氧化應(yīng)激在缺血性腦卒中中的作用研究進(jìn)展▲

朱紫衣 李毓龍 李陽超 熊 杰

(1 四川省簡陽市人民醫(yī)院檢驗(yàn)科，簡陽市 641400，電子郵箱:zhuziyi0908@163.com；2 西部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院檢驗(yàn)科，四川省成都市 610083)

【提要】 腦卒中是全球第三常見的死亡原因之一，也是致殘的主要原因。由于對缺血性腦卒中發(fā)生后的細(xì)胞和分子變化以及神經(jīng)元死亡原因的理解尚不完全，目前治療缺血性腦卒中的有效方法非常少。大量研究表明，急性缺血性腦卒中發(fā)生后快速增加的活性氧會(huì)迅速壓倒抗氧化防御，進(jìn)而引發(fā)一系列病理生理事件，包括炎癥反應(yīng)、血腦屏障破壞、細(xì)胞凋亡和自噬等，最終導(dǎo)致神經(jīng)退行性變和神經(jīng)細(xì)胞死亡。因此，深入了解缺血性腦卒中氧化應(yīng)激的病理機(jī)制及相關(guān)的病理事件，對于抑制氧化應(yīng)激靶向治療缺血性腦卒中是至關(guān)重要的，故本文就氧化應(yīng)激在缺血性腦卒中中的作用進(jìn)行綜述。

隨著發(fā)達(dá)國家人群預(yù)期壽命的持續(xù)增加，卒中已成為全球第三大常見死亡病因，卒中導(dǎo)致的殘疾給醫(yī)療保健系統(tǒng)帶來了巨大的財(cái)政負(fù)擔(dān)[1-2]。卒中包括出血性和缺血性兩類，以缺血性腦卒中最為常見，占所有病例的60%～70%[3]。目前缺血性腦卒中的有效治療方法僅限于溶栓。通過靜脈溶栓和血管內(nèi)取栓的方式及時(shí)恢復(fù)血液流動(dòng)，可改善神經(jīng)系統(tǒng)預(yù)后。但溶栓的治療時(shí)間窗口短、標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格以及禁忌證多，因此其僅對少數(shù)患者有效，大多數(shù)患者只能選擇其他的替代治療方法[4]。已有研究表明，氧化應(yīng)激及其相關(guān)的分子事件在缺血性腦卒中的病理進(jìn)程中發(fā)揮重要作用[5]。腦缺血和缺血再灌注會(huì)誘導(dǎo)一系列的細(xì)胞反應(yīng)，產(chǎn)生過量的活性氧，從而引發(fā)氧化應(yīng)激反應(yīng)。高水平的活性氧不僅會(huì)產(chǎn)生許多直接損害，如脂質(zhì)過氧化、蛋白質(zhì)和DNA氧化，還會(huì)通過多種細(xì)胞信號傳導(dǎo)作用導(dǎo)致炎癥和細(xì)胞死亡途徑的啟動(dòng)[6]。阻斷氧化應(yīng)激可能成為缺血性腦卒中治療的新靶點(diǎn)，因此本文就氧化應(yīng)激在缺血性腦卒中中的作用進(jìn)行綜述。

1 缺血性腦卒中后氧化應(yīng)激發(fā)生機(jī)制

氧化應(yīng)激是指氧化劑和抗氧化劑之間的生理平衡被破壞，使得平衡偏向于氧化劑，從而對機(jī)體造成潛在損害的一種狀態(tài)。氧化應(yīng)激已被認(rèn)為是多種疾病的重要損傷機(jī)制。缺血性腦卒中的病理生理是一個(gè)復(fù)雜的過程，腦卒中患者自由基及活性氧增加，同時(shí)抗氧化酶失活與保護(hù)性抗氧化劑活性水平下降，導(dǎo)致自然防御機(jī)制無法保護(hù)神經(jīng)元。氧化應(yīng)激及其相關(guān)的炎癥反應(yīng)、自噬、細(xì)胞凋亡等是參與神經(jīng)損傷的關(guān)鍵。在腦缺血性損傷時(shí)，病灶區(qū)血流量減少，氧分壓降低，二氧化碳分壓增高，導(dǎo)致組織酸中毒、生物能量不足、氧化應(yīng)激發(fā)生，進(jìn)一步損傷腦部微血管及血腦屏障、激活神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞等[7-8]。在腦缺血時(shí)，機(jī)體氧化系統(tǒng)和抗氧化系統(tǒng)之間的平衡遭到破壞，大腦和免疫細(xì)胞產(chǎn)生活性氧，刺激內(nèi)皮細(xì)胞引起氧化應(yīng)激。同時(shí)，在缺血缺氧的幾分鐘內(nèi)，一系列復(fù)雜的分子級聯(lián)事件接踵而至，如神經(jīng)元去極化、Ca2+內(nèi)流增加、三磷酸腺苷消耗和興奮性神經(jīng)遞質(zhì)谷氨酸釋放，這些分子事件導(dǎo)致煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶信號激活和線粒體功能障礙，進(jìn)一步加劇氧化應(yīng)激[9]。此時(shí)活性氧活性的增強(qiáng)不僅導(dǎo)致原發(fā)性血管損傷，還介導(dǎo)了諸多缺血性腦卒中的重要病理過程，包括：(1)直接引發(fā)脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、核酸的氧化損傷而導(dǎo)致細(xì)胞毒性；(2)引發(fā)與急性免疫反應(yīng)相關(guān)的炎癥反應(yīng)的發(fā)展；(3)引起神經(jīng)細(xì)胞凋亡；(4)激活自噬途徑；(5)損傷血腦屏障等；這些病理過程都可促進(jìn)神經(jīng)退行性病變和細(xì)胞死亡[10-12]。

2 氧化應(yīng)激與炎癥反應(yīng)

研究發(fā)現(xiàn)，大腦缺血后會(huì)導(dǎo)致缺血區(qū)域的能量損失和細(xì)胞凋亡，繼而激活小膠質(zhì)細(xì)胞和星形細(xì)胞，導(dǎo)致中性粒細(xì)胞和巨噬細(xì)胞黏附聚集[13]。缺血損傷后4～6 h，細(xì)胞因子和趨化因子水平增高，促進(jìn)細(xì)胞間黏附分子的表達(dá)，黏附因子水平不斷增高，在缺血后6～12 h達(dá)到高峰[14]。Rallidis等[15]的研究表明，急性缺血性腦卒中患者的可溶性細(xì)胞間黏附分子-1水平高于非心血管疾病患者，且急性缺血性腦卒中死亡患者的可溶性細(xì)胞間黏附分子-1水平明顯高于急性缺血性腦卒中存活者。Wu等[16]的臨床研究也證實(shí)可溶性細(xì)胞間黏附分子-1水平增加與腦微出血的存在和腦梗死出血性轉(zhuǎn)化風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)。在腦缺血初期，一氧化氮合酶產(chǎn)生的一氧化氮能促進(jìn)血管舒張、減少血小板聚集和白細(xì)胞黏附，對大腦發(fā)揮有益作用。然而隨著疾病發(fā)展，腦缺血后期一氧化氮與超氧化物相互作用形成具有強(qiáng)氧化性的活性氮，造成脫氧核糖核酸斷裂和脂質(zhì)過氧化，使氧化應(yīng)激加劇[17]?；钚匝鹾涂寡趸钢g的氧化還原平衡遭到破壞后，機(jī)體會(huì)啟動(dòng)級聯(lián)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，導(dǎo)致更多的活性氧積累。此外，一氧化氮還可抑制產(chǎn)三磷酸腺苷酶的活性和刺激促炎酶如環(huán)氧合酶2等進(jìn)而損傷細(xì)胞[18]。炎癥細(xì)胞可以產(chǎn)生活性氧和活性氮，而活性氧和活性氮的增加又進(jìn)一步激活炎癥細(xì)胞，進(jìn)而形成惡性循環(huán)。研究表明，活性氧和活性氮主要通過激活核轉(zhuǎn)錄因子來介導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞、中性粒細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的激活，進(jìn)而釋放炎癥因子[19]。同時(shí)，腦缺血時(shí)星形膠質(zhì)細(xì)胞的表達(dá)增高也參與了小膠質(zhì)細(xì)胞的激活。激活的小膠質(zhì)細(xì)胞具有釋放促炎細(xì)胞因子(如腫瘤壞死因子α、白細(xì)胞介素1β和白細(xì)胞介素6)的潛力，并可促進(jìn)其他潛在的細(xì)胞毒性分子(包括一氧化氮、活性氧和前列腺素等)的釋放[20]。

3 氧化應(yīng)激與血腦屏障破壞

血腦屏障為中樞神經(jīng)系統(tǒng)與神經(jīng)實(shí)質(zhì)的循環(huán)血液與細(xì)胞外液間提供了保護(hù)性選擇屏障。在發(fā)生缺血性腦卒中時(shí)，大腦和周圍的固有免疫細(xì)胞被招募到損傷部位，隨后特異性免疫系統(tǒng)的細(xì)胞也參與進(jìn)來[21]。各種危險(xiǎn)信號以及促炎細(xì)胞因子和趨化因子驅(qū)動(dòng)初始反應(yīng)，緊密連接蛋白遭到破壞，內(nèi)皮細(xì)胞被激活，血腦屏障的緊密連接和完整性受到損害[22]。同時(shí)由于腦缺血時(shí)活性氧和活性氮產(chǎn)生過量，使內(nèi)皮細(xì)胞通透性增加。腦缺血時(shí)超氧化物水平增加，進(jìn)一步導(dǎo)致過氧化氫產(chǎn)生增加。過氧化氫會(huì)誘導(dǎo)Occludin和閉合小帶蛋白-1易位再分布，促進(jìn)咬合蛋白和肌動(dòng)蛋白的表達(dá)，細(xì)胞旁間隙增大，最終引起血腦屏障胞旁通透性增加[23-24]。此外，由于中性粒細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞等活化，使基質(zhì)金屬蛋白酶釋放增加，基質(zhì)金屬蛋白酶可降解基底板中的膠原蛋白和層粘連蛋白，進(jìn)一步破壞血管壁的完整性，這也是血腦屏障通透性增加的重要原因之一[25]。Ning等[26]發(fā)現(xiàn)，對于缺血性腦卒中患者，采用組織型纖溶酶原激活物溶栓可導(dǎo)致基質(zhì)金屬蛋白酶-9水平增加，促進(jìn)缺血性卒中后出血性轉(zhuǎn)化。事實(shí)上血腦屏障的破壞是炎癥、細(xì)胞壞死、氧化應(yīng)激、組織降解酶產(chǎn)生等多種病理過程共同作用的結(jié)果[27]。血腦屏障的破壞為免疫細(xì)胞溶質(zhì)與水一起進(jìn)入腦實(shí)質(zhì)創(chuàng)造了條件，從而導(dǎo)致間質(zhì)炎癥和腦水腫，進(jìn)一步損害神經(jīng)組織。

4 氧化應(yīng)激與細(xì)胞凋亡

研究表明，部分凋亡信號通路會(huì)受到細(xì)胞氧化還原狀態(tài)的調(diào)節(jié)，特異性的活性氧，如H2O2或超氧化物是介導(dǎo)細(xì)胞凋亡的關(guān)鍵物質(zhì)[28]。腦缺血可觸發(fā)兩種凋亡通路：內(nèi)源性通路來源于線粒體，釋放細(xì)胞色素c和半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶(cysteinyl aspartate specific proteinase，Caspase)-3的相關(guān)刺激；外源性途徑來源于細(xì)胞表面死亡受體的激活，刺激Caspase-8產(chǎn)生凋亡信號[29]。Caspase是參與凋亡信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的關(guān)鍵分子，所有通路都匯聚于Caspase-3[30]。腦缺血和再灌注損傷時(shí)，過量的活性氧直接損傷線粒體，導(dǎo)致神經(jīng)元胞漿細(xì)胞色素c釋放增加，進(jìn)而誘發(fā)細(xì)胞凋亡。細(xì)胞色素c與凋亡蛋白酶激活因子結(jié)合會(huì)進(jìn)一步激活Caspase-9、Caspase-3[31]?；罨腃aspase-3可以裂解多種核DNA修復(fù)酶，導(dǎo)致核DNA損傷且無法修復(fù)，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。此外，腦卒中時(shí)活性氮過量生成，促進(jìn)線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔的開放，抑制重要的線粒體酶活性，線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔的開放使得細(xì)胞色素c和凋亡誘導(dǎo)因子釋放增加，凋亡誘導(dǎo)因子易位到細(xì)胞核，導(dǎo)致DNA斷裂和細(xì)胞死亡。已有研究報(bào)道，腦缺血損傷時(shí)半暗帶中半胱天冬酶蛋白被激活，抑制該蛋白對局灶性缺血損傷具有保護(hù)作用[32]。細(xì)胞凋亡的外源性途徑涉及死亡受體的參與，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，缺血后大鼠腦內(nèi)Fas、Fas配體和腫瘤壞死因子相關(guān)的凋亡誘導(dǎo)配體表達(dá)上調(diào)，這種上調(diào)在腦缺血后12 h內(nèi)被觀察到，并在24～48 h達(dá)到高峰，這與神經(jīng)元細(xì)胞凋亡的時(shí)間進(jìn)程相吻合[33]。這表明死亡受體在腦缺血后細(xì)胞凋亡中扮演著重要角色。

5 氧化應(yīng)激與細(xì)胞自噬

自噬是細(xì)胞吞噬自身細(xì)胞質(zhì)或細(xì)胞器的過程，是一種重要的蛋白降解途徑。自噬有助于清除受損的線粒體和氧化蛋白，在正常情況下活性氧誘導(dǎo)的自噬可以減少氧化應(yīng)激引起的損傷來保護(hù)細(xì)胞[34]。然而過度的自噬會(huì)破壞許多細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞器，引起細(xì)胞功能障礙，導(dǎo)致細(xì)胞自噬性死亡。近年來，自噬在缺血性腦卒中的作用受到關(guān)注。研究報(bào)道，被稱為自噬標(biāo)志物的自噬調(diào)節(jié)因子Beclin1和微管相關(guān)蛋白1輕鏈3的蛋白水平在腦缺血期間表達(dá)上調(diào)[35]。Qin等[35]通過構(gòu)建局灶性腦缺血大鼠模型探討自噬激活在細(xì)胞損傷中的作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)腦缺血時(shí)星形膠質(zhì)細(xì)胞自噬激活，自噬體、自噬溶酶體形成增多，缺血6 h后Beclin1水平增加，24 h 達(dá)到高峰，神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞Beclin1表達(dá)均上調(diào)。這些結(jié)果說明缺血誘導(dǎo)的自噬/溶酶體通路激活參與了星形膠質(zhì)細(xì)胞的缺血損傷。腦缺血再灌注后過度增加的活性氧可觸發(fā)細(xì)胞內(nèi)鈣超載，進(jìn)而導(dǎo)致線粒體功能障礙和線粒體自噬。腦缺血時(shí)過度增加的活性氧可激活泛素蛋白體系統(tǒng)，從而降解B淋巴細(xì)胞瘤-2，導(dǎo)致Beclin1激活和自噬細(xì)胞死亡[36]。缺血再灌注過程中，活性氧破壞細(xì)胞器和胞質(zhì)蛋白，引起線粒體脂質(zhì)過氧化，脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物可與特定的線粒體和自噬相關(guān)蛋白結(jié)合，以自噬細(xì)胞死亡的方式導(dǎo)致細(xì)胞功能障礙，同時(shí)脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物還可誘發(fā)溶酶體功能障礙和脂溶酶形成，導(dǎo)致自噬活性降低[37]。此外，自噬體靶向調(diào)節(jié)抗氧化酶(如H2O2酶和超氧化物歧化酶)，從而增加活性氧的產(chǎn)生，并形成一個(gè)導(dǎo)致細(xì)胞死亡的正自噬反饋通路，這些都加劇了缺血性腦卒中自噬的發(fā)生[38]。

6 結(jié) 語

缺血性腦卒中由于腦動(dòng)脈阻塞引起腦動(dòng)脈血液供應(yīng)突然中斷，進(jìn)而導(dǎo)致大腦缺氧和活性氧積累。在恢復(fù)血流時(shí)，大腦氧化應(yīng)激可能進(jìn)一步加劇，導(dǎo)致氧化劑的產(chǎn)生和抗氧化防御機(jī)制不平衡，從而引起細(xì)胞存活機(jī)制紊亂，最終導(dǎo)致神經(jīng)損傷[39]。因此靶向抑制氧化應(yīng)激已成為治療腦卒中的神經(jīng)保護(hù)的一種策略。近年來，通過補(bǔ)充外源性抗氧化劑以解毒過量的活性氧和直接抑制活性氧產(chǎn)生相關(guān)的酶，從而抑制氧化應(yīng)激介導(dǎo)的腦卒中損傷已取得一些進(jìn)展。如采用維生素C、維生素E或羅布麻素等抗氧化劑抑制煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶的活性，減少活性氧的產(chǎn)生；采用白藜蘆醇或N-乙酰半胱氨酸等清除活性氧。但目前這些抗氧化策略僅限于臨床前研究，還有待更多臨床試驗(yàn)研究結(jié)果加以驗(yàn)證。除了積極開展相關(guān)的研究，證實(shí)抗氧化劑在缺血性腦卒中的作用，深入了解腦卒中氧化應(yīng)激與其他關(guān)鍵病理過程的相互作用及分子機(jī)制，對于靶向抑制活性氧治療缺血性腦卒中也是大有裨益的。