新生兒缺氧缺血性腦病的病因和發(fā)病機制研究進展

王 鑫，姜 泓

(延安大學(xué)附屬醫(yī)院新生兒科，陜西 延安 716000)

新生兒缺氧缺血性腦病(hypoxic-ischemic encephalopathy，HIE)是由圍生期缺氧或窒息引起的新生兒腦血流減少所致的一種腦損傷，其病情危重，病死率較高，而且新生兒HIE的后遺癥發(fā)生率較高(14%)且較嚴重，影響患兒的生活質(zhì)量，也增加了其家庭、社會的經(jīng)濟負擔[1-2]。因此，了解HIE的病因及發(fā)病過程，從根本上降低HIE的發(fā)病率尤為重要，本文主要就HIE的發(fā)病原因及發(fā)病機制作一綜述。

1 HIE的病因

1.1早產(chǎn)和缺氧宮內(nèi)慢性缺氧如孕母患有妊娠期高血壓病、中重度貧血、妊娠期糖尿病、嚴重的心肺疾病及胎兒胎盤、臍帶等的異常均會影響胎盤的血供和胎母之間的氣體交換，缺氧是新生兒HIE的核心因素[1-2]。缺氧引起的重度圍生期窒息是新生兒HIE發(fā)生的主要病因[3]。圍生期窒息又會進一步加重胎兒進行性缺氧、高碳酸血癥和缺血，并伴有明顯的代謝性酸中毒。早產(chǎn)兒全身各系統(tǒng)尚未發(fā)育完善，呼吸和循環(huán)系統(tǒng)發(fā)育落后，因此早產(chǎn)兒更易發(fā)生缺氧缺血。新生兒幾個關(guān)鍵的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)在妊娠結(jié)束時發(fā)育成熟，但對于早產(chǎn)兒，這些區(qū)域的神經(jīng)發(fā)育尚未完全，可能會導(dǎo)致患者遠期神經(jīng)功能障礙[4-5]。另外，早產(chǎn)本身會增加HIE的風險，而不會增加窒息性損傷[6]。

1.2宮內(nèi)感染有學(xué)者通過建立宮內(nèi)感染動物模型，證實了宮內(nèi)感染是導(dǎo)致早產(chǎn)兒腦白質(zhì)損傷的重要原因之一，打破了傳統(tǒng)意義上缺氧窒息是導(dǎo)致新生兒腦損傷的唯一原因的認知[7]。動物實驗研究表明，宮內(nèi)感染會影響仔鼠的認知發(fā)育，可能與海馬神經(jīng)細胞凋亡有關(guān)[8]；但也有研究顯示，宮內(nèi)感染致腦損傷的同時，也能夠促進海馬神經(jīng)的再生，這可能與神經(jīng)損傷后的自身修復(fù)密切相關(guān)。宮內(nèi)感染可通過Notch信號通路導(dǎo)致腦白質(zhì)損傷[9]。研究發(fā)現(xiàn)，診斷為絨毛膜羊膜炎的女性所分娩的新生兒患HIE風險最高[10]。從炎癥-發(fā)育信號角度進行的研究表明，宮內(nèi)感染/炎癥后未成熟腦髓鞘堿性蛋白表達減少或消失，可能影響未成熟腦少突膠質(zhì)細胞的功能。目前認為，圍生期炎癥與神經(jīng)損傷存在顯著關(guān)聯(lián)，特別是后期留有腦性癱瘓等后遺癥患者，該損傷主要通過細胞因子、自由基和興奮性氨基酸的釋放以及全身性炎癥反應(yīng)來調(diào)節(jié)。

1.3高溫MISHIMA等[11]評估了缺氧缺血性損傷期間大鼠分別在亞低溫、正常體溫和高溫時的學(xué)習(xí)能力和記憶力。高溫組大鼠的腦損傷程度較其他2組嚴重，注意力和空間學(xué)習(xí)力不足。高溫可使機體產(chǎn)生相對高代謝狀態(tài)，可能對新生兒有害，特別是新生兒大腦組織[12-13]。越來越多的證據(jù)表明，產(chǎn)婦產(chǎn)時發(fā)熱可能使新生兒易患神經(jīng)系統(tǒng)疾病，如新生兒HIE或癲癇，這可能與有害調(diào)節(jié)劑的釋放、腦血流量的改變及血腦屏障滲透性增加等因素相關(guān)[14]。

此外，高熱導(dǎo)致腦損傷的機制可能包括自由基的產(chǎn)生、谷氨酸和甘氨酸的釋放、腦內(nèi)代謝需求的增加及磷酸肌酸和三磷腺苷水平的緩慢恢復(fù)[14]。高溫可能會改變血腦屏障的通透性，導(dǎo)致腦水腫[15-16]。高溫與細胞因子釋放、血栓形成有明確的關(guān)系，這可能導(dǎo)致不良的神經(jīng)學(xué)結(jié)局[17-19]。

2 HIE的發(fā)病機制

2.1炎性細胞因子新生兒腦室周圍組織缺乏血腦屏障，在胎兒宮內(nèi)感染時，微生物產(chǎn)物內(nèi)毒素和細胞因子等可通過此薄弱區(qū)進入大腦組織，刺激小膠質(zhì)細胞產(chǎn)生白細胞介素(interleukin，IL)-1、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、IL-6、IL-1b等，或者內(nèi)毒素和細胞因子可直接作用于大腦內(nèi)皮組織產(chǎn)生炎癥[20-21]。動物實驗證實，宮內(nèi)感染后，生后早期的新生鼠體內(nèi)IL-1、TNF-α水平一過性升高，提示炎性細胞因子在感染所致的腦損傷中起重要作用[22]。早產(chǎn)兒臍血中IL-6、TNF-α、IL-1b等細胞因子與腦白質(zhì)損傷的發(fā)生密切相關(guān)，且不受出生年齡和Apgar評分等因素影響[23-24]，這可能與IL-6 升高引起全身炎癥反應(yīng)綜合征有關(guān)。還有研究發(fā)現(xiàn)，IL-1b受體拮抗劑可明顯減輕細菌脂多糖誘導(dǎo)的腦白質(zhì)損傷，還可抑制半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶3的激活[25]。

2.2凝血障礙缺氧缺血時，組織型纖維蛋白酶活化物(tissue plasminogen activator，tPA)使蛋白酶活性增強，進而產(chǎn)生蛋白水解物，與小膠質(zhì)細胞的表面受體結(jié)合，產(chǎn)生TNF-α和單核細胞趨化蛋白-1。研究發(fā)現(xiàn)，在缺氧缺血大鼠模型中，給予脂多糖干預(yù)，可以阻斷tPA的蛋白水解活性，減少纖維蛋白水解，誘發(fā)血栓形成，影響凝血機制，引起腦出血、腦梗死、腦組織缺氧缺血等一系列病理表現(xiàn)[26]。一項關(guān)于大腸桿菌膿毒癥的動物模型研究表明，被炎性介質(zhì)和細菌毒素損傷的血管附近組織通過增加組織因子表達以及增強組織因子活性來促進凝血反應(yīng)[27]。

2.3胎盤血液循環(huán)減少由于早產(chǎn)兒的腦血管發(fā)育未成熟，腦室管膜存在解剖缺陷，少突膠質(zhì)細胞與軸突發(fā)育不完善以及內(nèi)源性保護因子缺乏，一旦發(fā)生宮內(nèi)感染，微生物及微生物產(chǎn)物可刺激炎性細胞因子合成，干擾胎盤血液循環(huán)，使胎兒腦組織血液供應(yīng)減少，降低谷氨酸拮抗氧自由基的保護作用。于胎羊羊膜腔內(nèi)注入脂多糖，觀察到內(nèi)毒素組偏心血流時，胎羊腦血流量下降約3/4，從而導(dǎo)致缺血引起腦損傷[28]。妊娠25～31周并發(fā)胎盤炎癥的胎兒在出生后2～4 h的平均收縮壓和舒張壓均下降。研究表明，胎兒發(fā)生炎癥反應(yīng)會引起新生兒血液循環(huán)紊亂[29-30]。

2.4免疫機制

2.4.1Toll樣受體4(Tolllikereceptor4，TLR4)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路有研究證實，腦白質(zhì)損傷時存在全身炎癥反應(yīng)綜合征，由于新生兒血腦屏障發(fā)育不成熟，全身炎癥反應(yīng)時炎性細胞因子通過血腦屏障進入腦組織，影響腦血管系統(tǒng)，導(dǎo)致TLR4活化并與小膠質(zhì)細胞上的TLR4受體結(jié)合，激活后的TLR4通過誘導(dǎo)一系列炎性相關(guān)因子和免疫應(yīng)答反應(yīng)相關(guān)的細胞因子如TNF-α、IL-1b、活性氮(reactive nitrogen species，RNS)、活性氧(reactive oxygen species，ROS)、一氧化氮(nitric oxygen，NO)等的表達調(diào)控機體固有性免疫應(yīng)答，最終激活適應(yīng)性免疫應(yīng)答[31]。與此同時，這些分子能直接損傷少突膠質(zhì)細胞，特別是少突膠質(zhì)前體細胞。TLR下游信號通路復(fù)雜，但所有的TLR都能激活一條共同的信號通路并最終活化核因子-κB(nuclear factor kappa B，NF-κB)，作為TLR信號通路上最重要的下游分子之一，NF-κB調(diào)控一系列炎性因子如IL-1b、TNF-α的表達[32]。神經(jīng)免疫應(yīng)答過程中小膠質(zhì)細胞TLR4的表達在腦內(nèi)防御反應(yīng)和腦損傷的平衡機制中起重要作用。TLR4是小膠質(zhì)細胞上脂多糖的特異性受體，在脂多糖的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮重要作用。TLR4與脂多糖特異性結(jié)合后產(chǎn)生跨膜信號激活小膠質(zhì)細胞，釋放ROS和RNS對少突膠質(zhì)前體細胞產(chǎn)生毒性作用，影響髓鞘形成，進而造成腦白質(zhì)損傷[33]。

2.4.2Notch信號傳導(dǎo)通路少突膠質(zhì)細胞的發(fā)育成熟受多種神經(jīng)營養(yǎng)因子、激素及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的調(diào)控，只有成熟的少突膠質(zhì)細胞才能合成腦髓鞘堿性蛋白等髓鞘蛋白，形成真正的髓鞘。越來越多的研究認為，Notch信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)在調(diào)節(jié)少突膠質(zhì)細胞的發(fā)育成熟上起關(guān)鍵作用[34]。Notch信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)促進少突膠質(zhì)祖細胞的發(fā)生而抑制后續(xù)的少突膠質(zhì)細胞分化成熟；TLR4在宮內(nèi)感染致腦白質(zhì)損傷的機制中部分可能是通過激活經(jīng)典型Notch信號途徑阻礙少突膠質(zhì)細胞前體分化[35]。

2.4.3NO與誘導(dǎo)型一氧化氮合成酶(induciblenitricoxidesynthase，iNOS)的增加NO是神經(jīng)元功能的重要調(diào)節(jié)劑，生理量的NO能夠維持正常的腦血流量，但過量的NO將會導(dǎo)致RNS的形成，具有神經(jīng)毒性，尤其是由于iNOS過度表達而產(chǎn)生的NO，其神經(jīng)毒性主要是對少突膠質(zhì)細胞前體細胞發(fā)揮損傷作用。有實驗證明，宮內(nèi)感染后初期iNOS的表達與TNF-α、IL-1 mRNA 等的表達類似，都有一過性升高，提示宮內(nèi)感染后腦內(nèi)的細胞因子級聯(lián)反應(yīng)對iNOS的表達可能具有誘導(dǎo)作用[36]。

2.4.4神經(jīng)細胞凋亡與神經(jīng)修復(fù)宮內(nèi)感染后，腦內(nèi)細胞因子、NO合成及iNOS表達增加，并產(chǎn)生一系列炎癥級聯(lián)反應(yīng)，促使神經(jīng)細胞凋亡。有研究表明，活化的小膠質(zhì)細胞可釋放IL-6，通過IL-6受體、Notch1或Hes-1信號通路抑制神經(jīng)干細胞分化和成熟，并誘導(dǎo)神經(jīng)細胞和非神經(jīng)細胞凋亡，神經(jīng)細胞凋亡導(dǎo)致海馬神經(jīng)元數(shù)量減少、功能受累，海馬神經(jīng)軸突、樹突發(fā)育不良，突觸生成受阻和功能性修飾障礙等將會影響近期及遠期的學(xué)習(xí)和記憶能力，并影響大腦小膠質(zhì)細胞和星形膠質(zhì)細胞產(chǎn)生，從而損傷正常發(fā)育的神經(jīng)系統(tǒng)[7]。江佩芳等[37]在對仔鼠的認知和海馬神經(jīng)發(fā)生的研究中發(fā)現(xiàn)，宮內(nèi)感染在導(dǎo)致海馬神經(jīng)元凋亡的同時也可促進神經(jīng)的發(fā)生。

2.4.5感染對缺氧缺血性損傷的增敏作用感染將增加缺氧缺血誘導(dǎo)的血腦屏障損傷和基質(zhì)金屬蛋白酶-9(matrix metalloproteinase-9，MMP-9)的活化。用透過血腦屏障的氟化鈉(sodium fluoride，NaF)的量和24 h恢復(fù)期的MMP-9的活性作為血腦屏障損傷指標的實驗表明，單獨注射脂多糖對NaF的通透性影響較小，但當與輕度缺氧缺血性損傷相結(jié)合時，小鼠頸動脈結(jié)扎半球中的NaF外滲顯著增加；單獨給予脂多糖并沒有使MMP-9活性增強，但脂多糖與缺氧缺血雙重損傷誘導(dǎo)下MMP-9活性更高[38]。這些數(shù)據(jù)顯示，雖然低劑量LPS本身對未成熟大腦無明顯損傷作用，但它可以增加缺氧缺血所致的血腦屏障損傷。

2.4.6興奮性氨基酸的興奮毒性感染或炎癥可誘導(dǎo)tPA依賴性膠質(zhì)細胞的激活，并釋放潛在的神經(jīng)毒性物質(zhì)和炎性因子[39]，其中包括興奮性氨基酸谷氨酸，谷氨酸釋放增多，代謝減少，在突觸間隙大量堆積，激活突觸后膜相應(yīng)的谷氨酸受體，擴大其第2信使作用，導(dǎo)致突觸后膜神經(jīng)元過度興奮，神經(jīng)細胞滲透性腫脹、變性、壞死。

2.4.7自由基損傷作用感染或炎癥反應(yīng)后，細菌內(nèi)毒素刺激胎兒血液循環(huán)中的單核細胞產(chǎn)生細胞因子，增加血腦屏障通透性，使原本不能透過血腦屏障的大分子脂多糖進入腦內(nèi)，脂多糖通過TLR4激活小膠質(zhì)細胞，誘導(dǎo)產(chǎn)生iNOS，使NO生成增多，NO與還原型輔酶II(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)氧化酶的產(chǎn)物O2-反應(yīng)生成ONOO-，最終導(dǎo)致少突膠質(zhì)前體細胞死亡。有研究顯示，NADPH氧化酶的活性產(chǎn)物是由小膠質(zhì)細胞通過其他非TLR4受體依賴途徑誘導(dǎo)生成[40]。

3 小結(jié)

HIE病因復(fù)雜，不同病因所引起HIE的發(fā)病機制不盡相同，各種發(fā)病機制相互交錯，因此對于HIE的研究與認識，應(yīng)該從多方面、多維度進行深入研究。近年來，隨著圍生醫(yī)學(xué)的逐步發(fā)展，宮內(nèi)感染造成的新生兒神經(jīng)系統(tǒng)疾病已成為目前國內(nèi)外眾多專家研究的熱點，盡管宮內(nèi)感染導(dǎo)致HIE的機制尚不清楚，但隨著分子生物學(xué)水平研究的日益深入，該機制有望取得重大突破，將給該疾病的治療策略研究帶來巨大空間。