缺血性腦梗死再灌注損傷的作用機制的研究進展

薛芳，王娟，彭立威，趙瑩，吳冰潔

(河北醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院東院區(qū)神經(jīng)內(nèi)科，河北 石家莊 050000)

缺血性腦梗死嚴重危害人類健康，死亡率高，約占全球死亡總數(shù)的11.3%[1]。盡早實現(xiàn)缺血組織的血液再灌注是該病目前公認的最有效的治療方案，通過挽救瀕死腦細胞，進而改善能量代謝、保證氧供應(yīng)、保證細胞正常功能。然而，缺血再灌注可使缺血細胞產(chǎn)生級聯(lián)反應(yīng)損傷，時間越長，興奮性遞質(zhì)含量越低，腦組織超微結(jié)構(gòu)改變越明顯，繼而誘發(fā)缺血細胞的死亡，這一過程被稱為I/R損傷。當今I/R損傷的研究難點較多，國內(nèi)外均對其機制進行了研究。本研究歸納了10種機制，綜述如下。

1 酸中毒

缺血后神經(jīng)元損傷的主要原因之一是乳酸酸中毒。神經(jīng)元缺血后，能量中間體腺苷三磷酸(adenosine triphosphate，ATP)被消耗，局部產(chǎn)生的大量氫離子(H+)、CO2不能被及時清除；同時，在缺血缺氧條件下，腦組織無氧代謝增加，乳酸升高，從而發(fā)生酸中毒，文獻[2]報導(dǎo)pH值可從7.3迅速降到6.5左右，甚至更低。Zhang等[3]通過觀察線粒體腦肌病伴乳酸酸中毒與卒中樣發(fā)作患者，證明此類患者顱內(nèi)缺血細胞中堆積的乳酸及超載鈣離子(Ca2+)通過破壞大腦神經(jīng)遞質(zhì)γ-氨基丁腺素的功能和損傷鈉離子通道(Na+)，從而導(dǎo)致神經(jīng)元興奮性毒性的發(fā)生。此外，酸中毒也可能與氧化應(yīng)激機制協(xié)同損傷神經(jīng)元，Karien等[4]通過對54例乳酸酸中毒患者的病情進行回顧性分析，發(fā)現(xiàn)在缺血條件下，形成的低pH值狀態(tài)可導(dǎo)致體內(nèi)抗氧化劑的功能損傷，從而打破體內(nèi)氧化和抗氧化物質(zhì)的平衡，最終導(dǎo)致缺血組織的壞死。

2 炎癥反應(yīng)

最近實驗[5]發(fā)現(xiàn)，腦缺血發(fā)生初期缺血細胞大量壞死，同時伴隨炎性細胞因子過表達，激活炎癥級聯(lián)反應(yīng)，啟動免疫應(yīng)答系統(tǒng)，進而嚴重損傷腦組織。腦灌注損傷(I/R)前，由于處于缺血缺氧狀態(tài)，自由基大量生成，同時壞死組織引起機體免疫應(yīng)答，外周白細胞通過釋放某些可溶性因子和細胞內(nèi)成分，激活小膠質(zhì)細胞轉(zhuǎn)化成巨噬細胞，而后者通過吞噬作用，清除包括神經(jīng)元在內(nèi)的死亡腦組織細胞，同時產(chǎn)生過量的炎癥介質(zhì)，如轉(zhuǎn)化生長因子-β、腫瘤壞死因子-α、白細胞介素-6和白細胞介素-10，從而引發(fā)后續(xù)的級聯(lián)反應(yīng)，加劇缺血組織的損傷[6]；再灌注后，Ca2+超載以及具有興奮作用的氨基酸(excitatory amino acids，EAA)過度釋放，進一步加重缺血區(qū)域炎性損傷[7]。有研究[8-9]發(fā)現(xiàn)，生理情況下，腦神經(jīng)細胞、膠質(zhì)細胞和內(nèi)皮細胞之間保持穩(wěn)定的信號傳遞，而I/R后炎癥級聯(lián)反應(yīng)破壞了這一過程，使得腦功能惡化。

3 氮化應(yīng)激

具有活性的氮簇增加造成機體損傷稱為氮化應(yīng)激。再灌注后鈣調(diào)蛋白(calmodulin，CaM)介導(dǎo)鈣離子超載，并且產(chǎn)生活性氮簇介導(dǎo)氮化應(yīng)激損傷，加快細胞死亡進程。活性的氮簇如一氧化氮(nitric oxide，NO)、二氧化氮(nitrogen dioxide，NO2)等[10]。其中NO是細胞內(nèi)外的信息傳遞分子，在一氧化氮合酶(nitric oxide synthetase，NOS)催化下產(chǎn)生，可維持人體生理功能同時參與某些病理過程。據(jù)研究，在缺血再灌注過程中，NO的作用似乎是矛盾的，它既具有保護腦組織的正面作用，也兼具細胞毒性的負面作用。研究[11]顯示，NO的正面作用是維持腦血流，抑制血小板聚集，負面作用是NO和超氧化物具有高度反應(yīng)性，持續(xù)產(chǎn)生大量的NO，可與超氧陰離子形成ONOO-和OH-，產(chǎn)生過氧化亞硝酸鹽，后者具有細胞毒性，導(dǎo)致脫氧核糖核酸(deoxyribonucleic，DNA)氧化。另外，NO還參與線粒體合成和功能的調(diào)控，而腦缺血時的氮化應(yīng)激時，過量的NO可破壞細胞內(nèi)的細胞器，進一步加重腦缺血損傷。由于NO不穩(wěn)定，多數(shù)研究集中在具有催化作用的NOS上。研究[12]發(fā)現(xiàn)，各種NOS在再灌注損傷時發(fā)揮的功能不同，如內(nèi)皮型eNOS通過促進血管舒張起到保護作用；神經(jīng)元型nNOS在缺血早期起到損傷作用；誘導(dǎo)型iNOS在細胞損傷的晚期階段發(fā)揮作用。

4 氧化應(yīng)激

多數(shù)神經(jīng)變性疾病發(fā)病過程中，氧化應(yīng)激的主要產(chǎn)物(自由基)均會造成嚴重的腦損傷。腦組織內(nèi)花生四烯酸的含量豐富，相較于其他器官，更容易造成腦組織的氧自由基和脂質(zhì)過氧化物堆積，加之神經(jīng)變性疾病多會造成這些有害物質(zhì)的清除能力顯著降低，這些物質(zhì)蓄積而造成神經(jīng)元損傷[13]。有研究[14]發(fā)現(xiàn)，正常生理狀態(tài)下，線粒體利用氧氣合成ATP；而當腦缺血時，線粒體膜因被過氧化，造成其結(jié)構(gòu)的破壞，致使其功能的喪失。此過程中O2多數(shù)轉(zhuǎn)化為O2-，其余部分生成HO-，造成線粒體裂變/融合失衡，上調(diào)了N-甲基-D-天冬氨酸受體數(shù)量，生成更多種的脂質(zhì)過氧化物。其后果是進一步打破抗氧化物與自由基之間的動態(tài)平衡，細胞內(nèi)大分子物質(zhì)被悉數(shù)降解，如蛋白質(zhì)、核酸、脂質(zhì)等，即DNA損傷，蛋白質(zhì)變性，酶失活，最終導(dǎo)致細胞凋亡[15]。

5 Ca2+超載

鈣離子是體內(nèi)重要的元素之一，參與諸多生命活動，如維持細胞生理功能、增殖和分化等。故鈣離子超載引發(fā)的損傷，可體現(xiàn)在I/R損傷全過程，即參與能量代謝障礙、細胞凋亡、線粒體功能障礙、自由基和EAA引發(fā)的損傷過程。Ca2+超載造成的機體損害包括[16-18]：(1)超載的Ca2+引起鈣依賴磷脂酶的大量激活，從而分解生物膜結(jié)構(gòu)；(2)缺血部位的Ca2+超載，誘發(fā)血管平滑肌痙攣，引發(fā)內(nèi)皮細胞損害和繼發(fā)的血栓形成；(3)隨著細胞內(nèi)滲透壓增大，細胞外液透過細胞膜達到細胞內(nèi)，造成細胞腫脹壞死；(4)由于細胞內(nèi)陽離子濃度變化，細胞膜發(fā)生去極化，導(dǎo)致EAA過量釋放；(5)線粒體也因Ca2+的進入，而導(dǎo)致膜電位失衡，造成線粒體的功能障礙，從而啟動細胞凋亡。腦缺血早期的病理機制就是ATP耗竭和酸中毒，前者是ATP酶活性降低后，引起細胞膜去極化，Ca2+大量入流；而酸中毒是協(xié)同細胞內(nèi)超載的Ca2+，通過損傷Na通道的動力，從而促使細胞內(nèi)儲存的Ca2+大量釋放[19]。再灌注后，缺血區(qū)域涌現(xiàn)出EAA，酸敏感離子通道被堆積的H+激活，形成同聚體通道，造成細胞內(nèi)Ca2+再增加。同時離子型N-甲基-D-天門冬氨酸受體(NMDA)受體被EAA激活，電壓門控性Ca2+通道進一步開放，造成更嚴重的鈣離子超載狀態(tài)[20]。

6 細胞凋亡

腦缺血損傷的終末環(huán)節(jié)之一是細胞凋亡，其參與多種疾病的病理過程，扮演著關(guān)鍵角色。同樣，細胞凋亡與缺血再灌注損傷密切相關(guān)[21]。腦梗死導(dǎo)致細胞凋亡的機制有：(1)細胞生長因子表達減少：絕大多數(shù)細胞的生存離不開生長因子的作用，而當細胞缺乏氧氣養(yǎng)分時，神經(jīng)生長因子(nerve growth factor，NGF)、腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)、TGF-β、生長相關(guān)蛋白43(growth associated protein43，GAP-43)等生長因子和可塑性蛋白表達受到抑制，致使腦細胞表面瞬時受體電位通道亞族M7(transientreceptorpotentialmelastatin，TRPM7)通道被激活，TRPM7出現(xiàn)過表達，其作用是促進鈣離子內(nèi)流，導(dǎo)致神經(jīng)元凋亡。(2)缺血區(qū)產(chǎn)生了過量的自由基，自由基能夠正性調(diào)節(jié)TRPM7通道的過表達，最終誘發(fā)細胞凋亡[22]。

7 能量代謝障礙

人體能量最旺盛的器官為大腦，約為20%[23]。而能量障礙在I/R損傷的早期階段即開始出現(xiàn)，即急性缺血期。腦組織因缺乏足量的氧供和能量物質(zhì)，細胞不能產(chǎn)生足夠的ATP供能，而ATP為細胞膜上的Na-K-ATP酶激動劑，當ATP合成減少時，可造成酶活性下降和功能異常，繼而誘發(fā)膜內(nèi)外鈉鉀交換障礙，引起細胞膜過量去極化，進而EAA過量分泌、線粒體功能缺失，導(dǎo)致神經(jīng)元細胞死亡，最終出現(xiàn)更加嚴重的腦功能障礙。

8 血腦屏障破壞

血腦屏障(blood brain barrier，BBB)是一種由血管內(nèi)皮細胞、基底膜和星形膠質(zhì)細胞足突組成的高度分化的腦內(nèi)皮結(jié)構(gòu)，存在于血液和腦組織之間，可選擇性阻礙物質(zhì)通過，調(diào)控物質(zhì)交換[24]。有研究[25]顯示，BBB結(jié)構(gòu)的破壞在I/R發(fā)生、發(fā)展中起到重要作用，血液供應(yīng)遭到破壞，可促進一系列病理生理級聯(lián)反應(yīng)，如炎癥、線粒體死亡途徑、蛋白質(zhì)錯誤折疊、興奮性毒性等，這些炎癥反應(yīng)會誘發(fā)大量炎性因子的生成并釋放，在缺血區(qū)域聚集并浸潤損傷內(nèi)皮細胞，破壞內(nèi)皮細胞的緊密連接造成BBB結(jié)構(gòu)和功能被破壞，即BBB通透性增加。缺血細胞的鈉鉀泵功能喪失，導(dǎo)致細胞內(nèi)Na+增多，胞外水分內(nèi)流，引發(fā)血管源性腦水腫；同時因為血管內(nèi)流量下降，導(dǎo)致微循環(huán)障礙；此外，氧化應(yīng)激誘發(fā)的脂質(zhì)過氧化亦會損傷細胞膜結(jié)構(gòu)，加重BBB破壞。由此可見，在I/R時，BBB損傷與炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激、內(nèi)皮細胞損傷密切相關(guān)[26-27]。

9 線粒體功能障礙

細胞內(nèi)線粒體是大腦供能的發(fā)動機，腦缺血發(fā)生后，線粒體功能出現(xiàn)障礙。研究[28]發(fā)現(xiàn)，I/R后，線粒體內(nèi)的功能酶，如細胞色素C氧化酶(cytochrome c oxidase，CytC)、琥珀酸氧化酶、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide，NADH)氧化酶活性顯著降低，從而證實腦線粒體功能在I/R期間受損；在I/R期間，線粒體膜電位降低是凋亡級聯(lián)反應(yīng)中最先發(fā)生的重要事件之一，24 h時達到最低，進而導(dǎo)致線粒體功能障礙，細胞會進入不可逆的凋亡過程；而且線粒體膜電位異常會導(dǎo)致ROS生物合成持續(xù)增加，ROS引發(fā)鏈式反應(yīng)，同時I/R引起的Ca2+超載和炎癥反應(yīng)，通過激活Caspase-3以及相關(guān)的Caspase級聯(lián)導(dǎo)致神經(jīng)元細胞死亡。

10 興奮性氨基酸(EAA)過度釋放

氨基酸是構(gòu)成體內(nèi)結(jié)構(gòu)蛋白、酶類和遞質(zhì)的基礎(chǔ)物質(zhì)，而按照體內(nèi)遞質(zhì)氨基酸的興奮性，可分為抑制性氨基酸及EAA[29]。正常情況下EAA主要存在于神經(jīng)末梢的突觸囊泡內(nèi)，當腦組織血供不足時，神經(jīng)元末梢發(fā)生去極化，大量EAA被釋放，與突觸后膜的特異性受體結(jié)合，完成興奮性突觸傳遞。與此同時，腦組織因血液流通受阻不能通過正常途徑產(chǎn)生足夠的ATP供能，造成過量的EAA不能被分解，從而產(chǎn)生興奮性細胞毒性作用。此外，EAA還可造成Ca2+超載損傷，雙重毒性損傷協(xié)同作用于細胞，造成突觸后神經(jīng)元死亡[30]。

11 結(jié)語與展望

腦組織發(fā)生缺血后，會出現(xiàn)一系列缺血級聯(lián)反應(yīng)，引起腦組織損傷。缺血造成局部腦組織因血供不足，缺乏代謝所需的氧氣，造成ATP生成銳減。首先，ATP作為細胞膜鈉鉀泵的供能體，其生產(chǎn)減少將誘發(fā)腦細胞內(nèi)外鈉鉀失衡，進而改變滲透壓差，致使胞外液體大量流入胞內(nèi)，最終導(dǎo)致腦組織水腫。缺血狀態(tài)如果繼續(xù)惡化，神經(jīng)元內(nèi)生成大量的EAA、自由基，出現(xiàn)炎癥，最終細胞凋亡壞死。大量自由基生成會引發(fā)一系列連鎖反應(yīng)，包括膜脂質(zhì)過氧化、血管效應(yīng)、神經(jīng)毒性損傷、線粒體功能受損，導(dǎo)致細胞凋亡。當腦組織血供不足時，神經(jīng)元通過釋放某些可溶性因子和細胞內(nèi)成分使小膠質(zhì)細胞轉(zhuǎn)化成巨噬細胞，不僅可清除包括神經(jīng)元在內(nèi)的死亡腦組織細胞，亦能夠產(chǎn)生多種炎癥因子使細胞損傷加重。I/R后腦血流恢復(fù)去挽救部分瀕死的腦細胞，但BBB被破壞，致使H+、Ca2+和促炎性因子透過屏障，損傷腦細胞的同時，吸引免疫細胞，引發(fā)繼發(fā)性損傷級聯(lián)，進一步加劇腦損傷，加重神經(jīng)元死亡?，F(xiàn)階段I/R多被認為是一個多因素、多細胞介導(dǎo)的病理損傷過程，其中的損傷機制和相互關(guān)系，還需要進一步探索，是腦缺血治療的重要方向。