腦缺血再灌注損傷病理生理機制研究進展

郎豐山，黃云霞, 薛 云，馬玉奎**

（1. 山東省臨朐縣人民醫(yī)院，山東 臨朐262600；2. 北部戰(zhàn)區(qū)陸軍參謀部門診部，山東 濟南250022；3. 山東省藥學科學院，山東 濟南 250100）

腦血管疾?。╟erebrovascular disease，CVD）是威害人類生命與健康的多發(fā)病和常見病，與心臟病和腫瘤并列為引起人類死亡的三大主要原因[1]。腦血管病按性質(zhì)可分為缺血性腦血管病和出血性腦血管病兩大類，缺血性腦血管病在臨床上較為多見。對于缺血性腦血管病的首要治療原則是盡早重建血液再灌，恢復腦部的血氧供應，使缺血腦組織重新獲得營養(yǎng)物質(zhì)供應，同時將有害的代謝產(chǎn)物清除掉[2-3]。但腦缺血后再灌注可加重缺血腦組織的病理損害，使病情惡化，這種現(xiàn)象被稱為腦缺血再灌注損傷（cerebral ischemia-reperfusion injury，CIRI）[4]。針對CIRI的病理機制，世界各國的科技工作者進行了廣泛而深入的研究，提出了能量代謝障礙、鈣超載、興奮性氨基酸毒性、線粒體損傷、一氧化氮大量合成、炎癥損傷、氧化應激、多巴胺和神經(jīng)細胞凋亡等一系列學說[5-6]。本文綜合國內(nèi)外近幾年的研究報道，對CIRI的病理生理機制研究進展進行綜述，為CIRI的臨床針對性治療提供參考。

1 能量代謝障礙

腦部組織對氧氣的需求量大，只能依靠腦血流轉(zhuǎn)運的葡萄糖供應能量，幾乎沒有糖原及三磷酸腺苷的儲備，需要不間斷的局部腦血流循環(huán)供應氧和葡萄糖，才能維持其正常的生理機能[7]。每分子葡萄糖在有氧條件下可代謝生成38分子ATP，而無氧酵解僅生成2分子ATP。腦部神經(jīng)遞質(zhì)、細胞膜結(jié)構(gòu)和酶等物質(zhì)合成及陽離子在腦內(nèi)的運輸?shù)刃枰哪芰烤鶃碜云咸烟谴x產(chǎn)生的ATP。腦缺血時，局部腦組織血流量中斷或急劇減少，神經(jīng)元的葡萄糖和氧氣供應在短時間內(nèi)顯著減少，此時缺血區(qū)的腦組織獲得能量的方式主要靠葡萄糖的無氧酵解，而無氧酵解方式代謝產(chǎn)生的ATP較少，ADP產(chǎn)生增多，從而使ADP/ATP比例增加，腦組織代謝需要的能量供應不足，線粒體結(jié)構(gòu)受損，功能出現(xiàn)異常，從而導致整個腦細胞及細胞器的功能損傷，進一步加重缺血性腦損傷[7]。

2 Ca2+超載

腦缺血再灌注鈣超載是各種因素綜合作用的結(jié)果，也是引起腦組織損傷的共同通路。腦缺血再灌注與缺氧復氧時細胞內(nèi)鈣超載可通過以下途徑產(chǎn)生細胞毒性作用，引起CIRI[8-10]：① 胞內(nèi)Ca2+濃度升高時，鈣調(diào)蛋白（CaM）從無Ca2+失活態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镃a2+結(jié)合的活化態(tài)，Ca2+和活化的CaM復合物使5-羥色胺、去甲腎上腺素及彈性蛋白酶釋放，引起腦血管痙攣，局部血流狀況惡化，加重腦缺血缺氧；② Ca2+超載可激活磷脂酶C和磷脂酶A2，磷脂酶C和磷脂酶A2降解生物膜磷脂生成自由基，造成膜的脂質(zhì)過氧化，破壞生物膜；磷脂酶A2激活后可使花生四烯酸生成增多，鉀通道開啟，導致細胞膜超極化，谷氨酸（Glu）釋放增多而攝取減少，通過與Glu受體結(jié)合加重損傷；膜磷脂分解過程中產(chǎn)生的脂肪酸、前列腺素、血栓烷、白三烯、溶血磷脂和血小板激活因子等，一方面導致脂質(zhì)膜流動性降低及通透性增高，細胞腫脹；另一方面可增強白細胞聚集和血管收縮，加重腦缺血；③ Ca2+達到一定濃度時便激活一氧化氮合酶（NOS）及鈣依賴蛋白酶，使細胞內(nèi)無害的黃嘌呤脫氫酶轉(zhuǎn)變?yōu)辄S嘌呤氧化酶，氧自由基大量生成；④ 鈣超載導致線粒體功能障礙：細胞內(nèi)外鈣平衡紊亂，細胞外Ca2+內(nèi)流入細胞，主要聚集在線粒體，線粒體內(nèi)Ca2+沉積造成氧化磷酸化電子傳遞脫耦聯(lián)，ATP合成減少，細胞呼吸受到抑制，使能量生成障礙；當線粒體內(nèi)鈣離子濃度超過一定限度后可引起線粒體通透性轉(zhuǎn)換（mitochondrial permeability transition，MPT）孔的產(chǎn)生，線粒體內(nèi)的Ca2+及呼吸鏈的成分可通過MPT孔釋放到細胞外，最終導致呼吸鏈功能受損，ATP合成受阻，線粒體結(jié)構(gòu)破壞；Ca2+還可活化線粒體的磷脂酶，引起線粒體膜損傷，引起磷酸鈣在線粒體內(nèi)沉積，膜的通透性改變，造成細胞不可逆損傷；除ATP合成外，線粒體對細胞氧化還原反應、滲透壓、pH值、細胞內(nèi)信號的維持都有重要作用，線粒體是細胞受損的重要靶目標；⑤ 腦血管的平滑肌細胞Ca2+內(nèi)流，產(chǎn)生血管收縮與痙攣；血管中層細胞Ca2+沉積使血管彈性及結(jié)構(gòu)受到嚴重損害，導致腦梗死加重。

3 NO合成過多

NO是體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的第一個氣體信號分子，結(jié)構(gòu)簡單，性質(zhì)極不穩(wěn)定，半衰期較短，親脂性高，具有多種生物學效應。NO作為一種第二信使，廣泛存在于神經(jīng)組織中，可維持神經(jīng)系統(tǒng)的正常生理功能和調(diào)控疾病的發(fā)生發(fā)展。研究表明，NO在CIRI中具有正反兩方面作用：一方面可引起血管擴張、改善腦局部缺血組織的血氧供應、抑制缺血再灌注損傷，發(fā)揮神經(jīng)保護的有利作用；另一方面通過參與腦損傷與遲發(fā)型神經(jīng)元死亡過程，起到誘導神經(jīng)細胞凋亡的不利作用。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，NO是以L-精氨酸為底物，在NOS催化下主要由神經(jīng)膠質(zhì)細胞、血管內(nèi)皮細胞和神經(jīng)元產(chǎn)生。NOS是NO合成的限速酶，有3種亞型：內(nèi)皮型（eNOS）、神經(jīng)元型（nNOS）及誘生型（iNOS）[11]。eNOS主要存在于內(nèi)皮細胞中，nNOS主要存在于神經(jīng)細胞中。由eNOS催化合成的NO在缺血早期可通過擴張腦血管、增加腦血流量、改善微循環(huán)、增加缺血區(qū)的血氧供應而保護受損區(qū)腦組織[12-13]；缺血后期，NO主要由nNOS和iNOS催化生成，可干擾細胞正常代謝、促進自由基產(chǎn)生，從而發(fā)揮神經(jīng)細胞毒性作用，加重CIRI[14]。

4 興奮性氨基酸毒性

興奮性氨基酸（excitatory amino acid，EAA）包括Glu、天冬氨酸、甘氨酸、海人藻酸、喹啉酸等，廣泛分布于中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，在正常生理狀態(tài)下能傳遞興奮性信息。其中，Glu含量最高，是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中最重要的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，Glu主要分布在小腦、大腦皮質(zhì)和紋狀體中，腦干和小丘腦亦有少量分布。缺血缺氧狀態(tài)下，一方面突觸前膜鈣離子通道開放，Glu釋放增多；另一方面Glu的再攝取減少，導致細胞間隙的Glu迅速增多，導致神經(jīng)細胞損害[15]。

盡管引起CIRI的病理生理機制目前尚未完全明確，但有充足的證據(jù)證明在神經(jīng)元凋亡和死亡過程中Glu等興奮性氨基酸起到了重要作用[16]。Glu受體有3種亞型：代謝型受體、AMPAR和NMDAR。Glu大量釋放后激活Glu受體，進而激活與Gq蛋白耦聯(lián)的磷脂酰肌醇信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)，導致細胞通透性增加，大量的鈉離子和氯離子進入腦細胞內(nèi)，水被動性進入腦細胞，引起腦水腫，導致神經(jīng)細胞不可逆損傷甚至死亡[17]。

5 氧化應激損傷

當機體遭受有害刺激時，機體內(nèi)產(chǎn)生的活性氧自由基（reactive oxygen species，ROS）介導的抗氧化防御和氧化損傷之間的平衡被打破，ROS在機體或細胞內(nèi)蓄積，引起機體組織細胞的氧化損傷過程即為氧化應激。ROS主要包括單線態(tài)氧、臭氧、過氧化氫和氧自由基等。正常生理狀態(tài)下，機體進行有氧代謝時可產(chǎn)生ROS，且體內(nèi)ROS的產(chǎn)生和消除之間保持著動態(tài)平衡。當機體缺血再灌注時，NOS、環(huán)氧合酶（cyclooxygenase，COX）、黃嘌呤脫氫酶/黃嘌呤氧化酶、 還 原 型 輔 酶 II 氧 化 酶、髓過氧化物酶（myeloperoxidase，MPO）和單胺氧化酶（monoamine oxidase，MAO）等促進ROS產(chǎn)生的酶和過氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、過氧化氫酶（catalase，CAT）、過氧化物酶（peroxidase）、谷胱甘肽過氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-Px）等防止ROS產(chǎn)生的酶表達和活性發(fā)生改變，破壞ROS的動態(tài)平衡，導致體內(nèi)ROS蓄積，過氧化損傷體內(nèi)蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核酸大分子物質(zhì)。腦組織是機體內(nèi)最容易產(chǎn)生ROS的器官。在CIRI中，氧化應激一方面可引起蛋白質(zhì)變性和細胞成分氧化，引起神經(jīng)元死亡或損傷[18-20]；另一方面還可通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激（endoplasmic reticulum stress，ERS）途徑和線粒體途徑引起細胞凋亡[15, 21-22]。

6 炎性機制損傷

大量研究表明，炎癥免疫反應廣泛參與了CIRI，腦組織局部過度的炎癥反應是造成CIRI的主要原因之一，也是腦缺血再灌注繼發(fā)性損傷的重要發(fā)病機制。炎性反應涉及許多炎性介質(zhì)及炎性細胞。炎性介質(zhì)及炎性細胞在CIRI中的毒性作用機制[15,17,23-25]為：（1）白細胞在缺血區(qū)浸潤聚集后可釋放多種炎性細胞因子[腫瘤壞死因子α（TNF-α）、白介素1（IL-1）和IL-6]、NO、蛋白水解酶及ROS，通過直接損傷神經(jīng)元造成局部缺血組織壞死；白細胞還可與內(nèi)皮細胞相互作用，一方面引起微血管阻塞，誘發(fā)形成血栓，導致微血管的“無復流”甚至阻斷再灌注；另一方面可破壞血腦屏障，引起腦水腫、出血及腦局部組織壞死等；（2）小膠質(zhì)細胞在腦缺血損傷中具有雙重作用。在缺血的急性期，可通過分泌炎癥細胞因子、ROS、NO、蛋白酶等生物活性物質(zhì)而發(fā)揮神經(jīng)毒性作用；在缺血后期可通過調(diào)節(jié)細胞因子、受體、蛋白質(zhì)的表達或調(diào)節(jié)神經(jīng)生長因子的分泌而保護腦組織；（3）星型膠質(zhì)細胞具有誘導小膠質(zhì)細胞分化和增殖的作用，可增強其本身和巨噬細胞的吞噬能力；通過與趨化因子發(fā)生反應而介導細胞免疫，促進炎癥介質(zhì)產(chǎn)生；（4）IL-1、IL-6和TNF-α是體內(nèi)最重要的細胞因子。其中IL-1β和TNF-α 可引發(fā)炎性反應，刺激內(nèi)皮細胞產(chǎn)生多種組織因子，促進釋放NO、興奮性氨基酸、ROS等參與CIRI過程；在腦組織損傷過程中IL-6有正反兩方面作用，濃度較低時發(fā)揮神經(jīng)元保護和促進修復作用，濃度較高時具有神經(jīng)毒性作用。

7 細胞凋亡

細胞凋亡是基因控制的細胞自主性死亡，是一種程序性細胞死亡（programmed cell death，PCD），具有選擇性、主動性、可逆性等特點，是CIRI的主要病理生理機制之一。細胞壞死的特征是細胞腫脹、膜破裂和DNA隨機降解，而細胞凋亡的特征為染色質(zhì)致密、DNA片段形成、胞漿膜發(fā)泡、凋亡小體出現(xiàn)等，需要mRNA和蛋白質(zhì)的積極合成。有研究表明CIRI時，壞死和凋亡的比率在缺血核心區(qū)是9:1，而在缺血半暗帶為6:1。CIRI誘導神經(jīng)細胞凋亡的途徑主要有3種：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激途徑、死亡受體途徑和線粒體途徑。許多凋亡相關(guān)基因和信號通路參與了這個過程，主要包括p53基因、Fas基因、Bcl-2蛋白家族、Caspase家族和P38、Notch、雷帕霉素蛋白和JAK2/STAT3信號通路等[26-28]。其中，與細胞凋亡最為密切的是Bcl-2家族蛋白中抗凋亡作用的Bcl-2和促凋亡作用的Bax。細胞凋亡發(fā)生率決定于Bcl-2和Bax表達的比例，Bax表達占優(yōu)勢時促進細胞凋亡，Bcl-2表達占優(yōu)勢時抑制細胞凋亡。p53是調(diào)控細胞增殖的重要基因，腦缺血時，p53活化，表達上調(diào)，通過上調(diào)促凋亡基因如Bax，下調(diào)抗凋亡基因如Bcl-2的表達，而發(fā)揮促進細胞凋亡作用。Caspase家族在細胞凋亡起著至關(guān)重要的作用，它是一類同源半胱氨酸蛋白酶，能裂解靶蛋白，其中Caspase-3（死亡蛋白酶）的激活在觸發(fā)細胞凋亡過程中起核心作用，線粒體和死亡受體介導的凋亡途徑均可通過激活Caspase-3后直接裂解胞內(nèi)諸多成分，誘導細胞凋亡。Fas是促進細胞凋亡的基因之一，是細胞表面的一種死亡受體，同樣通過激活Caspase家族而導致細胞凋亡。

8 結(jié)語

綜上所述，CIRI涉及復雜的病理生理機制，包括缺血早期的原發(fā)性損傷和再灌注后的繼發(fā)性損傷兩個階段。缺血再灌注后的腦組織損傷既取決于血流減少程度，還與細胞內(nèi)鈣超載、氧化應激、興奮性氨基酸的神經(jīng)毒性作用、NO合成過多、能量代謝障礙及炎癥反應等因素有關(guān)。導致CIRI的諸多因素或環(huán)節(jié)相互影響或互為因果，共同作用產(chǎn)生神經(jīng)毒性，最終導致局部腦組織損傷，神經(jīng)細胞壞死或凋亡。