蛛网膜下腔出血病理生理机制研究进展

张昌林，倪小佳，2，3，林浩，2，吴俊标，4，李春花，黎劭学，2，蔡业峰，2，3

蛛网膜下腔出血（subarachnoid hemorrhage，SAH）具有较高的致死率和致残率，分为原发性和继发性两种类型[1-2]。临床上脑血管痉挛、脑积水、再出血、脑梗死、癫痫及电解质紊乱等是SAH相关并发症，可导致患者严重残疾甚至死亡[3]。SAH涉及的病理生理过程复杂，尽管目前对SAH后脑血管痉挛和早期脑损伤的研究不断深入，但尚未能明确其发生机制，并设计合理的预防治疗方案。本文综述国内外SAH病理生理机制的研究，以期为SAH的临床治疗及新药研发提供依据。

1 脑血管痉挛

SAH后脑血管痉挛（cerebral vascular spasm，CVS）是颅内动脉病理性收缩、管腔变窄的一种状态，具有双相性特点。离子通道活性改变是导致CVS发生的重要因素，SAH后流入脑脊液中的血液对血管产生机械性刺激，引起平滑肌细胞Ca2+通道激活，Ca2+内流与钙调素受体结合，激活轻链肌球蛋白酶，进而促使轻链肌球蛋白磷酸化，使得血管平滑肌细胞收缩，导致早发性CVS。迟发性CVS的发生依赖蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）途径，这是一类Ca2+和磷脂依赖性蛋白激酶，使肌球蛋白细肌丝相关蛋白发生磷酸化，进而促进肌球蛋白的结合使血管平滑肌细胞收缩，维持血管痉挛[4-5]。脑血管平滑肌细胞上K+通道的激活，可引起K+外流，导致电压门控钙通道关闭，细胞内Ca2+减少，血管舒张。研究表明K+通道活性降低是SAH后血管舒缩功能障碍的一个重要因素，由于血管平滑肌K+通道活性降低，平滑肌细胞去极化而引起血管收缩[6]。

血管舒缩因子的变化是脑血管痉挛发生的重要物质基础，内皮素-1（endothelin-1，ET-1）是SAH早期炎症反应和缺血反应时由星形胶质细胞与白细胞释放的一种血管活性肽，具有强大而持久的血管收缩功能[7]。相关研究显示，SAH后血浆中ET-1含量急剧升高，激活PKC途径，诱导细胞内Ca2+升高，使血管收缩；另一方面，与血管舒张功能相关的细胞因子如降钙素基因相关肽、前列环素及一氧化氮含量均显著下降，导致血管舒张效应的抑制，两者共同介导脑血管痉挛的发生[8-11]。此外，神经激肽1受体（neurokinin-1 receptor，NK1R）与P物质相结合，作用于Ca2+通道，引起膜电位的去极化从而使血管收缩，Saema Ansar等[12]通过大鼠实验发现，使用NK1R拮抗剂可有效地防治脑血流量减少引起的CVS。另有学者对CVS标志物进行探索，强调载脂蛋白E基因型差异参与SAH后CVS的发展，而变异结合珠蛋白则与SAH患者预后差有着密切相关，但其进一步的相关机制仍在探讨当中[13-15]。

2 氧化应激反应

活性氧簇产生和清除之间平衡状态的破坏被认为是导致SAH早期脑损伤的关键因素之一[16]。在SAH早期，大量超氧自由基的产生是血红蛋白脂质过氧化级联效应导致的，其中血红素氧化酶-1含量升高，可促使血红素降解为一氧化氮、胆绿素、Fe2+等超氧自由基，使神经元细胞和内皮细胞受到直接损伤；与此同时，体内抗氧化活性成分如超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶、过氧化氢酶等的含量显著减少，导致机体清除过氧化物的能力不足，进一步加深组织细胞的损伤[17]。既往研究表明SAH早期全脑缺血诱导线粒体呼吸链缺血性阻断，使得大量O2-和过氧化氢产生，继发与Fe2+发生芬顿（Feton）和哈伯·韦斯（Haber-Weiss）反应，产生羟自由基，从而直接损伤血管神经单元[18]。大量的氧自由基，既能破坏细胞膜结构的完整性，又能损伤线粒体DNA的结构，通过Ca2+依赖性的线粒体通透性转换，诱发细胞凋亡的发生[19]。

3 炎症反应

炎症反应参与了SAH早期脑损伤和脑血管痉挛的病理性变化过程。在SAH后，进入蛛网膜下腔的红细胞受到破坏并产生大量降解产物，如血红蛋白、高铁血红蛋白等，这些产物可激活Toll样受体4（Toll-like receptor 4，TLR4），TLR4通过激活下游的核转录因子-κB（nuclear factor kappa B，NF-κB）信号传递途径，参与SAH早期脑损伤[20]。Khalid A.Hanafy[21]发现，在SAH早期阶段神经元的凋亡主要依赖于TLR4/MyD88信号通路和小胶质细胞，而晚期特征则依赖于TLR4-TRIF。SAH后血液降解产物可激活中枢神经系统免疫细胞如星形胶质细胞及小胶质细胞，并通过NF-κB和丝裂原活化蛋白激酶通路，释放大量炎性因子[22-23]。这些炎性因子可引起广泛炎症，并导致脑血管痉挛、脑膜炎等并发症的发生。

免疫细胞释放多种细胞因子参与SAH炎症反应过程，它们启动时间、作用途径及靶点一直是研究的热点。研究显示，SAH后检测到血清中IL-2、IL-6、IL-12及肿瘤坏死因子α等炎性因子大量表达，进一步实验发现其可诱导血管收缩因子ET-1的释放，引起血管收缩[24-25]。此外，活化的神经胶质细胞通过环氧酶途径，促进前列腺素类因子产生，从而加剧SAH后炎症反应程度，在SAH模型小鼠中使用环氧酶抑制剂能减轻炎症反应，降低脑水肿的发生，减少神经组织的损伤[26]。NOD样受体蛋白3（NODlike receptor protein 3，NLRP3）炎性小体作为固有免疫重要组分在机体免疫和疾病发生过程中起重要作用。近年来，越来越多证据表明NLRP3炎性小体的激活是SAH后炎症反应的关键因素之一[27]。SAH后由于氧自由基的大量释放，激活NLRP3炎症复合体，活化的NLRP3激活天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白水解酶（cysteinyl aspartate specific proteinase，Caspase）-1并诱导促炎因子如IL-1b、IL-18的成熟。使用NLRP3抑制剂如坏死性凋亡抑制剂或线粒体分裂蛋白抑制剂能有效控制SAH炎症反应，降低脑水肿程度，改善神经功能[28]。

红细胞降解产物可诱发剧烈的神经炎症反应，这一过程可通过外源或内源性途径，激活免疫细胞。多种炎性因子可导致TLR4、NFκB、NLRP3等信号通路被激活，从而介导了SAH后的脑损伤和神经功能障碍。

4 血脑屏障破坏与脑水肿

SAH后脑水肿，主要有血管源性脑水肿及细胞毒性脑水肿。SAH发生后，血浆中Ⅳ型胶原含量增加，血脑屏障基底膜结构被降解，致其通透性增加，血管内液体渗透入周围脑组织，导致血管源性脑水肿的发生；此外，基质金属蛋白酶-9（matrix metalloproteinase-9，MMP-9）的上调参与了SAH早期血脑屏障的损伤。SAH后细胞外调节蛋白激酶依赖通路被激活，促进MMP-9的表达，进一步降解紧密连接相关蛋白Claudin-5，导致血脑屏障的破坏[29]。人闭锁小带蛋白-1（zonula occluden 1，ZO-1）被认为是一种与紧密连接密切相关的分子，研究显示，SAH后半小时脑组织中ZO-1的含量逐渐下降，提示血脑屏障完整性的破坏可能与ZO-1表达降低有联系[30]。丝氨酸/苏氨酸激酶（Rho-associated kinase，ROCK）是小G蛋白超家族成员之一，越来越多证据表明，SAH病理生理过程与Rho/Rho激酶系统的激活密切相关，通过Rho激酶抑制剂，可以维持ZO-1的正常水平，从而保护紧密连接不受破坏[31]。

此外，因SAH后血流动力学的改变，局部组织缺血缺氧等低灌注状态，能量依赖型钠钾泵失活，导致细胞毒性脑水肿的发生[32]。SAH后由于脑性耗盐或抗利尿激素分泌紊乱等因素引起的细胞低渗状态，也导致脑水肿的发生[33]。

5 细胞凋亡、焦亡与坏死

SAH早期机械性损伤、免疫炎症反应、氧化应激反应、离子水平失稳等因素的综合作用下，血管内皮细胞、神经胶质细胞和邻近血管附近的海马区或基底皮层神经元细胞发生广泛凋亡[34]。细胞凋亡的发生由众多的信号通路介导，其中包括了B淋巴细胞瘤-2（B-cell lymphoma-2，Bcl-2）基因家族介导的线粒体途径及死亡受体途径等效应通路[35]。而在细胞器层面，线粒体功能障碍和内质网应激紊乱参与SAH后细胞凋亡的过程。

SAH后，Bcl-2基因家族介导线粒体膜通透性改变，促进细胞色素c从线粒体膜中释放，与凋亡酶激活因子-1（apoptosis protease activating factor 1，Apaf-1）结合形成c/Apaf-1复合物，激活Caspase-9，进而诱导Caspase-3的活化，修饰部分细胞蛋白和DNA结构，诱导细胞发生凋亡[36]。Simge Yuksel等[37]发现，在SAH后，脑组织中死亡受体及肿瘤坏死因子表达上调，激活Caspase级联反应，进而上调P53表达，诱导细胞发生凋亡。蛋白激酶B是一种丝氨酸/苏氨酸激酶，具有抗凋亡信号转导的作用，其通过依赖Caspase途径抑制细胞的凋亡，研究显示缺血性脑神经元的死亡可能与蛋白激酶B活性受到抑制有关[38]。MMPK通路在SAH后早期脑损伤中亦扮演着重要角色，该通路主要由细胞外信号调控激酶（extracellular regulated protein kinases，ERK）、c-Jun氨基末端激酶和P38介导，它们共同参与了缺血性脑组织的凋亡或死亡[39]。

近年来研究表明，线粒体功能障碍和内质网应激紊乱与细胞凋亡的发生密切相关。线粒体功能障碍可导致一系列有害效应发生，包括跨膜电位崩溃、基质钙流失、活性氧的产生及凋亡基因蛋白释放等[40]。高水平的内质网应激可通过激活炎症和凋亡程序诱导细胞的死亡[41]。使用Bcl-2相关蛋白抑制剂-1（Bax-1）则可通过需肌醇酶1（IRE1）-c-Jun氨基末端激酶（JNK）信号通路抑制内质网应激的过表达，从而减轻SAH早期脑损伤[42]。

细胞焦亡是一种依赖于Caspas e-1和Caspase-4/5/11的促炎症性细胞死亡模式。在细胞焦亡的早期，由于炎性反应的激活，细胞质膜上形成微小孔隙，钾离子外流，细胞内外离子梯度消失，导致细胞发生溶胀和裂解[43]。细胞焦亡一般发生在吞噬性细胞中，但有研究表明细胞焦亡也可存在于神经元及内皮细胞[44]。既往研究亦表明炎性小体在SAH早期脑损伤具有重要作用，而细胞焦亡依赖Caspase-1和Caspase-4/5/11途径的激活受到炎性小体的调控，这提示细胞焦亡的发生与SAH早期脑损伤具有一定相关性，然而具体机制仍需进一步探究[45]。

细胞坏死常是细胞被动死亡的过程，可导致细胞内容物的释放，诱发炎症反应。细胞凋亡与坏死可同时发生，SAH早期脑损伤程度过重往往导致细胞坏死。细胞坏死与SAH后CVS的发生密切相关，在SAH后细胞坏死主要发生在大血管平滑肌细胞层，其次，脑室周围细胞也可因电解质的紊乱而发生坏死[46]。

6 细胞自噬

细胞自噬是机体维护内环境稳态的一种机制，保证了机体衰老、多余或异位细胞质实体通过溶酶体途径降解。细胞自噬的启动受到严格的监视，多个信号通路共同介导着细胞自噬的发生，其中包括了雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）依赖性和非mTOR依赖性通路[47]。SAH后，溶酶体中铁过载，溶酶体膜失去稳定性而破裂，导致组织蛋白酶释放，从而激活细胞自噬[48]。细胞自噬产生的效应具有双相性，长期且剧烈的损伤加剧神经元的死亡，而短期且强度较低的损伤则发挥保护神经细胞的作用[49]。Zhong Wang等[50]在SAH动物模型中发现，脑皮质中与细胞自噬相关的自噬核心蛋白（Beclin-1）和微管相关蛋白1轻链3（LC3）的表达明显升高，使用自噬效应剂雷帕霉素上调Beclin-1和LC3的表达，可降低细胞凋亡的发生，改善血脑屏障的通透性，从而减轻SAH的早期脑损伤。

7 皮质传播抑制

此外，皮质传播抑制是SAH后离子紊乱导致的直接结果，表现为波幅-30～-10 mV且持续时间约1 min的特征性电活动，伴有周围不均匀扩散的特征[51]。Ala Nozari等[52]亦发现，SAH后脑血流量下降，脑组织中葡萄糖含量降低而促凝血因子含量增加，促使微血栓的产生而出现缺血灶，进而诱发皮层扩散性去极化的发生。分子水平研究表明，皮质传播抑制的发生与蛛网膜下腔氧合血红蛋白、ET-1及溶血产物升高，一氧化氮含量下降相关，继发导致皮质播散性缺血和缺血性神经功能障碍[53]。谷氨酸信号通路在扩散性去极化动力学中发挥关键作用，膜电位的去极化诱导谷氨酸等兴奋性氨基酸释放到细胞外，产生兴奋性毒性，导致神经元的损伤[54]。

8 微血栓形成

微血栓是一种发生在微循环中由血小板、白细胞或纤维蛋白相互黏附聚集形成的均质无结构微小血栓。微血栓的形成导致血管的堵塞，大脑发生缺血缺氧性损伤，Benjamin Friedrich等[55]在SAH小鼠软脑膜血管腔中观察到微血栓的形成，提示微血栓可能是诱发SAH后迟发性脑缺血损伤的原因之一。微血栓的形成依赖于血小板的介导，SAH后血浆中促凝血因子表达增加，血小板活化聚集形成微小血栓堵塞脑内微小血管，引起脑血流低灌注，进而导致脑缺血性损伤[56]。

本文阐述了SAH在脑血管痉挛、氧化应激反应、炎症反应、血脑屏障破坏与脑水肿、细胞凋亡，焦亡与坏死、细胞自噬、皮质传播抑制和微血栓形成方面的机制。SAH患者功能预后与神经血管单元密切相关，脑血管痉挛及细胞凋亡、焦亡与坏死导致神经血管单元直接受损因素；SAH后机体氧化应激及炎症反应共同作用的结果是脑血管痉挛和细胞凋亡的发生，并且血脑屏障的破坏导致脑水肿的发生，对神经血管单元产生损伤；此外皮质传播抑制和脑微血栓的形成，继发性引起脑组织缺血性损伤，加重SAH患者神经功能的缺损。深入探究SAH的关键病理生理机制，挖掘其内在联系能为日后SAH临床治疗方案及靶向药物研发提供方向。

【点睛】本文系统阐述了蛛网膜下腔出血后的病理生理机制，为蛛网膜下腔出血的临床预防、治疗和药物研发提供了一定的参考依据。