE1蛋白的表达及活性增高，谷氨酸及促炎细胞因子（IL-6和TNF-α）释放增多[28]。NHE1蛋白在小胶质细胞中表达并参与吞噬功能，而小胶质细胞与神经元之间的相互作用，使得神经网络的兴奋性改变，最终影响癫痫[29]。

2.3   Slc4基因家族与癫痫

Slc4基因家族包括Na⁺/HCO₃^-共转运体蛋白和阴离子交换体。SLC4A10基因编码Na⁺/HCO₃^-共转运体蛋白NBCn2，NBCn2主要在神经元表达。SLC4A10基因敲除小鼠的脑室体积减小，癫痫发作阈值增加，神经元兴奋性降低[30]。这一结果似乎与人类中该基因突变出现癫痫发作不一致，仍需进一步研究来证明。

AE3蛋白由SLC4A3基因编码，主要在大脑和心脏中表达，小鼠和人类相似度高达96%[14]。Slc4a3基因敲除小鼠不会自发癫痫发作，但暴露在戊四氮或匹鲁卡品诱发后，Slc4a3基因敲除小鼠的癫痫发作阈值降低、因癫痫发作出现的死亡率增加；海马CA3区AE3表达较多，SLC4A3基因敲除后破坏HCO₃^-和Cl^-交换，有力的支持了AE3调节癫痫发作易感性的假说[31]。

2.4   碳酸酐酶

红藻氨酸诱发的大鼠癫痫模型中，发现CAⅡ和CAⅦ表达增高[32]。应用野生型小鼠和 CAⅦ敲除小鼠，在生后13～14天进行热诱发实验，两组小鼠产生类似的呼吸性碱中毒，在 野生型小鼠中观察皮层癫痫发作活动，但在CAⅦ敲除小鼠观察到无脑电发作的热性惊厥行为，此实验中还发现CAⅦ通过影响GABA受体，并可诱导神经元的放电，加剧热性惊厥[33]。

乙酰唑胺、唑尼沙胺和托吡酯是碳酸酐酶抑制剂，也是抗癫痫发作药物。乙酰唑胺可以抑制CAⅡ、CAⅦ等多种碳酸酐酶，在4-氨基吡啶诱导的癫痫模型中，乙酰唑胺通过抑制碳酸酐酶，能够减少发作放电的持续时间和发作间隔，减少发作间期放电的间隔，减低癫痫样放电[34]。托吡酯广泛的用于治疗部分性癫痫以及原发性或继发性全面性癫痫发作，其可以抑制所有的碳酸酐酶，尤其是抑制CAⅡ、CAⅦ，应用托吡酯后观察到GABA受体介导的去极化，抑制CO₂储留[15]，该发现认为托吡酯抑制碳酸酐酶可以解释部分抗癫痫作用[15]。

2.5   CO₂与癫痫

在复杂热性惊厥的幼鼠（生后8-11天）模型中，升高体温会导致呼吸频率加快，引起呼吸性碱中毒，脑中pH增加，出现癫痫发作；不改变体温的前提下，应用5% CO₂可在短时间内完全阻断海马和皮层的电活动；腹腔注射碳酸氢盐引起pH改变，同样也可诱发癫痫发作，应用5% CO₂也可阻断癫痫发作[16]。在肌阵挛癫痫大鼠模型中，吸入5% CO₂可以抑制大鼠的癫痫样放电和肌阵挛发作；荷包牡丹碱诱发的猕猴癫痫模型中，吸入5% CO₂后，同样阻断猕猴的皮层放电[35]。吸入5%的CO₂可以降低皮质pH值，减少谷氨酸的释放，并增加GABA的释放，从而减少红藻氨酸大鼠的癫痫发作[6]。

3.1   酸敏感离子通道与癫痫

通过在560例颞叶癫痫患者和401名健康对照组中比较ASIC1a基因的单核苷酸多态性，发现rs844347-A等位基因频率在颞叶癫痫患者明显增高，该项研究的结果首次证明ASIC1a多态性和中国汉族人群的颞叶癫痫相关[36]。对比癫痫患者的病灶组织与正常人脑组织的ASIC1a蛋白表达情况，同样发现癫痫患者病灶组织的ASIC1a蛋白表达量明显降低；在原发性颞叶癫痫脑片中，通过降低脑片灌注液的pH值激活ASIC1a通道，或加入PcTx1阻断ASIC1a通道，结果显示ASIC1a可使中间神经元的敏感性、兴奋性和自发放电增加[17]。局灶性皮层发育不良是公认的难治性癫痫的原因。选择局灶性皮层发育不良手术标本以及同年龄的正常皮层进行研究，结果发现局灶性皮层发育不良的标本中ASIC1a mRAN及蛋白表达均较正常皮层组织降低，并且ASIC1a主要在反应性星形胶质细胞和少数畸形的细胞中观察到，ASIC1a的下调以及细胞分布的改变表明其可能有助于局灶性皮层发育不良的癫痫发生[37]。

3.2   CO₂与癫痫

在临床上，过度换气可以诱发失神发作，其可以快速、明确的诊断失神发作，并在很大程度上避免需要长时间的脑电图记录来捕捉癫痫发作。研究发现，吸入5% CO₂可以减少失神发作以及棘波发放，延长癫痫放电潜伏期，缩短棘波发放持续时间；而该研究中补充100% O_2对失神发作及棘波发放并没有影响，这也说明CO₂具有抗癫痫作用[5]。在难治性癫痫患者吸入5% CO₂，同样发现癫痫发作持续时间减少50%[35]。

3.3   参与pH调节的其他转运蛋白与癫痫

NEH6蛋白（Na⁺/H⁺交换体）的编码基因为SLC9A6，目前发现SLC9A6基因突变后导致Christianson综合征（OMIM300231），主要表现为发育落后、癫痫、共济失调、小头畸形、语言缺失等[38]。在5例基因片段缺失的孤独症女孩中，发现SLC4A10基因（编码NBCn2）的缺失，其中3例患者伴有癫痫发作[14]。5例难治性颞叶癫痫成人患者的颞中回切除组织进行切片制备，治疗剂量的左乙拉西坦可以抑制碳酸氢盐改善神经元pH，调节神经元的兴奋性，实验发现左乙拉西坦可以酸化具有碱性pH的神经元，有助于抗惊厥作用；左乙拉西坦也可碱化具有酸性pH的神经元，有助于促惊厥作用[7]。

从基础和临床研究结果可以看出，大脑酸碱平衡受多方面调节，大脑pH改变与神经兴奋性密切相关，参与癫痫的发生发展。虽然相关的研究较多，尤其是关于参与pH调节的转运蛋白，但多数集中在临床前的基础研究，并且靶向位点的新药研究较少，还需要开展基础实验向临床转化的研究；考虑到动物或细胞模型并不能完全模拟人体的微环境，在将来仍需开展临床研究，更好的诠释大脑酸碱变化与癫痫的相关性，为癫痫治疗和干预的提供新靶点。

利益冲突声明　所有作者无利益冲突。

参考文献略。

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