脑缺血再灌注损伤病理生理机制研究进展

郎丰山，黄云霞, 薛 云，马玉奎**

（1. 山东省临朐县人民医院，山东 临朐262600；2. 北部战区陆军参谋部门诊部，山东 济南250022；3. 山东省药学科学院，山东 济南 250100）

脑血管疾病（cerebrovascular disease，CVD）是威害人类生命与健康的多发病和常见病，与心脏病和肿瘤并列为引起人类死亡的三大主要原因[1]。脑血管病按性质可分为缺血性脑血管病和出血性脑血管病两大类，缺血性脑血管病在临床上较为多见。对于缺血性脑血管病的首要治疗原则是尽早重建血液再灌，恢复脑部的血氧供应，使缺血脑组织重新获得营养物质供应，同时将有害的代谢产物清除掉[2-3]。但脑缺血后再灌注可加重缺血脑组织的病理损害，使病情恶化，这种现象被称为脑缺血再灌注损伤（cerebral ischemia-reperfusion injury，CIRI）[4]。针对CIRI的病理机制，世界各国的科技工作者进行了广泛而深入的研究，提出了能量代谢障碍、钙超载、兴奋性氨基酸毒性、线粒体损伤、一氧化氮大量合成、炎症损伤、氧化应激、多巴胺和神经细胞凋亡等一系列学说[5-6]。本文综合国内外近几年的研究报道，对CIRI的病理生理机制研究进展进行综述，为CIRI的临床针对性治疗提供参考。

1 能量代谢障碍

脑部组织对氧气的需求量大，只能依靠脑血流转运的葡萄糖供应能量，几乎没有糖原及三磷酸腺苷的储备，需要不间断的局部脑血流循环供应氧和葡萄糖，才能维持其正常的生理机能[7]。每分子葡萄糖在有氧条件下可代谢生成38分子ATP，而无氧酵解仅生成2分子ATP。脑部神经递质、细胞膜结构和酶等物质合成及阳离子在脑内的运输等需要的能量均来自葡萄糖代谢产生的ATP。脑缺血时，局部脑组织血流量中断或急剧减少，神经元的葡萄糖和氧气供应在短时间内显著减少，此时缺血区的脑组织获得能量的方式主要靠葡萄糖的无氧酵解，而无氧酵解方式代谢产生的ATP较少，ADP产生增多，从而使ADP/ATP比例增加，脑组织代谢需要的能量供应不足，线粒体结构受损，功能出现异常，从而导致整个脑细胞及细胞器的功能损伤，进一步加重缺血性脑损伤[7]。

2 Ca2+超载

脑缺血再灌注钙超载是各种因素综合作用的结果，也是引起脑组织损伤的共同通路。脑缺血再灌注与缺氧复氧时细胞内钙超载可通过以下途径产生细胞毒性作用，引起CIRI[8-10]：① 胞内Ca2+浓度升高时，钙调蛋白（CaM）从无Ca2+失活态转变为Ca2+结合的活化态，Ca2+和活化的CaM复合物使5-羟色胺、去甲肾上腺素及弹性蛋白酶释放，引起脑血管痉挛，局部血流状况恶化，加重脑缺血缺氧；② Ca2+超载可激活磷脂酶C和磷脂酶A2，磷脂酶C和磷脂酶A2降解生物膜磷脂生成自由基，造成膜的脂质过氧化，破坏生物膜；磷脂酶A2激活后可使花生四烯酸生成增多，钾通道开启，导致细胞膜超极化，谷氨酸（Glu）释放增多而摄取减少，通过与Glu受体结合加重损伤；膜磷脂分解过程中产生的脂肪酸、前列腺素、血栓烷、白三烯、溶血磷脂和血小板激活因子等，一方面导致脂质膜流动性降低及通透性增高，细胞肿胀；另一方面可增强白细胞聚集和血管收缩，加重脑缺血；③ Ca2+达到一定浓度时便激活一氧化氮合酶（NOS）及钙依赖蛋白酶，使细胞内无害的黄嘌呤脱氢酶转变为黄嘌呤氧化酶，氧自由基大量生成；④ 钙超载导致线粒体功能障碍：细胞内外钙平衡紊乱，细胞外Ca2+内流入细胞，主要聚集在线粒体，线粒体内Ca2+沉积造成氧化磷酸化电子传递脱耦联，ATP合成减少，细胞呼吸受到抑制，使能量生成障碍；当线粒体内钙离子浓度超过一定限度后可引起线粒体通透性转换（mitochondrial permeability transition，MPT）孔的产生，线粒体内的Ca2+及呼吸链的成分可通过MPT孔释放到细胞外，最终导致呼吸链功能受损，ATP合成受阻，线粒体结构破坏；Ca2+还可活化线粒体的磷脂酶，引起线粒体膜损伤，引起磷酸钙在线粒体内沉积，膜的通透性改变，造成细胞不可逆损伤；除ATP合成外，线粒体对细胞氧化还原反应、渗透压、pH值、细胞内信号的维持都有重要作用，线粒体是细胞受损的重要靶目标；⑤ 脑血管的平滑肌细胞Ca2+内流，产生血管收缩与痉挛；血管中层细胞Ca2+沉积使血管弹性及结构受到严重损害，导致脑梗死加重。

3 NO合成过多

NO是体内发现的第一个气体信号分子，结构简单，性质极不稳定，半衰期较短，亲脂性高，具有多种生物学效应。NO作为一种第二信使，广泛存在于神经组织中，可维持神经系统的正常生理功能和调控疾病的发生发展。研究表明，NO在CIRI中具有正反两方面作用：一方面可引起血管扩张、改善脑局部缺血组织的血氧供应、抑制缺血再灌注损伤，发挥神经保护的有利作用；另一方面通过参与脑损伤与迟发型神经元死亡过程，起到诱导神经细胞凋亡的不利作用。在中枢神经系统中，NO是以L-精氨酸为底物，在NOS催化下主要由神经胶质细胞、血管内皮细胞和神经元产生。NOS是NO合成的限速酶，有3种亚型：内皮型（eNOS）、神经元型（nNOS）及诱生型（iNOS）[11]。eNOS主要存在于内皮细胞中，nNOS主要存在于神经细胞中。由eNOS催化合成的NO在缺血早期可通过扩张脑血管、增加脑血流量、改善微循环、增加缺血区的血氧供应而保护受损区脑组织[12-13]；缺血后期，NO主要由nNOS和iNOS催化生成，可干扰细胞正常代谢、促进自由基产生，从而发挥神经细胞毒性作用，加重CIRI[14]。

4 兴奋性氨基酸毒性

兴奋性氨基酸（excitatory amino acid，EAA）包括Glu、天冬氨酸、甘氨酸、海人藻酸、喹啉酸等，广泛分布于中枢神经系统中，在正常生理状态下能传递兴奋性信息。其中，Glu含量最高，是中枢神经系统中最重要的兴奋性神经递质，Glu主要分布在小脑、大脑皮质和纹状体中，脑干和小丘脑亦有少量分布。缺血缺氧状态下，一方面突触前膜钙离子通道开放，Glu释放增多；另一方面Glu的再摄取减少，导致细胞间隙的Glu迅速增多，导致神经细胞损害[15]。

尽管引起CIRI的病理生理机制目前尚未完全明确，但有充足的证据证明在神经元凋亡和死亡过程中Glu等兴奋性氨基酸起到了重要作用[16]。Glu受体有3种亚型：代谢型受体、AMPAR和NMDAR。Glu大量释放后激活Glu受体，进而激活与Gq蛋白耦联的磷脂酰肌醇信号转导系统，导致细胞通透性增加，大量的钠离子和氯离子进入脑细胞内，水被动性进入脑细胞，引起脑水肿，导致神经细胞不可逆损伤甚至死亡[17]。

5 氧化应激损伤

当机体遭受有害刺激时，机体内产生的活性氧自由基（reactive oxygen species，ROS）介导的抗氧化防御和氧化损伤之间的平衡被打破，ROS在机体或细胞内蓄积，引起机体组织细胞的氧化损伤过程即为氧化应激。ROS主要包括单线态氧、臭氧、过氧化氢和氧自由基等。正常生理状态下，机体进行有氧代谢时可产生ROS，且体内ROS的产生和消除之间保持着动态平衡。当机体缺血再灌注时，NOS、环氧合酶（cyclooxygenase，COX）、黄嘌呤脱氢酶/黄嘌呤氧化酶、 还 原 型 辅 酶 II 氧 化 酶、髓过氧化物酶（myeloperoxidase，MPO）和单胺氧化酶（monoamine oxidase，MAO）等促进ROS产生的酶和过氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、过氧化氢酶（catalase，CAT）、过氧化物酶（peroxidase）、谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-Px）等防止ROS产生的酶表达和活性发生改变，破坏ROS的动态平衡，导致体内ROS蓄积，过氧化损伤体内蛋白质、脂质和核酸大分子物质。脑组织是机体内最容易产生ROS的器官。在CIRI中，氧化应激一方面可引起蛋白质变性和细胞成分氧化，引起神经元死亡或损伤[18-20]；另一方面还可通过内质网应激（endoplasmic reticulum stress，ERS）途径和线粒体途径引起细胞凋亡[15, 21-22]。

6 炎性机制损伤

大量研究表明，炎症免疫反应广泛参与了CIRI，脑组织局部过度的炎症反应是造成CIRI的主要原因之一，也是脑缺血再灌注继发性损伤的重要发病机制。炎性反应涉及许多炎性介质及炎性细胞。炎性介质及炎性细胞在CIRI中的毒性作用机制[15,17,23-25]为：（1）白细胞在缺血区浸润聚集后可释放多种炎性细胞因子[肿瘤坏死因子α（TNF-α）、白介素1（IL-1）和IL-6]、NO、蛋白水解酶及ROS，通过直接损伤神经元造成局部缺血组织坏死；白细胞还可与内皮细胞相互作用，一方面引起微血管阻塞，诱发形成血栓，导致微血管的“无复流”甚至阻断再灌注；另一方面可破坏血脑屏障，引起脑水肿、出血及脑局部组织坏死等；（2）小胶质细胞在脑缺血损伤中具有双重作用。在缺血的急性期，可通过分泌炎症细胞因子、ROS、NO、蛋白酶等生物活性物质而发挥神经毒性作用；在缺血后期可通过调节细胞因子、受体、蛋白质的表达或调节神经生长因子的分泌而保护脑组织；（3）星型胶质细胞具有诱导小胶质细胞分化和增殖的作用，可增强其本身和巨噬细胞的吞噬能力；通过与趋化因子发生反应而介导细胞免疫，促进炎症介质产生；（4）IL-1、IL-6和TNF-α是体内最重要的细胞因子。其中IL-1β和TNF-α 可引发炎性反应，刺激内皮细胞产生多种组织因子，促进释放NO、兴奋性氨基酸、ROS等参与CIRI过程；在脑组织损伤过程中IL-6有正反两方面作用，浓度较低时发挥神经元保护和促进修复作用，浓度较高时具有神经毒性作用。

7 细胞凋亡

细胞凋亡是基因控制的细胞自主性死亡，是一种程序性细胞死亡（programmed cell death，PCD），具有选择性、主动性、可逆性等特点，是CIRI的主要病理生理机制之一。细胞坏死的特征是细胞肿胀、膜破裂和DNA随机降解，而细胞凋亡的特征为染色质致密、DNA片段形成、胞浆膜发泡、凋亡小体出现等，需要mRNA和蛋白质的积极合成。有研究表明CIRI时，坏死和凋亡的比率在缺血核心区是9:1，而在缺血半暗带为6:1。CIRI诱导神经细胞凋亡的途径主要有3种：内质网应激途径、死亡受体途径和线粒体途径。许多凋亡相关基因和信号通路参与了这个过程，主要包括p53基因、Fas基因、Bcl-2蛋白家族、Caspase家族和P38、Notch、雷帕霉素蛋白和JAK2/STAT3信号通路等[26-28]。其中，与细胞凋亡最为密切的是Bcl-2家族蛋白中抗凋亡作用的Bcl-2和促凋亡作用的Bax。细胞凋亡发生率决定于Bcl-2和Bax表达的比例，Bax表达占优势时促进细胞凋亡，Bcl-2表达占优势时抑制细胞凋亡。p53是调控细胞增殖的重要基因，脑缺血时，p53活化，表达上调，通过上调促凋亡基因如Bax，下调抗凋亡基因如Bcl-2的表达，而发挥促进细胞凋亡作用。Caspase家族在细胞凋亡起着至关重要的作用，它是一类同源半胱氨酸蛋白酶，能裂解靶蛋白，其中Caspase-3（死亡蛋白酶）的激活在触发细胞凋亡过程中起核心作用，线粒体和死亡受体介导的凋亡途径均可通过激活Caspase-3后直接裂解胞内诸多成分，诱导细胞凋亡。Fas是促进细胞凋亡的基因之一，是细胞表面的一种死亡受体，同样通过激活Caspase家族而导致细胞凋亡。

8 结语

综上所述，CIRI涉及复杂的病理生理机制，包括缺血早期的原发性损伤和再灌注后的继发性损伤两个阶段。缺血再灌注后的脑组织损伤既取决于血流减少程度，还与细胞内钙超载、氧化应激、兴奋性氨基酸的神经毒性作用、NO合成过多、能量代谢障碍及炎症反应等因素有关。导致CIRI的诸多因素或环节相互影响或互为因果，共同作用产生神经毒性，最终导致局部脑组织损伤，神经细胞坏死或凋亡。