低氧预处理与高氧预处理在脊髓损伤后神经保护作用的相关研究进展①

张雯秀，张妍，张衍军，吴启超，刘亚东，刘宗建，关云，陈学明,b

1.首都医科大学附属北京潞河医院，a.中心实验室；b.脊柱外科，北京市101149

脊髓损伤后通常会发生一系列病理变化，包括血管系统崩解、水肿、免疫细胞浸润、炎症反应、神经胶质增生/胶质瘢痕形成、细胞凋亡和死亡以及脱髓鞘等[1]。长期激活的淋巴细胞、小胶质细胞和巨噬细胞等免疫细胞可导致神经系统发生继发性损伤，从而引起受损局部微环境发生改变，并阻碍中枢神经系统(central nervous system,CNS)中轴突的再生[2]。CNS损伤后引起的缺血缺氧、兴奋性氨基酸毒性作用、自由基及炎症反应是造成继发性损伤的主要原因。由此将脊髓损伤分为急性脊髓损伤和慢性脊髓损伤。急性脊髓损伤主要由原发性机械损伤造成，主要病理特点包括神经元坏死、轴突变性和脱髓鞘等；慢性脊髓损伤主要由继发性损伤引起，主要是胶质瘢痕、炎症及囊腔空洞形成[3]。

低氧及高氧预处理是指机体预先经过短暂的低氧或高氧刺激，再恢复其正常氧状态，并反复多次，使机体对低氧或高氧产生适应，提高机体对氧的耐受。目前针对脊髓损伤治疗的研究主要集中于药物保护、干细胞治疗以及组织工程治疗等方面，应用物理手段研究脊髓损伤的报道较少。本文综述近几年关于应用低压氧及高压氧预处理探讨脊髓损伤后保护作用的文献，探讨其对神经元的影响及对脊髓的营养和保护作用。

1 低氧预处理

1.1 重复性间歇性低氧(repeated acute intermittent hypoxia,RAIH)

低压氧预处理作为一种有效的物理防御手段，在脊髓损伤的研究中鲜有报道。Satriotomo等[4]提出RAIH能增加运动神经元中生长因子与营养因子的表达，从而诱导呼吸运动的可塑性及神经保护。可塑性可在多个控制呼吸的神经系统发生，包括脑干整合神经元、外周化学感受器和呼吸运动神经核[5-7]。Satriotomo等提出RAIH能作为提高运动神经元存活率和细胞移植的预处理手段之一。

在细胞水平上，间歇性低氧能改变突触可塑性和神经保护关键分子的表达。研究RAIH诱导突触可塑性最常见的模型是膈神经长时程易化(phrenic long term facilitation,pLTF)伴急性间歇性缺氧(acute intermittent hypoxia,AIH)模型，需要脊髓中5-羟色胺受体激活后，与脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)结合，形成5-羟色胺依赖综合体[7]。RAIH能引起膈神经运动核中多种分子pLTF后表达增加，包括BDNF、高亲和性受体和酪氨酸激酶受体B(tyrosine receptor kinase B,TrkB)等[8-9]。Lovett-Barr等[8]和 Prosser-Loose等[10]发现，持续每天进行AIH能改善颈脊髓损伤大鼠的前肢运动功能，效果能持续数周。

在CNS中，BDNF是强大的神经元兴奋和突触传递的调节剂[11]，物理运动能增加脑和脊髓中BDNF的表达，而BDNF表达增加能反应运动功能的变化[12]。RAIH成为能够诱发脊髓中BDNF和TrkB表达，开始逐渐被关注。

1.2 低氧预处理

低氧预处理能有效提高移植后骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells,BMSC)的存活率，并对神经功能有保护作用，使干细胞移植到缺血组织后能更好抵抗缺血状态；它能抑制血脊髓屏障和细胞凋亡，抑制组织缺血再灌注所造成的组织损伤，并上调缺氧诱导因子-1(hypoxia inducible factor-1,HIF-1)在脊髓组织中的表达[13]。这能成功提高BMSC中的细胞含量以及宿主细胞的存活率[14]。

BMSC能有效抑制脊髓缺血再灌注损伤[15]。一些体内和体外研究证明，低氧预处理可能提高BMSC对低氧环境的适应性，并增加其细胞活性，从而很好抑制细胞凋亡[16-18]；使其分泌多种细胞因子、趋化因子和生长因子，促进组织修复[19]。

血脊髓屏障能调节和限制大分子物质进入CNS，保持脊髓正常微环境。原发性损伤会造成血脊髓屏障受损并改变其蛋白渗透性，炎性物质能够自由进入，从而诱发和加重脊髓损伤。在心肌细胞研究中，低氧预处理能增强心肌组织中BMSC的修复能力，促进血管生成[20]；低氧预处理的BMSC能够有效抑制缺血组织中细胞凋亡[21]。

基因修饰的神经干细胞(neural stem cell,NSC)能被移植进受损的脊髓中，促进运动功能恢复[22]。Oh等[23]将NSC与骨髓基质细胞(marrow-derived stroma cell,MSC)共培养，在培养过程中采用低氧预处理，发现低氧预处理不仅能在体外促进MSC与NSC共培养细胞的存活及报告基因的表达，在体内也能起同样作用。

1.3 急性间歇性低氧

呼吸功能不全是高颈段脊髓损伤后死亡的主要原因。虽然呼吸运动可以随时间逐渐恢复，但其自主恢复能力有限。Golder等[24]发现，在慢性脊髓损伤中，间歇性低氧能在大多数患者中有效诱导呼吸功能恢复，同时诱发自主呼吸功能恢复。

Blight[25]的关注重点在于急性脊髓损伤后如何修复脊髓轴突，从而引导神经通路修复。脊髓损伤通常是不完全的，受损的运动系统中通常能观察到未受损的轴突神经，并为神经轴突自发放电功能的恢复提供酶作用物。但在长期脊髓损伤患者中，这种自发功能恢复的治疗方案几乎不存在。

慢性脊髓损伤的发病机制复杂，目前一般认为细胞凋亡和死亡是造成慢性脊髓损伤的主要原因。间歇性低氧可以诱发脊髓5-羟色胺依赖的可塑性，通过pLTF加强突触与运动神经元之间的联系。在pLTF过程中，脊髓损伤后4～8周，由5-羟色胺支配的膈运动神经元发生明显变化[24]。目前认为，间歇性低氧在急性脊髓损伤后是增强呼吸运动的最佳方法之一，为脊髓损伤后功能的恢复提供了一种新的潜在治疗方式。

2 高压氧

高压氧能改善脊髓损伤后肢体活动，并延缓病变发生；在受损的神经组织中减轻继发性炎症反应，提高氧分压，抑制细胞凋亡，并促进神经组织再生；同时它能改善组织缺氧状态，上调细胞中的线粒体酶活性，使损伤细胞得到修复，并促进正常代谢反应；另外，高压氧能有效抑制活化的小胶质细胞分泌炎症因子，从而调节小胶质细胞介导的免疫反应[26-29]。

高压氧具有保护脊髓中细胞结构与组织结构完整性的作用，缩短受损神经细胞的再生周期，并促进神经纤维再生。目前，高压氧干预在脊髓损伤治疗中的作用已经在多项试验中被证实，这一治疗方式还被广泛应用于各种特殊事故及神经类疾病中，包括一氧化碳中毒、气体栓塞、减压病等[30]。

Lu等[31]将高氧预处理作用于脊髓损伤大鼠，同时利用低氧预处理作为对照，发现无论高压氧预处理还是低压氧预处理都能促进神经功能恢复，抑制细胞凋亡，促进轴突再生和运动行为的恢复，能作为神经外科手术有效的预防措施。目前，低氧和高氧已经被广泛应用于保护中枢神经系统的研究中。

3 HIF-1和血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)

HIF-1由两种亚基组成，通过泛素蛋白酶途径发挥作用，在低氧条件下稳定存在并发挥功能，但在常氧状态下快速降解；其亚型HIF-1b却在常氧中趋于稳定。HIF-1能激活转录基因编码VEGF、红细胞生成素、糖酵解酶、葡萄糖转运蛋白等。脊髓损伤后，这些蛋白能增加氧气运送，促进代谢反应[32]。

VEGF转录可上调HIF-1在5'启动子区与低氧反应元件结合。在大多数低氧环境中，HIF-1能介导VEGF上调。白质损伤及前肢瘫痪后16～20周内，大量细胞表达HIF-1，VEGF迅速增加。脊髓损伤后，VEGF和HIF-1的表达均明显上调。体外研究表明，低氧预处理的BMSC能促进HIF-1分泌，提高细胞对低氧环境的适应性，从而达到神经保护作用[33]。

4 展望

预处理是一种内源性保护措施，在循环系统、神经系统、器官移植中具有重要的临床价值。低氧预处理和高氧预处理对中枢神经缺血再灌注损伤的保护作用已经得到较好证明[34]。

目前脊髓损伤的治疗研究仍然集中于探讨药物或干细胞，很少从物理角度，包括低氧或高氧方面深入探讨其神经保护作用和机制。本文从对低氧、高氧及低氧后一些重要的标志性因子进行探讨，试图将物理性保护引入脊髓损伤的研究中，为脊髓损伤的治疗开辟一条新的途径。

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