神经血管单元的缺血与血管新生

陆征宇 ，董强

神经血管单元的缺血与血管新生

陆征宇1，2，董强1

目前有效治疗脑梗死的方法匮乏，研究脑缺血损伤后的修复机制，探索有效的治疗手段意义重大。神经血管单元是由神经元、胶质细胞、血管内皮细胞等组成的一个概念性结构。本文以神经元-胶质细胞-血管内皮细胞为框架，从神经营养因子、血管生成素、基质金属蛋白酶、高迁移率族蛋白B1、白细胞介素等方面综述神经血管单元缺血损伤后血管新生的修复机制。

脑缺血；脑梗死；神经血管单元；重塑；血管新生

qiang_dong163@163.com

脑血管病是人类三大致死性疾病之一，发病率高，严重危害人类健康[1]。虽然重组组织型纤溶酶原激活剂 (recombinant human tissue-type plasiminogen，rt-PA)的问世给发病 4.5 h内的急性缺血性卒中患者带来了有效的治疗手段[2]，但大多数患者因超过治疗时间窗或者其他禁忌证而不能获得溶栓治疗。卒中后，缺血半暗带微血管的密度与患者生存时间的延长有关，血管的新生对患者的恢复非常重要。因此，研究脑缺血损伤后血管新生的修复机制，并从该角度寻找有效的治疗靶点十分有意义。

神经元一直被视为中枢神经系统中最重要的细胞，它的损伤、功能失调甚至死亡将直接导致神经功能的缺失，因此既往很多治疗脑血管病的神经保护药物都以保护神经元为重点，但遗憾的是得到“临床试验无效”的结论。近年来，越来越多的研究将视角从单一的神经元转向神经元、胶质细胞和血管内皮细胞等组成的复合体—神经血管单元 (neurovascularunit，NVU)[3]。NVU中神经元、胶质细胞和血管内皮细胞之间通过细胞-细胞间信号、神经血管偶联等机制，共同调节神经递质的动态平衡，维护血-脑屏障的稳定。脑缺血损伤修复阶段，NVU中多种细胞之间又通过偶联、串话等方式共同参与神经血管的重塑。本文以神经元-胶质细胞-血管内皮细胞为框架，从神经营养因子(neurotrophic factors)、血管生成素(angiopoietin，Ang)、基质金属蛋白酶(matrixmetalloproteinases，MMPs)、高迁移率族蛋白B1(highmobilitygroup box-1 protein，HMGB1)、 白 细 胞 介 素 (interleukin，IL)等方面综述NVU缺血损伤后血管新生的修复机制。

1 神经营养因子

1.1 血管内皮生长因子 (vascular endothelial growth factor，VEGF)

VEGF是一种特异的血管内皮细胞有丝分裂原，它通过与内皮细胞表面相应受体结合，激活细胞内酪氨酸激酶，引发一系列的信号通路，调控血管生成过程。VEGF是高度保守的同源二聚体糖蛋白，其基因位于染色体6p21.3上，全长14 kb，由两条分子量各为24 kDa的单链以二硫键的形式组成二聚体，由8个外显子和7个内含子组成。

VEGF在正常脑组织的脉络丛、星型胶质细胞、神经元等多处表达[4]。脑缺血损伤时，NVU中神经元、星形胶质细胞、小胶质细胞、血管内皮细胞等多种细胞上调VEGFmRNA的表达或分泌VEGF蛋白[4]，后者与血管内皮细胞表面的受体结合，参与血管新生。对急性缺血性卒中患者的脑组织进行病理研究发现，梗死区的神经元、星形胶质细胞、小胶质细胞、血管内皮细胞等不同细胞中均能表达VEGF，但其表达程度存在差异，其中神经元表达最强，且随患者年龄的升高而降低，星形胶质细胞、小胶质细胞、血管内皮细胞次之[4]。VEGF表达的升高发生在脑缺血后3 h，可持续1～2周[5]。动物研究发现VEGF与脑缺血损伤后血管新生密切相关:给予大鼠大脑中动脉栓塞(middlecerebralartery occlusion，MCAO)模型静脉注射VEGF165治疗后可以显著提高梗死周边区血管的新生，减小梗死面积，改善神经功能缺损[6]；将携带VEGF165基因的质粒脂质体注入MCAO模型大鼠的梗死脑组织，使VEGF高表达，也具有促进血管新生和减少梗死面积的作用[7]。临床研究发现，脑梗死患者血清VEGF浓度高于正常人群，发病第7天达到高峰，并持续升高至14 d；脑梗死直径＜1.5 cm、斯堪的纳维亚卒中量表(Scandinavian stroke scale，SSS)＞40 分的患者血清VEGF浓度较低，脑梗死直径＞4 cm、SSS＜30分的患者血清VEGF浓度较高，提示血清VEGF浓度与脑梗死面积相关，其原因可能与脑梗死后的血管新生有关[5]。另一研究也发现，急性缺血性卒中患者血清VEGF水平与脑梗死面积、长期预后存在相关性[8]。

VEGF与其受体 VEGFR-1、VEGFR-2结合后，发生自身磷酸化，诱发多条下游信号转导机制，从而发挥生物学效应。脑缺血损伤后，VEGFR-1和 VEGFR-2在内皮细胞、胶质细胞和神经元均有表达[9]。对小鼠MCAO模型研究发现，VEGFR-1mRNA在梗死周边区表达的升高出现在梗死后48 h，7 d左右恢复至正常水平；VEGFR-2mRNA在梗死后48h表达，梗死后72h出现强表达，发病后7 d仍持续升高[9]。VEGF/VEGFR-1通路并不能直接导致血管新生，但是可以激活血管内皮细胞、神经元的ERK等MAPK信号通路，具有抗凋亡的作用[10]，同时可以激活VEGFR-2，进一步促进血管新生。在小鼠MCAO模型中使用VEGFR-2选择性抑制剂SU5416(semaxinib)干预可阻碍神经血管的修复，提示VEGF/VEGFR-2信号通路的激活与血管新生、神经再生等修复机制有关[11]。此外，VEGF和相应受体结合后也可能通过调节Akt、p38等通路之间的作用促进血管新生，但其具体的机制尚不清楚。

1.2 成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factor，FGF)

FGF是一种碱性蛋白，属于非特异性血管新生作用因子，广泛作用于多种细胞。FGF家族成员包括酸性成纤维细胞生长因子 (acidic fibroblast growth factor，aFGF)和碱性成纤维细胞生长因子 (basic fibroblast growth factor，bFGF)等，它们可以直接作用于血管内皮细胞，促进其增殖和迁移，对血管生成起正调控的作用。

脑梗死动物模型中发现，脑缺血后 24 h～30 d神经元内可检测到aFGF，14 d 达高峰，后逐渐下降[12]；脑缺血后1 h梗死区域的神经元出现bFGFmRNA的表达，2周内表达持续升高[13]，梗死灶周边的神经元在缺血后1 d bFGF表达[14]，血管内皮细胞和胶质细胞在梗死后2周内均不同程度地表达bFGF[14]。人体研究发现，脑梗死患者缺血半暗带内神经元、胶质细胞和血管内皮细胞均有bFGFmRNA和蛋白的表达，脑梗死患者发病2周内血清bFGF水平显著升高，提示bFGF的上调是脑梗死后缺血半暗带血管新生和神经保护的机制之一[15]。另一临床研究也发现，急性脑梗死患者血清bFGF水平显著升高，发病后3 d达高峰，14 d内持续升高；患者血清bFGF水平与脑梗死面积、临床预后存在相关性[16]。

FGF在血管新生中的作用主要是促进血管内皮细胞增殖、迁移和管腔形成。MCAO大鼠模型脑内注射aFGF后能够促进梗死周边区血管内皮细胞的增殖，提高血管新生，改善神经功能的缺损[17]。多项动物缺血模型的研究也证实bFGF具有促进局部血管新生，减少梗死面积，改善神经功能的作用[18]。但是bFGF对不同年龄缺血损伤的修复机制可能不同:新生大鼠双侧颈总动脉栓塞 (bilateralcommon carotid artery occlusion，BCCAO)模型中给予脑室注射bFGF后，发现bFGF能促进神经干细胞的增殖，并促进其分化为神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞，但并未显著改善梗死面积，提示bFGF对新生大鼠缺血损伤的修复是通过神经再生的作用机制[19]；成年大鼠MCAO模型中给予侧脑室注射bFGF后发现bFGF能减小成年大鼠的梗死面积，改善其行为学评分，减少Caspase-3的激活，提示bFGF对成年大鼠缺血损伤的修复是通过神经保护的作用机制[20]。

1.3 血小板衍生因子(plateletderived growth factor，PDGF)

PDGF是一种促细胞分裂剂，属于非特异性血管新生作用因子，具有刺激血管内皮细胞、成纤维细胞等特定细胞群分裂增殖的能力。PDGF-B及其受体PDGFR-β能诱导血管内皮细胞和周细胞参与缺血损伤后血管新生、血管重建等修复过程。研究发现，左侧MCAO小鼠模型中双侧脑组织PDGF-BmRNA水平在造模后3h～1周内均有升高，梗死区血管组织、周细胞PDGFR-βmRNA在造模后48 h显著升高，提示PDGFR-β是关键的作用因子，PDGF-B可能通过上调其受体PDGFR-β的表达来发挥神经血管修复的功能[21]。人体研究发现，PDGF-A和PDGF-BmRNA主要在缺血半暗带的神经元内表达，PDGFR在梗死区及缺血半暗带的神经元、星型胶质细胞和血管内皮细胞均有不同表达，脑梗死组织中不同细胞PDGF及其受体的表达可能与血管新生有关[22]。

2 血管生成素

Ang是一种糖蛋白，属于特异性血管新生作用因子，分子量约70kDa，该家族包括 Ang-l、Ang-2等因子。Ang-l具有促进血管新生的作用，其基因定位于8p22，由498个氨基酸组成，含3个结构域。Ang-2具有抑制血管新生的作用，是Ang-1的竞争性抑制物，通过拮抗Ang-1发挥活性。Ang-l和 Ang-2的受体均是 Tie-2。Ang-l可以和内皮细胞上Tie-2结合，通过酪氨酸磷酸化而激活，趋化局部间质细胞，诱导间质细胞分化为血管周细胞和平滑肌细胞，刺激基质沉积而形成血管。

脑缺血损伤后24 h出现Ang-1 mRNA表达升高，1～2周内显著升高，持续4周左右[23]；脑缺血损伤后24h在梗死区及梗死周边组织，尤其是血管内皮细胞中出现Ang-2mRNA表达升高，持续2～4周[23]。MCAO大鼠模型运动康复治疗改善神经功能的研究提示，Ang-1/Tie-2信号通路的激活与血管新生有关[24]。将携带Ang-1和VEGF基因的重组载体共同注入MCAO大鼠模型侧脑室，脑内共同表达Ang-1和VEGF后可以从血管新生、血脑屏障功能改善、梗死面积减小等多个角度发挥神经血管修复作用，提示Ang-1/Tie-2信号系统和VEGF/VEGFR信号系统在缺血损伤后血管新生等修复过程中可能具有互补作用[25]。

3 MMPs

MMPs是一类Zn2+依赖性内源性蛋白水解酶，在NVU损伤和修复过程中具有双向作用。脑缺血急性期，MMPs参与炎症损伤反应，在维持血脑屏障的功能等方面起负面的影响[26]；脑缺血恢复期，MMPs通过清除血管生成抑制性物质，释放或调节相关血管生成因子，从而促进血管新生。Ⅳ型MMPs又称为明胶酶，包括MMP-2和MMP-9，在胞外基质的降解、血管新生过程中发挥重要作用。

NVU损伤修复阶段，神经元、内皮细胞、星形胶质细胞、小胶质细胞、周细胞等均可产生MMPs，参与血管新生。MMPs主要通过两条途径对血管新生进行调节:MMPs清除NG2蛋白多糖、Nogo A等抑制性物质；MMPs上调VEGF等血管生成因子水平，诱导血管内皮细胞、神经母细胞、胶质细胞发生迁移，从而促进血管的生成。MCAO大鼠模型给予MMP抑制剂(FN-439)和(或)VEGF干预的研究发现，MMP-9在脑缺血后 7～14 d的上调与神经血管修复有关，使用MMP抑制剂可以通过阻碍VEGF信号通路使脑缺血损伤加重，提示MMP-9在恢复期促血管新生的机制可能与VEGF信号通路有关[27]。研究也发现，MMP-9能促进释放基质细胞衍生因子 (stromal-cell-derived factor-1，SDF-1)，后者动员和募集CXCR4+VEGFR1+的内皮祖细胞，通过表达VEGFR促进血管新生，而MMP-9基因敲除的小鼠SDF-1释放显著减少[28]。

4 HMGB1

HMGB1是一种高度保守的核蛋白，分子量约30 kDa，人类HMGB1基因位于13q12染色体上，包括5个外显子和4个内含子。HMGB1参与NVU缺血后的损伤和修复，具有双向调节作用。脑缺血急性期，梗死核心区、神经元、胶质细胞等均能释放HMGB1，后者参与急性炎症反应，引起脑组织损伤[29，30]；脑缺血恢复期，HMGB1参与血管新生、神经再生等修复过程[31]。体外细胞培养发现，HMGB1可诱导内皮细胞迁移，并促其芽生[32]。角膜碱烧伤诱导新生血管的实验发现，TLR4-/-小鼠比野生型小鼠血管新生减少，但两者损伤角膜处HMGB1表达均增高，提示HMGB1-TLR4信号通路和血管新生有关[33]。脑缺血损伤后HMGB1促进神经血管修复的机制尚不明确，可能是通过加强神经元-胶质细胞-血管内皮细胞之间的串话、诱导干细胞迁移和分化等方面来实现[31]。

5 IL

IL除作为炎症介质参与急性炎性损伤反应外，还具有直接或间接促血管新生的作用，是血管新生非特异性作用因子。目前认为IL-1、IL-6、IL-8能诱导内皮细胞迁移，促进血管新生。对IL-1α和 (或)IL-1β基因敲除的小鼠进行研究，IL-1β能在常氧和缺氧状态下促进血管新生，同时也能诱导炎性细胞浸润释放VEGF；缺氧状态下，当IL-1β处于较低水平时IL-1α亦能发挥血管新生的作用[34]。另一研究显示，IL-1α诱导血管新生与其浓度有关[35]。在体实验提示IL-6mRNA在内皮细胞的表达与血管新生有关[36]，体外实验发现IL-6可诱导内皮祖细胞迁移、增殖，进而发生血管新生[37]。IL-6促血管新生的作用可能与激活ERK1/2、STAT3、NF-κB 等 信 号 通 路 有 关[37]。IL-8也具有促血管新生的作用，它能直接诱导血管内皮细胞增殖、迁移，产生MMPs，调节血管新生[38]，也能协同VEGF/VEGFR系统，促进血管新生[39]。

6 结语

综上所述，多种神经营养因子、Ang、MMPs、HMGB1、IL 等共同参与NVU缺血损伤后血管新生的过程，但需要强调的是:①血管新生并不是以血管内皮细胞独立发挥作用为主导，而是NVU多种细胞间相互作用的整合；②血管新生并不是独立的修复机制，而是与神经再生、突触重塑等多种修复机制协同作用，密切互补；③MMPs、HMGB1、IL等多种因子对NVU的损伤和修复具有双重功能。

NVU概念的提出将神经元、胶质细胞、血管内皮细胞等视为整体，各成员共同参与脑缺血损伤后的修复过程。从治疗的角度，神经血管修复治疗比神经保护治疗具有更长的治疗时间窗。因此，更好的了解NVU损伤-修复转化机制，从中寻找有效的治疗靶点，具有重要意义。

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R741；R743

A

1001-117X(2013)04-0285-04

10.3870/sjsscj.2013.04.016

1.复旦大学附属 华山医院神经内科上海200040

2.上海中医药大学附属岳阳中西医结合医院神经内科 上海200437

2012-12 -17

董强