综述：星形胶质细胞氧化还原稳态作为缺血半暗带DNA损伤与修复的代谢调节因子

《Cells》：Astrocytic Redox Homeostasis as a Metabolic Modulator of DNA Damage and Repair in the Ischemic Penumbra

　　

缺血性卒中引发严重的氧化还原失衡，是决定缺血半暗带内细胞存活的关键因素。虽然氧化应激产生的活性氧（reactive oxygen species, ROS）会导致氧化性DNA损伤，但这类损伤的修复能力受到细胞代谢状态的严格限制。越来越多的证据表明，作为神经血管单元关键代谢调节者的星形胶质细胞，可通过氧化还原缓冲、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide, NAD+）维持及代谢支持，调控神经元对基因组损伤的易感性。在代谢受损但结构尚存的缺血半暗带中，星形胶质细胞对谷胱甘肽周转、线粒体功能及乳酸穿梭的调控，可能决定氧化性DNA损伤是被有效修复还是走向能量崩溃。DNA链断裂后激活的多聚ADP-核糖聚合酶1（poly(ADP-ribose) polymerase 1, PARP1）将基因组应激与NAD+耗竭及生物能量衰竭联系起来，构成了氧化还原生物学与代谢之间的关键接口。该研究框架提出，星形胶质细胞并非通过直接改变DNA修复通路来维持基因组完整性，而是通过维持有效的DNA损伤应答所需的能量储备来实现这一作用。阐明这一以星形胶质细胞为中心的氧化还原-代谢轴，有望揭示稳定半暗带组织并改善卒中预后的治疗策略。

1. 1.
   引言
   缺血性卒中是全球范围内致死和长期致残的主要病因之一，其病理生理学机制远不止初始脑血流减少。缺血半暗带作为一个结构尚存但代谢受损的动态区域，其细胞命运取决于损伤与适应性反应之间的微妙平衡，其中氧化还原稳态的紊乱是决定神经元存活的关键因素。线粒体功能障碍及电子传递链中断导致ROS过量产生，引起包括链断裂和含氮碱基修饰在内的氧化性DNA损伤。然而，单纯的基因组损伤并不必然导致细胞死亡，细胞高效修复DNA的能力才是关键，而这一过程高度依赖于能量资源和整体代谢平衡的可用性。在缺血条件下，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD⁺）和三磷酸腺苷（adenosine triphosphate, ATP）的匮乏会显著削弱碱基切除修复（base excision repair, BER）等DNA修复通路的功能，导致损伤累积并最终走向细胞死亡。
   新兴证据凸显星形胶质细胞作为神经血管单元内氧化还原-代谢轴的核心调节者地位。星形胶质细胞通过缓冲氧化应激、调节谷胱甘肽周转以及向神经元提供代谢底物（尤其是通过乳酸穿梭），在半暗带内显著影响神经元的抗损伤能力。此外，星形胶质细胞在维持细胞内NAD⁺库及支持线粒体功能方面发挥关键作用，从而保存适应性应激反应所需的能量储备。连接基因组应激与代谢衰竭的关键分子接口是多聚ADP-核糖聚合酶1（PARP1）的激活。当感知到DNA链断裂时，PARP1催化ADP-核糖基从NAD⁺转移至靶蛋白，启动聚ADP-核糖基化过程，这是细胞DNA损伤应答的一部分。虽然该过程对DNA修复信号传导至关重要，但在严重氧化应激下的过度激活会导致NAD⁺快速耗竭及随后的生物能量崩溃。因此，PARP1是连接氧化还原失衡与代谢功能障碍的关键开关，介于适应性修复与细胞死亡之间。本研究提出，星形胶质细胞并非通过直接调节DNA修复机制来维持神经元基因组完整性，而是通过维持有效DNA损伤应答所需的代谢和能量环境来实现保护作用。这一以星形胶质细胞为中心的氧化还原-代谢轴可能是缺血半暗带组织存活的关键决定因素，阐明这些机制有望发现新的治疗策略，用于稳定脆弱的脑组织并改善缺血性卒中的预后。
2. 2.
   缺血半暗带作为氧化还原-代谢微环境
   缺血半暗带是一个高度动态且异质性的微环境，以代谢不稳定和精细调控的转录反应为特征。它被定义为低灌注但潜在可挽救的组织，尽管氧气和葡萄糖供应减少，其残余能量代谢仍得以保留。重要的是，半暗带并非静态实体，而是时空演变的区域，细胞命运由缺氧阈值、缺血持续时间及再灌注效率共同决定。这一环境与广泛的转录重塑相关，包括应激反应基因的激活以及调控存活或走向死亡的细胞特异性分子程序。这一适应性反应的关键组成部分是缺氧诱导通路的激活。缺氧诱导因子1α（hypoxia-inducible factor 1α, HIF-1α）作为细胞适应低氧供应的主调节因子，促进血管生成、代谢重编程和细胞存活。HIF信号通路诱导参与糖酵解、葡萄糖转运和氧气稳态的基因表达，使细胞在低氧条件下维持ATP生成。这种从氧化磷酸化向糖酵解的转变是半暗带内基本的代谢适应，允许在线粒体功能障碍的情况下暂时维持生物能量平衡。
   活性氧（ROS）在此环境中既是损伤介质也是信号分子。生理水平的ROS通过蛋白质的可逆氧化还原修饰调节细胞内信号通路，并激活核因子κB（nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells, NF-κB）、核因子红细胞2相关因子2（nuclear factor erythroid 2-related factor 2, Nrf2）和HIF-1α等转录因子。然而，在缺血及再灌注过程中，ROS的过量产生会导致氧化应激和细胞损伤。线粒体功能障碍、NADPH氧化酶激活及其他酶促来源共同促进了ROS生成增加，尤其是在再灌注时氧气重新引入的阶段。这导致脂质、蛋白质和核酸的氧化损伤，进而促进神经元死亡。
   活性氮（reactive nitrogen species, RNS）特别是一氧化氮（nitric oxide, NO）及其衍生物进一步放大了氧化还原失衡。缺血诱导不同类型一氧化氮合酶（nitric oxide synthase, NOS）亚型的激活，包括神经元型（nNOS）、内皮型（eNOS）和诱导型（iNOS），导致NO生成增加。虽然eNOS来源的NO可能通过血管扩张支持灌注，但nNOS和iNOS产生的过量NO则具有神经毒性。重要的是，NO可与超氧阴离子反应生成过氧亚硝酸盐，这是一种高反应性物质，可诱导脂质过氧化、蛋白质硝基化和DNA损伤。
   氧化和亚硝化应激的一个关键下游后果是DNA损伤和修复通路的激活。这一机制凸显了半暗带内氧化还原失衡与代谢崩溃之间的直接联系。半暗带也是氧化应激与神经炎症之间的关键界面。ROS作为上游信号分子激活炎症通路，而炎症细胞进一步增强ROS和RNS的产生，形成自我放大的循环。小胶质细胞是这一过程的核心参与者。激活后，小胶质细胞上调iNOS并产生大量NO，促进亚硝化应激并增加神经元对DNA损伤的易感性。此外，小胶质细胞来源的ROS和细胞因子放大局部氧化应激并影响神经元存活。肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-alpha, TNF-α）和白细胞介素-1β（interleukin-1 beta, IL-1β）等促炎细胞因子进一步调节氧化还原-代谢环境。这些介质通过调节细胞内信号通路影响ROS生成、线粒体功能和抗氧化防御，其作用具有高度的情境依赖性：过度激活促进损伤，而受控的信号传导可能有助于适应性反应，包括抗氧化系统和应激反应通路的诱导。这凸显了炎症在塑造半暗带氧化还原稳态中的双重作用。
   总之，缺血半暗带可被概念化为一个氧化还原-代谢微环境，其中缺氧驱动的转录调控、代谢重编程、氧化应激和神经炎症紧密交织。这些过程的平衡决定了细胞是适应还是发生不可逆损伤。星形胶质细胞通过调节代谢稳态和氧化还原环境，在决定半暗带命运中发挥重要作用。它们通过增加谷氨酸摄取帮助减轻兴奋性毒性；通过向神经元提供代谢底物支持缺血条件下的能量代谢；并通过调节抗氧化系统增强细胞对氧化应激的抵抗力。此外，星形胶质细胞通过释放细胞因子及与小胶质细胞的相互作用参与塑造炎症反应，从而影响神经保护与潜在有害过程之间的平衡。
3. 3.
   氧化应激来源及其对DNA的影响
   缺血触发复杂的病理生理级联反应，其中活性氧（ROS）扮演关键角色。生理条件下，ROS作为信号分子，通过可逆氧化还原修饰调节蛋白质活性并调控突触可塑性。卒中时最重要的ROS种类是过氧化氢和羟基自由基。低浓度过氧化氢调节Nrf2和HIF-1α等转录因子以及激酶信号通路，而高活性的羟基自由基则对大分子造成非特异性损伤。
   线粒体是缺血期间ROS的主要来源。三羧酸循环和氧化磷酸化的破坏导致琥珀酸积累，而缺氧抑制电子传递，导致电子从复合物I和III泄漏，并转向无氧糖酵解。再灌注导致积累的琥珀酸快速氧化，大量电子涌入呼吸链。超过其电子传递能力会引发反向电子传递（reverse electron transport, RET），电子回流至复合物I并直接传递给氧气，产生特征性的线粒体ROS爆发。
   另一个主要ROS来源是NADPH氧化酶（NADPH oxidases, NOX），它将电子从NADPH转移到氧气，产生超氧阴离子。虽然NOX活性通常发挥信号功能，但在卒中后显著增强。缺氧上调神经元中的NOX4和小胶质细胞中的NOX2，后者的促炎激活进一步增强ROS生成和神经元损伤。
   生成的超氧阴离子被超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）转化为过氧化氢。同时，离子失衡和酸中毒促进过渡金属离子（Fe²⁺、Cu⁺）的释放，催化芬顿反应（Fenton reaction）和哈伯-韦斯反应（Haber-Weiss reaction），生成高活性的羟基自由基，这是氧化损伤的主要介质。尽管机制不同，线粒体和NOX来源的ROS汇聚于导致不可逆细胞死亡的相同通路。在氧化应激下，鸟嘌呤因其在所有含氮碱基中氧化电位最低而特别易受氧化。
   鸟嘌呤氧化的最常见产物是8-氧鸟嘌呤（8-oxoguanine, 8-oxoG）。它是羟基自由基攻击嘌呤环C8位的结果。8-oxoG具有强致突变潜力。复制过程中，DNA聚合酶常将其与腺嘌呤错配，导致GC→TA颠换。进一步氧化会产生如鸟嘌呤酰肼（guanidinohydantoin, Gh）和螺亚氨基乙内酰脲（spiroiminodihydantoin, Sp）等损伤，它们抑制RNA聚合酶II的延伸，损害蛋白质合成，且不易被8-氧鸟嘌呤DNA糖基化酶1（8-oxoguanine DNA glycosylase 1, OGG1）识别。因此，DNA损伤累积，细胞死亡通路被激活。在缺血半暗带，有限的能量可用性进一步损害修复机制，加速神经元变性。
   氧化应激还可引起广泛的嘌呤降解。在缺氧和酸性条件下，鸟嘌呤自由基加合物经历还原和开环，形成FapyG和FapyA。这些损伤通过碱基切除修复的效率较低，并与更差的卒中结局和增加的凋亡信号相关。羟基自由基还通过攻击C5=C6键损伤嘧啶，生成胸腺嘧啶二醇、尿嘧啶二醇、二氢胸腺嘧啶和5-羟基胞嘧啶，后者可能脱氨形成致突变的5-羟基尿嘧啶。这些损伤由NEIL（DNA glycosylase, NEIL）和nei样DNA糖基化酶3（nei-like DNA glycosylase 3, NEIL3）移除，后者在祖细胞和神经发生中起关键作用。
   氧化性碱基的积累促进了更高阶的DNA损伤，包括由羟基自由基直接攻击脱氧核糖以及脂质过氧化和蛋白质氧化过程中产生的次级自由基引起的单链断裂。双链断裂（double-strand breaks, DSBs）是最具破坏性的基因组损伤形式，在缺血-再灌注期间通过直接和酶促机制产生。直接机制中，当两个独立的氧化性损伤在相反链上邻近位置发生时，会导致双链断裂，丧失螺旋连续性。羟基自由基还可通过攻击脱氧核糖诱导无碱基位点（apurinic/apyrimidinic sites, AP sites），生成糖自由基并裂解N-糖苷键。AP位点在再灌注期间尤其增加，其后续氧化进一步增加了DNA骨架对其他损伤的易感性。
   细胞通过激活非同源末端连接（non-homologous end joining, NHEJ）、核苷酸切除修复（nucleotide excision repair, NER）和碱基切除修复（BER）来应对氧化性DNA损伤，其中BER是缺血性卒中后修复氧化性损伤的主要通路。BER由DNA糖基化酶启动，随后由无碱基位点内切酶1（apurinic/apyrimidinic endonuclease 1, APE1）切割AP位点。修复通过短补丁（DNA聚合酶β）或长补丁（DNA聚合酶δ/ε）合成进行，并由DNA连接酶完成。在缺血状态下，受损的能量供应破坏了BER效率，导致有毒修复中间体和链断裂，而过度的PARP1激活进一步消耗NAD⁺和ATP，加剧神经元损伤。在有丝分裂后的神经元中，修复双链断裂的主导通路是NHEJ，由Ku70/Ku80蛋白复合体启动，并受组蛋白H2AX（H2A histone family member X）磷酸化和p53结合蛋白1（p53-binding protein 1, 53BP1）募集的支持。这一机制快速但易出错，使其高效但不精确。NER清除强烈扭曲DNA螺旋的损伤，其效率部分依赖于切除修复交叉互补组1（excision repair cross-complementation group 1, ERCC1），其在缺血半暗带表达增加并支持神经元存活。
   活性氮（RNS）进一步促进缺血性损伤。半暗带激活的小胶质细胞产生一氧化氮（NO）和过氧亚硝酸盐（ONOO^?），加剧线粒体功能障碍和能量亏缺。RNS诱导DNA碱基修饰和链断裂，激活耗能的修复过程，在ATP耗竭的条件下，加速了从可逆功能障碍向不可逆神经元死亡的转变。亚硝化产物还会破坏血脑屏障并放大局部炎症。损伤程度部分取决于小胶质细胞表型：促炎表型占优势会增加RNS产生，而修复表型可能限制组织损伤。总体而言，氧化和亚硝化应激是缺血性脑损伤的核心介质。过量的ROS和RNS产生导致广泛的DNA损伤，而能量耗竭导致的修复机制受损则引起基因组病变累积、神经元死亡和缺血性损伤进展。
4. 4.
   星形胶质细胞作为氧化还原环境的调节者
   星形胶质细胞形成一个功能性合胞体，神经元对其表型有深远影响。这涉及数百个基因的激活和数百个基因的抑制；星形胶质细胞只有在神经元存在的情况下才能达到完全成熟的表型。神经元信号还通过多种通路在增强星形胶质细胞抗氧化防御方面发挥关键作用。与神经元相比，星形胶质细胞表现出显著更高的抗氧化酶表达，如线粒体超氧化物歧化酶、血红素氧合酶-1（heme oxygenase-1, HO-1）和谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase, GPx），这些酶在氧化应激下受Nrf2信号通路调节。
   神经元和星形胶质细胞具有不同的代谢特征。在有氧条件下，神经元主要通过氧化途径代谢葡萄糖，而星形胶质细胞摄取的葡萄糖优先通过糖酵解处理。由此产生的乳酸被释放并被神经元摄取，神经元有效地利用其作为氧化代谢的底物。除了能量作用外，乳酸还可能通过稳定NADH/NAD⁺比率和减轻电子传递链过载来减少线粒体ROS生成。这一现象被称为星形胶质细胞-神经元乳酸穿梭（astrocyte-neuron lactate shuttle, ANLS）。乳酸通过单羧酸转运蛋白（monocarboxylate transporters, MCTs）输出到细胞外空间，再从那里通过神经元MCT转运到神经元内。这一过程部分由浓度梯度驱动——星形胶质细胞内的乳酸水平高于神经元。缺血条件下ANLS的破坏会导致神经元线粒体负担加重、ROS生成增加以及DNA损伤风险升高。然而，该模型仍存在持续争议。
   星形胶质细胞优先表达乳酸脱氢酶5（lactate dehydrogenase 5, LDH5，由LDHA亚基组成），而神经元主要表达乳酸脱氢酶1（LDH1，由LDHB亚基组成）。两种亚型催化相同的可逆反应，并可双向运行，但它们的动力学特性不同，因而偏好方向相反。LDH1（神经元）倾向于将乳酸转化为丙酮酸，这与氧化磷酸化中乳酸的利用一致。相反，LDH5（星形胶质细胞）倾向于将丙酮酸转化为乳酸，支持高糖酵解通量和NAD⁺再生。虽然它们在体外的动力学特性表明LDH1有利于乳酸利用，LDH5支持乳酸生成，但实际体内的方向性在很大程度上取决于局部底物/产物比率和细胞工作负荷。ANLS模型的批评者（如Dienel）认为，在强烈的神经元激活期间，神经元会加速自身的糖酵解，并可能产生或积累乳酸，而非严格依赖进口。
   神经元很少将葡萄糖用于糖酵解，而是将很大一部分分流到磷酸戊糖途径（pentose phosphate pathway, PPP）。这部分是由于6-磷酸果糖-2-激酶/果糖-2,6-二磷酸酶3（6-phosphofructo-2-kinase/fructose-2,6-biphosphatase 3, PFKFB3）的低表达，该酶生成果糖-2,6-二磷酸，是磷酸果糖激酶-1的强效变构激活剂。然而，替代模型强调这种代谢分配是高度动态的。在高工作负荷或氧化应激条件下，神经元可以上调糖酵解并直接利用葡萄糖来满足其能量需求，挑战了其严格依赖星形胶质细胞乳酸的观点。在星形胶质细胞中，丙酮酸氧化与丙酮酸脱氢酶激酶4（pyruvate dehydrogenase kinase 4, PDK4）的高表达密切相关，PDK4磷酸化并抑制丙酮酸脱氢酶复合体（pyruvate dehydrogenase complex, PDH）。在星形胶质细胞中，高PPP活性是NADPH的主要来源，NADPH对还原型谷胱甘肽（reduced glutathione, GSH）的再生至关重要，从而直接决定中和ROS的能力。此外，一碳代谢（叶酸和甲硫氨酸循环）支持NADPH生成，并将氧化还原控制与细胞代谢整合在一起。
   糖酵解和糖原分解对星形胶质细胞的正常功能至关重要，因为其微小的细胞突起非常狭窄，无法容纳许多线粒体。因此，胞质ATP生成以及ATP和磷酸肌酸的扩散发挥着关键作用。星形胶质糖原对神经元活动也至关重要；例如，抑制星形胶质糖原分解会损害记忆巩固。同样，乳酸穿梭对长期记忆形成和维持长时程增强至关重要。有趣的是，过量的乳酸供应可能会增加痛觉敏感性，并参与神经病理性疼痛的病理生理学。
   神经元将大多数复合物I整合到呼吸链超级复合体中，促进高效的电子传递并最小化电子泄漏到氧气中。相比之下，星形胶质细胞拥有更大的“游离”复合物I池，更容易发生电子泄漏。这一特征可能支持其增强的抗氧化能力。星形胶质细胞还可能稳定神经元线粒体膜电位，限制氧化应激的传播。星形胶质细胞过氧化物酶体通过过氧化氢酶和其他氧化酶促进ROS解毒，提供了额外的氧化还原控制层。尽管如此，线粒体ROS仍促进痴呆的发展。
   维持氧化还原平衡对细胞存活至关重要。例如，在线粒体外膜透化和细胞色素c释放期间，只有氧化形式（Fe³⁺）的细胞色素c才能有效结合Apaf-1并启动caspase-9激活。星形胶质细胞在抗氧化防御方面显著优于神经元。它们的磷酸戊糖途径活性高出5至7倍。星形胶质细胞也是神经元谷胱甘肽前体的主要来源，神经元合成谷胱甘肽的能力有限，使其在功能上依赖于星形胶质细胞的GSH代谢。它们的蛋白质组广泛适应于在应激条件下维持稳态。Nrf2是关键调节因子，由于kelch样ECH相关蛋白1（kelch-like ECH-associated protein 1, Keap1）介导的组成性降解，其在神经元中几乎不存在。Nrf2激活ARE（抗氧化反应元件）依赖的基因，包括那些对谷胱甘肽合成至关重要的基因。它的存在保护混合（含星形胶质细胞）原代培养中的神经元。
   星形胶质细胞中Nrf2的激活，除其他外，由N-甲基-D-天冬氨酸（N-methyl-D-aspartate, NMDA）受体介导的谷氨酸能信号促进。在星形胶质细胞中，谷氨酸信号传导作为对神经元活动增加和即将到来的氧化还原负担的预期线索。因此，星形胶质细胞主要通过受体介导的通路激活Nrf2，而不是等待ROS积累。另一个相关的相互作用是，在炎症条件下，小胶质细胞来源的NO可能修饰Keap1（通过半胱氨酸S-亚硝基化），导致Nrf2释放。激活的小胶质细胞也是ROS的来源，进一步刺激星形胶质细胞的抗氧化反应。
   在星形胶质细胞中，Nrf2激活强烈诱导SLC7A11转运蛋白（system xCT）的表达，增加细胞外胱氨酸的摄取。胱氨酸以NADPH为代价还原为半胱氨酸，用于 intensive 谷胱甘肽合成或输出回细胞外空间以供给神经元。由于system xCT活性低且直接摄取胱氨酸或完整谷胱甘肽的能力有限，神经元在功能上依赖于这一途径获得还原型半胱氨酸供应，这是其谷胱甘肽合成的限速步骤。这一循环至关重要；与星形胶质细胞共培养可防止线粒体促氧化剂毒素诱导的神经元死亡和损伤。一般而言，暴露于严重的、可能致命的应激可能会使神经元对随后的损伤敏感，加剧毒性。相反，轻微的非致死性应激可诱导耐受性并抵抗随后的损伤。在强烈氧化应激中存活的星形胶质细胞表现出对进一步氧化挑战的抵抗力，并显示Nrf2和谷胱甘肽水平升高。然而，谷胱甘肽并非氧化应激抵抗的唯一决定因素——Nrf2参与多种保护机制。星形胶质细胞还表现出对蛋白酶体抑制诱导的蛋白质毒性应激的高抵抗力，维持适应能力（“二次打击保护”）。尽管错误折叠蛋白积累，但谷胱甘肽并未耗尽，表明其氧化还原控制高效，尽管谷胱甘肽对细胞存活仍然至关重要。
   胱氨酸/谷氨酸逆向转运蛋白（system xCT）可被Nrf2激活，增加胱氨酸摄取和谷胱甘肽合成。然而，这与谷氨酸输出到细胞外空间相耦合。这一机制反映了抗氧化保护与潜在加剧兴奋性毒性之间的权衡。星形胶质细胞可以通过共激动剂D-丝氨酸调节NMDA受体激活阈值，其合成在严重氧化应激下因谷胱甘肽生成增加而减少。值得注意的是，星形胶质细胞也可能响应炎症信号向突触间隙释放谷氨酸。
   星形胶质细胞最重要的作用之一是清除突触间隙的谷氨酸。随后，在ATP依赖的反应中，谷氨酰胺合成酶将谷氨酸和铵转化为谷氨酰胺，也有助于氨解毒。这防止了受体的过度刺激并保护神经元免受兴奋性毒性。产生的谷氨酰胺被转运回神经元，在那里再次转化为谷氨酸并补充突触小泡。
   谷氨酸摄取是耗能过程，通过与三个钠离子共转运进行。所需的钠梯度由Na⁺/K⁺-ATP酶维持，导致每转运一个谷氨酸有效消耗一个ATP分子。在其转化为谷氨酰胺的过程中额外消耗一个ATP分子。
   生理条件下，谷氨酸摄取的限制因素似乎是转运蛋白丰度而非能量可用性。在星形胶质细胞中，谷氨酸可以进入三羧酸（tricarboxylic acid, TCA）循环用于能量产生，尽管这不是其主要归宿。星形胶质细胞通过提供谷氨酰胺支持神经元TCA循环功能，因为神经元缺乏从丙酮酸补充草酰乙酸的能力。
   星形胶质细胞并非避免氧化磷酸化。为了理解能量动态，重要的是要注意磷酸肌酸比腺嘌呤核苷酸扩散快得多，并将能量穿梭到高需求部位。因此，ADP不需要长距离扩散回线粒体。该系统既充当能量缓冲也充当运输机制，尽管需求波动，仍维持稳定的ATP、ADP和无机磷酸盐水平。ADP作为底物直接响应ATP消耗刺激线粒体酶，而预期性调节由钙离子介导。细胞内Ca²⁺通过多种机制响应谷氨酸增加，主要是通过激活星形胶质细胞上的代谢型谷氨酸受体，导致Ca²⁺从内质网释放。谷氨酸共转运引起的胞内Na⁺增加可激活Na⁺/Ca²⁺交换器（Na⁺/Ca²⁺exchanger, NCX），在此条件下以反向模式运行，将Ca²⁺导入细胞。升高的Ca²⁺通过葡萄糖转运蛋白1型（glucose transporter type 1, GLUT1）增强葡萄糖转运，并激活苹果酸-天冬氨酸穿梭（malate-aspartate shuttle, MAS）等关键氧化酶，增加NADH向线粒体的递送，以及异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶等。
   反应性星形胶质细胞是损伤后出现的一种表型。这涉及肥大和广泛的转录组重编程。其主要作用是在应激条件下稳定神经元微环境：它们增强谷氨酸摄取，缓冲钾离子，并分泌包括γ-氨基丁酸（gamma-aminobutyric acid, GABA）、ATP和细胞因子在内的各种信号分子。在阿尔茨海默病中，星形胶质细胞来源的GABA促进神经退行性变。反应性星形胶质细胞还在损伤部位周围形成物理和功能屏障，限制炎症和毒素的扩散，但长期抑制轴突再生和可塑性。
   在正常氧条件下，脯氨酰羟化酶结构域酶（prolyl hydroxylase domain enzymes, PHDs）利用分子氧将HIF-1α羟化，靶向其进行泛素化和蛋白酶体降解。PHDs需要氧气、Fe²⁺和2-氧戊二酸作为辅因子。因此，不仅是缺氧，而且由于末端电子受体可用性有限导致呼吸链中电子积累而引起的ROS增加也会降低其活性。ROS、HIF-1和Nrf2之间存在紧密的串扰，其中ROS可以稳定HIF-1α并激活Nrf2，在半暗带内形成整合的适应性反应系统。此外，琥珀酸和延胡索酸等TCA循环代谢物的积累通过竞争α-酮戊二酸抑制PHDs。高HIF-1α水平是干细胞和癌细胞的特征；在这些情况下，水平升高不仅源于稳定，还源于雷帕霉素机制靶蛋白复合体1（mechanistic target of rapamycin complex 1, mTORC1）激活驱动的翻译增强。HIF-1α的一个关键下游效应子是丙酮酸脱氢酶激酶1（pyruvate dehydrogenase kinase 1, PDK1），它磷酸化并抑制PDH，从而限制电子流入呼吸链。
   即使是睡眠呼吸暂停等疾病也可诱导海马体的有害变化，包括炎症和显著的表观遗传改变。DNA去甲基化酶TET1（ten-eleven translocation 1）作为HIF-1的转录共激活因子，慢性激活HIF靶基因可能既促炎又致癌。HIF-1在塑造对缺氧的免疫反应中起重要作用，其激活构成对低氧条件的有效适应性反应，具有总体保护作用。
   总之，星形胶质细胞是神经元应对代谢和氧化应激的重要调节者。通过调节氧化还原平衡、能量底物可用性和谷氨酸稳态，它们有助于细胞适应，并可能帮助限制与氧化损伤相关的机制。这些多样的功能使星形胶质细胞处于代谢调节、抗氧化防御和神经保护的交汇点。
5. 5.
   星形胶质细胞对神经元DNA损伤与修复的调节
   在缺血性卒中期间，神经元迅速积累由氧化应激、能量耗竭和线粒体功能障碍引起的DNA损伤。随着内源性修复系统变得不足，细胞从可逆功能障碍转变为不可逆死亡。同时，ROS水平显著上升。虽然ROS通常发挥信号功能，但在缺血期间它们诱导DNA碱基修饰、无碱基位点和链断裂。
   这些损伤激活DNA损伤应答（DNA damage response, DDR），其中PARP1发挥核心作用。该酶催化聚ADP-核糖合成，募集XRCC1（X-ray repair cross-complementing protein 1）和DNA聚合酶β等BER相关蛋白，并支持氧化性DNA损伤的修复。核苷酸切除修复通路通过清除显著扭曲DNA螺旋的损伤来补充BER。然而，过度的氧化应激导致PARP1过度激活，造成NAD⁺和ATP耗竭、线粒体功能障碍和继发性ROS生成，从而放大细胞损伤。
   独立于星形胶质细胞的支持，神经元主要依靠其内在的DNA修复机制来维持基因组完整性。在可用的通路中，碱基切除修复是清除缺血期间产生的氧化性DNA损伤（包括氧化碱基、无碱基位点和单链断裂）的主要机制。OGG1、APE1、XRCC1和DNA聚合酶β等关键BER蛋白在维持神经元基因组稳定性方面发挥重要作用。此外，核苷酸切除修复有助于清除大块DNA损伤，而非同源末端连接是有丝分裂后神经元修复双链断裂的主要通路。实验研究表明，这些修复系统的损害会增加神经元对缺血性损伤的易感性，凸显了神经元内在DNA修复机制作为对抗缺血诱导基因组不稳定的第一道防线的重要性。然而，这些通路的效率受到细胞代谢和氧化还原环境的强烈影响，这为星形胶质细胞间接调节神经元DNA修复能力创造了潜在的接口。
   在这个关键时刻，星形胶质细胞承担了关键的保护作用。作为最早对缺血作出反应的细胞类型之一，它们经历代谢和分泌重编程。星形胶质细胞释放营养、抗氧化和抗炎因子，减少神经元氧化应激，并可能通过维持细胞稳态间接支持DNA修复过程。它们还通过调节能量底物可用性和调节神经炎症来稳定半暗带微环境，这两者都可能影响神经元中BER、NER和NHEJ通路的效率。因此，星形胶质细胞可能通过塑造代谢、氧化还原和炎症微环境，成为神经元对DNA损伤反应的重要调节者。然而，直接证明星形胶质细胞在缺血半暗带调节特定神经元DNA修复通路的证据仍然有限，这一概念需要进一步实验验证。
   持续的PARP1过度激活可能引发parthanatos，一种与过度聚ADP-核糖积累相关的caspase非依赖性细胞死亡形式。一个关键事件是凋亡诱导因子（apoptosis-inducing factor, AIF）从线粒体释放并转位到细胞核，在那里促进广泛的DNA片段化和染色质浓缩。这一机制在卒中和神经退行性疾病中显著促进神经元损伤。在ROS诱导的损伤级联背景下，星形胶质细胞发挥关键的保护作用，作为神经元微环境中氧化还原和代谢稳态的核心组成部分。与神经元相比，这些细胞表现出更高效的抗氧化系统和更大的代谢灵活性，使其能够作为氧化应激的缓冲器。一个主要的保护机制涉及谷氨酰胺通路，通过该通路，星形胶质细胞提供谷胱甘肽（GSH）前体，神经元利用这些前体中和ROS并维持氧化还原平衡。Nrf2信号通路的激活通过诱导超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和参与NADPH再生的酶进一步增强抗氧化能力。星形胶质细胞还通过星形胶质细胞-神经元乳酸穿梭向神经元提供乳酸来支持神经元能量代谢，从而在氧气可用性有限的情况下维持ATP生成。通过这些机制，星形胶质细胞有效降低ROS水平并稳定神经元代谢，从而减少DNA损伤的频率和严重程度。因此，PARP酶的激活受到限制，NAD⁺消耗减少。维持足够的NAD⁺水平确保糖酵解、TCA循环和氧化磷酸化等代谢通路的正常运作，防止ATP耗竭和线粒体功能障碍。同时，稳定的氧化还原环境和充足的能量可用性支持基本DNA修复机制（如BER和NER）的效率，这对清除氧化和结构DNA损伤至关重要。通过这种方式，星形胶质细胞可能通过维持有利的代谢和氧化还原条件间接促进神经元DNA修复，潜在地降低PARP1过度激活和随后神经元死亡的可能性。神经元DNA损伤调节的另一个层面涉及与细胞代谢、能量状态和氧化还原平衡密切相关的表观遗传机制。一碳代谢（包括叶酸和甲硫氨酸循环）的紊乱会影响由S-腺苷甲硫氨酸（S-adenosylmethionine, SAM）与S-腺苷同型半胱氨酸（S-adenosylhomocysteine, SAH）比率决定的细胞甲基化潜能。蛋氨酸可用性和一碳通量的变化会改变SAM水平，影响DNA和组蛋白甲基化、染色质组织和修复复合物的可及性。此外，这些变化可能影响DNA损伤应答酶（如PARP1）的活性，其功能与细胞代谢状态和辅因子可用性相耦合。表观遗传修饰直接影响编码主要DNA修复通路（包括BER和NER）以及氧化应激反应和氧化还原稳态相关蛋白的基因表达。在神经元中，这在转录相关DNA断裂的背景下尤为相关，这可能调节即刻早期基因表达并影响神经元可塑性。在卒中等病理条件下，SAM/SAH轴的失调可能导致影响基因组稳定性相关基因的转录紊乱，进一步损害神经元修复DNA损伤的能力。由于其高能量需求和有限的再生能力，神经元对代谢稳态的破坏特别敏感。因此，一碳代谢代表了细胞代谢状态与DNA损伤应答表观遗传调节之间的关键联系，整合了代谢信号与染色质调节和基因表达。
   尽管越来越多的证据支持这一模型，但直接证明缺血性卒中后星形胶质细胞介导的神经元特定DNA修复通路调节的证据仍然有限。大部分现有证据来自实验模型、体外研究或相关病理状况（如衰老和神经退行性疾病）。因此，所提出的星形胶质细胞-氧化还原-DNA修复轴目前应被视为一个由趋同机制证据支持的概念框架，而非人类缺血性卒中中已完全确立的通路。需要进一步转化和临床研究来确定星形胶质细胞是否直接在卒中后调节神经元DNA修复和基因组稳定性。
   总之，缺血性卒中与氧化应激增加、DNA损伤和细胞修复机制的激活相关。这些反应的效率可能影响神经元存活和功能恢复。星形胶质细胞有助于维持氧化还原和代谢稳态，从而支持神经元功能和DNA修复过程。此外，与一碳代谢相关的表观遗传机制可能调节参与基因组维持和应激反应的基因表达。这些相互关联的通路共同塑造了对缺血性损伤的细胞反应，并可能有助于卒中的总体结局。
6. 6.
   氧化还原-代谢阈值作为向不可逆性转变的转折点及治疗意义
   缺血性卒中后立即发生的微血管事件启动了决定组织命运的一系列过程。缺血早期的特点是快速能量衰竭、氧化还原失衡和神经血管单元破坏。这些过程形成了一个耦合的、依赖阈值的代谢系统，超过关键的生物能量极限会触发导致细胞死亡的氧化-线粒体级联反应。
   从转化角度来看，治疗策略应侧重于维持星形胶质细胞的氧化还原-代谢能力，以保护半暗带内的DNA完整性。这包括维持NAD⁺水平、控制PARP1活性，以及将Nrf2依赖的抗氧化反应与PPP通量和GSH再生整合起来。稳定线粒体功能和保留星形胶质细胞-神经元代谢偶联也至关重要，因为它们能够重新分配能量底物并缓冲氧化应激。其他靶点包括调节小胶质细胞-星形胶质细胞相互作用、支持一碳代谢，以及通过衰老细胞清除疗法（senolytics）或SASP调节限制衰老细胞积累，从而减少慢性炎症和继发性DNA损伤。
   这些观察结果进一步强调了星形胶质细胞在缺血条件下维持神经元代谢稳定性和基因组完整性的核心作用。NAD⁺是生物能量学、氧化还原平衡、DNA修复和线粒体稳态的中枢调节因子。在缺血半暗带，其水平迅速下降，支持旨在维持星形胶质细胞中NAD⁺的治疗策略。这保留了线粒体稳定性、氧化还原能力和DNA保护。增强NAD⁺库延长了半暗带的“可逆窗口”，限制了向不可逆坏死的进展。
   除了作为生物能量学和氧化还原平衡的中枢调节因子外，NAD⁺还作为多种酶的辅因子，包括sirtuin 1/3/6（NAD⁺-依赖的去乙酰化酶）、PARP1/2、CD38/CD157和含无菌α和TIR基序1（sterile alpha and TIR motif containing 1）。它在DNA修复、复制叉稳定性和防止parthanatos中也发挥关键作用。NAD⁺水平随年龄增长而下降，与线粒体功能障碍、DNA损伤积累、自噬和线粒体自噬受损、ROS增加和神经炎症相关。维持足够的NAD⁺水平对大脑功能、线粒体保护、DNA修复和抗氧化应激抵抗力至关重要。
   为了调节NAD⁺代谢，已经开发了几种治疗策略，包括补充NAD⁺及其前体、抑制消耗NAD⁺的酶以及激活NAD⁺生物合成通路。最常用的前体包括烟酰胺（nicotinamide, NAM）、烟酰胺单核苷酸（nicotinamide mononucleotide, NMN）和烟酰胺核糖（nicotinamide riboside, NR）。口服NR给药可提高人类（高达约2.7倍）和小鼠的NAD⁺浓度，并具有明确的药代动力学特征，且比烟酸和NAM更有效地提高肝脏NAD⁺水平。在健康志愿者中，NR可增加循环NAD⁺而无显著不良反应，支持其安全性和转化潜力。临床前研究表明，NAD⁺前体在缺血和缺氧条件下发挥抗炎、抗氧化和神经保护作用。在神经退行性模型中，NR可减少DNA损伤、神经炎症和凋亡，同时增强SIRT3活性并改善认知和突触可塑性。值得注意的是，在NMDA诱导的兴奋性毒性下，NR可能比直接给予NAD⁺提供更强的神经保护作用，这可能是由于更好地维持了细胞内NAD⁺