腦缺血再灌注損傷相關(guān)機(jī)制的研究進(jìn)展

李兆珍 張丹參

1.河北北方學(xué)院藥學(xué)系，張家口，075000，中國(guó)

2.河北科技大學(xué)，石家莊，050000，中國(guó)

缺血性腦血管疾病（ischemic cerebrovascular disease，ICVD）是一類(lèi)由于腦部供血障礙引起的腦組織相應(yīng)區(qū)域缺血缺氧，造成腦組織損傷，進(jìn)而出現(xiàn)一系列生化代謝異常、生理功能喪失、病理形態(tài)改變等，包括短暫性腦缺血發(fā)作、腦栓塞、腦血栓等。ICVD 占腦血管疾病的80%～85%，是一類(lèi)發(fā)病率高、致殘率高、致死率高，嚴(yán)重威脅人類(lèi)健康影響生存質(zhì)量的疾病［1］。缺血后血流的再通過(guò)可導(dǎo)致更為嚴(yán)重的腦缺血再灌注損傷，包括炎癥反應(yīng)、興奮性氨基酸毒性、細(xì)胞內(nèi)鈣超載、能量代謝障礙、自由基損傷和細(xì)胞凋亡等多種機(jī)制。腦缺血再灌注損傷后，引起三磷酸腺苷（adenosine-triphosphate，ATP）減少，鈣超載，釋放大量氧自由基，導(dǎo)致興奮性氨基酸大量釋放，能量代謝受損，而伴隨的炎癥反應(yīng)會(huì)增加氧自由基的釋放，加重這一過(guò)程，最后導(dǎo)致細(xì)胞凋亡，腦組織受損。這些機(jī)制錯(cuò)綜復(fù)雜，尚未完全闡明。

1 興奮性氨基酸毒性與腦缺血再灌注損傷的相關(guān)性

氨基酸類(lèi)神經(jīng)遞質(zhì)在感覺(jué)信息傳導(dǎo)和完成運(yùn)動(dòng)指令等突觸傳遞過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。中樞神經(jīng)系統(tǒng)中存在著大量的氨基酸（amino acid，AA），根據(jù)其對(duì)大腦中樞神經(jīng)元的興奮和抑制作用，將其分為興奮性氨基酸類(lèi)神經(jīng)遞質(zhì)（excitatory amino acids，EAA）和抑制性氨基酸類(lèi)神經(jīng)遞質(zhì)（inhibitory amino acids，IAA）［2］。EAA：主要包括天冬氨酸（aspartic acid，Asp）和谷氨酸（glutamate，Glu），有研究表明，EAA 是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中興奮性突觸的主要神經(jīng)遞質(zhì)，其中缺血神經(jīng)元大量釋放的谷氨酸是神經(jīng)元損傷的關(guān)鍵［3］。腦內(nèi)Glu 代謝的主要途徑是通過(guò)谷氨酰胺合成酶（glutaminesynthetase，GS）的合成。在神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中，Glu 在GS 的作用下生成谷氨酰胺，并通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白將谷氨酰胺提供給神經(jīng)元。神經(jīng)元攝取谷氨酰胺后，經(jīng)磷酸化激活的谷氨酰胺酶脫氨基生成谷氨酸，然后包裹成突觸囊泡釋放。這整體循環(huán)包括谷氨酸的合成、釋放和回收稱為谷氨酸-谷氨酰胺循環(huán)［4］。適量的Glu 可以維持細(xì)胞正常的基本生理活動(dòng)。

高濃度谷氨酸過(guò)度刺激突觸后神經(jīng)元上的谷氨酸能受體，引起興奮毒性。一方面，谷氨酸與突觸后α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole-propionicacid，AMPA) 受體及紅藻氨酸（kainate,KA）受體結(jié)合，Na+通道開(kāi)放，大量的Na+內(nèi)流，引起急性細(xì)胞腫脹，甚至造成急性神經(jīng)元死亡。另一方面，大量谷氨酸與N-甲基-D-天門(mén)冬氨酸（N-methyl-D-aspartate，NMDA）受體結(jié)合，使Ca2+通道開(kāi)放，導(dǎo)致大量Ca2+內(nèi)流，而細(xì)胞內(nèi)降低Ca2+水平的機(jī)制，如鈣泵（PMCA 泵）和交換體（NCX 交換）受到損害［5］，同時(shí)，將Ca2+離子泵出胞漿的能力受損，引起鈣超載。在腦缺血再灌注模型中，腦損傷后谷氨酸濃度增高，Na+/Ca2+交換體功能受損，導(dǎo)致Ca2+超載和NO生成增加，NO 同O2-反應(yīng)，產(chǎn)生OONO-，加重細(xì)胞損傷［6］。因此興奮性氨基酸毒性是導(dǎo)致腦缺血再灌注損傷發(fā)病的機(jī)制。

2 自由基損傷與腦缺血再灌注損傷的相關(guān)性

自由基是任何含有一個(gè)或多個(gè)未成對(duì)電子的原子或基團(tuán)，其化學(xué)性質(zhì)活躍，腦缺血再灌注后，自由基生成與清除的不平衡使得自由基堆積，破壞膜結(jié)構(gòu)中蛋白成分、引起膜脂質(zhì)過(guò)氧化，導(dǎo)致膜損傷、線粒體功能障礙、溶酶體破裂、細(xì)胞溶解和組織水腫等一系列損害作用，形成自由基連鎖反應(yīng)，加重腦組織損傷［7］。自由基累積與鈣超載自由基廣泛存在于生物體內(nèi)，主要包括氧自由基和脂質(zhì)自由基［8］。而氧自由基介導(dǎo)的自由基連鎖反應(yīng)是導(dǎo)致腦缺血缺氧與再灌注復(fù)氧損傷的主要原因。自由基可作用于多價(jià)不飽和脂肪酸，使線粒體膜發(fā)生脂質(zhì)過(guò)氧化；自由基可以誘導(dǎo)DNA、RNA、多糖和氨基酸等大分子物質(zhì)交聯(lián)，交聯(lián)后的大分子則失去原來(lái)的活性或功能降低；自由基具有高反應(yīng)性，可氧化脂質(zhì)和蛋白質(zhì)，進(jìn)而損傷內(nèi)皮細(xì)胞，引起血-腦屏障通透性增加；自由基可通過(guò)刺激細(xì)胞因子和黏附分子的表達(dá)，介導(dǎo)炎癥和免疫反應(yīng)，導(dǎo)致及加重腦組織再灌注損傷［9］；自由基可促使多糖分子聚合和降解；自由基還能導(dǎo)致EAA 釋放增加。因此自由基損傷是導(dǎo)致腦缺血再灌注損傷發(fā)病的機(jī)制。

3 炎癥反應(yīng)與腦缺血再灌注損傷的相關(guān)性

炎癥反應(yīng)在腦缺血再灌注損傷中起著關(guān)鍵性的作用。腦缺血局部組織再灌注時(shí)，會(huì)出現(xiàn)繼發(fā)性腦損傷，其重要原因是炎癥反應(yīng)所介導(dǎo)的微血管功能障礙。炎癥反應(yīng)有許多炎癥介質(zhì)及炎癥細(xì)胞參與，其中小膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞、白細(xì)胞尤其是中性粒細(xì)胞是再灌注損傷過(guò)程中的主要效應(yīng)細(xì)胞［10］。白細(xì)胞會(huì)黏附于內(nèi)皮細(xì)胞，并能穿過(guò)血管內(nèi)皮、浸潤(rùn)到腦組織中，為后續(xù)腦內(nèi)微血管梗阻、腦水腫及腦梗死創(chuàng)造條件。生理狀態(tài)下，小膠質(zhì)細(xì)胞能清除腦組織損壞的神經(jīng)元，對(duì)腦有重要的保護(hù)作用［11］。腦缺血損傷后，相關(guān)炎性細(xì)胞產(chǎn)生大量的炎性因子，如黏附分子、趨化因子及細(xì)胞因子等，這些炎癥因子可以促進(jìn)機(jī)體炎癥反應(yīng)，激活內(nèi)皮細(xì)胞，提高組織因子的含量，繼而增加EAA、氧自由基及一氧化氮自由基的釋放，不但改變了自身結(jié)構(gòu)和功能，而且造成了周?chē)M織的損傷間接促進(jìn)細(xì)胞凋亡［12］。因此炎癥反應(yīng)是導(dǎo)致腦缺血再灌注損傷發(fā)病的機(jī)制。

4 細(xì)胞內(nèi)鈣超載與腦缺血再灌注損傷的相關(guān)性

鈣離子參與細(xì)胞膜電位和細(xì)胞內(nèi)的生化反應(yīng)過(guò)程，對(duì)于維持神經(jīng)細(xì)胞的正常功能起到關(guān)鍵性的調(diào)節(jié)作用［13］，神經(jīng)細(xì)胞胞內(nèi)Ca2+的升高主要依賴于Ca2+通道開(kāi)放引起Ca2+內(nèi)流和胞內(nèi)儲(chǔ)存Ca2+的釋放［14］。腦缺血時(shí)腦細(xì)胞內(nèi)ATP 代謝障礙，能量供應(yīng)不足。Glu和Asp 大量釋放，引起受體依賴性通道中N 型Ca2+通道開(kāi)放；Na+/Ca2+交換蛋白活性下降，Na+/Ca2+交換異常、細(xì)胞膜通透性增大等因素均可導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)游離Ca2+濃度升高，鈣離子內(nèi)流增加。細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度過(guò)高，Ca2+積聚于線粒體，損傷線粒體膜，ATP 的合成急劇下降，繼而導(dǎo)致能量合成障礙。Ca2+加重腦缺血再灌注損傷的途徑有多種，Ca2+內(nèi)流，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度急劇增高堆積，Ca2+活化線粒體上的磷脂酶，引起線粒體膜損傷，并在線粒體內(nèi)形成磷酸鈣沉淀，改變了線粒體膜的通透性，抑制ATP 合成，導(dǎo)致能量合成障礙［15］；Ca2+活化一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，NOS），促進(jìn)膜磷脂分解，其產(chǎn)物如前列腺素、白三烯等均對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生毒害；Ca2+增高使活性鈣調(diào)蛋白增加，鈣調(diào)蛋白CaM 和Ca2+結(jié)合形成的5-羥色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT）、去甲腎上腺素（norepinephrine，NA）可使血管收縮痙攣，進(jìn)一步造成缺血后低灌注及細(xì)胞毒性損害；鈣超載可引起EAA 濃度增高，EAA 反過(guò)來(lái)促進(jìn)鈣超載，正反饋惡性循環(huán)，加重了腦組織的損傷；擴(kuò)大腦血管內(nèi)皮細(xì)胞間隙，增大血腦屏障通透性，產(chǎn)生并加重血管源性腦水腫。因此細(xì)胞內(nèi)鈣超載是導(dǎo)致腦缺血再灌注損傷發(fā)病的機(jī)制。

5 細(xì)胞凋亡與腦缺血再灌注損傷的相關(guān)性

細(xì)胞凋亡是指機(jī)體為維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)，由基因控制的細(xì)胞自主的有序的死亡，是機(jī)體為更好地適應(yīng)生存環(huán)境而主動(dòng)爭(zhēng)取的一種正常的生理現(xiàn)象。但腦缺血及再灌注后，腦組織中神經(jīng)元的過(guò)度凋亡現(xiàn)象能很大程度上加劇腦損傷，引起一系列機(jī)體正常生理功能障礙。細(xì)胞凋亡有兩條主要的經(jīng)典通路，包括：內(nèi)源性細(xì)胞凋亡通路（線粒體介導(dǎo)的凋亡通路）和外源性細(xì)胞凋亡通路（死亡受體介導(dǎo)的凋亡通路）。

5.1 線粒體介導(dǎo)的凋亡通路

線粒體內(nèi)膜含有細(xì)胞色素C（cytochrome C，Cyt C），在細(xì)胞凋亡過(guò)程中具有重要作用，是第一個(gè)在線粒體中發(fā)現(xiàn)的調(diào)亡蛋白［16］。它是氧化磷酸化所必需的，并且與內(nèi)在II 型細(xì)胞凋亡相關(guān)［17］。線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔（mitochondrial permeability transition pore，MPTP）可能促進(jìn)由Cyt C 釋放引起的調(diào)亡，然后激活調(diào)亡蛋白酶［18］。從線粒體到細(xì)胞質(zhì)釋放的Cyt C 是細(xì)胞調(diào)亡的主要誘導(dǎo)物［19］。在線粒體膜內(nèi)松散耦合或緊密綁定的Cyt C 是受損的，并且隨后釋放。另外，線粒體外膜的促凋亡蛋白Bax 也可刺激游離的Cyt C 的釋放，并且增加線粒體外膜的通透性［20］，并且可以直接與線粒體相互作用，促進(jìn)Cyt C 的釋放，觸發(fā)細(xì)胞凋亡［21］。腦缺血再灌注損傷時(shí)，線粒體參與觸發(fā)細(xì)胞凋亡，活性氧的產(chǎn)生、Cyt C 和調(diào)亡誘導(dǎo)因子（apoptosis inducing factor，AIF）的釋放都與觸發(fā)細(xì)胞調(diào)亡有關(guān)［22］。在腦缺血再灌注損傷過(guò)程中，細(xì)胞凋亡起始于Cyt C 的綁定，到凋亡相關(guān)蛋白因子1（apoptosis-related protein factor 1，Apaf-1）［23］的激活，再到Apaf-1/caspase-9/Cyt C 復(fù)合物的形成，和（促凋亡因子）caspase-3 的激活，進(jìn)而觸發(fā)神經(jīng)元死亡。

5.2 死亡受體介導(dǎo)的凋亡通路

死亡受體介導(dǎo)的凋亡通路是由胞外腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）超家族的死亡配體如TNFa、FasL/CD5L 等引發(fā)，在缺血后凋亡區(qū)可見(jiàn)FasL 的大量表達(dá)，F(xiàn)as 和FasL 結(jié)合可導(dǎo)致致死區(qū)域聚集。銜接蛋白通過(guò)死亡區(qū)域與procasepase-8 結(jié)合形成死亡誘導(dǎo)信號(hào)復(fù) 合 物（death-inducing signaling complex，DISC），DISC進(jìn)一步激活其下游效應(yīng)蛋白酶caspase-3 使細(xì)胞走向凋亡［24］。同時(shí)，激活的caspase-8 能使胞質(zhì)中的Bid 斷裂成tBid，tBid 能轉(zhuǎn)移到線粒體上，誘導(dǎo)Cyt C 從線粒體釋放進(jìn)入胞質(zhì)，激活線粒體凋亡通路，從而把死亡受體通路和線粒體通路聯(lián)系起來(lái)，有效地?cái)U(kuò)大了凋亡信號(hào)。

6 能量代謝障礙機(jī)制與腦缺血再灌注損傷的相關(guān)性

線粒體是細(xì)胞內(nèi)氧化磷酸化和合成ATP 的主要場(chǎng)所，在生理?xiàng)l件下，由復(fù)臺(tái)物I～V 產(chǎn)生超過(guò)細(xì)胞95%的能量。在幾乎所有的腦損傷動(dòng)物模型中，大腦缺血核心區(qū)域的氧化代謝由葡萄糖和氧氣的缺乏導(dǎo)致受損，這會(huì)迅速改變ATP 和其他主要由線粒體參與的能量相關(guān)的代謝［25］。在線粒體基質(zhì)中，丙酮酸氧化、脂防酸氧化、谷氨酰胺代謝和三羧酸循環(huán)通路與能量代謝相關(guān)。在病理?xiàng)l件下，大部分半影區(qū)的細(xì)胞缺血2 小時(shí)后依然可以存活，而此時(shí)的葡萄糖和ATP 含量顯著降低，并且磷酸肌酸含量減少到非缺血區(qū)的約70%［26］。二磷酸腺苷產(chǎn)生的一部分是通過(guò)ATP 水解生成腺苷一磷酸和ATP。缺血抑制氧化代謝，相比之下，無(wú)氧糖酵解間接增加并且產(chǎn)生大量乳酸降低細(xì)胞內(nèi)的pH 值，導(dǎo)致多種胞內(nèi)酶活性的降低或損失［27］。此外，葡萄糖代謝的減少可能會(huì)導(dǎo)致丙酮酸氧化的增加［28］，影響乙酰輔酶A的活性，并且導(dǎo)致三羧酸循環(huán)的持續(xù)激活［29］，大腦中再灌注部分恢復(fù)血流量并且葡萄糖利用率降低了缺血核心區(qū)域正常范圍的大約一半［30］。因此能量代謝障礙是導(dǎo)致腦缺血再灌注損傷發(fā)病的機(jī)制。

缺血性腦損傷是一種多因素疾病，已經(jīng)成為嚴(yán)重危害中老年人群生命安全和生活質(zhì)量的嚴(yán)重疾病。對(duì)于腦缺血再灌注損傷目前的治療方法依然有限，通過(guò)上述對(duì)腦缺血再灌注損傷發(fā)病機(jī)制的研究，我們發(fā)現(xiàn)這些級(jí)聯(lián)反應(yīng)復(fù)雜多變，且彼此關(guān)聯(lián)，互為因果，導(dǎo)致了對(duì)缺血性腦損傷疾病藥物治療靶點(diǎn)的多樣性和復(fù)雜性。