脑缺血-再灌注损伤的病理机制研究进展

颜 玲

湖北民族学院医学院(湖北 恩施 445000)

缺血性脑中风是目前严重威胁人类健康的疾病之一，其发病率及致死率均非常高，近年来关于脑缺血-再灌注损伤的研究取得了较大进展。现从以下几个方面对其病理机制的研究进行综述。

1 兴奋性氨基酸毒性作用及离子失衡

1.1 Ca2+超载的细胞毒作用细胞内Ca2+作为第二信使，在细胞的许多正常生理活动中发挥重要作用。在脑缺血性损伤时，Ca2+泵功能降低，同时线粒体、内质网储Ca2+减少，Ca2+释放增加，引起细胞内Ca2+超载，这在脑缺血神经元损伤中起着关键作用，胞内的Ca2+超载可能是多因素综合作用的结果，也是造成损伤的最后共同通路[1]。

胞内Ca2+浓度升高时，使钙调蛋白(CaM)活化，进一步激活Ca2+/CaM依赖的蛋白激酶，促进5-羟色胺和去甲肾上腺素的释放，引起脑血管挛缩、局部血流减少，加重缺血缺氧；同时也激活一些破坏性的钙依赖性的降解酶，改变细胞代谢，影响细胞的结构与功能。此外，细胞内Ca2+超载还可通过以下途径引起毒性作用：①脑缺血时Ca2+超载，可以激活磷脂酶C和A，使生物膜磷脂降解并产生自由基，破坏生物膜；同时磷脂降解产物花生四烯酸代谢生成前列腺素、白三烯和血小板激活因子等活性物质，导致局部白细胞浸润和血管收缩，进一步加重脑缺血。②Ca2+浓度升高时激活一氧化氮合酶(nitric oxide synthase，NOS)，生成大量的NO，增加对脑细胞的毒性作用。③脑血管中的平滑肌细胞Ca2+内流，发生血管挛缩，加重缺血缺氧；且Ca2+沉积可损害脑血管，引起血脑屏障受损，加重脑梗死。④脑缺血时，脑血管内皮细胞Ca2+超载可使内皮细胞间隙增大，血脑屏障通透性增高，产生血管源性脑水肿。⑤Ca2+与磷酸根形成磷酸钙沉积于线粒体，影响呼吸，导致神经细胞损伤及死亡。

1.2兴奋性氨基酸毒性作用EAA是存在于中枢神经系统的兴奋性神经递质，主要存在于神经末梢的突触囊泡，也可存在于各种神经元胞体以及胶质细胞胞质，EAA过度兴奋，可产生神经毒性。EAA以谷氨酸(Glu)和天冬氨酸(Asp)在脑内含量最高，与脑损伤有关的主要为Glu。

EAA(主要为Glu)增多的机制包括[2]：①脑组织缺血时，ATP减少， Na+/K+交换通道障碍，胞内的K+逸出，而Na+、Cl-和水积累，导致细胞肿胀，渗透性排出活性物质，如Glu、Asp、GABA等。②突触前膜上存在高亲和力Na+依赖的膜载体，在脑组织缺血时，该类膜载体功能障碍，使得胞外Glu水平升高。③在脑组织缺血的早期，如前所述Ca2+通道的激活也可导致Glu向胞外释放。④脑组织缺血时，胞内Ca2+超载也可激活磷脂酶A2，损伤膜结构，使EAA顺着浓度梯度扩散到细胞外。

目前已知EAA的受体包括两大类，即离子型受体和代谢型受体，前者包括2-氨基-3-羟基-4-异噁唑丙酸(AMPA)、N-甲基-天门冬氨酸(NMDA)、使君子酸和海人藻酸(KA)受体，主要影响K+、Na+、Ca2+通道，其中NMDA受体是受配基调节的离子通道，对Ca2+具有通透性，该通道的开放和关闭还受到甘氨酸、Mg2+和Zn2+的调控，AMPA/KA受体通过膜的去极化开放Ca2+通道，导致细胞内Ca2+增加；而代谢型受体主要调控细胞内G蛋白偶联的级联反应，影响cAMP、肌醇脂质类信使系统[3]，过量EAA的释放使其受体过度活化，导致神经元受损。EAA造成的神经毒性作用主要有两个方面：①缺血后Glu首先活化与AMPA受体偶联的Na+通道，引起Na+、Cl-和H2O内流，导致神经细胞水肿。②胞内Na+增高使浆膜去极化，直接或间接启动电压依赖性Ca2+通道，IP3使细胞内的Ca2+释放增加，导致胞内游离Ca2+超载，导致神经元的变性及死亡。

1.3酸敏感离子通道介导的损伤脑缺血缺氧时，无氧糖酵解产生的乳酸和发生的代谢性酸中毒导致缺血区组织周围的pH值下降，严重脑缺血或血糖过高时可导致缺血区组织周围的pH值极大降低，酸中毒加重神经细胞的损伤，并且受损程度和酸中毒密切相关，认为酸中毒是影响脑细胞存活的重要因素，是引起脑损伤的主要机制。最近研究发现酸中毒时活化了一种特殊的膜通道家族成员，即酸敏感离子通道(Acid-sensing ion channels,ASICs)，是一种Glu非依赖的神经元损伤机制。(文献依据？)

ASICs，一种在中枢和周围神经元中广泛存在的特殊的配体门控通道，胞外pH值的下降能激活这些通道，已发现7个亚基，分别是：ASIC1a 、ASIC1b、ASIC1b2、ASIC2a、ASIC2b、ASIC3 和ASIC4。目前认为，在中枢神经系统广泛表达且与缺血性脑损伤密切相关的是ASIC1a与ASIC2a。ASIC1a对酸的敏感性较高且对Ca2+有较高的通透性，在非Glu依赖的缺血缺氧性神经元损伤中发挥主要作用[4]。Xiong[5]等证实缺血缺氧合并酸中毒时(即缺血性酸中毒)，能显著增强ASIC1a通道引起的毒性损伤。

2 自由基和NO的损伤作用

2.1自由基的损伤作用自由基包括氧自由基(Oxygen Free Radical，OFR)系列(超氧阴离子O2-、羟自由基·OH等)和脂质自由基系列，在脑缺血损伤中主要为超氧阴离子和H2O2。大脑组织具有丰富的不饱和脂肪酸，更容易被自由基过氧化反应，且抗氧化酶少，更容易受损。

实验动物脑缺血的极早期，神经元去极化，OFR急剧增多[6]，自由基的损伤效应是一种级联反应，一旦发生，可导致一系列自由基中间产物形成，不断和脂质反应，导致细胞损伤，其具体机制为：①引起膜脂质过氧化，使细胞膜及膜受体、膜蛋白酶、离子通道受损，对Na+、Ca2+以及大分子物质通透性增加，造成细胞水肿、细胞结构及功能受损，导致细胞死亡，同时再灌注时脂质修复酶被抑制。②影响蛋白质的合成，引起许多重要酶和受体的失活，如膜上的Na+泵、Ca2+泵、肌酸激酶、受体等；③使核酸链的断裂、畸变，导致细胞正常功能受损(多为·OH所致)；④促使花生四稀酸单向转化为血栓烷A2，诱导缺血半暗带(ischemia penumbia，IP)区的血管痉挛、血小板聚集，梗死面积增加，加重损伤；⑤OFR产生过多，使EAA过度兴奋，导致神经毒性损伤；⑥还可以作用于许多其他分子，包括MAPK、NF-κB和几种Caspases酶，诱导细胞死亡。此外，自由基诱导的细胞因子在再灌注损伤中也发挥着重要作用。

2.2一氧化氮的损伤作用研究表明，一氧化氮(NO)在脑缺血损伤中具有保护和毒性两种作用，在脑缺血早期，NO具有保护作用，而缺血时间延长，进入再灌注期时，NO有毒性作用。NO的双重作用除与自身复杂的理化、生物学特性有关外，NOS作为NO合成过程中的重要限速酶是决定其双重作用的关键因素[7]，NO对神经细胞的这两种相反作用与其氧化还原两种不同状态有关。还原型的NO (NO-)主要通过产生大量自由基引起脂质过氧化反应，造成蛋白质、核酸、膜脂质的损伤及抑制线粒体呼吸的完成，此乃毒性作用；而氧化型的亚硝酸离子(NO+)能与NMDA受体结合，使NMDA受体疏基亚硝基化，下调该受体调控的Ca2+离子通道，阻止细胞内Ca2+超载所致的细胞毒性，同时防止NO+向NO-转变，从而阻止了NO的神经毒性，发挥保护作用。

脑缺血-再灌注时，Ca2+与CaM结合可活化神经元内NOS(主要为氧化型)，从而使NO增多。NO在缺血再灌注损伤中的损伤机制主要为：①NO是体内的气体信息分子，与特异性的受体结合，激活cGMP依赖的蛋白激酶，引起靶蛋白磷酸化，导致神经细胞功能受损。②NO通过OFR(O2-)发挥损伤作用。过量NO能立即与O2-反应，生成强氧化剂硝基阴离子(ONOO-)等过氧化物，直接氧化脂质、DNA及蛋白质等造成严重的神经细胞损伤。③NO作用于含铁蛋白产生毒性作用，使含铁酶失活，从而抑制线粒体呼吸，导致ATP生成减少，引起神经元损伤。④脑缺血-再灌注时，Glu过量，NO可激活NMDA受体，Ca2+内流增加，进一步增加神经毒性作用。⑤NO介导炎性反应，病理情况下大量NO具有炎性介质作用，可介导炎性细胞在缺血区浸润。

脑缺血-再灌注或脑外伤时，OFR和NO可促使聚腺苷酸二磷酸核糖聚合酶-1(PARP-1)过度激活，会通过耗竭烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)和能量缺乏而加重脑损害，因此PARP-1就无法修复损伤的细胞，从而引起脑细胞死亡。它们也能活化基质金属蛋白酶(MMPs)，MMPs能降解细胞外基质的所有成分，如胶原成分和层粘蛋白、弹性蛋白及纤维蛋白，促进了基底膜的降解，使其完整性遭受破坏，血脑屏障通透性增加。

3 免疫炎症反应与缺血再灌注损伤

脑缺血时会出现中性粒细胞浸润、单核细胞增多、而淋巴细胞减少，在脑缺血-再灌注继发的脑损伤中起着重要作用[8]。脑缺血-再灌注发生的炎症反应是造成继发性损伤的重要因素。因此，通过药物等措施抑制脑缺血-再灌注过程中的炎症反应[9]，可减轻脑组织损伤，保护或恢复脑组织功能。

3.1炎症反应细胞在脑缺血损伤中起重要作用的炎症细胞主要有中性粒细胞、星形胶质细胞、小胶质细胞及淋巴细胞等，认为炎症细胞可释放炎症因子等加重脑损害，而炎症细胞聚集，也可造成脑组织的进一步缺血缺氧。

脑缺血-再灌注损伤时，白细胞浸润(主要是中性粒细胞)所致的炎性反应在脑损伤中起着重要作用，其作用机制包括：①白细胞与血管内皮细胞粘附，导致细胞间隙增大，血管通透性增加，从而损害血脑屏障，造成脑水肿。②脑组织缺血后，某些因素可激活血浆中的凝血因子，产生纤维蛋白，纤维蛋白积聚可使血管壁增厚、管腔狭窄。同时大量的白细胞、血小板、受损的内皮细胞以及纤维蛋白等粘附于微血管，造成毛细血管堵塞，降低血流供应，造成继发性低灌注，甚至导致缺血区的血液停滞现象，即“无复流”现象。同时，纤维蛋白还可以使局灶性脑缺血后的血管通透性增加，损伤血脑屏障[10]。③局部浸润的白细胞可释放蛋白水解酶(如MMP)，导致脑损伤。同时也可以释放趋化因子，加剧局部白细胞浸润。④中性粒细胞活化，耗氧量增加，而组织再灌注后，血流恢复重新活得氧，活化的白细胞产生大量OFR，造成脑损伤。⑤脑损伤区坏死的白细胞脱颗粒可以释放大量的活性介质，增加血管通透性，且产生的OFR使脂质过氧化，加重脑水肿。

脑组织中含量最丰富的胶质细胞可以为神经细胞提供营养，并调控突触的活动[11]。在中枢神经系统损伤的早期，星形胶质细胞参与调节细胞外的离子和神经递质、修复细胞外基质、营养神经元等过程，可能主要起到保护作用[12]。

许多证据表明，小胶质细胞和淋巴细胞与脑缺血再灌注的炎症反应密切相关。在脑梗塞急性期，小胶质细胞主要表现为毒性作用，而在后期及再灌注期可促进神经再生或保护脑组织[12]。

3.2炎症反应的细胞因子脑缺血时，IL-1增多，IL-1可能导致包括致热，花生四烯酸释放，NMDA受体介导的兴奋毒性增强和NO的合成增加。已证实IL-1可引起中性粒细胞局部浸润，促进粘附分子ICAM-1、ICAM-2和VCAM-1等在内皮细胞上的表达，加强白细胞与内皮细胞的粘附。Caso等在脑缺血-再灌注模型中发现，IL-1β与脑组织的损伤程度密切相关，在脑缺血急性期可加重脑组织损害，当阻断IL-1β后，能明显减少脑梗死范围，保护脑组织[13]。

颅内IL-6主要表达于神经元和星形胶质细胞，是重要的炎症因子，正常情况下，IL-6对神经元具有神经营养和保护作用，而IL-6含量大量增加则可导致神经元、胶质细胞及内皮细胞的损伤，说明发挥着营养和毒性的双重作用。研究发现IL-6与脑组织缺血关系密切，脑缺血-再灌注24 h内，IL-6明显增多，12 h达到峰值，促进ICAM-1的表达，引起炎症反应，导致脑损伤。IL-6也有抗炎特性，由于它能够诱导IL-1受体拮抗剂的合成，与抗缺血损伤有关。因此，目前还不清楚IL-6的对脑损伤的影响是有利还是不利。

实验和临床数据表明TNF-α与缺血性损伤的程度呈正相关，类似IL-1，TNF-α可诱导黏附分子的表达，引起中性粒细胞黏附聚集及活化，导致微血管灌注减少；同时TNF-α可诱导血管活性物质释放，引起脑血管收缩，局部血流减少，加重缺血缺氧，并可增加毛细血管内皮细胞的通透性，加重血脑屏障受损程度，引起脑水肿，最终导致神经细胞死亡[14]。

TGF-β对多种类型的细胞，包括小胶质细胞、星形细胞和神经元都有生物学作用，涉及细胞生长、分化、炎症和组织修复。在缺血性脑损伤中，TGF-β在数小时就增多，并长时间维持，可能有抗氧化、阻止细胞凋亡、调节炎性反应(减少中性粒细胞浸润)、调节小胶质细胞和星形细胞反应的多种作用。

单核细胞化学趋化蛋白-1(MCP-1) 和IL-8在脑缺血-再灌注后的炎症反应中的重要作用被关注。MCP-1主要促使内皮细胞表面的黏附分子表达增加，也有实验证实IL-8参与白细胞的积聚，从而参与缺血性脑损伤，MCP-1、IL-8与抗体结合后可促进白细胞迁移，应用相应拮抗剂后可减少脑梗死范围[15]。

3.3炎症反应的相关受体内皮细胞-白细胞相互粘附需要某些粘附分子介导，这些粘附分子的表达往往需要细胞因子等成份刺激，如IL-1、TNF、IFN-γ、内毒素、补体成分等[9，15]。

新近发现的Toll样受体(TLRs)是一类模式识别受体，其中TLR4已成为人类在各种疾病中研究的热点。神经元的退行性病变与TLR4信号转导途径有关，实验观察到TLR4基因缺失的C3H/HeJ小鼠的脑梗死面积和炎症反应比对照组少，说明TLR4与脑缺血再灌注的炎症反应有关，并发现在小鼠脑缺血-再灌注损伤中TLR4参与了炎症反应的发生，同时还伴随着细胞凋亡。

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