異丙酚對血腦屏障的保護作用與MMP-9表達的相關性研究

楊 靜，宋春雨

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異丙酚對血腦屏障的保護作用與MMP-9表達的相關性研究

楊 靜，宋春雨

基質(zhì)金屬蛋白酶-9(Matrix metalloproteinase-9,MMP-9)是基質(zhì)金屬蛋白酶家族(MMPs)的一個重要成員，其主要通過攻擊腦血管的基底膜和緊密連接破壞血腦屏障(Blood-brain Barrier,BBB)，加重腦出血和腦水腫，對神經(jīng)元有不同程度的毒性作用。因此，在急性腦損傷中，血腦屏障受損及MMP-9表達的機制備受關注。目前，許多基礎實驗及臨床研究均表明，異丙酚能夠?qū)︼B腦損傷提供保護效應，其機制與改善血腦屏障的通透性及MMP-9表達有關。

異丙酚；血腦屏障；MMP-9；腦保護

0 引言

急性顱腦損傷是神經(jīng)外科急癥致死致殘的重要原因，可出現(xiàn)一系列復雜的病理機制，研究發(fā)現(xiàn)，創(chuàng)傷性腦水腫后血腦屏障(Blood-brain barrier，BBB)的破壞是重要的病理改變之一，而細胞外基質(zhì)和緊密連接的破壞在導致血腦屏障通透性改變中發(fā)揮至關重要的作用。MMP-9可通過降解腦血管的基底膜和緊密連接而破壞血腦屏障，引起繼發(fā)性腦水腫并加重顱腦損傷。異丙酚是一種靜脈麻醉藥，廣泛應用于臨床各科手術患者的麻醉和重癥監(jiān)護室患者的鎮(zhèn)靜。大量實驗證實，異丙酚具有神經(jīng)保護作用，因此，成為一種極具潛力的腦保護藥物而備受國內(nèi)外學者的高度關注?，F(xiàn)就其對血腦屏障的保護作用與MMP-9表達的關系予以綜述。

1 血腦屏障

顱腦損傷后繼發(fā)創(chuàng)傷性腦水腫是一種混合性腦水腫，其病理生理機制一直未完全闡明。顱腦損傷時血腦屏障受損，加重創(chuàng)傷性腦水腫和原發(fā)顱腦損傷，并在形態(tài)和功能兩方面都發(fā)生相應改變，通透性的改變是血腦屏障功能障礙的最重要表現(xiàn)[1]。而在導致通透性改變中，MMP-9的表達發(fā)揮了重要作用。

1.1 血腦屏障的生理功能 血腦屏障是一個解剖顯微結構單元，是血液與神經(jīng)組織之間存在某種獨特的屏障，這一屏障可限制物質(zhì)在血液和神經(jīng)組織之間的自由交換，故稱為血腦屏障[2]。研究發(fā)現(xiàn)，血腦屏障包括腦毛細血管內(nèi)皮細胞、緊密連接、基底膜和星形膠質(zhì)細胞的血管周突等結構單元，每一種細胞結構類型都是血腦屏障的完整性不可或缺的組成部分[3]。周德祥等[4]研究發(fā)現(xiàn)，顱腦損傷可引起血腦屏障超微結構的改變及腦組織含水量的增加，即基底膜的破壞和斷裂，內(nèi)皮細胞、膠質(zhì)細胞及線粒體的腫脹變形，細胞和血管外間隙擴大并引起液體的積聚，可導致顱內(nèi)壓升高乃至腦疝形成，嚴重腦水腫和高顱壓又將反過來加重腦組織缺血缺氧損害。血腦屏障的發(fā)育和維持，依靠細胞成分和非細胞成分的相互作用，并提供了血腦屏障結構和功能的支持。任何一種細胞類型或非細胞組分的損害，都將引起或促進血腦屏障的破壞及功能障礙[5]。研究表明，在維持血腦屏障的功能中，細胞外基質(zhì)的作用越來越重要，細胞外基質(zhì)包括間質(zhì)基質(zhì)和基底膜，而內(nèi)皮細胞、星形膠質(zhì)細胞和周細胞則是通過分泌細胞外基質(zhì)分子促進基底膜的形成?；啄ぶ饕怯山Y構蛋白組成，如Ⅳ型膠原蛋白，層粘連蛋白和纖連蛋白，并且也含有細胞粘附分子與穩(wěn)定的信號轉(zhuǎn)導蛋白，包括兩種截然不同的分子結構即內(nèi)皮基底膜和實質(zhì)基底膜，發(fā)揮不同的生理功能[6]。細胞外基質(zhì)及相關細胞結構可通過這兩種分子結構的跨細胞膜受體而發(fā)揮作用，例如層粘連蛋白、纖連蛋白、Ⅳ型膠原、骨粘連蛋白、糖胺聚糖(GAG)和基底膜蛋白聚糖等，與配體結合引起的各種信號轉(zhuǎn)導、炎癥因子及生長因子的活化[3]。

1.2 血腦屏障的破壞 血腦屏障對于建立和維護內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定，使神經(jīng)活動正常發(fā)揮至關重要，嚴格控制離子、分子和細胞的運動。血腦屏障破壞導致免疫細胞外滲，增加各種離子、大分子物質(zhì)穿過血腦屏障，但血腦屏障故障發(fā)生的機理和破壞的后果是多方面的[7]。有證據(jù)表明，很多因素都可導致血腦屏障破壞，其中氧化應激是比較重要的因素之一，氧化應激介導的血腦屏障的破壞表現(xiàn)在多種神經(jīng)系統(tǒng)的疾病中，氧化應激反應是指機體過量的抗氧化防御反應的活性氧簇(ROS)引起的細胞毒性反應，從而導致神經(jīng)組織損傷的病理過程[8]。局部缺血缺氧后，在缺血再灌注期間，氧化應激反應可導致血腦屏障的破壞，加速神經(jīng)損傷，在2個瞬時小鼠缺血模型與人類腦損傷標本中，嗜中性粒細胞釋放活性氧，刺激其他細胞產(chǎn)生細胞因子，吸引更多的白細胞從外圍進入神經(jīng)細胞表面和腦血管的血管周圍空間，缺血性炎癥級聯(lián)反應，進一步調(diào)節(jié)其功能，促進血腦屏障的破壞，而不需要滲入缺血腦組織[9]。另外，毒性氨基酸、一氧化氮(NO)和鈣超載也有相應的作用，缺血缺氧引起細胞膜去極化釋放毒性氨基酸，谷氨酸受體激活引起鈣超載及NO的病理性釋放，除了通過鈣離子依賴性NO合酶(NOS)直接參與血腦屏障的調(diào)節(jié)外，還通過與ROS反應，生成毒性更強的過氧化硝酸鹽離子，導致血腦屏障的開放，加重腦組織的損傷，介導中樞神經(jīng)系統(tǒng)的進一步損害[7]。最近的研究表明，在繼發(fā)性腦損傷中，與損傷相關的神經(jīng)血管改變和重塑相關的基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)，在血腦屏障開放中可能發(fā)揮著更重要的作用，尤其是MMP-9，在炎癥級聯(lián)反應和鈣超載的誘導下，活化起到破壞血腦屏障的關鍵作用，從而導致腦水腫和繼發(fā)性腦損傷，以及神經(jīng)炎癥和退行性病變[10]。

2 MMP-9與血腦屏障的關系

2.1 MMP-9的生理作用 基質(zhì)金屬蛋白酶(Matrix metalloproteinases，MMPs)是一類鈣離子和鋅離子依賴性內(nèi)肽酶，具有結構相似的血紅素結合蛋白，前肽和催化結構域，是蛋白水解酶中非常重要的一類[10]。生理狀態(tài)下以無活性的酶原或前提形式存在，主要功能是調(diào)節(jié)細胞外基質(zhì)的穩(wěn)態(tài)，包括其他蛋白酶，蛋白酶抑制劑，炎性細胞，凝血因子，潛在生長因子，生長因子結合蛋白，細胞-細胞粘附分子，幾乎所有的具有細胞結構的細胞外基質(zhì)蛋白。因此，MMPs能夠調(diào)節(jié)許多生物過程，異常表達和活化的基質(zhì)金屬蛋白酶導致的細胞外基質(zhì)和緊密連接的降解，致使血腦屏障破壞和血管性水腫[11]，尤其是MMP-9，在中性條件下，內(nèi)源性鈣離子和鋅離子參與下，由巨噬細胞、內(nèi)皮細胞、粒細胞、結締組織細胞和某些腫瘤細胞等合成并分泌，通過降解細胞外基質(zhì)、構成基底膜的Ⅳ型膠原、層粘連蛋白及纖維黏連蛋白等發(fā)揮病理性作用，在腦缺血和炎癥后發(fā)揮血腦屏障損傷中起重要作用[12]。

2.2 MMP-9表達的可能機制 MMP-9可導致許多有害的后果，包括血腦屏障破壞，腦出血水腫，腦細胞凋亡和腦損傷的缺血性損傷?；罨腗MP-9的調(diào)節(jié)機制尚不明確，可表現(xiàn)在轉(zhuǎn)錄水平、酶原的激活水平及基質(zhì)金屬蛋白酶組織抑制因子(Tissue inhibitor metalloproteinase，TIMPs)的調(diào)節(jié)。有證據(jù)表明，MMP-9在轉(zhuǎn)錄和酶原激活水平與氧化應激、炎癥反應、細胞凋亡、線粒體功能障礙等相關聯(lián)，氧自由基、炎性細胞、細胞因子和趨化因子等通過Fos/Jun二聚體(即早基因c-fos及c-jun的轉(zhuǎn)錄翻譯產(chǎn)物)作用于MMP-9基因促進其轉(zhuǎn)錄，也通過級聯(lián)反應誘發(fā)MMP-9酶原的激活[13]。而MMP-9的表達增加會反作用于炎性細胞和氧自由基，加速其游走和毒性變化浸潤腦組織，并且最終導致血腦屏障開放后，腦水腫加重和腦缺血后出血性轉(zhuǎn)化。TIMPs廣泛分布于組織和體液中，共價結合MMPs而阻止其活化。MMP-9的抑制劑TIMP-1與MMP-9酶原或活化后酶的催化區(qū)羧基末端特異性結合，從而特異性抑制MMP-9的活性，抑制或阻止其降解細胞外基質(zhì)[14]。Barr等[15]研究發(fā)現(xiàn)，臨床血漿MMP-9水平與人類血腦屏障破壞的神經(jīng)影像學指標之間存在重要聯(lián)系，監(jiān)測血漿MMP-9可用于顱腦損傷后血腦屏障損害的早期檢測，證實MMP-9在人的腦中風和再灌注損傷中起關鍵作用。在動物模型中也得到相似結論[16]，已顯示MMP-9蛋白的水平，不僅在損傷的腦組織中，而且在損傷周圍區(qū)域存在，表明MMP-9參與梗死面積生長的過程。在腦缺血早期抑制MMP-9的活性，可促進血腦屏障的恢復和血管的生成[17]。因此，MMP-9可以代表一個潛在的治療靶標用于減少血腫周圍水腫和改善臨床結果，而異丙酚可能正好作用于這個靶點發(fā)揮腦保護作用。

3 異丙酚的腦保護作用

3.1 異丙酚腦保護作用可能機制 異丙酚(2,6-二異丙基)是一種常用的短效靜脈麻醉劑。該藥物具有起效快、誘導平穩(wěn)、穩(wěn)態(tài)分布容積大、蘇醒迅速、不良反應小、無蓄積作用等優(yōu)點，廣泛應用于臨床外科手術和門診手術患者的麻醉和重癥監(jiān)護室患者的鎮(zhèn)靜。國內(nèi)外大量研究證明，異丙酚具有腦保護作用，但其機制還未完全闡明。研究人員發(fā)現(xiàn)，異丙酚可能通過降低顱內(nèi)壓力、腦代謝速率、腦血流量和減輕血腦屏障通透性并保持腦血流與腦氧代謝率的良好匹配從而提供神經(jīng)保護作用[18]。異丙酚具有抗氧化應激性能，清除體內(nèi)氧自由基，降低脂質(zhì)過氧化物，抑制炎性因子的釋放，從而抑制MMP-9的表達，異丙酚也可能通過抑制細胞內(nèi)鈣超載，減少興奮性氨基酸的釋放，穩(wěn)定膠質(zhì)細胞的功能，減輕血腦屏障的通透性發(fā)揮腦保護作用[19]。戚思華等[20]發(fā)現(xiàn)，丙泊酚可通過促進原癌基因bcl-2的表達，減輕腦組織的缺血性凋亡作用，促進神經(jīng)元存活在梗死的邊緣區(qū)域。還有研究表明，異丙酚在血腦屏障的超微結構和線粒體水平提供了有力的神經(jīng)保護作用[21]。

3.2 異丙酚通過抑制MMP-9水平保護血腦屏障 鑒于MMP-9在腦損傷中血腦屏障的破壞作用，研究人員將注意力轉(zhuǎn)移到異丙酚通過抗MMP-9蛋白表達發(fā)揮其腦保護作用。LEE等[22]研究表明，異丙酚可有效降低局灶性腦缺血模型腦梗死的體積。全腦缺血再灌注損傷前給予異丙酚預處理，可以改善大鼠的神經(jīng)功能評分，減輕神經(jīng)元缺血再灌注損傷后的病理生理改變，保護短暫腦缺血后血腦屏障完整性并減輕腦水腫[23]。異丙酚的局部缺血后給藥，提供了腦缺血再灌注損傷的神經(jīng)保護作用，這種保護可能與抑制MMP-9的表達增加有密切關系。Zhang等[24]研究發(fā)現(xiàn)，在腦損傷時，異丙酚可抑制炎癥反應和氧化應激，從而衰減缺血性腦損傷，通過抑制髓過氧化物酶(MPO)活性、核因子κB(NF-κB)表達、環(huán)氧合酶-2(COX-2)表達、腫瘤壞死因子α(TNF-α)濃度、活性氧(ROS)的產(chǎn)生，在基因水平上抑制Fos/Jun二聚體的形成而降低MMP-9的轉(zhuǎn)錄和表達。異丙酚也可抑制缺血早期谷氨酸及NO釋放的不同路徑，減輕其興奮毒性作用及鈣超載，阻斷MMP-9活化途徑，降低血腦屏障的開放，從而減輕血腦屏障的破壞，發(fā)揮腦保護作用[15]。Tejima等[25]研究發(fā)現(xiàn)，異丙酚可通過抑制基質(zhì)，金屬蛋白酶的內(nèi)源性天然抑制劑(TIMPs)與MMP-9的操縱序列的可逆結合，抑制MMP-9降解細胞外基質(zhì)，穩(wěn)定血腦屏障的通透性。研究表明，TIMPs可減少興奮性氨基酸介導的鈣離子內(nèi)流，減輕鈣超載，猜想異丙酚可能通過此途徑抑制MMP-9的表達，發(fā)揮腦保護作用。此外，Mizuno等[21,26]研究發(fā)現(xiàn)，MMP-9的表達上調(diào)會加速細胞凋亡和線粒體功能障礙，兩者相互作用誘導血腦屏障的破壞及腦組織缺血性壞死。研究證實，異丙酚可通過保護線粒體的功能減少能量代謝障礙，抑制細胞的凋亡而發(fā)揮腦保護作用，不難推測，這種機制也可能通過抑制MMP-9的表達來實現(xiàn)腦保護作用[27]。

4 結語

腦組織損傷是一系列復雜的病理性級聯(lián)反應，血腦屏障的破壞在繼發(fā)性腦損傷中的作用越發(fā)受到大家的重視，但基本的機制仍然知之甚少。證據(jù)表明，蛋白酶在腦缺血損傷的早期階段就引起血腦屏障破壞[28]。我們?nèi)匀恍枰M一步研究來了解腦缺血損傷中MMP-9蛋白的表達持續(xù)時間及破壞血腦屏障的嚴重程度，并以此作為靶點找到異丙酚的腦保護機制。作為一種靜脈麻醉藥，異丙酚的腦保護作用已經(jīng)得到國內(nèi)外大量專家的證實，異丙酚可能通過多種途徑的級聯(lián)反應來介導對MMP-9的抑制作用，減輕血腦屏障的通透性，起到腦保護作用，但具體的機制還需要進一步研究。

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Correlation between protective effect of propofol on blood-brain barrier and expression of MMP-9

YANG Jing,SONG Chun-yu

(Department of Anesthesiology,The Second Affiliated Hospital of Harbin Medical University,Heilongjiang Key Laboratory of Anesthesiology and Intensive Care Research & Key Laboratory of Basic Theory and Application of Anesthesiology of the Heilongjiang Higher Education Institution,Harbin 150086,China)

Matrix metalloproteinase 9 (MMP-9) is an important member of the family of matrix metalloproteinases (MMPs),which damages the Blood-brain Barrier (BBB) by the attack of cerebral vascular basement membrane and tight junctions,BBB opening leads to cerebral edema and hemorrhagic transformation and has different degrees of toxicity on the neurons.Therefore,the disruption of BBB and the role of MMP-9 is great concerned in acute brain injury.A lot of basic experimental and clinical studies show that propofol has protective effect on traumatic brain injury,which has associations with improving BBB permeability and inhibiting MMP-9 activity.

Propofol;Blood-brain barrier;MMP-9;Cerebral protection

2015-04-08

哈爾濱醫(yī)科大學附屬第二醫(yī)院麻醉科 黑龍江省麻醉與危重病學重點實驗室 黑龍江省普通高等學校麻醉基礎理論與應用研究重點實驗室，哈爾濱 150086

10.14053/j.cnki.ppcr.201511031