間充質干細胞對腦缺血性再灌注損傷的保護作用

汪 杰，李湘民

中南大學湘雅醫(yī)院急診科，長沙 410008

腦缺血再灌注損傷是心臟驟停、腦卒中等神經(jīng)系統(tǒng)疾病的主要病理生理過程，其經(jīng)典機制主要包括：氧化應激、炎癥反應、鈣超載、一氧化氮(nitric oxide，NO)損傷、興奮性氨基酸毒性作用等[1]。目前，國內外針對腦缺血再灌注損傷的治療已開展諸多探索性研究，且仍在不斷創(chuàng)新。近年來研究發(fā)現(xiàn)，MSCs具有分化、調節(jié)免疫及炎癥反應、抗氧化和調節(jié)Ca2+水平的功能，其對于腦缺血再灌注損傷具有一定的保護作用。因此，本文從腦缺血再灌注損傷的病理生理機制出發(fā)，結合MSCs與腦缺血再灌注損傷的關系進行闡述，以期為腦缺血再灌注損傷的治療提供新思路。

1 腦缺血再灌注損傷的主要機制

大腦僅占人體體重的2%，卻占據(jù)15%的心輸出量、全身25%的耗氧量，大腦對缺氧及缺血非常敏感。心臟驟停、腦卒中等疾病發(fā)生時，由于血流動力學處于停滯狀態(tài)，相應供血區(qū)域的腦組織出現(xiàn)缺血缺氧而損傷，血供恢復后，缺血缺氧產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物與來自新鮮血液的氧自由基發(fā)生劇烈反應，同時對器官和組織造成損害，因缺血及再灌注對腦組織造成的損傷稱為缺血再灌注損傷[2]。氧化應激、炎癥反應、鈣超載、NO損傷、興奮性氨基酸毒性作用等是其經(jīng)典機制。

1.1 氧化應激

活性氧(reactive oxygen species，ROS)是氧在反應過程中被不完全還原所形成的物質[3]，是一種化學性質活潑的含氧代謝物，主要包括超氧陰離子(O2-˙)、過氧化氫(H2O2)、羥基(OH-)、羥自由基(·OH)等[4]。腦缺血再灌注損傷過程中，ROS增多，發(fā)生氧化應激的主要途徑如下：首先，缺血再灌注損傷時，線粒體中部分電子脫離電子傳遞鏈，導致氧氣的還原反應不充分，致使ROS產(chǎn)生增加[5]。其次，缺血再灌注過程可激活黃嘌呤氧化酶系統(tǒng)、還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)氧化酶系統(tǒng)及一氧化氮合酶(nitric oxide synthase，NOS)系統(tǒng)，促使ROS產(chǎn)生[6]；同時，腦缺血再灌注損傷過程可激活中性粒細胞發(fā)生呼吸暴發(fā)，產(chǎn)生大量的ROS[7]。最后，在腦缺血階段，抗氧化物生成減少，機體清除氧自由基的能力下降致使ROS在體內堆積。研究表明，過量的ROS可誘導腦組織中的細胞膜及細胞器膜中的脂質成分發(fā)生過氧化[8]，誘導DNA、RNA、多糖等大分子交聯(lián)，使其失去活性[9]，從而損傷內皮細胞導致血腦屏障破壞，促進興奮性氨基酸釋放[10]，加重細胞死亡。

1.2 炎癥反應

炎癥反應是腦缺血再灌注損傷的重要因素之一。腦組織發(fā)生缺血時，壞死細胞可釋放大量腺苷三磷酸(adenosine triphosphate，ATP)、高遷移率組蛋白 1(high mobility group box 1，HMGB1)和熱休克蛋白60(heat shock protein 60，HSP60)等損傷相關分子模式(damage associated molecular patterns，DAMPs)[11]，并迅速激活神經(jīng)元、小膠質細胞、腦血管內皮細胞、星形膠質細胞等表面的炎性受體，或通過髓樣分化初級反應基因88(myeloid differentiation factor 88，MyD88)使核因子-κB(nuclear factor-κB，NF-κB)和激活蛋白-1(activator protein-1，AP-1)觸發(fā)促炎因子基因的表達，促使炎癥反應發(fā)生[12]。缺血再灌注期間，腦組織恢復部分或全部血供，血液中的中性粒細胞在趨化因子的作用下進入腦組織，釋放ROS及金屬蛋白酶，促進細胞死亡。同時，各類淋巴細胞，如CD8+T細胞、NK細胞，也會進入腦組織，產(chǎn)生白細胞介素(interleukin，IL)等促炎介質，進一步加重炎癥反應[13]。

1.3 鈣超載

腦組織發(fā)生缺血再灌注損傷時，有氧代謝減少，無氧代謝增加，ATP生成減少且耗竭加速，一方面導致各種電壓依賴性離子通道發(fā)生紊亂，使細胞膜去極化，引起K+外流、Na+和Ca2+內流，造成細胞內鈣超載[14]；另一方面，ATP減少也會抑制活性 Ca2+外流，限制內質網(wǎng) (endoplasmic reticulum，ER)對鈣的再攝取，同樣引起鈣超載[15]。鈣超載可通過以下途徑加重細胞損傷：(1)激活磷脂酶C和磷脂酶A2，磷脂酶C可破壞生物膜，磷脂酶A2可使花生四烯酸生成增多，K+通道開放，細胞膜超極化，細胞外谷氨酸增多，谷氨酸受體被激活，引發(fā)神經(jīng)元急性水腫；(2)促進5-羥色胺、彈性蛋白酶等的釋放，引起腦血管痙攣，加重腦缺血缺氧；(3)進入線粒體影響呼吸鏈，致使大量ROS產(chǎn)生，加重細胞損傷；(4)激活NOS及鈣依賴蛋白酶，生成大量ROS，加重細胞損傷。

1.4 NO損傷

NO作為神經(jīng)組織中廣泛存在的一種化學物質，在腦缺血再灌注損傷過程中是一把雙刃劍[16]。在腦組織中，L-精氨酸與氧氣在NOS的作用下生成NO。缺血再灌注損傷發(fā)生后，腦組織中的NO生成增加，適量的NO可擴張血管，改善局部腦組織血供，減輕腦缺血再灌注損傷[17]。然而，過量的NO可通過多種機制加重腦缺血再灌注損傷：(1)NO可通過S-亞硝基化調節(jié)絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases，MAPK)信號通路，從而誘導細胞凋亡的發(fā)生[17]；(2)NO可與ROS反應生成具有強氧化性的過氧亞硝酸鹽，該物質穿透力強，可介導蛋白質酪氨酸硝基化、脂質過氧化、線粒體功能障礙以及DNA斷裂，從而加重腦損傷[17-18]。

1.5 興奮性氨基酸毒性作用

興奮性氨基酸是指具有2個羧基和1個氨基的酸性游離氨基酸，是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的興奮性神經(jīng)遞質，包括谷氨酸和天冬氨酸。其中，谷氨酸是中樞神經(jīng)系統(tǒng)含量最高、分布最廣、作用最強的興奮性神經(jīng)遞質，是神經(jīng)元和神經(jīng)膠質細胞缺血后誘導興奮毒性的主要貢獻者[19]。在急性缺血過程中，神經(jīng)元中的谷氨酸向細胞外釋放，形成細胞外高濃度谷氨酸環(huán)境，而此時細胞外谷氨酸轉運蛋白1(excitatory amino acid transporters 1，EAAT1)和EAAT2的表達迅速下降，使得胞外谷氨酸無法清除和代謝，造成谷氨酸在細胞外堆積[20]。缺血再灌注過程中，腦組織血流得以恢復，神經(jīng)元中的谷氨酸釋放減少，但無法快速恢復EAAT1和EAAT2的表達，故短期內無法改變外高內低的谷氨酸環(huán)境[21]。過量的谷氨酸一方面與其受體結合，激活細胞膜Na+-K+-ATP酶，導致大量 Na+和Cl-內流，引起神經(jīng)元急性水腫；另一方面使細胞外Ca2+內流增加，加重鈣超載，致使興奮神經(jīng)元釋放有毒物質，如ROS等，進一步加重細胞死亡[22]。

2 MSCs對腦缺血再灌注損傷的保護作用

MSCs是一種多能干細胞，存在于骨髓、肌肉、脂肪等組織器官，具有較強的自我更新和多譜系分化能力、強大的旁分泌能力及良好的免疫相容性[23]。目前，MSCs已被應用于心力衰竭、胃腸道疾病、皮膚燒傷等多種疾病的治療[24]。由于神經(jīng)細胞具有不可再生性，許多腦損傷過程不可逆。盡管腦卒中、外傷性休克、心臟驟停后腦缺血再灌注損傷的治療方案得以不斷完善，但仍需進一步探索及創(chuàng)新[25]。近年來，隨著對MSCs研究的不斷深入，其對腦缺血再灌注損傷的保護作用值得期待[26-29]。

2.1 通過直接分化能力發(fā)揮保護作用

強大的分化能力是MSCs保護腦缺血再灌注損傷的主要機制之一。研究表明，MSCs具有分化為神經(jīng)元的能力。移植入體內的MSCs可遷移至損傷區(qū)域，并分化為相應的靶細胞[30-31]。Zhao等[32]研究表明，在大鼠腦卒中模型中，移植到皮層的骨髓MSCs可遷移至損傷區(qū)域，能夠在宿主的大腦中存活并分化為成熟的神經(jīng)元，從而改善腦缺血再灌注損傷?？梢?，MSCs的分化能力是其保護腦缺血再灌注損傷的重要因素。

2.2 通過誘導神經(jīng)發(fā)生及血管生成發(fā)揮保護作用

研究表明，MSCs可遷移至中樞神經(jīng)系統(tǒng)，歸巢于缺血區(qū)域，通過旁分泌的方式在腦組織中釋放血管生成生長因子和神經(jīng)營養(yǎng)因子，包括血管生成素、肝細胞生長因子(hepatocyte growth factor，HGF)、腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)、成纖維細胞生長因子-2(fibroblast growth factor-2，F(xiàn)GF-2)、胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factor-1，IGF-1)、中性粒細胞活化蛋白-2(neutrophil activating protein-2，NAP-2)和血管內皮生長因子[30，33]等，誘導神經(jīng)發(fā)生及血管生成，激活內源性神經(jīng)恢復過程，從而有助于腦缺血再灌注損傷的治療[34-36]。Jeong等[37]研究表明，骨髓來源的MSCs可增強內源性神經(jīng)發(fā)生及保護神經(jīng)細胞免于凋亡，在腦缺血再灌注損傷中表現(xiàn)出一定的治療潛力。

2.3 通過減少氧化應激發(fā)揮保護作用

MSCs可抑制ROS的產(chǎn)生從而減少腦缺血再灌注損傷后的氧化應激。一方面，MSCs主要作用于細胞內線粒體，介導腦缺血再灌注損傷后ROS的生成減少，從而減輕氧化應激損傷。具體表現(xiàn)為MSCs將自身線粒體通過膜通道轉移給受損細胞，使其繼續(xù)進行有氧呼吸及生成ATP，減少ROS的生成[19]。同時，MSCs還可通過減輕線粒體功能障礙而減少氧化應激。Liu等[38]研究表明，嗅黏膜MSCs可上調UbiA異戊烯基轉移酶結構域1(UbiA prenyltransferase domain containing 1，UBIAD1)進而減輕線粒體功能障礙，增強其抗氧化能力，對腦缺血再灌注損傷發(fā)揮保護作用。此外，Cao等[39]研究發(fā)現(xiàn)，人骨髓來源的MSCs可通過抑制NADPH氧化酶的表達，進而減少氧化應激?？梢?，MSCs可通過多種方式減少腦缺血再灌注損傷后的氧化應激，進而對腦組織發(fā)揮保護作用。

2.4 通過減少炎癥反應發(fā)揮保護作用

研究表明，將MSCs移植體內后，可通過多種方式調節(jié)免疫細胞、釋放多種細胞因子以調節(jié)腦缺血再灌注損傷區(qū)域的炎癥反應。主要機制包括抑制NK細胞、B細胞以及T細胞的增殖，釋放轉化生長因子β(transforming growth factor-β，TGF-β)、前列腺素E2、HGF及IL-10等[40]。Huang等[41]研究表明，將MSCs與曾經(jīng)受氧和葡萄糖剝奪的神經(jīng)N17細胞共培養(yǎng)可恢復神經(jīng)N17細胞的長期增殖，降低其凋亡，同時還可降低腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)水平，從而減輕炎癥反應。Yoo等[42]研究發(fā)現(xiàn)，MSCs通過降低單核細胞化學引誘蛋白-1(monocyte chemoattractant protein-1，MCP-1)的上調以及CD68免疫細胞分泌TGF-β，進而減少缺血性大鼠腦組織的炎癥反應。Redondo-Castro等[43]研究表明，IL-1α可促進MSCs啟動抗炎機制，減少小鼠腦缺血再灌注損傷模型中TNF-α和IL-6的分泌，進而減輕炎癥反應。尚羽等[44]研究表明，MSCs可通過抑制TLR4/NF-κB通路抑制腦缺血再灌注損傷后的炎癥反應，從而發(fā)揮保護作用。此外，有研究指出，在心肺復蘇后全腦缺血再灌注損傷模型中，MSCs可上調M2巨噬細胞的表達，從而減輕炎癥反應，對腦損傷發(fā)揮保護作用[45]。

2.5 通過影響鈣超載發(fā)揮保護作用

目前，關于MSCs通過影響鈣超載對腦缺血再灌注損傷神經(jīng)元發(fā)揮保護作用的相關研究較少。正常情況下，大腦組織中高爾基體常駐分泌途徑Ca2+-ATP酶(Golgi-resident secretory pathway Ca2+-ATPase，SPCA)高度表達，主要負責運輸Ca2+，而發(fā)生腦缺血再灌注損傷時，SPCA的表達明顯下降，從而加重鈣超載[46]。He等[47]研究發(fā)現(xiàn)，MSCs可拯救高爾基體并上調SPCA，從而緩解鈣超載現(xiàn)象，對腦缺血再灌注損發(fā)揮保護作用。此外，Turovsky等[48]研究表明，MSCs外囊泡的分泌可減輕缺血模型中的鈣超載，從而對神經(jīng)元發(fā)揮保護作用。

3 小結與展望

綜上，MSCs可通過直接分化替代神經(jīng)元以及影響腦缺血再灌注損傷的病理生理過程而發(fā)揮保護作用。然而，關于MSCs與腦缺血再灌注損傷的機制仍未完全明確，且目前研究發(fā)現(xiàn)鐵死亡、銅死亡等亦是腦缺血再灌注損傷的重要機制之一。故未來的研究方向可著眼于以下方面：第一，更全面地探索MSCs與腦缺血再灌注損傷的其他病理生理機制(如鐵死亡、銅死亡、NO、興奮性氨基酸毒性作用等)之間的關系；第二，MSCs在心肺復蘇后全腦缺血再灌注損傷中的作用。

作者貢獻：汪杰、李湘民負責論文構思和框架構建；汪杰負責文獻檢索及論文撰寫；李湘民負責論文指導及修訂。

利益沖突：所有作者均聲明不存在利益沖突