缺血性腦卒中損傷機(jī)制研究進(jìn)展

吳詠梅，陶茹瑩，孟祥寶，孫曉波，孫桂波，張?輝*

（1.長(zhǎng)春中醫(yī)藥大學(xué)，長(zhǎng)春 130117；2.中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 藥用植物研究所，北京 100193）

腦卒中是具有高發(fā)病率、高病死率、高致殘率、高復(fù)發(fā)率等特點(diǎn)的心血管疾病。如何有效防治腦卒中成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)，本文介紹了對(duì)缺血性腦卒中的認(rèn)識(shí)，包括臨床常見(jiàn)治療方案和具體的損傷機(jī)制。目前缺血性腦卒中公認(rèn)的治療方案是盡早恢復(fù)或重建血液再灌注，即恢復(fù)缺血組織血液流通，保證氧和能量供應(yīng)并及時(shí)將代謝產(chǎn)物清除?；謴?fù)缺血腦組織的血液供應(yīng)一方面可挽救大批瀕死腦細(xì)胞，促進(jìn)神經(jīng)元功能恢復(fù)；另一方面缺血再灌注后使神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生快速的級(jí)聯(lián)反應(yīng)損傷，缺血組織的病理?yè)p害進(jìn)一步加重，最終誘發(fā)神經(jīng)細(xì)胞凋亡或壞死，這種恢復(fù)血流灌注后引起腦組織損傷加重的現(xiàn)象被稱(chēng)為腦缺血再灌注損傷（cerebral ischemia- reperfusion injury，CIRI）[1]。本文詳細(xì)歸納了參與缺血性腦卒中再灌注的十幾種損傷機(jī)制，綜述如下。

1 能量代謝

大腦是機(jī)體能量代謝最旺盛的組織，約占20%。腦缺血時(shí)，腦組織因血液流通受阻，氧氣供應(yīng)不足，缺乏代謝所需的物質(zhì)與能量。ATP是Na-K-ATP酶激活劑，當(dāng)受損組織能量代謝障礙，ATP生物合成減少，Na-K-ATP酶活性改變，最終導(dǎo)致腦細(xì)胞內(nèi)外鈉鉀失衡，細(xì)胞外K+增多導(dǎo)致細(xì)胞膜持續(xù)去極化而影響興奮傳導(dǎo)、遞質(zhì)釋放等，并且與缺血期間所發(fā)生的細(xì)胞自殺現(xiàn)象相關(guān)，從而影響腦功能恢復(fù)的質(zhì)量。腦缺血后能量代謝的恢復(fù)是其他功能恢復(fù)的前提，張艷榮等[2]研究顯示缺血后腹腔注射山莨菪堿20 mg/ kg可顯著減少缺血再灌注沙土鼠海馬ATP耗竭，亦可促進(jìn)Na-KATP酶活性的恢復(fù)。

2 酸中毒

腦組織供血不足后迅速出現(xiàn)酸中毒，缺血區(qū)域pH值快速?gòu)?.3降到6.5，甚至更低。造成缺血腦組織pH迅速降低的原因包括：腦血流量降低使缺血組織內(nèi)氧氣供應(yīng)不足，無(wú)氧代謝導(dǎo)致乳酸大量堆積；CO2不能被及時(shí)清除；伴隨能量中間體ATP消耗產(chǎn)生大量H+。腦組織在缺血缺氧情況下，葡萄糖濃度顯著降低，缺血區(qū)乳酸和乳酸/丙酮酸比值升高[3]。腦缺血后神經(jīng)元損傷的主要原因是乳酸和與之相應(yīng)的酸中毒。研究發(fā)現(xiàn)，缺血區(qū)內(nèi)的酸中毒協(xié)同細(xì)胞內(nèi)Ca2+超載通過(guò)損傷Na通道的動(dòng)力和破壞皮質(zhì)GABA神經(jīng)元的功能來(lái)介導(dǎo)神經(jīng)元興奮性毒性。并且低pH時(shí)神經(jīng)元受損加劇，另外氧化應(yīng)激介導(dǎo)的神經(jīng)元損傷與酸中毒密切相關(guān)，有研究認(rèn)為可能與低pH值介導(dǎo)的抗氧化劑功能損傷和細(xì)胞內(nèi)鐵離子含量升高有關(guān)。

3 氧化應(yīng)激

包括腦缺血在內(nèi)的許多神經(jīng)變性疾病均會(huì)伴隨氧化應(yīng)激損傷。氧化應(yīng)激是由于機(jī)體內(nèi)氧自由基過(guò)度生成或清除能力降低使得體內(nèi)氧自由基發(fā)生堆積，導(dǎo)致體內(nèi)活性氧簇（reactive oxygenspecies，ROS）蓄積而引起神經(jīng)元損傷的過(guò)程。腦組織內(nèi)不飽和脂肪酸含量豐富，特別是亞油酸和花生四烯酸，導(dǎo)致抗氧化能力較弱，氧化應(yīng)激損傷對(duì)大腦影響嚴(yán)重。缺血區(qū)線(xiàn)粒體功能受損后利用O2生物合成ATP的能力喪失?；謴?fù)血液供應(yīng)后，O2一部分轉(zhuǎn)化為O2-，另一部分在黃嘌呤氧化酶的作用下生成HO-。二者引發(fā)自由基連鎖反應(yīng)，生成多種脂質(zhì)過(guò)氧化物，最終導(dǎo)致大量ROS產(chǎn)生且其對(duì)細(xì)胞具有廣泛的損傷。高活性的ROS降解細(xì)胞內(nèi)大分子物質(zhì)，如脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、核酸等，導(dǎo)致多種酶活性降低、細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)功能受損，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡，大量氧自由基還會(huì)引起膜脂質(zhì)過(guò)氧化，改變細(xì)胞膜的通透性、流動(dòng)性，破壞離子通道結(jié)構(gòu)和功能。再灌注后使得血液將全身其他組織中的Ca2+輸送至腦組織，加重鈣超載，繼而引發(fā)一系列連鎖反應(yīng)。

4 氮化應(yīng)激

體內(nèi)活性氮簇增多引起機(jī)體受損的過(guò)程稱(chēng)為氮化應(yīng)激。常見(jiàn)的活性氮簇有一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）、硝基陰離子（NO-）和硝基陽(yáng)離子（NO）等。體內(nèi)有三種一氧化氮合酶（NOS）：神經(jīng)元型NOS（nNOS）；內(nèi)皮型NOS （eNOS）和誘導(dǎo)型NOS（iNOS）。不同細(xì)胞在不同亞型的NOS催化下，生成的NO在缺血損傷中的作用不同。nNOS參與缺血早期損傷；而iNOS參與晚期損傷。eNOS通過(guò)促進(jìn)血管舒張和增加腦血流量參與腦缺血損傷的保護(hù)過(guò)程。NO在缺血再灌注中具有保護(hù)和損傷雙重作用。NO通過(guò)維持腦血流量，抑制血小板及白細(xì)胞的聚集和黏附，對(duì)腦缺血起保護(hù)作用。NO被過(guò)量超氧化產(chǎn)生亞硝酸鹽時(shí)，破壞線(xiàn)粒體，具有細(xì)胞毒性作用。缺血再灌注，誘發(fā)缺血組織產(chǎn)生NO，但也產(chǎn)生超氧負(fù)離子[4-5]。一方面NO和超氧化物具有高度反應(yīng)性；另一方面也可以結(jié)合形成毒性很強(qiáng)的過(guò)氧化亞硝酸鹽，加重對(duì)細(xì)胞的損傷，尤其會(huì)損傷DNA。此外，NO參與線(xiàn)粒體呼吸鏈調(diào)控，線(xiàn)粒體生物合成和細(xì)胞凋亡等，它也可以充當(dāng)自由基和引起氧化損傷。由此證明腦缺血時(shí)活性氮介導(dǎo)的氮化應(yīng)激可以破壞細(xì)胞內(nèi)的生物分子和細(xì)胞器[6]。

5 鈣離子超載

Ca2+超載引發(fā)的損傷發(fā)生在腦缺血再灌注損傷全部過(guò)程，并且參與自由基、興奮性氨基酸、NO等所致的損傷過(guò)程。Ca2+作為體內(nèi)重要的第二信使，參與機(jī)體內(nèi)多種活動(dòng)如細(xì)胞正常生理功能維持、細(xì)胞增殖與分化和神經(jīng)遞質(zhì)的分泌與神經(jīng)調(diào)節(jié)等。腦缺血早期最顯著特征是ATP耗竭和酸中毒，二者均能導(dǎo)致細(xì)胞外Ca2+大量流入細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞內(nèi)儲(chǔ)存的Ca2+釋放出來(lái)[7]。缺血區(qū)域ATP生物合成減少使Na-K-ATP酶活性降低，細(xì)胞內(nèi)外的 K濃度改變引起細(xì)胞膜發(fā)生去極化，Na- Ca2+的交換交換體使細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度上調(diào)。同時(shí)激活NMDA受體，促使電壓門(mén)控性Ca2+通道開(kāi)放，大量Ca2+迅速進(jìn)入神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)[8]。細(xì)胞內(nèi)酸敏感離子通道（acid- sensing ion channels，ASIC）被大量堆積的H+激活，形成 Ca2+通透的同聚體通道，在缺血亞急性期Ca2+大量進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)[9]。此外，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)儲(chǔ)存的Ca2+被釋放后使得細(xì)胞內(nèi)Ca2+水平進(jìn)一步增加。再灌注后，大量興奮性氨基酸和炎性相關(guān)因子進(jìn)入缺血區(qū)域，腦組織神經(jīng)元的損傷程度加重。Ca2+超載帶來(lái)的損傷主要有：1）神經(jīng)元受細(xì)胞內(nèi)陽(yáng)離子濃度調(diào)控發(fā)生快速去極化，興奮性氨基酸大量過(guò)度釋放；2）過(guò)量 Ca2+引起分解生物膜結(jié)構(gòu)的蛋白酶、鈣依賴(lài)磷脂酶等大量激活；3）線(xiàn)粒體攝入過(guò)量的 Ca2+引起膜電位紊亂，線(xiàn)粒體進(jìn)入能量障礙惡性循環(huán)，啟動(dòng)線(xiàn)粒體凋亡途徑并介導(dǎo)神經(jīng)元死亡；4）細(xì)胞滲透壓增大，水分子從細(xì)胞外流入細(xì)胞內(nèi)，引起細(xì)胞膨脹；5）腦缺血部位Ca2+超載誘使血管平滑肌發(fā)生痙攣，導(dǎo)致血栓積聚和血管內(nèi)皮受損[10-12]。

6 線(xiàn)粒體功能障礙

腦缺血發(fā)生后，首先引起線(xiàn)粒體功能障礙。大腦所需能量主要來(lái)源于線(xiàn)粒體。細(xì)胞損傷最敏感的指標(biāo)之一是線(xiàn)粒體發(fā)生功能異常，腦缺血再灌注后導(dǎo)致腦細(xì)胞線(xiàn)粒體呼吸功能障礙、呼吸鏈中 NADH氧化酶、琥珀酸氧化酶和細(xì)胞色素C氧化酶活性均顯著降低，進(jìn)一步證明腦線(xiàn)粒體功能在缺血再灌注期間受損最顯著；缺血性腦卒中再灌注期間線(xiàn)粒體膜電位顯著下降，24 h時(shí)達(dá)到最低，進(jìn)而引起線(xiàn)粒體功能發(fā)生紊亂；線(xiàn)粒體受氧化應(yīng)激和Ca2+超載及炎癥偶聯(lián)效應(yīng)嚴(yán)重受損，ROS生物合成持續(xù)增加，過(guò)量堆積的ROS會(huì)暴發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，細(xì)胞內(nèi)大分子被大量降解、脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)和CytC過(guò)度釋放，線(xiàn)粒體凋亡途徑進(jìn)一步激活使缺血區(qū)細(xì)胞大量死亡。

7 興奮性氨基酸

根據(jù)其興奮性可以將機(jī)體內(nèi)的氨基酸可分為2類(lèi)：具有興奮作用的氨基酸（EAA）和抑制作用的氨基酸（IAA）。腦組織血液供應(yīng)不足，細(xì)胞內(nèi)外Ca2+穩(wěn)態(tài)失去平衡，神經(jīng)元細(xì)胞發(fā)生快速去極化，大量EAA（主要是Glu）被大量合成并被迅速釋放[13]。過(guò)量EAA帶來(lái)的毒性損傷與Ca2+超載損傷存在協(xié)同作用。能量中間體ATP生物合成障礙導(dǎo)致突觸間隙的過(guò)量釋放的EAA不能被重吸收或分解，EAA主要作用于離子型N-甲基-D-天門(mén)冬氨酸受體（NMDA）受體后可激活Ca2+通道，Ca2+超載的損傷作用加重[14]；突觸后神經(jīng)元死亡的主要原因是過(guò)度興奮。EAA的過(guò)度釋放并激活相應(yīng)受體而產(chǎn)生的細(xì)胞毒性在腦缺血再灌注損傷中起著極為重要的作用，很大程度上影響腦損傷的預(yù)后。

8 炎癥反應(yīng)

最近實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在腦缺血再灌注損傷全過(guò)程伴隨炎性細(xì)胞因子的過(guò)度表達(dá)與釋放其對(duì)機(jī)體損傷嚴(yán)重，已成為腦卒中研究的熱點(diǎn)[15]。腦缺血發(fā)生初期，缺血區(qū)域能量中間體耗竭，導(dǎo)致細(xì)胞大量壞死，并啟動(dòng)炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)[16]；隨后大量自由基堆積和壞死細(xì)胞的生成引起機(jī)體固有免疫應(yīng)答，外周的白細(xì)胞刺激大腦實(shí)質(zhì)后激活小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞，其中小膠質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)化成巨噬細(xì)胞，吞噬壞死的細(xì)胞并產(chǎn)生大量的炎癥因子和炎癥介質(zhì)如IL-1β、TNF-α、IL-6、IL-10和TGF-β，這樣炎癥反應(yīng)持續(xù)發(fā)生，對(duì)細(xì)胞及缺血組織損傷加劇；再灌注后，血液中的中性粒細(xì)胞、炎癥趨化因子等進(jìn)入缺血區(qū)域后炎癥細(xì)胞會(huì)分泌多種炎癥相關(guān)介質(zhì)[17]，如 TNF-α、IL、核因子 -κB（NF-κB），引發(fā)強(qiáng)烈的炎癥反應(yīng)；Ca2+超載和EAA過(guò)度釋放導(dǎo)致細(xì)胞大量凋亡，進(jìn)而又促進(jìn)炎癥介質(zhì)的釋放，炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)不斷發(fā)展。TNF-α是一種多效細(xì)胞因子，參與血腦屏障、炎癥反應(yīng)、血栓形成以及與腦損傷相關(guān)的血管變化，其主要生理作用是促炎癥反應(yīng)發(fā)生和調(diào)節(jié)自身免疫。腦缺血再灌注后炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)破壞了神經(jīng)細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和膠質(zhì)細(xì)胞之間的信號(hào)傳遞，腦損傷程度進(jìn)一步惡化。

9 血腦屏障破壞與腦水腫

血腦屏障（blood brain barrier，BBB）主要由腦微血管內(nèi)皮系統(tǒng)的毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞、細(xì)胞間緊密連接、基底膜、周細(xì)胞及膠質(zhì)細(xì)胞足突共同組成，調(diào)控血液和腦組織液之間的物質(zhì)交換過(guò)程，保障大腦內(nèi)環(huán)境不受外界干擾，維持穩(wěn)態(tài)平衡。BBB穩(wěn)態(tài)失衡會(huì)加速腦血管病發(fā)生和發(fā)展，其中通透性的改變是引起B(yǎng)BB損傷的一個(gè)最關(guān)鍵原因。缺血早期細(xì)胞內(nèi)Na+增多，胞外水分內(nèi)流促進(jìn)腦水腫的形成；缺血區(qū)域神經(jīng)細(xì)胞刺激并激活炎癥相關(guān)細(xì)胞，炎癥細(xì)胞因子和潛在的細(xì)胞毒素物質(zhì)過(guò)量生成會(huì)破壞內(nèi)皮細(xì)胞的緊密連接，進(jìn)一步介導(dǎo)BBB和細(xì)胞外基質(zhì)的破壞，導(dǎo)致BBB通透性增加；一系列炎癥反應(yīng)誘發(fā)大量細(xì)胞黏附分子生成并釋放，進(jìn)而介導(dǎo)中性粒細(xì)胞向缺血區(qū)域聚集并浸潤(rùn)損傷內(nèi)皮細(xì)胞，導(dǎo)致血管通透性增加，使腦組織水腫加重[18-19]，最終導(dǎo)致微循環(huán)障礙；氧化應(yīng)激引發(fā)的脂質(zhì)過(guò)氧化會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，加重BBB的受損；此外，血腦屏障相關(guān)的蛋白和膠原的降解還受基質(zhì)金屬蛋白酶（MMPS）家族調(diào)控，BBB的完整性破壞會(huì)引發(fā)血管源性腦水腫[20-21]。在腦缺血再灌注時(shí)，炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激、內(nèi)皮細(xì)胞受損和BBB的損傷有著密切的關(guān)系。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[22]，川皮苷（nobiletin，NOB）可能是通過(guò)激活 Akt/ CREB信號(hào)通路刺激 p-Akt、p-CREB、BDNF、Bcl-2和緊密連接蛋白-5（claudin-5）表達(dá)增加來(lái)改善BBB的通透性，并介導(dǎo)缺血后神經(jīng)細(xì)胞保護(hù)作用。

10 細(xì)胞凋亡

腦缺血損傷的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)是細(xì)胞凋亡，且發(fā)揮著重要作用。在各種類(lèi)型的腦缺血過(guò)程中細(xì)胞凋亡都是神經(jīng)元細(xì)胞死亡的重要形式。腦卒中導(dǎo)致細(xì)胞死亡的主要機(jī)制如下：當(dāng)腦細(xì)胞處于缺乏充足的氧氣和必要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)時(shí)，缺血區(qū)域腦細(xì)胞表面 TRPM7通道的激活，會(huì)引發(fā)系列嚴(yán)重連鎖反應(yīng)。TRPM7通道受高濃度自由基正反饋調(diào)節(jié)，缺血區(qū)自由基水平持續(xù)增加，最終誘發(fā)細(xì)胞死亡。干預(yù)TRPM7通道相關(guān)的連鎖反應(yīng)可有效延長(zhǎng)缺乏必須營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)下腦細(xì)胞的存活時(shí)間[23]。此外，熱休克蛋白70（HSP70）可抑制 NF-κB活化，抑制誘導(dǎo)iNOS轉(zhuǎn)錄生成而減少TNF-α的生成，過(guò)多的TNF-α可促進(jìn)線(xiàn)粒體功能紊亂從而加速缺血區(qū)域細(xì)胞凋亡[24]。神經(jīng)細(xì)胞死亡伴隨 IL-4、TNF-α、COX 等過(guò)量生成[25]，說(shuō)明炎癥參與在腦缺血再灌注損傷全部過(guò)程。

11 結(jié)語(yǔ)

腦卒中主要分為2大類(lèi)，即缺血性腦卒中和出血性腦卒中。臨床實(shí)踐表明約80%的患者為缺血性腦卒中，而其首要治療方案是盡快恢復(fù)缺血組織的腦血流，減輕因缺血帶來(lái)的損傷。缺血性腦卒中的損傷機(jī)制極其復(fù)雜。腦缺血后，局部腦組織氧化磷酸化障礙，導(dǎo)致腦內(nèi)的能量中間體ATP生成急劇減少。首先ATP依賴(lài)性的Na-K泵激活引起細(xì)胞內(nèi)的Na+外流，細(xì)胞外Ca2+內(nèi)流；滲透壓作用使水大量流入細(xì)胞，最終導(dǎo)致細(xì)胞毒性腦組織水腫。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，腦內(nèi)神經(jīng)元因缺乏能量供應(yīng)而大量死亡并伴有大量自由基、EAA（主要是Glu）生成，繼而引發(fā)固有免疫反應(yīng)。NMDA和α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異唑丙酸（AMPA）受體上結(jié)合大量 Glu后促進(jìn)鈣內(nèi)流，誘導(dǎo)線(xiàn)粒體上的鈣依賴(lài)蛋白酶、磷脂酶（主要是磷脂酶C和磷脂酶A2）和NOS等激活，線(xiàn)粒體膜的通透性發(fā)生改變；大量氧自由基生成會(huì)引發(fā)一系列自由基連鎖反應(yīng)，包括膜脂質(zhì)過(guò)氧化，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡或凋亡?；罨蟮男∧z質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)化成巨噬細(xì)胞，不僅能夠吞噬大量壞死細(xì)胞，還會(huì)產(chǎn)生多種炎癥因子使細(xì)胞損傷加重。再灌注后腦血流恢復(fù)挽救部分瀕臨死亡的神經(jīng)元細(xì)胞，同時(shí)因?yàn)锽BB受損，血液中的大量炎性細(xì)胞因子、H+、Ca2+大量透過(guò)屏障損害腦內(nèi)穩(wěn)態(tài)，進(jìn)一步加劇腦損傷，加重神經(jīng)元死亡。造成神經(jīng)元損傷的主要原因是氧化應(yīng)激、細(xì)胞凋亡[26]。缺血性腦卒中是一個(gè)多因素、多細(xì)胞介導(dǎo)的病理?yè)p傷過(guò)程，目前對(duì)于損傷的機(jī)制及治療的研究，著重于神經(jīng)元保護(hù)方面的相關(guān)藥物。

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