乳酸在腦缺血再灌注損傷中的保護(hù)作用及最新研究進(jìn)展

孫永鑫，王晴晴，呂程美綜述，張 兵審校

腦卒中作為全球致死率最高的的三大疾病之一，近年來一直受到持續(xù)關(guān)注。根據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示全世界每年新增腦卒中患者1500 萬，其中約500 萬人因此失去生命，另外500 萬人留有終身殘疾［1］。而且隨著人口老齡化進(jìn)程的加快，導(dǎo)致卒中的危險因素(高血壓、糖尿病、肥胖等)逐漸增多，預(yù)計到2020 年卒中的發(fā)病率將增長一倍［2］。

目前臨床治療缺血性腦卒中的主要方法依然是溶栓治療，然而溶栓治療的缺點是治療時間窗較短(3 h 內(nèi))，出血風(fēng)險較大，因此不能有效滿足所有臨床腦卒中患者的治療需求。在過去20 年，乳酸一直被認(rèn)為是無氧酵解的代謝廢物，在組織中積累過量會引起酸中毒和組織損傷［3］，但最近研究發(fā)現(xiàn)乳酸對大腦神經(jīng)細(xì)胞也有很多積極的效應(yīng)，在腦缺血再灌注損傷中呈現(xiàn)出保護(hù)作用［4，5］，。本文主要針對乳酸在腦缺血再灌注損傷中的保護(hù)作用及最新研究進(jìn)展做一綜述。

1 乳酸在機(jī)體的產(chǎn)生方式和代謝方式

乳酸是機(jī)體無氧代謝的產(chǎn)物，葡萄糖在體內(nèi)經(jīng)過糖酵解生成丙酮酸，丙酮酸在有氧條件下進(jìn)入線粒體，經(jīng)過氧化脫羧進(jìn)入三羧酸循環(huán)氧化供能，在無氧條件下丙酮酸在乳酸脫氫酶的作用下生成乳酸［6］。生成的乳酸可以參與細(xì)胞供能，也可以隨血液運(yùn)輸至肝臟進(jìn)行糖異生，少量經(jīng)過汗液和尿液排出體外。

2 乳酸在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的作用

2.1 乳酸作為能量底物在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的作用Pellerin 等［7］在1994 年提出星形膠質(zhì)細(xì)胞-神經(jīng)元乳酸穿梭假說，首次提出乳酸可以被神經(jīng)元作為能量利用，2004 年gladden［8］發(fā)現(xiàn)乳酸在低血糖的條件下，能夠代替葡萄糖為大腦供能，再次證實乳酸是神經(jīng)細(xì)胞的一種能量底物。Schurr等［9］在大鼠海馬切片中應(yīng)用單羧酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)體抑制劑(4-CIN)，抑制乳酸向神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)，發(fā)現(xiàn)4-CIN 能夠明顯抑制神經(jīng)突觸功能的恢復(fù)，證實了乳酸是一種能夠使受損突觸功能恢復(fù)的必要物質(zhì)。在之后的研究中又發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細(xì)胞-神經(jīng)元乳酸穿梭對于機(jī)體長期記憶的形成和維持起到關(guān)鍵的作用［10］。

2.2 乳酸對損傷神經(jīng)細(xì)胞的保護(hù)作用

2.2.1 乳酸對外傷性腦損傷具有保護(hù)作用 研究發(fā)現(xiàn)乳酸能夠調(diào)節(jié)外傷性腦損傷后神經(jīng)組織葡萄糖代謝和腦血流［11，12］。Rice 等［13］通過實驗發(fā)現(xiàn)在外傷性腦損傷30 min后持續(xù)靜脈注射乳酸可以明顯改善大鼠后期認(rèn)知功能，Cureton 等［14］在臨床試驗中觀察到了同樣的治療效果，在對555例外傷性腦損傷的患者進(jìn)行的治療觀察中發(fā)現(xiàn)應(yīng)用外源性乳酸具有明顯的神經(jīng)保護(hù)作用并提高神經(jīng)系統(tǒng)功能預(yù)后。

2.2.2 乳酸能夠增強(qiáng)大腦缺血后神經(jīng)功能的恢復(fù) 在大鼠全腦缺血模型中，應(yīng)用乳酸能明顯減少皮質(zhì)中谷氨酸鹽和γ-氨基丁酸的含量，并促進(jìn)了大鼠皮質(zhì)電活動的恢復(fù)［15］。研究還發(fā)現(xiàn)乳酸作為一種信號分子能夠參與調(diào)解大腦血管緊張度［16，17］。

2.3 乳酸在腦缺血再灌注中的保護(hù)作用 Berthet 等［4］應(yīng)用海馬切片進(jìn)行體外培養(yǎng)，進(jìn)行糖氧剝奪處理后立即加入不同濃度的乳酸溶液，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在應(yīng)用4 mmol/L 乳酸時能明顯減少海馬切片CA1區(qū)死亡細(xì)胞的數(shù)量。在隨后的在體試驗中，通過腦室內(nèi)注射技術(shù)向大腦中動脈閉塞(MCAO)模型大鼠腦室內(nèi)注射2 μl 100 mmol/L 乳酸，證實在30 min MCAO 模型中乳酸能顯著減少大腦梗死體積，在60 min MCAO 模型中乳酸能顯著減少紋狀體梗死體積并提高神經(jīng)功能預(yù)后，而且再灌注后推遲60 min 用藥仍然能顯著改善神經(jīng)功能轉(zhuǎn)歸。Horn 等［5］在MCAO 模型中向小鼠腹腔內(nèi)注射250 mg/kg 乳酸，結(jié)果發(fā)現(xiàn)乳酸能明顯減少大腦梗死體積，減少腦缺血再灌注后引起的體重減輕。Schurr 等［18］利用大鼠建立心跳驟停全腦缺血模型，實驗組注射4-CIN，阻斷乳酸進(jìn)入神經(jīng)細(xì)胞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)應(yīng)用4-CIN 組與對照組比較神經(jīng)細(xì)胞死亡數(shù)量明顯增多，從反面證實了乳酸對腦缺血再灌注損傷后的神經(jīng)組織具有保護(hù)作用。進(jìn)一步的研究證實乳酸靜脈注射對MCAO 模型大鼠同樣具有神經(jīng)保護(hù)作用。在大鼠15 min MCAO 模型建立后通過尾靜脈注射5 μl/g 乳酸鈉，與對照組相比14 d 后乳酸鈉組大鼠腦組織梗死體積明顯減少，神經(jīng)系統(tǒng)功能顯著恢復(fù)［19］。

3 乳酸對腦缺血再灌注損傷保護(hù)的作用機(jī)制

3.1 乳酸為缺血再灌注后的神經(jīng)細(xì)胞提供能量 缺血性腦卒中的病理生理過程主要是神經(jīng)組織缺血缺氧的過程，乳酸作為一種能量底物可以在神經(jīng)組織三磷酸腺苷(ATP)耗盡時為神經(jīng)細(xì)胞提供能量［20，21］。缺血性腦卒中發(fā)生后神經(jīng)細(xì)胞缺血導(dǎo)致細(xì)胞外液谷氨酸鹽濃度升高，隨后細(xì)胞外液中的谷氨酸鹽和Na+被星形膠質(zhì)細(xì)胞攝取，細(xì)胞內(nèi)谷氨酸鹽和Na+濃度升高又分別激活了谷氨酰胺合成酶和Na+/K+-ATP 酶，使得星形膠質(zhì)細(xì)胞對ATP 的需求增大，繼而又提高了血糖的攝取和糖酵解酶激活，血糖在糖酵解酶催化下生成乳酸及ATP，乳酸順濃度梯度從星形膠質(zhì)細(xì)胞釋放進(jìn)入細(xì)胞外液、再進(jìn)入神經(jīng)元進(jìn)行氧化，為神經(jīng)元活動提供能量［7］，減少因能量缺乏導(dǎo)致的神經(jīng)細(xì)胞死亡。

3.2 乳酸增加細(xì)胞外液滲透壓減輕腦水腫 神經(jīng)組織在缺血再灌注后會經(jīng)歷水腫期，水腫會引起顱內(nèi)壓嚴(yán)重增高，造成神經(jīng)組織進(jìn)一步損傷［22］。研究證實適當(dāng)濃度的乳酸能提高神經(jīng)組織細(xì)胞外液滲透壓，減輕腦水腫，從而減輕由高顱內(nèi)壓造成的神經(jīng)組織二次損害［4］。

3.3 乳酸增加腦血流 根據(jù)星形膠質(zhì)細(xì)胞-神經(jīng)元乳酸穿梭假說，在神經(jīng)組織缺血后星形膠質(zhì)細(xì)胞釋放乳酸［7］，Gordon 等［16］研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞外乳酸的增多引起前列腺素E2(PGE2)釋放，使腦血管擴(kuò)張腦血流(CBF)增加，CBF 的增加為再灌注后的神經(jīng)組織提供更多的能量和氧供，進(jìn)而減少神經(jīng)細(xì)胞死亡。

3.4 其他可能的保護(hù)機(jī)制 Rinholm 等［23］通過體外培養(yǎng)大鼠神經(jīng)細(xì)胞建立糖氧剝奪模型，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用外源性乳酸后能明顯促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞損壞髓鞘的修復(fù)和再生。此機(jī)制有可能參與乳酸對缺血再灌注神經(jīng)細(xì)胞的保護(hù)作用。Ros 等［24］利用微量透析技術(shù)分組在大鼠皮質(zhì)中進(jìn)行100 mmol/L 谷氨酸鹽灌注和100 mmol/L 谷氨酸鹽聯(lián)合6 mmol/L 乳酸灌注，實驗證明乳酸能有效減少谷氨酸鹽引起的神經(jīng)組織損傷，減少腦組織梗死體積，其具體機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

4 乳酸在腦缺血再灌注損傷治療中面臨的問題

研究表明，乳酸只有在適當(dāng)濃度下才能發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用，Berthet 等［4］在體外實驗中應(yīng)用1 mmol/L 和20 mmol/L乳酸鈉時都沒有發(fā)現(xiàn)死亡神經(jīng)元數(shù)量的明顯減少，而且在未經(jīng)過糖氧剝奪的海馬切片應(yīng)用20 mmol/L 乳酸鈉，發(fā)現(xiàn)會導(dǎo)致海馬椎體細(xì)胞大量死亡，說明乳酸對神經(jīng)細(xì)胞的保護(hù)作用是與其濃度相關(guān)的，濃度過低或過高對神經(jīng)細(xì)胞都無保護(hù)作用，且當(dāng)乳酸濃度過高時還會對神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生損害作用。目前為止乳酸對缺血后神經(jīng)元保護(hù)作用的研究還停留在局部腦缺血方面，在長時間大面積全腦缺血方面乳酸的作用還不明確。外源性乳酸注射引起腦組織中乳酸濃度的不一致升高，在臨床實際應(yīng)用中如何使腦組織不同部位的乳酸濃度同時達(dá)到理想的保護(hù)濃度，延長治療時間窗，這些問題都需要進(jìn)一步研究。既往研究認(rèn)為乳酸的大量堆積會造成組織酸中毒，但研究發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)pH 低于7.2 時酸敏感離子通道才會開放，然而正常組織內(nèi)乳酸的堆積不會使pH 值低于7.2也無法造成酸敏感離子通道的開放［25］。Berthet 等［4］通過實驗觀察證實了這一觀點，試驗中當(dāng)細(xì)胞外液乳酸濃度達(dá)到35 mmol/L 時并沒有引起組織的酸中毒。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)質(zhì)子釋放是引起酸中毒的主要原因，無氧酵解產(chǎn)生的乳酸并不能釋放質(zhì)子［17］，因此也不會導(dǎo)致酸中毒。缺血性腦卒中發(fā)病突然且進(jìn)展迅速，因此方便有效的給藥方式十分重要。Berthet 等［19］的實驗證實乳酸可以通過血腦屏障到達(dá)神經(jīng)組織，因此應(yīng)用靜脈注射乳酸治療缺血性腦卒中的用藥方式是可行的。正常情況下神經(jīng)組織在缺血后會產(chǎn)生大量乳酸，使神經(jīng)細(xì)胞周圍乳酸濃度迅速升高，超過乳酸的保護(hù)濃度，但通過觀察發(fā)現(xiàn)在神經(jīng)組織缺血再灌注后15 min 到1 h 內(nèi)乳酸濃度逐漸下降并恢復(fù)到正常水平［19］。原因可能是當(dāng)ATP 耗盡后乳酸作為能量底物被消耗，乳酸濃度下降，因此在實際使用中可以在這個時間窗注射乳酸并起到保護(hù)神經(jīng)元的作用。

5 總結(jié)與展望

乳酸在一系列的動物試驗中能夠明顯減少缺血再灌注后神經(jīng)元的損傷，減少梗死面積并提高神經(jīng)系統(tǒng)預(yù)后。但乳酸的最佳使用濃度和使用時間窗尚有待進(jìn)一步確認(rèn)，作為一種廉價且獲取方便的藥物，乳酸在治療缺血性腦卒中有很大發(fā)展前景。

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