心跳驟停復(fù)蘇后腦水腫研究進(jìn)展

張兵 李文志

哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院麻醉科

心跳驟停是常見的臨床最緊急的危險(xiǎn)情況，是對(duì)臨床醫(yī)師最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。盡管大量的研究使心跳驟停后的初級(jí)復(fù)蘇取得了一定成就，但腦復(fù)蘇仍然是難以突破的難題[1]。心跳驟停后的病理生理變化是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，腦水腫在其中發(fā)揮著非常重要的作用，腦水腫通過(guò)多種途徑損傷機(jī)體的功能，它的發(fā)展可以預(yù)測(cè)病人的轉(zhuǎn)歸[2-3]。目前尚缺乏有效的治療腦水腫的方法，這是導(dǎo)致心跳驟停后影響患者神經(jīng)功能恢復(fù)的最大障礙之一。如果能采取恰當(dāng)?shù)奶幚泶胧?，有效減少腦水腫的發(fā)生，將有利于腦復(fù)蘇的進(jìn)行，改善神經(jīng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)歸。

1 腦水腫的分類

1.1 細(xì)胞毒性腦水腫

急性缺氧時(shí)，ATP生成減少，依賴ATP供能的鈉泵活動(dòng)減弱，Na+不能向細(xì)胞外主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)，水分子進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)以恢復(fù)平衡，造成過(guò)量的Na+和水在細(xì)胞內(nèi)積聚而致腦水腫。其特點(diǎn)是微血管通透性不增高，主要發(fā)生在大腦灰質(zhì)處，受影響的是神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞。

1.2 血管源性腦水腫

當(dāng)毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞受損，血腦屏障發(fā)生障礙時(shí)，血漿及血液中的成份大量滲入細(xì)胞外間隙，引起腦水腫。其特點(diǎn)是微血管通透性增強(qiáng)，主要發(fā)生在大腦白質(zhì)處。

研究證實(shí)，心跳驟停復(fù)蘇導(dǎo)致的腦缺血再灌注損傷引起的腦水腫是細(xì)胞毒性腦水腫和血管源性腦水腫共同作用的結(jié)果[4]。

2 心跳驟停復(fù)蘇后腦水腫形成的機(jī)制

2.1 代謝障礙

心跳驟停后缺血缺氧導(dǎo)致能量衰竭，ATP產(chǎn)生困難，無(wú)氧糖酵解導(dǎo)致細(xì)胞酸化，誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞膜去極化，增加細(xì)胞內(nèi)Na+流入。神經(jīng)細(xì)胞膜去極化同時(shí)激發(fā)Ca2+通過(guò)電壓敏感型Ca2+通道內(nèi)流，神經(jīng)細(xì)胞膜去極化進(jìn)一步加重。Na+和Ca2+大量?jī)?nèi)流，繼而Cl-和H2O內(nèi)流，引起細(xì)胞腫脹，細(xì)胞內(nèi)鈉水潴留。缺血時(shí)細(xì)胞內(nèi)ATP、CP產(chǎn)生嚴(yán)重減少，影響Na+泵、Ca2+泵的功能，細(xì)胞內(nèi)鈉水潴留不能排出導(dǎo)致細(xì)胞水腫[5]。此外，缺氧致代謝性酸中毒可以增加毛細(xì)血管壁通透性，造成間質(zhì)性腦水腫。

2.2 血腦屏障功能障礙

構(gòu)成BBB的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是毛細(xì)血管的內(nèi)皮細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞之間的緊密連接、基膜以及和星形膠質(zhì)細(xì)胞（主要為Ⅰ型星形膠質(zhì)細(xì)胞）終足形成的膠質(zhì)膜。其內(nèi)皮細(xì)胞呈完全的連續(xù)性，無(wú)窗孔，與其他組織中的毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞不同[6]。

內(nèi)皮細(xì)胞彼此連接處為緊密連接（t i g h t junction，TJ），TJ是保持BBB完整性的重要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，許多與中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病相關(guān)的BBB破壞與TJ結(jié)構(gòu)、功能改變密切相關(guān)。TJ主要由跨膜蛋白（claudin、occludin、junction adhesion molecule和tricullulin）、胞漿黏附蛋白（ZO-1、 ZO-2、ZO-3、Cingulin等）和細(xì)胞骨架蛋白組成[7]?？缒さ鞍椎募?xì)胞內(nèi)部分與胞漿黏附蛋白相連，細(xì)胞外部分與相鄰細(xì)胞跨膜連接蛋白的相應(yīng)成份組合，構(gòu)成復(fù)雜的“繩索樣”的跨膜結(jié)構(gòu)，從而封閉細(xì)胞之間的空隙，保證物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的選擇性和方向性。

腦組織對(duì)缺血缺氧的耐受性非常差，心肺復(fù)蘇導(dǎo)致腦缺血缺氧損傷。腦損傷后伴隨的周圍缺血、炎癥反應(yīng)和細(xì)胞因子、凝血酶等多種因素均可破壞緊密連接蛋白的結(jié)構(gòu)與功能，使血腦屏障通透性增加[8]；心跳驟停復(fù)蘇后腦發(fā)生缺血再灌注損傷，釋放大量的氧自由基，導(dǎo)致血腦屏障微血管內(nèi)皮層破壞，增加微血管的通透性。水溶性物質(zhì)如電解質(zhì)進(jìn)入腦組織，導(dǎo)致血管源性腦水腫的發(fā)生[9]。

2.3 基質(zhì)金屬蛋白酶 （matrix metalloproteinases，MMPs）

心跳驟停復(fù)蘇引起的腦缺血再灌注損傷激活一氧化氮合酶（NOS），包括nNOS（神經(jīng)型）、iNOS（誘導(dǎo)型）和eNOS（內(nèi)皮型），使一氧化氮生成增多；同時(shí)生成大量的氧自由基和細(xì)胞因子（如TNF-α和IL-1B）。一氧化氮與超氧自由基反應(yīng)生成具有更強(qiáng)氧化作用的過(guò)氧化亞硝酸鹽。過(guò)氧化亞硝酸鹽直接激活MMPs或通過(guò)絲裂原活化蛋白激酶信號(hào)通路（MAPK）、核轉(zhuǎn)錄因子NF-κB信號(hào)通路、AP-1信號(hào)通路、聚二磷酸腺苷核糖多聚酶（PARP）激活MMPs，轉(zhuǎn)錄和翻譯MMP-2及MMP-9。這些MMPs水解細(xì)胞外基質(zhì)蛋白質(zhì)，包括基質(zhì)中以及整合于質(zhì)膜中的各種膠原酶和彈性蛋白酶occludin、cadherin和claudin，使毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞通透性增加，血腦屏障完整性被破壞，導(dǎo)致腦水腫[10-12]。

研究證實(shí)，腦缺血再灌注損傷后MMPs的合成和活性增加，同時(shí)伴有血腦屏障完整性的破壞[13]。再灌注后3～4h MMP9活性明顯增強(qiáng)，與此時(shí)Evans染色顯示的血腦屏障的破壞相一致，MMP2的活性增強(qiáng)則出現(xiàn)在再灌注后第4天。應(yīng)用MMPs抑制劑可減少腦損傷后腦組織水含量以及腦組織的通透性，利用MMP9基因敲除小鼠也證實(shí)，與野生型小鼠相比，血腦屏障的破壞明顯減輕。這些都說(shuō)明MMPs的活性與腦水腫關(guān)系密切，在腦水腫的發(fā)生中發(fā)揮這重要作用[14,15]。

2.4 N-甲基-D-天冬氨酸（N-methyl-D-aspartate，NMDA）受體

腦N M D A受體廣泛分布在神經(jīng)元、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞和腦血管內(nèi)皮細(xì)胞，包括N M D A R 1和NMDAR2A-C兩種，NMDAR1是配體門控型Ca2+通道受體，NMDAR2則不是。NMDA受體具有谷氨酸識(shí)別位點(diǎn)、甘氨酸變構(gòu)調(diào)節(jié)位點(diǎn)、通道阻斷劑結(jié)合位點(diǎn)以及多胺結(jié)合位點(diǎn)、Mg2+結(jié)合位點(diǎn)、Zn2+結(jié)合位點(diǎn)、氧化-還原位點(diǎn)等[16-17]。

腦缺血后能量代謝紊亂，細(xì)胞內(nèi)ATP合成下降，突觸間隙的谷氨酸劇增，谷氨酸作用于NMDA受體，引起配體門控型Ca2+通道開放，Ca2+內(nèi)流增加，導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)Ca2+超載。Ca2+超載導(dǎo)致線粒體、細(xì)胞膜的損害，引起Na+內(nèi)流增加，隨即引起C l-和H2O內(nèi)流，導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞急性滲透性腫脹[18]。

一系列研究證實(shí)，競(jìng)爭(zhēng)性或非競(jìng)爭(zhēng)性的NMDA受體拮抗劑能減少腦缺血后腦水腫的發(fā)生。通過(guò)作用于NMDA受體的不同結(jié)合位點(diǎn)，ZD9379、Mg2+和芐哌酚醇等均表現(xiàn)出明顯的腦保護(hù)作用，可顯著抑制血腦屏障的破壞和腦水腫的形成[19-20]。

2.5 水通道蛋白4（AQP4）

長(zhǎng)期以來(lái), 普遍認(rèn)為細(xì)胞內(nèi)外的水分子是以簡(jiǎn)單擴(kuò)散的方式透過(guò)脂質(zhì)雙分子層，但后來(lái)發(fā)現(xiàn)某些細(xì)胞在低滲溶液中對(duì)水的通透性很高，很難以簡(jiǎn)單擴(kuò)散來(lái)解釋。Agre等在鑒定人類Rh 血型抗原時(shí)，偶然在紅細(xì)胞膜上發(fā)現(xiàn)一種新的28KD的疏水性跨膜蛋白，稱為形成通道的整合膜蛋白28（CHIP），1991年完成其cDNA克隆，在進(jìn)行功能鑒定時(shí)，將體外轉(zhuǎn)錄合成的CHIP28 cDNA注入非洲爪蟾的卵母細(xì)胞中，發(fā)現(xiàn)在低滲溶液中，卵母細(xì)胞迅速膨脹并破裂。為進(jìn)一步確定其功能，又將其構(gòu)建于蛋白磷脂體內(nèi)，通過(guò)活化能及滲透系數(shù)的測(cè)定以及后來(lái)的抑制劑敏感性等研究，證實(shí)其為水通道蛋白。從此確定了細(xì)胞膜上存在轉(zhuǎn)運(yùn)水的特異性通道蛋白，并將CHIP28稱為AQP1 。以后又陸續(xù)從哺乳動(dòng)物組織中鑒定出9 種水通道蛋白（AQP2 ～AQP10），這些相繼發(fā)現(xiàn)的運(yùn)輸水的通道蛋白被統(tǒng)稱為AQPs[21-22]。

AQPs在腦水腫的病理生理機(jī)制中發(fā)揮重要作用[23]。迄今已在腦內(nèi)已發(fā)現(xiàn)6種AQPs，分別是AQP1，3，4，5，8，9。其中AQP3、AQP5和AQP8的生理學(xué)功能尚未見報(bào)道，AQP1主要在脈絡(luò)叢內(nèi)皮細(xì)胞表達(dá)，參與腦脊液生成，AQP9主要存在于室管膜細(xì)胞以及下丘腦內(nèi)側(cè)基底部的室管膜細(xì)胞，可能調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)細(xì)胞外間隙與體循環(huán)之間的信號(hào)傳遞。AQP4在腦內(nèi)的表達(dá)含量高于眼、腎、肺等器官10倍左右，是腦內(nèi)表達(dá)最多的AQPs，主要分布在血腦屏障和腦-腦脊液屏障處的膠質(zhì)細(xì)胞中。深入研究顯示，在血腦屏障處，主要分布在靠近毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞的星型膠質(zhì)細(xì)胞足突中，在腦-腦脊液屏障處，主要分布在細(xì)胞質(zhì)膜基底部的室管膜細(xì)胞中。AQP4是水調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)運(yùn)的重要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，在水分子快速跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)和維持大腦水平衡中發(fā)揮著重要作用[24]。

AQP4為選擇性水通道蛋白，研究證實(shí)AQP4在各種原因引起腦水腫的產(chǎn)生中均發(fā)揮著重要作用。在大鼠腦積水模型中證實(shí)，腦積水后4周，AQP4 mRNA在大腦頂葉皮質(zhì)和海馬組織中表達(dá)水平顯著增加，這種變化甚至持續(xù)到腦積水后9個(gè)月，免疫組織化學(xué)的結(jié)果也與mRNA水平一致，認(rèn)為AQP4在腦積水形成中調(diào)控水的出入平衡。在大鼠中腦動(dòng)脈栓塞模型中，AQP4 mRNA的表達(dá)水平升高并在第3天達(dá)到高峰，與MRI觀察到的腦水腫程度一致。AQP4的作用在基因敲除的純合子小鼠實(shí)驗(yàn)得到進(jìn)一步證實(shí)，AQP4基因缺失小鼠在腦缺血后腦水腫程度明顯減輕，生存率和神經(jīng)功能改善顯著。在心跳驟停復(fù)蘇模型中，恢復(fù)自主循環(huán)后大鼠腦水含量增加，同時(shí)伴有AQP4免疫活性的增加，低溫可以減少?gòu)?fù)蘇后的腦水腫，此時(shí)AQP4的活性也被抑制[25-29]。

3 腦水腫的后果

腦組織水腫增加毛細(xì)血管－組織的擴(kuò)散距離，影響氣體交換，導(dǎo)致神經(jīng)元功能障礙。此外，由于組成顱腔的顱骨堅(jiān)硬而不能擴(kuò)張，所以顱腔容積是恒定的，腦水腫的直接后果是導(dǎo)致顱內(nèi)壓的升高。顱內(nèi)壓的增加使得腦灌注壓降低，影響腦組織的代謝和功能，加重神經(jīng)功能障礙。持續(xù)升高的顱內(nèi)壓可導(dǎo)致腦疝的發(fā)生，甚至導(dǎo)致患者的死亡。顱內(nèi)壓的升高可造成下丘腦、延髓、頸脊髓受壓，可誘發(fā)神經(jīng)源性肺水腫的發(fā)生。

4 腦水腫的治療

目前對(duì)腦水腫的非手術(shù)治療手段非常有限，效果也不甚理想。全身應(yīng)用高滲液體和皮質(zhì)醇激素被當(dāng)作標(biāo)準(zhǔn)治療手段已應(yīng)用數(shù)十年，但并未取得完美的治療效果。皮質(zhì)醇激素主要作用于細(xì)胞外的腦水腫，抑制炎癥介質(zhì)的釋放和血腦屏障的破壞，然而這種作用似乎只在水腫形成的早期發(fā)揮作用[30]；高滲液體作用于細(xì)胞外和細(xì)胞內(nèi)的腦水腫，利用高滲透壓發(fā)揮作用，但是這種作用并不能阻止腦水腫的形成，在停藥后水腫很快再次形成[31]。

5 未來(lái)策略

近期的研究認(rèn)為，心跳驟停后腦水腫的發(fā)生是血管性水腫和細(xì)胞毒性水腫共同作用的結(jié)果，因此僅在水腫產(chǎn)生后采取對(duì)癥治療的方法不能從根本上調(diào)節(jié)腦水腫的形成，對(duì)不同途徑形成的腦水腫也未必有效。

心肺復(fù)蘇后腦水腫形成中有很多的分子機(jī)制參與其中，單獨(dú)使用某一種藥物或考慮某一種機(jī)制，對(duì)腦水腫的防治可能有限。充分考慮腦水腫形成過(guò)程中的各種機(jī)制，在腦水腫形成的不同時(shí)期采用恰當(dāng)?shù)木C合干預(yù)手段可能是心跳驟停復(fù)蘇后腦水腫治療的出路。

另一方面，無(wú)論是何種途徑導(dǎo)致的腦水腫，H2O內(nèi)流都是必經(jīng)的最終通路，因此，如果能從最終通路上調(diào)控H2O的進(jìn)出，就能在根本上治療腦水腫。從這個(gè)角度出發(fā)，AQP4水通道蛋白的發(fā)現(xiàn)使這種設(shè)想成為可能，如果在特殊階段通過(guò)小分子物質(zhì)的靶向作用調(diào)控AQP4的表達(dá)，就有可能對(duì)腦水腫進(jìn)行最終通路上的調(diào)控，控制水腫的形成和清除，影響疾病的轉(zhuǎn)歸，提高生存率[32]。

[1] Xiong W, Hoesch RE, Geocadin RG.Post-cardiac arrest encephalopathy[J].Semin Neurol, 2011, 31(2): 216-225.

[2] Xiao F.Bench to bedside: brain edema and cerebral resuscitation: the present and future[J].Acad Emerg Med, 2002, 9(9): 933-946.

[3] Metter RB, Rittenberger JC, Guyette FX, et al.Association between a quantitative CT scan measure of brain edema and outcome after cardiac arrest[J].Resuscitation, 2011, 82(9): 1180-1185.

[4] Badaut J, Ashwal S, Obenaus A.Aquaporins in cerebrovascular disease:a target for treatment of brain edema? [J] Cerebrovasc Dis, 2011, 31(6):521-531.

[5] Lukaszewicz AC, Soyer B, Payen D.Water, water, everywhere: sodium and water balance and the injured brain[J].Curr Opin Anaesthesiol, 2011,24(2): 138-143.

[6] Nag S, Kapadia A, Stewart DJ.Review: molecular pathogenesis of blood-brain barrier breakdown in acute brain injury[J].Neuropathol Appl Neurobiol, 2011, 37(1): 3-23.

[7] Chou WH, Messing RO.Hypertensive encephalopathy and the bloodbrain barrier: is deltaPKC a gatekeeper?[J] J Clin Invest, 2008, 118(1):17-20.

[8] Yang Y, Rosenberg GA.Blood-brain barrier breakdown in acute and chronic cerebrovascular disease[J].Stroke, 2011, 42(11): 3323-3328.

[9] Fraser PA.The role of free radical generation in increasing cerebrovascular permeability[J].Free Radic Biol Med, 2011, 51(5): 967-977.

[10] Candelario-Jalil E, Yang Y, Rosenberg GA.Diverse roles of matrix metalloproteinases and tissue inhibitors of metalloproteinases in neuroinflammation and cerebral ischemia[J].Neuroscience, 2009, 158(3):983-994.

[11] Yang Y, Rosenberg GA.MMP-mediated disruption of claudin-5 in the blood-brain barrier of rat brain after cerebral ischemia[J].Methods Mol Biol, 2011, 762: 333-345.

[12] Candelario-Jalil E, Thompson J, Taheri S, et al.Matrix metalloproteinases are associated with increased blood-brain barrier opening in vascular cognitive impairment[J].Stroke, 2011, 42(5): 1345-1350.

[13] Lehner C, Gehwolf R, Tempfer H, et al.Oxidative stress and bloodbrain barrier dysfunction under particular consideration of matrix metalloproteinases[J].Antioxid Redox Signal, 2011, 15(5): 1305-1323.

[14] Ramos-Fernandez M, Bellolio MF, Stead LG.Matrix metalloproteinase-9 as a marker for acute ischemic stroke: a systematic review[J].J Stroke Cerebrovasc Dis, 2011, 20(1): 47-54.

[15] Rosenberg GA, Yang Y.Vasogenic edema due to tight junction disruption by matrix metalloproteinases in cerebral ischemia[J].Neurosurg Focus,2007, 22(5): e4.

[16] Benarroch EE.NMDA receptors: recent insights and clinical correlations[J].Neurology, 2011, 76(20): 1750-1757.

[17] Paoletti P.Molecular basis of NMDA receptor functional diversity[J].Eur J Neurosci, 2011, 33(8): 1351-1365.

[18] Gunnarson E, Zelenina M, Axehult G, et al.Identification of a molecular target for glutamate regulation of astrocyte water permeability[J].Glia,2008, 56(6): 587-596.

[19] Neuhaus W, Freidl M, Szkokan P, et al.Effects of NMDA receptor modulators on a blood-brain barrier in vitro model[J].Brain Res, 2011,1394: 49-61.

[20] Imer M, Omay B, Uzunkol A, et al.Effect of magnesium, MK-801 and combination of magnesium and MK-801 on blood-brain barrier permeability and brain edema after experimental traumatic diffuse brain injury[J].Neurol Res, 2009, 31(9): 977-981.

[21] Badaut J, Ashwal S, Obenaus A.Aquaporins in cerebrovascular disease:a target for treatment of brain edema? [J] Cerebrovasc Dis, 2011, 31(6):521-531.

[22] Ishibashi K, Kondo S, Hara S, et al.The evolutionary aspects of aquaporin family[J].Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol, 2011,300(3): R566-576.

[23] Hachez C, Chaumont F.Aquaporins: a family of highly regulated multifunctional channels[J].Adv Exp Med Biol, 2010, 679: 1-17.

[24] Wolburg H, Wolburg-Buchholz K, Fallier-Becker P, et al.Structure and functions of aquaporin-4-based orthogonal arrays of particles[J].Int Rev Cell Mol Biol, 2011, 287: 1-41.

[25] Yukutake Y, Yasui M.Regulation of water permeability through aquaporin-4[J].Neuroscience, 2010, 168(4): 885-891.

[26] Saadoun S, Papadopoulos MC.Aquaporin-4 in brain and spinal cord oedema[J].Neuroscience，2010，168(4): 1036-1046.

[27] Nag S, Manias JL, Stewart DJ.Pathology and new players in the pathogenesis of brain edema[J].Acta Neuropathol, 2009, 118(2): 197-217.

[28] Xiao F, Arnold TC, Zhang S, et al.Cerebral cortical aquaporin-4 expression in brain edema following cardiac arrest in rats[J].Acad Emerg Med, 2004, 11(10): 1001-1007.

[29] Paul L, Madan M, Rammling M, et al.Expression of aquaporin 1 and 4 in a congenital hydrocephalus rat model[J].Neurosurgery, 2011, 68(2): 462-673.

[30] Sandercock PA, Soane T.Corticosteroids for acute ischaemic stroke[J].Cochrane Database Syst Rev, 2011, 9: CD000064.

[31] Lukaszewicz AC, Soyer B, Payen D.Water, water, everywhere: sodium and water balance and the injured brain[J].Curr Opin Anaesthesiol, 2011,24(2): 138-143.

[32] Zelenina M.Regulation of brain aquaporins[J].Neurochem Int, 2010,57(4): 468-488.