手術(shù)致腦損傷的基礎(chǔ)研究進(jìn)展

鄭凇楊 劉婷婷 孫芳玲 鄭文榮 祝自新 鄭瑞芳 邢建國(guó) 王 文,,4

1.首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院實(shí)驗(yàn)動(dòng)物室，北京 100053；2.北京市老年病醫(yī)療研究中心，北京 100053；3.新疆維吾爾自治區(qū)藥物研究所，新疆烏魯木齊 830002；4.北京市腦重大疾病研究院，北京 100069

神經(jīng)外科手術(shù)是腦出血、腦腫瘤等疾病的重要治療方法，其本身是一種創(chuàng)傷性的治療方法，會(huì)對(duì)腦組織造成不可避免的腦損傷。這種特殊的腦損傷影響到手術(shù)病灶周邊功能正常的腦組織，被稱為手術(shù)致腦損傷（surgically-induced brain injury，SBI）。SBI 的原因是多方面的，包括手術(shù)對(duì)皮層的切割[1]，對(duì)腦組織的牽拉作用[2]、術(shù)中出血[3]和熱損傷等，這將引起不同程度的腦損傷與術(shù)后并發(fā)癥，如血腦屏障（blood brain barrier，BBB）破壞、腦水腫等[4-5]。這些術(shù)后并發(fā)癥是影響手術(shù)預(yù)后的重要原因，目前針對(duì)于防治SBI 相關(guān)的干預(yù)措施及神經(jīng)保護(hù)方法有待進(jìn)一步完善。因此，與SBI相關(guān)的基礎(chǔ)研究應(yīng)當(dāng)引起重視。近年來(lái)，隨著SBI 動(dòng)物模型的優(yōu)化，SBI 的發(fā)病機(jī)制和潛在治療靶點(diǎn)的基礎(chǔ)研究也有所進(jìn)展。本文回顧了近年相關(guān)文獻(xiàn)，綜述了SBI 的動(dòng)物模型，與SBI 相關(guān)的分子機(jī)制和現(xiàn)有的治療方法，如生物材料植入和免疫耐受誘導(dǎo)等，以期為SBI 的臨床治療和基礎(chǔ)研究提供理論依據(jù)。

1 SBI 的動(dòng)物模型

SBI 動(dòng)物模型是以切除大腦右側(cè)額葉區(qū)域的部分腦組織，模擬臨床上的神經(jīng)外科手術(shù)。模型動(dòng)物主要是嚙齒動(dòng)物，最常用的是成年雄性Sprague-Dawley大鼠（體重280～350 g）。另外，C57BL/6 小鼠（體重20～25 g）也被用于建立SBI 的動(dòng)物模型，其優(yōu)勢(shì)在于建立轉(zhuǎn)基因動(dòng)物模型[6]。

目前，Jadhav 等[7-8]構(gòu)建的SBI 大鼠模型方法最為常見(jiàn)，即大鼠麻醉、固定后，沿中線切開(kāi)皮膚和結(jié)締組織，暴露出右額骨的骨膜，并確定矢狀縫、冠狀縫和前囟的位置。標(biāo)記手術(shù)操作區(qū)域后，鉆開(kāi)邊長(zhǎng)4～6 mm的正方形骨窗，以大鼠的前囟作為正方形骨窗的左下角，于矢狀線右側(cè)2 mm、冠狀線前1 mm 處，沿矢狀面和冠狀面做2 個(gè)切口，切斷右側(cè)額葉組織，切口深度至顱底。切除后需監(jiān)測(cè)切除腔出血情況，確認(rèn)止血后，閉合傷口。將硬腦膜、額骨及結(jié)締組織歸回原位，縫合皮膚。術(shù)中需監(jiān)控動(dòng)物的生命體征和體溫。另外，Lo 等[9]構(gòu)建了與上述方法相似的SBI 小鼠模型，該方法以小鼠前囟為界標(biāo)，于矢狀線右側(cè)2 mm、冠狀線前1 mm 處做切口，切口深度至顱底。小鼠模型易于建立SBI 的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物模型，其有助于對(duì)SBI 相關(guān)分子機(jī)制的研究。此外，Huang 等[10-11]的研究中，為了觀察大鼠SBI 后神經(jīng)功能缺損的情況，以大鼠前囟為界標(biāo)，于矢狀線右側(cè)1～5 mm 處、冠狀線前1～4 mm 處切開(kāi)，切口深度3 mm，切除4 mm×3 mm×3 mm 大小的右側(cè)額葉組織。其與Jadhav 等[7-8]的建模方法相比，手術(shù)切除區(qū)域的定位、深度和范圍不同，使該區(qū)域的神經(jīng)功能受損，如運(yùn)動(dòng)、平衡等，該方法有助于SBI 后神經(jīng)功能修復(fù)的研究。

2 SBI 相關(guān)分子機(jī)制

SBI 能夠?qū)е戮植磕X水腫和BBB 紊亂，損傷后的腦組織發(fā)生神經(jīng)元死亡、凋亡、炎癥和氧化應(yīng)激等繼發(fā)性病變[9,12]。因此，參與上述病變的相關(guān)分子機(jī)制尤為重要，其將為SBI 防治方法的研發(fā)提供理論支持。

基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP），是一種鋅蛋白酶，參與組織的重塑和修復(fù)[13]。MMP-2（明膠酶A）和MMP-9（明膠酶B），也稱作Ⅳ型膠原酶，其能夠降解BBB 的基底膜和緊密連接蛋白，從而破壞BBB[13]。Yamaguchi 等[14]利用SBI 大鼠模型，發(fā)現(xiàn)MMP-2 和MMP-9 的上調(diào)能夠加劇BBB 的破壞和腦水腫的發(fā)展。反之，抑制MMP-2、MMP-9 的活性能夠減輕腦水腫，保護(hù)BBB。因此，MMP 抑制劑（如MMP抑制劑-1）可能對(duì)SBI 導(dǎo)致的腦水腫具有潛在的治療價(jià)值。

環(huán)氧酶-2（cyclooxygenase-2，COX-2）是一種限速酶，能夠催化損傷部位前列腺素的合成。COX-2 是介導(dǎo)炎癥反應(yīng)的關(guān)鍵物質(zhì)，參與興奮性毒性腦損傷、腦缺血和神經(jīng)退行性疾病的病理改變[15]。前列腺素E2（prostaglandin E2，PGE2）是COX-2 催化花生四烯酸轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的內(nèi)源性信號(hào)分子，具有神經(jīng)毒性[16]，能夠破壞BBB。Wang 等[17]研究發(fā)現(xiàn)PGE2與G 蛋白偶聯(lián)受體EP1 結(jié)合，能夠增加外周微血管內(nèi)皮細(xì)胞的通透性，引發(fā)大面積的腦水腫。他們認(rèn)為EP1 可能參與了興奮性毒性所致的細(xì)胞死亡機(jī)制，并且該炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)中的下游信號(hào)通路可能是更安全的治療靶點(diǎn)。

磷脂酶2（phospholipase 2，PLA2）是蛇毒液中含有的一種強(qiáng)效神經(jīng)毒素[18-19]。Kim 等[20]和Wang 等[17,21]的研究，對(duì)SBI 大鼠預(yù)注射3 d 亞致死量的蛇毒液，發(fā)現(xiàn)蛇毒液能夠激活與PLA2 相關(guān)的多靶點(diǎn)炎癥通路，如PLA2/COX-2/PGE2 通路、PLA2/5-脂氧合酶/白三烯B4 通路等，其激活機(jī)體的內(nèi)源性抗炎反應(yīng)，使機(jī)體提前對(duì)SBI 產(chǎn)生的大規(guī)模炎癥損傷做好準(zhǔn)備，從而減輕SBI 導(dǎo)致的神經(jīng)炎癥，改善預(yù)后。因此，PLA2 可能成為減輕術(shù)后腦水腫和改善術(shù)后神經(jīng)功能的一種潛在治療靶點(diǎn)。

犬尿氨酸（kynurenine，KYN）是一種色氨酸的代謝產(chǎn)物，其存在于星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞中，經(jīng)過(guò)犬尿氨酸-酮戊二酸氨基轉(zhuǎn)移酶和犬尿氨酸3-單加氧酶（kynurenine 3-monooxygenase，KMO）的催化，代謝產(chǎn)生犬尿喹啉酸和喹啉酸（quinolinic acid，QUIN）[22]。SBI 后，多種細(xì)胞因子和炎癥機(jī)制被激活[17,23]，間接刺激KMO 活化，促進(jìn)下游神經(jīng)毒性QUIN 的產(chǎn)生。Zakhary 等[22]利用SBI 大鼠，發(fā)現(xiàn)KYN 通路參與了SBI 的損傷機(jī)制，KMO 活化和QUIN 表達(dá)的增加可能導(dǎo)致手術(shù)周圍組織損傷。并且，該研究首次在SBI 大鼠模型中發(fā)現(xiàn)KMO 的選擇性抑制劑RO 61-8048 能夠減輕術(shù)后腦水腫，降低神經(jīng)元凋亡水平，改善SBI術(shù)后的長(zhǎng)期神經(jīng)功能。由于KYN 通路主要在受損或變性的組織中被激活[24]，因此針對(duì)該通路的特異性治療方法在治療SBI 后腦水腫和改善神經(jīng)功能方面可能更具優(yōu)勢(shì)。

3 SBI 的治療方法

目前，臨床上采取常規(guī)術(shù)中干預(yù)措施[25-26]和術(shù)后應(yīng)用神經(jīng)保護(hù)治療藥物[27-28]以減輕SBI 產(chǎn)生的術(shù)后并發(fā)癥，如麻醉中應(yīng)用吸入性神經(jīng)保護(hù)劑、亞低溫療法和術(shù)后應(yīng)用脫水劑等。然而，針對(duì)SBI 的特異性治療方法仍處于研究階段。

生物材料是近年對(duì)SBI 腦組織再生修復(fù)和改善神經(jīng)功能的新興研究領(lǐng)域。由于腦組織受損區(qū)域的細(xì)胞和分子環(huán)境復(fù)雜，組織結(jié)構(gòu)缺乏連續(xù)性，腦組織細(xì)胞間無(wú)法粘連，其再生修復(fù)較為困難。Zhong 等[29]提出，將生物支架植入病變腔內(nèi)，能夠?yàn)榧?xì)胞浸潤(rùn)、軸突生長(zhǎng)及再生提供支撐。膠原-糖胺聚糖（collagen-glycosaminoglycan，CG）基質(zhì)是一種生物材料，由牛深屈肌腱制成的半合成膠原基質(zhì)，具有優(yōu)良的力學(xué)性能。早期的報(bào)道顯示[10,30]，CG 基質(zhì)能夠調(diào)節(jié)細(xì)胞的黏附、生長(zhǎng)和分化等，并提供結(jié)構(gòu)支持。植入CG 基質(zhì)可能促進(jìn)SBI 后的神經(jīng)、血管的發(fā)生和功能恢復(fù)。Chen 等[31]利用SBI 大鼠模型，將CG 注入手術(shù)創(chuàng)傷形成的病灶腔內(nèi)，觀察SBI 后組織中小膠質(zhì)細(xì)胞的活化程度和髓過(guò)氧化物酶、炎癥因子和抗炎因子水平的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，CG 基質(zhì)能夠明顯降低小膠質(zhì)細(xì)胞活化程度和髓過(guò)氧化物酶水平，組織中炎癥因子腫瘤壞死因子-α、白細(xì)胞介素-6 和核因子κB 的水平顯著下降。反之，抗炎因子白細(xì)胞介素-10 和粒細(xì)胞-巨噬細(xì)胞集落刺激因子水平顯著升高。這表明，CG 基質(zhì)能夠通過(guò)減輕SBI 后的神經(jīng)炎癥和抑制小膠質(zhì)細(xì)胞的激活發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用，但其機(jī)制尚未完全闡明，仍需進(jìn)一步的研究。

神經(jīng)外科手術(shù)后，由于BBB 破壞，大量的腦抗原進(jìn)入血液，刺激機(jī)體產(chǎn)生大量腦抗體，激活免疫系統(tǒng)產(chǎn)生繼發(fā)性炎癥反應(yīng)，從而加劇腦水腫和神經(jīng)元死亡[32]。目前臨床上治療繼發(fā)性炎癥反應(yīng)較為新穎的方式是針對(duì)抗原誘導(dǎo)特異性的免疫耐受[33]。髓鞘堿性蛋白（myelin basic protein，MBP）是在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中僅次于蛋白脂蛋白之后含量第二豐富的蛋白質(zhì)[34]。姚斌等[35]在大鼠胸腺內(nèi)注射MBP 誘導(dǎo)免疫耐受，發(fā)現(xiàn)其能夠減輕SBI 引起的神經(jīng)功能缺陷和腦水腫，并且能夠降低炎癥反應(yīng)發(fā)生的概率。另外，Tian 等[36]提出利用免疫原性納米材料包裹腦抗原MBP，控制納米粒的大小適應(yīng)肝庫(kù)普佛細(xì)胞吞噬作用的范圍，并采用與肝細(xì)胞親和力高的包衣材料包裹抗原，經(jīng)外周靜脈輸注來(lái)誘導(dǎo)免疫耐受。該方法已在大鼠模型中得到了驗(yàn)證，并且證實(shí)腦抗原的免疫耐受可以通過(guò)外周靜脈輸注來(lái)實(shí)現(xiàn)，這進(jìn)一步優(yōu)化了誘導(dǎo)免疫耐受的輸注途徑，為臨床提供了更為方便的操作方法，并且能夠強(qiáng)化MBP 誘導(dǎo)免疫耐受在治療SBI 后的繼發(fā)性炎癥和發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用的效果。

5 小結(jié)與展望

本文綜述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)SBI 的基礎(chǔ)研究進(jìn)展，包括SBI 的動(dòng)物模型、相關(guān)分子機(jī)制和現(xiàn)有SBI的治療方法。目前常用SBI 動(dòng)物模型的制備思路主要是切除部分右側(cè)額葉腦組織，模擬神經(jīng)外科手術(shù)對(duì)腦組織造成的損傷，以體現(xiàn)SBI 多種術(shù)后并發(fā)癥，如BBB 破壞、腦水腫、神經(jīng)元死亡等。如何進(jìn)一步建立完美的SBI 動(dòng)物模型，提高對(duì)臨床神經(jīng)外科手術(shù)及術(shù)后并發(fā)癥的模擬程度，需要更深入的探索。這將有助于進(jìn)一步揭示SBI 的發(fā)病機(jī)制和病理生理學(xué)變化，也為臨床診療工作中SBI 防治方法的應(yīng)用與開(kāi)發(fā)提供了基礎(chǔ)。