任靚明 田紅旗
北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院放射醫(yī)學(xué)研究所 天津市放射醫(yī)學(xué)與分子核醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300192
腦缺血再灌注損傷(cerebral ischemia/reperfusion injury,CIRI)是復(fù)雜的時(shí)間和空間級(jí)聯(lián)反應(yīng)性病理生理過程,由于腦組織缺血一定時(shí)間后恢復(fù)血流灌注,局部區(qū)域未能吸收灌注液,出現(xiàn)了相較于灌注前更為嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)和功能損傷。CIRI 的發(fā)生與興奮性氨基酸的毒性作用、自由基的損傷作用、Ca2+超載、一氧化氮(NO)毒性、細(xì)胞凋亡和炎癥反應(yīng)等相關(guān),最終導(dǎo)致線粒體功能障礙、血腦屏障破壞及神經(jīng)元壞死。炎癥反應(yīng)是CIRI 的重要誘發(fā)因素之一,小膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞和中性粒細(xì)胞作為腦組織缺血再灌注(is-chemia/reperfusion,I/R)的主要效應(yīng)細(xì)胞,釋放大量炎癥因子如白細(xì)胞介素(interleukin,IL)-1β、IL-6、IL-8、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)等產(chǎn)生炎癥反應(yīng)。促炎因子激活神經(jīng)元和血管內(nèi)皮細(xì)胞,釋放活性氧(reactive oxygen species,ROS)和蛋白水解酶等,介導(dǎo)微血管功能障礙,破壞血腦屏障導(dǎo)致血漿纖連蛋白和纖維原蛋白滲入腦組織,加重神經(jīng)元凋亡壞死[1]。因此,有效地抑制炎癥因子釋放有助于緩解CIRI。本文將對(duì)近年來炎癥因子及其抑制劑在腦缺血再灌注損傷過程中的生理作用進(jìn)行綜述。
IL-1 有兩種不同的存在形式IL-1α 和IL-1β,參與細(xì)胞增殖、分化和凋亡等多種細(xì)胞活動(dòng)。CIRI 動(dòng)物的外周血中可檢測(cè)到過表達(dá)的IL-1,向短暫性大腦中動(dòng)脈閉塞再灌注(middle cerebral artery occlusion/reperfusion,MCAO/R)大鼠的側(cè)腦室注入重組人IL-1β,其腦梗死體積較對(duì)照組大鼠的腦梗死體積大,同時(shí)加重腦水腫,中性粒細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞的黏附增強(qiáng),顯示IL-1β 可能在CIRI 中發(fā)揮有害作用[2]。此外,IL-1β 還能夠促進(jìn)IL-2 的合成并誘導(dǎo)其受體的表達(dá),刺激淋巴細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞合成IL-6 等細(xì)胞因子。
IL-1 具有兩種特異性細(xì)胞表面受體,Ⅰ型受體(IL-1RⅠ)和Ⅱ型受體(IL-1RⅡ)。神經(jīng)元上缺失IL-1RⅠ的小鼠,CIRI 誘導(dǎo)的腦梗死面積小于對(duì)照組小鼠,敲除IL-1RⅠ基因可以抑制下游促炎介質(zhì)的產(chǎn)生,由此顯示IL-1RⅠ對(duì)CIRI 產(chǎn)生有害作用[3]。IL-1 家族還有一種內(nèi)源性拮抗劑即IL-1 受體拮抗劑(IL-1Ra),它通過與IL-1RI 競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合進(jìn)而抑制IL-1 的活性。向MCAO 大鼠側(cè)腦室注射IL-1Ra 可顯著降低血漿中炎癥因子的濃度,進(jìn)一步證明了IL-1 在腦缺血的調(diào)節(jié)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[4]。
TNF-α 是一類能夠引發(fā)炎癥反應(yīng)和調(diào)節(jié)自身免疫的細(xì)胞因子,激活白細(xì)胞的組織因子和黏附分子,促進(jìn)IL-1、NO 和凝血因子Ⅷ的釋放,介導(dǎo)微血管功能障礙,加重腦組織的炎癥反應(yīng)。短暫性MCAO 大鼠,再灌注早期TNF-α 的含量迅速增加3 h 達(dá)到高峰,TNF-α 的濃度與腦梗死的強(qiáng)度密切相關(guān),在MCAO 前24 h 向大鼠腦室內(nèi)注射TNF-α 會(huì)加重再灌注后腦組織的損傷程度[5]。TNF-α 破壞血腦屏障并誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞死亡,TNF-α 對(duì)少突膠質(zhì)細(xì)胞有細(xì)胞毒性作用,并且可能抑制少突膠質(zhì)細(xì)胞分化或誘導(dǎo)其凋亡。亦有少數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道TNF-α 具有神經(jīng)保護(hù)作用,實(shí)驗(yàn)前給予外源性TNF-α 使其與相應(yīng)受體結(jié)合,有效地減輕MCAO/R 引起的損傷,與野生型小鼠比較缺乏TNF-α 受體的MCAO 小鼠神經(jīng)元損傷更為嚴(yán)重,體外條件下TNF-α 通過維持細(xì)胞內(nèi)Ca2+穩(wěn)態(tài)進(jìn)而抑制ROS 的釋放,激活核轉(zhuǎn)錄因子κB(NF-κB)保護(hù)神經(jīng)元免受氧化性和興奮性毒性損傷[6]。
IL-6 具有促炎和抗炎雙重作用,在炎癥活動(dòng)和各種腦損傷應(yīng)激反應(yīng)中表達(dá)。抗炎方面,IL-6 可能通過下丘腦-垂體-腎上腺軸促進(jìn)皮質(zhì)醇釋放,利用負(fù)反饋?zhàn)饔脵C(jī)制調(diào)控IL-1 和TNF-α 的合成,IL-6 還可以誘導(dǎo)急性期蛋白的表達(dá)并清除ROS,發(fā)揮IL-6 的抗炎作用[7];促炎方面,IL-6 增強(qiáng)趨化因子和黏附分子的表達(dá),募集白細(xì)胞并誘導(dǎo)磷脂酶A2 表達(dá),進(jìn)而合成CIRI 相關(guān)的細(xì)胞因子如白三烯等。此外,IL-6 通過誘導(dǎo)星形膠質(zhì)細(xì)胞釋放神經(jīng)生長(zhǎng)因子發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用,促進(jìn)星形膠質(zhì)細(xì)胞在大腦各個(gè)區(qū)域表達(dá)不同的神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)蛋白,這可能是腦缺血后機(jī)體的應(yīng)激狀態(tài)促進(jìn)了A1 腺苷受體的表達(dá)導(dǎo)致的結(jié)果[8]。
IL-10 作為抗炎因子可以抑制TNF-α 和IL-1β合成,限制相關(guān)細(xì)胞因子受體激活,抑制T 細(xì)胞、單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞發(fā)揮相應(yīng)的功能。研究顯示,IL-10對(duì)CIRI 大鼠具有神經(jīng)保護(hù)作用,腦缺血的早期階段促炎和抗炎因子之間的平衡會(huì)由于促炎因子的大量釋放而受到破壞,血清中IL-10 水平低的患者在I/R后的72 h 內(nèi)神經(jīng)系統(tǒng)迅速惡化[9]。給予外源性IL-10可以保護(hù)缺血的腦組織,與野生型小鼠比較,IL-10基因敲除小鼠會(huì)出現(xiàn)較大面積梗死,過量IL-10 能夠延緩梗死灶機(jī)化發(fā)展[10]。
IL-18 是IL-1 家族中的一種新型促炎因子,最初命名為γ 干擾素(interferon-γ,IFN-γ),能夠激活自然殺傷細(xì)胞和T 細(xì)胞釋放干擾素產(chǎn)生嚴(yán)重的炎癥反應(yīng)。CIRI 患者24 h 檢測(cè)到血清中IL-18 水平升高[11],動(dòng)物實(shí)驗(yàn)3 h 即可檢測(cè)到IL-18 mRNA,與野生型小鼠比較,IL-18 基因敲除小鼠的腦梗死體積小且腦組織損傷程度較輕[12]。
綜上所述,CIRI 過程中IL-1、TNF-α 和IL-18 作為促炎因子,通過與相應(yīng)受體結(jié)合誘發(fā)神經(jīng)元凋亡和炎癥反應(yīng),進(jìn)而破壞血腦屏障引起腦水腫、腦梗死等生理損傷;IL-10 作為抗炎因子,抑制上述促炎因子的合成及釋放,并且具有神經(jīng)保護(hù)作用;IL-6 則具有促炎和抗炎雙重作用,同時(shí)能夠誘導(dǎo)神經(jīng)生長(zhǎng)因子大量釋放,表達(dá)神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)蛋白進(jìn)而減輕神經(jīng)損傷。由此表明,炎癥因子在腦缺血再灌注損傷中發(fā)揮著重要作用,進(jìn)而科學(xué)家們提出針對(duì)炎癥因子緩解CIRI 的治療方式。
2.1.1 影響物質(zhì)代謝的藥物 羥甲戊二酰輔酶A(HMG-CoA)還原酶是肝細(xì)胞合成膽固醇過程中的限速酶,控制細(xì)胞內(nèi)膽固醇的合成和細(xì)胞外膽固醇的蓄積,他汀類藥物是HMG-CoA 還原酶抑制劑,目前廣泛用于臨床治療動(dòng)脈粥樣硬化。辛伐他汀通過抑制NF-κB 介導(dǎo)的MyD88/TRIF 信號(hào)通路,促進(jìn)血管血流恢復(fù),保護(hù)血腦屏障和神經(jīng)元,改善神經(jīng)功能[13]。臨床上使用辛伐他汀聯(lián)合阿司匹林治療CIRI,對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的保護(hù)功能效果更顯著且安全性更高。其他他汀類藥物如阿托伐他汀和瑞舒伐他汀通過抑制NF-κB 信號(hào)通路,降低氧糖剝奪/再灌注(oxygen-glucose deprivation/reperfusion,OGD/R)的BV2 小膠質(zhì)細(xì)胞促炎因子的水平,上調(diào)抗炎因子IL-10 的含量[14]。瑞舒伐他汀預(yù)處理可有效抑制大腦中動(dòng)脈血管平滑肌細(xì)胞中的TNF -α、IL-1β 和IL-6 mRNA 和蛋白質(zhì)的表達(dá)[15]。
2.1.2 影響信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的藥物 過氧化物酶體增殖物激活受體(PPAR )是一類影響炎癥反應(yīng)的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子,PPAR γ 激動(dòng)劑米非司酮通過調(diào)節(jié)基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)和組織型金屬蛋白酶抑制劑(TIMP)之間的平衡,抑制MCAO/R 大鼠炎癥因子TNF-α、IL-1β 和IL-6 的表達(dá),減少腦梗死體積,改善神經(jīng)組織形態(tài)[16]。
G 蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)1-磷酸鞘氨醇(S1P)抑制血管內(nèi)皮細(xì)胞通透性增加,保護(hù)炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激條件下內(nèi)皮細(xì)胞的屏障功能。S1P 受體調(diào)節(jié)劑芬戈莫德可以下調(diào)MCAO/R 大鼠IL-6、IL-8 和TNF-α 的水平,并且具有保護(hù)腦組織和改善記憶功能的作用,顯著降低神經(jīng)功能損傷評(píng)價(jià)和平衡木行走評(píng)分[17]。
2.1.3 其他藥物 神經(jīng)系統(tǒng)藥物尼亞酰胺能夠上調(diào)泛醌蛋白-1,減少TNF-α 的表達(dá),從而保護(hù)神經(jīng)元減輕炎癥反應(yīng)[18]。Morris 水迷宮試驗(yàn)結(jié)果顯示抗癲癇藥丙戊酸(VPA)可減輕認(rèn)知功能障礙,通過促進(jìn)Caspase-1蛋白表達(dá)減少海馬神經(jīng)元細(xì)胞凋亡,降低IL-1β 和IL-18 的水平,緩解CIRI 引起的神經(jīng)系統(tǒng)損傷[19]。
免疫抑制劑用于治療I/R 也可有效抑制炎癥因子的生成。體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,環(huán)孢素A(CsA)顯著降低了OGD/R 暴露的BV2 小膠質(zhì)細(xì)胞中IL-1β的水平,低溫條件下會(huì)減少IL-1β 和iNOS 表達(dá),促進(jìn)TNF-α 表達(dá),然而CsA 與低溫聯(lián)合作用后會(huì)導(dǎo)致復(fù)雜的體外細(xì)胞毒性神經(jīng)炎癥[20]。
中藥治療CIRI 也有較好的效果。清開靈注射液通過抑制NLRP3 炎癥小體激活,從而抑制促炎因子TNF-α、IL-6 和IL-1 的表達(dá),增加抗炎因子IL-4 和IL-10 的表達(dá),減輕MCAO/R 誘導(dǎo)的神經(jīng)系統(tǒng)缺陷,改善血腦屏障通透性[21]。
2.2.1 苷類 黃芪的有效成分是黃芪甲苷、人參皂苷Rg1 和人參皂苷Rb1。黃芪甲苷治療能夠改善CIRI大鼠的神經(jīng)功能,炎癥因子IL-1β、IL-6 和TNF-α 的水平顯著下降[22]。人參皂苷Rg1 下調(diào)IL-1、IL-6 和TNF-α 的表達(dá),并且抑制NF-κB 的核轉(zhuǎn)位以及IκBα的磷酸化,降低CIRI 腦組織中蛋白酶體活性和蛋白質(zhì)聚集,表明人參皂苷Rg1 具有神經(jīng)保護(hù)功能[23]。人參皂苷Rb1 通過下調(diào)Caspase-3 和Caspase-9 的裂解水平抑制CIRI 誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡,降低NF-κB、TNF-α和IL-6 的水平并且減小腦梗死體積[24]。通關(guān)藤苷H劑量依賴性地減少M(fèi)CAO/R 誘發(fā)的神經(jīng)元凋亡和腦水腫,通過TrκB 信號(hào)通路調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng),抑制促炎因子IL-1β、IL-6 和TNF-α 的表達(dá),增加抗炎因子IL-4、IL-10 和BDNF 的表達(dá)[25]。天麻素預(yù)處理OGD/R 的BV2 小膠質(zhì)細(xì)胞,MMP-2 和MMP-9 陽性細(xì)胞數(shù)量減少,下調(diào)IL-6 和IL-1β 的水平,改善CIRI 誘導(dǎo)的神經(jīng)行為缺陷和血腦屏障損傷[26]。
2.2.2 多酚類 姜黃素預(yù)處理通過抑制Wnt/JNK1 信號(hào)通路,劑量依賴性降低I/R 腦內(nèi)TNF-α 和IL-6 的水平,降低JNK1 磷酸化和NK-κB 的核易位水平,顯著提高神經(jīng)元細(xì)胞活力抑制細(xì)胞凋亡[27]。白藜蘆醇通過調(diào)節(jié)小腸固有層中腸道菌群介導(dǎo)的Treg/Th17 和Th1/Th2 平衡的變化,降低腦梗死灶周圍區(qū)域促炎因子的水平[28]。
2.2.3 生物堿類 生物堿類物質(zhì)去甲烏藥堿抑制CIRI誘導(dǎo)的TNF-α、IL-1、IL-6、IL-18 和CD14+細(xì)胞水平升高,同時(shí)減少軸突神經(jīng)變性[29]。葫蘆巴堿預(yù)處理通過PI3K/Akt 信號(hào)通路,抑制OGD/R 誘導(dǎo)的海馬神經(jīng)元TNF-α、IL-6 和IL-1 的含量升高[30]。
綜上所述,腦缺血再灌注損傷過程中涉及到多種炎癥因子,大量炎癥因子觸發(fā)一系列級(jí)聯(lián)反應(yīng),無法有效地恢復(fù)缺血區(qū)域的血流灌注,對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)造成不可逆的損傷。因此科學(xué)家們極力探索尋求抑制炎癥因子的合成與分泌的化合物。目前,炎癥因子相關(guān)的抑制藥物主要包括有機(jī)合成化合物和天然產(chǎn)物,通過多種信號(hào)傳導(dǎo)途徑調(diào)控炎癥因子、保護(hù)神經(jīng)元、改善血液循環(huán),增強(qiáng)腦缺血再灌注的治療效果,有效地預(yù)防和治療CIRI,提高患者的生活質(zhì)量。在未來的研究中,可以通過兩種方式尋求炎癥因子抑制劑,一是研究舊有藥物在CIRI 方面的新用途,二是探究天然產(chǎn)物對(duì)CIRI 的作用效果,為臨床上治療腦缺血再灌注損傷提供幫助。