腦缺血/再灌注導(dǎo)致神經(jīng)元損傷機制的研究進展

李青青 范倩倩 左慧穎 邵翠杰

1.濱州醫(yī)學(xué)院，山東煙臺 264000；2.濱州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)研究中心，山東濱州 256600

我國卒中患者總?cè)藬?shù)占世界首位[1-2]，其中80%是缺血性腦卒中?，F(xiàn)階段國內(nèi)外腦血管病診治指南一致推薦的治療急性缺血性腦卒中最有效的藥物治療是超早期內(nèi)（＜4.5 h）給予重組組織型纖溶酶原激活劑（rt-PA）靜脈溶栓，我國相關(guān)課題研究表明在發(fā)病6 h內(nèi)給予患者國產(chǎn)尿激酶100～150萬 U靜脈溶栓對急性缺血性腦卒中的治療效果顯著且相對安全[3]。盡管如此，能在此時間窗內(nèi)接受治療的患者較少且血流恢復(fù)后，由于氧自由基增多、細胞內(nèi)鈣離子超負荷、炎癥因子釋放增加、線粒體損傷等機制會進一步加重神經(jīng)元凋亡，即腦缺血再灌注損傷。腦缺血/再灌注損傷會加重患者的臨床癥狀，導(dǎo)致預(yù)后不良，研究其潛在機制就變得更為重要。本文就腦缺血/再灌注損傷病理生理機制做一綜述，意在為缺血性腦卒中患者的治療提供理論依據(jù)，并為臨床基礎(chǔ)研究及可能的預(yù)防策略開拓新思路。

1 氧化應(yīng)激與腦缺血再灌注損傷

氧化應(yīng)激（OS）是氧自由基產(chǎn)生與清除失衡導(dǎo)致大量氧化中間產(chǎn)物在體內(nèi)堆積并產(chǎn)生負面作用。OS存在于多種病理生理機制，其中就包括缺血再灌注。腦組織氧化代謝率和多聚不飽和脂肪酸的含量較高、抗氧化酶活性較低，導(dǎo)致神經(jīng)元更易受氧化損傷。每一種類型的卒中自由基都增加?；钚匝酰≧OS）在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中主要由星形膠質(zhì)細胞和小膠質(zhì)細胞產(chǎn)生。還原型煙堿酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）氧化酶產(chǎn)生大部分的超氧陰離子，是腦缺血氧化應(yīng)激的主要驅(qū)動因素。此外，超氧陰離子還可以通過黃嘌呤氧化酶（XO）產(chǎn)生。在缺血性腦卒中過程中，ROS的生成分為三個階段[4]。第一階段：呼吸抑制后18～20 min，能量耗竭引起乳酸堆積，氫離子（H+）濃度增加，超氧陰離子向過氧化氫（H2O2）的轉(zhuǎn)化增加；缺氧線粒體膜去極化，呼吸鏈解偶聯(lián)，中間產(chǎn)物積累并與氧氣相互作用產(chǎn)生ROS。第二階段：氧糖剝離后的25～35 min，三磷酸腺苷（ATP）耗盡導(dǎo)致XO積累并激活，超氧陰離子產(chǎn)生并從線粒體呼吸鏈泄露，形成H2O2成為羥自由基（OH）的來源。第三階段：再灌注階段，組織含氧量增加，是造成氧化損傷的最重要階段。此外，缺血可以增加金屬離子的可獲得性，腦組織富含鐵，且腦脊液不能集合釋放出來的鐵離子。高濃度的鐵導(dǎo)致一氧化氮（NO）合成增加，過氧亞硝酸生成，隨后轉(zhuǎn)化成羥基自由基和其他ROS。各種途徑生成的ROS通過兩種途徑激活半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶（caspase）導(dǎo)致細胞凋亡。內(nèi)源性途徑：細胞內(nèi)鈣離子（Ca2+）積聚誘導(dǎo)Bcl-2基因相互作用域Bid裂解為截短的Bid（tBid）與Bad-Box等促凋亡蛋白相互作用[5]；外源性途徑：腫瘤壞死因子（TNF）家族配體與細胞表面凋亡受體結(jié)合[6]。兩種途徑共同通路：線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔打開，細胞色素C釋放，最終激活半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-3（caspase-3）導(dǎo)致細胞凋亡[7]。除了上述兩種途徑，ROS還可能通過激活P53和絲裂原活化蛋白激酶、抑制磷酸肌醇三磷酸激酶-絲氨酸-蘇氨酸蛋白激酶（PI3K/Akt）通路、激活靶蛋白（如ROS敏感的凋亡信號調(diào)節(jié)激酶1）誘導(dǎo)神經(jīng)細胞凋亡[8]。Genistein還可以氧化膜脂質(zhì)、蛋白酶失活、染色體（DNA）鏈斷裂導(dǎo)致細胞成分氧化導(dǎo)致神經(jīng)元直接損傷。

2 神經(jīng)炎癥反應(yīng)與腦缺血/再灌注損傷

在動物模型和卒中患者中，腦缺血后的炎癥反應(yīng)的特點包括駐留細胞（主要是微膠質(zhì)細胞）的快速激活、循環(huán)中的炎癥細胞的滲透，其中小膠質(zhì)細胞是炎癥開始的標(biāo)志。以上效應(yīng)細胞通過釋放炎癥因子、阻塞微血管、導(dǎo)致局部腦組織水腫引發(fā)自身及周圍組織損傷[9]。在缺血性腦卒中的急性期（幾分鐘到幾小時），損傷組織迅速釋放ROS和促炎介質(zhì)（細胞因子和趨化因子）。這些介質(zhì)誘導(dǎo)腦內(nèi)皮細胞和白細胞上黏附分子的表達，從而促進循環(huán)中白細胞的黏附和跨內(nèi)皮細胞遷移[10]。神經(jīng)膠質(zhì)細胞是缺血性腦卒中后引發(fā)炎癥反應(yīng)的關(guān)鍵因素之一[11-12]。小膠質(zhì)細胞是大腦中潴留的巨噬細胞，可通過其突起檢測周圍受損細胞嘌呤能和離子梯度的變化，腦卒中后幾分鐘，缺血核心及半暗帶區(qū)域的小膠質(zhì)細胞通過其受體檢測危險相關(guān)分子模式（DAMPS）和高遷移組蛋白B1（HMGB1），這種受體-配體連接激活了核轉(zhuǎn)錄因子κB（NF-κB）通路，也激活小膠質(zhì)細胞，TNF、白介素-1（IL-1）、白介素-6（IL-6）的表達增加[13]，加劇星形膠質(zhì)細胞和內(nèi)皮細胞的激活。腦缺血后幾小時到幾周，星形膠質(zhì)細胞是另一個關(guān)鍵角色[14]。一方面，基質(zhì)金屬蛋白酶破壞星形膠質(zhì)細胞與血管內(nèi)皮細胞之間的緊密連接，導(dǎo)致血腦屏障破壞，另一方面，星形膠質(zhì)細胞的活化會導(dǎo)致炎癥因子的合成增加，細胞因子通過破壞的血腦屏障或腦脊液引流系統(tǒng)進入體循環(huán)。隨著趨化因子的分泌，包括中性粒細胞、巨噬細胞和淋巴細胞在內(nèi)的外周血白細胞通過內(nèi)皮細胞遷移穿過被破壞的血腦屏障侵入腦內(nèi)，在腦缺血區(qū)域釋放促炎因子。中性粒細胞最先侵入缺血組織，通過脫顆粒促進白細胞募集、釋放細胞因子和趨化因子引起更廣泛的常駐細胞激活和白細胞滲透，進一步放大腦部炎癥反應(yīng)，直接造成神經(jīng)元死亡、腦水腫、出血轉(zhuǎn)化。其次在腦微血管大量聚集的白細胞會阻塞微血管，誘發(fā)血栓形成，出現(xiàn)“無復(fù)流”現(xiàn)象，阻斷再灌注血流，進一步加重損傷。

3 興奮性氨基酸毒性與腦缺血/再灌注損傷

谷氨酸（Glu）是中樞神經(jīng)系統(tǒng)含量最高、分布最廣、作用最強的興奮性氨基酸（EAA）。腦內(nèi)合成谷氨酸的途徑有4條，只有被谷氨酰胺酶水解生成的谷氨酸發(fā)揮神經(jīng)遞質(zhì)作用。正常生理情況下，神經(jīng)沖動傳到突觸末端，位于突觸末端的囊泡釋放谷氨酸至突觸間隙，傳遞神經(jīng)沖動，發(fā)揮生理作用，同時也觸發(fā)神經(jīng)膠質(zhì)細胞膜上的谷氨酸轉(zhuǎn)運體攝取谷氨酸。神經(jīng)膠質(zhì)細胞將谷氨酸轉(zhuǎn)變成谷氨酰胺，再經(jīng)谷氨酰胺酶脫氨生成谷氨酸，即神經(jīng)元與神經(jīng)膠質(zhì)細胞之間的谷氨酸-谷氨酰胺循環(huán)。在缺血、缺氧的狀態(tài)下，谷氨酸攝取和釋放失衡，濃度異常，出現(xiàn)興奮性氨基酸毒性，可通過以下機制使神經(jīng)元損傷[15]：①與天冬門氨酸（NMDA）、離子谷氨酸（AMPA）受體結(jié)合神經(jīng)元持續(xù)去極化，Ga2+積聚，出現(xiàn)細胞腫脹、線粒體功能障礙、腦血管痙攣、血管源性腦水腫；②阻礙三羧酸循環(huán)，使ATP的生成減少；③促進NO等自由基生成增多，加重氧化損傷；④鈉離子（Na+）大量流入細胞，導(dǎo)致細胞水腫以及繼發(fā)性EAA釋放增多，加劇Ca2+超載[16]。

4 血腦屏障（BBB）破壞與腦缺血/再灌注損傷

血腦屏障是血漿與腦細胞之間及血漿和腦脊液之間的屏障，主要成分包括腦微血管內(nèi)皮細胞、星形膠質(zhì)細胞、基底膜構(gòu)成。緊密連接結(jié)構(gòu)存在于相鄰血管內(nèi)皮之間。在腦缺血/再灌注損傷中，血腦屏障的損傷主要與以下機制有關(guān)：①炎癥因子：缺血、缺氧狀態(tài)下，中性粒細胞和星形膠質(zhì)細胞分泌以白細胞介素-1β（IL-1β）、IL-6、TNF-α為主要成分的炎癥因子，誘導(dǎo)白細胞黏附、聚集、跨內(nèi)皮細胞遷移，直接損傷血腦屏障；②基質(zhì)金屬蛋白酶（MMPs）：MMPs在Ca2+存在時其活性最大。MMPs在正常生理情況下在組織中不表達或微量表達。腦缺血時，神經(jīng)元、神經(jīng)膠質(zhì)細胞、中性粒細胞均可表達MMPs，MMPs與MMPs抑制劑（TIMPs）平衡失調(diào)。其中明膠酶A（MMP-2）和明膠酶B（MMP-9）可降解血腦屏障基底膜以及緊密連接，導(dǎo)致血腦屏障通透性增加，加重腦水腫[17-19]。③水通道蛋白4（AQP4）：AQP4是哺乳動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)的滲透壓感受器，主要的生理功能為介導(dǎo)水分子跨膜轉(zhuǎn)運、鉀離子（K+）緩沖、維持體液和滲透壓平衡、調(diào)節(jié)血腦屏障成熟、調(diào)節(jié)腦脊液形成等。有研究表明，在小鼠腦缺血再灌注損傷模型中，AQP4的表達增加，缺血區(qū)域血管內(nèi)皮細胞及膠質(zhì)細胞腫脹，血腦屏障被破壞，出現(xiàn)腦水腫[20]。④氧化應(yīng)激：氧自由基會氧化細胞膜脂質(zhì)、蛋白質(zhì)，直接損傷星形膠質(zhì)細胞、血管內(nèi)皮細胞，出現(xiàn)血腦屏障損傷。

5 鈣超載與腦缺血/再灌注損傷

鈣超載即各種原因引起的細胞內(nèi)鈣含量超負荷，并導(dǎo)致細胞結(jié)構(gòu)損傷和功能代謝障礙的現(xiàn)象，嚴(yán)重者可造成細胞死亡。在腦缺血/再灌注損傷中，細胞膜上Na+-Ca2+交換體功能障礙[16，21]、鈣泵功能障礙、細胞內(nèi)鈣庫釋放Ca2+、細胞外Ca2+內(nèi)流、線粒體功能障礙攝入鈣減少等機制均可導(dǎo)致鈣超載。鈣超載主要通過以下幾種方式造成神經(jīng)元損傷[22-24]：①與鈣離子與鈣調(diào)蛋白結(jié)合形成復(fù)合物，使5-羥色胺、去甲腎上腺、花生四烯酸素等血管收縮因子釋放增加，血管繼發(fā)性痙攣收縮，加重缺血、缺氧損害。②黃嘌呤脫氫酶在鈣依賴性蛋白酶的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)辄S嘌呤氧化酶，活性氧生成增加。③激活磷脂酶A和C，通過環(huán)加氧酶和脂加氧酶，使花生四烯酸等游離脂肪酸合成增加，細胞骨架被破壞，導(dǎo)致細胞水腫[25]。④胞漿內(nèi)高濃度的Ca2+使線粒體攝取Ca2+增加，線粒體內(nèi)磷酸鈣沉積，ATP生成減少，線粒體功能障礙，膜電位喪失，離子濃度紊亂，線粒體自由基生成增多。⑤激活多種鈣依賴降解酶。磷脂酶激活使細胞膜及細胞器膜結(jié)構(gòu)受損；蛋白酶和核酸內(nèi)切酶激活引起細胞骨架和核酸分解。⑥促使興奮性氨基酸生成增多。

綜上所述，腦缺血/再灌注損傷與氧自由基、炎癥反應(yīng)、興奮性氨基酸毒性、血腦屏障、鈣超載等多種病理生理機制有關(guān)。各種途徑相互聯(lián)系、彼此促進，形成惡性循環(huán)。充分認識腦缺血再灌注損傷的病理生理機制有助于闡明藥物具體的作用機制，為臨床用藥提供理論依據(jù)。目前關(guān)于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)損傷參與腦缺血再灌注損傷的研究較少，未來可聚焦如此，探討內(nèi)質(zhì)網(wǎng)在腦缺血再灌注損傷中的作用機制，開發(fā)相關(guān)靶向藥物，為腦缺血/再灌注的藥物治療帶來新思路。