蛛網(wǎng)膜下腔出血病理生理機制研究進展

張昌林，倪小佳，2，3，林浩，2，吳俊標，4，李春花，黎劭學，2，蔡業(yè)峰，2，3

蛛網(wǎng)膜下腔出血（subarachnoid hemorrhage，SAH）具有較高的致死率和致殘率，分為原發(fā)性和繼發(fā)性兩種類型[1-2]。臨床上腦血管痙攣、腦積水、再出血、腦梗死、癲癇及電解質(zhì)紊亂等是SAH相關(guān)并發(fā)癥，可導致患者嚴重殘疾甚至死亡[3]。SAH涉及的病理生理過程復雜，盡管目前對SAH后腦血管痙攣和早期腦損傷的研究不斷深入，但尚未能明確其發(fā)生機制，并設(shè)計合理的預防治療方案。本文綜述國內(nèi)外SAH病理生理機制的研究，以期為SAH的臨床治療及新藥研發(fā)提供依據(jù)。

1 腦血管痙攣

SAH后腦血管痙攣（cerebral vascular spasm，CVS）是顱內(nèi)動脈病理性收縮、管腔變窄的一種狀態(tài)，具有雙相性特點。離子通道活性改變是導致CVS發(fā)生的重要因素，SAH后流入腦脊液中的血液對血管產(chǎn)生機械性刺激，引起平滑肌細胞Ca2+通道激活，Ca2+內(nèi)流與鈣調(diào)素受體結(jié)合，激活輕鏈肌球蛋白酶，進而促使輕鏈肌球蛋白磷酸化，使得血管平滑肌細胞收縮，導致早發(fā)性CVS。遲發(fā)性CVS的發(fā)生依賴蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）途徑，這是一類Ca2+和磷脂依賴性蛋白激酶，使肌球蛋白細肌絲相關(guān)蛋白發(fā)生磷酸化，進而促進肌球蛋白的結(jié)合使血管平滑肌細胞收縮，維持血管痙攣[4-5]。腦血管平滑肌細胞上K+通道的激活，可引起K+外流，導致電壓門控鈣通道關(guān)閉，細胞內(nèi)Ca2+減少，血管舒張。研究表明K+通道活性降低是SAH后血管舒縮功能障礙的一個重要因素，由于血管平滑肌K+通道活性降低，平滑肌細胞去極化而引起血管收縮[6]。

血管舒縮因子的變化是腦血管痙攣發(fā)生的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，內(nèi)皮素-1（endothelin-1，ET-1）是SAH早期炎癥反應和缺血反應時由星形膠質(zhì)細胞與白細胞釋放的一種血管活性肽，具有強大而持久的血管收縮功能[7]。相關(guān)研究顯示，SAH后血漿中ET-1含量急劇升高，激活PKC途徑，誘導細胞內(nèi)Ca2+升高，使血管收縮；另一方面，與血管舒張功能相關(guān)的細胞因子如降鈣素基因相關(guān)肽、前列環(huán)素及一氧化氮含量均顯著下降，導致血管舒張效應的抑制，兩者共同介導腦血管痙攣的發(fā)生[8-11]。此外，神經(jīng)激肽1受體（neurokinin-1 receptor，NK1R）與P物質(zhì)相結(jié)合，作用于Ca2+通道，引起膜電位的去極化從而使血管收縮，Saema Ansar等[12]通過大鼠實驗發(fā)現(xiàn)，使用NK1R拮抗劑可有效地防治腦血流量減少引起的CVS。另有學者對CVS標志物進行探索，強調(diào)載脂蛋白E基因型差異參與SAH后CVS的發(fā)展，而變異結(jié)合珠蛋白則與SAH患者預后差有著密切相關(guān)，但其進一步的相關(guān)機制仍在探討當中[13-15]。

2 氧化應激反應

活性氧簇產(chǎn)生和清除之間平衡狀態(tài)的破壞被認為是導致SAH早期腦損傷的關(guān)鍵因素之一[16]。在SAH早期，大量超氧自由基的產(chǎn)生是血紅蛋白脂質(zhì)過氧化級聯(lián)效應導致的，其中血紅素氧化酶-1含量升高，可促使血紅素降解為一氧化氮、膽綠素、Fe2+等超氧自由基，使神經(jīng)元細胞和內(nèi)皮細胞受到直接損傷；與此同時，體內(nèi)抗氧化活性成分如超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶、過氧化氫酶等的含量顯著減少，導致機體清除過氧化物的能力不足，進一步加深組織細胞的損傷[17]。既往研究表明SAH早期全腦缺血誘導線粒體呼吸鏈缺血性阻斷，使得大量O2-和過氧化氫產(chǎn)生，繼發(fā)與Fe2+發(fā)生芬頓（Feton）和哈伯·韋斯（Haber-Weiss）反應，產(chǎn)生羥自由基，從而直接損傷血管神經(jīng)單元[18]。大量的氧自由基，既能破壞細胞膜結(jié)構(gòu)的完整性，又能損傷線粒體DNA的結(jié)構(gòu)，通過Ca2+依賴性的線粒體通透性轉(zhuǎn)換，誘發(fā)細胞凋亡的發(fā)生[19]。

3 炎癥反應

炎癥反應參與了SAH早期腦損傷和腦血管痙攣的病理性變化過程。在SAH后，進入蛛網(wǎng)膜下腔的紅細胞受到破壞并產(chǎn)生大量降解產(chǎn)物，如血紅蛋白、高鐵血紅蛋白等，這些產(chǎn)物可激活Toll樣受體4（Toll-like receptor 4，TLR4），TLR4通過激活下游的核轉(zhuǎn)錄因子-κB（nuclear factor kappa B，NF-κB）信號傳遞途徑，參與SAH早期腦損傷[20]。Khalid A.Hanafy[21]發(fā)現(xiàn)，在SAH早期階段神經(jīng)元的凋亡主要依賴于TLR4/MyD88信號通路和小膠質(zhì)細胞，而晚期特征則依賴于TLR4-TRIF。SAH后血液降解產(chǎn)物可激活中樞神經(jīng)系統(tǒng)免疫細胞如星形膠質(zhì)細胞及小膠質(zhì)細胞，并通過NF-κB和絲裂原活化蛋白激酶通路，釋放大量炎性因子[22-23]。這些炎性因子可引起廣泛炎癥，并導致腦血管痙攣、腦膜炎等并發(fā)癥的發(fā)生。

免疫細胞釋放多種細胞因子參與SAH炎癥反應過程，它們啟動時間、作用途徑及靶點一直是研究的熱點。研究顯示，SAH后檢測到血清中IL-2、IL-6、IL-12及腫瘤壞死因子α等炎性因子大量表達，進一步實驗發(fā)現(xiàn)其可誘導血管收縮因子ET-1的釋放，引起血管收縮[24-25]。此外，活化的神經(jīng)膠質(zhì)細胞通過環(huán)氧酶途徑，促進前列腺素類因子產(chǎn)生，從而加劇SAH后炎癥反應程度，在SAH模型小鼠中使用環(huán)氧酶抑制劑能減輕炎癥反應，降低腦水腫的發(fā)生，減少神經(jīng)組織的損傷[26]。NOD樣受體蛋白3（NODlike receptor protein 3，NLRP3）炎性小體作為固有免疫重要組分在機體免疫和疾病發(fā)生過程中起重要作用。近年來，越來越多證據(jù)表明NLRP3炎性小體的激活是SAH后炎癥反應的關(guān)鍵因素之一[27]。SAH后由于氧自由基的大量釋放，激活NLRP3炎癥復合體，活化的NLRP3激活天冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白水解酶（cysteinyl aspartate specific proteinase，Caspase）-1并誘導促炎因子如IL-1b、IL-18的成熟。使用NLRP3抑制劑如壞死性凋亡抑制劑或線粒體分裂蛋白抑制劑能有效控制SAH炎癥反應，降低腦水腫程度，改善神經(jīng)功能[28]。

紅細胞降解產(chǎn)物可誘發(fā)劇烈的神經(jīng)炎癥反應，這一過程可通過外源或內(nèi)源性途徑，激活免疫細胞。多種炎性因子可導致TLR4、NFκB、NLRP3等信號通路被激活，從而介導了SAH后的腦損傷和神經(jīng)功能障礙。

4 血腦屏障破壞與腦水腫

SAH后腦水腫，主要有血管源性腦水腫及細胞毒性腦水腫。SAH發(fā)生后，血漿中Ⅳ型膠原含量增加，血腦屏障基底膜結(jié)構(gòu)被降解，致其通透性增加，血管內(nèi)液體滲透入周圍腦組織，導致血管源性腦水腫的發(fā)生；此外，基質(zhì)金屬蛋白酶-9（matrix metalloproteinase-9，MMP-9）的上調(diào)參與了SAH早期血腦屏障的損傷。SAH后細胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶依賴通路被激活，促進MMP-9的表達，進一步降解緊密連接相關(guān)蛋白Claudin-5，導致血腦屏障的破壞[29]。人閉鎖小帶蛋白-1（zonula occluden 1，ZO-1）被認為是一種與緊密連接密切相關(guān)的分子，研究顯示，SAH后半小時腦組織中ZO-1的含量逐漸下降，提示血腦屏障完整性的破壞可能與ZO-1表達降低有聯(lián)系[30]。絲氨酸/蘇氨酸激酶（Rho-associated kinase，ROCK）是小G蛋白超家族成員之一，越來越多證據(jù)表明，SAH病理生理過程與Rho/Rho激酶系統(tǒng)的激活密切相關(guān)，通過Rho激酶抑制劑，可以維持ZO-1的正常水平，從而保護緊密連接不受破壞[31]。

此外，因SAH后血流動力學的改變，局部組織缺血缺氧等低灌注狀態(tài)，能量依賴型鈉鉀泵失活，導致細胞毒性腦水腫的發(fā)生[32]。SAH后由于腦性耗鹽或抗利尿激素分泌紊亂等因素引起的細胞低滲狀態(tài)，也導致腦水腫的發(fā)生[33]。

5 細胞凋亡、焦亡與壞死

SAH早期機械性損傷、免疫炎癥反應、氧化應激反應、離子水平失穩(wěn)等因素的綜合作用下，血管內(nèi)皮細胞、神經(jīng)膠質(zhì)細胞和鄰近血管附近的海馬區(qū)或基底皮層神經(jīng)元細胞發(fā)生廣泛凋亡[34]。細胞凋亡的發(fā)生由眾多的信號通路介導，其中包括了B淋巴細胞瘤-2（B-cell lymphoma-2，Bcl-2）基因家族介導的線粒體途徑及死亡受體途徑等效應通路[35]。而在細胞器層面，線粒體功能障礙和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激紊亂參與SAH后細胞凋亡的過程。

SAH后，Bcl-2基因家族介導線粒體膜通透性改變，促進細胞色素c從線粒體膜中釋放，與凋亡酶激活因子-1（apoptosis protease activating factor 1，Apaf-1）結(jié)合形成c/Apaf-1復合物，激活Caspase-9，進而誘導Caspase-3的活化，修飾部分細胞蛋白和DNA結(jié)構(gòu)，誘導細胞發(fā)生凋亡[36]。Simge Yuksel等[37]發(fā)現(xiàn)，在SAH后，腦組織中死亡受體及腫瘤壞死因子表達上調(diào)，激活Caspase級聯(lián)反應，進而上調(diào)P53表達，誘導細胞發(fā)生凋亡。蛋白激酶B是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶，具有抗凋亡信號轉(zhuǎn)導的作用，其通過依賴Caspase途徑抑制細胞的凋亡，研究顯示缺血性腦神經(jīng)元的死亡可能與蛋白激酶B活性受到抑制有關(guān)[38]。MMPK通路在SAH后早期腦損傷中亦扮演著重要角色，該通路主要由細胞外信號調(diào)控激酶（extracellular regulated protein kinases，ERK）、c-Jun氨基末端激酶和P38介導，它們共同參與了缺血性腦組織的凋亡或死亡[39]。

近年來研究表明，線粒體功能障礙和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激紊亂與細胞凋亡的發(fā)生密切相關(guān)。線粒體功能障礙可導致一系列有害效應發(fā)生，包括跨膜電位崩潰、基質(zhì)鈣流失、活性氧的產(chǎn)生及凋亡基因蛋白釋放等[40]。高水平的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激可通過激活炎癥和凋亡程序誘導細胞的死亡[41]。使用Bcl-2相關(guān)蛋白抑制劑-1（Bax-1）則可通過需肌醇酶1（IRE1）-c-Jun氨基末端激酶（JNK）信號通路抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激的過表達，從而減輕SAH早期腦損傷[42]。

細胞焦亡是一種依賴于Caspas e-1和Caspase-4/5/11的促炎癥性細胞死亡模式。在細胞焦亡的早期，由于炎性反應的激活，細胞質(zhì)膜上形成微小孔隙，鉀離子外流，細胞內(nèi)外離子梯度消失，導致細胞發(fā)生溶脹和裂解[43]。細胞焦亡一般發(fā)生在吞噬性細胞中，但有研究表明細胞焦亡也可存在于神經(jīng)元及內(nèi)皮細胞[44]。既往研究亦表明炎性小體在SAH早期腦損傷具有重要作用，而細胞焦亡依賴Caspase-1和Caspase-4/5/11途徑的激活受到炎性小體的調(diào)控，這提示細胞焦亡的發(fā)生與SAH早期腦損傷具有一定相關(guān)性，然而具體機制仍需進一步探究[45]。

細胞壞死常是細胞被動死亡的過程，可導致細胞內(nèi)容物的釋放，誘發(fā)炎癥反應。細胞凋亡與壞死可同時發(fā)生，SAH早期腦損傷程度過重往往導致細胞壞死。細胞壞死與SAH后CVS的發(fā)生密切相關(guān)，在SAH后細胞壞死主要發(fā)生在大血管平滑肌細胞層，其次，腦室周圍細胞也可因電解質(zhì)的紊亂而發(fā)生壞死[46]。

6 細胞自噬

細胞自噬是機體維護內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的一種機制，保證了機體衰老、多余或異位細胞質(zhì)實體通過溶酶體途徑降解。細胞自噬的啟動受到嚴格的監(jiān)視，多個信號通路共同介導著細胞自噬的發(fā)生，其中包括了雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）依賴性和非mTOR依賴性通路[47]。SAH后，溶酶體中鐵過載，溶酶體膜失去穩(wěn)定性而破裂，導致組織蛋白酶釋放，從而激活細胞自噬[48]。細胞自噬產(chǎn)生的效應具有雙相性，長期且劇烈的損傷加劇神經(jīng)元的死亡，而短期且強度較低的損傷則發(fā)揮保護神經(jīng)細胞的作用[49]。Zhong Wang等[50]在SAH動物模型中發(fā)現(xiàn)，腦皮質(zhì)中與細胞自噬相關(guān)的自噬核心蛋白（Beclin-1）和微管相關(guān)蛋白1輕鏈3（LC3）的表達明顯升高，使用自噬效應劑雷帕霉素上調(diào)Beclin-1和LC3的表達，可降低細胞凋亡的發(fā)生，改善血腦屏障的通透性，從而減輕SAH的早期腦損傷。

7 皮質(zhì)傳播抑制

此外，皮質(zhì)傳播抑制是SAH后離子紊亂導致的直接結(jié)果，表現(xiàn)為波幅-30～-10 mV且持續(xù)時間約1 min的特征性電活動，伴有周圍不均勻擴散的特征[51]。Ala Nozari等[52]亦發(fā)現(xiàn)，SAH后腦血流量下降，腦組織中葡萄糖含量降低而促凝血因子含量增加，促使微血栓的產(chǎn)生而出現(xiàn)缺血灶，進而誘發(fā)皮層擴散性去極化的發(fā)生。分子水平研究表明，皮質(zhì)傳播抑制的發(fā)生與蛛網(wǎng)膜下腔氧合血紅蛋白、ET-1及溶血產(chǎn)物升高，一氧化氮含量下降相關(guān)，繼發(fā)導致皮質(zhì)播散性缺血和缺血性神經(jīng)功能障礙[53]。谷氨酸信號通路在擴散性去極化動力學中發(fā)揮關(guān)鍵作用，膜電位的去極化誘導谷氨酸等興奮性氨基酸釋放到細胞外，產(chǎn)生興奮性毒性，導致神經(jīng)元的損傷[54]。

8 微血栓形成

微血栓是一種發(fā)生在微循環(huán)中由血小板、白細胞或纖維蛋白相互黏附聚集形成的均質(zhì)無結(jié)構(gòu)微小血栓。微血栓的形成導致血管的堵塞，大腦發(fā)生缺血缺氧性損傷，Benjamin Friedrich等[55]在SAH小鼠軟腦膜血管腔中觀察到微血栓的形成，提示微血栓可能是誘發(fā)SAH后遲發(fā)性腦缺血損傷的原因之一。微血栓的形成依賴于血小板的介導，SAH后血漿中促凝血因子表達增加，血小板活化聚集形成微小血栓堵塞腦內(nèi)微小血管，引起腦血流低灌注，進而導致腦缺血性損傷[56]。

本文闡述了SAH在腦血管痙攣、氧化應激反應、炎癥反應、血腦屏障破壞與腦水腫、細胞凋亡，焦亡與壞死、細胞自噬、皮質(zhì)傳播抑制和微血栓形成方面的機制。SAH患者功能預后與神經(jīng)血管單元密切相關(guān)，腦血管痙攣及細胞凋亡、焦亡與壞死導致神經(jīng)血管單元直接受損因素；SAH后機體氧化應激及炎癥反應共同作用的結(jié)果是腦血管痙攣和細胞凋亡的發(fā)生，并且血腦屏障的破壞導致腦水腫的發(fā)生，對神經(jīng)血管單元產(chǎn)生損傷；此外皮質(zhì)傳播抑制和腦微血栓的形成，繼發(fā)性引起腦組織缺血性損傷，加重SAH患者神經(jīng)功能的缺損。深入探究SAH的關(guān)鍵病理生理機制，挖掘其內(nèi)在聯(lián)系能為日后SAH臨床治療方案及靶向藥物研發(fā)提供方向。

【點睛】本文系統(tǒng)闡述了蛛網(wǎng)膜下腔出血后的病理生理機制，為蛛網(wǎng)膜下腔出血的臨床預防、治療和藥物研發(fā)提供了一定的參考依據(jù)。