大腦微環境的酸堿平衡對正常發揮神經系統功能至關重要。維持腦中酸堿平衡穩態的機制十分復雜，由多種轉運蛋白和酶共同調節。酸堿平衡的波動對整個大腦的活動產生影響，可以影響神經元的興奮性，甚至會導致癲癇發作。癲癇是常見的神經系統疾病，其發病機制十分復雜，病因眾多，藥物治療仍是主要方法，但是治療效果有限，因此迫切需闡明癲癇的病理機制，探索新的治療方向。本文概述了參與大腦酸堿平衡的調節的轉運蛋白（酸敏感離子通道、Na+/H+交換體、Na+/HCO3?共轉運體、陰離子轉換體、碳酸酐酶等）以及肺部對酸堿平衡的調節。從基礎和臨床兩方面詳細的介紹了這些轉運蛋白如何參與大腦酸堿平衡穩定的維持，以及對癲癇發生發展的影響，為癲癇治療和干預的提供新靶點。
引用本文： 盧倩, 張淇, 王楊陽, 王秋紅, 敦碩, 王嘉, 鄒麗萍. 腦內酸堿平衡改變對癲癇發生發展的影響. 癲癇雜志, 2023, 9(5): 400-405. doi: 10.7507/2096-0247.202306005 復制
大腦微環境的酸堿平衡在維持中樞神經系統最佳生理功能方面發揮關鍵作用。許多代謝過程會產生氫離子，而氫離子又會影響細胞代謝和存活，當血液中游離氫離子濃度增加或減少0.1 μM都將是致命的[1]。大腦細胞酸化，氫離子濃度增加，可能與大腦中的酶或蛋白結合，影響其結構和功能；相反，大腦堿中毒的病理狀態下也會出現神經元的損傷[2]。正常生理狀態下機體的pH值在7.35～7.45之間，酸堿波動可以通過pH敏感受體或通道對整個大腦活動產生影響，參與神經元興奮性、突觸傳遞、細胞間通訊等，在學習、記憶、神經退行性疾病，尤其癲癇中起著重要作用[3]。
癲癇是常見的中樞神經系統疾病，全球有超過7 000萬的癲癇患者，以嬰兒和老年人的發病率較高[4]。癲癇的發病機制復雜，病因眾多，抗癲癇發作藥物仍是癲癇治療的主要方法，雖然目前已經有較多種類的抗癲癇發作藥物，但仍有1/3的患者發作難以控制[4]。反復的癲癇發作不僅對患者身心造成嚴重的傷害，還給家庭和社會帶來沉重的負擔。因此，迫切需要闡明癲癇的病理機制，來更好的治療和預防癲癇的發生發展。
大腦酸堿平衡的調節對神經元興奮性至關重要。在腦電圖監測中采用的過度換氣試驗就是使腦中pH升高（堿性改變）增加神經元興奮性這一原理，當過度換氣時因為大量的呼出CO2，引起呼吸性堿中毒，可以誘發兒童失神癲癇的發作[5]；而通過CO2吸入，降低大腦pH（酸性改變），可以抑制癲癇發作[6]。癲癇發作時會造成乳酸生成、CO2積累，進而改變大腦酸堿平衡。因此，大腦酸堿平衡的改變與癲癇的相互關系引起研究者極大的興趣。本文將對此進行綜述，重點關注：① 大腦酸堿平衡的調節；② 大腦酸堿平衡改變對癲癇發生發展影響的基礎研究；③ 大腦酸堿平衡改變對癲癇發生發展影響的臨床研究。
1 大腦酸堿平衡穩態的調節重要環節
通常，機體的酸堿平衡是由肺、腎臟以及多種轉運蛋白共同調節維持的[7]。由于神經元頻繁的電活動，并且還存在谷氨酸、紅藻氨酸、γ-氨基丁酸、甘氨酸等遞質會導致神經元和星形膠質細胞酸化，因此大腦的pH調節更加復雜精細[8]。多種轉運蛋白和酶將H+移入或移出細胞，進而維持細胞微環境的pH穩定，參與大腦酸堿平衡調節（圖1）。
圖1
大腦酸堿平衡穩態調節的重要環節
多種轉運蛋白參與細胞酸堿平衡調節，ASIC：酸敏感離子通道，NHE：Na+/H+交換體，NBCs：Na+/HCO3?共轉運體，AE：陰離子轉換體，CA：碳酸酐酶，MCT：單羧酸轉運蛋白。該圖參考文獻繪制[7]
1.1 酸敏感離子通道
酸敏感離子通道（Acid-sensing ion channel，ASIC）是一種對細胞外pH敏感的跨膜蛋白，會快速響應細胞外酸化并打開。H+可以激活ASICs，使其對Na+通透，因此ASICs是質子門控鈉離子通道，也屬于鈉離子通道/退化蛋白（Epithelial sodium channel/degenerin，ENaC/DEG）超家族的成員，主要分布在脊椎動物中樞和外周神經系統[9]。自從1997年首次克隆出ASICs蛋白，目前已經確定了七種亞基，包括ASIC1a、ASIC1b、ASIC1b2、ASIC2a、ASIC2b、ASIC3和ASIC4，均由兩個跨膜結構域、一個較大的細胞外環以及位于細胞內的C末端、N末端構成[9]。雖然結構大致看似相同，但不同的ASICs對細胞外的酸敏感性不同，其中ASIC1a和ASIC3對細胞外酸的變化最敏感。
ASIC1a相關研究較多，單個ASIC1a亞基由500多個氨基酸組成，通過對雞ASIC1a的結構（ASIC1a在雞與人中相對保守，同源性可達90%）研究，發現其類似“拳頭”樣，由跨膜TM結構域以及β球、拇指、指關節、手指、手掌、手腕結構域等共同組成[10]。ASIC1a的晶體結構顯示由三個亞基形成的同源三聚體或含有ASIC1a的異源三聚體組成的功能性離子通道，類似“圣杯結構”，其可以在毫秒的時間尺度上發揮功能，主要是包括三種功能狀態：高pH關閉、低pH脫敏、低pH開放[10]。TM結構域呈漏斗排列，形成ASIC1a的離子通道特性，對Na+可通透，其獨特之處在于仍可以對Ca2+可通透[9，10]。在細胞外環由拇指、手指形成的結合配體的凹陷，稱為“酸性口袋”，當與H+結合時，ASIC1a的跨膜結構域發生構象改變，導致陽離子內流[10]。抗利尿及阿米洛利及其類似物是ASIC1a的非特異性阻斷劑，可以減輕由于酸介導細胞鈣超載及細胞壞死；PcTX1（Psalmotoxin1）是第一個有效且特異性的ASIC1a蛋白抑制劑，其是一種從南美狼蛛的毒液中純化而來的多肽，可以促進ASIC1a的脫敏狀態[11]。
1.2 Na+/H+交換體
Na+/H+交換體（Na+/H+ exchanger，NHE）在神經系統中普遍表達，NHE家族由9個成員NHE1-NHE9，其中NHE1是最廣泛表達的[12]。NHE的成員具有相似的膜拓撲結構，都有N端跨膜結構域（參與離子結合）和一個大的C末端細胞質結構域（參與細胞內信號傳遞），NHE1-NHE5位于不同細胞類型的質膜中，而NHE6-NHE9位于細胞內的細胞器[13]。NHE1在海馬和皮層的神經元中，主要由細胞內pH降低激活，當細胞內出現酸中毒時，NHE1可以催化一個細胞外Na+與一個細胞內H+進行交換，其功能依賴Na+/K+-ATPase驅動的Na+梯度，最終維持細胞內pH的穩態，防止細胞內酸化[12]。
1.3 Na+/HCO3-共轉運體
Na+/HCO3?共轉運體（Na+/HCO3? cotransporters，NBCs）是Slc4基因家族中的一部分，在大腦的不同區域以及培養的神經元和星形膠質細胞中表達，介導Na+和HCO3?共同轉運體，可以每個Na+轉運兩個或三個HCO3-[14]。已知NBCe1有三個剪接突變（A、B、C），但只有NBCe1-B和NBCe1-C在大腦中表達。
1.4 陰離子轉換體
除了Na+/HCO3?共轉運體，Slc4基因家族中還包括陰離子轉換體（Anion exchangers，AEs）。AE是跨膜蛋白，通常擠出HCO3?以換取Cl?流入，為Na+非依賴性，具有此電中性活性的AE有三個亞型（AE1-AE3），在大腦和視網膜中表達[8]，在細胞質N末端包含pH感應域，可以嚴格的調節AE活性已經pH變化。
1.5 碳酸酐酶
碳酸酐酶（Carbonic anhydrases，CAs）將CO2可逆性轉為H+和HCO3?，維持大腦pH穩定的緩沖機制之一。人類存在16種碳酸酐酶的亞型，其分布在不同的組織和亞細胞中，具有不同的催化活性，據報道CAⅡ、CAⅦ、CAXIV與癲癇相關，CAⅡ、CAⅦ具有類似的三維結構，CAXIV與其他碳酸酐酶氨有34-46%的基酸序列相似[15]。CAⅡ主要在神經元、神經膠質細胞中表達，CAⅦ主要在海馬體和皮層中神經元中表達，CAXIV存在于神經元和軸突的細胞膜中[15]。星形膠質細胞中表達的碳酸酐酶，可以將產生的CO2轉化為H+和HCO3?，通過單羧酸轉運蛋白（Monocarboxylate transporter，MCT）（H+驅動的乳酸、丙酮酸轉運）排出膠質細胞；在細胞外空間，碳酸酐酶催化H+和HCO3?反應回收CO2，維持細胞外pH穩定[8]。
1.6 肺部調節
肺部的呼吸作用可以快速的調節全身的pH，即血液流經肺部時，肺部可以將血液中的CO2排出，調節CO2分壓和pH。可以通過呼吸頻率的改變，調整機體的酸堿平衡，呼吸頻率降低時，CO2排出減少，機體pH降低；而呼吸頻率增加時，CO2排出增加，機體pH增加[16]。
2 大腦酸堿平衡改變對癲癇發生發展影響的基礎研究
2.1 酸敏感離子通道與癲癇
ASIC1a在神經系統中主要分布在大腦皮層、海馬、小腦、松果體、杏仁核和脊髓中，在亞細胞水平上，神經元的胞體、樹突以及神經膠質細胞中均發現ASIC1a的表達[11]。
癲癇發作會造成乳酸生成、CO2積累，進而降低大腦pH值，可形成激活ASICs的酸性環境，其中ASIC1a與癲癇的研究較多，然而，目前的研究仍存在較大的差異甚至矛盾之處。有研究認為抑制性神經元中的ASIC1a功能障礙或表達下調導致癲癇發生，而激活抑制性中間神經元上的ASIC1a有助于癲癇終止[17]。而另外的研究發現應用阿米洛利抑制ASIC1a后，可以抑制匹魯卡品誘導的大鼠癲癇持續狀態，說明ASIC1a有助于癲癇發作[18]。對于ASIC1a對癲癇是促進還是抑制的確切作用尚有爭議，仍需要進一步的探究其在癲癇中的作用。
在低Mg2+溶液中CA1區海馬神經元，可見神經元出現癲癇樣放電，加入ASIC1a選擇性抑制劑5b化合物后，癲癇樣放電的頻率明顯降低[19]。同樣，大鼠海馬體注射紅藻氨酸體內誘發癲癇發作，應用5b化合物后癲癇放電明顯降低，說明阻斷ASIC1a具有明顯的抗癲癇作用[19]。匹魯卡品誘導的大鼠癲癇模型中，ASIC1a蛋白表達增高，應用生酮飲食后，不僅可以抑制癲癇大鼠海馬ASIC1a蛋白的上調，還能減輕線粒體損傷、減少細胞內鈣超載，對神經元發揮保護作用[20]。海馬星形膠質細胞可表達ASIC1a，而在顳葉癲癇患者中的反應性星形膠質細胞中可見ASIC1a的大量表達[21]。抑制星形膠質細胞ASIC1a的表達會減輕自發性癲癇發作，而ASIC1a敲除小鼠中恢復星形膠質細胞ASIC1a表達將增加自發性癲癇發作，說明星形膠質細胞中的ASIC1a有助癲癇發生、發展[21]。
其他研究發現ASIC1a可減輕和抑制癲癇發作。匹魯卡品誘導癲癇持續狀態的大鼠模型中，觀察到CA1-2區域的ASIC1a水平顯著降低[22]。ASIC1a敲除小鼠和野生型小鼠給予紅藻氨酸及戊四唑誘發癲癇發作，ASIC1a敲除小鼠出現更嚴重的癲癇發作。通過腦室內注射PcTx1急性抑制野生型小鼠的ASIC1a，結果顯示PcTx1增加紅藻氨酸注射后連續全身性強直陣攣發作的發生率；ASIC1a過表達降低紅藻氨酸注射后癲癇發作的嚴重程度并降低了戊四氮注射后全身強直陣攣的發生率[23]。與野生型小鼠相比，ASIC1a敲除小鼠腦電圖顯示更多的癲癇發作活動，并減少發作后抑制作用，因此ASIC1a敲除小鼠癲癇發作活動延長、發作更嚴重[23]。
2.2 Na+/H+交換體和癲癇
NHE1功能改變顯著影響神經元的興奮性，并在癲癇中發揮作用。研究表明NHE1突變的小鼠反復癲癇發作，并且出現早死亡的現象。這些突變小鼠海馬CA1區神經元的興奮性和鈉電流密度都明顯增加，海馬和皮層鈉通道密度上調，特別是海馬鈉通道I亞型顯著增加，皮質鈉通道II亞型增加。海馬和皮質中鈉通道上調導致的神經元過度興奮形成了NHE1突變小鼠癲癇發作的基礎[24]。癲癇易感性沙鼠在癲癇發作后3 h，發現海馬的NHE1明顯增高，提示NHE1蛋白增高與癲癇發作密切相關[25]。同樣，對匹魯卡品癲癇大鼠模型的海馬組織以及顳葉癲癇患者腦組織進行檢測，均發現NHE1蛋白表達增高[26，27]，由于鈉離子內流，細胞內的鈉離子濃度升高，激活鈉-鈣交換體，導致細胞內鈣離子超載，促進興奮性谷氨酸釋放及繼發性神經元凋亡等。在缺血缺氧性腦損傷模型中，海馬的星形膠質細胞中NHE1蛋白的表達及活性增高，谷氨酸及促炎細胞因子（IL-6和TNF-α）釋放增多[28]。NHE1蛋白在小膠質細胞中表達并參與吞噬功能，而小膠質細胞與神經元之間的相互作用，使得神經網絡的興奮性改變，最終影響癲癇[29]。
2.3 Slc4基因家族與癲癇
Slc4基因家族包括Na+/HCO3-共轉運體蛋白和陰離子交換體。SLC4A10基因編碼Na+/HCO3-共轉運體蛋白NBCn2，NBCn2主要在神經元表達。SLC4A10基因敲除小鼠的腦室體積減小，癲癇發作閾值增加，神經元興奮性降低[30]。這一結果似乎與人類中該基因突變出現癲癇發作不一致，仍需進一步研究來證明。
AE3蛋白由SLC4A3基因編碼，主要在大腦和心臟中表達，小鼠和人類相似度高達96%[14]。Slc4a3基因敲除小鼠不會自發癲癇發作，但暴露在戊四氮或匹魯卡品誘發后，Slc4a3基因敲除小鼠的癲癇發作閾值降低、因癲癇發作出現的死亡率增加；海馬CA3區AE3表達較多，SLC4A3基因敲除后破壞HCO3-和Cl-交換，有力的支持了AE3調節癲癇發作易感性的假說[31]。
2.4 碳酸酐酶
紅藻氨酸誘發的大鼠癲癇模型中，發現CAⅡ和CAⅦ表達增高[32]。應用野生型小鼠和 CAⅦ敲除小鼠，在生后13～14天進行熱誘發實驗，兩組小鼠產生類似的呼吸性堿中毒，在 野生型小鼠中觀察皮層癲癇發作活動，但在CAⅦ敲除小鼠觀察到無腦電發作的熱性驚厥行為，此實驗中還發現CAⅦ通過影響GABA受體，并可誘導神經元的放電，加劇熱性驚厥[33]。
乙酰唑胺、唑尼沙胺和托吡酯是碳酸酐酶抑制劑，也是抗癲癇發作藥物。乙酰唑胺可以抑制CAⅡ、CAⅦ等多種碳酸酐酶，在4-氨基吡啶誘導的癲癇模型中，乙酰唑胺通過抑制碳酸酐酶，能夠減少發作放電的持續時間和發作間隔，減少發作間期放電的間隔，減低癲癇樣放電[34]。托吡酯廣泛的用于治療部分性癲癇以及原發性或繼發性全面性癲癇發作，其可以抑制所有的碳酸酐酶，尤其是抑制CAⅡ、CAⅦ，應用托吡酯后觀察到GABA受體介導的去極化，抑制CO2儲留[15]，該發現認為托吡酯抑制碳酸酐酶可以解釋部分抗癲癇作用[15]。
2.5 CO2與癲癇
在復雜熱性驚厥的幼鼠（生后8-11天）模型中，升高體溫會導致呼吸頻率加快，引起呼吸性堿中毒，腦中pH增加，出現癲癇發作；不改變體溫的前提下，應用5% CO2可在短時間內完全阻斷海馬和皮層的電活動；腹腔注射碳酸氫鹽引起pH改變，同樣也可誘發癲癇發作，應用5% CO2也可阻斷癲癇發作[16]。在肌陣攣癲癇大鼠模型中，吸入5% CO2可以抑制大鼠的癲癇樣放電和肌陣攣發作；荷包牡丹堿誘發的獼猴癲癇模型中，吸入5% CO2后，同樣阻斷獼猴的皮層放電[35]。吸入5%的CO2可以降低皮質pH值，減少谷氨酸的釋放，并增加GABA的釋放，從而減少紅藻氨酸大鼠的癲癇發作[6]。
3 大腦酸堿平衡改變對癲癇發生發展影響的臨床研究
3.1 酸敏感離子通道與癲癇
通過在560例顳葉癲癇患者和401名健康對照組中比較ASIC1a基因的單核苷酸多態性，發現rs844347-A等位基因頻率在顳葉癲癇患者明顯增高，該項研究的結果首次證明ASIC1a多態性和中國漢族人群的顳葉癲癇相關[36]。對比癲癇患者的病灶組織與正常人腦組織的ASIC1a蛋白表達情況，同樣發現癲癇患者病灶組織的ASIC1a蛋白表達量明顯降低；在原發性顳葉癲癇腦片中，通過降低腦片灌注液的pH值激活ASIC1a通道，或加入PcTx1阻斷ASIC1a通道，結果顯示ASIC1a可使中間神經元的敏感性、興奮性和自發放電增加[17]。局灶性皮層發育不良是公認的難治性癲癇的原因。選擇局灶性皮層發育不良手術標本以及同年齡的正常皮層進行研究，結果發現局灶性皮層發育不良的標本中ASIC1a mRAN及蛋白表達均較正常皮層組織降低，并且ASIC1a主要在反應性星形膠質細胞和少數畸形的細胞中觀察到，ASIC1a的下調以及細胞分布的改變表明其可能有助于局灶性皮層發育不良的癲癇發生[37]。
3.2 CO2與癲癇
在臨床上，過度換氣可以誘發失神發作，其可以快速、明確的診斷失神發作，并在很大程度上避免需要長時間的腦電圖記錄來捕捉癲癇發作。研究發現，吸入5% CO2可以減少失神發作以及棘波發放，延長癲癇放電潛伏期，縮短棘波發放持續時間；而該研究中補充100% O2對失神發作及棘波發放并沒有影響，這也說明CO2具有抗癲癇作用[5]。在難治性癲癇患者吸入5% CO2，同樣發現癲癇發作持續時間減少50%[35]。
3.3 參與pH調節的其他轉運蛋白與癲癇
NEH6蛋白（Na+/H+交換體）的編碼基因為SLC9A6，目前發現SLC9A6基因突變后導致Christianson綜合征（OMIM300231），主要表現為發育落后、癲癇、共濟失調、小頭畸形、語言缺失等[38]。在5例基因片段缺失的孤獨癥女孩中，發現SLC4A10基因（編碼NBCn2）的缺失，其中3例患者伴有癲癇發作[14]。5例難治性顳葉癲癇成人患者的顳中回切除組織進行切片制備，治療劑量的左乙拉西坦可以抑制碳酸氫鹽改善神經元pH，調節神經元的興奮性，實驗發現左乙拉西坦可以酸化具有堿性pH的神經元，有助于抗驚厥作用；左乙拉西坦也可堿化具有酸性pH的神經元，有助于促驚厥作用[7]。
4 小結和展望
從基礎和臨床研究結果可以看出，大腦酸堿平衡受多方面調節，大腦pH改變與神經興奮性密切相關，參與癲癇的發生發展。雖然相關的研究較多，尤其是關于參與pH調節的轉運蛋白，但多數集中在臨床前的基礎研究，并且靶向位點的新藥研究較少，還需要開展基礎實驗向臨床轉化的研究；考慮到動物或細胞模型并不能完全模擬人體的微環境，在將來仍需開展臨床研究，更好的詮釋大腦酸堿變化與癲癇的相關性，為癲癇治療和干預的提供新靶點。
利益沖突聲明 所有作者無利益沖突。
大腦微環境的酸堿平衡在維持中樞神經系統最佳生理功能方面發揮關鍵作用。許多代謝過程會產生氫離子，而氫離子又會影響細胞代謝和存活，當血液中游離氫離子濃度增加或減少0.1 μM都將是致命的[1]。大腦細胞酸化，氫離子濃度增加，可能與大腦中的酶或蛋白結合，影響其結構和功能；相反，大腦堿中毒的病理狀態下也會出現神經元的損傷[2]。正常生理狀態下機體的pH值在7.35～7.45之間，酸堿波動可以通過pH敏感受體或通道對整個大腦活動產生影響，參與神經元興奮性、突觸傳遞、細胞間通訊等，在學習、記憶、神經退行性疾病，尤其癲癇中起著重要作用[3]。
癲癇是常見的中樞神經系統疾病，全球有超過7 000萬的癲癇患者，以嬰兒和老年人的發病率較高[4]。癲癇的發病機制復雜，病因眾多，抗癲癇發作藥物仍是癲癇治療的主要方法，雖然目前已經有較多種類的抗癲癇發作藥物，但仍有1/3的患者發作難以控制[4]。反復的癲癇發作不僅對患者身心造成嚴重的傷害，還給家庭和社會帶來沉重的負擔。因此，迫切需要闡明癲癇的病理機制，來更好的治療和預防癲癇的發生發展。
大腦酸堿平衡的調節對神經元興奮性至關重要。在腦電圖監測中采用的過度換氣試驗就是使腦中pH升高（堿性改變）增加神經元興奮性這一原理，當過度換氣時因為大量的呼出CO2，引起呼吸性堿中毒，可以誘發兒童失神癲癇的發作[5]；而通過CO2吸入，降低大腦pH（酸性改變），可以抑制癲癇發作[6]。癲癇發作時會造成乳酸生成、CO2積累，進而改變大腦酸堿平衡。因此，大腦酸堿平衡的改變與癲癇的相互關系引起研究者極大的興趣。本文將對此進行綜述，重點關注：① 大腦酸堿平衡的調節；② 大腦酸堿平衡改變對癲癇發生發展影響的基礎研究；③ 大腦酸堿平衡改變對癲癇發生發展影響的臨床研究。
1 大腦酸堿平衡穩態的調節重要環節
通常，機體的酸堿平衡是由肺、腎臟以及多種轉運蛋白共同調節維持的[7]。由于神經元頻繁的電活動，并且還存在谷氨酸、紅藻氨酸、γ-氨基丁酸、甘氨酸等遞質會導致神經元和星形膠質細胞酸化，因此大腦的pH調節更加復雜精細[8]。多種轉運蛋白和酶將H+移入或移出細胞，進而維持細胞微環境的pH穩定，參與大腦酸堿平衡調節（圖1）。
圖1
大腦酸堿平衡穩態調節的重要環節
多種轉運蛋白參與細胞酸堿平衡調節，ASIC：酸敏感離子通道，NHE：Na+/H+交換體，NBCs：Na+/HCO3?共轉運體，AE：陰離子轉換體，CA：碳酸酐酶，MCT：單羧酸轉運蛋白。該圖參考文獻繪制[7]
1.1 酸敏感離子通道
酸敏感離子通道（Acid-sensing ion channel，ASIC）是一種對細胞外pH敏感的跨膜蛋白，會快速響應細胞外酸化并打開。H+可以激活ASICs，使其對Na+通透，因此ASICs是質子門控鈉離子通道，也屬于鈉離子通道/退化蛋白（Epithelial sodium channel/degenerin，ENaC/DEG）超家族的成員，主要分布在脊椎動物中樞和外周神經系統[9]。自從1997年首次克隆出ASICs蛋白，目前已經確定了七種亞基，包括ASIC1a、ASIC1b、ASIC1b2、ASIC2a、ASIC2b、ASIC3和ASIC4，均由兩個跨膜結構域、一個較大的細胞外環以及位于細胞內的C末端、N末端構成[9]。雖然結構大致看似相同，但不同的ASICs對細胞外的酸敏感性不同，其中ASIC1a和ASIC3對細胞外酸的變化最敏感。
ASIC1a相關研究較多，單個ASIC1a亞基由500多個氨基酸組成，通過對雞ASIC1a的結構（ASIC1a在雞與人中相對保守，同源性可達90%）研究，發現其類似“拳頭”樣，由跨膜TM結構域以及β球、拇指、指關節、手指、手掌、手腕結構域等共同組成[10]。ASIC1a的晶體結構顯示由三個亞基形成的同源三聚體或含有ASIC1a的異源三聚體組成的功能性離子通道，類似“圣杯結構”，其可以在毫秒的時間尺度上發揮功能，主要是包括三種功能狀態：高pH關閉、低pH脫敏、低pH開放[10]。TM結構域呈漏斗排列，形成ASIC1a的離子通道特性，對Na+可通透，其獨特之處在于仍可以對Ca2+可通透[9，10]。在細胞外環由拇指、手指形成的結合配體的凹陷，稱為“酸性口袋”，當與H+結合時，ASIC1a的跨膜結構域發生構象改變，導致陽離子內流[10]。抗利尿及阿米洛利及其類似物是ASIC1a的非特異性阻斷劑，可以減輕由于酸介導細胞鈣超載及細胞壞死；PcTX1（Psalmotoxin1）是第一個有效且特異性的ASIC1a蛋白抑制劑，其是一種從南美狼蛛的毒液中純化而來的多肽，可以促進ASIC1a的脫敏狀態[11]。
1.2 Na+/H+交換體
Na+/H+交換體（Na+/H+ exchanger，NHE）在神經系統中普遍表達，NHE家族由9個成員NHE1-NHE9，其中NHE1是最廣泛表達的[12]。NHE的成員具有相似的膜拓撲結構，都有N端跨膜結構域（參與離子結合）和一個大的C末端細胞質結構域（參與細胞內信號傳遞），NHE1-NHE5位于不同細胞類型的質膜中，而NHE6-NHE9位于細胞內的細胞器[13]。NHE1在海馬和皮層的神經元中，主要由細胞內pH降低激活，當細胞內出現酸中毒時，NHE1可以催化一個細胞外Na+與一個細胞內H+進行交換，其功能依賴Na+/K+-ATPase驅動的Na+梯度，最終維持細胞內pH的穩態，防止細胞內酸化[12]。
1.3 Na+/HCO3-共轉運體
Na+/HCO3?共轉運體（Na+/HCO3? cotransporters，NBCs）是Slc4基因家族中的一部分，在大腦的不同區域以及培養的神經元和星形膠質細胞中表達，介導Na+和HCO3?共同轉運體，可以每個Na+轉運兩個或三個HCO3-[14]。已知NBCe1有三個剪接突變（A、B、C），但只有NBCe1-B和NBCe1-C在大腦中表達。
1.4 陰離子轉換體
除了Na+/HCO3?共轉運體，Slc4基因家族中還包括陰離子轉換體（Anion exchangers，AEs）。AE是跨膜蛋白，通常擠出HCO3?以換取Cl?流入，為Na+非依賴性，具有此電中性活性的AE有三個亞型（AE1-AE3），在大腦和視網膜中表達[8]，在細胞質N末端包含pH感應域，可以嚴格的調節AE活性已經pH變化。
1.5 碳酸酐酶
碳酸酐酶（Carbonic anhydrases，CAs）將CO2可逆性轉為H+和HCO3?，維持大腦pH穩定的緩沖機制之一。人類存在16種碳酸酐酶的亞型，其分布在不同的組織和亞細胞中，具有不同的催化活性，據報道CAⅡ、CAⅦ、CAXIV與癲癇相關，CAⅡ、CAⅦ具有類似的三維結構，CAXIV與其他碳酸酐酶氨有34-46%的基酸序列相似[15]。CAⅡ主要在神經元、神經膠質細胞中表達，CAⅦ主要在海馬體和皮層中神經元中表達，CAXIV存在于神經元和軸突的細胞膜中[15]。星形膠質細胞中表達的碳酸酐酶，可以將產生的CO2轉化為H+和HCO3?，通過單羧酸轉運蛋白（Monocarboxylate transporter，MCT）（H+驅動的乳酸、丙酮酸轉運）排出膠質細胞；在細胞外空間，碳酸酐酶催化H+和HCO3?反應回收CO2，維持細胞外pH穩定[8]。
1.6 肺部調節
肺部的呼吸作用可以快速的調節全身的pH，即血液流經肺部時，肺部可以將血液中的CO2排出，調節CO2分壓和pH。可以通過呼吸頻率的改變，調整機體的酸堿平衡，呼吸頻率降低時，CO2排出減少，機體pH降低；而呼吸頻率增加時，CO2排出增加，機體pH增加[16]。
2 大腦酸堿平衡改變對癲癇發生發展影響的基礎研究
2.1 酸敏感離子通道與癲癇
ASIC1a在神經系統中主要分布在大腦皮層、海馬、小腦、松果體、杏仁核和脊髓中，在亞細胞水平上，神經元的胞體、樹突以及神經膠質細胞中均發現ASIC1a的表達[11]。
癲癇發作會造成乳酸生成、CO2積累，進而降低大腦pH值，可形成激活ASICs的酸性環境，其中ASIC1a與癲癇的研究較多，然而，目前的研究仍存在較大的差異甚至矛盾之處。有研究認為抑制性神經元中的ASIC1a功能障礙或表達下調導致癲癇發生，而激活抑制性中間神經元上的ASIC1a有助于癲癇終止[17]。而另外的研究發現應用阿米洛利抑制ASIC1a后，可以抑制匹魯卡品誘導的大鼠癲癇持續狀態，說明ASIC1a有助于癲癇發作[18]。對于ASIC1a對癲癇是促進還是抑制的確切作用尚有爭議，仍需要進一步的探究其在癲癇中的作用。
在低Mg2+溶液中CA1區海馬神經元，可見神經元出現癲癇樣放電，加入ASIC1a選擇性抑制劑5b化合物后，癲癇樣放電的頻率明顯降低[19]。同樣，大鼠海馬體注射紅藻氨酸體內誘發癲癇發作，應用5b化合物后癲癇放電明顯降低，說明阻斷ASIC1a具有明顯的抗癲癇作用[19]。匹魯卡品誘導的大鼠癲癇模型中，ASIC1a蛋白表達增高，應用生酮飲食后，不僅可以抑制癲癇大鼠海馬ASIC1a蛋白的上調，還能減輕線粒體損傷、減少細胞內鈣超載，對神經元發揮保護作用[20]。海馬星形膠質細胞可表達ASIC1a，而在顳葉癲癇患者中的反應性星形膠質細胞中可見ASIC1a的大量表達[21]。抑制星形膠質細胞ASIC1a的表達會減輕自發性癲癇發作，而ASIC1a敲除小鼠中恢復星形膠質細胞ASIC1a表達將增加自發性癲癇發作，說明星形膠質細胞中的ASIC1a有助癲癇發生、發展[21]。
其他研究發現ASIC1a可減輕和抑制癲癇發作。匹魯卡品誘導癲癇持續狀態的大鼠模型中，觀察到CA1-2區域的ASIC1a水平顯著降低[22]。ASIC1a敲除小鼠和野生型小鼠給予紅藻氨酸及戊四唑誘發癲癇發作，ASIC1a敲除小鼠出現更嚴重的癲癇發作。通過腦室內注射PcTx1急性抑制野生型小鼠的ASIC1a，結果顯示PcTx1增加紅藻氨酸注射后連續全身性強直陣攣發作的發生率；ASIC1a過表達降低紅藻氨酸注射后癲癇發作的嚴重程度并降低了戊四氮注射后全身強直陣攣的發生率[23]。與野生型小鼠相比，ASIC1a敲除小鼠腦電圖顯示更多的癲癇發作活動，并減少發作后抑制作用，因此ASIC1a敲除小鼠癲癇發作活動延長、發作更嚴重[23]。
2.2 Na+/H+交換體和癲癇
NHE1功能改變顯著影響神經元的興奮性，并在癲癇中發揮作用。研究表明NHE1突變的小鼠反復癲癇發作，并且出現早死亡的現象。這些突變小鼠海馬CA1區神經元的興奮性和鈉電流密度都明顯增加，海馬和皮層鈉通道密度上調，特別是海馬鈉通道I亞型顯著增加，皮質鈉通道II亞型增加。海馬和皮質中鈉通道上調導致的神經元過度興奮形成了NHE1突變小鼠癲癇發作的基礎[24]。癲癇易感性沙鼠在癲癇發作后3 h，發現海馬的NHE1明顯增高，提示NHE1蛋白增高與癲癇發作密切相關[25]。同樣，對匹魯卡品癲癇大鼠模型的海馬組織以及顳葉癲癇患者腦組織進行檢測，均發現NHE1蛋白表達增高[26，27]，由于鈉離子內流，細胞內的鈉離子濃度升高，激活鈉-鈣交換體，導致細胞內鈣離子超載，促進興奮性谷氨酸釋放及繼發性神經元凋亡等。在缺血缺氧性腦損傷模型中，海馬的星形膠質細胞中NHE1蛋白的表達及活性增高，谷氨酸及促炎細胞因子（IL-6和TNF-α）釋放增多[28]。NHE1蛋白在小膠質細胞中表達并參與吞噬功能，而小膠質細胞與神經元之間的相互作用，使得神經網絡的興奮性改變，最終影響癲癇[29]。
2.3 Slc4基因家族與癲癇
Slc4基因家族包括Na+/HCO3-共轉運體蛋白和陰離子交換體。SLC4A10基因編碼Na+/HCO3-共轉運體蛋白NBCn2，NBCn2主要在神經元表達。SLC4A10基因敲除小鼠的腦室體積減小，癲癇發作閾值增加，神經元興奮性降低[30]。這一結果似乎與人類中該基因突變出現癲癇發作不一致，仍需進一步研究來證明。
AE3蛋白由SLC4A3基因編碼，主要在大腦和心臟中表達，小鼠和人類相似度高達96%[14]。Slc4a3基因敲除小鼠不會自發癲癇發作，但暴露在戊四氮或匹魯卡品誘發后，Slc4a3基因敲除小鼠的癲癇發作閾值降低、因癲癇發作出現的死亡率增加；海馬CA3區AE3表達較多，SLC4A3基因敲除后破壞HCO3-和Cl-交換，有力的支持了AE3調節癲癇發作易感性的假說[31]。
2.4 碳酸酐酶
紅藻氨酸誘發的大鼠癲癇模型中，發現CAⅡ和CAⅦ表達增高[32]。應用野生型小鼠和 CAⅦ敲除小鼠，在生后13～14天進行熱誘發實驗，兩組小鼠產生類似的呼吸性堿中毒，在 野生型小鼠中觀察皮層癲癇發作活動，但在CAⅦ敲除小鼠觀察到無腦電發作的熱性驚厥行為，此實驗中還發現CAⅦ通過影響GABA受體，并可誘導神經元的放電，加劇熱性驚厥[33]。
乙酰唑胺、唑尼沙胺和托吡酯是碳酸酐酶抑制劑，也是抗癲癇發作藥物。乙酰唑胺可以抑制CAⅡ、CAⅦ等多種碳酸酐酶，在4-氨基吡啶誘導的癲癇模型中，乙酰唑胺通過抑制碳酸酐酶，能夠減少發作放電的持續時間和發作間隔，減少發作間期放電的間隔，減低癲癇樣放電[34]。托吡酯廣泛的用于治療部分性癲癇以及原發性或繼發性全面性癲癇發作，其可以抑制所有的碳酸酐酶，尤其是抑制CAⅡ、CAⅦ，應用托吡酯后觀察到GABA受體介導的去極化，抑制CO2儲留[15]，該發現認為托吡酯抑制碳酸酐酶可以解釋部分抗癲癇作用[15]。
2.5 CO2與癲癇
在復雜熱性驚厥的幼鼠（生后8-11天）模型中，升高體溫會導致呼吸頻率加快，引起呼吸性堿中毒，腦中pH增加，出現癲癇發作；不改變體溫的前提下，應用5% CO2可在短時間內完全阻斷海馬和皮層的電活動；腹腔注射碳酸氫鹽引起pH改變，同樣也可誘發癲癇發作，應用5% CO2也可阻斷癲癇發作[16]。在肌陣攣癲癇大鼠模型中，吸入5% CO2可以抑制大鼠的癲癇樣放電和肌陣攣發作；荷包牡丹堿誘發的獼猴癲癇模型中，吸入5% CO2后，同樣阻斷獼猴的皮層放電[35]。吸入5%的CO2可以降低皮質pH值，減少谷氨酸的釋放，并增加GABA的釋放，從而減少紅藻氨酸大鼠的癲癇發作[6]。
3 大腦酸堿平衡改變對癲癇發生發展影響的臨床研究
3.1 酸敏感離子通道與癲癇
通過在560例顳葉癲癇患者和401名健康對照組中比較ASIC1a基因的單核苷酸多態性，發現rs844347-A等位基因頻率在顳葉癲癇患者明顯增高，該項研究的結果首次證明ASIC1a多態性和中國漢族人群的顳葉癲癇相關[36]。對比癲癇患者的病灶組織與正常人腦組織的ASIC1a蛋白表達情況，同樣發現癲癇患者病灶組織的ASIC1a蛋白表達量明顯降低；在原發性顳葉癲癇腦片中，通過降低腦片灌注液的pH值激活ASIC1a通道，或加入PcTx1阻斷ASIC1a通道，結果顯示ASIC1a可使中間神經元的敏感性、興奮性和自發放電增加[17]。局灶性皮層發育不良是公認的難治性癲癇的原因。選擇局灶性皮層發育不良手術標本以及同年齡的正常皮層進行研究，結果發現局灶性皮層發育不良的標本中ASIC1a mRAN及蛋白表達均較正常皮層組織降低，并且ASIC1a主要在反應性星形膠質細胞和少數畸形的細胞中觀察到，ASIC1a的下調以及細胞分布的改變表明其可能有助于局灶性皮層發育不良的癲癇發生[37]。
3.2 CO2與癲癇
在臨床上，過度換氣可以誘發失神發作，其可以快速、明確的診斷失神發作，并在很大程度上避免需要長時間的腦電圖記錄來捕捉癲癇發作。研究發現，吸入5% CO2可以減少失神發作以及棘波發放，延長癲癇放電潛伏期，縮短棘波發放持續時間；而該研究中補充100% O2對失神發作及棘波發放并沒有影響，這也說明CO2具有抗癲癇作用[5]。在難治性癲癇患者吸入5% CO2，同樣發現癲癇發作持續時間減少50%[35]。
3.3 參與pH調節的其他轉運蛋白與癲癇
NEH6蛋白（Na+/H+交換體）的編碼基因為SLC9A6，目前發現SLC9A6基因突變后導致Christianson綜合征（OMIM300231），主要表現為發育落后、癲癇、共濟失調、小頭畸形、語言缺失等[38]。在5例基因片段缺失的孤獨癥女孩中，發現SLC4A10基因（編碼NBCn2）的缺失，其中3例患者伴有癲癇發作[14]。5例難治性顳葉癲癇成人患者的顳中回切除組織進行切片制備，治療劑量的左乙拉西坦可以抑制碳酸氫鹽改善神經元pH，調節神經元的興奮性，實驗發現左乙拉西坦可以酸化具有堿性pH的神經元，有助于抗驚厥作用；左乙拉西坦也可堿化具有酸性pH的神經元，有助于促驚厥作用[7]。
4 小結和展望
從基礎和臨床研究結果可以看出，大腦酸堿平衡受多方面調節，大腦pH改變與神經興奮性密切相關，參與癲癇的發生發展。雖然相關的研究較多，尤其是關于參與pH調節的轉運蛋白，但多數集中在臨床前的基礎研究，并且靶向位點的新藥研究較少，還需要開展基礎實驗向臨床轉化的研究；考慮到動物或細胞模型并不能完全模擬人體的微環境，在將來仍需開展臨床研究，更好的詮釋大腦酸堿變化與癲癇的相關性，為癲癇治療和干預的提供新靶點。
利益沖突聲明 所有作者無利益沖突。
