亚低温在脊髓损伤治疗中的研究现状

费华伟（综述） 程 光 程爱国（审校）

1.河北联合大学临床医学院，河北唐山 063000；2.河北联合大学附属医院，河北唐山 063000

脊髓损伤（spinal cord injury，SCI）是骨科领域的一种常见疾病，损伤后果严重。脊髓损伤包括原发性脊髓损伤（如机械压迫、切割、出血、电解质外溢等）和继发性脊髓损伤（如局部缺血、水肿、炎症反应、过氧化基团异常等）。原发性损伤所产生的神经损伤是不可逆的，而继发性损伤具有可逆性且可以被控制[1]。脊髓损伤临床上治疗方法大致有外科手术、药物、物理治疗等。目前，有效限制或干预发生继发性脊髓损伤（secondary spinal cord injury，SSCI），在治疗急性脊髓损伤（acute spinal cord injury，ASCI）中更具有重要意义。近些年来，在亚低温广泛应用于颅脑损伤的基础上，又开展了应用于脊髓损伤治疗的研究和亚低温预处理保护髓内切开手术的研究。现将亚低温在脊髓损伤治疗中的研究现状综述如下：

1 脊髓继发性损伤的机制

1.1 兴奋性氨基酸毒性作用

兴奋性氨基酸（excitatory amino acid，EAA）主要包括谷氨酸（Glu）及天门冬氨基酸（Asp）。许多研究结果表明，EAA过度释放会导致神经组织损伤，把这种神经损伤作用称为EAA神经毒性作用[2]。目前认为EAA参与脊髓继发性损伤的机制可能为[3-4]：①可使N-甲基-天冬氨酸（NMDA）等受体的阳离子通道开放，导致神经细胞的通透性改变，Na+、H2O内流导致细胞水肿；②可激活离子型受体，使Ca2+大量内流，胞内过多的Ca2+激活DNA酶、蛋白酶引起DNA、蛋白质和磷脂降解，破坏生物膜及细胞骨架；③激活代谢型受体，从而激活磷酸肌醇的代谢，引起细胞内钙离子超载导致神经细胞死亡。

兴奋性氨基酸毒性对脊髓损伤的作用还表现为：①脊髓损伤后兴奋性氨基酸浓度增加；②脊髓缺血所致的脊髓损伤和兴奋性毒性也可见于中枢神经系统（CNS）缺血模型；③兴奋性氨基酸受体拮抗剂治疗实验性脊髓损伤和缺血能有效改善神经功能[5]。

1.2 脊髓缺血和缺血再灌注损伤

几乎所有的研究均发现ASCI后脊髓血流量 （SCBF）显著下降，且在创伤后最初数小时缺血逐渐加重。SCI后脊髓缺血与脊髓血管损伤、血管活性物质释放、微血管痉挛、微血栓形成、微血肿压迫微血管等有关，从而导致脊髓血液循环障碍、组织缺血缺氧等一系列生理、生化和形态结构的改变。近年来许多学者在研究中发现CNS中也存在内皮素（ET），ET除具有强烈的缩血管作用外还可增加血管的通透性，进而引起血-脊髓屏障的损害。Salzman等[6]研究了ET-1对大鼠脊髓继发性损伤的作用，发现中等度打击伤 （50 g/cm）后30 min、4、24 h，脊髓组织中ET-1水平明显增加。还有研究发现ET的增高是引起SCI后4～24 h的主要缺血损伤因子[7]。因此SCI后的ET增高也是脊髓缺血的重要因素之一。在脊髓缺血解除后的血流再灌注可进一步加重脊髓缺血的损伤。其可能的机制有氧自由基的产生及介导的脂质过氧化作用、兴奋性氨基酸神经递质的释放、细胞内外离子的失衡、血-脊髓屏障通透性的改变等进一步加重了脊髓继发性损伤。

1.3 离子失衡

ASCI后损伤区离子失衡在继发性脊髓损害病理过程中的作用也已越来越受到人们的重视。实验发现ASCI后，脊髓组织损伤区总钾含量下降，总钠量呈进行性升高，损伤区钠、钾离子失衡，从而影响脊髓神经的传导功能。钙离子的升高，加大了细胞内、外的浓度梯度，同时细胞膜离子泵活性降低，ASCI后细胞外Ca2+内流超载，损伤部位周围的Ca2+也流向损伤组织使损伤组织总Ca2+和细胞内Ca2+都过度增高，细胞膜上Ca2+通道因缺血缺氧也超常开放，钙离子顺浓度差从细胞外液流向细胞内，造成细胞内高钙。细胞内Ca2+升高可激活多种蛋白酶及磷酯酶A2，引起一系列生化反应，致能量代谢紊乱产生大量的自由基；同时钙离子增加能导致膜磷脂的过氧化和花生四烯酸代谢的加强，加重血管痉挛、组织缺血、微循环障碍等而形成恶性循环，加重继发性SCI。还有研究表明，Ca2+参与脊髓微血管内微血栓的形成，并收缩微血管，导致局部微循环障碍[8]。进一步说明Ca2+在参与脊髓继发性损伤中的重要性。

1.4 炎症因子损伤

有研究表明SCI后1 h时，各炎症性细胞因子mRNA表达明显升高，其中IL-1β和IL-6表达于损伤后12 h达峰值，TNF-α于损伤后4 h达峰值，至损伤后72 h仍高于假手术组（P<0.05）[9]。 IL-1β、IL-6 和 TNF-α 是重要的炎症性细胞因子，可诱发和促进炎症，加重炎症反应，诱导神经细胞凋亡。早期产生的TNF-α还能活化血小板活化因子（PAF），PAF具有广泛的激活炎症细胞的能力，SCI后局部增多的PAF可进一步诱导细胞因子IL-1、IL-6和TNF的增加，促使伤区脊髓和邻近脊髓微血管内血栓形成、血管内皮细胞损伤、血管壁通透性增加，脊髓组织血流量减少，PAF具有直接收缩中枢神经系统血管作用或通过刺激白三烯释放而产生微血管收缩效应[10]，因此PAF也是介导炎症SCI的关键因素之一。

1.5 神经细胞凋亡

细胞凋亡也是SSCI的重要组成部分，病理研究证实脊髓损伤后出现的脊髓神经细胞溃变及慢性脱髓鞘与细胞凋亡有关，脊髓神经细胞死亡不是源于直接损伤而是细胞凋亡所致[11]。有研究证实，继发性脊髓损伤中出现的神经元和神经胶质细胞死亡都是继发细胞凋亡的结果。Li等[12]首先观察了脊髓压迫损伤后的细胞凋亡现象，发现在脊髓损伤后的凋亡细胞，主要是少突神经胶质细胞，都分布在白质的前索、侧索和后索中，而灰质中未见细胞凋亡。目前研究认为有关脊髓损伤后继发性细胞凋亡的诱导因素有三方面，即：①兴奋性氨基酸的毒性作用和Ca2+介导的细胞损害；②自由基与一氧化氮的过度表达；③细胞因子（白介素、干扰素、肿瘤坏死因子）与化学因子（细胞膜中的花生四烯酸，花生四烯酸在环氧合酶的作用下降解后生成的前列腺素和廿烷类）的作用。脊髓损伤细胞凋亡还涉及到一系列基因的激活表达及调控。在脊髓损伤后细胞凋亡的研究中，目前研究较多的主要有Caspase，Fas和 FasL 系统、p53、bcl-2、IEGs等。其中 Caspase-3是Caspase家族另一种重要的蛋白酶，Caspase-3的激活可诱导凋亡发生，在细胞凋亡早期的启动与执行过程中起着重要作用。

2 亚低温治疗脊髓损伤的机制

亚低温治疗重型颅脑损伤的温度应控制在33～35℃[13-14]，这一亚低温已被国内外学者所认定并广泛应用着。目前，一般认为亚低温的脊髓保护作用机制主要包括以下几个方面。

2.1 有效抑制脊髓水肿，保护神经细胞功能

在SSCI发生发展过程中，脊髓缺血导致局部肿胀，引起脊髓水肿，后者进一步加重了脊髓局部缺血，造成恶性循环。低温可使脊髓血管收缩，降低血管通透性，减少血液外渗和出血，减轻脊髓组织水肿；另一方面抑制损伤段脊髓组织产生兴奋性氨基酸（EAA）、氧自由基反应（FR），减轻脂质过氧化，减少超氧化物歧化酶（SOD）的消耗，促进神经细胞对糖的利用，保持 Na+-K+-ATP酶活性，从而稳定细胞膜，抑制Na+、Ca2+、Cl-、H2O 等过度内流，减轻脊髓水肿，继而保护神经细胞功能[15]。

2.2 减少神经细胞氧耗及Ca2+内流，维持内环境稳定

脊髓组织耗氧主要有两种途径：一是维持细胞的电生理活性；二是维持细胞内环境的稳定[16]。低温主要抑制后一种氧耗，通过降低中枢神经细胞氧耗，减少乳酸蓄积，而维持内环境的稳定。在正常供氧条件下，中心体温每降低1℃，脊髓代谢率可降低6%～7%，当降温至30℃时，脊髓代谢率降低，减少氧耗约50%，这样就改善氧的供需关系和脊髓的缺血缺氧状态[17]。近年的实验研究也证明，在ASCI早期存在着大量的Ca2+内流[18]。细胞内钙超载是SSCI病理机制的一个关键因素，已被公认为是细胞死亡的最后共同通道。亚低温能明显阻滞缺氧去极化及神经元Ca2+内流，还能降低中枢神经组织ATP的消耗而降低Ca2+内流。日本学者MITANI用荧光微定量法技术证实了低温能抑制缺氧时Ca2+内流[19]，降低胞浆中Ca2+浓度。

2.3 抑制内源性毒性产物对神经组织的毒害

脊髓损伤后，损伤段组织内产生一系列毒性物质（包括自由基、兴奋性氨基酸、NO、5-羟色胺等）是加重继发性脊髓损伤的主要原因[20]。亚低温可以阻止这类毒性物质的生成和释放。有实验结果表明[21]，亚低温能明显减轻胞外谷氨酸（Glu）、天冬氨酸（Asp）、甘氨酸（Gly）和牛磺酸（Tau）的过度释放。亚低温还在一定程度上减轻了氨基酸兴奋毒性作用。

2.4 抑制自由基产生，抑制脊髓炎症反应，减少神经细胞损伤[22]

亚低温可减少SCI后早期前炎症细胞因子 （如细胞素IL-1β、IL-6、IL-8、TNF-α、自由基、干扰素等）的合成释放，减轻脊髓炎症反应，还可以增加脊髓脑脊液对流，有利于有害物质的清除[23]。亚低温还可保护神经细胞，抑制自由基的产生，减轻脂质过氧化和再灌注，降低神经细胞消耗对超氧化物歧化酶（SOD）的作用。有报道显示低温还能保护过氧化氢酶等其他抗氧化酶[17]。

2.5 改善脊髓缺血再灌注后神经功能的恶化

亚低温能够明显改善脊髓缺血再灌注后神经功能的恶化，减少中性粒细胞浸润及HL-8在脊髓组织中的表达，抑制脊髓缺血再灌注后炎症反应，减少缺血再灌注后的过度充血[24]，阻止迟发性的EAA释放，阻断毒性物质对神经细胞的损害，从而减轻脊髓继发性损伤。

2.6 抑制神经元凋亡

细胞凋亡是程序性细胞死亡，在SSCI中发挥了重要作用，因此，在ASCI治疗中阻断凋亡过程将更有价值[25]。亚低温通过抑制兴奋性氨基酸的释放，减少自由基的产生，减轻炎症反应而抑制细胞凋亡。另一方面亚低温可能还通过凋亡的调节系统来抑制细胞凋亡。亚低温状态下抑制细胞凋亡可能还与降低了神经元代谢，抑制核转录因子NF-κB易位，抑制诱导型一氧化氮合酶（iNOS）活性，降低核酸内切酶活性等因素有关。

3 亚低温的实施

脊髓低温的实施有多种方法，大体可分为两类：全身降温和局部降温。

3.1 全身降温的方法

全身降温有传导降温、空气对流降温和血液降温等方法，医用自动调温毯是一种较好的全身降温工具，可控性好且具有降温、复温双重功能。在全身降温治疗的过程中可能出现以下并发症：①心率减慢、血压下降、各种心律失常、心脏指数下降及复温性低血压；②复温速度过快易引起颅内压“反跳”增高；③血黏度增加、凝血机制障碍、凝血酶原时间和促凝血酶原时间延长、血小板减少引起出血倾向；④低温促使钾离子向细胞内转移引起低血钾症；⑤低温期间免疫功能受到抑制，易发生呼吸道感染、泌尿道感染及压疮；⑥低温状态下促肾上腺皮质激素、肾上腺素的分泌均受抑制；⑦低温治疗过程中会发生胰酶活性增加和血小板降低。但是在治疗过程中只要注意采用正确的亚低温方法和全面监护，上述并发症则不会发生或可被及时纠正和避免，并不影响其治疗作用[26-27]。

3.2 局部降温的方法

局部降温可通过局部低温液体灌注或植入热能交换器而获得。Albin在动物实验中采用了5℃的等渗生理盐水进行受损段的局部低温灌注，灌注时间持续2.5 h结果发现实验组动物的神经功能恢复较对照组明显。Black等[28]曾对脊髓局部低温灌注的降温速率进行研究发现，在实施降温过程中的前3 min，脊髓降温速率最快，降温幅度可达17.1℃左右。经过快速降温期后，在接下来的18 min温度下降缓慢，幅度只有2.3℃。在21 min脊髓温度基本处于平台期，达到最低温度6.7℃。所以局部降温具有降温速度快、降温深度强、对全身系统影响小等优点。但是局部低温也有其缺点：一般需要急诊手术，对手术技术要求较高并且需要特殊的降温装置，并且有降低受损脊柱节段稳定性的风险；同时患者也很难接受仅仅为实施低温治疗而行椎板切除术。临床上亚低温技术能增加脊髓对缺血的耐受性，降低了术后截瘫的发生率，并已在胸腹主动脉瘤手术中应用获得成功。

近年来，随着手术技术的提高和脊髓内肿瘤及脊髓内其他病变手术治疗的增多，脊髓切开手术其本身也是一种损伤，常会因为术中牵拉暴露等操作而导致脊髓损伤，甚至导致严重不良后果。目前对于脊髓损伤前实施低温预处理进行脊髓保护方面的研究较少。本学科开展了亚低温局部干预脊髓切开髓内手术的急性脊髓损伤的实验性研究，提示在施行脊髓内手术前先进行局部脊髓低温预处理可明显减轻因手术操作而引起的锐性脊髓继发性损伤。

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