神經(jīng)炎癥與氧化應激機制在蛛網(wǎng)膜下腔出血中的研究進展

申英杰 薛國強

山西醫(yī)科大學附屬運城市中心醫(yī)院，山西 運城 044000

腦卒中一直是影響全球人群健康的重要疾病， 而出血性卒中往往導致更為嚴重的神經(jīng)功能障礙，嚴重影響患者預后。蛛網(wǎng)膜下腔出血（subarachnoid hemorrhage，SAH）指腦底部或腦表面的病變血管破裂導致血液直接滲入蛛網(wǎng)膜下腔，約占急性腦卒中的10%，而因顱內動脈瘤破裂導致的動脈瘤性蛛網(wǎng)膜下腔出血占比達85%，且發(fā)病集中于相對年輕的群體［1］。患者發(fā)生SAH后所面臨的早期腦損傷（early brain injury，EBI）、腦積水、腦代謝紊亂、遲發(fā)性腦缺血（delayed cerebral ischemia，DCI）等并發(fā)癥嚴重要影響患者的預后［2］。數(shù)年來，腦血管痙攣一直被認為是導致患者神經(jīng)功能障礙的主要原因。在臨床上，盡管尼莫地平可以適當緩解腦血管痙攣，但是SAH患者的預后卻沒有明顯改善［3］。而近年來以發(fā)生SAH 后的早期階段的診斷及治療逐漸被關注，即在出血的早期便啟動神經(jīng)保護治療以盡早預防并發(fā)癥的發(fā)生，這使得SAH 的病理生理機制成為研究熱點。SAH后的病理生理機制繁雜，神經(jīng)炎癥、氧化應激、皮質傳播抑制、微循環(huán)功能障礙、細胞凋亡與自噬等多種機制參與其中。

神經(jīng)炎癥與氧化應激所參與的腦損傷逐漸被認可，在出血早期階段，神經(jīng)炎癥與氧化應激反應便已經(jīng)被激活。出血后由于血紅蛋白及其降解產(chǎn)物的釋放、細胞器的功能障礙、外周炎性細胞及中樞炎性細胞的激活浸潤和生物酶的活化等表達了過量的氧化物與炎癥因子，進一步導致了顱內低灌注壓、血-腦屏障損傷、腦水腫、神經(jīng)元凋亡等的神經(jīng)損傷［4-5］。而神經(jīng)炎癥可以導致氧化應激的發(fā)生發(fā)展，氧化應激的產(chǎn)物也可以加劇炎癥的浸潤，共同導致SAH 的不良預后。本文就對在SAH之后的神經(jīng)炎癥、氧化應激、兩者之間交互作用的損傷機制以及相關的生物標志物進行綜述。

1 神經(jīng)炎癥

炎性細胞浸潤被認為參與了SAH后一系列并發(fā)癥的形成與發(fā)展。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，外周的中性粒細胞、單核細胞、巨噬細胞，以及中樞神經(jīng)系統(tǒng)的小膠質細胞和星形膠質細胞等被認為在SAH后起到了重要的作用。豐富的炎性細胞在SAH后不同時段被活化。在出血后的早期及晚期，中性粒細胞與神經(jīng)膠質細胞等被激活，而亞急性期則更多的是單核細胞與巨噬細胞的活化［6］，這表明神經(jīng)炎癥幾乎全程參與了SAH后神經(jīng)組織的損傷。炎性細胞主要通過釋放過量的炎癥因子對神經(jīng)組織造成損傷，目前已有多種炎癥因子如白細胞介素-1（interleukin，IL-1）、IL-6、單核細胞趨化蛋白-1、巨噬細胞遷移抑制因子等均可以在SAH 患者的血清或者腦脊液中被檢測出，并且其表達水平與SAH 后的并發(fā)癥相關，可以有效預測患者的并發(fā)癥及預后［7］，充分說明了神經(jīng)炎癥反應在SAH后的重要作用。

1.1 外周炎性細胞出血后，由于血-腦屏障的破壞及趨化因子的表達，中性粒細胞在EBI與延遲性腦損傷階段發(fā)揮了重要作用。中性粒細胞可在出血后的48 h 之內從外周進入中樞神經(jīng)系統(tǒng)［8］。其聚集浸潤不僅釋放了大量的IL-6、IL-1β等炎癥因子，并且可以進一步促進血管收縮因子內皮素-1 的釋放，造成組織損傷與血管收縮。在SAH 后的第3 天，中性粒細胞的表達量達到第二次高峰。中性粒細胞的升高被認為是SAH患者發(fā)生DCI及不良預后的有效預測因子［9］。最近的研究表明，中性粒細胞的釋放還可以將小膠質細胞轉化為更具有炎性極化的表型，從而加重SAH后的神經(jīng)炎癥反應。單核細胞與巨噬細胞作為機體固有免疫的重要細胞，出血后可在趨化因子的作用下積累到損傷部位，在SAH 后可以通過誘發(fā)腦血管痙攣而加速DCI的形成［10］。

1.2 中樞炎性細胞小膠質細胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的常駐免疫細胞，與外周的巨噬細胞一起組成先天免疫系統(tǒng)，其被認為是唯一具有骨髓起源的神經(jīng)膠質細胞［11］。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)未受損時，其對于維持內環(huán)境的穩(wěn)態(tài)至關重要。研究發(fā)現(xiàn)，小膠質細胞能夠隨著外部環(huán)境變化而將其功能轉變?yōu)榇傺祝∕1）或抗炎（M2）表型以起到相應地調節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)炎癥的作用。在組織受損后，大量的損傷相關的分子模式（damage associated molecular patterns，DAMPs）被釋放以激活小膠質細胞，當小膠質細胞被適量激活時可吞噬毒性物質，被過量激活時則可以誘發(fā)或者維持炎癥反應［12］。活化的小膠質細胞可以多種受體途徑來激活炎癥反應，其中Toll樣受體4（Toll-like receptor-4，TLR4）是小膠質細胞表面表達最為豐富的受體［13］。在SAH 后的3 d內，即早期腦損傷階段，TLR4被多種配體結合以激活下游炎癥通路級聯(lián)反應，包括核因子κB（nuclear fac?tor kappa-B，NF-κB）、髓樣分化因子88（myeloid dif?ferentiation factor 88，MyD88）/TRIF和絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）等通路，促進小膠質細胞向M1 型極化，釋放腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor，TNF-α）、IL-6 和IL-1 等多種炎癥因子，加重神經(jīng)組織損傷［14］。隨著疾病的進展，TLR4的激活也被認為促進了腦血管痙攣的發(fā)生，進一步導致DCI而加劇不良預后［15］。最近研究表明，2-PMAP、脂多糖及硫化氫等抑制TLR4/MyD88、TLR4/NF-κB等通路的活化后，可以通過減輕血管痙攣及腦損傷而抑制蛛網(wǎng)膜下腔出血模型疾病的發(fā)展，從而改善認知障礙，改善SAH大鼠模型的預后［16-18］。

作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的另一種重要的膠質細胞，星形膠質細胞在維持神經(jīng)元電位及結構、改善跨突觸通訊、調節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥反應及血-腦屏障的結構組成中占據(jù)重要作用。糖腱蛋白C（tenascin-C，TNC）主要在星形膠質細胞中被表達，在SAH 之后，TNC被認為是促進動脈周圍間隙炎性細胞浸潤激活的關鍵因素，其可以通過神經(jīng)炎癥、血-腦屏障破壞和神經(jīng)元凋亡等方面促進神經(jīng)組織損傷并引發(fā)EBI，并且為腦血管痙攣與DCI的發(fā)展中奠定了重要基礎［19］。目前研究表明，在SAH 后，星形膠質細胞可通過TLR4/NF-κB信號通路表達TNC［20］，釋放的TNC進一步通過激活MAPK受體而上調基質金屬蛋白酶-9的表達［21］，基質金屬蛋白酶-9已被認為在SAH后可以促進血-腦屏障破壞、微循環(huán)障礙等的發(fā)生、發(fā)展［22-23］。而TNC可作為SAH患者發(fā)生EBI的標志物并可以預測DCI 的發(fā)生及不良預后［24］。TNC 相關的炎癥通路應是SAH后繼發(fā)性腦損傷的潛在治療靶點。由此可見，SAH中的標志性炎癥反應之一便是外周及中樞炎性細胞的活化，從而損傷腦組織。

2 氧化應激

在正常情況下，機體的氧化系統(tǒng)與抗氧化機制相平衡，在呼吸、循環(huán)等系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。當機體受到應激時，由于細胞器功能障礙、內環(huán)境紊亂可造成氧化系統(tǒng)亢進，主要表現(xiàn)為體內活性氧（reac?tive oxygen species，ROS）等活性自由基的大量產(chǎn)生，同時抗氧化系統(tǒng)受到抑制，造成機體氧化與抗氧化失衡被稱為氧化應激反應［25］。在SAH 后，ROS 被認為是主要的活性介質，包括過氧化物、羥自由基、超氧陰離子等一系列活性自由基。過量的ROS在體內或細胞內蓄積可以生物分子的過氧化，進一步引發(fā)細胞凋亡而促進繼發(fā)性損傷［26］。目前研究認為，血紅蛋白及其降解產(chǎn)物、各種細胞器的應激及生物酶的活化是SAH后形成氧化應激損傷的主要來源。

2.1 血紅蛋白及其降解產(chǎn)物單個血紅蛋白由4個血紅素與1 個珠蛋白組成，4 個吡咯基及1 個亞鐵離子組成血紅素［27］。在SAH 之后，大量的紅細胞涌入蛛網(wǎng)膜下腔，導致血紅蛋白的釋放。四聚體血紅蛋白被逐漸分解，并產(chǎn)生二聚體血紅蛋白，在蛛網(wǎng)膜下腔出血后的缺氧環(huán)境下，部分通過肝臟合成的珠蛋白來清除毒性的血紅蛋白分解物，部分則繼續(xù)被氧化成為高鐵血紅蛋白，釋放了大量的游離鐵［28］。而鐵可以通過其與過氧化物誘導的Fenton反應和Haber-Weis循環(huán)反應來產(chǎn)生大量的ROS，進一步造成細胞膜及蛋白質的損傷［29］，是SAH后加重氧化應激的重要機制。

2.2 細胞器的功能障礙線粒體在生物體的呼吸能量供給中發(fā)揮著不可替代的作用，線粒體的耗氧量占據(jù)細胞內耗氧量的90%到95%，大量的氧自由基隨著呼吸鏈的電子傳遞與氧化劑的產(chǎn)生而釋放［30］。而且在氧合血紅蛋白的刺激下，線粒體膜電位去極化而發(fā)生功能障礙，主要在復合物Ⅰ與復合物Ⅲ中產(chǎn)生ROS［31］。此外，α-酮戊二酸脫氫酶和丙酮酸脫氫酶復合物可以通過正向電子轉移而產(chǎn)生比復合物Ⅰ更多的ROS［32］。積聚的ROS進一步活化了線粒體膜中的Ca2+依賴性的線粒體通透性轉變孔，使得更多的Ca2+內流來改變線粒體的功能活動［33］，形成正反饋循環(huán)加重線粒體功能障礙，進一步導致了神經(jīng)組織缺血缺氧的形成。

內質網(wǎng)是合成分泌蛋白和膜蛋白的主要部位，在機體穩(wěn)態(tài)時，經(jīng)內質網(wǎng)折疊和修飾的蛋白質可以運輸?shù)礁郀柣w中進行進一步加工［34］。發(fā)生SAH 后，由于內環(huán)境紊亂，ROS的大量積聚，內質網(wǎng)的應激反應導致活化轉錄因子6、肌醇需要酶1α/c-Jun氨基末端激酶和RNA依賴的蛋白激酶樣內質網(wǎng)激酶/真核起始因子2α等通路中的凋亡蛋白如轉錄因子CCAAT 增強子結合蛋白的同源蛋白（CCAAT enhancer binding protein-homologous protein，CHOP）、caspase-12、凋亡信號調節(jié)激酶1 和c-Jun 氨基末端激酶等的表達上調。CHOP 可進一步通過調節(jié)細胞對氧化應激的敏感性以及Bax和Bcl-2的表達來誘導細胞凋亡［35］。此外，蛋白質的折疊對于應激的內質網(wǎng)高度敏感，由于SAH后的內質網(wǎng)應激，二硫鍵發(fā)生失調而增加了腔內的氧化應激，導致內質網(wǎng)功能下降［36-37］，折疊錯誤的蛋白質進一步加劇了細胞自噬的失衡與神經(jīng)元凋亡，最終造成了繼發(fā)性腦損傷的發(fā)展?？梢娧趸瘧歉鼮樵缙陔A段的活化，其來源途徑眾多，炎性反應也參與其中。

3 神經(jīng)炎癥與氧化應激的交互作用

在SAH后，由于出血應激與內環(huán)境的紊亂，神經(jīng)炎癥與氧化應激不同程度地被激活。各種類型的炎性細胞除了表達炎癥因子之外，還可以通過NADPH氧化酶、髓過氧化物酶等產(chǎn)生過量的ROS 來加重氧化應激反應。氧化應激除了直接對組織造成損傷外，其相關產(chǎn)物還可以通過激活多種神經(jīng)炎癥信號通路來進一步促進炎癥因子的釋放，加劇神經(jīng)組織損傷。

3.1 氧化應激的炎性來源NADPH 氧化酶（NADPH oxidase，NOX）家族產(chǎn)生跨膜蛋白，可以將電子從細胞質的NADPH轉運穿過生物膜，從而將氧分子還原為超氧陰離子，NOX 產(chǎn)生的ROS 是神經(jīng)元分化和神經(jīng)元信號傳導所必須的［38］。NOX在神經(jīng)系統(tǒng)中廣泛存在，其亞型NOX2與NOX4主要在神經(jīng)元、星形膠質細胞及小膠質細胞中表達，并且被認為在SAH 后誘導EBI 的發(fā)展中起著重要的作用［39］。在SAH 后，組織應激導致中樞炎性細胞表達的NOX 通過NADPH 作為電子供體和細胞外的氧分子作為受體，逐漸產(chǎn)生過量的氧自由基，成為繼血紅蛋白及應激線粒體后又一重要的ROS 來源，進一步加重了氧化應激反應。髓過氧化物酶（myeloperoxidase，MPO）是血紅素過氧化物酶超家族的成員，其可以在多種類型的炎性細胞中表達，而現(xiàn)研究認為中性粒細胞的活化與脫顆粒是MPO的主要來源［40］。在SAH后，中性粒細胞被大量活化，并且在早期即可達到高峰，存在于中性粒細胞嗜天青顆粒中的MPO活化后可以通過催化氯化物和過氧化氫的反應誘導氯化反應產(chǎn)生次氯酸［41］，次氯酸具有高度的氧化活性，可以損傷脂質、蛋白質和DNA 等物質［42］。除此之外，次氯酸還可以促進NOX的結構易位，誘導內皮細胞產(chǎn)生超氧化物、過氧亞硝酸鹽等氧化物而加重組織損傷［40］。在SAH模型中，MPO 被認為通過影響神經(jīng)元與神經(jīng)膠質細胞而促進神經(jīng)功能損傷，另有研究表明其在SAH 患者的血清中表達明顯升高，對于血管痙攣有一定的預測價值［43，44］。炎性來源的NOX及MPO等氧化酶作為神經(jīng)炎癥與氧化應激的交互損傷點值得進一步深入研究。巨噬細胞遷移抑制因子（macrophage migration inhibitory factor，MIF）作為一種促炎因子，其可以被神經(jīng)膠質細胞表達而激活炎癥反應，在SAH 后其血清與腦脊液中的濃度升高并且可以預測腦血管痙攣、DCI 與不良預后［45-46］。最近研究表明，MIF 還可以促進中性粒細胞的活化而增加次氯酸的產(chǎn)生，加重氧化應激損傷［47］。

3.2 氧化應激加重炎癥損傷顱內血管的破裂出血引發(fā)了細胞外DAMPs的釋放，當DAMPs與細胞表面的受體結合后，可以激活下游信號通路從而導致一系列細胞因子的釋放。目前發(fā)現(xiàn)的DAMPs包括有高遷移率族蛋白B1、S100B、IL-33、線粒體DNA、細胞外基質以及血紅蛋白衍生物等。血紅蛋白及其降解產(chǎn)物不僅可以生成ROS 造成氧化應激損傷外，還可以作為釋放細胞因子的激活劑［48］。最近研究表明血紅素在SAH 后的炎癥與氧化應激誘導中發(fā)揮了重要作用。血紅素可以通過TLR4/MyD88通路激活內皮細胞、中性粒細胞、巨噬細胞及小膠質細胞等，促進黏附分子及炎癥因子如細胞內黏附分子-1、脂多糖、IL-1、IL-1β、TNF-α、IL-6 和IL-8等的釋放。在出血后的早期，血紅素作為DAMPs激活中性粒細胞，促進中性粒細胞ROS及炎癥因子IL-8的表達［49］。另有研究表明，血紅素還充當了中性粒細胞胞外陷阱（neutrophil ex?tracellular traps，NETs）形成的誘導劑。在NADPH氧化酶和ROS形成的條件下，血紅素誘導NETs形成［50］，而NETs可以進一步促進小膠質細胞轉變?yōu)榇傺譓1亞型，從而加重神經(jīng)炎癥并導致不良預后［51］。核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3（nod-like receptor protein 3，NLRP3）是一種蛋白質復合物，是免疫系統(tǒng)的重要組成部分，其可通過多種途徑識別內源性危險信號，被激活后主要釋放IL-1β來發(fā)揮作用，IL-1β已被認為是SAH 的損傷標志。在SAH 后，多種途徑產(chǎn)生的ROS可以激活NF-κB，從而將p65亞基轉移到細胞核中，增加了NLRP3 和炎性細胞因子的mRNA 水平。同時，對ROS 敏感的硫氧相互作用蛋白可以通過ROS誘導，進一步與NLRP3結合導致NLRP3炎性體的激活和IL-1β的表達。其作為SAH 后繼發(fā)性腦損傷的治療靶點值得進一步探討。

4 生物標志物

由于顱內動脈瘤破裂而導致的動脈瘤性蛛網(wǎng)膜下 腔 出 血（aneurysmal subarachnoid hemorrhage，aSAH）往往更容易引發(fā)不良的預后，目前對于蛛網(wǎng)膜下腔出血后生物標志物的研究主要集中于aSAH 患者上，合適的生物標志物不僅可以幫助臨床醫(yī)師精準地判斷aSAH 患者的病情，而且可以為明確aSAH 疾病的病理生理機制提供基礎。神經(jīng)炎癥與氧化應激在aSAH后的EBI、DCI等并發(fā)癥中占據(jù)重要作用，因此其相關的生物標志物有著廣泛的研究價值。

已有多種相關的因子均可以在aSAH 患者的血液或者腦脊液中被檢測出，并且其表達水平與aSAH后的腦損傷相關，可以有效預測患者的并發(fā)癥及預后，充分說明了其在aSAH 后的重要作用（部分生物標志物詳見表1）。

表1 神經(jīng)炎癥與氧化應激的部分生物標志物在動脈瘤性蛛網(wǎng)膜下腔出血中的意義Table 1 Significance of selected biomarkers of neuroinflammation and oxidative stress in aneurysmal subarachnoid hemorrhage

5 小結

長期以來，蛛網(wǎng)膜下腔出血導致的腦卒中影響著全球人類的健康，明確出血后的繼發(fā)性損傷機制對于疾病的診療至關重要。目前臨床的治療依然主要沿用“3H”及尼莫地平療法，但是患者的預后需要被進一步改善。蛛網(wǎng)膜下腔出血后繼發(fā)性損傷的病理生理機制復雜，在出血后的早期，神經(jīng)炎癥與氧化應激反應便已經(jīng)被激活。神經(jīng)炎癥涉及多種細胞及信號通路，多來源的氧化應激不僅直接損傷了神經(jīng)組織，而且作為獨特的激活劑增強了神經(jīng)炎癥損傷。神經(jīng)炎癥與氧化應激的交互激活作用使得繼發(fā)性腦損傷形成了“正反饋”效應，多種因子及受體充當了損傷的“交互點”。因此對于蛛網(wǎng)膜下腔出血患者的治療，或許應該更多的關注此類“交互點”，結合現(xiàn)有診療及生物標志物的應用，才能更為有效地抑制腦損傷的發(fā)展。隨著基礎醫(yī)學及臨床醫(yī)學的進步，改善蛛網(wǎng)膜下腔出血患者預后的新療法具有著更廣泛的應用前景。

利益沖突：本文所有作者聲明無利益沖突。